CN103078243A - 混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器 - Google Patents

混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器 Download PDF

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本发明公开了一种混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其构成包括：依次连接的第一光纤光栅、第一光纤合束器、第二光纤合束器、增益光纤和第二光纤光栅，第一泵浦源经第一光隔离器接所述的第一光纤合束器第二输入端，第二泵浦源经第二光隔离器接所述的第二光纤合束器的第二输入端，所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅构成激光谐振腔，所述的第一泵浦源为连续激光二极管，所述的第二泵浦源为脉冲激光器，所述的增益光纤为掺铥光纤。本发明降低了增益开关技术中泵浦脉冲光的阈值能量，相较于调Q、锁模等其它激光脉冲产生技术可获得更高能量的脉冲，而且具有全光纤连接、结构简单等特点，便于应用推广。

Description

混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器，特别是一种混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器。
背景技术
近年来，采用增益开关脉冲产生技术的光纤激光器引起了广泛关注，随之来产生了大量的相关研究和应用。这一类型激光器的意义在于它们的输出波长处在对人眼安全的2微米谱区，在遥感技术、生物医学和中红外激光产生等领域都有应用价值。而且，相对于其它脉冲产生技术，如调Q、锁模等，它们结构简单、无大型插入元件、易于实现激光器的全光纤化，这给激光器的产品化和市场化带来了极大的便利。此外，由于铥的三价阳离子在多个波长处都有较强的吸收，因此这类激光器在泵浦光波长的选择方面也有很高的自由度，通常所采用的泵浦光在790纳米波段、1微米波段和1.5微米波段等。然而，之前采用不同泵浦波长的研究工作也暴露出了这一类激光器存在的问题。如，采用790纳米或1微米波段泵浦时，由于方便获得高能量的激光二极管或Nd:YAG等泵源，增益开关技术所产生的2微米脉冲也可达到很高的能量，通常要比调Q或锁模等技术获得的高若干个数量级，但输出脉冲在时间域上十分的混乱的不规则，给应用带来了不便。这一情况的发生，是由于泵浦能级到激光上能级之间的弛豫和两个铥离子之间的交叉弛豫等物理过程的存在造成的。采用1.5微米波段泵浦，由于上述过程的减少，可获得规则的脉冲序列，但受限于泵源本身能提供的能量（尽管这一问题也通过对泵源多级放大来解决，但也极大的增加了激光系统的复杂程度，使增益开关技术的优势变的微弱），由增益开关技术获得的脉冲能量相较于其它泵浦波长也大大降低。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，既利用790纳米波段商用激光二极管可提供的高能量，也借助1.5微米波段泵浦时的良好时间特性，获得高能量、同时波形规则的2微米脉冲序列。
本发明的技术解决方案如下：
一种混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，特征在于其构成包括：依次连接的第一光纤光栅、第一光纤合束器、第二光纤合束器、增益光纤和第二光纤光栅，第一泵浦源经第一光隔离器接所述的第一光纤合束器第二输入端，第二泵浦源经第二光隔离器接所述的第二光纤合束器的第二输入端，所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅构成激光谐振腔，所述的第一泵浦源为连续激光二极管，所述的第二泵浦源为脉冲激光器，所述的增益光纤为掺铥光纤。
所述的增益光纤为保偏掺铥光纤。
所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅为保偏光纤光栅。
各元部件之间的连接由数值孔径匹配的导能光纤熔接完成。
所述的连续激光二极管泵浦源的输出波长在750纳米到820纳米范围内，该连续激光二极管泵浦源由多个激光二级管组成。
所述的脉冲激光器的输出波长在1500纳米到1760纳米范围内，脉宽从10纳秒到10微秒，重复频率在1千赫兹到500千赫兹之间。
在所述的第二光隔离器和第二光纤合束器之间还连接有若干放大级。
所述的放大级为光纤放大器，由掺铒光纤或铒镱共掺光纤、第三光纤合束器、第三光隔离器和第三泵浦源构成。
所述的第一光纤光栅和第二光纤光栅的工作波长为1900纳米到2100纳米间的各个波长，所述的第一光纤光栅在工作波长具有90％以上的高反射率，所述的第二光纤光栅作为激光输出端在工作波长的反射率小于80％。
所述的掺铥光纤为双包层光纤，由连续激光二极管泵浦源提供的泵浦光耦合入包层以全反射的形式传输，在穿过纤芯时被吸收；由脉冲激光器提供的泵浦光直接耦合入纤芯以全反射的形式传输并被吸收；纤芯中铥的三价阳离子掺杂重量比大于百分之一。
一种混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其构成包括：依次连接的第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、增益光纤和光隔离器，第一泵浦源经第一光隔离器接所述的第一波分复用器第二输入端，第二泵浦源经第二光隔离器接所述的第二波分复用器的第二输入端，所述的第一泵浦源为连续激光二极管，所述的第二泵浦源为脉冲激光器，所述的增益光纤为掺铥光纤。
所述的连续激光二极管由多个激光二级管组成。
所述的光纤合束器的泵浦光耦合方式：连续激光二极管泵浦源的输出尾纤应与光纤合束器的泵浦光输入纤连接，脉冲激光器出入尾纤应与光纤合束器的信号光输入纤连接，以分别实现在包层和纤芯中传输。
所述的光纤隔离器的工作波长应与光纤光栅的一致，其作用在于防止背向传输激光打坏泵浦源。
所述激光腔也可以是环形腔，由波分复用器实现泵浦光的注入和激光的导出，腔内加入光纤隔离器以实现激光的单向传输。
与现有技术相比，本发明降低了增益开关技术中泵浦脉冲光的阈值能量，相较于调Q、锁模等其它激光脉冲产生技术可获得更高能量的脉冲，而且具有全光纤连接、结构简单等特点，便于应用推广。
附图说明
图1是本发明混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器的基本结构示意图。
图2是铥的三价阳离子的简化能级机构及本发明所述激光器涉及的主要物理过程的示意图。
图3是本发明的第二种实施方案的结构图。
图4是本发明的第三种实施方案的结构图。
图5是本发明的第四种实施方案的结构图。
具体实施方案
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图1是本发明混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器的基本结构示意图，如图所示，一种混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其构成包括：依次连接的第一光纤光栅3、第一光纤合束器6、第二光纤合束器61、增益光纤5和第二光纤光栅4，第一泵浦源1经第一光隔离器71接所述的第一光纤合束器6第二输入端，第二泵浦源2经第二光隔离器72接所述的第二光纤合束器61的第二输入端，所述的第一光纤光栅3和第二光纤光栅4构成激光谐振腔，所述的第一泵浦源1为连续激光二极管，所述的第二泵浦源2为脉冲激光器，所述的增益光纤5为掺铥光纤。
连续光激光二极管泵浦源1可选取商用793纳米激光二极管，所需功率大小视激光器的具体配置而定，但要求其在单独泵浦的情况下实现连续激光输出，输出尾纤为双包层光纤，纤芯直径为105微米，内包层直径为125微米。脉冲激光器2可选为工作在光纤通信C波段的1550纳米光纤激光器，其脉冲工作模式是由对连续光的电调制实现，脉宽为10纳秒到200纳秒，重复频率范围是10千赫兹到100千赫兹，平均功率为1毫瓦到800毫瓦，其输出尾纤为单包层光纤，纤芯直径为10纳米，包层为125纳米。通过输入尾纤与合束器6输入端的熔接，可将两种泵浦光耦合入激光腔内，为使熔接点的损耗较小，需选择合束器6的泵浦输入纤和信号输入纤的尺寸分别与上面提到的连续光激光二极管泵浦源1和脉冲激光器2的输出尾纤相匹配。光纤熔接可采用商用的基于二氧化碳激光器的熔接机。为防止产生的部分激光背向传输打坏泵浦源，通常会在泵浦源与合束器之间熔接一个光纤隔离器7。激光谐振腔是由一个高反射率光纤光栅3、一段掺铥光纤5和一个低反射率光纤光栅4共同组成的。其中高反射率光纤光栅3要求在2微米波段的反射率为百分之九十八，这一要求一方面是为激光谐振提供反馈，另一方面是为了使激光尽可能从单侧输出。而低反射率光纤光栅4则要求反射率为百分之十，这一要求主要是为了光子有较短腔内寿命。研究表明，对于掺铥光纤5这样的高增益激光介质，光子腔内寿命较短时可获得相对较高的输出能量，而且在增益开关技术中，光子腔内寿命越短也往往意味着可获得更脉宽更窄的激光脉冲。本发明中用到的掺铥光纤6为双包层光纤，为了更好的吸收泵浦光，内包层截面为六边形，纤芯和内包层的直径与合束器6输出纤的相匹配。纤芯中铥的三价阳离子掺杂重量比为百分之四，此外还掺入了少量铝的三价阳离子。这种情况下掺铥光纤6在793纳米波段的吸收约为4dB/m，为使泵浦光被充分吸收，选择光纤长度约为4米。在掺杂光纤中泵浦光被铥离子吸收，使其跃迁至激发态，处于激发态的离子向下跃迁发出荧光。由于光纤光栅的作用，特定波长的光子有更长的腔内寿命，使其引发其它离子的受激发射和受激吸收。通常由于泵浦光的作用，受激发射要强于受激吸收，也就意味着这一波长的光在逐渐增强，当强度超过其在光纤中传输的损耗时，激光便会形成。以上只是对光纤激光器的物理过程的粗略描述。
图2是铥的三价阳离子的简化能级结构图，下面将借助它来将本发明中的激光物理过程做更详细的说明。由连续激光二极管泵浦源1产生的连续光将处于基态3H6的粒子抽运至激发态3H4（a），这些粒子逐渐无辐射向下跃迁，通过激发态3H5到达亚稳态3F4（c1，c2），即激光上能级。粒子在激光上能级3F4堆积，但由于对连续光强度的控制，不至于超过激光阈值而发光，而使该能级的粒子数维持在接近阈值的水平。脉冲激光器2产生的脉冲光由于受激吸收（b）和交叉弛豫（d）过程使粒子进一步在3F4能级上堆积，以至于达到阈值出光。由于第二种泵浦光是脉冲形式，这意味着经过一段时间后粒子数水平又回回到阈值一下，所以输出激光激光也会是脉冲的形式，即实现了所谓的增益开关过程。由于这一过程实际是由脉冲泵浦光实现的，几乎没有导致输出不稳定的弛豫等物理过程参与，所以保证了2微米脉冲的规则性。而且由于只需要少量的泵浦脉冲能量即可达到阈值，所以剩余的脉冲能量可被用来将反转粒子数提高到更高水平，以获得更高能量的脉冲。相较于传统的只用1.5微米脉冲光来泵浦的技术方案，本发明显然使阈值所需的泵浦脉冲能量大大降低。
图3是本发明的第二种实施方案，相较于基本方案，本方案通过增加连续激光二极管泵浦源1的数量，使在一些情况下，由于泵源本身功率不够或激光腔配置原因，上能级粒子数无法大量积累的问题得到解决。
图4是本发明的第三种实施方案，相较于基本方案，本方案增加了脉冲激光器2的放大级，使获得更高能量的2微米脉冲成为可能。放大级通常为光纤放大器，由掺铒光纤或铒镱共掺光纤11和第三泵浦源12构成。掺杂光纤的长度由其吸收系数决定，泵浦源通常选择商用的975纳米连续激光二极管泵浦源，同样也使用光纤隔离器对其进行保护。若有需要，放大级也可为多级，激光脉冲的能量也将进一步提高。
图5是本发明的第四种实施方案，本方案将基本方案中采用的法布里珀罗激光腔换为环形激光腔。如图所示，一种混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其构成包括：依次连接的第一波分复用器13、第二波分复用器14、第三波分复用器15、增益光纤5和光隔离器7，第一泵浦源1经第一光隔离器71接所述的第一波分复用器13第二输入端，第二泵浦源2经第二光隔离器72接所述的第二波分复用器14的第二输入端，所述的第一泵浦源1为连续激光二极管，所述的第二泵浦源2为脉冲激光器，所述的增益光纤5为掺铥光纤。所述的连续激光二极管由多个激光二级管组成。第一波分复用器13、第二波分复用器14分别为工作在连续泵浦光波段和脉冲泵浦光波段的波分复用器，第三波分复用器15为用于激光输出波分复用器。光纤环中的光纤隔离器7是为了实现激光在环形腔内的单向传输。采用此种腔型可以提高激光器的光转化效率。

Claims (12)

1.一种混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，特征在于其构成包括：依次连接的第一光纤光栅（3）、第一光纤合束器（6）、第二光纤合束器（61）、增益光纤（5）和第二光纤光栅（4），第一泵浦源（1）经第一光隔离器（71）接所述的第一光纤合束器（6）第二输入端，第二泵浦源（2）经第二光隔离器（72）接所述的第二光纤合束器（61）的第二输入端，所述的第一光纤光栅（3）和第二光纤光栅（4）构成激光谐振腔，所述的第一泵浦源（1）为连续激光二极管，所述的第二泵浦源（2）为脉冲激光器，所述的增益光纤（5）为掺铥光纤。
2.根据权利要求1所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的增益光纤（5）为保偏掺铥光纤。
3.根据权利要求1所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的第一光纤光栅（3）和第二光纤光栅（4）为保偏光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，各元部件之间的连接由数值孔径匹配的导能光纤熔接完成。
5.根据权利要求1所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的连续激光二极管泵浦源（1）的输出波长在750纳米到820纳米范围内，该连续激光二极管泵浦源（1）由多个激光二级管组成。
6.根据权利要求1所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的脉冲激光器（2）的输出波长在1500纳米到1760纳米范围内，脉宽从10纳秒到10微秒，重复频率在1千赫兹到500千赫兹之间。
7.根据权利要求1所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，在所述的第二光隔离器（72）和第二光纤合束器（61）之间还连接有若干放大级。
8.根据权利要求7所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的放大级为光纤放大器，由掺铒光纤或铒镱共掺光纤（11）、第三光纤合束器（63）、第三光隔离器（73）和第三泵浦源（12）构成。
9.根据权利要求1所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的第一光纤光栅（3）和第二光纤光栅（4）的工作波长为1900纳米到2100纳米间的各个波长，所述的第一光纤光栅（3）在工作波长具有90％以上的高反射率，所述的第二光纤光栅（4）作为激光输出端在工作波长的反射率小于80％。
10.根据权利要求1所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的掺铥光纤（5）为双包层光纤，由连续激光二极管泵浦源（1）提供的泵浦光耦合入包层以全反射的形式传输，在穿过纤芯时被吸收；由脉冲激光器（2）提供的泵浦光直接耦合入纤芯以全反射的形式传输并被吸收；纤芯中铥的三价阳离子掺杂重量比大于百分之一。
11.一种混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，特征在于其构成包括：依次连接的第一波分复用器（13）、第二波分复用器（14）、第三波分复用器（15）、增益光纤（5）和光隔离器（7），第一泵浦源（1）经第一光隔离器（71）接所述的第一波分复用器（13）第二输入端，第二泵浦源（2）经第二光隔离器（72）接所述的第二波分复用器（14）的第二输入端，所述的第一泵浦源（1）为连续激光二极管，所述的第二泵浦源（2）为脉冲激光器，所述的增益光纤（5）为掺铥光纤。
12.根据权利要求11所述的混合泵浦的2微米高脉冲能量掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的连续激光二极管由多个激光二级管组成。
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