CN102332672A - 一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源 - Google Patents

Abstract

一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，涉及一种中红外光源。设有种子光源、耦合系统、光纤放大器、光参量振荡器的输入镜、非线性晶体和输出耦合镜；种子光源设有半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质和被动调Q晶体，耦合系统设于种子光源与光纤放大器之间，光纤放大器设有光纤和光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统依次摆放，半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统同轴。可获得性能优良的中红外激光输出、解决中红外激光器的高效散热问题、降低整机体积、提高输出光的光束质量和转换效率。

Description

一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源

技术领域

本发明涉及一种中红外光源，尤其是涉及一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源。

背景技术

固体激光器，尤其是全固态激光器因具有结构紧凑、转换效率高、寿命长等优点而被广泛应用于军事、工业加工和科学研究等。通过近红外波段全固态激光器作为泵浦源，通过光参量振荡器是获得3～5μm中红激光光源最有效的手段之一。到目前为止，虽然中红外激光器取得了一定的发展，但是在中红外光源高重复频率、高峰值功率光源获得、泵浦源选取、中红外波段介质薄膜宽带设计、低吸收、高损耗控制等方面还有许多技术问题需要解决，尤其当通过光参量手段获得中红外激光光源时，泵浦源的体积、效率、稳定性、光束质量等还有许多问题亟待解决：1)泵浦源的全固化、小型化、轻量化；2)泵浦源功率水平和光束质量同时保证；3)泵浦源在高重复频率下脉宽较宽，峰值功率较低、单脉冲能量随重复频率变化较大；4)泵浦源体积大、结构复杂，制冷功耗大、需水冷等。([1]Y.Bonetti，andJ.Faist，Quantumcascade lasers entering the mid-infrared.Nature Photonics2009，3：32-34；[2]任国光，黄裕年，用激光红外干扰系统保护军用和民航机，激光与红外2006，36(1)：1-6)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可获得性能优良的中红外激光输出、可解决中红外激光器的高效散热问题、可降低整机体积、提高输出光的光束质量和转换效率的基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源。

本发明设有种子光源、耦合系统、光纤放大器、光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜；所述种子光源设有半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质和被动调Q晶体，所述耦合系统设于种子光源与光纤放大器之间，所述光纤放大器设有光纤和光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统按从左至右顺序依次摆放，所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统的中心处于同一光轴上，所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统之间的间距可调；所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜按从左往右顺序依次摆放，所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜的中心处于同一光轴上，所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜之间的间距可调。

所述种子光源的波长可为1.0～1.1μm，所述种子光源的谐振腔由激光介质和被动调Q晶体构成，激光介质的左端面镀制808nm泵浦光增透膜和1000～1100nm范围内基频光的高反射膜，激光介质的右端面镀制基频光增透膜，同时也是该基频光的输出镜，被动调Q晶体的左端面镀基频光增透膜，被动调Q晶体的右端面镀基频光的部分反射膜；

所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源可为一组通过半导体制冷器进行温度控制的波长在975nm附近的带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，功能是为光纤放大器提供泵浦光，为了便于散热，将光纤放大器所需的总泵浦能量分配到波长在975nm附近的若干光纤耦合输出的半导体激光器中，所述光纤耦合输出的半导体激光器可设至少3个。

所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统之间的间距可调的范围可为0.5～100mm。

所述耦合系统中可设有一个单向器，以保证光的单向传播，防止放大器的反射光回馈到种子光源中，引起系统的不稳定。

所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源设在整个系统所安放的实验平台上，该平台为整个系统提供支撑作用，由于所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源是一组通过半导体制冷器进行温度控制的波长在975nm附近的带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，光纤具有一定的长度和弯曲能力，可以在与其他元件不重叠和交叉的情况下，在光纤放大器的左右两侧灵活安放，安放以结构紧凑、整齐排列为原则，相互位置关系和距离可不作限制。

所述光纤可为掺yb3+的双包层光纤或光子晶体光纤；从耦合系统出射的光的光轴和光纤的通光轴在同一条水平线上，光纤的通光轴与光参量振荡器的输入镜左端面的法线相互平行，耦合系统和光参量振荡器的输入镜与光纤之间存在空气间隙，间隙大小可以在0.5～100mm之间调节，所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源分布在光纤的左右两侧，所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源与光纤之间通过光纤熔接进行连接。

将光纤作为放大级增益介质、半导体激光器作为泵浦源，对种子光源进行一级或多级放大，通过对光纤弯曲半径的控制、结构的优化设计来分别抑制高阶模和各种非线性效应，通过应力双折射来获得偏振保持特性，最后获得高峰值功率、线偏振、短脉冲光源。

所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜之间的间距可调的范围可为0.5～100mm。所述用于频率变换的非线性晶体的左右端面都镀制泵浦光的增透膜；所述输出耦合镜的左端面镀制泵浦光的高反射膜和信号光的部分透射膜，所述输出耦合镜的右端面镀制信号光的增透膜。

所述用于频率变换的非线性晶体可采用周期极化晶体或普通的非极化晶体。

本发明将发射波长在1.0～11μm的被动调Q脉冲微片激光器发出的光作为光纤放大器的种子光源，经过一级或多级掺镱双包层光纤放大器放大，种子光源在偏振方向、重复频率、光束质量上基本不变，单个脉冲的能量得到逐级放大，最后获得高重复频率、高能量、单频、线偏振短脉冲的泵浦光，并将其作为中红外激光器的泵浦源，利用非线性晶体通过光参量振荡的方式获得中红外波段的激光输出。该激光输出的波长可以通过改变非线性晶体的工作温度或者横向非线性晶体入射位置等来进行调谐。本发明将光纤放大器与微片激光器结合，一方面可把能量放大的部分即产生冗余热量多的放大级用光纤放大器实现，利用光纤放大器散热好的特点通过半导体制冷或简单的传导冷却；另一方面利用小功率固体激光器、半导体激光器在体积、短脉宽方面的优势进一步简化种子光源的结构，光纤放大器输出光在光束质量、稳定性等方面的优势确保了后端通过光参量手段获得的中红外光源在非线性过程中能有较高的转换效率。获得高效率的中红外激光光源整机、不需水冷减少了体积、光纤输出提高了光束质量，扩大了应用范围和工作环境。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例设有种子光源、耦合系统、光纤放大器、光参量振荡器的输入镜11、用于频率变换的非线性晶体12和输出耦合镜13；所述种子光源设有半导体激光器1、准直光学系统2、聚焦光学系统3、激光介质4和被动调Q晶体5，所述耦合系统设于种子光源与光纤放大器之间，所述光纤放大器设有光纤10和光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源7，所述半导体激光器1、准直光学系统2、聚焦光学系统3、激光介质4、被动调Q晶体5和耦合系统6按从左至右顺序依次摆放，所述半导体激光器1、准直光学系统2、聚焦光学系统3、激光介质4、被动调Q晶体5和耦合系统6的中心处于同一光轴上，所述半导体激光器1、准直光学系统2、聚焦光学系统3、激光介质4、被动调Q晶体5和耦合系统6之间的间距可调，间距可调的范围可为0.5～100mm。所述光参量振荡器的输入镜11、用于频率变换的非线性晶体12和输出耦合镜13按从左往右顺序依次摆放，其中心处于同一光轴上，所述光参量振荡器的输入镜11、用于频率变换的非线性晶体12和输出耦合镜13之间的间距可调，间距可调的范围可为0.5～100mm。

所述种子光源的波长可为1.0～11μm，所述种子光源的谐振腔由激光介质4和被动调Q晶体5构成，激光介质4的左端面镀制808nm泵浦光增透膜和1000～1100nm范围内基频光的高反射膜，激光介质4的右端面镀制基频光增透膜，同时也是该基频光的输出镜，被动调Q晶体5的左端面镀基频光增透膜，被动调Q晶体5的右端面镀基频光的部分反射膜。

所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源7可为一组通过半导体制冷器进行温度控制的波长在975nm附近的带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，功能是为光纤放大器提供泵浦光，为了便于散热，将光纤放大器所需的总泵浦能量分配到波长在975nm附近的若干光纤耦合输出的半导体激光器中，所述光纤耦合输出的半导体激光器可设至少3个。

所述耦合系统6中可设有一个单向器，以保证光的单向传播，防止放大器的反射光回馈到种子光源中，引起系统的不稳定。

所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源7设在整个系统所安放的实验平台上，该平台为整个系统提供支撑作用，由于所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源7是一组通过半导体制冷器进行温度控制的波长在975nm附近的带光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，光纤具有一定的长度和弯曲能力，可以在与其他元件不重叠和交叉的情况下，在光纤放大器的左右两侧灵活安放，安放以结构紧凑、整齐排列为原则，相互位置关系和距离可不作限制。

所述光纤10可为掺yb3+的双包层光纤或光子晶体光纤；从耦合系统6出射的光的光轴和光纤10的通光轴同轴，光纤10的通光轴与光参量振荡器的输入镜11左端面的法线相互平行，耦合系统6和光参量振荡器的输入镜11与光纤10之间存在空气间隙，间隙大小可以在0.5～100mm之间调节，所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源7分布在光纤10的左右两侧，所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源7与光纤10之间通过光纤熔接进行连接。

将光纤10作为放大级增益介质、半导体激光器作为泵浦源，对种子光源进行一级或多级放大，通过对光纤弯曲半径的控制、结构的优化设计来分别抑制高阶模和各种非线性效应，通过应力双折射来获得偏振保持特性，最后获得高峰值功率、线偏振、短脉冲光源。

所述用于频率变换的非线性晶体12的左右端面都镀制泵浦光的增透膜；所述输出耦合镜13的左端面镀制泵浦光的高反射膜和信号光的部分透射膜，所述输出耦合镜13的右端面镀制信号光的增透膜。

所述用于频率变换的非线性晶体12可采用周期极化晶体或普通的非极化晶体。

Claims (10)

1.一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于设有种子光源、耦合系统、光纤放大器、光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜；所述种子光源设有半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质和被动调Q晶体，所述耦合系统设于种子光源与光纤放大器之间，所述光纤放大器设有光纤和光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源，所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统按从左至右顺序依次摆放，所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统的中心处于同一光轴上，所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统之间的间距可调；所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜按从左往右顺序依次摆放，所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜的中心处于同一光轴上，所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜之间的间距可调。

2.如权利要求1所述的一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述种子光源的波长为1.0～1.1μm，所述种子光源的谐振腔由激光介质和被动调Q晶体构成。

3.如权利要求1所述的一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述光纤耦合输出的半导体激光器设至少3个。

4.如权利要求1所述的一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述半导体激光器、准直光学系统、聚焦光学系统、激光介质、被动调Q晶体和耦合系统之间的间距可调的范围为0.5～100mm。

5.如权利要求1所述的一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述耦合系统中设有一个单向器。

6.如权利要求1所述的一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述光纤为掺Yb3+的双包层光纤或光子晶体光纤。

7.如权利要求1所述的一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于从耦合系统出射的光的光轴和光纤的通光轴在同一条水平线上，光纤的通光轴与光参量振荡器的输入镜左端面的法线相互平行，耦合系统和光参量振荡器的输入镜与光纤之间存在空气间隙，间隙大小在0.5～100mm之间调节，所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源分布在光纤的左右两侧，所述光纤耦合输出的半导体激光器泵浦源与光纤之间通过光纤熔接进行连接。

8.如权利要求1所述的一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述光参量振荡器的输入镜、用于频率变换的非线性晶体和输出耦合镜之间的间距可调的范围为0.5～100mm。

9.如权利要求1所述的一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述用于频率变换的非线性晶体的左右端面都镀制泵浦光的增透膜；所述输出耦合镜的左端面镀制泵浦光的高反射膜和信号光的部分透射膜，所述输出耦合镜的右端面镀制信号光的增透膜。

10.如权利要求1所述的一种基于微片激光器和光纤放大器的可调谐中红外光源，其特征在于所述用于频率变换的非线性晶体采用周期极化晶体或普通的非极化晶体。