CN102332676A

CN102332676A - 一种中红外光纤激光器

Info

Publication number: CN102332676A
Application number: CN 201110302540
Authority: CN
Inventors: 苏秉华; 蔡波; 薛竣文
Original assignee: SHENZHEN DAWEI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN DAWEI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-10-09
Filing date: 2011-10-09
Publication date: 2012-01-25

Abstract

本发明涉及激光技术领域，涉及一种中红外光纤激光器。包括前置的泵浦系统、谐振腔以及输出系统。所述谐振腔由增益系统和光参振荡系统组成。所述增益系统包括相互连接的光纤光栅、增益光纤以及无源光纤，光纤光栅通过光纤与泵浦系统连接。所述光参振荡系统包括依次排列的聚焦透镜组、布鲁斯特偏振片、非线性光学晶体以及设置于非线性光学晶体前的短波通滤波片、设置于非线性光学晶体后的长波通滤波片，从无源光纤输出的光束通过聚焦透镜组进入到光参振荡系统，经长波通滤波片进入输出系统，经整形后输出。本发明提供了一种中红外光纤激光器，提高了中红外激光的输出功率，且该中红外光纤激光器坚固耐用。

Description

一种中红外光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，涉及一种中红外光纤激光器。

背景技术

中红外激光在国防（干扰/致盲红外制导及热像仪）、生化（气体分子探测）、医疗（骨/牙科应用、手术、病理检验）以及半导体技术（等离子刻蚀的监控）等方面都有着重要的应用，但是由于在中红外波段缺乏高效增益介质，产生激光的主要手段为参量振荡和倍频。而现有的几种激光器都存在不同的问题：铟砷锑及铅盐类半导体激光器效率极低，仅能产生微瓦级输出；固体激光器参量振荡方案由于散热问题难以实现高平均输出功率；二氧化碳激光器倍频效率较高，但不适合野外或机载使用；现有光纤激光器参量振荡方案需要复杂、昂贵的窄谱宽、线偏振主激光器振荡功率放大（MOPA）光纤激光器，腔外参量振荡效率低。总体上讲，现有中红外激光器都不能获得高功率稳定的中红外激光。

发明内容

本发明提供了一种中红外光纤激光器，提高了中红外激光的输出功率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种中红外光纤激光器，包括前置的泵浦系统、谐振腔以及输出系统，所述谐振腔由增益系统和光参振荡系统组成，所述增益系统包括相互连接的光纤光栅、增益光纤以及无源光纤，光纤光栅通过光纤与泵浦系统连接，所述光参振荡系统包括依次排列的聚焦透镜组、布鲁斯特偏振片、非线性光学晶体以及设置于非线性光学晶体前的短波通滤波片、设置于非线性光学晶体后的长波通滤波片，从无源光纤输出的光束通过聚焦透镜组进入到光参振荡系统，经长波通滤波片进入输出系统，经整形后输出。

谐振腔由增益系统和光参振荡系统组成，其中，增益系统前端的光纤光栅和光参振荡系统后端的长波通滤波片组成谐振腔腔镜。泵浦系统发射出980nm的泵浦光通过光纤光栅进入增益系统，激发振荡后产生1064nm的近红外激光经过无源光纤输出到光参量振荡系统，经过聚焦透镜组的聚焦和布鲁斯特偏振片的起偏后进入非线性光学晶体，产生中红外激光（如4μm）。中红外激光经长波通滤波片进入输出系统，经整形后输出；未被充分利用的1064nm激光被长波通滤波片反射回谐振腔，并经过晶体和聚焦透镜组的耦合进入无源光纤，再次进入增益系统，短波通滤波片则将逆向反射途中产生的中红外激光反射输出。

本方案中，所述泵浦系统包括半导体激光器和为半导体激光器供电的电源，泵浦系统通过半导体激光器的尾纤与光纤光栅之间的熔接与增益系统连接。

优选地，所述光纤光栅、增益光纤以及无源光纤相互熔接，保证实现各光纤之间的模场匹配，从而减少熔接损耗。

优选地，所述光纤光栅为布拉格光纤光栅。光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护，且带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性。布拉格光纤光栅对半导体激光器发出的泵浦光高通，对于谐振腔内产生的1064nm激光高反；而长波通滤波片则对中红外激光高通，对1064nm激光高反。

优选地，所述增益光纤为摻镱双包层光纤，该包层形状为D形、矩形和多边形中的一种。双包层结构可以保证光束质量的提前下增加泵浦效率。掺镱双包层光纤技术发展迅速，是迄今制作大功率光纤激光器的主流材料，与传统单包层光纤相比有以下优点：大大提高了泵浦光的耦合效率；大大提高了可入纤泵浦功率，从而可得到大的输出功率；对泵浦光的单模特性不再有要求，扩大了泵浦光源的选择范围。参考实际的设计效果发现，内包层的形状是影响泵浦效率的一个重要参数，不同的内包层形状使得泵浦光穿越纤芯的次数不同，从而导致泵浦效率的较大差异。

优选地，所述增益光纤材料的吸收波长与半导体激光器输出的泵浦光束波长一致。其中，所述半导体激光器输出的泵浦光束波长为980nm。

优选地，所述无源光纤为单模光纤。单模光纤中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10微米左右)，只能传一种模式的光，其模间色散小，有利于光束进入光参振荡系统时减少色散。

优选地，所述布鲁斯特偏振片的起偏方向与非线性光学晶体的厚度方向一致，保证利用晶体的最大非线性系数，提高晶体倍频效率。

优选地，所述非线性光学晶体为准相位匹配的周期性极化铌酸锂晶体，即PPLN晶体，实现转换效率的最大化。其中，晶体的极化周期必须与基频光的波长相匹配。准相位匹配是非线性光学频率转换的一种重要技术。非线性频率转化中要求动量守恒，在普通非线性晶体中由于色散的存在较难实现，特别是同时多个非线性相互作用的，而非线性周期性结构提供的倒格矢则能较容易地实现相位匹配。通过在非线性介质中构造周期性的结构（非线性光子晶体），它能有效的实现非线性频率转化。相对通常的临界相位匹配（温度匹配、角度匹配），这种方法称为准相位匹配，它能更容易利用较大的非线性系数。

作为改进，所述光参振荡系统还包括对非线性光学晶体进行温控的晶体温控炉。晶体温控炉对非线性光学晶体进行温度控制，以实现转换效率的最大化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中红外光纤激光器在谐振腔内设置增益系统和光参振荡系统，通过引入光参振荡系统而构成腔内光学参量振荡器（OPO），大大提高转换效率，从而提高中红外激光的输出功率，且该中红外光纤激光器坚固耐用。

附图说明

图1为本发明中红外光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。如图1所示为本发明中红外光纤激光器的实施例，包括前置的泵浦系统10、谐振腔20以及输出系统30。谐振腔20由增益系统21和光参振荡系统22组成。增益系统21包括相互连接的光纤光栅211、增益光纤212以及无源光纤213，光纤光栅211通过光纤与泵浦系统10连接。光参振荡系统22包括依次排列的聚焦透镜组221、布鲁斯特偏振片222、非线性光学晶体224以及设置于非线性光学晶体224前的短波通滤波片223、设置于非线性光学晶体224后的长波通滤波片225。从无源光纤213输出的光束通过聚焦透镜组221进入到光参振荡系统22，经长波通滤波片225进入输出系统30，经整形后输出。其中，泵浦系统10包括半导体激光器11和为半导体激光器11供电的电源12。泵浦系统10通过半导体激光器11的尾纤与光纤光栅211之间的熔接与增益系统21连接。

谐振腔20由增益系统21和光参振荡系统22组成。其中，增益系统21前端的光纤光栅211和光参振荡系统22后端的长波通滤波片225组成谐振腔20腔镜。泵浦系统10发射出980nm的泵浦光通过光纤光栅211进入增益系统21，激发振荡后产生1064nm的近红外激光经过无源光纤213输出到光参振荡系统22，经过聚焦透镜组221的聚焦和布鲁斯特偏振片222的起偏后进入非线性光学晶体224，产生中红外激光（如4μm）。中红外激光经长波通滤波片225进入输出系统30，经整形后输出；未被充分利用的1064nm激光被长波通滤波片225反射回谐振腔20，并经过晶体和聚焦透镜组221的耦合进入无源光纤213，再次进入增益系统21，短波通滤波片223则将逆向产生的中红外激光反射输出。

本实施例中红外光纤激光器在谐振腔20内设置增益系统21和光参振荡系统22，通过引入光参振荡系统22而构成腔内光学参量振荡器（OPO），大大提高转换效率，从而提高中红外激光的输出功率，且该中红外光纤激光器坚固耐用。

为了保证实现各光纤之间的模场匹配，以减少熔接损耗，采用优选方式，光纤光栅211、增益光纤212以及无源光纤213相互熔接。光纤光栅211为布拉格光纤光栅。光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护，且带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性。布拉格光纤光栅对半导体激光器11发出的泵浦光高通，对于谐振腔20内产生的1064nm激光高反；而长波通滤波片225则对中红外激光高通，对1064nm激光高反。

增益光纤212为摻镱双包层光纤，该包层形状为D形、矩形和多边形中的一种。双包层结构可以保证光束质量的提前下增加泵浦效率。掺镱双包层光纤技术发展迅速，是迄今制作大功率光纤激光器的主流材料，与传统单包层光纤相比有以下优点：大大提高了泵浦光的耦合效率；大大提高了可入纤泵浦功率，从而可得到大的输出功率；对泵浦光的单模特性不再有要求，扩大了泵浦光源的选择范围。参考实际的设计效果发现，内包层的形状是影响泵浦效率的一个重要参数，不同的内包层形状使得泵浦光穿越纤芯的次数不同，从而导致泵浦效率的较大差异。

其中，增益光纤212材料的吸收波长与半导体激光器11输出的泵浦光束波长一致，其中，半导体激光器11输出的泵浦光束波长为980nm；无源光纤213为单模光纤，便于光束进入光参振荡系统22时减少色散；布鲁斯特偏振片222的起偏方向与非线性光学晶体224的厚度方向一致，保证利用晶体的最大非线性系数，提高晶体倍频效率。

非线性光学晶体224为准相位匹配的周期性极化铌酸锂晶体，即PPLN晶体，实现转换效率的最大化。其中，晶体的极化周期必须与基频光的波长相匹配。准相位匹配是非线性光学频率转换的一种重要技术。非线性频率转化中要求动量守恒，在普通非线性晶体中由于色散的存在较难实现，特别是同时多个非线性相互作用的，而非线性周期性结构提供的倒格矢则能较容易地实现相位匹配。通过在非线性介质中构造周期性的结构（非线性光子晶体），它能有效的实现非线性频率转化。相对通常的临界相位匹配（温度匹配、角度匹配），这种方法称为准相位匹配，它能更容易利用较大的非线性系数。

作为本实施例的进一步改进，光参振荡系统22还包括对非线性光学晶体224进行温控的晶体温控炉226。晶体温控炉226对非线性光学晶体224进行温度控制，以实现转换效率的最大化。

采用以上的结构设计出来的中红外腔内OPO光纤激光器具有高功率输出和较高光束质量的特点，并且坚固耐用，易实现野外和机载的应用。

Claims

1.一种中红外光纤激光器，包括前置的泵浦系统（10）、谐振腔（20）以及输出系统（30），其特征在于：所述谐振腔由增益系统（21）和光参振荡系统（22）组成，所述增益系统包括相互连接的光纤光栅（211）、增益光纤（212）以及无源光纤（213），光纤光栅通过光纤与泵浦系统连接，所述光参振荡系统包括依次排列的聚焦透镜组（221）、布鲁斯特偏振片（222）、非线性光学晶体（224）以及设置于非线性光学晶体前的短波通滤波片（223）、设置于非线性光学晶体后的长波通滤波片（225），从无源光纤输出的光束通过聚焦透镜组进入到光参振荡系统，经长波通滤波片进入输出系统，经整形后输出。

2.根据权利要求1所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述泵浦系统包括半导体激光器（11）和为半导体激光器供电的电源（12），泵浦系统通过半导体激光器的尾纤与光纤光栅之间的熔接与增益系统连接。

3.根据权利要求1所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述光纤光栅、增益光纤以及无源光纤相互熔接。

4.根据权利要求3所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述光纤光栅为布拉格光纤光栅。

5.根据权利要求3所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤为摻镱双包层光纤，该包层形状为D形、矩形和多边形中的一种。

6.根据权利要求3所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤材料的吸收波长与半导体激光器输出的泵浦光束波长一致。

7.根据权利要求6所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述半导体激光器输出的泵浦光束波长为980nm。

8.根据权利要求3所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述无源光纤为单模光纤。

9.根据权利要求1所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述布鲁斯特偏振片的起偏方向与非线性光学晶体的厚度方向一致。

10.根据权利要求1所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述非线性光学晶体为准相位匹配的周期性极化铌酸锂晶体。

11.根据权利要求1-10任一所述的中红外光纤激光器，其特征在于：所述光参振荡系统还包括对非线性光学晶体进行温控的晶体温控炉（226）。