CN102738697B - 一种2.7微米光纤激光器的实现方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种2.7微米光纤激光器的装置，包括第一工作物质、第二工作物质、第一谐振腔、第二谐振腔、第一耦合系统、第二耦合系统和至少一个泵浦源。其中，泵浦源为激光二极管或其它泵浦源，第一工作物质为掺铥物质，第二工作物质为掺磷光纤；激光二极管输出的泵浦光经第一耦合系统耦合进入掺铥光纤，铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔内振荡，输出2微米激光；2微米激光经第二耦合系统耦合进入掺磷光纤，引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔内振荡，输出2.7微米激光。本发明能产生2.7微米的激光。

Description

一种2.7微米光纤激光器的实现方法和装置
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及一种2.7微米光纤激光器的实现方法和装置。
背景技术
～2.7μm波段激光属于近红外光(0.75～3μm)，在光谱学、激光外科、工业、军事、科研等领域存在广泛的应用前景。由于水分子在3.0μm附近有很强的中红外吸收峰，而人体组织中水的比例大约占70％，因而组织对光的吸收情况与水相似。生物组织对2.7～3μm波段的光吸收很强烈，使得红外激光可以在大部分软组织和硬组织中产生浅的渗透深度、高的手术精度，对邻近组织的热损伤小，大大限制损伤区域。同时～2.7μm波段激光还可作为更长波长激光的高效泵浦源。
光纤激光器具有高转换效率、良好的光束质量、简单紧凑的腔结构、散热好等优点，因而利用掺杂光纤实现的红外光纤激光器，比其它相应波长的红外激光器，如固体离子掺杂的晶体或玻璃激光器、光参量振荡器和差频产生器、半导体激光器和气体激光器(CO和CO2)具有更大的优势。
在掺稀土离子的石英光纤激光器中，发光波长最长的是掺钬激光器，能达到2.26μm。由于石英基质具有较高的声子能量，降低了辐射量子效率，使阈值较高，所以利用稀土掺杂的石英光纤难以直接实现2.7μm波段的激光辐射。其它基质的光纤如掺铒的氟化物光纤，发光范围可以达到2.65-2.85μm。
国外由于研制光纤水平较高，Er:ZBLAN(掺铒氟化物)光纤激光器在80年代末期就有报道，但是在Er:ZBLAN玻璃中，由于参与激光的下能级寿命比上能级寿命长(分别为9ms和6.9ms)，造成了粒子数反转分布的瓶颈。另外，氟化物光纤易碎，不易与石英光纤熔接；而稀土离子掺杂的石英光纤与氟化物光纤相比，则易于拉制、生产，有好的环境稳定性。由于光纤研制方面的差距，目前国内还没有掺铒氟化物光纤，也没有2.7μm附近光纤激光器的报道。
发明内容
本发明提供了一种2.7微米光纤激光器的实现装置，能产生2.7微米的激光。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一方面，本发明公开了一种2.7微米光纤激光器的实现装置，包括第一工作物质、第二工作物质、第一谐振腔、第二谐振腔、第一耦合系统、第二耦合系统和至少一个泵浦源；其中，所述泵浦源为激光二极管或其它泵浦源，所述第一工作物质为掺铥物质，所述第二工作物质为掺磷光纤；
所述激光二极管输出的泵浦光经第一耦合系统耦合进入掺铥物质，铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔内振荡，输出2微米激光；
所述2微米激光经第二耦合系统耦合进入掺磷光纤，由于受激拉曼效应，输出2.7微米激光。
上述2.7微米光纤激光器的实现装置中，所述掺铥物质为掺铥光纤或掺铥晶体。
上述2.7微米光纤激光器的实现装置中，所述泵浦光为790纳米波段的激光，或1210纳米波段的激光，或1630纳米波段的激光。
上述2.7微米光纤激光器的实现装置中，所述第一谐振腔包括至少一个腔镜以及输出镜；所述腔镜为二色镜，对泵浦光高透过率，对2微米激光高反射率；所述输出镜为二色镜，对泵浦光高反射率，对2微米激光较高透过率。
上述2.7微米光纤激光器的实现装置中，所述掺铥光纤位于第一谐振腔之内，其一端紧贴所述腔境，另一端为斜面；掺铥光纤在泵浦光的作用下产生受激辐射，在第一谐振腔内振荡，从所述输出镜输出2微米的激光。
上述2.7微米光纤激光器的实现装置中，还包括设置于第一谐振腔内的声光调制器和准直镜，所述声光调制器用于调制谐振腔的损耗，所述准直镜用于激光的准直。
上述2.7微米光纤激光器的实现装置中，所述第二谐振腔包括第一光栅和第二光栅；所述第一光栅对2微米激光高透过率，对2.7微米激光高反射率；所述第二光栅对2微米激光高反射率，对2.7微米激光较高透过率。
上述2.7微米光纤激光器的实现装置中，所述第一光栅和第二光栅由掺磷光纤的两端分别刻写。
上述2.7微米光纤激光器的实现装置中，所述掺磷光纤位于第二谐振腔之内；
掺磷光纤在2微米激光作用下所引起的受激拉曼散射光，在第二谐振腔内振荡，从第二光栅输出2.7微米的激光。
另一方面，本发明还公开了一种2.7微米光纤激光器的实现方法，包含以下步骤：
泵浦源输出的泵浦光经第一耦合系统耦合进入掺铥物质，铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔内振荡，输出2微米激光；
2微米激光经第二耦合系统耦合进入掺磷光纤，引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔内振荡，输出2.7微米激光。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的一种2.7微米光纤激光器的实现装置，包括第一工作物质、第二工作物质、第一谐振腔、第二谐振腔、第一耦合系统、第二耦合系统和至少一个泵浦源。其中，泵浦源为激光二极管或其它泵浦源，第一工作物质为掺铥物质，第二工作物质为掺磷光纤；激光二极管输出的泵浦光经第一耦合系统耦合进入掺铥光纤，铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔内振荡，输出2微米激光；2微米激光经第二耦合系统耦合进入掺磷光纤，所引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔内振荡，输出2.7微米激光。由于掺铥的工作物质具有优良的特性，掺磷光纤具有较大的非线性拉曼频移，两者相结合的光纤激光器的实现装置，可获得2.7微米的激光；同时结构简单、性能可靠稳定、效率高，并且由于掺铥工作物质和掺磷光纤成本低，使得光纤激光器的实现装置的成本也较低。
附图说明
图1示例性地描述了单端泵浦的2.7微米光纤激光器的装置光路图；
图2示例性地描述了双端泵浦的2.7微米光纤激光器的装置光路图。
具体实施方式
下面对照附图并结合具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
本发明公开的2.7微米光纤激光器的装置，包括第一工作物质、第二工作物质、第一谐振腔、第二谐振腔、第一耦合系统、第二耦合系统和至少一个泵浦源。其中，所述泵浦源为激光二极管或其它泵浦源，所述第一工作物质为掺铥物质，所述第二工作物质为掺磷光纤。
所述激光二极管产生的泵浦光经第一耦合系统耦合进入掺铥光纤，铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔内振荡，输出2微米激光。
所述2微米激光经第二耦合系统耦合进入掺磷光纤，所引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔内振荡，输出2.7微米激光。
实施例一：
激光器产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，因此一般激光器包括具有亚稳态能级工作介质、泵浦源(也称激励源)和谐振腔。其中，工作介质是用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，泵浦源指为使激光工作介质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置，谐振腔用来使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性，谐振腔也可以很好地缩短工作介质的长度，并且通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式(即选模)。
本发明一个实施例的2.7微米光纤激光器的装置，根据泵浦源的个数，可以分为单端泵浦和双端泵浦两种形式。单端泵浦的光纤激光器的装置如图1所示；双端泵浦的光纤激光器的装置如图2所示。
掺铥物质为掺铥光纤1，或掺铥晶体，本实施例中为掺铥光纤。泵浦光5为为790纳米波段的激光，或1210纳米波段的激光，或1630纳米波段的激光，也可以是其它合适波长的泵浦光。
第一谐振腔包括腔镜6以及输出镜7。
腔镜6为二色镜，对泵浦光高透过率，对2微米激光高反射率；输出镜7为二色镜，对泵浦光高反射率，对2微米激光较高透过率。
腔镜6也可以采用具有同等功能的光纤光栅代替。
掺铥光纤1位于第一谐振腔之内，其一端紧贴所述腔镜6，另一端为斜面。掺铥光纤1在泵浦光的作用下产生受激辐射，在第一谐振腔内振荡，从所述输出镜7输出2微米的激光。
掺铥光纤1的一端为斜面，可抑制端面的菲涅耳反射，有利于提高输出激光的质量。
本实施例的装置中，还包括设置于第一谐振腔内的声光调制器8和准直镜9，所述声光调制器8用于调制谐振腔的损耗，所述准直镜9用于激光的准直。
准直镜9和声光调制器8准直和调制的结果，是为了获得调制后的激光脉冲。
第二谐振腔包括第一光栅10和第二光栅11，所述第一光栅10对2微米激光高透过率，对2.7微米激光高反射率；第二光栅11对2微米激光高反射率，对2.7微米激光较高透过率。第一光栅10和第二光栅11由掺磷光纤的两端分别刻写。
第一光栅10和第二光栅11也可以采用同等功能的二色镜替换。
掺磷光纤2位于第二谐振腔之内，掺磷光纤2在2微米激光作用下所引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔内振荡，从第二光栅11输出2.7微米的激光。
如图1所示的单端泵浦的2.7微米光纤激光器的装置包括腔镜6，其工作时泵浦源5产生的泵浦光经第一耦合系统，穿透腔镜6进入掺铥光纤，铥离子产生受激辐射。
由于腔镜6对泵浦光高透过率，对2微米激光高反射率，输出镜7对泵浦光高反射率，对2微米激光较高透过率，所以受激辐射光子会被腔镜6反射，被输出镜7部分反射，因此受激辐射光子在掺铥光纤1中振荡运动而不断得到放大，产生更多的2微米的光子，并且从输出镜7输出方向性、相位和频率都较为一致的波长为2微米的激光。
激光在第一谐振腔内振荡时，还要经过准直镜9的准直，被声光调制器8调制谐振腔损耗。
上述2微米的激光经第二耦合系统进入掺磷光纤2，掺磷光纤2的两端直接分别刻写两个光栅，这两个光栅构成第二谐振腔。
第一光栅10对2微米激光高透过率，对2.7微米激光高反射率，第二光栅11对2微米激光高反射率，对2.7微米激光较高透过率。
掺磷光纤在2微米激光作用下引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔内多次振荡，从第二光栅11输出方向性、相位和频率都较为一致的波长为2.7微米的激光。
实施例二：
双端泵浦的2.7微米的光纤激光器的实现装置如图2所示，包括泵浦源5，泵浦源51，耦合系统3，耦合系统31，以及第一谐振腔、第二谐振腔。
双端泵浦的2.7微米的光纤激光器的实现装置的第一谐振腔包括输出镜7、腔镜6、腔镜61。
如图2所示，腔镜61也为二色镜，在泵浦光斜入射时对泵浦光高透过率，对2微米激光高反射率。
由泵浦源5产生的泵浦光经耦合系统3、通过腔镜6进入掺铥光纤1；泵浦源51产生的泵浦光经耦合系统31、通过腔镜61进入掺铥光纤。
铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔里，通过腔镜6、61的反射和输出镜7的部分反射，在第一谐振腔内振荡，从输出镜7输出方向性、相位和频率都较为一致的波长为2微米的激光；声光调制器8用于调制谐振腔损耗。
2微米的激光通过掺磷光纤2，引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔振荡，最后输出方向性、相位和频率都较为一致的波长为2.7微米的激光。
采用双端泵浦，可以提高输出功率。
实施例三：
一种2.7微米光纤激光器的实现方法，包含以下步骤：
泵浦源输出的泵浦光经第一耦合系统耦合进入掺铥光纤(或掺铥晶体)，铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔内振荡，输出2微米激光；
2微米激光经第二耦合系统耦合进入掺磷光纤，引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔内振荡，输出2.7微米激光。
本发明的一种2.7微米光纤激光器的实现装置，包括第一工作物质、第二工作物质、第一谐振腔、第二谐振腔、第一耦合系统、第二耦合系统和至少一个泵浦源。其中，泵浦源为激光二极管或其它泵浦源，第一工作物质为掺铥物质，第二工作物质为掺磷光纤；激光二极管输出的泵浦光经第一耦合系统耦合进入掺铥光纤，铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔内振荡，输出2微米激光；2微米激光经第二耦合系统耦合进入掺磷光纤，引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔内振荡，输出2.7微米激光。由于掺铥的工作物质具有优良的特性，掺磷光纤具有较大的非线性拉曼频移，两者相结合的光纤激光器的实现装置，可获得2.7微米的激光；同时结构简单、性能可靠稳定、效率高，并且由于掺铥工作物质和掺磷光纤成本低，使得光纤激光器的实现装置的成本也较低。此外，本发明还提供了双端泵浦的2.7微米的光纤激光器的实现装置，可提高输出功率。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种2.7微米光纤激光器的实现装置，其特征在于，包括第一工作物质（1）、第二工作物质（2）、第一谐振腔、第二谐振腔、第一耦合系统（3）、第二耦合系统（4）和至少一个泵浦源（5）；其中，所述泵浦源（5）为激光二极管或其它泵浦源，所述第一工作物质（1）为掺铥物质，所述掺铥物质位于第一谐振腔之内，其一端紧贴所述腔境，另一端为斜面；所述第二工作物质（2）为掺磷光纤；所述第一谐振腔内还设有声光调制器（8）和准直镜（9），所述声光调制器（8）用于调制谐振腔的损耗，所述准直镜（9）用于激光的准直；
所述激光二极管输出的泵浦光经第一耦合系统耦合进入掺铥物质，铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔内振荡，输出2微米激光；
所述2微米激光经第二耦合系统耦合进入掺磷光纤，由于受激拉曼效应，输出2.7微米激光。
2.如权利要求1所述的2.7微米光纤激光器的实现装置，其特征在于，所述掺铥物质为掺铥光纤或掺铥晶体。
3.如权利要求2所述的2.7微米光纤激光器的实现装置，其特征在于，所述泵浦光为790纳米波段的激光，或1210纳米波段的激光，或1630纳米波段的激光。
4.如权利要求3所述的2.7微米光纤激光器的实现装置，其特征在于，所述第一谐振腔包括至少一个腔镜（6）以及输出镜（7）；所述腔镜（6）为二色镜，对泵浦光高透过率，对2微米激光高反射率；所述输出镜（7）为二色镜，对泵浦光高反射率，对2微米激光较高透过率。
5.如权利要求4所述的2.7微米光纤激光器的实现装置，其特征在于，所述第二谐振腔包括第一光栅（10）和第二光栅（11）；所述第一光栅（10）对2微米激光高透过率，对2.7微米激光高反射率；所述第二光栅（11）对2微米激光高反射率，对2.7微米激光较高透过率。
6.如权利要求5所述的2.7微米光纤激光器的实现装置，其特征在于，所述第一光栅（10）和第二光栅（11）由掺磷光纤的两端分别刻写。
7.如权利要求6所述的2.7微米光纤激光器的实现装置，其特征在于，所述掺磷光纤位于第二谐振腔之内；
掺磷光纤在2微米激光作用下所引起的受激拉曼散射光，在第二谐振腔内振荡，从第二光栅输出2.7微米的激光。
8.一种应用权利要求1-7中任一项所述的2.7微米光纤激光器的实现装置实现2.7微米光纤激光器的方法，其特征在于，包含以下步骤：
泵浦源输出的泵浦光经第一耦合系统耦合进入掺铥物质，铥离子产生的受激辐射在第一谐振腔内振荡，输出2微米激光；
2微米激光经第二耦合系统耦合进入掺磷光纤，引起的受激拉曼散射光在第二谐振腔内振荡，输出2.7微米激光。
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