CN102856783B

CN102856783B - 中远红外超连续谱光纤激光器

Info

Publication number: CN102856783B
Application number: CN201210341921.5A
Authority: CN
Inventors: 王智勇; 高静; 葛廷武; 代京京
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: CN102856783A

Abstract

本发明的中远红外超连续谱光纤激光器，涉及激光光电子领域，包括脉冲光纤激光器、石英光子晶体光纤、无源中红外硫系玻璃光纤、无源中远红外硫系玻璃光纤、滤波器、激励源和掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤，脉冲光纤激光器发出的脉冲激光，通过石英光子晶体光纤产生超连续谱激光激励无源中红外硫系玻璃光纤，产生中红外超连续谱激光，经过滤波器过滤，过滤后的中红外超连续谱激光作为种子源激光，经过掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤放大，放大的中红外激光激励无源中远红外硫系玻璃光纤，产生5~14μm波长的中远红外超连续谱激光。本发明的中远红外超连续谱光纤激光器，解决中远红外激光光源短缺问题，实现中远红外超连续谱激光输出。

Description

中远红外超连续谱光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光光电子技术领域，尤其涉及一种中远红外超连续谱光纤激光器。

背景技术

通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口。大气窗口的光谱段主要有:微波波段（300~1GHz/0.8~2.5cm），中远红外波段（8~14μm），中红外波段（3.5~5.5μm），近紫外、可见光和近红外波段（0.3~1.3μm,1.5~1.8μm）。

目前利用固体激光器、半导体激光器、气体激光器等类型可以很容易实现于可见光和近红外波段（0.3~1.3μm,1.5~1.8μm）的激光输出，可以应用于国防、工业、医疗等众多领域。位于大气窗口波长3-5μm的中红外波段和8-14μm的远红外的大气窗口波长的激光可用于红外追踪、干扰、搜索靶标导航以及光学遥感探测，对国家安全具有至关重要的意义。由于窄带隙半导体材料的匮乏等原因，目前在中红外波长高效率发射光源和激光器严重短缺。目前利用光学参量振荡法，差频振荡，量子级联激光器以及气体激光器能够实现小功率的3~5μm激光输出，而目前实现中远红外波段（8~14μm）大气窗口激光的方法鲜有报导，较为成熟且能广泛应用的只有单一波长（10.6μm）的CO₂气体激光器。众所周知，气体激光器的缺点是电光转换效率低，体积庞大，使用不方便，且CO₂气体激光器需要使用高压电激励，从而限制了其应用。

因此，当下需要迫切解决的一个问题就是：如何能够提出一种有效的产生中远红外波段（8~14μm）的激光源，避免使用气体激光器，实现中远红外波段（8~14μm）激光输出。

发明内容

本发明提供一种中远红外超连续谱光纤激光器，用以解决目前中远红外激光光源短缺的问题，实现中远红外超连续谱激光输出。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种中远红外超连续谱光纤激光器，包括脉冲光纤激光器、石英光子晶体光纤、无源中红外硫系玻璃光纤、无源中远红外硫系玻璃光纤、滤波器、激励源和掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤，所述激励源用于激励掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤，其中，脉冲光纤激光器发出的脉冲激光，通过石英光子晶体光纤产生波长范围为1000~2300nm的超连续谱激光，所述超连续谱激光激励无源中红外硫系玻璃光纤，产生波长为2000~5500nm的中红外超连续谱激光，经过滤波器将波长小于4500nm的超连续谱激光过滤掉，剩余波长为4500~5500nm的超连续谱激光，所述中红外超连续谱激光作为种子源激光，经过激励源激励掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤放大，波长为4500~5500nm内的某一中红外激光功率得到放大，放大后的中红外激光激励一段无源中远红外硫系玻璃光纤，产生波长为5~14μm的中远红外超连续谱激光。

进一步地，所述的中远红外超连续谱光纤激光器，还包括放大级，脉冲光纤激光器发出的脉冲激光进入放大级后再通过石英光子晶体光纤产生波长范围为1000~2300nm的超连续谱激光。

进一步地，所述脉冲光纤激光器根据输出的超连续谱的波长和功率的要求，选择不同腔型结构的脉冲光纤激光器，其腔型结构包括F-P腔、环形腔以及8字锁模环形腔。

进一步地，所述放大级根据需要输出的超连续谱的波长和功率，选择一级或多级放大结构，所采用的增益光纤包括掺铒的双包层光纤、铒镱共掺双包层光纤和掺镱的双包层光纤。

进一步地，所述放大级根据自身所采用的增益光纤的材料确定自身所采用的半导体激光器激励源的波长。

进一步地，所述石英光子晶体光纤和无源中红外硫系玻璃光纤的连接方式为直接机械对接、直接熔接或者透镜聚焦空间耦合方式。

进一步地，当所述无源中红外硫系玻璃光纤的材料色散的零色散波长接近2300nm时，考虑节约成本，所述无源中红外硫系玻璃光纤优选采用普通单包层光纤结构，当所述无源中红外硫系玻璃光纤的材料色散的零色散波长远大于或远小于2300nm时，为获得平坦度较好的波长为2000~5500nm中红外超连续谱激光，所述无源中红外硫系玻璃光纤优选采用设置有锥区长度和锥区芯径的锥形结构或者为带有空气孔的光子晶体光纤结构。

进一步地，所述的中远红外超连续谱光纤激光器，还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜将超连续谱激光进行聚焦耦合到硫系玻璃光纤产生波长为2000~5500nm的中红外超连续谱激光输出，所述聚焦透镜镀对1000~2300nm波长激光的增透膜。

进一步地，所述光纤放大器的掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤，其掺杂离子包括镝离子、镨离子、铒离子和/或钬离子能级跃迁可以产生中心波长在4500nm~5500nm范围中红外激光的稀土离子。

进一步地，所述激励源包括半导体激光器、以及光纤激光器和掺钛蓝宝石激光器。

进一步地，当所述无源中远红外硫系玻璃光纤的材料色散的零色散波长接近掺杂稀土离子的能级跃迁产生的中红外激光中心波长时，考虑节约成本，所述无源中远红外硫系玻璃光纤优选采用普通单包层光纤结构，当所述无源中远红外硫系玻璃光纤的材料色散的零色散波长远大于或远小于掺杂稀土离子的能级跃迁产生的中红外激光中心波长时，为获得平坦度较好的波长为5~14μm中远红外超连续谱激光，所述无源中远红外硫系玻璃光纤优选采用设置有锥区长度和锥区芯径的锥形结构或者为带有空气孔的光子晶体光纤结构。

综上，本发明所述的方案中使用超连续激光光源级联激励硫系玻璃光纤产生中红外超连续激光，提出了一种中远红外超连续谱光纤激光器，通过多级级联激励以及加入光纤放大器可以输出高功率，对于一级激励源，采用普通的掺镱、掺铒或者铒镱共掺光纤作为第一个激励源放大器的增益光纤能够实现低成本高功率激光输出；利用产生中红外超连续谱激光再次作为激励源产生更长波长的激光；对于二级激励源，加入激励源激励的掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤可以对4500~5500nm的范围内的某一波长的激光进行放大，激励源可以有多重选择：光纤激光器、掺钛蓝宝石激光器激励硫系玻璃，更为可取的是采用商用的半导体激光器，由此能够实现更高功率的中远红外激光输出。

同时对于一级激励：采用三种耦合方式实现石英光子晶体光纤和无源中红外硫系玻璃光纤的耦合：石英光子晶体光纤和无源中红外硫系玻璃光纤若采用直接机械对接耦合方式，可以减小熔接难度，工艺非常简单，石英光子晶体光纤和无源中红外硫系玻璃光纤若采用熔接方式可以实现全光纤结构，使用方便灵活，若在石英光子晶体光纤和无源中红外硫系玻璃光纤之间熔接一段熔点匹配光纤可以一定程度上减小熔接损耗和提高耦合效率，石英光子晶体光纤和无源中红外硫系玻璃光纤若采用透镜空间耦合方式，可以实现高耦合效率的中红外超连续谱激光输出。对于二级激励：建议掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤和无源中远红外硫系玻璃光纤采用直接熔接方式或直接机械对接进行连接。

附图说明

图1是本发明的实施例1的一种中远红外超连续谱光纤激光器的结构示意图；

图2是本发明的实施例2的一种中远红外超连续谱光纤激光器的结构示意图；

图3是本发明的具体实施方式中所述的设置有锥区长度和锥区芯径的锥形结构示意图；

图4是本发明的具体实施方式中所述的设置有空气孔的光子晶体光纤结构示意图。

具体实施方式

由于硫系玻璃材料具有高折射率、高非线性特性，并具有较长的透红外截止波长，对于一般硫系玻璃材料大于12μm，某些三元硫系玻璃材料可以大于14μm；同时硫系玻璃材料还具有较低的声子能量，掺杂其中的稀土离子可以产生石英玻璃光纤中不能实现的中红外能级跃迁。因此本发明实施例将中红外和中远红外硫系玻璃光纤以及掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤用于中远红外超连续谱光纤激光器中，以实现更高功率及更长波长的激光输出。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示，一种中远红外超连续谱光纤激光器的示意图，具体包括脉冲光纤激光器1、石英光子晶体光纤3、无源中红外硫系玻璃光纤4、滤波器5、激励源6、掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤7和无源中远红外硫系玻璃光纤8。

其中，激励源6在实际应用中可以用光纤激光器、掺钛蓝宝石激光器以及半导体激光器，对于实现效果而言，目前可以采用光纤激光器和掺钛蓝宝石激光器，但是长远看用半导体激光器更为理想。

本实施例中，脉冲光纤激光器1发出的一定重复频率、波长、脉宽的激光，经过石英光子晶体光纤3，产生波长范围在近红外附近的超连续谱激光输出，超连续谱激光经过无源中红外硫系玻璃光纤4产生波长更长的中红外超连续谱激光输出，中红外超连续谱激光经过滤波器5将波长小于4500nm的超连续谱激光过滤掉，剩余波长为4500~5500nm的超连续谱激光，此中红外超连续谱激光作为种子源激光，经过激励源6激励掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤7放大，放大后的中红外激光作为激励源，激励一段无源中远红外硫系玻璃光纤8，产生波长为5~14μm的中远红外超连续谱激光。

本实施例中，石英光子晶体光纤3与无源中红外硫系玻璃光纤4可以采用直接机械对接或者直接熔接的连接方式。

更为具体的，对于直接熔接这种连接方式，可以在石英光子晶体光纤3与无源中红外硫系玻璃光纤4之间熔接一段熔点匹配光纤，以减小熔点损耗和提高耦合效率。

优选地，当无源中红外硫系玻璃光纤4的材料色散的零色散波长接近2300nm时，考虑节约成本，无源中红外硫系玻璃光纤4为普通单包层光纤结构，当无源中红外硫系玻璃光纤4的材料色散的零色散波长远大于或远小于2300nm时，为获得平坦度较好的波长为2000~5500nm中红外超连续谱激光，无源中红外硫系玻璃光纤4的结构为如图3所示的设置有锥区长度和锥区芯径的锥形结构或者为如图4所示的带有空气孔的光子晶体光纤结构。

优选地，当无源中远红外硫系玻璃光纤8的材料色散的零色散波长接近掺杂稀土离子的能级跃迁产生的中红外激光中心波长时，考虑节约成本，无源中远红外硫系玻璃光纤8优选采用普通单包层光纤结构，当无源中远红外硫系玻璃光纤8的材料色散的零色散波长远大于或远小于掺杂稀土离子的能级跃迁产生的中红外激光中心波长时，为获得平坦度较好的波长为5~14μm中远红外超连续谱激光，无源中远红外硫系玻璃光纤8的结构为如图3所示的设置有锥区长度和锥区芯径的锥形结构或者为如图4所示的设置有空气孔的光子晶体光纤结构。

更为具体的，石英光子晶体光纤3产生的超连续谱激光的波长范围为1000~2300nm，中红外超连续谱的波长为2000~5500nm，中远红外超连续谱的波长为5~14μm；无源中红外硫系玻璃光纤的透光截止波长为大于等于8μm，无源中远红外硫系玻璃光纤的透光截止波长为大于等于14μm。

进一步说明的，脉冲光纤激光器发出的脉冲激光，通过石英光子晶体光纤产生波长范围为1000~2300nm的超连续谱激光，所述超连续谱激光作为激励源，激励无源中红外硫系玻璃光纤，产生波长为2000~5500nm的中红外超连续谱激光，经过滤波器将波长小于4500nm的超连续谱激光过滤掉，剩余波长为4500~5500nm的超连续谱激光，所述中红外超连续谱激光作为种子源激光，经过掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤放大，波长为4500~5500nm范围内的预定波长的中红外激光功率得到放大，放大后的中红外激光作为激励源，激励一段无源中远红外硫系玻璃光纤，产生波长为5~14μm的中远红外超连续谱激光。

所述的中远红外超连续谱光纤激光器，还包括放大级2，脉冲光纤激光器发出的脉冲激光进入放大级2后再通过石英光子晶体光纤产生波长范围为1000~2300nm的超连续谱激光。

所述脉冲光纤激光器根据输出的超连续谱的波长和功率的要求，选择不同腔型结构的脉冲光纤激光器，其腔型结构包括F-P腔、环形腔以及8字锁模环形腔。所述放大级2根据需要输出的超连续谱的波长和功率，选择一级或多级放大结构，所采用的增益光纤包括掺铒的双包层光纤、铒镱共掺双包层光纤和掺镱的双包层光纤。所述放大级根据自身所采用的增益光纤的材料确定自身所采用的半导体激光器激励源的波长。

其中，掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤7和无源中远红外硫系玻璃光纤8的连接方式为直接熔接或机械对接方式。

其中，掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤，其掺杂离子包括镝离子、镨离子、铒离子、钬离子等能级跃迁可以产生中心波长在4500~5500nm范围的中红外激光的稀土离子。且，光纤放大器的激励源根据其掺杂稀土离子的不同具有不同的波长。

实施例2：

如图2所示，一种中远红外超连续谱光纤激光器包括脉冲光纤激光器1、放大级2、石英光子晶体光纤3、无源中红外硫系玻璃光纤4、滤波器5、激励源6、掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤7和无源中远红外硫系玻璃光纤8和聚焦透镜9组成。

本实施例中，脉冲光纤激光器1发出的一定重复频率、波长、脉宽的激光经过放大级2功率得到放大，功率经过放大之后的激光经过石英光子晶体光纤3，产生波长范围为1000~2300nm的超连续谱输出，超连续谱激光经过聚焦透镜9进行聚焦耦合到无源中红外硫系玻璃光纤4产生波长为2000~5500nm的中红外超连续谱激光输出，中红外超连续谱激光经过滤波器5将波长小于4500nm的超连续谱激光过滤掉，剩余波长为4500~5500nm的超连续谱激光，此中红外超连续谱激光作为种子源激光，经过激励源6激励掺杂稀土离子的硫系补充说明的，附图中，1、脉冲光纤激光器，2、放大级，3、石英光子晶体光纤，4、无源中红外硫系玻璃光纤，5、滤波器，6、激励源，7、掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤，8、无源中远红外硫系玻璃光纤，9、聚焦透镜。

本方案中，脉冲光纤激光器1根据输出的超连续谱的波长和功率的要求，选择不同腔型结构的脉冲光纤激光器，其腔型结构包括F-P腔、环形腔以及8字锁模环形腔。

同时，放大级2根据需要输出的超连续谱的波长和功率，选择一级或多级放大结构，所采用的增益光纤包括掺铒的双包层光纤、铒镱共掺双包层光纤和掺镱的双包层光纤。

具体的，放大级2根据自身所采用的增益光纤不同，放大级2根据自身所采用的半导体激光器激励源波长也不同。

其中，石英光子晶体光纤3和无源中红外硫系玻璃光纤4的连接方式为透镜聚焦空间耦合方式。更为具体的，所述无源中红外硫系玻璃光纤4为普通单包层光纤或者为如图3所示的设置有锥区长度和锥区芯径的锥形结构或者为如图4所示的设置有空气孔的光子晶体光纤结构。

其中，掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤7和无源中远红外硫系玻璃光纤8的连接方式为直接熔接或机械对接方式。更为具体的，所述无源中远红外硫系玻璃光纤8为普通单包层光纤或者为如图3所示的设置有锥区长度和锥区芯径的锥形结构或者为如图4所示的设置有空气孔的光子晶体光纤结构。

同时，聚焦透镜9可以镀对1000~2300nm波长激光的增透膜以提高耦合效率。

目前利用MOPA结构光纤激光器（脉冲光纤激光器1和放大级2）和石英光子晶体光纤能实现产生高功率（几十瓦到几百瓦）的近红外波段超连续谱激光，本发明提供的超连续谱光源激励的中远红外超连续谱光纤激光器，利用此高功率近红外波段超连续谱激光作为激励源激励中红外硫系玻璃光纤可以实现高功率的中红外波段的超连续谱激光，利用级联激励的思想，再利用此中红外波段的超连续谱激光作为激励源激励中远红外硫系玻璃光纤，产生波长更长的中远红外超连续谱激光，在此基础上，利用激励源激励的掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤对中红外超连续谱激光的某一中心波长的激光进行功率放大，以实现高功率中远红外激光输出。此外，本发明提供的光路中采用了聚焦透镜的中红外超连续谱光纤激光器的耦合效率远高于现有的全光纤中红外超连续谱光纤激光器的耦合效率，具有很大的实用性。

以上对本发明所提供的超连续谱光源激励的中红外超连续谱光纤激光器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，包括脉冲光纤激光器、石英光子晶体光纤、无源中红外硫系玻璃光纤、无源中远红外硫系玻璃光纤、滤波器、激励源和掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤，所述激励源用于激励掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤，其中，脉冲光纤激光器发出的脉冲激光，通过石英光子晶体光纤产生波长范围为1000～2300nm的超连续谱激光，所述超连续谱激光激励无源中红外硫系玻璃光纤，产生波长为2000～5500nm的中红外超连续谱激光，经过滤波器将波长小于4500nm的超连续谱激光过滤掉，剩余波长为4500～5500nm的超连续谱激光，剩余的中红外超连续谱激光作为种子源激光，经过激励源激励掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤放大，波长为4500～5500nm内的具有某一中心波长的中红外激光功率得到放大，放大后的中红外激光激励一段无源中远红外硫系玻璃光纤，产生波长为5～14μm的中远红外超连续谱激光。

2.根据权利要求1所述的中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，还包括放大级，脉冲光纤激光器发出的脉冲激光进入放大级后再通过石英光子晶体光纤产生波长范围为1000～2300nm的超连续谱激光。

3.根据权利要求1所述的中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，所述脉冲光纤激光器根据输出的超连续谱的波长和功率的要求，选择不同腔型结构的脉冲光纤激光器，其腔型结构为F-P腔、环形腔或者8字锁模环形腔。

4.根据权利要求2所述的中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，所述放大级根据需要输出的超连续谱的波长和功率，选择一级或多级放大结构，所采用的增益光纤为掺铒的双包层光纤、铒镱共掺双包层光纤或掺镱的双包层光纤，且，放大级根据自身所采用的增益光纤的材料确定自身所采用的半导体激光器激励源的波长。

5.根据权利要求1所述的中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，所述激励源为半导体激光器、或者光纤激光器和掺钛蓝宝石激光器。

6.根据权利要求1所述的中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，所述石英光子晶体光纤和无源中红外硫系玻璃光纤的连接方式为直接机械对接、直接熔接或者透镜聚焦空间耦合方式。

7.根据权利要求1所述的中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，无源中红外硫系玻璃光纤为普通单包层单模光纤或设置有锥区长度和锥区芯径的锥形结构或者为带有空气孔的光子晶体光纤结构。

8.根据权利要求1所述的中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜将超连续谱激光进行聚焦耦合到无源中红外硫系玻璃光纤产生波长为2000～5500nm的中红外超连续谱激光输出，所述聚焦透镜镀对1000～2300nm波长激光的增透膜。

9.根据权利要求1所述的中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，所述掺杂稀土离子的硫系玻璃光纤，其掺杂离子包括镝离子、镨离子、铒离子和/或钬离子能级跃迁可以产生中心波长在4500nm～5500nm范围中红外激光的稀土离子。

10.根据权利要求1所述的中远红外超连续谱光纤激光器，其特征在于，无源中远红外硫系玻璃光纤为普通单包层单模光纤或设置有锥区长度和锥区芯径的锥形结构或者为带有空气孔的光子晶体光纤结构。