CN103326220A - 全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中红外波段激光技术领域，尤其涉及一种全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器。包括脉冲光纤激光器，连续光纤激光器，波分复用器和非线性软玻璃光纤；脉冲光纤激光器产生的泵浦光和连续光纤激光器产生的反斯托克斯信号光，经波分复用器耦合到非线性软玻璃光纤中传输并产生简并四波混频效应，最终获得中红外波段的斯托克斯激光。本发明采用全光纤结构，简化了整体设计、提高了泵浦激光的耦合效率；采用脉冲光纤激光器作为泵浦，具有较高的峰值功率，能够减短中红外软玻璃光纤长度；反斯托克斯信号光采取的是连续输出方式，无需考虑泵浦光和信号光的时间同步问题。

Description

全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器

技术领域

本发明涉及中红外波段激光技术领域，尤其涉及一种全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器。

背景技术

中红外波段激光器特指工作波长在2-5μm波段的激光器，其应用包括环境检测、生物医学、自由空间光通信、红外波段光谱学、国土安全等领域。目前，获得中红外波段激光的技术手段主要可以分为5大类：光学参量振荡器，气体、化学激光器倍频方式，掺稀土软玻璃光纤激光器，半导体量子级联激光器和超连续谱激光光源。以上技术手段各有优缺点，相比较而言：光学参量振荡器和气体、化学激光器倍频方式引入了固态晶体，不仅需要特殊的温度控制，还导致系统相对复杂、结构不紧凑、稳定性差、难以维护且输出光束质量低；掺稀土软玻璃光纤激光器和半导体量子级联激光器具有体积小、结构紧凑等优点，但目前仍受工艺水平因素限制，输出功率水平低、波长调谐范围有限；超连续谱激光光源能够获得大谱宽范围的激光输出（例如，同时覆盖2-5μm波段），但其在某一特定波长范围内功率水平难以提升。

相比较而言，基于简并四波混频效应的中红外软玻璃光纤激光技术的出现引起了人们极大的兴趣。该方式通过灵活设计中红外波段低损耗的软玻璃非线性光纤的结构，改变光纤波导的位相匹配条件，选择合适的泵浦激光波长，利用非线性光纤中的简并四波混频效应实现需要波长处的中红外激光输出。但见报道的大多数基于简并四波混频效应的中红外软玻璃光纤激光技术中，斯托克斯光和反斯托克斯光都没有构成光学谐振腔，导致最终获得的中红外激光转换效率低，在光纤输入端引入激光器产生的一部分斯托克斯光（或者反斯托克斯光）的光反馈是一个能够降低四波混频效应的转换阈值、提高信号光的转换效率的有效途径。

文献([1]Murray,R.T.,et al.,Synchronously pumped photonic crystalfiber-based optical parametric oscillator.Opt.Lett.,2012.37(15):p.3156-3158.)中提出了一种基于简并四波混频效应的同步泵浦光子晶体光纤参量振荡器，文章通过光纤输出端反射镜实现了信号光的反馈。专利公布号CN102751653A中提出了一种基于光子晶体光纤简并四波混频的中红外软玻璃光纤参量振荡器，该发明通过在光纤输出端放置高反射镜组构成了光学谐振腔，实现反斯托克斯光的反馈。然而这些见报道的基于四波混频效应的中红外软玻璃光纤激光器具有明显的不足：一方面采用的都是空间结构，需要通过透镜才能将泵浦光耦合进入非线性光纤中，这样泵浦光耦合效率和获得的中红外激光转换效率低；另一方面虽然通过光学谐振腔引入反馈的方式，能够提高泵浦激光到中红外激光的转换效率、降低转换阈值，但是在脉冲工作模式下需要实现反馈光和泵浦光的时间同步，不得不特别考虑泵浦光的重复频率和整个激光腔的光程，这不可避免地增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器，该激光器具有全光纤结构、耦合效率高、稳定性好、转换效率高等特点，易于推广使用。

本发明所采用的技术方案是：

一种全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器，包括脉冲光纤激光器1，连续光纤激光器2，波分复用器3和非线性软玻璃光纤4；所述脉冲光纤激光器1的输出光纤5和波分复用器3的第一信号输入光纤6相连接，连续光纤激光器2的输出光纤7和波分复用器3的第二信号输入光纤8相连接，波分复用器3的输出光纤9和非线性软玻璃光纤4相连接；所述脉冲光纤激光器1产生的泵浦光和连续光纤激光器2产生的反斯托克斯信号光，经波分复用器3耦合到非线性软玻璃光纤4中传输并产生简并四波混频效应，最终获得中红外波段的斯托克斯激光。

进一步地，所述泵浦光的波长λ_pump、反斯托克斯信号光的波长λ_anti-stokes以及斯托克斯激光的波长λ_stokes由下述方程组进行数值求解得到：

$\frac{{2n}_{\mathrm{pump}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pump}}}=\frac{n_{\mathrm{stokes}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{stokes}}}+\frac{n_{\mathrm{anti}-\mathrm{stokes}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{anti}-\mathrm{stokes}}}+\frac{2\mathrm{\γP}}{\mathrm{\π}}$ （方程一）

$\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pump}}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{stokes}}}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{anti}-\mathrm{stokes}}}$ （方程二）

上述方程组中n_pump，n_stokes和n_anti-stokes分别泵浦光、斯托克斯激光和反斯托克斯信号光为在非线性软玻璃光纤中传播时对应的有效折射率；λ_pump，λ_stokes和λ_anti-stokes分别为泵浦光、斯托克斯激光和反斯托克斯信号光的波长；γ为非线性软玻璃光纤在泵浦光的波长λ_pump处对应的非线性系数，P代表泵浦光的峰值功率，π是圆周率。

进一步地，所述脉冲光纤激光器1的输出脉冲宽度大于10皮秒。

进一步地，所述连续光纤激光器2的输出功率在1至100毫瓦之间。

进一步地，所述非线性软玻璃光纤的材料为氟化物玻璃、碲化物玻璃、或硫化物玻璃。

进一步地，所述非线性软玻璃光纤的结构为阶跃折射率型折射率结构、光子晶体结构或微结构。

进一步地，所述波分复用器3的输出光纤9和非线性软玻璃光纤4之间的耦合方式为直接机械对接方式或直接熔接方式。

本发明采用全光纤结构，在双波长泵浦条件下，同时提供了非线性软玻璃光纤（亦称作中红外软玻璃光纤）中发生简并四波混频效应所需要的泵浦光和反斯托克斯信号光，获得波长在中红外波段的斯托克斯激光输出。其有益效果在于：其一，采用全光纤结构，省去了光学谐振腔，简化了整体设计、提高了泵浦激光的耦合效率、增加了激光器工作的稳定性；其二，选择脉冲光纤激光器作为泵浦，具有较高的峰值功率，容易超过中红外软玻璃光纤中的简并四波混频效应的产生阈值，同时由于反斯托克斯信号光的共同作用能够有效提高中红外斯托克斯激光的转换效率，减短所需的中红外软玻璃光纤长度；其三，反斯托克斯信号光采取的是连续输出方式，这样不需要考虑泵浦光和信号光的时间同步问题。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例中氟化物光纤中泵浦光波长和反斯托克斯光波长与中红外斯托克斯光波长的关系图。

图3是本发明实施例中输出中红外斯托克斯激光的典型光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，在本发明包括脉冲光纤激光器1，连续光纤激光器2，波分复用器3，中红外软玻璃光纤4组成；脉冲光纤激光器1的输出光纤5和波分复用器3的信号输入光纤6相连，连续光纤激光器2的输出光纤7和波分复用器3的信号输入光纤8相连，波分复用器3的输出光纤9和中红外软玻璃光纤4相连。

本实施例中脉冲光纤激光器1产生的波长为1.4μm的泵浦光和连续光纤激光器2产生的波长为0.917μm的信号光，经波分复用器3耦合到中红外软玻璃光纤4中传输并产生简并四波混频效应，最终获得中红外波段的波长为2.96μm斯托克斯激光输出。

本发明中脉冲光纤激光器1选为输出脉冲宽度在几十皮秒量级以上的长脉冲光纤激光器，在本实施例中采用的脉冲光纤激光器1提供中心波长为1.4μm、脉冲宽度为100皮秒、峰值功率为10kW的泵浦光。连续光纤激光器2提供一个平均功率10mW，波长为0.917μm的信号光。

本实施例中中红外软玻璃光纤4为阶跃折射率型的氟化物玻璃光纤，其纤芯/包层直径尺寸比为9/125μm,纤芯数值孔径NA为0.27，该光纤的零色散波长为1.495μm，小于1.495μm的波长范围都在该光纤的正常色散区。所述氟化物玻璃光纤在泵浦波长1.4μm处的非线性系数γ为3.1(km·W)^-1，使用光纤长度为1.8m。

本发明中波分复用器输出光纤和中红外软玻璃光纤之间的耦合，可以采用两种方式：其一，通过直接机械对接方式耦合，该方式可以降低熔接难度，工艺简单，易于实现；其二，直接熔接耦合，该方式能够获得更高的耦合效率。在本实施例中采用直接熔接方式耦合。

本发明中脉冲光纤激光器产生的泵浦光、连续光纤激光器产生的反斯托克斯信号光和位于中红外波段的斯托克斯光，需要满足中红外软玻璃光纤中光传播的相位匹配（公式1）和能量守恒条件（公式2），才能够在其中实现有效的简并四波混频效应。

$\frac{{2n}_{\mathrm{pump}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pump}}}=\frac{n_{\mathrm{stokes}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{stokes}}}+\frac{n_{\mathrm{anti}-\mathrm{stokes}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{anti}-\mathrm{stokes}}}+\frac{2\mathrm{\γP}}{\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

$\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pump}}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{stokes}}}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{anti}-\mathrm{stokes}}}---\left(2\right)$

公式（1）中n_pump，n_stokes，n_anti-stokes分别为光纤中泵浦光、斯托克斯光和反斯托克斯光传播对应的有效折射率，λ_pump，λ_stokes，λ_anti-stokes分别为泵浦光、斯托克斯光和反斯托克斯光的波长。γ为在泵浦波长λ_pump处的非线性软玻璃光纤对应的非线性系数，P代表脉冲泵浦光的峰值功率，π为圆周率。由于非线性光纤的有效折射率是光波长的函数，以上方程组（1）和（2）没有解析解，只能对其进行数值求解方程。这样可以得到在中红外软玻璃光纤中产生波长λ_stokes的中红外斯托克斯光所需要的脉冲泵浦激光波长λ_pump和反斯托克斯光的波长λ_anti-stokes的值。

图2给出了本发明实施例中氟化物光纤4中泵浦光波长和反斯托克斯光波长与中红外斯托克斯光波长的关系图。横坐标代表中红外斯托克斯光波长，实线代表泵浦光波长，虚线为对应信号光波长。从图中可以看出为了产生波长为2.96μm的中红外斯托克斯光，本实例选择的泵浦光波长为1.4μm，对应反斯托克斯信号光波长为0.917μm。

图3给出了本发明实施例中最后输出中红外斯托克斯光的典型光谱图，图中A代表中红外波段斯托克斯光，B代表泵浦光，C代表反斯托克斯信号光。从图中可以看出输出激光的中心波长位于中红外波段的2.96μm。本实施例从泵浦激光到中红外激光的功率转换效率约为14.9%。

Claims (7)

1.一种全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器，其特征在于：包括脉冲光纤激光器（1），连续光纤激光器（2），波分复用器（3）和非线性软玻璃光纤（4）；所述脉冲光纤激光器（1）的输出光纤（5）和波分复用器（3）的第一信号输入光纤（6）相连接，连续光纤激光器（2）的输出光纤（7）和波分复用器（3）的第二信号输入光纤（8）相连接，波分复用器（3）的输出光纤（9）和非线性软玻璃光纤（4）相连接；所述脉冲光纤激光器（1）产生的泵浦光和连续光纤激光器（2）产生的反斯托克斯信号光，经波分复用器（3）耦合到非线性软玻璃光纤（4）中传输并产生简并四波混频效应，最终获得中红外波段的斯托克斯激光。

2.根据权利要求1所述的全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器，其特征在于：所述泵浦光的波长λ_pump、反斯托克斯信号光的波长λ_anti-stokes以及斯托克斯激光的波长λ_stokes由下述方程组进行数值求解得到：

$\frac{{2n}_{\mathrm{pump}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pump}}}=\frac{n_{\mathrm{stokes}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{stokes}}}+\frac{n_{\mathrm{anti}-\mathrm{stokes}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{anti}-\mathrm{stokes}}}+\frac{2\mathrm{\γP}}{\mathrm{\π}}$ （方程一）

$\frac{2}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pump}}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{stokes}}}+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{anti}-\mathrm{stokes}}}$ （方程二）

上述方程组中n_pump，n_stokes和n_anti-stokes分别泵浦光、斯托克斯激光和反斯托克斯信号光为在非线性软玻璃光纤中传播时对应的有效折射率；λ_pump，λ_stokes和λ_anti-stokes分别为泵浦光、斯托克斯激光和反斯托克斯信号光的波长；γ为非线性软玻璃光纤在泵浦光的波长λ_pump处对应的非线性系数，P代表泵浦光的峰值功率，π是圆周率。

3.根据权利要求1或2所述的全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器，其特征在于：所述脉冲光纤激光器（1）的输出脉冲宽度大于10皮秒。

4.根据权利要求1或2所述的全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器，其特征在于：所述连续光纤激光器（2）的输出功率在1至100毫瓦之间。

5.根据权利要求1或2所述的全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器，其特征在于：所述非线性软玻璃光纤的材料为氟化物玻璃、碲化物玻璃、或硫化物玻璃。

6.根据权利要求1或2所述的全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器，其特征在于：所述非线性软玻璃光纤的结构为阶跃折射率型折射率结构、光子晶体结构或微结构。

7.根据权利要求1或2所述的全光纤结构双波长泵浦中红外四波混频光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器（3）的输出光纤（9）和非线性软玻璃光纤（4）之间的耦合方式为直接机械对接方式或直接熔接方式。

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