CN103531997A

CN103531997A - 一种可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器

Info

Publication number: CN103531997A
Application number: CN201310455040.0A
Authority: CN
Inventors: 徐剑秋; 杨建龙; 唐玉龙; 李宏强; 王尧; 王世伟; 杨帅; 颜硕
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-01-22

Abstract

一种可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器其构成包括沿光路依次连接的泵浦源、耦合系统、一根掺铥石英光纤和输出双色镜；在所述的掺铥石英光纤上分别刻写第一高反射率光栅和第一低反射率光栅构成第一对布拉格光栅，在所述的掺铥石英光纤上分别刻写第二高反光栅和第二低反光栅构成第二对布拉格光栅。本发明可解决掺铥光纤激光器难以在长于2.05微米的波段输出激光这一问题，实现掺铥光纤激光器在2.07微米到2.2微米的可调谐输出。本发明可作为掺钬固体及光纤激光器的替代品，且由于结构简单、转换效率高，可广泛应用于医疗、军事、激光雷达以及环境检测等领域。

Description

一种可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，特别是一种可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器。

背景技术

2微米光纤激光器由于其在国防、军事、医疗以及中红外激光的产生等方面的重要作用，一直是研究和应用推广的热点。通常所说的2微米光纤激光器包括掺铥光纤激光器和掺钬光纤激光器。由于它们的发射谱的不同，掺铥光纤激光器通常输出2微米附近的激光而掺钬光纤光纤激光器则通常输出2.1微米附近的激光。波长的微小区别造成了二者的应用范围也略有不同。例如，2108纳米的激光可通过非线性倍频过程转换为有着非常重要而广泛应用的1054纳米激光，但掺铥光纤激光器由于受制于发射截面等因素无法产生这一波长的激光，而这一重要波长转换过程则可通过掺钬光纤激光器实现。然而，就激光器本身性能而言，掺铥光纤激光器相较于掺钬光纤激光器更具优势：1）具有更高的效率、2）具有更宽的波长调谐范围、3）具有更广的泵浦波长选择范围。这使得掺铥光纤激光器从多个角度看来都是一种更好的2微米光纤激光器。但其最大输出波长始终在2.05微米附近，无法输出更长的波长，也就无法完全替代掺钬光纤激光器。

石英光纤由于其天然的形状特征易于在传输光时发生非线性效应。一是因为其“细”，这容易造成高光强。一是因为其“长”，这有利于非线性效应的积累，即使石英本身的非线性系数较小。在光纤激光器中，非线性效应通常会对激光器的性能造成不良影响，故通常需要避免其发生。但在一些情况下，非线性效应（可视为“虚能级跃迁发光”过程）也可以加以利用，实现一些基于传统“实能级跃迁发光”的激光器无法做到的效果，如拉曼激光器即利用了受激拉曼散射大大的丰富了激光器的输出波长。

发明内容

为解决上述所提到的掺铥光纤激光器输出波长的限制问题，利用光纤中的受激拉曼散射效应，本发明提出了一种可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器。

本发明的技术解决方案如下：

一种可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器，特点在于其构成包括沿光路依次连接的泵浦源、耦合系统、一根掺铥石英光纤和输出双色镜；在所述的掺铥石英光纤上分别刻写第一高反射率光栅和第一低反射率光栅构成第一对布拉格光栅，在所述的掺铥石英光纤上分别刻写第二高反光栅和第二低反光栅构成第二对布拉格光栅。

所述的泵浦源输出的泵浦光波长对应于掺铥石英光纤的各吸收峰，可分别为750纳米到820纳米、1050纳米到1300纳米、1500纳米到1760纳米。

所述的掺铥石英光纤的铥的三价阳离子的重量比大于等于百分之一。

所述的第一对布拉格光栅的反射中心波长在1900纳米到2000纳米之间。

所述的第二对布拉格光栅的反射中心波长在2070纳米到2200纳米之间。

所述的第二对布拉格光栅的反射中心波长由第一对布拉格光栅的反射中心波长决定，满足拉曼频移为440cm^-1。

与现有技术相比，本发明实现了传统掺铥光纤激光器难以实现在2.07微米到2.2微米的可调谐输出。相较于输出同一波段激光的掺钬固体及光纤激光器，本发明结构简单、转换效率高，可广泛应用于医疗、军事、激光雷达以及环境检测等领域。

附图说明

图1为本发明可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器的结构示意图。

图2为由第一对布拉格光栅（5）和其间的掺铥石英光纤（3）所构成的第一谐振腔的激光波长与最终输出拉曼激光波长的对应关系。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请先参阅图1，图1为可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器的结构示意图。本实施例中泵浦源（1）为高功率激光二极管，输出波长为793纳米。之所以可以使用这种高效、廉价的泵浦源，是因为掺铥石英光纤（3）通常为双包层光纤。由于光纤内包层所具有的大的数值孔径，使得由高功率激光二级管输出的泵浦光可以通过采用透镜组的耦合系统（2）高效耦合进光纤。同时，由于掺铥石英光纤对793纳米附近光的强吸收，使得在包层中传输的泵浦光可较短距离下即可有效的被吸收。目前商业化的掺铥石英光纤对793纳米光的包层吸收系数通常都可达2dB/米。为使第一对布拉格光纤（5）和其间的掺铥石英光纤（3）所构成的谐振腔由高效的中心波长为1.9微米至2微米之间的激光输出，通常选取第一高反光纤光栅（51）和第一低反光纤光栅（52）的间距满足使得其间掺铥石英光纤（3）对泵浦光的吸收约为10dB，即为5米左右。第一谐振腔所产生的激光在传输过程中产生受激拉曼散射，并在第二对布拉格光栅（6）的反馈作用下谐振产生中心波长为2.07微米到2.2微米拉曼激光。由第二对布拉格光栅（6）和其间掺铥石英光纤（3）所购成的第二谐振腔的则需要较大的长度，这是因为非线性效应是沿长度方向积累的。但与此同时，腔的长度也不宜于过长，这则是考虑到于过长，这则是考虑到2微米波段的光在石英光纤中传输损耗比较大，太长则导致激光不易起振。因此，长度的选取需要两者之间找到平衡。因为这一参数所涉及的环境较为复杂，很难给出经验长度。最好的办法还是通过实验进行优化。

图2为第一谐振腔的激光波长与最终输出拉曼激光波长的对应关系，这一关系是由下面的表达式确定的

\frac{1}{λ_{R}} = \frac{1}{λ_{0}} - 440 {cm}^{- 1}

其中，λ_R为拉曼激光的波长，λ₀为第一谐振腔所产生的激光的波长，440cm^-1为石英光纤中对应于拉曼增益峰的频移。此外，由于石英光纤对超过2.2微米光的不再透明，所以设定产生的拉曼激光的波长上限为2.2微米。

Claims

1.一种可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器，特征在于其构成包括沿光路依次连接的泵浦源（1）、耦合系统（2）、一根掺铥石英光纤（3）和输出双色镜（4）；在所述的掺铥石英光纤上分别刻写第一高反射率光栅（51）和第一低反射率光栅（52）构成第一对布拉格光栅（5），在所述的掺铥石英光纤上分别刻写第二高反光栅（61）和第二低反光栅（62）构成第二对布拉格光栅（6）。

2.根据权利要求1所述的可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源（1）输出的泵浦光波长对应于掺铥石英光纤的各吸收峰，分别为750纳米到820纳米、1050纳米到1300纳米或者1500纳米到1760纳米。

3.根据权利要求1所述的可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的掺铥石英光纤（3）的铥的三价阳离子的重量比大于等于百分之一。

4.根据权利要求1所述的可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的第一对布拉格光栅（5）的反射中心波长在1900纳米到2000纳米之间，所述的第二对布拉格光栅（6）的反射中心波长在2070纳米到2200纳米之间。

5.根据权利要求4所述的可调谐级联拉曼掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的第二对布拉格光栅（6）的反射中心波长由第一对布拉格光栅（5）的反射中心波长决定，满足拉曼频移为440cm^-1。