CN104009376A - Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源 - Google Patents
Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源,属于激光技术及其非线性光学领域。Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源包括泵浦源、耦合系统、二色镜、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体、调制器件、输出耦合镜、硫化物光纤；Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用振荡器结构或放大器结构，其产生的激光与硫化物光纤通过空间耦合系统实现高效耦合。本发明利用调制器件对Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器进行调Q或者锁模直接实现2.5-3.2μm高脉冲能量高峰值功率脉冲，其工作波长接近硫化物光纤的零色散点，无需繁琐的非线性频率转换过程即可作为硫化物光纤的优秀泵浦源，因此整个系统可以设计的更加简单紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及一种Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，属于激光技术及其非线性光学领域。
背景技术
中红外超连续谱光源可广泛应用于大气探测、光谱成像、生物医疗、以及光电对抗等重要领域，近年来，中红外超连续谱激光源迅速成为各研究单位研究的热点。目前，用于产生中红外超连续谱激光源的中红外光纤主要有氟化物光纤、硫化物光纤、碲化物光纤等。其中硫化物光纤在中红外波段拥有比较宽的透射范围(1-12μm)，极高的非线性系数(普通石英光纤的100倍)，但是硫化物光纤的零色散点在3-4μm之间。目前用于泵浦硫化物光纤的泵浦源主要有2μm激光器、以及PPLN OPO等，2μm激光器虽然能做到较高的峰值功率但由于其波长离硫化物光纤的零色散点相对较远，很难实现大于4μm的中红外超连续谱，PPLN OPO虽然能实现2.5-4μm的激光但是系统复杂性高、难实现高峰值、高平均功率的激光输出，因此缺少2.5-4μm波段高效高峰值功率的泵浦源限制了硫化物光纤在中红外超连续谱方面的应用。
而掺Cr的Ⅱ-Ⅵ族晶体在2-3.2μm具有相当高的增益，并且可以使用市场上比较成熟的1.5μm、2.0μm高功率光纤激光器或者半导体激光器进行泵浦，特别是近几年，掺Cr的Ⅱ-Ⅵ族晶体(特别是Cr:ZnSe晶体)制备技术逐渐成熟，在实现高功率、高峰值功率输出方面已经具有了较高的可靠性。2011年，美国的Q-peak公司使用啁啾脉冲放大技术在(CPA)Cr:ZnSe激光系统中实现了峰值功率高达1GW的2.5μm的激光输出，2013年，这充分证明了Cr：Ⅱ-Ⅵ晶体激光器在泵浦中红外硫化物光纤方面的应用潜力。
发明内容
本发明提出了一种Cr：Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器直接泵浦的中红外超连续谱光源，其中Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器利用具有较高损伤阈值的调制器件如石墨烯、氧化石墨烯、Fe:ZnSe晶体、MoS2、声光调制器、电光调制器等实现调Q或锁模。随后，其产生的高脉冲能量、高峰值功率的2.5-3.2μm的脉冲串，作为高非线性介质硫化物光纤的泵浦源，实现长波长的宽带中红外超连续谱光源。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源包括泵浦源、耦合系统、二色镜、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体、调制器件、输出耦合镜、硫化物光纤；Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用振荡器结构或放大器结构，其产生的激光与硫化物光纤通过空间耦合系统实现高效耦合。
Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用振荡器结构直接产生高峰值功率脉冲用于中红外超连续谱的产生；其结构包括泵浦源A、耦合系统A、二色镜A、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A、调制器件、输出耦合镜、耦合系统B、硫化物光纤；工作原理是泵浦源A产生的激光经耦合系统A耦合进入Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A产生信号激光；通过Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A后放置有调制器件，其可对信号光起到调制作用；通过调制器件后放置输出耦合镜，其与二色镜A构成一对谐振腔；输出耦合镜输出的激光经过耦合系统B耦合进硫化物光纤产生中红外超连续谱。
Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用放大器结构产生高峰值功率脉冲用于中红外超连续谱的产生；其结构包括Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体振荡器、耦合系统C、泵浦源B、耦合系统D、二色镜B、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B、二色镜C、耦合系统E、硫化物光纤；工作原理如下，Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体振荡器的输出耦合镜后放置耦合系统C将振荡器产生的种子激光耦合进Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B；泵浦源B产生的激光经耦合系统D和二色镜B耦合进Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B对信号激光提供放大增益；放大后的激光经二色镜C和耦合系统E耦合进硫化物光纤产生中红外超连续谱。
与现有技术相比，本发明的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源具有以下优点。
1、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体与其他中红外晶体相比具有较高的损伤阈值，并且生产工艺相对简单、价格相对低廉，易于产业化应用。
2、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用具有高损伤阈值调制器件进行调Q或者锁模，可直接产生2.5-3.2μm高峰值功率超短脉冲，其工作波长接近硫化物光纤的零色散点，无需繁琐的非线性频率转换过程即可作为硫化物光纤的优秀泵浦源，因此整个系统可以设计的更加简单紧凑。
附图说明
图1为实施例1Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源。
图2为实施例2Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源。
图中：1、泵浦源A，2、耦合系统A，3、二色镜A，4、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A，5、调制器件，6、输出耦合镜，7、耦合系统B，8、硫化物光纤，9、耦合系统C，10、泵浦源B，11、耦合系统D，12、二色镜B，13、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B，14、二色镜C，15、耦合系统E
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不仅限于以下几种实施例。
如图1-2，Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源包括泵浦源、耦合系统、二色镜、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体、调制器件、输出耦合镜、硫化物光纤；Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用振荡器结构或放大器结构，其产生的激光与硫化物光纤通过空间耦合系统实现高效耦合。
Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用振荡器结构直接产生高峰值功率脉冲用于中红外超连续谱的产生；其结构包括泵浦源A1、耦合系统A2、二色镜A3、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A4、调制器件5、输出耦合镜6、耦合系统B7、硫化物光纤8；工作原理是泵浦源A1产生的激光经耦合系统A2耦合进入Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A4产生信号激光；通过Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A4后放置有调制器件5，其可对信号光起到调制作用；通过调制器件5后放置输出耦合镜6，其与二色镜A3构成一对谐振腔；输出耦合镜6输出的激光经过耦合系统B7耦合进硫化物光纤8产生中红外超连续谱。
Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用放大器结构产生高峰值功率脉冲用于中红外超连续谱的产生；其结构包括Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体振荡器、耦合系统C9、泵浦源B10、耦合系统D11、二色镜B12、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B13、二色镜C14、耦合系统E15、硫化物光纤8；工作原理如下，Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体振荡器的输出耦合镜6后放置耦合系统C9将振荡器产生的种子激光耦合进Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B13；泵浦源B10产生的激光经耦合系统D11和二色镜B12耦合进Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B13对信号激光提供放大增益；放大后的激光经二色镜C14和耦合系统E15耦合进硫化物光纤8产生中红外超连续谱。
所述的泵浦源A1、泵浦源B10为半导体激光器、固体激光器、色心激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长λ的范围为：1500nm≤λ≤2000nm。
所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A4、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B13为Cr:ZnSe、Cr:ZnS、Cr:CdSe、Cr:CdS、Cr:CdTe晶体。
所述的调制器件5为可饱和吸收体如石墨烯、氧化石墨烯、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、Fe:ZnSe晶体、MoS2或主动调制器件如声光调制器、电光调制器。
所述的二色镜A3为平面二色镜或者凹面二色镜，对泵浦光高透，信号光高反，0度角放置；所述的二色镜B12、二色镜C14为平面二色镜，对泵浦光高透，信号光高反，45度角放置。
所述的输出耦合镜6为平面输出耦合镜或者凹面输出耦合镜，0度角放置，输出透过率0<T<1。
所述的硫化物光纤8包括普通光纤和光子晶体光纤。
实施例1
一种Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源结构如图1所示。
图中泵浦源A1可选用中心波长为1908nm的掺铥光纤激光器；耦合系统A2其工作波段为1908nm；二色镜A3，其为凹面二色镜，在1908nm处高透(>99％),在2500-3200nm高反(>99％)；输出耦合镜6为平面输出耦合镜，在2500-3200nm处反射率为80％；耦合系统B7，其工作波段为2500-3200nm；As2Se3光纤8的非线性系数是普通石英光纤的几十倍。
泵浦源A1产生的激光经过耦合系统A2耦合进Cr：ZnSe晶体A4，形成粒子数反转产生激光，其产生的信号激光随后进入具有可饱和吸收作用的Fe:ZnSe晶体(强光透过率高，弱光透过率低)，接下来信号激光到达输出耦合镜6，其对信号激光部分反射部分透射，反射回去的激光在二色镜A3和输出耦合镜6组成的谐振腔内稳定振荡，透射出去的激光经过耦合系统B7之后耦合进As2Se3光纤中，由于Cr：ZnSe晶体激光器产生的激光具有较高的峰值功率且工作波长接近硫化物光纤的零色散点因此在As2Se3光纤中会产生强烈的非线性效应，最终产生长波中红外超连续谱(2-6μm)。
实施例2
一种Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源结构如图2所示。图中泵浦源A1可选用中心波长为1908nm的掺铥光纤激光器；耦合系统A2工作波段为1908nm；二色镜A3为凹面二色镜，在1908nm处高透(>99％),在2500-3200nm高反(>99％)；输出耦合镜6为平面输出耦合镜在2500-3200nm处反射率为80％；As2Se3光纤8其非线性系数是普通石英光纤的几十倍；耦合系统C9其工作波段为2500-3200nm；泵浦源B10可选用中心波长为1908nm的掺铥光纤激光器；为耦合系统D11其工作波段为1908nm；二色镜B1245度角放置，其在1908nm处高透(>99％),在2500-3200nm高反(>99％)；二色镜C14，45度角放置，其在1908nm处高透(>99％),在2500-3200nm高反(>99％)；耦合系统E15其工作波段为2500-3200nm。
泵浦源A1激光经过耦合系统A2耦合进Cr：ZnSe晶体A4，形成粒子数反转产生激光，其产生的信号激光随后进入具有可饱和吸收作用的Fe:ZnSe晶体5(强光透过率高，弱光透过率低)，接下来信号激光到达输出耦合镜6，其对信号激光部分反射部分透射，反射回去的激光在二色镜A3和输出耦合镜6组成的谐振腔内稳定振荡，透射出去的激光经过耦合系统C9到达Cr:ZnSe晶体B13组成的放大器，泵浦源B10产生的激光经过耦合系统D11和二色镜B12进入Cr:ZnSe晶体B13，此时来自Cr:ZnSe晶体振荡器的种子激光被高效放大，峰值功率进一步提高，该信号激光经过二色镜C14输出。输出的激光经耦合系统E15耦合进As2Se3光纤8中，由于Cr：ZnSe晶体激光器产生的激光具有较高的峰值功率且工作波长接近硫化物光纤的零色散点因此在硫化物光纤中会产生强烈的非线性效应，最终产生长波中红外超连续谱(2-6μm)。
Claims (9)
1.Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，其特征在于：Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源包括泵浦源、耦合系统、二色镜、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体、调制器件、输出耦合镜、硫化物光纤；Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用振荡器结构或放大器结构，其产生的激光与硫化物光纤通过空间耦合系统实现高效耦合；
Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用振荡器结构直接产生高峰值功率脉冲用于中红外超连续谱的产生；其结构包括泵浦源A(1)、耦合系统A(2)、二色镜A(3)、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A(4)、调制器件(5)、输出耦合镜(6)、耦合系统B(7)、硫化物光纤(8)；工作原理是泵浦源A(1)产生的激光经耦合系统A(2)耦合进入Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A(4)产生信号激光；通过Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A(4)后放置有调制器件(5)，其可对信号光起到调制作用；通过调制器件(5)后放置输出耦合镜(6)，其与二色镜A(3)构成一对谐振腔；输出耦合镜(6)输出的激光经过耦合系统B(7)耦合进硫化物光纤(8)产生中红外超连续谱；
Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器采用放大器结构产生高峰值功率脉冲用于中红外超连续谱的产生；其结构包括Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体振荡器、耦合系统C(9)、泵浦源B(10)、耦合系统D(11)、二色镜B(12)、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B(13)、二色镜C(14)、耦合系统E(15)、硫化物光纤(8)；工作原理如下，Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体振荡器的输出耦合镜(6)后放置耦合系统C(9)将振荡器产生的种子激光耦合进Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B(13)；泵浦源B(10)产生的激光经耦合系统D(11)和二色镜B(12)耦合进Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B(13)对信号激光提供放大增益；放大后的激光经二色镜C(14)和耦合系统E(15)耦合进硫化物光纤(8)产生中红外超连续谱。
2.根据权利要求1所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的泵浦源A(1)、泵浦源B(10)为半导体激光器、固体激光器、色心激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长λ的范围为：1500nm≤λ≤2000nm。
3.根据权利要求1所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体A(4)、Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体B(13)为Cr:ZnSe、Cr:ZnS、Cr:CdSe、Cr:CdS、Cr:CdTe晶体。
4.根据权利要求1所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的调制器件(5)为可饱和吸收体如石墨烯、氧化石墨烯、半导体可饱和吸收镜、Fe:ZnSe晶体、MoS2或主动调制器件如声光调制器、电光调制器。
5.根据权利要求1所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的二色镜A(3)为平面二色镜或者凹面二色镜，对泵浦光高透，信号光高反，0度角放置；所述的二色镜B(12)、二色镜C(14)为平面二色镜，对泵浦光高透，信号光高反，45度角放置。
6.根据权利要求1所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的输出耦合镜(6)为平面输出耦合镜或者凹面输出耦合镜，0度角放置，输出透过率0<T<1。
7.根据权利要求1所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，其特征在于：所述的硫化物光纤(8)包括普通光纤和光子晶体光纤。
8.根据权利要求1所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，其特征在于：泵浦源A(1)可选用中心波长为1908nm的掺铥光纤激光器；耦合系统A(2)其工作波段为1908nm；二色镜A(3)，其为凹面二色镜，在1908nm处高透，在2500-3200nm高反；输出耦合镜(6)为平面输出耦合镜，在2500-3200nm处反射率为80％；耦合系统B(7)，其工作波段为2500-3200nm；As2Se3光纤的非线性系数是普通石英光纤的几十倍；
泵浦源A(1)产生的激光经过耦合系统A(2)耦合进Cr：ZnSe晶体A4，形成粒子数反转产生激光，其产生的信号激光随后进入具有可饱和吸收作用的Fe:ZnSe晶体，接下来信号激光到达输出耦合镜(6)，其对信号激光部分反射部分透射，反射回去的激光在二色镜A(3)和输出耦合镜(6)组成的谐振腔内稳定振荡，透射出去的激光经过耦合系统B(7)之后耦合进As2Se3光纤中，由于Cr：ZnSe晶体激光器产生的激光具有较高的峰值功率且工作波长接近硫化物光纤的零色散点因此在As2Se3光纤中会产生强烈的非线性效应，最终产生长波中红外超连续谱。
9.根据权利要求1所述的Cr:Ⅱ-Ⅵ族晶体激光器泵浦的中红外超连续谱光源，其特征在于：泵浦源A(1)可选用中心波长为1908nm的掺铥光纤激光器；耦合系统A(2)工作波段为1908nm；二色镜A(3)为凹面二色镜，在1908nm处高透,在2500-3200nm高反；输出耦合镜(6)为平面输出耦合镜在2500-3200nm处反射率为80％；As2Se3光纤其非线性系数是普通石英光纤的几十倍；耦合系统C(9)其工作波段为2500-3200nm；泵浦源B(10)可选用中心波长为1908nm的掺铥光纤激光器；为耦合系统D(11)其工作波段为1908nm；二色镜B(12)45度角放置，其在1908nm处高透,在2500-3200nm高反；二色镜C(14)，45度角放置，其在1908nm处高透,在2500-3200nm高反；耦合系统E(15)其工作波段为2500-3200nm；
泵浦源A(1)激光经过耦合系统A(2)耦合进Cr：ZnSe晶体A(4)，形成粒子数反转产生激光，其产生的信号激光随后进入具有可饱和吸收作用的Fe:ZnSe晶体，接下来信号激光到达输出耦合镜(6)，其对信号激光部分反射部分透射，反射回去的激光在二色镜A(3)和输出耦合镜(6)组成的谐振腔内稳定振荡，透射出去的激光经过耦合系统C(9)到达Cr:ZnSe晶体组成的放大器，泵浦源B(10)产生的激光经过耦合系统D(11)和二色镜B(12)进入Cr:ZnSe晶体，此时来自Cr:ZnSe晶体振荡器的种子激光被高效放大，峰值功率进一步提高，该信号激光经过二色镜C(14)输出；输出的激光经耦合系统E(15)耦合进As2Se3光纤中，由于Cr：ZnSe晶体激光器产生的激光具有较高的峰值功率且工作波长接近硫化物光纤的零色散点因此在硫化物光纤中会产生强烈的非线性效应，最终产生长波中红外超连续谱。
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