CN104836111A - 宽带可调谐窄线宽中红外激光源 - Google Patents

Abstract

宽带可调谐窄线宽中红外激光源，涉及中红外激光源。设有2个外腔半导体激光器、第1前保偏隔离器、第1后保偏隔离器、第2前保偏隔离器、第2后保偏隔离器、2个相位调制器、掺镱光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器、准直聚焦透镜、光参量放大器；第1外腔半导体激光器、第1相位调制器、掺镱光纤放大器依次摆放；第2外腔半导体激光器、第2相位调制器、铒镱共掺光纤放大器依次摆放；掺镱光纤放大器和铒镱共掺光纤放大器均采用975nm激光源LD经第1保偏合束器或第2保偏合束器后注入作为泵浦源；准直聚焦透镜连接第1后保偏隔离器和第2后保偏隔离器输出端，准直聚焦透镜的输出端经光参量放大器输出中红外激光。

Description

宽带可调谐窄线宽中红外激光源

技术领域

本发明涉及一种中红外激光源，尤其是涉及一种3～5μm波段大功率宽带可调谐窄线宽中红外激光源，该激光源可以广泛应用于恒量气体探测、污染物排放在线快速诊断与监测，吸气式发动机燃烧室和燃烧残留物检测。

背景技术

目前，3～5μm波段主要的可调谐中红外激光源主要有以下几类：1、量子级联激光器和带间级联激光器(Y.Yao,A.J.Hoffman and C.F.Gmachl,“Mid-infrared quantum cascadelasers”,Nat.Photonics,vol.6,pp.432-439,2012.)，这类激光器结构紧凑，可以实现调谐输出，但窄线宽输出时调谐范围和功率有限；2、基于稀土和过渡金属离子掺杂的光纤激光器和放大器(O.H.Sapir,J.Munch,and D.J.Ottaway,“Mid-infrared fiber lasersat and beyond 3.5μm using dual-wavelength pumping,”Opt.Lett.,vol.39,pp.493,2014.)，但目前还缺乏合适的宽带窄线宽种子源，同时增益光纤的光谱特性和制作工艺还有待完善；3、基于掺稀土和过渡金属离子的固体激光器，已有的中红外固体激光器产品波长还偏短，例如：IPG公司推出的中红外的可调谐激光器的输出波长范围还在3μm以下，而能覆盖该波长范围的激光晶体还不够成熟(S.B.Mirov,V.V.Fedorov,D.Martyshkin,I.S.Moskalev,M.Mirov,and S.Vasilyev,“Progress in Mid-IR Lasers Based on Cr andFe-Doped II–VI Chalcogenides,”IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.,vol.21,pp.1601719,2015.)，同时在固体激光器中要实现同时宽调谐和窄线宽输出，对谐振腔的控制精度和激光器的环境适应能力提出很高的挑战；4、光参量源，其中以光参量振荡器(Opticalparametric oscillator,OPO)和光参量放大器(Optical parametric amplifier,OPA)为主，最有代表性的是美国Aculight公司研发的Argos系统(www.aculight.com)，通过同步移动腔内PPLN晶体、腔内标准具和改变泵浦波长实现了宽范围调谐输出，在调制频率仅为300Hz时，单频无跳模调谐的最大范围是50GHz，但是该系统非常昂贵，同时调制频率和调谐范围之间会相互限制。

随着分布反馈半导体激光器(Distributed Feedback,DFB)和外腔半导体激光器(ExtraCavity Diode Laser,ECDL)的迅速发展，基于半导体激光器种子源的大功率光纤放大器已经成为OPO和OPA最重要的泵浦源之一，通过对种子光源的快速调谐可以实现参量源的调谐，同时还能保持种子源的窄线宽特性(MHz量级)。尽管OPA方案相比于OPO转换效率要低，但是OPA可靠性更高、稳定性更好、简单易控制等特点更适合于发动机燃烧诊断等高危现场测试。

通过以上分析发现，现有中红外激光源都有各自的优点，但在功率水平、调谐速度、调谐范围、稳定性、可靠性等方面还有待完善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带可调谐窄线宽中红外激光源。

本发明设有第1外腔半导体激光器、第2外腔半导体激光器、第1前保偏隔离器、第1后保偏隔离器、第2前保偏隔离器、第2后保偏隔离器、第1相位调制器、第2相位调制器、掺镱光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器、准直聚焦透镜、光参量放大器；

所述第1外腔半导体激光器、第1相位调制器、掺镱光纤放大器依次摆放；所述第2外腔半导体激光器、第2相位调制器、铒镱共掺光纤放大器依次摆放；所述掺镱光纤放大器和铒镱共掺光纤放大器均采用975nm激光源LD经第1保偏合束器或第2保偏合束器后注入作为泵浦源；所述准直聚焦透镜连接第1后保偏隔离器和第2后保偏隔离器输出端，准直聚焦透镜的输出端接光参量放大器输入端，光参量放大器作为中红外激光源，输出中红外激光。

所述掺镱光纤放大器所用光纤可为双包层保偏掺Yb³⁺增益光纤。所述铒镱共掺光纤放大器所用光纤可为双包层保偏Er³⁺,Yb³⁺共掺增益光纤；所述掺镱光纤放大器可采用多级，所述铒镱共掺光纤放大器可采用多级。

所述光参量放大器采用周期极化晶体MgO:PPLN，晶体尺寸为2mm×10mm×50mm。

本发明分别利用两个宽带可调谐外腔半导体激光器作为掺镱光纤放大器和铒镱共掺光纤放大器的种子光源，通过一级或多级双包层光纤放大分别实现1.06μm和1.5μm附近的大功率光纤放大激光输出，两个光纤放大器的输出分别作为光参量放大器的泵浦光源和信号光源，通过周期极化晶体准相位匹配实现3～5μm波段窄线宽中红外激光输出，通过泵浦光用光纤放大器种子光源和信号光用光纤放大器种子光源波长的改变，实现大功率宽带可调谐窄线宽中红外激光源输出。

本发明中，两个光纤放大器的输出分别作为泵浦光和信号光经过准直、合束和聚焦系统注入光参量放大器中。所述准直、合束和聚焦系统通过自由空间耦合的方式将光纤放大器输出的线偏振单频泵浦光和信号光进行高质量的准直，在准直过程中对信号光和泵浦光的偏振态进行有效控制，使其具有相近的空间特性，保证良好的偏振匹配。通过简单的偏振不敏感合光元件，将两束激光变成空间上重叠，光束传播特性相近的同一束光，通过同一个消色差聚焦透镜，注入光参量放大器中。所述准直聚焦透镜可直接采用红外透过率高的YAG或者氟化物玻璃消色差透镜，透镜镀制宽带减反射膜。

本发明分别利用两个宽带可调谐外腔半导体激光器作为掺镱光纤放大器和铒镱共掺光纤放大器的种子光源，通过一级或多级双包层光纤放大分别实现1.06μm和1.5μm附近的大功率光纤放大激光输出，放大以后的种子光在偏振方向、光束质量上基本没变，但是能量得到逐级放大，可以获得高能量、单频、线偏振光，分别作为光参量放大器的泵浦光源和信号光源。本发明中光参量放大器采用MgO:PPLN晶体，根据光参量产生原理，通过调谐泵浦光、移动非线性晶体周期、改变晶体工作温度等都能实现信号光和闲频光的调谐输出，本发明从稳定性和可靠性方面考虑，采用信号光和泵浦光同时调谐的方案，同时分别改变两个外腔半导体放大器的工作波长控制泵浦光用掺镱光纤放大器和信号光用铒镱共参光纤放大器输出波长的改变，实现参量放大器的调谐，在调谐过程中，根据周期极化晶体最佳准相位匹配决定两个外腔半导体激光器的工作波长组合，保证光参量放大器始终工作在增益峰附近，实现3-5μm波段大功率宽带可调谐窄线宽中红外激光源输出，且在功率水平、调谐速度、调谐范围、稳定性、可靠性、结构紧凑等方面均达到较好水平，该激光源可以广泛应用于恒量气体探测、污染物排放在线快速诊断与监测，吸气式发动机燃烧室和燃烧残留物检测。

本发明提出搭建基于两个窄线宽ECDL半导体激光器为种子的大功率光纤放大器，利用两个光纤放大器的输出分别作为OPA的信号光源和泵浦光源，通过周期极化晶体MgO:PPLN准相位匹配实现大功率可调谐窄线宽中红外激光输出。本发明中，在MgO:PPLN晶体的周期和工作温度不改变的情况下，光参量放大器的波长由两个外腔半导体激光器的工作波长组合决定，该组合由MgO:PPLN晶体最佳相位匹配条件决定，调谐过程中，同时分别改变两个外腔半导体激光器的波长，保证工作波长变化时，光参量放大器始终工作在增益峰附近，非线性转换效率始终为最优。该激光源在功率水平、调谐速度、调谐范围、稳定性、可靠性、结构紧凑等方面均可达到较好水平，可以广泛应用于恒量气体探测、污染物排放在线快速诊断与监测，吸气式发动机燃烧室和燃烧残留物检测。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明实施例设有第1外腔半导体激光器1、第2外腔半导体激光器6、第1前保偏隔离器2、第1后保偏隔离器5、第2前保偏隔离器7、第2后保偏隔离器10、第1相位调制器3、第2相位调制器8、掺镱光纤放大器13、铒镱共掺光纤放大器14、准直聚焦透镜11、光参量放大器12；所述第1外腔半导体激光器1、第1相位调制器3、掺镱光纤放大器13依次摆放；所述第2外腔半导体激光器6、第2相位调制器8、铒镱共掺光纤放大器14依次摆放；所述掺镱光纤放大器13和铒镱共掺光纤放大器14均采用975nm激光源LD经第1保偏合束器4或第2保偏合束器9后注入作为泵浦源；所述准直聚焦透镜11连接第1后保偏隔离器5和第2后保偏隔离器10输出端，准直聚焦透镜11的输出端接光参量放大器12输入端，光参量放大器12作为中红外激光源，输出中红外激光。

本发明实施例采用窄线宽输出，波长1060nm左右，波长可调谐范围50-100nm的外腔半导体激光器1作为掺镱光纤放大器的种子光源，其输出经保偏隔离器2和相位调制3后高效地注入光纤放大器中；采用窄线宽输出，波长1550nm左右，波长可调谐范围50～100nm的外腔半导体激光器6作为铒镱共掺光纤放大器的种子光源，其输出经保偏隔离器7和相位调制8后高效地注入光纤放大器中。所述外腔半导体激光器1和6的中心波长通过单独的控制器设置，并且通过信号发生器加载高频载波，利用半导体激光器电参数对波长的影响也即波长调制技术进行快速调谐。所述保偏隔离器2和7的作用是用于抑制窄线宽光纤放大器中受激布里渊散射等非线性光学效应的影响。

所述掺镱光纤放大器所用光纤为双包层保偏掺Yb³⁺增益光纤。所述铒镱共掺光纤放大器所用光纤为双包层保偏Er³⁺,Yb³⁺共掺增益光纤，光纤放大器的功能为提高输出功率的同时而不明显改变光谱特性，维持窄线宽输出特点，光纤放大器的级数不限于一级放大，可以为多级放大。

所述光纤放大器均采用975nm半导体激光器作为泵浦源，泵浦光经保偏合束器5或10注入光纤，光纤放大器输入、输出端均设置保偏隔离器。所述掺Yb³⁺光纤放大器所使用的隔离器5具有宽通过特性，保证1.06μm附近宽带激光可以低损耗通过，同时可以适当抑制种子光谱以外的自发辐射光的能力，所述铒镱共掺保偏双包层光纤放大器选用的保偏隔离器10同样具有宽通过特性，保证1.55μm附近宽带激光可以低损耗通过，同时可以抑制1.06μm附近自发辐射光的能力，防止放大器中强的Yb³⁺离子自发辐射形成激光振荡，消耗能量，损坏器件。

所述种子光源经过一级或多级光纤放大器放大，放大以后的种子光在偏振方向、光束质量上基本没变，但是能量得到逐级放大，最后获得高能量、单频、线偏振光输出，以保证最后中红外激光源输出的大功率，所述掺镱光纤放大器和铒镱共参光纤放大器的输出分别作为光参量放大器的泵浦光和信号光。

本发明实施例设有准直聚焦透镜11，通过自由空间耦合的方式将两个光纤放大器输出的线偏振单频泵浦光和信号光进行高质量的准直，在准直过程中对信号光和泵浦光的偏振态进行有效控制，使其具有相近的空间特性，保证良好的偏振匹配。。通过简单的偏振不敏感合光元件，将两束激光变成空间上重叠，光束传播特性相近的同一束光，通过同一个消色差聚焦透镜，注入光参量放大器中。所述准直聚焦透镜可直接采用红外透过率高的YAG或者氟化物玻璃消色差透镜，透镜镀制宽带减反射膜。

本发明实施例采用光参量放大器实现中红外激光源输出，所述光参量放大器通过周期极化晶体MgO:PPLN实现，晶体尺寸2mm×10mm×50mm。所述周期极化MgO:PPLN晶体采用种子(信号光或者闲频光)注入的方式可以获得稳定窄线宽的输出，通过周期极化晶体准相位匹配实现中红外激光源输出。根据光参量产生原理，通过调谐泵浦光、移动非线性晶体周期、改变晶体工作温度等都能实现信号光和闲频光的调谐输出，本发明实施例从稳定性和可靠性方面考虑，采用泵浦调谐的方案，光参量放大器输出波长的改变通过信号光和泵浦光的改变实现。所述参量放大器的信号光为1550nm附近窄线宽线偏振宽带可调谐的光纤放大器，所述参量放大器的泵浦光是1060nm附近窄线宽线偏振宽带可调谐的光纤放大器。固定MgO:PPLN晶体极化周期和工作温度时，同时分别改变两个外腔半导体放大器的工作波长，控制泵浦光用掺镱光纤放大器和信号光用铒镱共参光纤放大器输出波长的改变，实现参量放大器的调谐。在调谐过程中，两个外腔半导体激光器的工作波长组合由MgO:PPLN晶体最佳准相位匹配决定，保证光参量放大器始终工作在增益峰附近，实现3～5μm波段大功率宽带可调谐窄线宽中红外激光源输出。在结合光参量放大器非线性晶体MgO:PPLN晶体的工作温度，移动晶体周期甚至跟换其它晶体材料的情况下，可以实现更宽范围的调谐窄线宽中红外激光输出。

本发明实施例将发射波长在1060nm左右，可调谐范围50～100nm的窄线宽外腔半导体激光器作为掺镱光纤放大器的种子光源；将发射波长在1550nm附近，可调谐范围50～100nm的窄线宽外腔半导体激光器作为铒镱共参光纤放大器的种子光源，经过一级或多级双包层光纤放大分别实现1μm和1.5μm附近的高能量、单频、线偏振激光输出，分别作为光参量放大器的泵浦光源和信号光源，经准直聚焦后注入周期极化MgO:PPLN晶体，通过周期极化晶体准相位匹配实现3～5μm波段窄线宽中红外激光输出，通过泵浦光用光纤放大器和信号光用光纤放大器种子光源波长的改变，实现大功率宽带可调谐窄线宽中红外激光源输出。

Claims (6)

1.宽带可调谐窄线宽中红外激光源，其特征在于设有第1外腔半导体激光器、第2外腔半导体激光器、第1前保偏隔离器、第1后保偏隔离器、第2前保偏隔离器、第2后保偏隔离器、第1相位调制器、第2相位调制器、掺镱光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器、准直聚焦透镜、光参量放大器；

所述第1外腔半导体激光器、第1相位调制器、掺镱光纤放大器依次摆放；所述第2外腔半导体激光器、第2相位调制器、铒镱共掺光纤放大器依次摆放；所述掺镱光纤放大器和铒镱共掺光纤放大器均采用975nm激光源LD经第1保偏合束器或第2保偏合束器后注入作为泵浦源；所述准直聚焦透镜连接第1后保偏隔离器和第2后保偏隔离器输出端，准直聚焦透镜的输出端接光参量放大器输入端，光参量放大器作为中红外激光源，输出中红外激光。

2.如权利要求1所述宽带可调谐窄线宽中红外激光源，其特征在于所述掺镱光纤放大器所用光纤为双包层保偏掺Yb³⁺增益光纤。

3.如权利要求1所述宽带可调谐窄线宽中红外激光源，其特征在于所述铒镱共掺光纤放大器所用光纤为双包层保偏Er³⁺,Yb³⁺共掺增益光纤。

4.如权利要求1所述宽带可调谐窄线宽中红外激光源，其特征在于所述掺镱光纤放大器采用多级。

5.如权利要求1所述宽带可调谐窄线宽中红外激光源，其特征在于所述铒镱共掺光纤放大器采用多级。

6.如权利要求1所述宽带可调谐窄线宽中红外激光源，其特征在于所述光参量放大器采用周期极化晶体MgO:PPLN，晶体尺寸为2mm×10mm×50mm。