CN105337148B - 用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于产生2μm连续激光的全光纤气体拉曼激光器，通过1μm波段连续泵浦光与填充于空心光子晶体光纤中的H₂气体发生受激拉曼散射作用实现可调谐2μm连续激光输出。

Description

用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器

技术领域

本发明涉激光器技术领域，具体的涉及一种用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器。

背景技术

2μm波段激光处于大气弱吸收带，同时具有人眼安全特点，广泛应用于自由空间光通信、遥感、激光雷达、医疗和军事等领域。此外，将其作为泵浦源使用还能实现3～5μm波长激光的输出，在科研领域应用广泛。

目前，能实现2μm波长激光输出的激光器主要有传统固体激光器、半导体激光器、量子级联激光器和稀土掺杂光纤激光器等。其中，固体激光器增益带宽较高，可以实现2～5μm激光的输出，其效率虽然足以实现商用，但是固体激光器热透镜效应限制了功率的进一步提升。而利用半导体激光器输出波长大于1.8μm的激光时，俄歇复合降低了载流子的寿命，极大限制了所产生激光效率的提升。半导体激光器的光束质量较差，在某些特定应用场合难以满足要求。量子级联激光器连续工作时，大部分电能转化成了热，并且难以实现高功率的单模输出。目前，掺铥和掺钬的2μm掺杂光纤激光器已经能获得具有较高功率的输出激光，但是实心掺杂光纤的损伤阈值低，非线性效应强，制约了进一步提升出射激光的功率。

气体受激拉曼散射具有增益系数高、频移大、介质选择灵活等特点，自1963年被首次报道以来受到了广泛的关注，已经被证明是一种能产生可调谐、窄线宽、新波长激光器的有效手段。历史上，受有效作用距离非常短的限制，在自由空间中观测气体受激拉曼散射需要很高的泵浦阈值功率，即使如此，出射的激光中仍然会产生许多其他谱线，使特定波长激光转换效率非常低。

为了增强光与气体的相互作用，研究人员通过空心毛细玻璃管和高精度法布里-珀罗腔来实现特定波长激光的出射。但是所得激光的有效作用距离还是非常有限，转换效率仍然很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器，该发明解决了空间结构光纤气体拉曼激光器泵浦耦合效率低，单程空心光纤气体激光器泵浦阈值功率高的技术问题。

本发明提供一种用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器，包括：用于输出可调谐连续光纤激光的泵浦源、用于防止反向传输的泵浦光返回泵浦源的隔离器、用于降低激光器工作阈值的谐振腔、空心光子晶体光纤、用于将残余泵浦光反射回空心光子晶体光纤中的反馈光栅和用于分离2μm波段激光的滤波输出装置；空心光子晶体光纤中填充用于通过受激拉曼散射将1μm波段泵浦光频移至2μm波段信号激光的拉曼增益H₂气；泵浦源的输出端依序与隔离器和谐振腔的输入端光连接，空心光子晶体光纤光连接于谐振腔内，谐振腔的输出端与反馈光栅光连接，反馈光栅与滤波输出装置的输入端光连接。

进一步地，空心光子晶体光纤为负曲率空心光子晶体光纤。

进一步地，泵浦源输出的激光中心波长为1064nm。

进一步地，谐振腔设有输入布拉格光栅和输出布拉格光栅，输入布拉格光栅的输入端为谐振腔的输入端；输出布拉格光栅的输出端为谐振腔的输出端。

进一步地，输入布拉格光栅是中心波长1907nm的高反射率宽谱光栅；输出布拉格光栅是中心波长1907nm的低反射率宽谱光栅。

进一步地，反馈光栅为对1064nm波长激光产生高反射率的宽谱光栅。

进一步地，滤波输出装置包括反射布拉格光栅和其上设有多个端口的光环形器，光环形器与反馈光栅光连接，光环形器的第二端口上设有反射布拉格光栅，2μm激光从反射布拉格光栅透射输出，剩余的微弱泵浦光被反射布拉格光栅反射，并从光环形器的第三端口输出。

进一步地，光环形器包括第一光环形器端口、第二光环形器端口和用于输出残余泵浦光的第三光环形器端口，第一光环形器端口与反馈光栅光连接；第二光环形器端口与反射布拉格光栅光连接。

本发明的技术效果：

本发明提供用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器通过实心光纤与空心光子晶体光纤熔接的方式实现了全光纤的紧凑结构，同时通过在空心光子晶体光纤两端加谐振腔，解决了单程受激拉曼散射产生连续激光输出的高泵浦阈值问题,实现了较低泵浦功率水平下2μm波段连续激光输出。此外，本发明提供的激光器输出的2μm波段激光线宽与泵浦管线宽处于同一量级，不会发生高功率下展宽现象。而且本发明提供的激光器在光纤材料损伤阈值方面比实心光纤激光器大一个数量级，因而在高动率输出方面具有优势。

具体请参考根据本发明的用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器优选实施例的结构示意图。

图例说明：

1、泵浦源；2、隔离器；3、输入布拉格光栅；4、输入端熔接点；5、空心光子晶体光纤；6、输出端熔接点；7、输出布拉格光栅；8、反馈光栅；9、光环形器；91、第一光环形器端口；92、第二光环形器端口；93、第三光环形器端口；10、反射布拉格光栅。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

目前，可实现2μm波段较高功率连续激光输出的激光器主要为稀土掺杂实心光纤激光器，这种激光器在高功率工作时，由于实心光纤中的非线性效应，其线宽会被大大展宽。而本发明提供的激光器中，2μm波段信号激光线宽与1μm波段泵浦激光线宽处于同一量级，不会发生大功率条件下线宽展宽问题。

另外，实心光纤激光器的极限功率主要受限于非线性效应以及光纤材料损伤；理论分析表明，光纤气体激光器在非线性效应产生阈值以及光纤材料损伤阈值方面均比实心光纤激光器大一个数量级，因而更具有高功率输出的优势。

参见图1，本发明提供的用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器，包括：用于输出可调谐连续光纤激光的泵浦源1、用于防止反向传输的泵浦光返回泵浦源1的隔离器2、用于降低激光器工作阈值的谐振腔、空心光子晶体光纤5、用于将残余泵浦光反射回空心光子晶体光纤5中的反馈光栅8和用于分离2μm波段激光的滤波输出装置；空心光子晶体光纤5中填充用于通过受激拉曼散射将1μm波段泵浦光频移至2μm波段信号激光的拉曼增益H₂气；泵浦源1的输出端依序与隔离器2和谐振腔的输入端光连接，空心光子晶体光纤5光连接于谐振腔内，谐振腔的输出端与反馈光栅8光连接，反馈光栅8与滤波输出装置的输入端光连接。

本发明提供的激光器通过在空心光子晶体光纤5中填充的H₂气体与1μm波段的连续泵浦激光发生受激拉曼散射作用，实现了可调谐2μm连续激光输出，该激光器为全光纤结构，较为紧凑，便于携带。

H₂气体的拉曼散射截面较大，比大多数气体介质的拉曼增益高，通过研究发现，将其填充至空心光子晶体光纤5中，使得输出2μm波段激光时，仅需对应波长为1μm左右的泵浦激光即可。1μm波段范围内的激光泵浦源1在市场上较为常见，有效降低了本发明提供激光器的成本。

空心光子晶体光纤5可以有效地将泵浦光约束在微米量级的纤芯中，大大提高了泵浦光与拉曼增益H₂气体的有效作用距离。所用填充拉曼增益H₂气体的空心光子晶体光纤5对1μm波段的泵浦激光的传输损耗约为0.12dB/m，对2μm波段信号激光的传输损耗约为0.35dB/m，对其他波段传输损耗则较高，有效抑制了其它波长拉曼信号的产生，大大提高了2μm波段信号激光的转化效率。

另一方面，单程光纤气体拉曼激光器泵浦阈值功率较高。而且在连续工作条件下，高功率泵浦会给空心光子晶体光纤5带来一定的损伤。在单程光纤气体激光器的基础上添加谐振腔成功解决了这一问题。

优选的，泵浦源1输出的激光中心波长为1064nm。当选用的泵浦源线宽很窄时，输出的2μm波段激光信号的线宽也很窄。目前，可实现2μm波段较高功率连续激光输出的激光器主要为稀土掺杂实心光纤激光器，这种激光器在高功率条件下工作时，由于实心光纤中的非线性效应，其线宽会被大大展宽。而本发明提供的激光器中，2μm波段信号激光的线宽与泵浦源线宽处于同一量级而不会被展宽。2μm波段激光信号在由宽谱光纤布拉格光栅组成的谐振腔中多次反射形成谐振，有效降低了激光器工作阈值。刻有光纤布拉格光栅的实心光纤与空心光子晶体光纤5通过熔接的方式进行光波模场耦合从而实现了全光纤结构，提高了泵浦光的耦合效率；通过滤波输出系统将残余泵浦光滤除可以实现2μm波段连续激光输出。

同时本文中波段是指该波长点值附近的激光均可输出。通过调节泵浦源1输出的激光的波长，可以实现对本发明提供的激光器的最终输出信号光波长的调节，进而实现2μm波长附近其他波长激光的输出。

${\mathrm{\λ}}_{out}=\frac{1}{1/{\mathrm{\λ}}_p\×{10}^9-4.156\×{10}^5}\×{10}^9$

λ_p为泵浦源1波长，λ_out为本发明提供激光器输出的信号光的波长，单位均为nm。从而实现输出多种波长激光的目的。

谐振腔可以为现有的常用的谐振腔。优选的谐振腔中设有彼此光连接的输入布拉格光栅3和输出布拉格光栅7，输入布拉格光栅3的输入端为谐振腔的输入端。输出布拉格光栅7的输出端为谐振腔的输出端。可以提供谐振器对信号光的反馈，能更高效的降低该激光器的工作阈值。采用该谐振腔能降低所需泵浦源1的功率。当所用为市售仅具有一个输出端和一个输入端的谐振腔时，输入布拉格光栅3的输入端作为谐振腔的输入端，输出布拉格光栅7的输出端作为谐振腔的输出端。此时谐振腔内设有空心光子晶体光纤5。

更优选的，谐振腔中输入布拉格光栅3为表面刻有输入布拉格光栅3的实心光纤。输出布拉格光栅7为表面刻有输出布拉格光栅7的实心光纤。实心光纤与空心光子晶体光纤5通过熔接的方式实现光波模场耦合。该熔接方法为现有方法即可。采用该方式耦合，能大大提高泵浦光的耦合效率，解决了空间结构空心光纤充气产生激光输出时泵浦光耦合效率低的问题。

更优选的，输入布拉格光栅3是中心波长1907nm的高反射率宽谱光栅；输出布拉格光栅是中心波长1907nm的低反射率宽谱光栅。由于所用泵浦源1出射的激光波段为1064nm，1064nm激光与H₂发生振动受激拉曼散射作用产生的信号波长为1907nm，所以光栅的中心波长是1907nm。

此处的隔离器2可以为其他常用的光隔离器2，仅需要能实现防止反向传输的泵浦光返回泵浦源1的作用即可。设置隔离器2后，能提高泵浦源的使用寿命，防止返回的泵浦光对泵浦源1其造成损伤。

优选的，反馈光栅8为对中心波长1064nm激光产生高反射率的宽谱光栅。该反馈光栅8能使剩余的泵浦光反射回空心光纤中，使其继续与H₂作用，提高泵浦光的利用效率。

滤波输出装置可以为任意常用的滤波输出装置，优选的，滤波输出装置包括反射布拉格光栅10和其上设有多个端口的光环形器9，光环形器9与反馈光栅8光连接，光环形器9的第二端口上设有反射布拉格光栅10，2μm激光从反射布拉格光栅10透射输出。1μm波段的微弱残余泵浦光被反射布拉格光栅反射后由第三环形器端口输出采用该结构的滤波输出装置能提高对2μm波段信号光和其他波段的残余泵浦光的分离效率，减少2μm波段信号光的损耗。

更优选的，光环形器9包括第一光环形器端口91、第二光环形器端口92和用于输出残余泵浦光的第三光环形器端口93，第一光环形器端口91与反馈光栅8光连接；第二光环形器9端口与反射布拉格光栅10光连接。通过对泵浦波长具有反射作用的反射布拉格光栅10，可以将残余泵浦光反射至第三光环形器端口93输出，信号光从反射布拉格光栅10透射，避免二者相互干扰。更优选的，反射布拉格光栅10为1064nm高反射率宽谱光栅。采用该波段的反射布拉格光栅10能更有效的提高对2μm信号光的出射作用。

参见图1，用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器具体包括依序光连接的泵浦源1、隔离器2、输入布拉格光栅3、空心光子晶体光纤5、输出布拉格光栅7、反馈光栅8和光环形器9。泵浦源1为能产生波长为1064nm的可调谐连续光纤激光的市售泵浦源1。从泵浦源1出射的激光沿光路传播入射隔离器2。经过隔离器2对反向光的过滤后，光继续传输进入输入布拉格光栅3。光经过输入布拉格光栅3后入射至空心光子晶体光纤5的纤芯中。空心光子晶体光纤5的一端与刻有输入布拉格光栅3的实心光纤熔接，形成输入端熔接点4。空心光子晶体光纤5的输出端与刻有输出布拉格光栅7的实心光纤熔接形成输出端熔接点6。从输出端熔接点6耦合的实心光纤出射的激光，依序经过输出布拉格光栅7、反馈光栅8后，激光进入光环形器9的第一光环形器9端口输入后，激光从第二光环形器端口92输出，其中微弱残余的泵浦光被反射布拉格光栅10反射后，从第三光环形器端口93输出，信号光即波段为2μm的激光被反射布拉格光栅10透射输出。通过调节泵浦源1的波长，可以实现2μm波段附近不同波长激光的输出。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (6)

1.一种用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器，其特征在于，包括：

用于输出可调谐连续光纤激光的泵浦源、用于防止反向传输的泵浦光返回所述泵浦源的隔离器、用于降低所述激光器工作阈值的谐振腔、空心光子晶体光纤、用于将残余泵浦光反射回所述空心光子晶体光纤中的反馈光栅和用于分离2μm波段激光的滤波输出装置；

所述空心光子晶体光纤中填充用于通过受激拉曼散射将1μm波段泵浦光频移至2μm波段信号激光的拉曼增益H₂气；

所述空心光子晶体光纤为负曲率空心光子晶体光纤；

所述泵浦源的输出端依序与所述隔离器和所述谐振腔的输入端光连接，所述空心光子晶体光纤光连接于所述谐振腔内，所述谐振腔的输出端与所述反馈光栅光连接，所述反馈光栅与所述滤波输出装置的输入端光连接；

所述泵浦源为光纤激光器，所述泵浦源输出的激光中心波长为1064nm。

2.根据权利要求1所述的用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器，其特征在于，所述谐振腔设有输入布拉格光栅和输出布拉格光栅，所述输入布拉格光栅的输入端为所述谐振腔的输入端，所述输入布拉格光栅与所述输出布拉格光栅光连接；

所述输出布拉格光栅的输出端为所述谐振腔的输出端。

3.根据权利要求1所述的用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器，其特征在于，所述输入布拉格光栅是中心波长1907nm的高反射率宽谱光栅；

所述输出布拉格光栅是中心波长1907nm的低反射率宽谱光栅。

4.根据权利要求2所述的用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器，其特征在于，所述反馈光栅为对1064nm波长激光产生高反射率的宽谱光栅。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器，其特征在于，所述滤波输出装置包括反射布拉格光栅和其上设有多个端口的光环形器，所述光环形器与所述反馈光栅光连接，所述光环形器的第二端口上设有所述反射布拉格光栅，所述2μm激光从所述反射布拉格光栅透射输出。

6.根据权利要求5所述的用于产生2μm激光的全光纤气体拉曼激光器，其特征在于，所述光环形器包括第一光环形器端口、第二光环形器端口和用于输出残余泵浦光的第三光环形器端口，所述第一光环形器端口与所述反馈光栅光连接；

所述第二光环形器端口与所述反射布拉格光栅光连接。