CN105428978B - 产生宽带可调的中红外波段激光的方法及光学参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种产生宽带可调的中红外波段激光的方法及光学参量振荡器，该方法以As2S5三孔悬芯光纤作为参量放大的非线性增益介质，将泵浦源发出的泵浦光输入到单谐振激光腔内，使得As2S5三孔悬芯光纤中因四波混频产生相对于泵浦光波长更短的信号光与相对于泵浦光波长更长的闲频光，当信号光在单谐振激光腔内振荡并不断增强直至稳定值时，泵浦光单次通过As2S5三孔悬芯光纤所产生的闲频光也被放大并产生中红外激光输出。本发明通过优化As2S5三孔悬芯光纤结构尺寸，采用输出波长在2μm附近并已经商用的掺铥光纤激光器作为四波混频过程的泵浦源。通过调节泵浦光波长从1.9至2μm，闲频光的调谐波长范围可覆盖2‑5μm，实现了宽带可调的中红外激光器。
Description
技术领域
本发明属于中红外光纤激光器领域，涉及一种产生宽带可调的中红外波段激光的方法及光学参量振荡器。
背景技术
四波混频，是一种利用材料的光学非线性响应，使得注入的两个泵浦光子湮灭，同时在两个新的波长处分别产生一个光子的过程。光纤作为一种非线性介质在输入泵浦光的条件下会因四波混频产生新的波长的光，再通过引入激光谐振腔，让新产生的光在腔内循环并因四波混频不断放大直至稳定而产生激光输出的结构即是光纤光学参量振荡器。
普通二氧化硅光纤由于其在大于2μm波段有较大的吸收损耗，利用其作为光纤光学参量振荡器的增益介质以实现激光输出2-5μm波长极其困难，而硫系光纤在中红外波段具有较宽的透射窗口(1-6μm)，且材料的非线性系数比二氧化硅高出两至三个数量级，因而更适宜作为中红外光纤光学参量振荡器的增益介质。
发明内容
本发明的目的在于利用硫系光纤的中红外传输窗口及高非线性系数，设计输出波长在2-5μm连续可调的光纤光学参量振荡器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种产生宽带可调的中红外波段激光的方法，该方法具体为：以As2S5三孔悬芯光纤作为参量放大的非线性增益介质，将泵浦源发出的泵浦光输入到单谐振激光腔内，使得As2S5三孔悬芯光纤中因四波混频产生相对于泵浦光波长更短的信号光与相对于泵浦光波长更长的闲频光，当信号光在单谐振激光腔内振荡并不断增强直至稳定值时，泵浦光单次通过As2S5三孔悬芯光纤所产生的闲频光也被放大并产生中红外激光输出。
进一步地，所述As2S5三孔悬芯光纤的悬芯部分的内切圆直径为2.6μm，支撑臂的宽度为0.6μm，光纤的零色散波长为2μm；所述泵浦源为掺铥光纤激光器。
进一步地，通过调节泵浦光波长从1.9至2μm，闲频光的调谐波长范围可覆盖2-5μm。
一种产生宽带可调的中红外波段激光的光纤光学参量振荡器，该振荡器包括掺铥光纤激光器、偏振控制器、第一介质镜、第一耦合透镜、As2S5三孔悬芯光纤、第二耦合透镜、第二介质镜、第一反射镜和第二反射镜；掺铥光纤激光器输出泵浦光，经偏振控制器调节其偏振态以使在As2S5三孔悬芯光纤中产生的四波混频效率达到最大，然后经第一介质镜再由第一耦合透镜耦合进入As2S5三孔悬芯光纤中，再依次经过第二耦合透镜、第二介质镜输出。As2S5三孔悬芯光纤在泵浦激励的情况下因四波混频产生信号光和闲频光。在As2S5三孔悬芯光纤中产生的闲频光经过第二耦合透镜、第二介质镜输出。在As2S5三孔悬芯光纤中产生的信号光依次经过第二耦合透镜、第二介质镜、第一反射镜、第二反射镜、第一介质镜、第一耦合透镜返回到As2S5三孔悬芯光纤中。第一介质镜、第二介质镜、第一反射镜及第二反射镜组成激光谐振腔。其中第一介质镜对泵浦光高透而对信号光高反，第二介质镜对泵浦光与闲频光高透而对信号光高反，因而泵浦光与新产生的闲频光在As2S5三孔悬芯光纤中仅走了一个单程便从第二介质镜输出，而信号光继续在激光腔内谐振，直至稳定，此时泵浦光单次通过As2S5三孔悬芯光纤所产生的闲频光将会得到稳定的激光输出。
进一步地，所述As2S5三孔悬芯光纤的悬芯部分的内切圆直径为2.6μm，支撑臂的宽度为0.6μm，光纤的零色散波长为2μm。
本发明的有益效果是：通过优化As2S5三孔悬芯光纤结构尺寸，可以采用输出波长在2μm附近并已经商用的掺铥光纤激光器作为四波混频过程的泵浦源。通过调节泵浦光波长从1.9至2μm，闲频光的调谐波长范围可覆盖2-5μm，实现了宽带可调的中红外激光器。
附图说明
图1为As2S5三孔悬芯光纤的横截面图；
图2为中央悬芯部分A的局部放大图；
图3为满足相位匹配条件时对应的波长图；
图4为本发明光纤光学参量振荡器结构示意图；
图5为光纤长度为0.1m时输出闲频光与泵浦光功率的关系图；
图中：1为掺铥光纤激光器，2为偏振控制器，3为第一介质镜，4为第一耦合透镜，5为As2S5三孔悬芯光纤，6为第二耦合透镜，7为第二介质镜，8为第一反射镜，9为第二反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明提供的一种产生宽带可调的中红外波段激光的方法，该方法具体为：以As2S5三孔悬芯光纤作为参量放大的非线性增益介质，将泵浦源发出的泵浦光输入到单谐振激光腔内，使得As2S5三孔悬芯光纤中因四波混频产生相对于泵浦光波长更短的信号光与相对于泵浦光波长更长的闲频光，当信号光在单谐振激光腔内振荡并不断增强直至稳定值时，泵浦光单次通过As2S5三孔悬芯光纤所产生的闲频光也被放大并产生中红外激光输出。
如图1、2所示，所述As2S5三孔悬芯光纤的三条连接悬芯与外壁的支撑臂互成120度对称分布，并通过圆弧彼此平滑连接，再与外壁一起构成三个封闭的空气孔。悬芯部分的内切圆直径为2.6μm，支撑臂的宽度为0.6μm，在此结构尺寸下，光纤的零色散波长为2μm。由于要满足四波混频的相位匹配条件，泵浦光波长需接近光纤的零色散波长，因而可以选用输出波长在2μm附近并已商业化的掺铥光纤激光器作为泵浦源。图3显示了满足相位匹配条件下，信号光与闲频光波长随泵浦光波长变化的曲线，当调节泵浦光波长从1.9至2μm时，相应的闲频光的调谐波长范围可覆盖2-5μm。
如图4所示，本发明提供的一种产生宽带可调的中红外波段激光的光纤光学参量振荡器，该振荡器包括掺铥光纤激光器1、偏振控制器2、第一介质镜3、第一耦合透镜4、As2S5三孔悬芯光纤5、第二耦合透镜6、第二介质镜7、第一反射镜8和第二反射镜9；掺铥光纤激光器1输出泵浦光，经偏振控制器2调节其偏振态以使在As2S5三孔悬芯光纤5中产生的四波混频效率达到最大，然后经第一介质镜3再由第一耦合透镜4耦合进入As2S5三孔悬芯光纤5中，再依次经过第二耦合透镜6、第二介质镜7输出。而在As2S5三孔悬芯光纤5中产生的闲频光经过第二耦合透镜6、第二介质镜7输出。在As2S5三孔悬芯光纤5中产生的信号光依次经过第二耦合透镜6、第二介质镜7、第一反射镜8、第二反射镜9、第一介质镜3、第一耦合透镜4返回到As2S5三孔悬芯光纤5中。其中第一介质镜3对泵浦光高透而对信号光高反，第二介质镜7对泵浦光与闲频光高透而对信号光高反，因而泵浦光与新产生的闲频光在As2S5三孔悬芯光纤5中仅走了一个单程便从第二介质镜7输出，而信号光继续在激光腔内谐振，直至稳定，此时泵浦光单次通过As2S5三孔悬芯光纤5所产生的闲频光将会得到稳定的激光输出。
如图5所示，当As2S5三孔悬芯光纤5长度选为0.1m时，随着泵浦光功率增大，输出的闲频光功率趋于饱和。此时用输出的闲频光功率除以泵浦光功率来定义转化效率，则泵浦光功率为2.7W对应的最大转化效率为19％，与其他的中红外光纤光学参量振荡器相比，本发明振荡器具有较好的转化效率。
Claims (5)
1.一种产生宽带可调的中红外波段激光的方法，其特征在于，该方法具体为：以As2S5三孔悬芯光纤作为参量放大的非线性增益介质，将泵浦源发出的泵浦光输入到单谐振激光腔内，使得As2S5三孔悬芯光纤中因四波混频产生相对于泵浦光波长更短的信号光与相对于泵浦光波长更长的闲频光，当信号光在单谐振激光腔内振荡并不断增强直至稳定值时，泵浦光单次通过As2S5三孔悬芯光纤所产生的闲频光也被放大并产生中红外激光输出。
2.根据权利要求1所述一种产生宽带可调的中红外波段激光的方法，其特征在于，所述As2S5三孔悬芯光纤的悬芯部分的内切圆直径为2.6μm，支撑臂的宽度为0.6μm，光纤的零色散波长为2μm；所述泵浦源为掺铥光纤激光器。
3.根据权利要求1所述一种产生宽带可调的中红外波段激光的方法，其特征在于，通过调节泵浦光波长从1.9至2μm，闲频光的调谐波长范围可覆盖2-5μm。
4.一种产生宽带可调的中红外波段激光的光纤光学参量振荡器，其特征在于，该振荡器包括掺铥光纤激光器(1)、偏振控制器(2)、第一介质镜(3)、第一耦合透镜(4)、As2S5三孔悬芯光纤(5)、第二耦合透镜(6)、第二介质镜(7)、第一反射镜(8)和第二反射镜(9)；掺铥光纤激光器(1)输出泵浦光，经偏振控制器(2)调节其偏振态，然后经第一介质镜(3)再由第一耦合透镜(4)耦合进入As2S5三孔悬芯光纤(5)中，再依次经过第二耦合透镜(6)、第二介质镜(7)输出；在As2S5三孔悬芯光纤(5)中产生的闲频光经过第二耦合透镜(6)、第二介质镜(7)输出；在As2S5三孔悬芯光纤(5)中产生的信号光依次经过第二耦合透镜(6)、第二介质镜(7)、第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、第一介质镜(3)、第一耦合透镜(4)返回到As2S5三孔悬芯光纤(5)中；其中第一介质镜(3)对泵浦光高透而对信号光高反，第二介质镜(7)对泵浦光与闲频光高透而对信号光高反，因而泵浦光与新产生的闲频光在As2S5三孔悬芯光纤(5)中仅走了一个单程便从第二介质镜(7)输出，而信号光继续在激光腔内谐振，直至稳定，此时泵浦光单次通过As2S5三孔悬芯光纤(5)所产生的闲频光将会得到稳定的激光输出。
5.根据权利要求4所述一种产生宽带可调的中红外波段激光的光纤光学参量振荡器，其特征在于，所述As2S5三孔悬芯光纤(5)的悬芯部分的内切圆直径为2.6μm，支撑臂的宽度为0.6μm，光纤的零色散波长为2μm。
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