CN105977775B - 级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器,包括顺次连接的第一半导体光泵浦源、第一二色镜、第一耦合镜、掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤、第二二色镜、第二耦合镜及第二半导体光泵浦源，所述第一耦合镜和掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤之间还依次刻写有第一光纤光栅和第二光纤光栅；所述第二二色镜、第一光纤光栅及第二光纤光栅构成谐振腔，第二二色镜垂直对接于所述掺有Er3+或Ho3+氟化物光纤末端，作为谐振腔反馈；第一光纤光栅和第二光纤光栅作为谐振腔反馈并输出耦合。本发明结构简单，可移植性强，谐振腔内无需采用结构复杂的主动调制器件，对输出参数要求较低，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种中红外脉冲光纤激光器，属于光纤激光器领域，更具体的说是涉及一种级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器。
背景技术
2～5μm中红外高能脉冲激光源在生物医疗(激光碎石、软组织切割)、材料加工(有机聚合物、陶瓷、塑料)、国防(激光对抗)等领域具有重要的应用前景，因而受到人们的广泛关注。光纤激光器作为一种新型的激光器，具有转化效率高、光束质量好、散热量好、易于集成等一系列显著的优势，因此发展高能中红外光纤激光器具有重要的科学意义和应用价值。目前实现高能中红外脉冲光纤激光输出的方法主要有两类：1.增益调制，2.调Q(包括主动调Q和被动调Q)，增益调制方式是通过脉冲泵浦直接对激光跃迁上能级的离子数进行周期性调制，从而实现激光的脉冲输出，因此具有简单的系统结构，但传统的增益调制光纤激光器通常采用单纯的脉冲泵浦，因而面临高能量阈值的问题。调Q则是通过在腔内加入额外的调制器件如声光调制器、电光调制器等主动调Q器件或半导体可饱和吸收镜、石墨烯等被动调Q器件(即可饱和吸收体)，实现对腔内损耗的周期性调制，从而产生脉冲激光，虽然主动调Q激光系统具有更高的可靠性、稳定性以及高能运转潜力，然而其结构却相对复杂，相比之下，被动调Q光纤激光器无需外部驱动，因此结构更加简单紧凑，且易于集成，但是可饱和吸收体相对较低的损伤阈值使其难以直接实现高能脉冲激光输出。在中红外波段，目前已有增益调制、主动调Q以及被动调Q脉冲光纤激光器的相关报道，但大都集中于实现单波长的脉冲激光，为了满足实际需求，双波长乃至多波长脉冲光纤激光的研究得到了人们的重视。最近已报道通过主动调Q和主动调Q导引增益调制的方式实现双波长中红外脉冲激光输出，脉冲能量达数十μJ水平，虽然该系类系统具有进一步提升能量的潜力，然而主动调Q所引入的调制晶体使得该方法结构复杂，且使光纤激光器失去了固有的灵活、紧凑、体积小等优点，成本也非常昂贵。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的技术问题，提供一种可以在中红外波段获得高能量脉冲激光输出的低阈值、结构简单的级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器，
包括顺次连接的第一半导体光泵浦源、第一二色镜、第一耦合镜、掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤、第二二色镜、第二耦合镜及第二半导体光泵浦源，所述第一耦合镜和掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤之间还依次刻写有第一光纤光栅和第二光纤光栅；
其中，
所述第一半导体光泵浦源用于产生连续泵浦光；
所述第二半导体光泵浦源用于产生脉冲泵浦光；
所述第一耦合镜用于将第一半导体光泵浦源产生的连续泵浦光耦合进掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤中；
所述第二耦合镜用于将第二半导体光泵浦源产生的脉冲泵浦光耦合进掺有Er3+或Ho3+氟化物光纤中；
所述第一二色镜用于将产生的双波长脉冲激光导引输出；
所述掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤用于实现激光的跃迁辐射。
所述第二二色镜、第一光纤光栅及第二光纤光栅构成谐振腔，所述第二二色镜垂直对接于所述掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤末端，作为谐振腔反馈；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅作为谐振腔反馈并输出耦合。
所述第一半导体光泵浦源和第二半导体光泵浦源产生的泵浦光的波长相同。
所述第一半导体光泵浦源和第二半导体光泵浦源产生的泵浦光波长为975nm时，采用掺有Er3+的氟化物光纤；所述第一半导体光泵浦源和第二半导体光泵浦源产生的泵浦光波长为1150nm时，采用掺有Ho3+的氟化物光纤。
所述第一二色镜和第二二色镜均具有对泵浦光高透和对产生激光高反的特性。
所述第一二色镜倾斜设置在第一半导体光泵浦源和第一耦合镜之间。
所述第一二色镜的倾斜角度为45°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明结构简单，可移植性强，谐振腔内无需采用结构复杂的主动调制器件，对输出参数要求较低，使用方便。
2、本发明采用连续泵浦光为激光上能级提供离子数，混合脉冲泵浦光诱导增益调制脉冲产生，从而导引级联能级产生第二个波长的增益调制脉冲，不仅实现了双波长增益调制脉冲的同时输出，还解决了传统增益调制光纤激光器需采用高能脉冲激光泵浦的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1所示为本发明的结构示意图；
图2所示为本发明混合泵浦的掺有Er3+的氟化物光纤能级图；
图3所示为本发明混合泵浦的掺有Ho3+的氟化物光纤能级图；
图中的标记分别表示为：1、第一半导体光泵浦源；2、第二半导体光泵浦源；3、第一耦合镜；4、第二耦合镜；5、第一二色镜；6、第二二色镜；7、氟化物光纤；8、第一光纤光栅；9、第二光纤光栅；10、4I15/2能级；11、4I13/2能级；12、4I11/2能级；13、976nm连续泵浦光；14、976nm脉冲泵浦光；15、2.8μm的增益调制脉冲；16、1.6μm的增益调制脉冲、；17、5I8能级；18、1150nm连续泵浦光；19、5I7能级；20、5I6能级；21、1150nm脉冲泵浦光；22、3.0μm的增益调制脉冲；23、2.1μm的增益调制脉冲。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1所示的级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器，
包括顺次连接的第一半导体光泵浦源1、第一二色镜5、第一耦合镜3、掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤7、第二二色镜6、第二耦合镜4及第二半导体光泵浦源2，所述第一耦合镜3和掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤7之间还依次刻写有第一光纤光栅8和第二光纤光栅9；
其中，
所述第一半导体光泵浦源1用于产生连续泵浦光；
所述第二半导体光泵浦源2用于产生脉冲泵浦光；
所述第一耦合镜3用于将第一半导体光泵浦源1产生的连续泵浦光耦合进掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤7中；
所述第二耦合镜4用于将第二半导体光泵浦源2产生的脉冲泵浦光耦合进掺有Er3+或Ho3+氟化物光纤7中；
所述第一二色镜5用于将产生的双波长脉冲激光导引输出；
所述掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤7用于实现激光的跃迁辐射。
所述第二二色镜6、第一光纤光栅8及第二光纤光栅9构成谐振腔，所述第二二色镜6垂直对接于所述掺有Er3+或Ho3+氟化物光纤7末端，作为谐振腔反馈；所述第一光纤光栅8和第二光纤光栅9作为谐振腔反馈并输出耦合。
所述第一半导体光泵浦源1和第二半导体光泵浦源2产生的泵浦光的波长相同。
所述第一半导体光泵浦源1和第二半导体光泵浦源2产生的泵浦光波长为975nm时，采用掺有Er3+的氟化物光纤；所述第一半导体光泵浦源1和第二半导体光泵浦源2产生的泵浦光波长为1150nm时，采用掺有Ho3+的氟化物光纤。
所述第一二色镜5和第二二色镜6均具有对泵浦光高透和对产生激光高反的特性。
为了对本发明做进一步的解释，下面结合具体数据和参数进行详细说明：
具体实施例1
如图1、图2所示，第一半导体光泵浦源1输出的976nm连续泵浦光通过第一耦合镜3被耦合进掺有Er3+(正三价铒离子)的氟化物光纤7中，第二半导体光泵浦源2输出的976nm脉冲泵浦光通过第二耦合镜4被耦合进掺有Er3+的氟化物光纤7中，掺有Er3+的氟化物光纤7左侧依次刻写第一光纤光栅8和第二光纤光栅9，中心波长分别为2.8μm和1.6μm，掺有Er3+的氟化物光纤7右侧末端与第二二色镜6垂直对接，第一光纤光栅8和第二二色镜6构成2.8μm激光谐振腔，第二光纤光栅9和第二二色镜6构成1.6μm激光谐振腔，第一二色镜5置于第一半导体光泵浦源1和第一耦合透镜3之间用于将掺有Er3+的氟化物光纤7中产生的激光导引输出。
第一半导体光泵浦源(1)输出连续泵浦光通过第一耦合镜(3)被耦合进掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤(7)中，第二半导体光泵浦源(2)输出相同波长的脉冲泵浦光通过第二耦合镜4被耦合进掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤(7)中，掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤(7)左侧依次刻写第一光纤光栅(8)和第二光纤光栅(9)，掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤(7)右侧末端与第二二色镜(6)垂直对接，第一光纤光栅(8)和第二二色镜(6)构成第一激光谐振腔，第二光纤光栅(9)和第二二色镜(6)构成第二激光谐振腔，第一二色镜(5)置于第一半导体光泵浦源(1)和第一耦合透镜(3)之间用于将掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤(7)中产生的激光导引输出。
第一半导体光泵浦源1输出的1150nm连续泵浦光通过第一耦合镜3被耦合进掺有Ho3+(正三价钬离子)的氟化物光纤7中，第二半导体光泵浦源2输出的1150nm脉冲泵浦光通过第二耦合镜4被耦合进掺有Ho3+的氟化物光纤7中，掺有Ho3+的氟化物光纤7左侧依次刻写第一光纤光栅8和第二光纤光栅9，中心波长分别为3.0μm和2.1μm，掺有Ho3+的氟化物光纤7右侧末端与第二二色镜6垂直对接，第一光纤光栅8和第二二色镜6构成3.0μm激光谐振腔，第二光纤光栅9和第二二色镜6构成2.1μm激光谐振腔，第一二色镜5置于第一半导体光泵浦源1和第一耦合透镜3之间用于将掺有Ho3+的氟化物光纤7中产生的激光导引输出。
本实施例的第一半导体光泵浦源1输出的976nm连续泵浦光13通过第一耦合透镜3耦合进掺有Er3+的氟化物光纤7中，4I15/2能级10上的离子被泵浦到4I11/2能级12上，在第一光纤光栅8和第二二色镜6构成的谐振腔中产生连续的2.8μm激光，同时将第二半导体光泵浦源2输出的976nm脉冲泵浦光14通过第二耦合镜4耦合进掺有Er3+的氟化物光纤7中，4I15/2能级10上的离子被周期性地泵浦到4I11/2能级12上，在泵浦脉冲的诱导作用下，第一光纤光栅8和第二二色镜6构成的谐振腔中产生增益调制的2.8μm的增益调制脉冲15，该脉冲对4I13/2能级11上的离子数进行周期性调制即对4I13/2能级11→4I15/2能级10跃迁的反转离子数进行周期性调制，从而实现对4I13/2能级11→4I15/2能级10跃迁的增益调制，在第二光纤光栅9和第二二色镜6构成的谐振腔中产生1.6μm的增益调制脉冲16，最终通过第一光纤光栅8和第二光纤光栅9分别输出2.8μm的增益调制脉冲15和1.6μm的增益调制脉冲16，进而由第一二色镜5导引输出。
具体实施例2
如图1、图3所示，第一半导体光泵浦源1输出的1150nm连续泵浦光通过第一耦合镜3被耦合进掺有Ho3+(正三价钬离子)的氟化物光纤7中，第二半导体光泵浦源2输出的1150nm脉冲泵浦光通过第二耦合镜4被耦合进掺有Ho3+的氟化物光纤7中，掺有Ho3+的氟化物光纤7左侧依次刻写第一光纤光栅8和第二光纤光栅9，中心波长分别为3.0μm和2.1μm，掺有Ho3+的氟化物光纤7右侧末端与第二二色镜6垂直对接，第一光纤光栅8和第二二色镜6构成3.0μm激光谐振腔，第二光纤光栅9和第二二色镜6构成2.1μm激光谐振腔，第一二色镜5置于第一半导体光泵浦源1和第一耦合透镜3之间用于将掺有Ho3+的氟化物光纤7中产生的激光导引输出。
本实施例的第一半导体光泵浦源1输出的1150nm连续泵浦光18通过第一耦合透镜3耦合进掺有Ho3+的氟化物光纤7中，5I8能级17上的离子被泵浦到5I6能级20上，在第一光纤光栅8和第二二色镜6构成的谐振腔中产生连续的3.0μm激光，同时将第二半导体光泵浦源2输出的1150nm脉冲泵浦光21通过第二耦合镜4耦合进掺有Ho3+的氟化物光纤7中，5I8能级17上的离子被周期性地泵浦到5I6能级20上，在泵浦脉冲的诱导作用下，第一光纤光栅8和第二二色镜6构成的谐振腔中产生增益调制的3.0μm的增益调制脉冲22，该脉冲对5I7能级19上的离子数进行周期性调制即对5I7能级19→5I8能级17跃迁的反转离子数进行周期性调制，从而实现对5I7能级19→5I8能级17跃迁的增益调制，在第二光纤光栅9和第二二色镜6构成的谐振腔中产生2.1μm的增益调制脉冲23，最终通过第一光纤光栅8和第二光纤光栅9分别输出3.0μm增益调制脉冲22和2.1μm增益调制脉冲23，进而由第一二色镜5导引输出。
如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器,其特征在于： 包括依次连接的第一半导体光泵浦源（1）、第一二色镜（5）、第一耦合镜（3）、掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤（7）、第二二色镜（6）、第二耦合镜（4）及第二半导体光泵浦源（2），所述第一耦合镜（3）和掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤（7）之间还依次刻写有第一光纤光栅（8）和第二光纤光栅（9）；
其中，
所述第一半导体光泵浦源（1）用于产生连续泵浦光；
所述第二半导体光泵浦源（2）用于产生脉冲泵浦光，且所述连续泵浦光的波长与所述脉冲泵浦光的波长相同；
第一半导体光泵浦源（1）输出的连续泵浦光通过第一耦合镜（3）被耦合进掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤（7）中，第二半导体光泵浦源（2）输出的脉冲泵浦光通过第二耦合镜（4）被耦合进掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤（7）中，掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤（7）左侧依次刻写第一光纤光栅（8）和第二光纤光栅（9），掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤（7）右侧末端与第二二色镜（6）垂直对接，掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤（7）用于实现激光的跃迁辐射，第一光纤光栅（8）和第二二色镜（6）构成第一激光谐振腔，第二光纤光栅（9）和第二二色镜（6）构成第二激光谐振腔，第一二色镜（5）置于第一半导体光泵浦源（1）和第一耦合透镜（3）之间用于将掺有Er3+或Ho3+的氟化物光纤（7）中产生的激光导引输出。
2.根据权利要求1所述的级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一半导体光泵浦源(1)和第二半导体光泵浦源(2)产生的泵浦光波长为975nm时，氟化物光纤（7）采用掺有Er3+的氟化物光纤；所述第一半导体光泵浦源(1)和第二半导体光泵浦源(2)产生的泵浦光波长为1150nm时，氟化物光纤（7）采用掺有Ho3+的氟化物光纤。
3.根据权利要求1所述的级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一二色镜(5)和第二二色镜(6)均具有对泵浦光高透和对所述第一激光谐振腔和所述第二激光谐振腔中产生的激光高反的特性。
4.根据权利要求1所述的级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一二色镜(5)倾斜设置在第一半导体光泵浦源(1)和第一耦合镜(3)之间。
5.根据权利要求4所述的级联增益调制双波长中红外脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一二色镜(5)的倾斜角度为45°。
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