CN106058624B - 可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器及获得激光的方法 - Google Patents

可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器及获得激光的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器及获得可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光的方法，激光器包括第一激光泵浦源、第一二色镜、第二二色镜、第一凸透镜、双包层掺Er3+氟化物光纤、第二凸透镜、平面闪耀光栅、第二激光泵浦源，第一二色镜和水平方向呈45度；本发明巧妙避开了传统中红外可调谐脉冲光纤激光产生过程中对主动调制器件或被动调制器件参数的苛刻要求；采用双波长混合级联泵浦的方式，将连续激光和脉冲激光相结合，双波长混合级联直接产生波长更长的中红外增益调制脉冲激光，易于实现输出脉冲光纤激光的高能量与高功率；将双波长混合级联方法与平面闪耀光栅相结合，易于实现中红外波段波长可调谐的脉冲光纤激光输出。

Description

可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器及获得激光的方法
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其是一种可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器及利用该激光器获得可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光的方法。
背景技术
3～5μm中红外激光器因在生物医疗、材料加工、大气通信、气体检测、红外对抗等领域广泛的应用前景受到人们的广泛关注。光纤激光器作为一种新型的激光器类型，相比传统激光器如：固体激光器、气体激光器、半导体激光器等，具有转化效率高、散热良好、光束质量好、易于集成等一系列优势，因此，发展高性能的中红外光纤激光器具有重要的科学意义和应用价值。近年来，国际上已经涌现出大量中红外光纤激光器的相关报道，2007年新墨西哥大学朱秀山等人利用掺Er3+氟化物光纤作为增益介质，率先实现了10瓦量级的2.78μm光纤激光输出；2009年，日本京都大学Shigeki Tokita等人在全水冷情况下，实现了功率高达24W的2.8μm掺Er3+氟化物光纤激光输出；2015年，加拿大拉瓦尔大学Vincent Fortin等人利用自制的氟化物光纤光栅作为谐振腔反馈，在全光纤结构下实现了输出功率为30W的2.94μm掺Er3+氟化物光纤激光输出，这也是该波段当前国际最高的功率水平。然而，目前大部分光纤激光器的工作波长都还未真正进入3～5μm中红外区间。2011年，电子科技大学李剑峰等人利用掺Ho3+氟化物光纤作为增益介质，率先在室温条件下实现了波长超过3μm的瓦级光纤激光输出，其工作波长为3.002μm；随后加拿大拉瓦尔大学Martin Bernier等人利用氟化物光纤光栅作为谐振腔，实现了准连续的3.005μm掺Er3+氟化物光纤激光输出，并将其作为基频源，As2S3硫化物光纤作为增益介质，结合硫化物光纤光栅，实现了3.34μm的一阶拉曼光纤激光和3.77μm的二阶拉曼光纤激光输出；相比传统的稀土离子掺杂光纤激光器，拉曼光纤激光器通常需要额外引入多个光纤光栅对，提供谐振腔反馈，从而增加了光纤激光器的复杂程度，更重要的是，拉曼光纤激光器的效率会随着级联阶数的增加大幅降低。2014年，澳大利亚阿德莱德大学Ori Henderson-Sapir等人采用985nm和1973nm双波长级联泵浦掺Er3+氟化物光纤，率先实现了3.604μm的光纤激光输出，大大拓展了中红外光纤激光器的工作波长，随后他们和加拿大拉瓦尔大学利用相同的方法分别实现了3.33～3.78μm波长可调谐的光纤激光输出和1.5W的3.44μm光纤激光输出。相比连续光纤激光器，3～5μm的脉冲光纤激光器因具有更高的峰值功率和脉冲能量在特殊材料加工、生物组织切割、红外对抗等领域具有更大的应用前景。然而在该波长区域目前还鲜有脉冲光纤激光器的相关报道，2012年，电子科技大学李剑峰等人采用掺Ho3+氟化物光纤作为增益介质，利用声光调制器主动调Q的方法率先实现了波长超过3μm的脉冲光纤激光输出，其工作波长为3.005μm，随后他们分别利用主动调Q和被动调Q的方法实现了波长超过3μm的可调谐脉冲光纤激光，但是最长调谐波长也仅为3.031μm，且调谐范围都在几十个nm的水平。在波长更长的中红外区间，无论是采用主动调Q或锁模方式还是被动调Q或锁模方式产生中红外脉冲光纤激光，都需要对腔内的主动或被动调制器件参数(调制深度、饱和光强、非饱和损耗、工作带宽等)进行合理设计，以实现高效的中红外脉冲光纤激光产生，这对系统的整体设计具有较高的要求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提出了一种双波长混合级联的可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器，采用连续激光和脉冲激光级联泵浦掺Er3+氟化物光纤激光器，结合平面闪耀光栅，无需在腔内引入任何额外调制器件，便可通过增益调制实现3.2～3.9μm波长可调谐的脉冲光纤激光输出。
本发明还提供一种利用该激光器获得3～5μm波长区间调谐增益调制中红外脉冲光纤激光的方法，从而避开传统方法在该波段实现脉冲光纤激光输出对调制器件参数的苛刻要求。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器，包括沿水平方向依次设置的第一激光泵浦源、第一二色镜、第二二色镜、第一凸透镜、双包层掺Er3+氟化物光纤、第二凸透镜、平面闪耀光栅、位于第一激光泵浦源和第二二色镜之间的竖直方向设置的第二激光泵浦源，所述第一二色镜和水平方向呈45度，第一激光泵浦源用于产生976nm连续激光，第二激光泵浦源用于产生2μm脉冲激光，第一二色镜对976nm连续激光高透、对2μm脉冲激光高反，第一二色镜用于对976nm连续激光和2μm脉冲激光合束，第二二色镜对976nm连续激光和2μm脉冲激光高透、对波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光高反，第二二色镜用于将波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光导引输出，第一凸透镜用于将976nm连续激光和2μm脉冲激光耦合进双包层掺Er3+氟化物光纤中，双包层掺Er3+氟化物光纤用于产生波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光；双包层掺Er3+氟化物光纤左端切平角构成谐振腔的一端，同时充当输出耦合，其右端切8o角；第二凸透镜用于将双包层掺Er3+氟化物光纤输出的波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光准直；平面闪耀光栅以littrow型结构放置，用于对波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光进行调谐、同时构成谐振腔的另一端。
作为优选方式，双包层掺Er3+氟化物光纤中的能级变化过程为：976nm连续激光将4I15/2能级的离子数泵浦到4I11/2能级，为4I11/2能级累积离子数，2μm脉冲激光将4I11/2能级泵浦到4F9/2能级，用于为4F9/2能级周期性地提供离子数，波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光在4F9/2能级与4I9/2能级间产生，多声子弛豫过程用于将4I9/2能级上的离子释放到4I11/2能级上。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种利用上述激光器获得可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光的方法，包括如下步骤：(1)开启第一激光泵浦源，产生的976nm连续激光经第一二色镜和第二二色镜透射后，被第一凸透镜耦合进双包层掺Er3+氟化物光纤中，双包层掺Er3+氟化物光纤中4I15/2能级上的离子被泵浦到4I11/2能级上；(2)同时开启第二激光泵浦源，产生的2μm脉冲激光经第一二色镜反射和第二二色镜透射后，被第一凸透镜耦合进双包层掺Er3+氟化物光纤中；(3)双包层掺Er3+氟化物光纤中4I11/2能级上的离子被周期性地泵浦到4F9/2能级，从而实现对4F9/2能级上离子数周期性调制，进而对4F9/2能级与4I9/2能级间的跃迁辐射形成增益调制，最终在4F9/2能级与4I9/2能级间产生波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光，4I9/2能级上的离子通过多声子弛豫过程被释放到4I11/2能级上，随后再次重复上述循环过程(3)；(4)双包层掺Er3+氟化物光纤右端输出的波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光经第二凸透镜后照射到以littrow型结构放置的平面闪耀光栅上，水平转动平面闪耀光栅，可对产生的脉冲激光波长进行调谐，最终3.2～3.9μm波长可调谐的脉冲激光从掺Er3+氟化物光纤左端输出，并通过第一凸透镜透射和第二二色镜反射导引出系统。
本发明的有益效果为：(1)巧妙避开了传统中红外可调谐脉冲光纤激光产生过程中对主动调制器件或被动调制器件参数(工作带宽、调制深度、损伤阈值等)的苛刻要求；(2)本发明采用双波长混合级联泵浦的方式，将连续激光和脉冲激光相结合，双波长混合级联直接产生波长更长的中红外增益调制脉冲激光，该方法易于实现输出脉冲光纤激光的高能量与高功率；(3)装置结构简单，无需在谐振腔内加入额外的调制器便可实现中红外脉冲光纤激光输出，具有很强的可移植性；(4)将双波长混合级联方法与平面闪耀光栅相结合，易于实现中红外波段波长可调谐的脉冲光纤激光输出。
附图说明
图1是本发明的激光器的结构示意图；
图2是本发明的激光器的双包层掺Er3+氟化物光纤内部的激光能级图。
1为第一激光泵浦源，2为第二激光泵浦源，3为第一二色镜，4为第二二色镜，5为第一凸透镜，6为双包层掺Er3+氟化物光纤，7为第二凸透镜，8为平面闪耀光栅，9为4F9/2能级，10为4I9/2能级，11为4I11/2能级，12为4I13/2能级，13为4I15/2能级，14为976nm连续激光，15为2μm脉冲激光，16为波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光，17为多声子弛豫过程。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器，包括沿水平方向依次设置的第一激光泵浦源1、第一二色镜3、第二二色镜4、第一凸透镜5、双包层掺Er3+氟化物光纤6、第二凸透镜7、平面闪耀光栅8、位于第一激光泵浦源1和第二二色镜4之间的竖直方向设置的第二激光泵浦源2，所述第一二色镜3和水平方向呈45度，第一激光泵浦源1用于产生976nm连续激光，第二激光泵浦源2用于产生2μm脉冲激光，第一二色镜3对976nm连续激光高透、对2μm脉冲激光高反，第一二色镜3用于对976nm连续激光和2μm脉冲激光合束，第二二色镜4对976nm连续激光和2μm脉冲激光高透、对波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光高反，第二二色镜4用于将波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光导引输出，第一凸透镜5用于将976nm连续激光和2μm脉冲激光耦合进双包层掺Er3+氟化物光纤6中，双包层掺Er3+氟化物光纤6用于产生波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光；双包层掺Er3+氟化物光纤6左端切平角构成谐振腔的一端，同时充当输出耦合，其右端切8o角；第二凸透镜7用于将双包层掺Er3+氟化物光纤输出的波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光准直；平面闪耀光栅8以littrow型结构放置，用于对波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光进行调谐、同时构成谐振腔的另一端。
双包层掺Er3+氟化物光纤6中的能级变化过程为：976nm连续激光14将4I15/2能级13的离子数泵浦到4I11/2能级11，为4I11/2能级11累积离子数，而4I13/2能级12是一个亚稳态能级，2μm脉冲激光15将4I11/2能级11泵浦到4F9/2能级9，用于为4F9/2能级9周期性地提供离子数，波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光16在4F9/2能级9与4I9/2能级10间产生，多声子弛豫过程17用于将4I9/2能级10上的离子释放到4I11/2能级11上。
利用上述激光器获得可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光的方法，包括如下步骤：(1)开启第一激光泵浦源1，产生的976nm连续激光经第一二色镜3和第二二色镜4透射后，被第一凸透镜5耦合进双包层掺Er3+氟化物光纤6中，双包层掺Er3+氟化物光纤6中4I15/2能级13上的离子被泵浦到4I11/2能级11上；(2)同时开启第二激光泵浦源，产生的2μm脉冲激光经第一二色镜3反射和第二二色镜4透射后，被第一凸透镜5耦合进双包层掺Er3+氟化物光纤6中；(3)双包层掺Er3+氟化物光纤6中4I11/2能级11上的离子被周期性地泵浦到4F9/2能级9，从而实现对4F9/2能级9上离子数周期性调制，进而对4F9/2能级9与4I9/2能级10间的跃迁辐射形成增益调制，最终在4F9/2能级9与4I9/2能级10间产生波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光，4I9/2能级10上的离子通过多声子弛豫过程17被释放到4I11/2能级11上，随后再次重复上述循环过程(3)；(4)双包层掺Er3+氟化物光纤右端输出的波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光经第二凸透镜7后照射到以littrow型结构放置的平面闪耀光栅上，水平转动平面闪耀光栅，可对产生的脉冲激光波长进行调谐，最终3.2～3.9μm波长可调谐的脉冲激光从掺Er3+氟化物光纤左端输出，并通过第一凸透镜5透射和第二二色镜4反射导引出系统。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器，其特征在于：包括沿水平方向依次设置的第一激光泵浦源、第一二色镜、第二二色镜、第一凸透镜、双包层掺Er3+氟化物光纤、第二凸透镜、平面闪耀光栅，还包括位于第一激光泵浦源和第二二色镜之间的竖直方向设置的第二激光泵浦源，所述第一二色镜和水平方向呈45度，第一激光泵浦源用于产生976nm连续激光，第二激光泵浦源用于产生2μm脉冲激光，第一二色镜对976nm连续激光高透、对2μm脉冲激光高反，第一二色镜用于对976nm连续激光和2μm脉冲激光合束，第二二色镜对976nm连续激光和2μm脉冲激光高透、对波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光高反，第二二色镜用于将波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光导引输出，第一凸透镜用于将976nm连续激光和2μm脉冲激光耦合进双包层掺Er3+氟化物光纤中，双包层掺Er3+氟化物光纤用于产生波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光；双包层掺Er3+氟化物光纤左端切平角构成谐振腔的一端，同时充当输出耦合，其右端切8°角；第二凸透镜用于将双包层掺Er3+氟化物光纤输出的波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光准直；平面闪耀光栅以littrow型结构放置，用于对波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光进行调谐、同时构成谐振腔的另一端。
2.根据权利要求1所述的可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光器，其特征在于：双包层掺Er3+氟化物光纤中的能级变化过程为：976nm连续激光将4I15/2能级的离子数泵浦到4I11/2能级，为4I11/2能级累积离子数，2μm脉冲激光将4I11/2能级泵浦到4F9/2能级，用于为4F9/2能级周期性地提供离子数，波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光在4F9/2能级与4I9/2能级间产生，多声子弛豫过程用于将4I9/2能级上的离子释放到4I11/2能级上。
3.利用权利要求1或2所述的激光器获得可调谐增益调制中红外脉冲光纤激光的方法，其特征在于包括如下步骤：(1)开启第一激光泵浦源，产生的976nm连续激光经第一二色镜和第二二色镜透射后，被第一凸透镜耦合进双包层掺Er3+氟化物光纤中，双包层掺Er3+氟化物光纤中4I15/2能级上的离子被泵浦到4I11/2能级上；(2)同时开启第二激光泵浦源，产生的2μm脉冲激光经第一二色镜反射和第二二色镜透射后，被第一凸透镜耦合进双包层掺Er3+氟化物光纤中；(3)双包层掺Er3+氟化物光纤中4I11/2能级上的离子被周期性地泵浦到4F9/2能级，从而实现对4F9/2能级上离子数周期性调制，进而对4F9/2能级与4I9/2能级间的跃迁辐射形成增益调制，最终在4F9/2能级与4I9/2能级间产生波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光，4I9/2能级上的离子通过多声子弛豫过程被释放到4I11/2能级上，随后再次重复上述循环过程(3)；(4)双包层掺Er3+氟化物光纤右端输出的波长位于3.2～3.9μm的脉冲激光经第二凸透镜后照射到以littrow型结构放置的平面闪耀光栅上，水平转动平面闪耀光栅，可对产生的脉冲激光波长进行调谐，最终3.2～3.9μm波长可调谐的脉冲激光从掺Er3+氟化物光纤左端输出，并通过第一凸透镜透射和第二二色镜反射导引出系统。
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