CN106410579B - 一种超宽带中红外光纤超荧光发射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及中红外激光技术领域，尤其涉及一种超宽带中红外光纤超荧光发射器，包括第一激光泵浦源、第二激光泵浦源、第一稀土离子掺杂光纤、第二稀土离子掺杂光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅，在第一激光泵浦源、第二激光泵浦源合束交汇处顺次设置二色镜、平凸透镜，在平凸透镜输出光路上设置第一稀土离子掺杂光纤，所述第一稀土离子掺杂光纤熔接第二稀土离子掺杂光纤，在第一稀土离子掺杂光纤与平凸透镜对接处设置8度角切割端面，在所述8度角切割端面后设置第一光纤光栅，第二稀土离子掺杂光纤输出端设置8度角切割端面，在第二稀土离子掺杂光纤输出端位于8度角切割端面前设置第二光纤光栅，大大简化了系统结构。

Description

一种超宽带中红外光纤超荧光发射器
技术领域
本发明涉及中红外激光技术领域，尤其涉及一种超宽带中红外光纤超荧光发射器。
背景技术
2～20μm中红外波段不仅包含了两个重要的大气传输窗口，同时还覆盖了众多分子、原子、化学键的吸收峰，因此，位于该波长范围的宽谱光源在光谱学、相干断层扫描等领域具有重要的应用前景。光纤激光器作为一种新型激光器类型，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宽光谱光纤光源具有重要的科学意义的应用价值。2014年，丹麦科技大学C.R.Petersen等人分别利用4.5μm和6.3μm波长的超短脉冲激光泵浦超高数值孔径的硫化物非线性光纤，实现了1.5～11.7μm和1.4～13.3μm的中红外宽光谱光源，其中4.5μm和6.3μm波长的超短脉冲激光通过对光参量啁啾放大的固体激光差频产生；2016年，日本丰田工业大学先端光子技术研究中心T.L.Cheng等人通过采用更长波长的9.8μm超短脉冲激光泵浦优化的零色散平坦硫化物非线性光纤实现了2.0～15.1μm的中红外宽光谱光源，其中9.8μm超短脉冲激光源仍采用光参量啁啾放大的固体激光差频产生，这也是目前光谱最宽的中红外宽光谱光纤光源。然而，高强度的长波长激光泵浦源以及参数特殊设计的非线性红外光纤不仅大大增加了系统的设计难度，同时还增加了系统的复杂程度。2014年，澳大利亚阿德莱德大学Ori Henderson-Sapir等人采用985nm和1973nm双波长连续激光同时泵浦掺Er3+氟化物光纤，在实验上观测到了3.2～3.9μm宽带超荧光输出；2015年，他们利用类似的方法在不同参数的掺Er3+氟化物光纤中观测到3～4μm宽带超荧光输出。
发明内容
本发明实施例提供了一种超宽带中红外光纤超荧光发射器，解决了现有技术中在获取超宽带的中红外光源时，需要采用高峰值功率、超短脉冲泵浦源和高非线性光纤，系统结构复杂的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超宽带中红外光纤超荧光发射器，包括第一激光泵浦源、第二激光泵浦源、第一稀土离子掺杂光纤、第二稀土离子掺杂光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅，在第一激光泵浦源、第二激光泵浦源合束交汇处顺次设置二色镜、平凸透镜，在平凸透镜输出光路上设置第一稀土离子掺杂光纤，所述第一稀土离子掺杂光纤熔接第二稀土离子掺杂光纤，在第一稀土离子掺杂光纤与平凸透镜对接处设置8度角切割端面，在所述8度角切割端面后设置第一光纤光栅，第二稀土离子掺杂光纤输出端设置8度角切割端面，在第二稀土离子掺杂光纤输出端位于8度角切割端面前设置第二光纤光栅；
同时开启第一激光泵浦源和第二激光泵浦源，第一激光泵浦源用于产生第一预设波长的第一激光，第二激光泵浦源用于产生第二预设波长的第二激光，第一激光和第二激光均射至二色镜，并经平凸透镜进入第一稀土离子掺杂光纤，第一稀土离子掺杂发生激光的跃迁辐射，产生2.8μm波长的激光和3-4μm波长的超荧光，其中，2.8μm波长的激光进入第二稀土离子掺杂光纤，第二稀土离子掺杂光纤发生激光的跃迁辐射，产生4-6μm波长的超荧光，最终，由第二稀土离子掺杂光纤的8度切割端面输出3-6μm波长的超宽带超荧光。
进一步地，所述第一预设波长的第一激光为976nm波长的激光，所述第二预设波长的第二激光为2μm波长的激光。
进一步地，所述第一稀土离子掺杂光纤为掺Er3+氟化物光纤，所述第二稀土离子掺杂光纤为掺Tb3+硫化物光纤。
进一步地，所述第一光纤光栅具体为均匀的布拉格光纤光栅，用于对2.8μm波长的激光高反，所述第二光纤光栅具体为均匀布拉格光纤光栅，用于对2.8μm波长的激光高反。
本发明实施例至少具有如下技术效果或优点：
1、本发明通过级联稀土离子掺杂光纤，即将掺Er3+氟化物光纤与掺Tb3+硫化物光纤级联，仅采用两种稀土离子掺杂光纤便可实现3～6μm超宽带波长覆盖，避开了传统方法需要采用高峰值功率、超短脉冲泵浦源和高非线性光纤的要求。
2、本发明利用掺Er3+氟化物光纤同时产生3～4μm超荧光和2.8μm激光，并利用2.8μm激光再次激发掺Tb3+硫化物光纤产生4～6μm超荧光，相比传统方法即分别搭建掺Er3+氟化物光纤超荧光源和Tb3+硫化物光纤超荧光源再进行合束，大大简化了系统结构。
3、本发明所提出的级联中红外稀土离子掺杂光纤实现超宽带超荧光输出的方法具有良好的可移植性和拓展性，可根据实际的波长需求，灵活选择稀土离子掺杂光纤种类和级联光纤数量。
附图说明
图1为本发明实施例中超宽带中红外光纤超荧光发射器的结构示意图；
图2为本发明实施例中第一稀土离子掺杂光纤发生激光跃迁辐射的示意图；
图3为本发明实施例中第二稀土离子掺杂光纤发生激光跃迁辐射的示意图。
具体实施方式
本发明实施例通过提供一种超宽带中红外光纤超荧光发射器，解决了现有技术中在获取超宽带的中红外光源时，需要采用高峰值功率、超短脉冲泵浦源和高非线性光纤，系统结构复杂的技术问题。
为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明提供的一种超宽带中红外光纤超荧光发射器，如图1所示，包括第一激光泵浦源1、第二激光泵浦源2、第一稀土离子掺杂光纤7、第二稀土离子掺杂光纤9、第一光纤光栅6、第二光纤光栅10，在第一激光泵浦源1、第二激光泵浦源2合束交汇处顺次设置二色镜3、平凸透镜4，在平凸透镜4输出光路上设置第一稀土离子掺杂光纤7，第一稀土离子掺杂光纤7熔接第二稀土离子掺杂光纤9，熔接点为8，在第一稀土离子掺杂光纤7与平凸透镜4对接处设置8度角切割端面5，在该8度角切割端面5后设置第一光纤光栅6，第二稀土离子掺杂光纤9输出端设置8度角切割端面11，在第二稀土离子掺杂光纤输出端11位于8度角切割端面前设置第二光纤光栅10。
在具体的实施方式中，同时开启第一激光泵浦源1和第二激光泵浦源2，第一激光泵浦源1用于产生第一预设波长的第一激光，具体地，该第一预设波长的第一激光为976nm波长的激光，第二预设波长的第二激光为2μm波长的激光，该第一激光和第二激光均射至二色镜3，该二色镜3对976nm波长的激光高透，对2μm波长的激光高反。因此，该976nm波长的激光与2μm波长的激光在二色镜3处合束，经平凸透镜4耦合进入第一稀土离子掺杂光纤7，该第一掺杂离子光纤7与该平凸透镜4对接处设置8度角切割端面5，用于减小端面残余反馈，在该第一掺杂离子光纤7的8度角切割端面5后设置第一光纤光栅6，该第一稀土离子掺杂光纤7具体为掺Er3+氟化物光纤，在发生激光的跃迁辐射时，产生2.8μm波长的激光和3-4μm波长的超荧光，具体的，如图2所示，124I15/2能级为掺Er3+氟化物光纤的基态能级；134I13/2能级为掺Er3+氟化物光纤的第一激发态能级；144I11/2能级为掺Er3+氟化物光纤的第二激发态能级；154I9/2能级为掺Er3+氟化物光纤的第三激发态能级；124I15/2能级上的粒子吸收976nm波长激光通过174I15/2→4I11/2能级跃迁过程被抽运到4I11/2能级，当4I11/2能级与4I13/2能级达到粒子数反转条件时，204I11/2→4I13/2能级跃迁过程发生，产生2.8μm波长激光。同时，144I11/2能级上的粒子吸收2μm波长激光，被进一步抽运到164F9/2能级上，当164F9/2能级上的粒子数大于154I9/2能级上的粒子数时，194F9/2→4I9/2能级跃迁过程发生，产生3～4μm波长的超荧光。
该第二稀土离子掺杂光纤9具体为掺Tb3+硫化物光纤，该第二稀土离子掺杂光纤9的输出端设置有8度角切割端面11，该8度角切割端面11用于减小端面残余反馈。该第一稀土离子掺杂光纤7产生的2.8μm波长的激光进入该第二稀土离子掺杂光纤9，发生跃迁辐射，产生4-6μm波长的超荧光。具体的，如图3所示，217F6能级为掺Tb3+硫化物光纤的基态能级；227F5能级为掺Tb3+硫化物光纤的第一激发态能级；237F4能级为掺Tb3+硫化物光纤的第二激发态能级，217F6能级上的粒子吸收2.8μm波长激光通过247F6→7F4能级跃迁过程被抽运到237F4能级，当237F4能级上的粒子数大于227F5能级上的粒子数时，257F4→7F5能级跃迁发生，产生4～6μm波长的超荧光输出。
该第一光纤光栅6和第二光纤光栅10构成该激光器的谐振腔反馈，用于对2.8μm波长的激光高反。该第一光纤光栅6和第二光纤光栅10均为均匀的布拉格光纤光栅。
最终，有第二稀土离子掺杂光纤9的8度角切割端面输出3-6μm波长的超宽带超荧光。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种超宽带中红外光纤超荧光发射器，其特征在于，包括第一激光泵浦源、第二激光泵浦源、第一稀土离子掺杂光纤、第二稀土离子掺杂光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅，在第一激光泵浦源、第二激光泵浦源合束交汇处顺次设置二色镜、平凸透镜，在平凸透镜输出光路上设置第一稀土离子掺杂光纤，所述第一稀土离子掺杂光纤熔接第二稀土离子掺杂光纤，在第一稀土离子掺杂光纤与平凸透镜对接处设置8度角切割端面，在所述8度角切割端面后设置第一光纤光栅，第二稀土离子掺杂光纤输出端设置8度角切割端面，在第二稀土离子掺杂光纤输出端位于8度角切割端面前设置第二光纤光栅；
同时开启第一激光泵浦源和第二激光泵浦源，第一激光泵浦源用于产生第一预设波长的第一激光，第二激光泵浦源用于产生第二预设波长的第二激光，第一激光和第二激光均射至二色镜，并经平凸透镜进入第一稀土离子掺杂光纤，第一稀土离子掺杂光纤发生激光的跃迁辐射，产生2.8μm波长的激光和3-4μm波长的超荧光，其中，2.8μm波长的激光进入第二稀土离子掺杂光纤，第二稀土离子掺杂光纤发生激光的跃迁辐射，产生4-6μm波长的超荧光，最终，由第二稀土离子掺杂光纤的8度切割端面输出3-6μm波长的超宽带超荧光；
所述的8度为角度。
2.根据权利要求1所述的超宽带中红外光纤超荧光发射器，其特征在于，所述第一预设波长的第一激光为976nm波长的激光，所述第二预设波长的第二激光为2μm波长的激光。
3.根据权利要求1所述的超宽带中红外光纤超荧光发射器，其特征在于，所述第一稀土离子掺杂光纤为掺Er3+氟化物光纤，所述第二稀土离子掺杂光纤为掺Tb3+硫化物光纤。
4.根据权利要求1所述的超宽带中红外光纤超荧光发射器，其特征在于，所述第一光纤光栅具体为均匀的布拉格光纤光栅，用于对2.8μm波长的激光高反，所述第二光纤光栅具体为均匀布拉格光纤光栅，用于对2.8μm波长的激光高反。
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