CN106571580A - 一种波长宽带可调谐的中红外光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及中红外激光技术领域，尤其涉及一种波长宽带可调谐的中红外光纤激光器，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、氟化物光纤光栅以及平面闪耀光栅，在第一激光泵浦源、第二激光泵浦源合束交汇处顺次设置第一二色镜、第一凸透镜、第二二色镜，在第二二色镜输出光路上设置第一稀土离子掺杂光纤，第一稀土离子掺杂光纤与第二稀土离子掺杂光纤熔接，第二稀土离子掺杂光纤与氟化物光纤光栅熔接，在氟化物光纤光栅输出光路上且在平面闪耀光栅之前设置第二凸透镜，实现了通过一台光纤激光器对3～3.8μm波长激光的可调谐输出。
Description
技术领域
本发明涉及中红外激光技术领域，尤其涉及一种波长宽带可调谐的中红外光纤激光器。
背景技术
3～5μm中红外波段不仅是重要的大气传输窗口，同时还覆盖了众多重要分子、原子、化学键的吸收峰，因此波长位于该区间的中红外激光源在生物医疗、材料加工、大气通信、气体检测、红外对抗等领域都具有重要应用的前景。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光纤激光器具有重要的科学意义和应用价值。目前，产生中红外光纤激光最常用的方法是采用稀土离子掺杂光纤作为增益介质，直接实现中红外激光辐射。近年来，随着红外玻璃光纤拉制工艺的不断提升，中红外光纤激光技术取得了快速的发展，然而在波长超过3μm的中红外波段，报道还相对较少。2011年，电子科技大学李剑峰等人利用级联掺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(3.002μm)的瓦级光纤激光输出；随后他们利用平面闪耀光栅作为波长调谐器件，在级联掺Ho3+氟化物光纤激光器中实现了2.955～3.021μm波长可调谐的光纤激光输出；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+氟化物光纤的方法率先实现了波长远超过3μm(3.604μm)的光纤激光输出；2016年他们又在该激光器中加入平面闪耀光栅又实现了3.33～3.78μm波长调谐，3.78μm也是目前光纤激光器室温条件下输出的最长波长；同年，澳大利亚麦考瑞大学Matthew R.Majewski等人利用2.8μm掺Er3+氟化物光纤激光对掺Dy3+氟化物光纤进行同带泵浦，结合平面闪耀光栅，在室温条件下实现了2.95～3.35μm波长可调谐的光纤激光输出。然而，在3～3.8μm整个中红外波长区域，目前还难以通过一台光纤激光器实现宽波段完全覆盖且输出波长可调谐。
发明内容
本发明实施例提供了一种波长宽带可调谐的中红外光纤激光器，解决了现有技术中难以通过一台光纤激光器实现宽波段完全覆盖且输出波长可调谐的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种波长宽带可调谐的中红外光纤激光器，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、氟化物光纤光栅以及平面闪耀光栅，在第一激光泵浦源、第二激光泵浦源合束交汇处顺次设置第一二色镜、第一凸透镜、第二二色镜，在第二二色镜输出光路上设置第一稀土离子掺杂光纤，第一稀土离子掺杂光纤与第二稀土离子掺杂光纤熔接，第二稀土离子掺杂光纤与氟化物光纤光栅熔接，在氟化物光纤光栅输出光路上且在平面闪耀光栅之前设置第二凸透镜；
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第一二色镜，并经第一凸透镜和第二二色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或3.35～3.8μm波长的激光，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3～3.35μm波长的激光，由第一稀土离子掺杂光纤产生的3.35～3.8μm的激光与第二稀土离子掺杂光纤产生的3～3.35μm波长的激光经氟化物光纤光栅，然后经第二凸透镜准直，射至以Littrow结构放置的平面闪耀光栅上，对3～3.8μm的激光进行调谐并反射输出。
进一步地，所述第一预设波长为976nm波长的激光，所述第二预设波长为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Dy3+氟化物光纤。
进一步地，所述第二二色镜用于对2.8～3.8μm波长的激光高反，所述氟化物光纤光栅用于对2.8μm波长的激光高反，第二二色镜和氟化物光纤光栅作为2.8μm波长激光器谐振腔的反馈端。
本发明实施例至少具有如下技术效果或优点：
1、本发明将掺Er3+氟化物光纤与掺Dy3+氟化物光纤级联作为增益介质构建复合谐振腔，从一台光纤激光器中便可实现3～3.8μm波长可调谐的激光输出，避开了传统方案需要分别构建两台独立的可调谐掺Er3+和掺Dy3+氟化物光纤激光器，再对输出激光进行合束的复杂系统；
2、本发明利用掺Er3+氟化物光纤产生的2.8μm波长激光直接带内泵浦掺Dy3+氟化物光纤产生3～3.35μm波长激光，有效地减少了激光泵浦源的数量，大大简化了系统结构；
3、本发明提出的产生宽带可调谐中红外光纤激光的方案具有良好的可移植性和可拓展性，可根据实际的波长需求，灵活改变增益光纤的种类和数量。
附图说明
图1为本发明实施例中波长宽带可调谐的中红外光纤激光器的结构示意图；
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波长宽带可调谐的中红外光纤激光器，解决了现有技术中难以通过一台光纤激光器实现宽波段完全覆盖且输出波长可调谐的技术问题。
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。
本发明提供的一种波长宽带可调谐的中红外光线激光器，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6、第二稀土离子掺杂光纤8、氟化物光纤光栅10以及平面闪耀光栅12，具体地，在第一激光泵浦源1和第二激光泵浦源2合束交汇处顺次设置第一二色镜3、第一凸透镜4、第二二色镜5，第二二色镜5输出光路上设置第一稀土离子掺杂光纤6，该第一二色镜3用于将第一激光泵浦源1和第二激光泵浦源2产生的激光合束，合束之后，输入第一凸透镜4，通过高透，耦合输出，然后再输入第二二色镜5，该第二二色镜5作为反馈端，然后将耦合后的激光输入第一稀土离子掺杂光纤6，该第一稀土离子掺杂光纤6与第二稀土离子掺杂光纤8熔接，该第一稀土离子掺杂光纤6与该第二稀土离子掺杂光纤8之间为第一光纤熔接点7，第二稀土离子掺杂光纤8与氟化物光纤光栅10熔接，为第二光纤熔接点9，在该氟化物光纤光栅10输出光路上且在平面闪耀光栅12之前设置第二凸透镜11。
在具体的实施方式中，产生可调谐的3～3.8μm波长的激光的原理如下：
该第一激光泵浦源1用于产生第一预设波长的第一激光，该第二激光泵浦源2用于产生第二预设波长的第二激光，该第一激光和第二激光均射至第一二色镜3，并经第一凸透镜4和第二二色镜5进入第一稀土离子掺杂光纤6，其中，该第一预设波长为976nm波长的激光，该第二预设波长为2μm波长的激光，当976nm波长的激光和2μm波长的激光均射至第一二色镜3时，该第一二色镜3对976nm波长的激光进行高透，对2μm波长的激光进行高反，这样，使得976nm波长的激光和2μm波长的激光合束，然后通过第一凸透镜4的高透，第二二色镜5作为反馈端，进入第一稀土离子掺杂光纤6。
接着，该第一稀土离子掺杂光纤6具体为掺Er3+氟化物光纤，该第二稀土离子掺杂光纤8为掺Dy3+氟化物光纤，且，第一稀土离子掺杂光纤6和第二稀土离子掺杂光纤8之间通过第一熔接点7连接，当第一稀土离子掺杂光纤6被入射的激光所激发时，会发生跃迁辐射现象，如图2所示，具体地，开启第一激光泵浦源，使得产生的976nm波长的激光入射于掺Er3+氟化物光纤，使得134I15/2能级上的粒子抽运到154I11/2能级上，即184I15/2→4I11/2能级跃迁过程，随着154I11/2能级上粒子数增多，当154I11/2能级与144I13/2能级满足粒子数反转条件时，就会发生204I11/2→4I13/2能级的跃迁过程，从而产生2.8μm波长的激光，接着，产生的2.8μm波长的激光进入第二稀土离子掺杂光纤8，第二稀土离子掺杂光纤8为掺Dy3+氟化物光纤，如图3所示，226H15/2能级为掺Dy3+氟化物光纤的基态能级，该能级上有大量粒子，当2.8μm波长的激光入射于掺Dy3+氟化物光纤时，该掺Dy3+氟化物光纤吸收2.8μm波长的激光，将226H15/2能级上的粒子抽运到236H13/2能级上，即246H15/2→6H13/2能级跃迁过程，然后，当236H13/2能级与226H15/2能级满足粒子数反转条件时间，就会发生256H13/2→6H15/2能级跃迁过程，产生3～3.35μm波长激光。
接着，同时开启第一激光泵浦源1和第二激光泵浦源2，由第一激光泵浦源1产生的976nm波长的激光入射于Er3+氟化物光纤，发生184I15/2→4I11/2能级跃迁过程，将134I15/2能级上的粒子抽运到154I11/2能级上，2μm波长激光通过194I15/2→4I11/2能级跃迁过程将154I11/2能级上的粒子抽运到174F9/2能级上，随着174F9/2能级上粒子数增多，当174F9/2能级与164I9/2能级满足粒子数反转条件时，214F9/2→4I9/2能级跃迁过程发生，产生3.35～3.8μm波长激光。
其中，在激光进入第二二色镜5时，该第二二色镜对2.8～3.8μm波长的激光高反，氟化物光纤光栅10用于对2.8μm波长的激光高反，因此，该第二二色镜5和氟化物光纤光栅10作为2.8μm波长激光器谐振腔的反馈端。
这样，976nm波长的激光和2μm波长的激光经过掺Er3+氟化物光纤和掺Dy3+氟化物光纤之后，产生3～3.8μm波长的激光。
然后，进入氟化物光纤光栅10，对3～3.8μm波长的激光高透，接着，经氟化物光纤光栅10高透的3～3.8μm波长的激光经过第二凸透镜11的准直，透射于平面闪耀光栅12，该平面闪耀光栅12以Littrow结构放置，通过旋转该平面闪耀光栅12可实现3～3.8μm波长的激光调谐。
该平面闪耀光栅12具有两个作用，一是作为3～3.8μm波长激光器谐振腔的反馈，实现对3～3.8μm波长激光的调谐；二是用于零级反馈实现3～3.8μm波长激光的输出。从而解决了现有技术中还没有通过一台光纤激光器实现宽波段完全覆盖且输出波长的可调谐技术问题。
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)
1.一种波长宽带可调谐的中红外光纤激光器，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、氟化物光纤光栅以及平面闪耀光栅，在第一激光泵浦源、第二激光泵浦源合束交汇处顺次设置第一二色镜、第一凸透镜、第二二色镜，在第二二色镜输出光路上设置第一稀土离子掺杂光纤，第一稀土离子掺杂光纤与第二稀土离子掺杂光纤熔接，第二稀土离子掺杂光纤与氟化物光纤光栅熔接，在氟化物光纤光栅输出光路上且在平面闪耀光栅之前设置第二凸透镜；
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第一二色镜，并经第一凸透镜和第二二色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或3.35～3.8μm波长的激光，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3～3.35μm波长的激光，由第一稀土离子掺杂光纤产生的3.35～3.8μm的激光与第二稀土离子掺杂光纤产生的3～3.35μm波长的激光经氟化物光纤光栅，然后经第二凸透镜准直，射至以Littrow结构放置的平面闪耀光栅上，对3～3.8μm的激光进行调谐并反射输出。
2.根据权利要求1所述的波长宽带可调谐的中红外光纤激光器，其特征在于，所述第一预设波长为976nm波长的激光，所述第二预设波长为2μm波长的激光。
3.根据权利要求1所述的波长宽带可调谐的中红外光纤激光器，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Dy3+氟化物光纤。
4.根据权利要求1所述的波长宽带可调谐的中红外光纤激光器，其特征在于，所述第二二色镜用于对2.8～3.8μm波长的激光高反，所述氟化物光纤光栅用于对2.8μm波长的激光高反，第二二色镜和氟化物光纤光栅作为2.8μm波长激光器谐振腔的反馈端。
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