CN106911060A - 波长可调的高效高功率中红外激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长可调的高效高功率中红外激光器，属于激光器技术领域，其目的在于提供一种波长可调的中红外激光器，实现提高波段可调的中红外激光器转换效率问题。其包括采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模产生掺铥光纤激光的谐振腔、级联放大系统、准直聚焦系统、OPO；泵浦源通过双向泵浦掺铥增益光纤产生激光，激光在谐振腔内往返振荡经输出耦合器输出纳秒方波型脉冲激光，纳秒方波型脉冲激光依次经级联放大系统、准直聚焦系统后耦合进OPO，在脉冲激光与OPO晶体的作用下最终经滤波片、二色镜后输出纳秒脉冲中红外光纤激光。本发明适用于中红外激光器。

Description

波长可调的高效高功率中红外激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，涉及一种中红外激光器，尤其涉及一种波长可调的高效高功率中红外激光器。

背景技术

如今，波长可调的中红外激光器主要应用于空气污染检测、遥感、光谱分析以及军事等领域。而研制出高效高功率波长可调的中红外激光器成为现在的研究热点。目前以纳秒脉冲光纤激光器作为泵浦源的光参量振荡器(OPO,optical parametric oscillator)来产生中红外波段可调的激光最为常见。与固体激光器相比，光纤激光器具有高功率，高光束质量，以及高转换效率等特点，所以，光纤激光器已被广泛使用于OPO泵浦源。要实现高效高功率波长可调的中红外激光输出，科研人员主要对泵浦光的脉冲成形技术开展了相应研究。2008年，美国BAE高级系统与技术公司Daniel Creeden等人通过铥离子掺杂的光纤激光器以调Q的方式产生了一个脉宽为30ns，重复频率为30kHz的2μm波长高斯型脉冲激光来泵浦ZnGeP2(ZGP)非线性晶体组成的OPO，实现波长输出范围为3.4～3.9和4.1～4.7μm的平均功率为1.25W的中红外激光，其斜效率最高为35％；2012年，澳大利亚国防科学与技术组织Nikita Simakov等人通过设计一种基于铥离子掺杂增益光纤的主振荡功率放大器产生了一个持续时间在20～40ns，重复频率高达75kHz的200μJ波长为2.044μm的脉冲激光，用该激光源泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO获得转换效率为25％，功率为3W的3～5μm中红外激光。2014年，美国中佛罗里达大学激光研究所Martin Gebhardt等人利用铥离子掺杂增益光纤的主振荡功率放大器提供一个脉冲持续时间为7ns，重复频率4kHz的700μJ波长为1980nm的陡峭前沿型脉冲激光，用此脉冲激光泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO获得输出峰值功率为15kW，脉宽为90μs的3.7μm中红外激光。2015年，法国圣路易斯岛的法国&德国研究所Christelle Kieleck等人通过以铥离子掺杂为增益光纤的基于二氧化硅保偏的高效主动调Q方式产生了一个脉宽为65ns，重复频率40kHz的平均功率为23W高斯型脉冲激光，并利用其直接泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO，结果输出一个功率高达6.5W的3～5μm中红外激光。从以上实验报道可发现，基本是以调Q方式产生纳秒脉冲激光作为激发OPO的泵浦源，并且激光光束形状大多都是传统高斯型脉冲，脉冲与晶体的作用仅为峰值附近，这对于提高OPO的光光转换效率形成困难。因此，产生一种非传统高斯型纳秒光束脉冲激光作为OPO的泵浦源以实现高效率波长可调的激光输出成为目前学者亟待解决的问题。

图1为一种可产生3～5μm中红外波段波长可调的ZGP非线性晶体组成的OPO激光器示意图，其采用掺铥单模振荡光纤激光器直接泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO。其中，泵浦激光二极管(laser diode，LD)通过棱镜及二色镜准直聚焦后耦合进掺铥增益光纤，并产生激光。声光调制晶体(acousto-optic modulator，AOM)用以主动调Q，以产生纳秒高斯型脉冲激光，起偏器和半波片使该脉冲光源呈线偏振态，同时利用平面衍射光栅调谐光源波长。随后光源经隔离器、可变衰减器以及棱镜准直聚焦后泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO，通过改变ZGP非线性晶体的角度和温度以满足产生信号光和闲频光的相位匹配条件，并实现输出波长可调范围在3～5μm的中红外脉冲激光。

上述OPO激光器虽能实现输出波长可调范围在3～5μm的中红外脉冲激光，但是该OPO激光器主要存在以下两个方面的缺陷：

1、该技术是借助AOM通过主动调Q实现掺铥光纤激光光源的输出，需要使用额外的AOM晶体。另外，其产生的光源不是线偏振光，于是需额外利用起偏器和半波片实现对光源偏振态的控制。再者，掺铥光纤激光光源的波长调谐是通过外部光栅实现。这样的结构使得整个实验装置有大量空间光器件，结构复杂，难以实现全光纤结构。

2、该技术中掺铥光纤激光器所输出的调Q脉冲激光光源为高斯型脉冲激光，高斯型脉冲激光的峰值功率持续时间短，与非线性晶体作用效果不佳，因此不能有效地泵浦OPO，使得转化效率降低。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种波长可调的高效高功率中红外激光器，通过采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模方式输出高功率纳秒方波型脉冲来高效泵浦双ZGP非线性晶体组成的OPO，提高波段可调的中红外激光器转换效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种波长可调的高效高功率中红外激光器，包括第一泵浦源、第二泵浦源、采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模结构的谐振腔、级联放大系统、准直聚焦系统、OPO、滤波器和二色镜；所述第一泵浦源产生的泵浦光经谐振腔的第一偏振控制器后进入谐振腔进行正向泵浦，所述第二泵浦源产生的泵浦光经谐振腔的色散补偿光纤后进入谐振腔进行反向泵浦，所述谐振腔的输出耦合器输出纳秒方波型脉冲激光，所述纳秒方波型脉冲激光依次经级联放大系统、准直聚焦系统后耦合进OPO，并最终依次经滤波、二色镜后输出纳秒脉冲激光。

其中，所述谐振腔包括呈环状依次设置的第一偏振控制器、第一隔离器、第二偏振控制器、可饱和吸收体、输出耦合器、利奥滤波器、色散补偿光纤、第二泵浦合束器、掺铥增益光纤和第一泵浦合束器；所述第一泵浦源产生的泵浦光经第一偏振控制器后进入谐振腔进行正向泵浦，所述第二泵浦源产生的泵浦光经色散补偿光纤后进入谐振腔进行反向泵浦。

其中，所述第一泵浦源、第二泵浦源均为波长为790nm的LD泵浦源。

其中，所述纳秒方波型脉冲激光的波长为2.1μm。

其中，所述级联放大系统包括对纳秒方波型脉冲激光进行放大的一级放大系统、以及对经一级放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光进行再次放大的二级放大系统。

其中，所述一级放大系统包括第三泵浦合束器、第三泵浦源、单包层掺铥光纤和第二隔离器，所述第三泵浦源产生的泵浦光、输出耦合器输出纳秒方波型脉冲激光通过第三泵浦合束器合束耦合进单包层掺铥光纤，然后再经第二隔离器消除后向残余光源后输入二级放大系统。

其中，所述二级放大系统包括第四泵浦源、双包层掺铥光纤、第四泵浦合束器，所述第四泵浦源设置多组，多组第四泵浦源产生的多组泵浦光、经一级放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光通过第四泵浦合束器合束耦合进双包层掺铥光纤。

其中，所述准直聚焦系统包括依次设置的第一凸透镜、第三隔离器、半波片和第二凸透镜，经级联放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光依次通过第一凸透镜、第三隔离器、半波片和第二凸透镜形成准直的纳秒方波型脉冲激光。

其中，所述OPO为采用双ZGP非线性晶体组成的OPO。

其中，所述OPO包括非线性介质、两组平凹透镜，两组平凹透镜对称设置于非线性介质两侧。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，采用第一偏振控制器、第一隔离器、第二偏振控制器、可饱和吸收体、输出耦合器、利奥滤波器、色散补偿光纤、第二泵浦合束器、掺铥增益光纤和第一泵浦合束器形成环形全保偏混合耗散共振孤子锁模结构的谐振腔，通过该环形全保偏混合耗散共振孤子锁模可使输出耦合器输出纳秒方波型脉冲激光，并将该纳秒方波型脉冲激光作用于OPO，提高了脉冲激光中峰值功率与非线性晶体的作用时间，从而极大的提高OPO以及整个中红外激光器的转换效率。

2、本发明中，通过利用腔内全光纤利奥滤波器来实现单偏振激光输出，并通过温度调节全光纤利奥滤波器实现脉冲激光的波长调谐，避免了使用空间的偏振和波长调谐光学元件，实现了全光纤化。

3、本发明的波长可调的高效高功率中红外激光器其结构紧凑，可产生光束质量高、转换效率高、功率稳定的脉冲激光，这种激光器应用于市场相关领域的商业价值颇大。

附图说明

图1为现有技术的结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中OPO的结构示意图；

图中标记：1-第一泵浦源、2-第一泵浦合束器、3-掺铥增益光纤、4-第一偏振控制器、5-第一隔离器、6-第二偏振控制器、7-色散补偿光纤、8-利奥滤波器、9-可饱和吸收体、10-输出耦合器、11-第三泵浦合束器、12-第三泵浦源、13-单包层掺铥光纤、14-第二隔离器、15-第四泵浦源、16-双包层掺铥光纤、17-第一凸透镜、18-第三隔离器、19-半波片、20-第二凸透镜、21-OPO、22-滤波器、23-二色镜、24-非线性介质、25-平凹透镜、26-第四泵浦合束器、27-第二泵浦源、28-第二泵浦合束器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种波长可调的高效高功率中红外激光器，其包括第一泵浦源1、第二泵浦源27、谐振腔、级联放大系统、准直聚焦系统、OPO21、滤波器22和二色镜23，该谐振腔采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模结构的谐振腔，使得第一泵浦源1产生的泵浦光、第二泵浦源27产生的泵浦光在环形全保偏混合耗散共振孤子锁模结构的谐振腔内沿两个相反的方向进行泵浦。该第一泵浦源1采用波长为790nm的LD泵浦源，第一泵浦源1产生的泵浦光经谐振腔的第一偏振控制器4后进入谐振腔并在谐振腔内进行正向泵浦，可以是正向的循环泵浦；该第二泵浦源27也采用波长为790nm的LD泵浦源，第二泵浦源27产生的泵浦光经谐振腔的色散补偿光纤7后进入谐振腔进行反向泵浦，可以是反向的循环泵浦。第一泵浦源1产生的泵浦光、第二泵浦源27产生的泵浦光进入谐振腔内以后将经由谐振腔的输出耦合器10输出，在该特殊结构的谐振腔作用下使得该谐振腔的输出耦合器10输出的激光为纳秒方波型脉冲激光，且该纳秒方波型脉冲激光的波长为2.1μm，然后该纳秒方波型脉冲激光依次经级联放大系统、准直聚焦系统后耦合进OPO21，并最终依次经滤波、二色镜23后输出纳秒脉冲激光。

由于非线性晶体介质的二阶非线性效应，三个光波在传输的过程中能量相互的转移，光场随着传播的距离是变化的，那么要产生高效率的OPO振荡，就要提高与非线性介质中相互作用光波的传播方向和偏振方向有关的量，我们利用掺铥光纤激光实现输出一个高功率，单偏振态，光束质量高的纳秒方波型脉冲激光，该方波脉冲激光与非线性晶体ZGP有效相互作用时间长，能够提高OPO振荡的效率。

激光器的谐振腔为具有特殊结构的采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模结构的谐振腔。该谐振腔包括呈环状依次设置的第一偏振控制器4、第一隔离器5、第二偏振控制器6、可饱和吸收体9、输出耦合器10、利奥滤波器8、色散补偿光纤7、第二泵浦合束器28、掺铥增益光纤3和第一泵浦合束器2；该掺铥增益光纤3用于产生2.1um纳秒方波型脉冲激光光源，该第一偏振控制器4和第二偏振控制器6均用来控制激光光束的偏振态，该第一隔离器5用来隔离泵浦光源的后向散射光，该色散补偿光纤7用来进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零；该利奥滤波器8用来实现传输特定波长的窄带光，该可饱和吸收体9用来实现激光的锁模，该第二泵浦合束器28和第一泵浦合束器2用于将泵浦源产生的泵浦光耦合进掺铥增益光纤3。由第一泵浦源1产生的泵浦光经第一偏振控制器4后进入谐振腔，并在谐振腔内进行正向泵浦；由第二泵浦源27产生的泵浦光经色散补偿光纤7后进入谐振腔，并在谐振腔内进行反向泵浦。

经790nmLD泵浦光入射耦合进掺铥增益光纤中，铥离子吸收泵浦光能量满足阈值条件后实现能级间的粒子数反转，随后粒子从高能级跃迁到低能级并发射出光子，随着泵浦光功率的不断增大，光子在全保偏混合耗散共振孤子锁模环形腔内往返振荡直到增益大于损耗时输出纳秒方波型脉冲激光。

该级联放大系统包括对纳秒方波型脉冲激光进行放大的一级放大系统、以及对经一级放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光进行再次放大的二级放大系统。

该一级放大系统包括第三泵浦合束器11、第三泵浦源12、单包层掺铥光纤13和第二隔离器14，该第三泵浦源12仍采用波长为790nm的LD泵浦源，该第二隔离器14采用高功率隔离器。该第三泵浦源12产生的泵浦光、输出耦合器10输出纳秒方波型脉冲激光通过第三泵浦合束器11合束耦合进单包层掺铥光纤13，实现对2.1μm的纳秒方波型脉冲激光进行一级放大，然后采用第二隔离器14消除后向残余光源以及泵浦光对放大性能的影响后输入二级放大系统。

该二级放大系统包括第四泵浦源15、双包层掺铥光纤16、第四泵浦合束器26，该第四泵浦源15设置多组，且每组第四泵浦源15均采用波长为790nm的LD泵浦源。多组第四泵浦源15产生的多组泵浦光、经一级放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光通过第四泵浦合束器26合束耦合进双包层掺铥光纤16，实现对纳秒方波型脉冲激光的二次放大，输出2.1μm单偏振、窄线宽及高光束质量的纳秒方波型脉冲激光。

该准直聚焦系统包括依次设置的第一凸透镜17、第三隔离器18、半波片19和第二凸透镜20，该半波片19用于调整进入非线性晶体的激光偏振态，经级联放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光依次通过第一凸透镜17、第三隔离器18、半波片19和第二凸透镜20形成准直的纳秒方波型脉冲激光。

该OPO21为采用双ZGP非线性晶体组成的OPO21，且该采用双ZGP非线性晶体组成的OPO21的振荡腔由一对平凹透镜25构成。具体地，该OPO21包括非线性介质24、两组平凹透镜25，两组平凹透镜25对称设置于非线性介质24两侧。准直的纳秒方波型脉冲激光经该OPO21、滤波器22和二色镜23输出时，通过对双ZGP非线性晶体的角度和温度调谐控制，便可实现高效高功率3～10μm波长可调的纳秒脉冲光纤激光输出。

此外，从图3可知，将具有频率为ω_p的泵浦激光束转换成频率为ω_s的信号光和ω_i的闲频光，三者满足ω_p＝ω_s+ω_i，每个泵浦光子用于产生一个信号光和一个闲频光，这样的转换是基于在非线性晶体中发生的差频产生(difference frequency generation，DFG)现象。即当泵浦光直接通过非线性晶体时，在非线性晶体内满足相位匹配条件的自发辐射噪声光(信号光)与泵浦光差频产生闲频光，而此时闲频光又进一步与泵浦光差频产生信号光，如果这个时候增益大于损耗，该过程就将会持续进行下去，从而使泵浦光的能量不断转换到信号光和闲频光中，最终获得光参量的输出，这个过程被称为光参量产生过程，于是信号光或闲频光通过在共振腔内的不断振荡实现激光输出。本发明基于OPO21的这种频率转换关系，利用波长为790nm LD泵浦源泵浦掺铥增益光纤3实现波长为2.1μm的高功率纳秒方波型脉冲激光光源，最终用该光源来泵浦双ZGP非线性晶体组成的OPO21以研发高效率高功率的3～10μm波长连续可调的中红外激光器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：包括第一泵浦源(1)、第二泵浦源(27)、采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模的谐振腔、级联放大系统、准直聚焦系统、OPO(21)、滤波器(22)和二色镜(23)；所述第一泵浦源(1)产生的泵浦光经谐振腔的第一偏振控制器(4)后进入谐振腔进行正向泵浦，所述第二泵浦源(27)产生的泵浦光经谐振腔的色散补偿光纤(7)后进入谐振腔进行反向泵浦，所述谐振腔的输出耦合器(10)输出纳秒方波型脉冲激光，所述纳秒方波型脉冲激光依次经级联放大系统、准直聚焦系统后耦合进OPO(21)，并最终依次经滤波器(22)、二色镜(23)后输出纳秒脉冲激光。

2.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述谐振腔包括呈环状依次设置的第一偏振控制器(4)、第一隔离器(5)、第二偏振控制器(6)、可饱和吸收体(9)、输出耦合器(10)、利奥滤波器(8)、色散补偿光纤(7)、第二泵浦合束器(28)、掺铥增益光纤(3)和第一泵浦合束器(2)；所述第一泵浦源(1)产生的泵浦光经第一偏振控制器(4)后进入谐振腔进行正向泵浦，所述第二泵浦源(27)产生的泵浦光经色散补偿光纤(7)后进入谐振腔进行反向泵浦。

3.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述第一泵浦源(1)、第二泵浦源(27)均为波长为790nm的LD泵浦源。

4.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述纳秒方波型脉冲激光的波长为2.1μm。

5.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述级联放大系统包括对纳秒方波型脉冲激光进行放大的一级放大系统、以及对经一级放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光进行再次放大的二级放大系统。

6.如权利要求5所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述一级放大系统包括第三泵浦合束器(11)、第三泵浦源(12)、单包层掺铥光纤(13)和第二隔离器(14)，所述第三泵浦源(12)产生的泵浦光、输出耦合器(10)输出纳秒方波型脉冲激光通过第三泵浦合束器(11)合束耦合进单包层掺铥光纤(13)，然后再经第二隔离器(14)消除后向残余光源后输入二级放大系统。

7.如权利要求5所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述二级放大系统包括第四泵浦源(15)、双包层掺铥光纤(16)、第四泵浦合束器(26)，所述第四泵浦源(15)设置多组，多组第四泵浦源(15)产生的多组泵浦光、经一级放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光通过第四泵浦合束器(26)合束耦合进双包层掺铥光纤(16)。

8.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述准直聚焦系统包括依次设置的第一凸透镜(17)、第三隔离器(18)、半波片(19)和第二凸透镜(20)，经级联放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光依次通过第一凸透镜(17)、第三隔离器(18)、半波片(19)和第二凸透镜(20)形成准直的纳秒方波型脉冲激光。

9.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述OPO(21)为采用双ZGP非线性晶体组成的OPO(21)。

10.如权利要求9所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述OPO(21)包括非线性介质(24)、两组平凹透镜(25)，两组平凹透镜(25)对称设置于非线性介质(24)两侧。