CN107749557B - 高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器，其特征在于：包括高阶模信号注入部分、中红外参量振荡部分和泵浦光部分；高阶模信号注入部分利用模式转换单元将信号光激光器输出的信号光模式由基模转化为特定的高阶模；中红外参量振荡部分利用具有高非线性特性的硒化物光纤作为参量增益介质；泵浦光部分为四波混频过程提供高功率泵浦光。本发明的光纤参量振荡器通过基于硒化物光纤的四波混频过程，可获得中红外波段宽范围可调连续窄线宽的激光输出，弥补了光纤激光器在中红外波段可调谐激光输出的空白。

Description

高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，特别涉及一种输出波长在中红外波段宽范围连续可调的光纤参量振荡器。

背景技术

目前，市场上3μm以上波段的中红外激光光源技术仍然不够成熟。尽管在过去的几十年里，中红外固体激光技术日渐发展，但仍存在热效应累积造成的工作物质损伤、热透镜效应破坏光束质量、激光器功率提高受限等问题，冷却装置限制和转换效能相对较低等缺点限制了固体激光器在实际中的应用。与传统的固体和气体激光器相比，光纤激光器具有光束质量好、体积小、转换效率高、散热效果好等优点，可改善上述问题。

光纤激光器发展迅猛，激光功率更是呈指数增长，大功率激光已经有了突破性的进展，单根连续激光功率已超过10kW，然而在波长方面，尤其是中红外波段，并没有突破性的进展，在很多波段仍没有有效的激光光源。目前中红外光纤激光器主要有稀土离子掺杂光纤激光器和基于光纤非线性过程的光纤激光器。

近年来，稀土离子掺杂光纤激光器的研究主要集中在近红外特别是1.06μm掺镱(Yb³⁺)光纤激光器和1.55μm波段掺铒(Er³⁺)光纤激光器，前者用于大功率输出，后者一般作为光纤通信的载波。至于中红外波段中，稀土离子掺杂光纤激光器主要有：工作波长为2μm附近的掺铥(Tm³⁺)和掺钬(Ho³⁺)光纤激光器；工作波长为3μm附近的Er³⁺或Ho³⁺掺杂的玻璃光纤激光器。但是，由于非辐射跃迁的竞争影响，稀土离子掺杂光纤激光器很难实现大于4μm的中红外激光，而且功率和效率受到稀土离子掺杂浓度的限制，无法满足许多实际应用中(如气体探测、激光雷达、钠激光导引星等)对于特定波长大功率激光的需求。

基于光纤非线性过程的光纤激光器主要有基于受激拉曼散射的拉曼光纤激光器和基于四波混频效应的光纤参量振荡器。拉曼光纤激光器具有增益谱宽、可级联工作以及不需要相位匹配等特点，只要有合适波长的泵浦激光，即可产生光纤透明范围内任意波长的激光输出。拉曼光纤激光器成为与稀土离子掺杂光纤激光器相互补充的重要光纤激光器，补足了4-5μm中红外激光输出的空白。但是，由于拉曼频移的限制，利用受激拉曼散射通常需要多次级联才能产生中红外波段5μm以上的激光输出，其效率较低；另外，由于受激拉曼散射激光器具有固定的拉曼频移峰，很难在中红外波段较宽波长范围内实现连续可调谐激光输出。

基于四波混频效应的光学参量振荡器是目前实现连续可调谐激光输出的最主要手段，常用于获取近中红外波段激光的可调谐输出，同时也可补足现有光纤激光器无法输出的激光波段。基于四波混频效应的光学参量振荡器在中红外全波段可实现可调谐激光输出的特点使其具有巨大的潜力，但是，传统的光学参量振荡器均基于基模操作，这就存在两个明显的不足之处：使用传统光纤(单模光纤、高非线性光纤等)时，四波混频效应转换效率低；使用具有大非线性折射率系数的软玻璃光纤(硫化物光纤、硒化物光纤等)时，由于光纤具有大的零色散波长(通常大于5μm)，基模信号注入时相位匹配难以满足，导致不能产生大于5μm以上的闲频光，或者即使产生其效率极低。这就大大限制了光纤参量振荡器在中红外波段的应用。

发明内容

本发明为解决现有技术中的光纤参量振荡器的不足，提出了一种高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器，旨在通过注入高阶模信号，使信号波、闲频波和泵浦波之间能够更好地匹配相位，从而提高位于中红外波段的闲频波的增益、输出功率和转换效率。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器，其特点在于：包括高阶模信号注入部分、中红外参量振荡部分和泵浦光部分；所述高阶模信号注入部分包括信号光激光器、光隔离器I、可调谐带通光滤波器I、偏振控制器I和模式转换单元；所述中红外参量振荡部分包括一根两端镀膜的硒化物光纤；所述泵浦光部分包括泵浦光激光器、光隔离器III、可调谐带通光滤波器III和偏振控制器III。所述高阶模信号注入部分、所述中红外参量振荡部分和所述泵浦光部分通过波分复用器连接。

在所述高阶模信号注入部分：所述信号光激光器输出信号光；所述光隔离器I限制信号光的方向，使其单向传输；所述可调谐带通光滤波器I调谐信号光的波长，使其位于泵浦光产生的四波混频增益谱范围内，并抑制噪声；所述偏振控制器I调节信号光的偏振态；所述模式转换单元在保持信号光的功率、光谱和偏振特性的同时，将输入的短波长信号光由基模(LP₀₁)转化为特定的高阶模(LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂等)并注入到波分复用器，这样可以有效降低信号光对应波长的有效折射率，从而减小相位失配值，大大降低相位匹配的难度。所述的信号光激光器为高功率双包层掺铥光纤脉冲激光器，输出的纳秒脉冲光波长在1.9-2.1μm范围内可调谐；或，所述的信号光激光器为可调谐光纤激光器，输出的光波长在1.52-1.62μm范围内可调谐。

在所述中红外参量振荡部分，所述硒化物光纤的典型组分为As₂Se₃，数值孔径为0.275-0.35，具有较大的非线性折射率系数和超宽的中红外透射光谱范围，其非线性折射率系数为1.10×10^-17m²/W，对于在纤芯直径为12μm的硒化物光纤中传输的5μm光波，其非线性参量为0.122W^-1/m、零色散波长为8μm、损耗为0.21dB/m。所述硒化物光纤的两端做成FC/UPC接头并镀膜，光纤前端对2.9μm以上波长的中红外光波高反，光纤后端可以透过2.9μm以下波长的光波，对于2.9μm以上波长的光波部分反射，可以使闲频光在硒化物光纤内部形成线形腔振荡，提高四波混频的能量转换效率。

在所述泵浦光部分：所述泵浦光激光器输出基模泵浦光；所述光隔离器III限制泵浦光的方向，使其单向传输；所述可调谐带通光滤波器III调谐泵浦光的波长，滤除泵浦噪声，同时使泵浦光具有良好的光谱特性；所述偏振控制器III调节泵浦光的偏振态。所述的泵浦光激光器为高功率掺铒氟化物光纤脉冲激光器，输出在2.75-2.85μm范围内可调谐的纳秒脉冲光波；或，所述的泵浦光激光器为高功率双包层掺铥光纤脉冲激光器，输出的光波长在1.9-2.1μm范围内可调谐。

高功率掺铒氟化物光纤脉冲激光器和高功率双包层掺铥光纤脉冲激光器可作为参量振荡器的泵浦光，高功率掺铒氟化物光纤脉冲激光器与可调谐光纤激光器可作为信号光，需保证泵浦光的光波长大于信号光，即有三种组合方式，可以获得3段可调谐中红外波段的闲频光输出。

所述模式转换单元利用少模光纤刻写长周期光纤光栅、光纤错位熔接、单模-多模-少模光纤组合形成多模干涉或非对称双芯光纤模式匹配等原理制成。

所述波分复用器，连接高阶模信号注入部分、中红外参量振荡部分和泵浦光部分。该波分复用器为薄膜滤波器型器件，可将基模泵浦光与高阶模信号光合并到同一根光纤，其输出做成FC/UPC接头，与硒化物光纤直接连接。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用模式转换单元，利用少模光纤刻写长周期光纤光栅、光纤错位技术或双芯光纤模式匹配原理等方法制成模式转换单元，可将信号光的传输模式由基模转化成特定的高阶模，可以很明显地降低相位匹配的难度，尤其是改善由硒化物光纤大零色散波长导致的相位失配。

2、本发明采用具有大非线性折射率系数的硒化物光纤，其透过波长范围为1.0-10μm，使得光纤参量振荡器在中红外波段具有良好的传输和非线性特性，提供高的参量增益。此外，大零色散波长使得满足相位匹配的四波混频过程中有较大频移量范围，易于在中红外波段产生可调谐闲频光输出。

3、本发明的光纤参量振荡器通过基于硒化物光纤的四波混频过程，可获得中红外波段宽范围可调连续窄线宽的激光输出，弥补了光纤激光器在中红外波段可调谐激光输出的空白。

附图说明

图1是本发明高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器的结构示意图；

图2是分别注入基模信号和不同高阶模信号时的相位匹配图；

图中标号：I高阶模信号注入部分；II中红外参量振荡部分；III泵浦光部分；1泵浦光激光器；2信号光激光器；3光隔离器III；4光隔离器I；5可调谐带通光滤波器III；6可调谐带通光滤波器I；7偏振控制器III；8偏振控制器I；9模式转换单元；10波分复用器；11硒化物光纤；12镀膜端面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明具体实施方案做进一步的说明。

如图1所示，高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器，包括高阶模信号注入部分I、中红外参量振荡部分II和泵浦光部分III。具体的：高阶模信号注入部分I包括信号光激光器2、光隔离器I 4、可调谐带通光滤波器I 6、偏振控制器I 8和模式转换单元9；中红外参量振荡部分II包括一根硒化物光纤11和硒化物光纤的镀膜端面12；泵浦光部分III包括泵浦光激光器1、光隔离器III 3、可调谐带通光滤波器III 5和偏振控制器III 7；高阶模信号注入部分I、泵浦光部分III和中红外参量振荡部分II通过波分复用器10连接。

其中：

高阶模信号注入部分I：信号光激光器可为高功率双包层掺铥光纤脉冲激光器，其原理为790nm半导体激光器泵浦双包层掺铥光纤产生1.90-2.10μm激光，重复频率为10-100kHz可调，脉冲宽度可在10-100ns内调节，平均功率达到10W量级；信号光激光器也可采用可调谐光纤激光器，输出的光波长在1.52-1.62μm范围内可调谐，在经过放大器放大输出光后，平均功率可达5W；光隔离器I限制信号光的方向，使其单向传输；通过可调谐带通光滤波器I，信号光可在1.90-2.10μm范围内调谐，同时使信号光具有良好的光谱特性；偏振控制器I调节信号光的偏振态；模式转换单元在保持信号光的功率、光谱和偏振特性的同时，将输入的短波长信号光由基模(LP₀₁)转化为特定的高阶模(LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂等)，这样可以有效降低信号光对应波长的有效折射率，从而减小相位失配值，从而大大降低相位匹配的难度。

中红外参量振荡部分II：包括一根两端镀膜的硒化物光纤。硒化物光纤的典型组分为As₂Se₃，数值孔径为0.275-0.35，纤芯直径为12μm，包层直径为170μm，可以有效传输波长范围为1.0-10μm的中红外光波，光纤长度为1m；非线性折射率系数n₂为1.10×10^-17m²/W，零色散波长为8μm，对于硒化物光纤中传输的5μm光波，其非线性参量为0.122W^-1/m，损耗为0.21dB/m。硒化物光纤的两端做成FC/UPC接头并镀膜，光纤前端对2.9μm以上波长的中红外光波高反，光纤后端可以透过2.9μm以下波长的光波，对于2.9μm以上波长的光波部分反射，反射率根据输出功率的需要进行选择，可为70-90％。利用硒化物光纤两端镀膜，可以使闲频光在硒化物光纤内部形成线形腔振荡，提高四波混频的能量转换效率。

泵浦光部分III：泵浦光激光器可采用高功率掺铒氟化物光纤脉冲激光器，其原理为980nm激光器泵浦掺铒氟化物光纤产生2.8μm的输出光，脉冲泵浦情况下(20-50Hz，占空比10-20％，输出脉宽2-10ms)，其输出波长可在2.75-2.85μm内调谐，能获得高的峰值功率(30W)，并降低热效应；泵浦光激光器也可采用高功率双包层掺铥光纤脉冲激光器，产生1.90-2.10μm激光输出，重复频率为10-100kHz可调，脉冲宽度可在10-100ns内调节，平均功率达到10W量级；光隔离器III限制泵浦光的方向，使其单向传输；可调谐带通光滤波器III调谐泵浦光的波长，同时使泵浦光具有良好的光谱特性；偏振控制器III调节泵浦光的偏振态，使泵浦光具有更好的偏振特性。

高阶模信号注入部分I中的模式转换单元，可利用少模光纤刻写长周期光纤光栅、光纤错位熔接、单模-多模-少模光纤组合形成多模干涉或非对称双芯光纤模式匹配等原理制成。基于非对称双芯光纤模式匹配原理制成的模式转换单元在120nm范围内转化效率高于80％，工作波长范围对应信号光激光器的输出波长。模式转换单元在保持信号光的功率、光谱和偏振特性的同时，可以将输入的短波长信号光由基模(LP₀₁)转化为特定的高阶模(LP₁₁、LP₂₁、LP₀₂等)，再注入到波分复用器。

波分复用器，连接高阶模信号注入部分I、中红外参量振荡部分II和泵浦光部分III。该波分复用器为薄膜滤波器型WDM器件，插入损耗为0.4dB，前段的可通过波长范围宽度均有100nm，分别与信号光和泵浦光的波长相对应。

高阶模信号注入部分I和泵浦光部分III所用的光隔离器，插入损耗为0.5dB，隔离度大于30dB；可调谐光带通滤波器，带宽为0.8nm，调谐分辨率为0.05nm，插入损耗为1.5dB，与光隔离器组合使用，可以隔离反射的泵浦光、信号光以及闲频光波段的光波，对泵浦光激光器和信号光激光器起保护作用；偏振控制器，为机械式三环偏振控制，利用光纤在外力作用下产生双折射原理制成；四波混频过程是高度偏振相关的，因此，调节偏振控制器使注入的泵浦光和信号光具有更好的相对偏振态更有利于四波混频的转化过程。

表1是本发明中高功率掺铒氟化物光纤脉冲激光器或高功率双包层掺铥光纤脉冲激光器作为泵浦光激光器，高功率掺铒氟化物光纤脉冲激光器或可调谐光纤激光器作为信号光激光器时，分别对应的输出闲频光波长。

表1

泵浦光激光器	信号光激光器	输出波长(μm)
			掺铒氟化物光纤脉冲激光器	双包层掺铥光纤脉冲激光器	4.0-5.7
掺铒氟化物光纤脉冲激光器	可调谐光纤激光器	9.1-10.0
			双包层掺铥光纤脉冲激光器	可调谐光纤激光器	2.3-3.3

图2是分别注入基模信号和不同高阶模信号时的相位匹配图。对于本发明的可调谐光纤参量振荡器，用高阶模信号注入取代基模信号注入，信号光波的波长不变的前提下，在硒化物光纤中传输的信号光的传播常数减小，对应的有效折射率减小，保持泵浦光波长不变，则闲频光波长也保持不变，此时，相位失配值减小，以波长为自变量的相位失配值曲线整体趋势不变，但会整体下移，得到更多的相位失配值零点(即相位匹配点)，注入这些相位匹配点对应波长的信号光和泵浦光，就会产生四波混频效应。

以上仅为本发明的示例性实施例而已，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 (3)

1.高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器，其特征在于：包括高阶模信号注入部分(I)、中红外参量振荡部分(II)和泵浦光部分(III)；

所述高阶模信号注入部分(I)包括信号光激光器(2)、光隔离器I(4)、可调谐带通光滤波器I(6)、偏振控制器I(8)和模式转换单元(9)；所述中红外参量振荡部分(II)包括一根硒化物光纤(11)和硒化物光纤的镀膜端面(12)；所述泵浦光部分(III)包括泵浦光激光器(1)、光隔离器III(3)、可调谐带通光滤波器III(5)和偏振控制器III(7)；

所述高阶模信号注入部分(I)、所述泵浦光部分(III)和所述中红外参量振荡部分(II)通过波分复用器(10)连接；

在所述高阶模信号注入部分(I)：所述信号光激光器(2)输出信号光；所述光隔离器I(4)限制信号光的方向，使其单向传输；所述可调谐带通光滤波器I(6)调谐信号光的波长，使其位于泵浦光产生的四波混频增益谱范围内；所述偏振控制器I(8)调节信号光的偏振态；所述模式转换单元(9)在保持信号光的功率、光谱和偏振特性的同时，将输入的短波长信号光由基模转化为特定的高阶模并注入到波分复用器；

所述的信号光激光器(2)为高功率双包层掺铥光纤脉冲激光器，输出的纳秒脉冲光波长在1.9-2.1μm范围内可调谐；或，所述的信号光激光器(2)为可调谐光纤激光器，输出的光波长在1.52-1.62μm范围内可调谐；

在所述中红外参量振荡部分(II)：所述硒化物光纤(11)的典型成分为As₂Se₃，数值孔径为0.275-0.35；所述硒化物光纤(11)的两端做成FC/UPC接头并镀膜，光纤前端对2.9μm以上波长的中红外光波高反，光纤后端可透过2.9μm以下波长的光波、对于2.9μm以上波长的光波部分反射，可以使闲频光在硒化物光纤内部形成线形腔振荡，提高四波混频的能量转换效率；

在所述泵浦光部分(III)：所述泵浦光激光器(1)输出基模泵浦光；所述光隔离器III(3)限制泵浦光的方向，使其单向传输；所述可调谐带通光滤波器III(5)调谐泵浦光的波长，滤除泵浦噪声；所述偏振控制器III(7)调节泵浦光的偏振态；

所述的泵浦光激光器(1)为高功率掺铒氟化物光纤脉冲激光器，输出在2.75-2.85μm范围内可调谐的纳秒脉冲光波；或，所述的泵浦光激光器(1)为高功率双包层掺铥光纤脉冲激光器，输出的光波长在1.9-2.1μm范围内可调谐。

2.根据权利要求1所述的高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器，其特征在于：所述模式转换单元利用少模光纤刻写长周期光纤光栅、光纤错位熔接、单模-多模-少模光纤组合形成多模干涉或非对称双芯光纤模式匹配原理制成。

3.根据权利要求1所述的高阶模信号注入的中红外可调谐光纤参量振荡器，其特征在于：所述波分复用器(10)将所述泵浦光部分(III)的基模泵浦光与所述高阶模信号注入部分(I)的高阶模信号光合并到同一根光纤；所述波分复用器(10)的输出做成FC/UPC接头，与所述硒化物光纤(11)直接连接。