CN108683061A - 一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器,涉及激光器技术领域，包括用于产生连续激光的掺Yb3+光纤激光泵浦源、用于实现激光跃迁辐射的双包层掺Ho3+ZBLAN光纤，所述掺Yb3+光纤激光泵浦源和双包层掺Ho3+ZBLAN光纤之间依次刻写有第一光纤光栅和第二光纤光栅。本方案能够实现稳定的～2μm和～3μm波段脉冲激光输出，并且无需任何额外调制器件，激光器结构简单、易于调节安装。

Description

一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器。
背景技术
2～5μm波段的中红外激光覆盖了重要的2～5μm的大气传输窗口，可用于国防、大气、安全和工业等领域，并且许多重要分子的强烈振动跃迁也位于该波段，因此可应用于医学、光谱学、化学和生物传感等领域；光纤激光器是一种高性能新型激光器，具有激光阀值低、体积小、结构简单紧凑、易于集成等优点，因此发展中红外光纤激光器具有非常重要的科研意义和应用价值。
近年来，中红外光纤激光器取得了快速的发展，工作波长主要集中在～2μm和～3μm，相比于连续光，脉冲光能在中低平均功率下获得极高的重复频率和峰值功率，且光束质量保持较好，适用于材料加工、激光手术、激光武器等领域；调Q和增益调制是实现nm和μm级脉冲的主要技术手段，但大部分都是针对单波长脉冲光纤激光器，对于双波长脉冲光纤激光器，其具有可提供灵活、可选、便利、高效光源优点，在科学研究、生物医疗、激光雷达、激光对抗等领域具有重要的价值和意义。
现有双波长脉冲输出实现方法：1.利用声光晶体(AOM)实现了双波长(～2μm和～3μm)输出的主动调Q脉冲光纤激光器，并通过调Q导引增益调制实现双波长脉冲输出；2.利用半导体可饱和吸收体(SESAM)实现双波长被动调Q脉冲输出；3.利用1150nm的连续和脉冲泵浦源级联增益调制方法实现了双波长脉冲输出。
上述双波长脉冲输出实现方法都需要在谐振腔内或者腔外加入主动或者被动调制器件，此类方法增加了双波长脉冲光纤激光器的复杂程度，导致激光产生效率低且不易安装调节。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器，能够产生稳定的～2μm和～3μm波段脉冲激光输出，并且无需任何额外调制器件，使激光器结构简单、易于调节安装。
本发明采用的技术方案如下：
一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器,包括用于产生连续激光的掺Yb3+光纤激光泵浦源、用于实现激光跃迁辐射的双包层掺Ho3+ZBLAN光纤，所述掺Yb3+光纤激光泵浦源和双包层掺Ho3+ZBLAN光纤之间依次刻写有第一光纤光栅和第二光纤光栅。
进一步的，所述第一光纤光栅和第二光纤对掺Yb3+光纤激光泵浦源产生的激光高透；所述第一光纤光栅对～3μm激光高反，所述和第二光纤光栅对～2μm激光高反。
进一步的，所述双包层Ho3+ZBLAN光纤输出端的端面垂直切割以提供4％的菲涅尔反射。
进一步的，所述第一光纤光栅与双包层掺Ho3+ZBLAN光纤直角端面之间形成第一谐振腔，所述第二光纤光栅和双包层掺Ho3+ZBLAN光纤直角端面之间形成第二谐振腔。
进一步的，所述双包层Ho3+ZBLAN光纤尾部作为双波长激光的输出端。
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，通过采用能够产生1150nm连续激光的掺Yb3+光纤激光器替代传统半导体激光器作为泵浦源，通过直接与增益光纤熔接，避开了半导体激光耦合进增益光纤时需要引入额外透镜组从而增加激光器损耗及复杂程度的问题，大幅度提升了系统的紧凑性。
2、本发明中，无需额外加入调制器件，便可实现～2μm和～3μm双波长脉冲激光的同时输出。
3、本发明中，通过采用自调制机理产生双波长脉冲，避开了传统调Q方法产生脉冲时功率提升受限于调制器件损伤阀值的问题，有利于实现高功率、高能量的双波长脉冲激光输出。
4、本发明中，通过采用自调制方法产生双脉冲激光的方法具有普适性和拓展性，可用于多种波段脉冲激光的产生。
附图说明
图1是本发明双波长自调制全光纤脉冲激光器结构示意图；
图2是本发明双包层掺Ho3+ZBLAN光纤中的离子能级图；
图3是本发明双波长自调制全光纤脉冲波形分析图；
图中标记：1-掺Yb3+光纤激光泵浦源，2-第一光纤光栅，3-第二光纤光栅，4-双包层掺Ho3+ZBLAN光纤，5-5I8能级，6-5I7能级，7-5I6能级，8-1150nm连续泵浦光，9-～3μm脉冲激光，10-～2μm脉冲激光。
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。
如图1所示，一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器,包括用于产生连续激光的掺Yb3+光纤激光泵浦源1、用于实现激光跃迁辐射的双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4，所述掺Yb3+光纤激光泵浦源和双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4之间依次刻写有第一光纤光栅2和第二光纤光栅3。
进一步的，所述第一光纤光栅2和第二光纤光栅3对掺Yb3+光纤激光泵浦源1产生的激光高透。
本方案中，掺Yb3+光纤激光泵浦源1输出1150nm的连续激光，所述激光进入双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4中，所述双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4与掺Yb3+光纤激光泵浦源1间依次刻写有第一光纤光栅2和第二光纤3，所述第一光纤光栅2和第二光纤3的中心波长分别为～3μm和～2μm，即第一光纤光栅2对波长为～3μm的激光高度反射，第二光纤光栅3对波长为～2μm的激光高度反射。
进一步的，所述双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4输出端的端面垂直以提供4％的菲涅尔反射。
进一步的，所述第一光纤光栅2与双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4端面之间形成第一谐振腔，所述第二光纤光栅3和双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4端面之间形成第二谐振腔。
进一步的，所述双包层Ho3+ZBLAN光纤4尾部作为双波长激光的输出端。
所述双包层Ho3+ZBLAN光纤4尾部输出耦合，如图2所示，所述掺Ho3+ZBLAN光纤4中的Ho3+离子通过激发态吸收(GSA)(即粒子从基态吸收能量跃迁到高能级)，从5I8能级5跃迁到5I6能级7上，当5I7能级6和5I6能级7之间满足粒子数反转条件时，在第一光纤光栅2和双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4的直角端面之间构成的第一谐振腔中会产生～3μm连续激光，所述～3μm连续激光沿双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4传输时，由于损耗，功率迅速减小，增益系数也随之下降，小于损耗系数时，这部分包层掺Ho3+ZBLAN光纤4就不再产生激光，并还会吸收前一部分包层掺Ho3+ZBLAN光纤4激射的激光光子，成为一段可饱和吸收体。由于后部分包层掺Ho3+ZBLAN光纤4作为可饱和吸收体，周期性地调制第一谐振腔内的损耗，从而形成～3μm脉冲激光9，该～3μm脉冲激光9对5I7能级6上的离子数进行周期性调制即对5I7能级6到5I8能级5间的反转粒子数进行周期性调制，从而实现对5I7能级6到5I8能级5跃迁的增益调制，在第二光纤光栅3和双包层掺Ho3+光纤4直角端面之间构成的第二谐振腔中产生～2μm脉冲激光10，最终通过双包层Ho3+ZBLAN光纤4端面耦合输出。
如图3所示，双波长自调制全光纤输出脉冲序列图，其中深色波形为～3μm脉冲激光，浅色波形为～2μm脉冲激光，通过示波器对双波长自调制全光纤脉冲激光器产生的双脉冲进行观察，增加掺Yb3+光纤激光泵浦源1功率，直到观察到～3μm和～2μm的脉冲激光，当掺Yb3+光纤激光泵浦源1耦合进入双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4的功率为最大值8.7W时，重复频率为156KHz，出现稳定的～3μm和～2μm的脉冲激光。图3左上角为输出脉冲的瞬时脉冲波形图，可以看到，～3μm脉冲激光的脉宽为727ns，～2μm脉冲激光的脉宽为602ns，并且两列脉冲存在时间差，这是因为～2μm脉冲激光是由5I7能级6跃迁到5I8能级5产生的，依赖于～3μm脉冲输出时5I7能级6上粒子数的积累。图3右上角是～3μm和～2μm脉冲之间的实验随耦合入双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4的掺Yb3+光纤激光泵浦源1功率的变化图，可以看到时间间隔随着耦合入双包层掺Ho3+ZBLAN光纤4的掺Yb3+光纤激光泵浦源1功率的增加而明显变短，这是因为掺Yb3+光纤激光泵浦源1功率增加，激发态吸收速率就会变大，从而加快5I7能级6上粒子数的堆积，缩短了5I7→5I8跃迁的反转粒子数建立时间，所以～2μm脉冲激光更早出现了。
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 (5)

1.一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器,其特征在于：包括用于产生连续激光的掺Yb3+光纤激光泵浦源(1)、用于实现激光跃迁辐射的双包层掺Ho3+ZBLAN光纤(4)，所述掺Yb3+光纤激光泵浦源(1)和双包层掺Ho3+ZBLAN光纤(4)之间依次刻写有第一光纤光栅(2)和第二光纤光栅(3)。
2.根据权利要求1所述一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器,其特征在于：所述第一光纤光栅(2)和第二光纤(3)对掺Yb3+光纤激光泵浦源(1)产生的激光高透；所述第一光纤光栅(2)对～3μm激光高反，所述第二光纤光栅(3)对～2μm激光高反。
3.根据权利要求1所述一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述双包层Ho3+ZBLAN光纤(4)输出端的端面垂直切割以提供4％的菲涅尔反射。
4.根据权利要求1所述一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述第一光纤光栅(2)与双包层掺Ho3+ZBLAN光纤(4)直角端面之间形成第一谐振腔，所述第二光纤光栅(3)和双包层掺Ho3+ZBLAN光纤(4)直角端面之间形成第二谐振腔。
5.根据权利要求1所述一种自调制的双波长全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述双包层Ho3+ZBLAN光纤(4)尾部作为双波长激光的输出端。
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