CN108808434A - 基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器，涉及激光器技术领域，包括用于产生类噪声脉冲的掺铥激光器，与掺铥激光器连接用于提高类噪声脉冲峰值功率的掺铥放大器，与掺铥放大器连接用于将类噪声脉冲能量向低频分量转移并实现拉曼脉冲输出的拉曼增益光纤，本发明解决了现有基于受激拉曼散射效应的拉曼激光器中泵浦功率高而转换效率低的问题或者基于高掺锗石英光纤的拉曼激光器采用调Q脉冲泵浦产生拉曼脉冲稳定性差的问题。

Description

基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器。
背景技术
近年来，利用三价稀土离子(如Tm3+、Ho3等)在中红外波段的增益激射波段内完成激光输出是获取高效率、高质量2μm波段激光光源的最长用手段，但是受其增益激射波段带宽的限制，稀土离子掺杂激光器只能在1.8μm～2.1μm波长范围内实现高效运转。然而许多分子的振动以及转动能级对应的本征吸收谱线都是在超过2.1μm的中红外光谱范围内，其具有重要的医疗以及生物研究意义与价值。
目前，拉曼光纤激光器可以不受泵浦源波长限制实现任意波长的激光输出，解决了三价稀土离子掺杂光纤激光器的波长受限问题，其中，拉曼光纤激光器有效实现方法大致分为两种：
第一种是基于受激拉曼散射效应的拉曼激光器，其是利用光纤中的拉曼散射效应使泵浦脉冲能量向长波长方向移动，从而获得更长波长的脉冲输出，如图1所示，包括一个波长为2147nm的连续光拉曼种子激光器、一个二级的1963nm连续光拉曼泵浦放大器和一段50m长的高非线性拉曼增益光纤。其中，连续光拉曼种子激光器包括一组中心波长为2147nm的光栅对(FBG)、两个高功率的793nm激光二极管(LD)、(2+1)x1泵浦合束器、13m长的双包层掺铥单模光纤和7:3耦合器，高功率的793nm激光二极管的泵浦光通过(2+1)x1泵浦合束器注入到环形腔内的13m长的双包层掺铥单模光纤中，利用窄带光纤布拉格光栅的波长选择功能在腔内产生2147nm的连续光信号，该连续光信号与1963nm的拉曼泵浦种子激光经过一个二级掺铥光纤放大器后入射到拉曼增益光纤中，由于2147nm和1963nm的连续转换之间的频率差位于高非线性光纤的拉曼增益带宽内，因此2147nm的拉曼激光在拉曼增益的作用下被放大，本方法通过增加泵浦光功率，实现了1963nm至2147nm的高功率一阶拉曼斯托克斯频移，其最高转换率为38.5％。
第二种是基于高掺锗石英光纤的拉曼激光器，其是利用2μm主动调Q掺铥石英光纤激光器作为泵浦源，通过高掺锗石英光纤中的自发级联拉曼放大过程，从而获得更长波长的脉冲输出，如图2所示，包括一个基于主动调Q技术的2μm掺铥石英激光器、一个掺铥光纤放大器和一段高非线性拉曼增益光纤,其中，2μm掺铥石英光纤激光器包括一组中心波长为2008nm的光栅对(FBG)、声光控制器件(ANO)、最高输出功率为15W的793nm激光二极管(LD)、一个(2+1)x1泵浦合束器、3m长的双包层单模掺铥光纤，793nm激光二极管的泵浦光通过(2+1)x1泵浦合束器注入到光栅对(FBG)构成的谐振腔内泵浦掺铥光钎，产生了2008nm的调Q脉冲，将调Q脉冲作为拉曼激光器的种子光源，为了确保种子光源不受掺铥光纤放大器后向光的影响，种子光源输出端接入一个损耗约为2dB的高功率偏振无关隔离器，种子光源的峰值功率经高功率偏振无关隔离器后进入到掺铥光纤放大器中被掺铥单模光纤放大，达到拉曼激光的阀值条件，整个装置通过在位于掺铥单模光纤和声光调制器(AOM)之间插入一个自制的包层泵浦剥离器(CPS)以及在掺铥单模光纤和拉曼增益光纤之间接入约0.5m长的SMF-28光纤分别去除了腔内和掺铥单模光纤中残余泵浦光，当放大的调Q脉冲去泵浦最优长度为4.4m的高非线性拉曼增益光纤时，通过放大的自发拉曼散射过程，实现的从2μm至2.2μm的级联拉曼激光输出，拉曼激光的最高转换效率约为35.9％。
基于上述两种拉曼光纤激光器存在以下问题：第一种拉曼激光器通常需要掺杂石英光纤进行多级放大，因此所需要泵浦功率很高然而其拉曼转换效率较低。第二种拉曼激光器相对于第一种拉曼激光器获得的脉冲能量会高很多，但仍然存在泵浦功率高但拉曼转换效率低的问题，并且采用此调Q脉冲泵浦非线性掺锗石英光纤所获得的一阶脉冲稳定性较差。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器，解决现有基于受激拉曼散射效应的拉曼激光器中泵浦功率高而转换效率低的问题或者基于高掺锗石英光纤的拉曼激光器采用调Q脉冲泵浦产生拉曼脉冲稳定性差的问题。
本发明采用的技术方案如下：
基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器,包括用于产生类噪声脉冲的掺铥激光器，与掺铥激光器连接用于提高类噪声脉冲峰值功率的掺铥放大器，与掺铥放大器连接用于将类噪声脉冲能量向低频分量转移并实现拉曼脉冲输出的拉曼增益光纤。
进一步的，所述掺铥激光器包括用于产生泵浦光的第一激光二极管，以及顺次环形连接设置的用于将泵浦光和激光器腔体内传输的激光进行耦合的第一泵浦合束器、用于吸收泵浦光并产生激光的掺铥光纤、将激光进行均分的5:5耦合器、以及用于优化锁模性能的第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述第一激光二极管与第一泵浦合束器连接。
进一步的，所述掺铥光纤和5:5耦合器之间依次设置有一段用于增强非线性效应的SMF28e光纤和一段用于色散补偿和增强非线性效应的色散补偿光纤。
进一步的，所述5:5耦合器和第一偏振控制器之间设置有用于防止激光或残余泵浦光反向传输的第一偏振无关隔离器。
进一步的，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器之间设置有产生非线性偏振演化效应的45°倾斜光栅。进一步的，所述掺铥放大器包括用于产生泵浦光的第二激光二极管，以及依次连接设置的用于防止激光或残余泵浦光反向传输的第二偏振无关隔离器，用于将泵浦光和产生的激光进行耦合的第二泵浦合束器，用于吸收泵浦光并进行激光功率放大的双包层掺铥单模光纤，所述第二激光二极管与第二泵浦合束器连接，所述第二偏振无关隔离器还与5:5耦合器连接。
进一步的，所述拉曼增益光纤为高非线性掺锗石英光纤。
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，掺铥激光器利用非线性偏振锁模技术获得低峰值功率的类噪声脉冲，解决了现有拉曼光纤激光器中由于高脉冲峰值功率引起的超连续谱分量问题。
2、本发明中，将高信噪比的类噪声脉冲作为种子光，解决了现有基于高掺锗石英光纤的拉曼激光器采用调Q脉冲泵浦产生拉曼脉冲稳定性差的问题。
3、本发明中，通过设置增强非线性效应的SMF28e光纤和用于色散补偿和增强非线性效应的色散补偿光纤确保类噪声脉冲的脉冲宽度和重复频率分别在ns量级和MHz量级，从而提升类噪声脉冲和拉曼脉冲之间的拉曼增益，解决了现有基于受激拉曼散射效应的拉曼激光器产生2μm波段拉曼脉冲存在泵浦功率高而转换效率低的问题。
4、本发明中，拉曼脉冲激光器为全光纤结构，其结构紧凑、运行稳定，实用性较强，便于实现商业化，具有很大的竞争力。
附图说明
图1为本发明基于受激拉曼散射效应的拉曼激光器结构示意图；
图2为本发明基于高掺锗石英光纤的拉曼激光器结构示意图；
图3为本发明基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器结构示意图；
图4为本发明拉曼输出光谱图和拉曼脉冲输出图；
图5为本发明拉曼脉冲RF谱和拉曼脉冲序列图；
图中标记：Ⅰ-掺铥激光器，Ⅱ-掺铥放大器，Ⅲ-拉曼增益光纤，1-第一激光二极管，2-第一泵浦合束器，3-掺铥光纤，4-SMF28e光纤，5-色散补偿光纤，6-5:5耦合器，7-第一偏振无关隔离器，8-第一偏振控制器，9-45°倾斜光栅，10-第二偏振控制器，11-第二偏振无关隔离器，12-第二激光二极管，13-第二泵浦合束器，14-双包层掺铥单模光纤，15-高非线性掺锗石英光纤。
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3所示，基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器,包括用于产生类噪声脉冲的掺铥激光器Ⅰ，与掺铥激光器Ⅰ连接用于提高类噪声脉冲峰值功率的掺铥放大器Ⅱ，与掺铥放大器Ⅱ连接用于将类噪声脉冲能量向低频分量转移并实现拉曼脉冲输出的拉曼增益光纤Ⅲ。
进一步的，所述掺铥激光器Ⅰ包括用于产生泵浦光的第一激光二极管1，以及顺次环形连接设置的用于将泵浦光和激光器腔体内传输的激光进行耦合的第一泵浦合束器2、用于吸收泵浦光并产生激光的掺铥光纤3、将激光进行均分的5:5耦合器6、以及用于优化锁模性能的第一偏振控制器8和第二偏振控制器10，所述第一激光二极管1与第一泵浦合束器2连接。
进一步的，所述掺铥光纤3和5:5耦合器6之间依次设置有一段用于增强非线性效应的SMF28e光纤4和一段用于色散补偿和增强非线性效应的色散补偿光纤5。
进一步的，所述5:5耦合器6和第一偏振控制器8之间设置有用于防止激光或残余泵浦光反向传输的第一偏振无关隔离器7。
进一步的，所述第一偏振控制器8和第二偏振控制器10之间设置有产生非线性偏振演化效应的45°倾斜光栅9。
进一步的，所述掺铥放大器Ⅱ包括用于产生泵浦光的第二激光二极管12，以及依次连接设置的用于防止激光或残余泵浦光反向传输的第二偏振无关隔离器11，用于将泵浦光和产生的激光进行耦合的第二泵浦合束器13，用于吸收泵浦光并进行激光功率放大的双包层掺铥单模光纤14，所述第二激光二极管12与第二泵浦合束器13连接，所述第二偏振无关隔离器11还与5:5耦合器6连接。
进一步的，所述拉曼增益光纤Ⅲ为高非线性掺锗石英光纤15。
本发明中，第一激光二极管1产生793nm泵浦光，泵浦光和在腔内传输一周产生的类噪声脉冲激光通过(2+1)×1的第一泵浦合束器2耦合进入掺铥光纤3中，掺铥光纤3将泵浦光吸收后通过能级跃迁产生2μm波段类噪声脉冲激光，产生的类噪声脉冲激光依次通过用于积累足够的非线性效应的SMF28e光纤4和用于减小腔内负色散和增加腔内的非线性效应的色散补偿光纤5，同时将产生的类噪声脉冲激光输入到5:5耦合器6均分为两部分，第一部分类噪声脉冲激光输入第一偏振无关隔离器7，第二部分类噪声脉冲激光输入第二偏振无关隔离器11，通过设置第一偏振无关隔离器7和第二偏振无关隔离器11，能够有效防止激光或残余泵浦光反向传输损伤掺铥激光器Ⅰ，第一部分激光通过第一偏振无关隔离器7进入第一偏振控制器8进行锁模性能优化，并将锁模优化后的激光输入到SMF28e光纤刻写的45°倾斜光栅9产生NPE效应(即非线性偏振旋转演化效应)，进而产生稳定的类噪声脉冲激光，类噪声脉冲激光通过第二偏振控制器10再次进行锁模性能优化，将锁模优化后的类噪声脉冲激光和第一激光二极管1产生793nm泵浦光耦合进入掺铥光纤3中，掺铥光纤3将793nm泵浦光吸收后通过能级跃迁产生2μm类噪声脉冲激光，实现类噪声脉冲激光的循环输入与输出。
由掺铥激光器Ⅰ产生的类噪声脉冲激光的50％通过用于防止激光或残余泵浦光反向传输的第二偏振无关隔离器11处理后，(2+1)×1的第二泵浦合束器13将50％的类噪声脉冲激光和第二激光二极管12产生的泵浦光通过第二泵浦合束器13耦合进入一段双包层掺铥单模光纤14进行类噪声脉冲激光功率放大，将放大后的类噪声脉冲激光输入到拉曼增益光纤Ⅲ中，拉曼增益光纤Ⅲ内放大的自发拉曼散射过程使类噪声脉冲能量向低频分量移动，从而获得一阶Stokes和二阶Stokes级联拉曼激光输出。
本发明通过优化掺铥激光器Ⅰ结构，并将类噪声脉冲激光作为种子光，使得掺铥激光器Ⅰ输出平均功率为36mW，其脉冲宽度和重复频率分别在1.3ns和5.8MHz，经掺铥放大器Ⅱ放大后在1969.3nm处的平均输出功率被放大至1.5W，脉冲的重复频率和脉冲宽度基本保持不变，证明了掺铥激光器利用非线性偏振锁模技术获得低峰值功率的类噪声脉冲，解决了现有拉曼光纤激光器中由于高脉冲峰值功率引起的超连续谱分量问题。
其中，拉曼增益光纤Ⅲ为高非线性掺锗石英光纤15，其纤芯直径为2.4μm，数值孔径0.41um，掺锗石英光纤15拉曼频移为430cm-1，掺锗石英光纤15与双包层掺铥单模光纤14之间的熔接损耗约为2dB,通过计算可得到经过熔接后的泵浦脉冲峰值功率为133W。
为了获得高转换效率拉曼脉冲，在相同的泵浦条件下改变拉曼增益光纤Ⅲ长度并测试其转换效率，当拉曼增益光纤长度为45m时，泵浦光可获得最高转换效率为92.3％的拉曼脉冲输出。图4为上述条件下的拉曼输出光谱图和拉曼脉冲输出图，从拉曼光谱图可以看到泵浦光和一阶Stokes拉曼激光光谱峰值相差约15dB，表明了大部分泵浦能量已经转移到拉曼脉冲，拉曼脉冲的3dB带宽和中心波长分别为24nm和2167nm，脉冲宽度为1.18ns。
通过类噪声脉冲激光的高信噪比，测到拉曼脉冲具有41dB的高信噪比，其对应脉冲RF谱和脉冲序列图如图5所示，插图中的拉曼脉冲序列起伏强度微弱，证明拉曼激光器具有良好的稳定性。
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 (7)

1.基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器，其特征在于：包括用于产生类噪声脉冲的掺铥激光器(Ⅰ)，与掺铥激光器(Ⅰ)连接用于提高类噪声脉冲峰值功率的掺铥放大器(Ⅱ)，与掺铥放大器(Ⅱ)连接用于将类噪声脉冲能量向低频分量转移并实现拉曼脉冲输出的拉曼增益光纤(Ⅲ)。
2.根据权利要求1所述基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器，其特征在于：所述掺铥激光器(Ⅰ)包括用于产生泵浦光的第一激光二极管(1)，以及顺次环形连接的用于将泵浦光和激光器腔体内传输的激光进行耦合的第一泵浦合束器(2)、用于吸收泵浦光并产生激光的掺铥光纤(3)、用于将激光进行均分的5:5耦合器(6)、以及用于优化锁模性能的第一偏振控制器(8)和第二偏振控制器(10)，所述第一激光二极管(1)与第一泵浦合束器(2)连接。
3.根据权利要求2所述基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器，其特征在于：所述掺铥光纤(3)和5:5耦合器(6)之间依次设置有一段用于增强腔内非线性相移的SMF28e光纤(4)和一段用于色散补偿和增强非线性效应的色散补偿光纤(5)。
4.根据权利要求2所述基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器，其特征在于：所述5:5耦合器(6)和第一偏振控制器(8)之间设置有用于防止激光或残余泵浦光反向传输的第一偏振无关隔离器(7)。
5.根据权利要求2所述基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器，其特征在于：所述第一偏振控制器(8)和第二偏振控制器(10)之间设置有产生非线性偏振演化效应的45°倾斜光栅(9)。
6.根据权利要求2所述基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器，其特征在于：所述掺铥放大器(Ⅱ)包括用于产生泵浦光的第二激光二极管(12)，以及依次连接的用于防止激光或残余泵浦光反向传输的第二偏振无关隔离器(11)，用于将泵浦光和产生的激光进行耦合的第二泵浦合束器(13)，用于吸收泵浦光并进行激光功率放大的双包层掺铥单模光纤(14)，所述第二激光二极管(12)与第二泵浦合束器(13)连接，所述第二偏振无关隔离器(11)还与5:5耦合器(6)连接。
7.根据权利要求1所述基于类噪声脉冲泵浦的高效率拉曼脉冲激光器，其特征在于：所述拉曼增益光纤(Ⅲ)为高非线性掺锗石英光纤(15)。
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