CN109787073A - 一种中红外可调谐的光纤激光器及激光产生、分析方法 - Google Patents

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刘永
韩杰
池皓
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Abstract

本发明公开了一种中红外可调谐的光纤激光器及激光产生、分析方法，中红外可调谐的光纤激光器包括依次设置的光纤脉冲激光器、透镜、亚碲酸盐阶跃光纤。中红外可调谐的激光产生方法，包括如下步骤：S1.光纤激光器输出激光；S2.将光纤激光器输出的激光通过透镜耦合到亚碲酸盐阶跃光纤中；其S3.亚碲酸盐阶跃光纤输出中红外可调谐的激光脉冲。激光分析方法通过亚碲酸盐阶跃光纤输出的光谱通过光谱仪进行分析。本发明使用亚碲酸盐作为光纤材料，该材料零色散波长小于现有的中红外光纤激光器的波长，故现有的光纤激光器作为泵浦源时可以位于该材料的反常色散区，不需要对光纤进行微结构的设计，常规的阶跃光纤就可以满足孤子自频移的需求，降低了实验难度。

Description

一种中红外可调谐的光纤激光器及激光产生、分析方法
技术领域
本发明涉及中红外光纤激光器领域，具体涉及一种中红外可调谐的光纤激光器及激光产生、分析方法。
背景技术
光纤激光器具有光束质量好、散热好等优点，中红外波段是最近研究较多的一个光学波段，这个波段可以用于探测、军事对抗等领域。3-5μm波段是中红外波段的比较重要的窗口区，许多分子的振动吸收区位于这个波段。3-5μm的超快中红外光纤激光器有广泛的科学和工业领域的应用，比如遥感、光学频率梳、分子光谱学以及军事对抗等。
利用石英光纤的光纤激光器的波长主要受限于光纤的损耗，波长大于2.2μm时，石英光纤的损耗急剧增加，不利于中红外波段激光器的波长拓展。氟化物和硫化物是目前中红外波段常用的两种光纤材料，氟化物的透明窗口可以到5μm，硫化物的透明窗口可以到20μm。
激光器的调谐性能是一个比较重要的性能，波长可调的中红外激光器有着很广阔的应用前景，可以用于各种科学和技术领域。中红外超连续谱可以实现很宽范围波长的覆盖，但是，超连续谱的功率密度较低。目前，利用孤子自频移来进行激光器的波长调谐，是一个比较有前景的方向。
而现有技术存在泵浦功率过高、泵浦波长和光纤零色散波长距离太近以及导致的孤子阶数较高、最红移孤子能量效率过低等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种中红外可调谐的光纤激光器及激光产生、分析方法。解决现有技术中泵浦功率过高的问题；解决现有技术中泵浦波长和光纤零色散波长距离太近以及导致的孤子阶数较高、最红移孤子能量效率过低等问题。。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种中红外可调谐的光纤激光器，其特征在于：包括依次设置的光纤脉冲激光器、透镜、亚碲酸盐阶跃光纤。
优选的，所述亚碲酸盐阶跃光纤选用TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料。
优选的，所述亚碲酸盐阶跃光纤的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm。
优选的，所述光纤脉冲激光器为3.5μm光纤脉冲激光器，且作为泵浦源。
一种中红外可调谐的激光产生方法，包括如下步骤：
S1.光纤激光器输出激光；
S2.将光纤激光器输出的激光通过透镜耦合到亚碲酸盐阶跃光纤中；其中，所述述亚碲酸盐阶跃光纤选用TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料
S3. 亚碲酸盐阶跃光纤输出中红外可调谐的激光脉冲。
优选的，所述光纤脉冲激光器为3.5μm光纤脉冲激光器，且作为泵浦源。
一种中红外可调谐的激光检测方法，包括如下步骤：
步骤一.将光纤激光器输出激光，通过透镜耦合到亚碲酸盐阶跃光纤中，亚碲酸盐阶跃光纤输出激光脉冲；其中，所述亚碲酸盐阶跃光纤选用TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料；
步骤二.将亚碲酸盐阶跃光纤输出的光谱通过光谱仪进行分析。
优选的，所述光纤脉冲激光器为3.5μm光纤脉冲激光器，且作为泵浦源。
优选的，所述亚碲酸盐阶跃光纤输出激光脉冲为波段在3.5-5μm可调。
本发明的有益效果是：
1. 本发明使用亚碲酸盐作为光纤材料，该材料零色散波长小于现有的中红外光纤激光器的波长，故现有的光纤激光器作为泵浦源时可以位于该材料的反常色散区，不需要对光纤进行微结构的设计，常规的阶跃光纤就可以满足孤子自频移的需求，降低了实验难度。
2、本发明使用亚碲酸盐光纤作为非线性介质，该材料非线性系数较高，可以有效降低所需泵浦源的峰值功率。
3、本发明使用3.5μm的光纤激光器作为泵浦源，所用光纤的零色散波长为2.3μm，泵浦波长距离光纤的零色散波长较远，根据孤子理论，可以降低高阶孤子的孤子阶数，提高最红移孤子的能量效率。
附图说明
图1是本发明的结构组成示意图；
图2是本发明中的亚碲酸盐阶跃光纤的色散曲线图；
图3是本发明中泵浦峰值功率为80kW时的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
激光器的调谐性能是一个比较重要的性能，波长可调的中红外激光器有着很广阔的应用前景，可以用于各种科学和技术领域。中红外超连续谱可以实现很宽范围波长的覆盖，但是，超连续谱的功率密度较低。目前，利用孤子自频移来进行激光器的波长调谐，是一个比较有前景的方向。
孤子自频移的原理是，具有较窄脉宽的脉冲其频谱较宽，脉冲的蓝侧部分可以作为泵浦，将红侧部分进行放大，随着脉冲的传输，能量从蓝侧源源不断地转移到红侧，最终表现为脉冲的波长移向长波长方向。孤子自频移一般发生于反常色散区，故所需的泵浦波长需要位于光纤的反常色散区。
对于孤子自频移来说，光纤材料和泵浦波长非常重要的两个因素。对于3-5μm的中红外窗口区来说，氟化物光纤损耗较低，并且3-5μm的泵浦波长位于氟化物光纤的反常色散区，有利于孤子自频移效应的产生。但是，氟化物光纤的非线性系数较低，这意味着要实现比较大的频移量，需要很高的泵浦功率。
和氟化物相比，硫化物有更大的非线性系数以及更宽的中红外透明窗口，然而，硫化物材料的零色散波长一般大于5μm，而现有的光纤激光器的波长主要都位于硫化物材料的正常色散区。为了产生孤子自频移效应，硫化物光纤需要进行微结构设计，这无疑增加了拉制光纤的工艺难度。
亚碲酸盐是一种基于TeO2的氧化物，利用这种材料制成的光纤在中红外波段是透明的，即损耗较低。这种材料的非线性系数较大，且拉曼效应较强，适合用于基于孤子自频移的中红外可调谐光纤激光器中。且亚碲酸盐光纤的材料零色散波长一般小于2.8μm，现在成熟的3μm光纤激光器也可以处于光纤的反常色散区。
实施例
如图1所示,一种中红外可调谐的光纤激光器，包括依次设置波段为3.5μm的光纤脉冲激光器1、透镜2、亚碲酸盐阶跃光纤3。3.5μm的光纤脉冲激光器为双波长泵浦的氟化物光纤激光器，其可以产生波长为3.5μm的激光脉冲，可以作为整个发明方案的泵浦源。
优选的，所述亚碲酸盐阶跃光纤3选用TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料。TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料为标准的亚碲酸盐材料，具有高的热稳定性，适合用于孤子自频移效应产生长波长的中红外激光。
优选的，所述亚碲酸盐阶跃光纤3的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm。
优选的，所述光纤脉冲激光器1为3.5μm光纤脉冲激光器，且作为泵浦源。
一种中红外可调谐的激光产生方法，包括如下步骤：
S1.光纤激光器1输出激光；
S2.将光纤激光器1输出的激光通过透镜耦合到亚碲酸盐阶跃光纤3中；其中，所述述亚碲酸盐阶跃光纤3选用TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料，
S3. 亚碲酸盐阶跃光纤3输出中红外可调谐的激光脉冲。激光脉冲在亚碲酸盐阶跃光纤3中发生孤子自频移效应，输入的脉冲对应高阶孤子，高阶孤子在色散等因素的微扰下分类成许多个基阶孤子，然后每一个基阶孤子都发生孤子自频移效应，
进一步来说，所述光纤脉冲激光器为3.5μm光纤脉冲激光器，且作为泵浦源。
一种中红外可调谐的激光检测方法，包括如下步骤：
步骤一.将光纤激光器输出激光，通过透镜耦合到亚碲酸盐阶跃光纤中，亚碲酸盐阶跃光纤输出激光脉冲；其中，所述亚碲酸盐阶跃光纤选用TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料；
步骤二.将亚碲酸盐阶跃光纤输出的光谱通过光谱仪进行分析。
进一步来说，所述光纤脉冲激光器1为3.5μm光纤脉冲激光器，且作为泵浦源。
进一步来说，所述亚碲酸盐阶跃光纤3出激光脉冲为波段在3.5-5μm可调。由图2可知，所用亚碲酸盐阶跃光纤的零色散波长为2.3μm，发明中所采用的泵浦波长为3.5μm，故采用的泵浦源位于光纤的反常色散区，且距离零色散波长较远，可以产生有效的孤子自频移效应。同时，亚碲酸盐材料的传输区间可以到5μm，利用孤子自频移效应，可以进行3.5-5μm的激光器波长调谐。
由图3可知，最红移孤子的中心波长到达了5μm。数值模拟的结果表明，将3.5μm的光纤脉冲激光器用于泵浦亚碲酸盐阶跃光纤，利用孤子自频移效应，可以实现3.5-5μm的激光器的波长调谐。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种中红外可调谐的光纤激光器，其特征在于：包括依次设置的光纤脉冲激光器、透镜、亚碲酸盐阶跃光纤。
2.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐的光纤激光器，其特征在于：所述亚碲酸盐阶跃光纤选用TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种中红外可调谐的光纤激光器，其特征在于：所述亚碲酸盐阶跃光纤的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm。
4.根据权利要求1所述的一种中红外可调谐的光纤激光器，其特征在于：所述光纤脉冲激光器为3.5μm光纤脉冲激光器，且作为泵浦源。
5.一种中红外可调谐的激光产生方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.光纤激光器输出激光；
S2.将光纤激光器输出的激光通过透镜耦合到亚碲酸盐阶跃光纤中；其中，所述述亚碲酸盐阶跃光纤选用TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料
S3. 亚碲酸盐阶跃光纤输出中红外可调谐的激光脉冲。
6.根据权利要求5所述的一种中红外可调谐的光纤激光器，其特征在于：所述光纤脉冲激光器为3.5μm光纤脉冲激光器，且作为泵浦源。
7.一种中红外可调谐的激光检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一.将光纤激光器输出激光，通过透镜耦合到亚碲酸盐阶跃光纤中，亚碲酸盐阶跃光纤输出激光脉冲；其中，所述亚碲酸盐阶跃光纤选用TeO2-Bi2O3-ZnO-Na2O材料；
步骤二.将亚碲酸盐阶跃光纤输出的光谱通过光谱仪进行分析。
8.根据权利要求7所述的一种中红外可调谐的光纤激光器，其特征在于：所述光纤脉冲激光器为3.5μm光纤脉冲激光器，且作为泵浦源。
9.根据权利要求7或8所述的一种中红外可调谐的光纤激光器，其特征在于：所述亚碲酸盐阶跃光纤输出激光脉冲为波段在3.5-5μm可调。
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