CN109904716B

CN109904716B - 一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源

Info

Publication number: CN109904716B
Application number: CN201910339956.7A
Authority: CN
Inventors: 韦晨; 池皓; 李雪敏; 李涛; 刘永
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2039-04-25
Also published as: CN109904716A

Abstract

本发明公开了一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，属于中红外激光技术领域，2.8μm激光经光合束器、氟化物光纤、第一增益光纤、拉锥光纤输入回光合束器构成第一环形腔以生成第一锁模脉冲；1.7μm激光、第一锁模脉冲输入第二增益光纤产生第二锁模激光和第三锁模激光；2.8μm激光、第三锁模脉冲输入第三增益光纤产生第四锁模脉冲和第五锁模脉冲，且第三锁模脉冲与第四锁模脉冲的波长相等，第三增益光纤输出双波长同重频激光。本发明能够解决现有技术中中红外超连续谱源系统复杂，难以在波长超过3.5μm的中红外波段实现高强度超短脉冲激光输出的问题。

Description

一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源

技术领域

本发明涉及中红外激光技术领域，尤其涉及一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源。

背景技术

3～20μm中红外波段激光源在医疗领域、大气通信、军事对抗、光谱探测等许多领域都具有极为长远的应用前景，并且覆盖了众多重要分子及原子的吸收峰，近年来，中红外超短脉冲激光器在各个领域都受到了广泛的关注。

目前中红外波段超短脉冲光纤激光主要是基于稀土离子掺杂氟化物光纤作为增益介质，利用主动或者被动(可饱和吸收体或非线性效应等)调制方式来实现，波段主要集中在2.8μm和3.5μm。而在3.5μm以上波段实现超短脉冲，特别是双波长同重频的光纤激光输出仍缺乏较为成熟的技术方案。

中红外超短脉冲在非线性介质中传播时，在色散和多种非线性光学效应的共同作用下，光谱会发生极大的展宽，形成超连续谱激光，近年来，中红外超连续谱激光也吸引了来自各界的关注。在泵浦源方面，传统的固体激光器、波长可调谐光学参量振荡器(OPO)或放大器(OPA)等存在着散热性能差、转化效率低、光束质量差、系统复杂、体积庞大的问题。

发明内容

本发明的目的在于现有中中红外超连续谱源系统复杂，且难以在波长超过3.5μm的中红外波段实现高强度超短脉冲激光输出的问题，提供一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，包括第一激光泵浦源、光纤分路器、光合束器、氟化物光纤、光输出耦合器、第一增益光纤、拉锥光纤、第二激光泵浦源、第二增益光纤、光纤环形器、波分复用器、第三增益光纤；

具体地，所述第一激光泵浦源发出的2.8μm激光依次经光纤分路器、光合束器、氟化物光纤、光输出耦合器、第一增益光纤、拉锥光纤输入回光合束器构成第一环形腔，生成第一锁模脉冲并在光输出耦合器第二端口尾纤输出；第二激光泵浦源发出的1.7μm激光输入第二增益光纤从而产生第二直流激光、第三直流激光；所述第一锁模脉冲经光纤环形器第一端口尾纤、光纤环形器第二端口尾纤输入第二增益光纤，在第一锁模脉冲的增益调制作用下，第二增益光纤产生第二锁模脉冲和第三锁模脉冲。

具体地，所述第一激光泵浦源发出的2.8μm激光经光纤分路器输入第三增益光纤，第三增益光纤产生第四直流激光和第五直流激光；第二增益光纤产生的第三锁模脉冲经光纤环形器第二端口尾纤、光纤环形器第三端口尾纤输入第三增益光纤，在第三锁模脉冲的增益调制作用下，第三增益光纤产生第四锁模脉冲和第五锁模脉冲，且第三锁模脉冲与第四锁模脉冲的波长相等，第三增益光纤输出3.5μm以上的同重频超短脉冲经波分复用器第三端口尾纤输出。

具体地，所述第一锁模脉冲为3.1μm超短脉冲，所述第二锁模脉冲为3.1μm超短脉冲，所述第三锁模脉冲为4.6μm超短脉冲；所述第四锁模脉冲为4.6μm超短脉冲，所述第五锁模脉冲为7.5μm超短脉冲。

具体地，所述第二直流激光为3.1μm激光，所述第三直流激光为4.6μm激光；所述第四直流激光为4.6μm激光，所述第五直流激光为7.5μm激光。

具体地，所述第一增益光纤具体为掺Dy³⁺氟化物光纤。

具体地，所述拉锥光纤上涂敷有二维材料，利于第一环形腔锁模的自启动。

具体地，所述第二增益光纤具体为掺Dy³⁺硫化物光纤，用于产生直流激光和锁模脉冲。

具体地，所述第三增益光纤具体为掺Tb³⁺硫化物光纤，用于产生直流激光和锁模脉冲。

具体地，所述第一环形腔还包括第一偏振控制器、第一隔离器和第二偏振控制器，所述光合束器的第三端口尾纤输出的2.8μm激光依次经第一偏振控制器、第一隔离器、第二偏振控制器输入氟化物光纤。

具体地，所述第二增益光纤上刻有第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅，第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅为布拉格衍射光栅，用于反射第二锁模脉冲、第三锁模脉冲。

具体地，所述第三增益光纤刻有第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅、第八光纤光栅，第五光纤光栅、第六光纤光栅、第七光纤光栅、第八光纤光栅为布拉格衍射光栅，用于反射第三锁模脉冲、第四锁模脉冲。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

(1)本发明将第一增益光纤真实可饱和吸收体混合锁模与第二增益光纤级联增益超短脉冲调制以及第三增益光纤级联增益超短脉冲调制相结合，输出7.5μm和4.6μm双波长同重频光纤激光；

(2)本发明同时输出的双波长同重频中红外超短脉冲激光的双波长分别对应于硫化物和硒化物光纤的零色散点，可用于直接注入阶跃硫系、硒系光纤高效实现超宽带的超连续谱输出，且为全光纤结构、系统紧凑、转化效率高，更利于实际应用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图中：

图1为本发明实施例1的系统框图；

图2为本发明实施例1的产生第一锁模脉冲的原理示意图；

图3为本发明实施例1的产生第二直流激光、第三直流激光的原理示意图；

图4为本发明实施例1的第三直流激光、第四直流激光的原理示意图。

图中：

第一激光泵浦源-1、第一激光泵浦源尾纤-2、第一光纤熔接点-3、光纤分路器-4、光纤分路器第一端口尾纤-5、光纤分路器第二端口尾纤-6、光纤分路器第三端口尾纤-7、第二光纤熔接点-8、光合束器9、光合束器第一端口尾纤-10、光合束器第二端口尾纤-11、光合束器第三端口尾纤-12、第三光纤熔接点-13、第一偏振控制器-14、第一隔离器-15、第二偏振控制器-16、氟化物光纤-17、第四光纤熔接点-18、光输出耦合器-19、光输出耦合器第一端口-20、光输出耦合器第二端口-21、光输出耦合器第三端口-22、第五光纤熔接点-23、掺Dy³⁺氟化物光纤-24、第六光纤熔接点-25、拉锥光纤-26、第七光纤熔接点-27、第八光纤熔接点-28、光纤环形器-29、光纤环形器第一端口尾纤-30、光纤环形器第二端口尾纤-31、光纤环形器第三端口尾纤-32、第九光纤熔接点-33、第二激光泵浦源-34、

第二激光泵浦源尾纤-35、第十光纤熔接点-36、掺Dy³⁺硫化物光纤-37、第一光纤光栅-38、第二光纤光栅-39、第三光纤光栅-40、第四光纤光栅-41、第二光隔离器-42、第十一光纤熔接点-43、掺Tb³⁺硫化物光纤-44、第五光纤光栅-45、第六光纤光栅-46、第七光纤光栅-47、第八光纤光栅-48、第十二光纤熔接点-49、波分复用器-50、波分复用器第一端口尾纤-51、波分复用器第二端口尾纤-52、波分复用器第三端口尾纤-53、第三光隔离器-54

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，在实施例1中，一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，包括第一激光泵浦源1、光纤分路器4、光合束器9、氟化物光纤17、光输出耦合器19、第一增益光纤、拉锥光纤26、第二激光泵浦源34、第二增益光纤、光纤环形器29、波分复用器50、第三增益光纤。

进一步地，第一激光泵浦源1发出的2.8μm激光在第一激光泵浦源1尾纤输出，依次经用于连接激光泵浦源尾纤和光纤分路器第一端口尾纤5的第一光纤熔接点3、光纤分路器第一端口尾纤5输入光纤分路器4，经光纤分路器第二端口尾纤6、用于连接光分路器第二端口尾纤6和光合束器第一端口尾纤10的第二光纤熔接点8、光合束器第一端口尾纤10输入光合束器9，经光合束器第三端口尾纤12、用于连接光合束器第三端口尾纤12和氟化物光纤17的第三光纤熔接点13、第一偏振控制器14、第一隔离器15、第二偏振控制器16输入氟化物光纤17，经用于连接氟化物光纤17和光输出耦合器第二端口尾纤23的第四光纤熔接点18、光输出耦合器第一端口尾纤20输入光输出耦合器19，经光输出耦合器第二端口21、用于连接光输出耦合器第二端口21和第一增益光纤的第五光纤熔接点23输入第一增益光纤，经用于连接第一增益光纤和氟化物光纤17的第六光纤熔接点25输入拉锥光纤26，经第七光纤熔接点27输入光合束器第二端口尾纤11，形成第一环形腔。其中，每一次循环60％的2.8μm激光经光输出耦合器19第一端口传输到光输出耦合器19第二端口，40％的2.8μm激光从光输出耦合器19第三端口输出。

更进一步地，第一环形腔内的第一偏振控制器14、第一隔离器15和第二偏振控制器16形成的NPR系统会对窄化输入脉冲的脉宽，具体地，第一隔离器15用于保证光单向传输和起偏，第二偏振控制器16用于将经过第一隔离器15后产生的线偏振光转化成椭圆偏振光，第一偏振控制器14用于当光再一次进入第一环形腔时调整偏振态，使激光中的高强度部分经过多次循环后形成稳定振荡，最终形成第一锁模激光经光输出耦合器第三端口尾纤22输出。

进一步地，氟化物光纤17末端会进行拉锥处理，形成拉锥光纤26，并在光纤上涂敷二维材料，二维材料作为真实可饱和吸收体使得锁模更易自启动，结合NPR系统对脉宽的窄化，从而实现易于自启动的超短混合锁模脉冲。其中，二维材料包括但不限于石墨烯，碳纳米管。

进一步地，第一锁模脉冲为3.1μm超短脉冲，第一增益光纤具体为掺Dy³⁺氟化物光纤24。

进一步地，如图2所示，第一激光泵浦源1输出的2.8μm激光经光纤分路器4、光合束器9输入氟化物光纤17，再经光输出耦合器19输入掺Dy³⁺氟化物光纤24，产生3.1μm第一锁模脉冲的工作原理如下：

W_a31过程代表2.8μm激光光子被Dy³⁺离子基态吸收，电子从⁶H_15/2跃迁到⁶H_13/2，W_e21代表电子从⁶H_13/2跃迁回基态⁶H_15/2产生3.1μm激光，经第一偏振控制器14、第一隔离器15和第二偏振控制器16形成的NPR系统及二维材料作用下，多次循环以后产生3.1μm第一锁模脉冲。

进一步地，第二激光泵浦源34发出的1.7μm激光经用于连接第二增益光纤和第二激光泵浦源尾纤的第十光纤熔接点36输入第二增益光纤，以产生第二直流激光、第三直流激光。其中，第二直流激光为3.1μm激光，第三直流激光为4.6μm激光；第二增益光纤具体为掺Dy³⁺硫化物光纤37，用于产生第二直流激光、第三直流激光、第二锁模脉冲和第三锁模脉冲，具体地，第三锁模脉冲为4.6μm超短脉冲，第四锁模脉冲为4.6μm超短脉冲。

更进一步地，如图3所示，产生第二直流激光、第三直流激光的具体工作原理如下：

掺Dy³⁺硫化物光纤37在1.7μm激光泵浦源作用下，W_a31过程表示Dy³⁺离子的基态⁶H_15/2在吸收泵浦能量后将电子跃迁到第三能级⁶H_11/2，W_e32表示电子从⁶H_11/2第三能级跃迁到第二能级⁶H_13/2产生4.6μm激光，W_e21表示电子再从第二能级⁶H_13/2跃迁到基态⁶H_15/2产生3.1μm激光，第二能级的粒子跃迁至基态会导致第二能级粒子密度下降，从而促进第三能级粒子跃迁至第二能级，所以3.1μm激光和4.6μm激光的产生可相互调制。

进一步地，3.1μm锁模脉冲经用于连接光输出耦合器第三端口22和光环形器第一端口尾纤30的第八光纤熔接点28、光纤环形器第一端口尾纤30、光纤环形器第二端口尾纤31、用于连接光纤环形器第二端口尾纤31和掺Dy³⁺硫化物光纤的第九光纤熔接点33输入掺Dy³⁺硫化物光纤37，在3.1μm锁模脉冲的增益调制作用下，第二能级⁶H1_3/2的粒子数密度发生同样周期的变化，从而产生第二锁模脉冲和第三锁模脉冲。

进一步地，掺Dy³⁺硫化物光纤37上刻有第一光纤光栅38、第二光纤光栅39、第三光纤光栅40、第四光纤光栅41，从而不破坏全光纤结构。第一光纤光栅38、第二光纤光栅39、第三光纤光栅40、第四光纤光栅41为布拉格衍射光栅，对4.6μm超短脉冲反射率为百分之二十的第一光纤光栅38、对4.6μm超短脉冲反射率为百分之九十九的第四光纤光栅41构成的第一谐振腔，对3.1μm超短脉冲反射率为百分之九十的第二光纤光栅39对3.1μm超短脉冲反射率为百分之九十九第三光纤光栅40组成的第二谐振腔。由于第二光纤光栅39对3.1μm超短脉冲反射率为百分之九十，第三光纤光栅40对3.1μm超短脉冲反射率为百分之九十九，3.1um超短脉冲就会在第二谐振腔中反复循环。由于第四光纤光栅41对4.6μm超短脉冲的反射率为百分之九十九，第一光纤光栅38对4.6μm超短脉冲的反射率为百分之二十，即百分之八十的4.6μm超短脉冲可以透过第一光纤光栅38经第九光纤熔接点33、光纤环形器第二端口尾纤31输入光纤环形器29。

更进一步地，第一激光泵浦源1发出的2.8μm激光经光纤分路器第三输出端口尾纤7、用于是激光单向传输的第三光隔离器54、波分复用器第二端口尾纤52、波分复用器第一端口尾纤51、用于连接波分复用器第一端口尾纤51与第三增益光纤的第十二光纤熔接点49输入第三增益光纤以产生第四直流激光和第五直流激光。其中，第四直流激光为4.6μm激光，第五直流激光为7.5μm激光，第三增益光纤为掺Tb³⁺硫化物光纤44，用于产生第四直流激光、第五直流激光、第四锁模脉冲、第五锁模脉冲，具体地，第四锁模脉冲为4.6μm超短脉冲，第五锁模脉冲为7.5μm超短脉冲。

进一步地，如图4所示，产生第三直流激光和第四直流激光的工作原理如下：

掺Tb³⁺硫化物光纤44在2.8μm激光泵浦源作用下，Tb³⁺离子的基态⁷F₆在吸收泵浦能量后将电子跃迁到第三能级⁷F₄，而电子从第三能级⁷F₄跃迁到第二能级⁷F₅产生7.5μm激光，再从第二能级⁷F₅跃迁到基态⁷F₆产生4.6μm激光，第二能级的粒子跃迁至基态会导致第二能级粒子密度下降，从而促进第三能级粒子跃迁至第二能级，因此7.5μm激光和4.6μm激光两者也为级联激光。

进一步地，4.6μm超短脉冲经光纤环形器第三端口尾纤32输出，经第二光隔离器42、第十一光纤熔接点43输入掺Tb³⁺硫化物光纤44，在4.6μm超短脉冲的增益调制作用下，第二能级⁷F₅的粒子数密度发生同脉冲的重复频率相同的周期性变化，从而产生第四锁模脉冲和第五锁模脉冲。

进一步地，掺Tb³⁺硫化物光纤上刻有第五光纤光栅45、第六光纤光栅46、第七光纤光栅47、第八光纤光栅48，从而不破坏全光纤结构。第五光纤光栅45、第六光纤光栅46、第七光纤光栅47、第八光纤光栅48为布拉格衍射光栅，对7.5μm超短脉冲反射率为百分之二十的第五光纤光栅45、对7.5μm超短脉冲反射率为百分之九十九的第八光纤光栅48构成的第三谐振腔，对4.6μm超短脉冲反射率为百分之二十的第六光纤光栅46、对4.6μm超短脉冲反射率为百分之九十九第七光纤光栅47组成的第四谐振腔。由于第七光纤光栅47对4.6μm超短脉冲反射率为百分之九十九，第六光纤光栅46对4.6μm超短脉冲反射率为百分之二十，即百分之八十的4.6um超短脉冲可以透过第六光纤光栅46输出，由于第八光纤光栅48对7.5μm超短脉冲的反射率为百分之九十九，第五光纤光栅45对7.5μm超短脉冲的反射率为百分之二十，即百分之八十的7.5μm超短脉冲可以透过第五光纤光栅45输出，从而输出双波长同重频中红外超短脉冲激光。

本发明采用的全光纤结构，具有系统紧凑、转化效率高的特点，更利于实际应用。进一步地，本发明能够输出7.5μm和4.6μm双波长同重频中红外超短脉冲激光，且本发明的超短脉冲相较于现有超短脉冲，脉宽更窄，光束质量更加高。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：包括第一激光泵浦源(1)、光纤分路器(4)、光合束器(9)、氟化物光纤(17)、光输出耦合器(19)、第一增益光纤、拉锥光纤(26)、第二激光泵浦源(34)、第二增益光纤、光纤环形器(29)、波分复用器(50)、第三增益光纤；

所述第一激光泵浦源(1)发出的2.8μm激光依次经光纤分路器(4)、光合束器(9)、氟化物光纤(17)、光输出耦合器(19)、第一增益光纤、拉锥光纤(26)输入回光合束器(9)构成第一环形腔，生成第一锁模脉冲并在光输出耦合器(19)第二端口尾纤输出；第二激光泵浦源(34)发出的1.7μm激光输入第二增益光纤从而产生第二直流激光、第三直流激光；所述第一锁模脉冲经光纤环形器第一端口尾纤、光纤环形器第二端口尾纤输入第二增益光纤，在第一锁模脉冲的增益调制作用下，第二增益光纤产生第二锁模脉冲和第三锁模脉冲；

所述第一激光泵浦源(1)发出的2.8μm激光经光纤分路器(4)输入第三增益光纤，第三增益光纤产生第四直流激光和第五直流激光；第二增益光纤产生的第三锁模脉冲经光纤环形器第二端口尾纤、光纤环形器第三端口尾纤输入第三增益光纤，在第三锁模脉冲的增益调制作用下，第三增益光纤产生第四锁模脉冲和第五锁模脉冲，且第三锁模脉冲与第四锁模脉冲的波长相等，第三增益光纤输出4.6μm同重频超短脉冲和7.5μm超短脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：所述第一锁模脉冲为3.1μm超短脉冲，所述第二锁模脉冲为3.1μm超短脉冲，所述第三锁模脉冲为4.6μm超短脉冲；所述第四锁模脉冲为4.6μm超短脉冲，所述第五锁模脉冲为7.5μm超短脉冲。

3.根据权利要求1所述的一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：所述第二直流激光为3.1μm激光，所述第三直流激光为4.6μm激光；所述第四直流激光为4.6μm激光，所述第五直流激光为7.5μm激光。

4.根据权利要求1所述的一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：所述第一增益光纤具体为掺Dy³⁺氟化物光纤(17)。

5.根据权利要求1所述的一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：所述拉锥光纤(26)上涂敷有二维材料，利于第一环形腔锁模的自启动。

6.根据权利要求1所述的一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：所述第二增益光纤具体为掺Dy³⁺硫化物光纤(37)。

7.根据权利要求1所述的一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：所述第三增益光纤具体为掺Tb³⁺硫化物光纤(44)。

8.根据权利要求1所述的一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：所述第一环形腔还包括第一偏振控制器(14)、第一隔离器(15)和第二偏振控制器(16)，所述光合束器的第三端口尾纤(12)输出的2.8μm激光依次经第一偏振控制器(14)、第一隔离器(15)、第二偏振控制器(16)输入氟化物光纤(17)。

9.根据权利要求1所述的一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：所述第二增益光纤上刻有第一光纤光栅(38)、第二光纤光栅(39)、第三光纤光栅(40)、第四光纤光栅(41)。

10.根据权利要求1所述的一种双波长同重频中红外超短脉冲全光纤激光源，其特征在于：所述第三增益光纤刻有第五光纤光栅(45)、第六光纤光栅(46)、第七光纤光栅(47)、第八光纤光栅(48)。