CN110535014B - 一种波长可调谐中红外锁模光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波长可调谐中红外锁模光纤激光器，包括沿入射光路依次设置的激光泵浦源、二色镜、第一凸透镜、稀土离子掺杂光纤、第二凸透镜、平面闪耀光栅、第三凸透镜和碳纳米管饱和吸收镜；实现了3μm中红外波段波长可调谐锁模脉冲输出。本发明结构简单、性能优越且易于操作，解决了中红外波段可调谐锁模脉冲输出的难题。本发明通过制备不同管壁直径分布的单臂碳纳米管作为可饱和吸收体，使其工作波段覆盖3μm中红外波段，同时也扩大了它的工作带宽，进而增加了锁模激光器的调谐范围。本发明提出的产生3μm可调谐锁模光纤激光的方案具有良好的可移植性和可拓展性，可根据实际的波长需求，灵活改变增益光纤的种类和数量。

Description

一种波长可调谐中红外锁模光纤激光器
技术领域
本发明涉及中红外激光技术领域，特别涉及一种波长可调谐中红外锁模光纤激光器。
背景技术
由于3μm左右中红外波段不仅处于大气传输窗口，同时还覆盖了众多重要分子、原子、化学键的吸收峰，因此该波段的中红外可调谐锁模激光光源在大气污染检测、医疗诊断、大气通信、红外对抗、激光雷达等领域都具有重要应用的前景。与其他传统激光器例如半导体激光器、气体激光器等，光纤激光器具有转化效率高、散热良好、结构简单光束质量好、稳定性高等优点，因此，中红外锁模光纤激光器成为了近年来的研究热点。随着中红外激光技术的快速发展，越来越多的3μm锁模光纤激光器被报道，然而，3μm波段的可调谐锁模光纤激光器报道相对较少。2017年，电子科技大学韦晨等人利用钬镨共掺光纤作为增益介质，半导体可饱和吸收镜作为锁模器件，平面闪耀光栅作为调谐器件，实现了2842nm～2876nm波长可调谐的锁模脉冲激光输出。然而，由于半导体可饱和吸收镜的工作带宽很小，且造价昂贵，并不适用于宽带调谐锁模光纤激光器。因此，寻找一种成本低廉、结构简单且调谐范围广的3μm可调谐锁模光纤激光器成为了当下急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种波长可调谐中红外锁模光纤激光器，能够产生在3μm波段调谐范围达到至少100nm的调谐锁模脉冲激光输出。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种波长可调谐中红外锁模光纤激光器，包括沿入射光路依次设置的激光泵浦源、二色镜、第一凸透镜、稀土离子掺杂光纤、第二凸透镜、平面闪耀光栅、第三凸透镜和碳纳米管饱和吸收镜；
所述激光泵浦源产生的泵浦激光透射所述二色镜和第一透镜后进入所述稀土离子掺杂光纤，所述稀土离子掺杂光纤发生激光的跃迁辐射，产生激光；产生的激光经所述第二透镜准直后入射至所述平面闪耀光栅上，通过旋转所述平面闪耀光栅的角度对激光进行调谐并反射，然后再经所述第三透镜聚焦至所述碳纳米管饱和吸收镜上，最后经原光路返回，由所述二色镜反射，输出中红外可调谐锁模脉冲激光。
优选的是，所述泵浦激光为1150nm的激光。
优选的是，所述二色镜反射波长为2.7～3.0μm的激光，透射波长为1150nm的激光。
优选的是，所述稀土掺杂离子光纤为钬镨共掺氟化物光纤。
优选的是，所述碳纳米管饱和吸收镜是利用管壁直径在1～3nm的单壁碳纳米管沉积在镀金反射镜上制成。
优选的是，所述第一凸透镜为氟化钙透镜，所述第二凸透镜和第三凸透镜为硒化锌透镜。
优选的是，所述平面闪耀光栅闪耀波长为3.1μm，每毫米缝数450条。
优选的是，所述第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜的镜面上均设置有增透膜；所述增透膜包括从凸透镜的镜面向外依次设置的SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层和高透自清洁涂层；
其中，所述SiO2膜层厚度为20-28nm；所述TiO2膜层厚度为10-15nm；所述高透自清洁涂层的厚度为25-45nm。
优选的是，所述增透膜的制备方法包括为：首先在凸透镜的镜面上依次镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层，然后在MgF2膜层上喷涂高透自清洁涂料，烘干后在MgF2膜层上形成高透自清洁涂层。
优选的是，所述高透自清洁涂料包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000021
Figure BDA0002154250000000031
本发明的有益效果是：
1、本发明通过制备不同管壁直径分布的单臂碳纳米管作为可饱和吸收体，使其工作波段覆盖3μm中红外波段，同时也扩大了它的工作带宽，进而增加了锁模激光器的调谐范围。
2、本发明中的单臂碳纳米管制备简单且成本低廉，降低了整个激光器的成本和结构难度。
3、本发明提出的产生3μm可调谐锁模光纤激光的方案具有良好的可移植性和可拓展性，可根据实际的波长需求，灵活改变增益光纤的种类和数量。
4、本发明通过在凸透镜上镀制增透膜大大提高凸透镜的透光率，减小光的损失；并且增透膜还具有优异的自洁性能和机械性能，可对凸透镜的镜面形成很好的保护。
附图说明
图1为本发明的波长可调谐中红外锁模光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明的一种实施例中的碳纳米管饱和吸收镜的示意图。
附图标记说明：
1—激光泵浦源；2—二色镜；3—第一凸透镜；4—稀土离子掺杂光纤；5—第二凸透镜；6—平面闪耀光栅；7—第三凸透镜；8—碳纳米管饱和吸收镜。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本实施例的一种波长可调谐中红外锁模光纤激光器，其特征在于，包括沿入射光路依次设置的激光泵浦源1、二色镜2、第一凸透镜3、稀土离子掺杂光纤4、第二凸透镜5、平面闪耀光栅6、第三凸透镜7和碳纳米管饱和吸收镜8。
其工作过程为：激光泵浦源1产生的泵浦激光透射二色镜2和第一透镜后进入稀土离子掺杂光纤4，稀土离子掺杂光纤4发生激光的跃迁辐射，产生波长为2.8μm左右的激光；产生的激光经第二透镜准直后入射至平面闪耀光栅6上，通过旋转平面闪耀光栅6的角度对激光进行调谐并反射，然后再经第三透镜聚焦至碳纳米管饱和吸收镜8上，最后被反射经原光路返回，依次经过第三凸透镜7、平面闪耀光栅6、第二凸透镜5、稀土离子掺杂光纤4、第一凸透镜3到达二色镜2，由二色镜2反射，输出中红外可调谐锁模脉冲激光，实现了3μm中红外波段波长可调谐锁模脉冲输出。由于单臂碳纳米管的吸收波长与其管壁直径和手性有关，采用不同管壁直径分布的单臂碳纳米管大大提升其工作带宽，从而提高了3μm锁模脉冲光纤激光器的调谐范围。本发明的输出波长可在2700nm～2900nm间调谐，调谐范围高达200nm。
本实施例中，泵浦激光为1150nm的激光。二色镜2反射波长为2.7～3.0μm的激光，透射波长为1150nm的激光。稀土掺杂离子光纤为钬镨共掺氟化物光纤。
本实施例中，碳纳米管饱和吸收镜8是利用管壁直径在1～3nm的单壁碳纳米管沉积在镀金反射镜上制成。在进一步的实施例中，碳纳米管饱和吸收镜8的制作方法为：将单臂碳纳米管粉末溶解于酒精溶剂中，在室温下超声振荡一个小时，之后取上层清夜，使用滴管将单臂碳纳米管混合物转移沉积到镀金反射镜上，然后在室温下静置晾干24小时，得到碳纳米管饱和吸收镜8。可参照图2，为一种实施例中得到的碳纳米管饱和吸收镜8。
本实施例中，第一凸透镜3为氟化钙透镜，第二凸透镜5和第三凸透镜7为硒化锌透镜。平面闪耀光栅6闪耀波长为3.1μm，每毫米缝数450条。
在一种进一步优选的实施例中，第一凸透镜3、第二凸透镜5和第三凸透镜7的镜面上均镀制有增透膜；增透膜包括从凸透镜的镜面向外依次设置的SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层和高透自清洁涂层；
其中，SiO2膜层厚度为20-28nm；TiO2膜层厚度为10-15nm；高透自清洁涂层的厚度为25-45nm。
其中，增透膜的制备方法包括为：首先在凸透镜的镜面上依次镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层，然后在MgF2膜层上喷涂高透自清洁涂料，烘干后在MgF2膜层上形成高透自清洁涂层。
其中，高透自清洁涂料包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000051
其中，聚甲基丙烯酸甲酯具有优良成膜性能及透光性，正硅酸乙酯可提高透光度；正硅酸乙酯可用来对金属表面渗硅，处理光学玻璃可提高透光度；甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯能提高透明性和耐候性，另外通过引入该小分子含氟化合物对材料进行氟修饰，能进一步降低表面自由能和提高涂层膜的强度和自清洁性能。十六烷基三甲氧基硅烷能对材料进行表面修饰，能提高防雾特性，增强透明性。对氯-对甲基二苄叉山梨醇能进一步提高透明度；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠能提高自洁和抗雾性能；壬基酚聚氧乙烯醚一方面能增强材料的分散性能，促进各材料均匀混合，还能提高自洁性能。甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷、对氯-对甲基二苄叉山梨醇、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚复配使用能极大提高膜层的透光性能和自洁性能。
其中，纳米二氧化硅粒子、纳米二氧化钛粒子、纳米氧化镧粒子的复配添加能增强透明性和自洁性能，还能提高膜层的强度。
增透膜能大大提高第一凸透镜3、第二凸透镜5和第三凸透镜7的透光率，减小光的损失；并且增透膜还具有优异的自洁性能和机械性能，可对凸透镜的镜面形成很好的保护。以下结合增透膜的具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
增透膜包括从凸透镜的镜面向外依次设置的SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层和高透自清洁涂层；SiO2膜层厚度为25nm；TiO2膜层厚度为10nm；高透自清洁涂层的厚度为30nm。
增透膜的制备方法包括为：首先在凸透镜的镜面上依次镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层，然后在MgF2膜层上喷涂高透自清洁涂料，烘干后在MgF2膜层上形成高透自清洁涂层。
其中，高透自清洁涂料包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000061
实施例2
增透膜包括从凸透镜的镜面向外依次设置的SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层和高透自清洁涂层；SiO2膜层厚度为25nm；TiO2膜层厚度为10nm；高透自清洁涂层的厚度为30nm。
增透膜的制备方法包括为：首先在凸透镜的镜面上依次镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层，然后在MgF2膜层上喷涂高透自清洁涂料，烘干后在MgF2膜层上形成高透自清洁涂层。
其中，高透自清洁涂料包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000071
实施例3
增透膜包括从凸透镜的镜面向外依次设置的SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层和高透自清洁涂层；SiO2膜层厚度为25nm；TiO2膜层厚度为10nm；高透自清洁涂层的厚度为30nm。
增透膜的制备方法包括为：首先在凸透镜的镜面上依次镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层，然后在MgF2膜层上喷涂高透自清洁涂料，烘干后在MgF2膜层上形成高透自清洁涂层。
其中，高透自清洁涂料包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000072
Figure BDA0002154250000000081
对比例1
其他指标与实施例1相同，但高透自清洁涂料只包括以下重量份的原料：
聚甲基丙烯酸甲酯 50重量份；
正硅酸乙酯 30重量份；
异丙醇 40重量份。
对比例2
其他指标与实施例1相同，但高透自清洁涂料只包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000082
对比例3
其他指标与实施例1相同，但高透自清洁涂料只包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000083
Figure BDA0002154250000000091
对比例4
其他指标与实施例1相同，但高透自清洁涂料只包括以下重量份的原料：高透自清洁涂料包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000092
对比例5
其他指标与实施例1相同，但高透自清洁涂料只包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000093
对比例6
其他指标与实施例1相同，但高透自清洁涂料只包括以下重量份的原料：
Figure BDA0002154250000000101
按实施例1-3和对比例1-6在第一凸透镜3上制备得到的增透膜，进行性能测试，包括增透膜的透光率和铅笔硬度。另外，将不设置增透膜的第一凸透镜3作为对比例7，进行透光率测试。
透光率测试方法参照国家标准GB/T2410-2008《透明塑料透光率和雾度的测定》；铅笔硬度按ISO15184标准测试。
测试数据如下表：
项目 透光率/％ 铅笔硬度
实施例1 99.8 5H
实施例2 99.7 5H
实施例3 99.5 5H
对比例1 97.1 3H
对比例2 98.4 5H
对比例3 98.2 4H
对比例4 99.1 5H
对比例5 99.0 5H
对比例6 98.9 5H
对比例7 96.8 /
测试结果分析：通过实施例1-3和对比例7(无增透膜)的测试结果，可以看出，设置增透膜后，第一凸透镜3的透光率大大提高，由96.8％分别提高至99.8％、99.7％、99.5％，可以说明增透膜对透光率的提高效果。且实施例1-3的铅笔硬度均为5H，具有优异的硬度。
将对比例1和实施例1相比，透光率由97.1％增加至99.8％，铅笔硬度由3H增加至5H，可以说明高透自清洁涂层中的甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷、对氯-对甲基二苄叉山梨醇、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚复配使用；以及纳米二氧化硅粒子、纳米二氧化钛粒子、纳米氧化镧粒子的复配添加能增强增透膜的透光性能和硬度。
将对比例2和实施例1相比，透光率由98.4％增加至99.8％，可以说明高透自清洁涂层中的甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯、十六烷基三甲氧基硅烷、对氯-对甲基二苄叉山梨醇、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、壬基酚聚氧乙烯醚复配使用对提高增透膜的透光性能具有显著作用，从侧面能证明上述各材料之间对透光性的复配增强效果。
将对比例3和实施例1相比，透光率由98.2％增加至99.8％，铅笔硬度由4H增加至5H，可以说明高透自清洁涂层中的纳米二氧化硅粒子、纳米二氧化钛粒子、纳米氧化镧粒子的复配添加能增强增透膜的透光性能和硬度，从侧面能证明上述各材料之间对透光性和硬度的复配增强效果。
将对比例4和实施例1相比，透光率由99.1增加至99.8％，可以说明高透自清洁涂层中的十六烷基三甲氧基硅烷对透光性的提高具有较重要的作用，能证明十六烷基三甲氧基硅烷在体系中的重要性。
将对比例5和实施例1相比，透光率由99.0％增加至99.8％，可以说明高透自清洁涂层中的纳米氧化镧粒子对透光性的提高具有较重要的作用，能证明纳米氧化镧粒子在体系中的重要性。将对比例5和实施例1相比，透光率由98.9％增加至99.8％，可以说明高透自清洁涂层中的纳米二氧化钛粒子对透光性的提高也具有较重要的作用，能证明纳米二氧化钛粒子在体系中的重要性。而结合实施例1与对比例4、对比例5的测试结果，能从侧面证明纳米二氧化硅粒子、纳米二氧化钛粒子、纳米氧化镧粒子之间产生了对透光性能的协调增强效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (6)

1.一种波长可调谐中红外锁模光纤激光器，其特征在于，包括沿入射光路依次设置的激光泵浦源、二色镜、第一凸透镜、稀土离子掺杂光纤、第二凸透镜、平面闪耀光栅、第三凸透镜和碳纳米管饱和吸收镜；
所述激光泵浦源产生的泵浦激光透射所述二色镜和第一凸透镜后进入所述稀土离子掺杂光纤，所述稀土离子掺杂光纤发生激光的跃迁辐射，产生激光；产生的激光经所述第二凸透镜准直后入射至所述平面闪耀光栅上，通过旋转所述平面闪耀光栅的角度对激光进行调谐并反射，然后再经所述第三凸透镜聚焦至所述碳纳米管饱和吸收镜上，最后经原光路返回，由所述二色镜反射，输出中红外可调谐锁模脉冲激光；
所述碳纳米管饱和吸收镜是利用管壁直径在1~3nm的单壁碳纳米管沉积在镀金反射镜上制成；
所述第一凸透镜、第二凸透镜和第三凸透镜的镜面上均设置有增透膜；所述增透膜包括从凸透镜的镜面向外依次设置的SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层和高透自清洁涂层；
其中，所述SiO2膜层厚度为20-28nm；所述TiO2膜层厚度为10-15nm；所述高透自清洁涂层的厚度为25-45nm；
所述增透膜的制备方法包括为：首先在凸透镜的镜面上依次镀制SiO2膜层、TiO2膜层、MgF2膜层，然后在MgF2膜层上喷涂高透自清洁涂料，烘干后在MgF2膜层上形成高透自清洁涂层；
所述高透自清洁涂料包括以下重量份的原料：
聚甲基丙烯酸甲酯 30-80重量份；
正硅酸乙酯 20-50重量份；
异丙醇 25-60重量份；
甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯 5-30重量份；
十六烷基三甲氧基硅烷 5-30重量份；
对氯-对甲基二苄叉山梨醇 5-25重量份；
脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠 3-20重量份；
壬基酚聚氧乙烯醚 1-20重量份；
纳米二氧化硅粒子 1-25重量份；
纳米二氧化钛粒子 1-25重量份；
纳米氧化镧粒子 1-25重量份。
2.根据权利要求1所述的波长可调谐中红外锁模光纤激光器，其特征在于，所述泵浦激光为1150nm的激光。
3.根据权利要求2所述的波长可调谐中红外锁模光纤激光器，其特征在于，所述二色镜反射波长为2.7~3.0μm的激光，透射波长为1150nm的激光。
4.根据权利要求1所述的波长可调谐中红外锁模光纤激光器，其特征在于，所述稀土掺杂离子光纤为钬镨共掺氟化物光纤。
5.根据权利要求1所述的波长可调谐中红外锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一凸透镜为氟化钙透镜，所述第二凸透镜和第三凸透镜为硒化锌透镜。
6.根据权利要求1所述的波长可调谐中红外锁模光纤激光器，其特征在于，所述平面闪耀光栅闪耀波长为3.1μm，每毫米缝数450条。
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