CN111244738A - 一种双波长泵浦中红外光纤激光器 - Google Patents

一种双波长泵浦中红外光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双波长泵浦中红外光纤激光器，包括用于分别提供第一泵浦激光和第二泵浦激光的第一泵浦光源和第二泵浦光源、用于对第一泵浦激光反射的反射镜、用于第一泵浦激光和第二泵浦激光耦合的泵浦双色镜、用于第一泵浦激光和第二泵浦激光的聚焦耦合的泵浦耦合透镜，用于对第一泵浦激光和第二泵浦激光吸收产生信号激光的增益光纤、用于选择性的对特定波长激光进行反射的光纤布拉格光栅、用于对经光纤布拉格光栅输出的激光进行耦合的输出耦合镜、以及用于将残余泵浦激光与信号激光分离的输出双色镜，本发明结构简单，反射率高，泵浦光损失少，且激光输出阈值低，输出效率高，能有效降低成本，适合推广使用。

Description

一种双波长泵浦中红外光纤激光器
技术领域
本发明属于红外激光技术领域，具体地说涉及一种双波长泵浦中红外光纤激光器。
背景技术
中红外激光由于其波长3μm-5μm波段覆盖了常见气体分子的转动-振动区，使得这个特殊的波段在遥感、光谱学方面有着重要应用。此外，该波段与大气窗口重合，可在光电对抗、自由空间通信等领域有着特殊应用。稀土离子掺杂的光纤激光器由于其光束质量好、结构紧凑、易于维护、光谱覆盖范围广等特点被广泛应用于医疗、工业、光谱学、传感与监测、军事等领域。然而光纤激光器的输出波长向中红外方向拓展时，输出功率水平急剧降低，使产生高功率的中红外光纤激光成为了一个挑战。稀土离子掺杂的光纤中最长的激光输出波长为3.95μm来自Ho掺杂的ZBLAN光纤。由于无辐射跃迁速率会随着激光波长和光纤材料最大声子能量的增加而成指数增加，使得产生4μm以上的光纤激光输出变得非常困难，且其效率低、阈值高。
因此，现有技术有待于进一步改进和发展。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种双波长泵浦中红外光纤激光器，本发明结构简单，反射率高，适合推广。
本发明提供如下技术方案：
一种双波长泵浦中红外光纤激光器，包括用于分别提供第一泵浦激光和第二泵浦激光的第一泵浦光源和第二泵浦光源、用于对第一泵浦激光反射的反射镜、用于第一泵浦激光和第二泵浦激光耦合的泵浦双色镜、用于第一泵浦激光和第二泵浦激光的聚焦耦合的泵浦耦合透镜，用于对第一泵浦激光和第二泵浦激光吸收产生信号激光的增益光纤、用于选择性的对特定波长激光进行反射的光纤布拉格光栅、用于对经光纤布拉格光栅输出的激光进行耦合的输出耦合镜、以及用于将残余泵浦激光与信号激光分离的输出双色镜。
优选的，第一泵浦激光波长为2.3μm，平行光束，第二泵浦激光波长为1.7μm，平行光束。
优选的，反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜均镀对第一泵浦激光的高反射膜，入射角45°。
优选的，泵浦双色镜双面镀针对第二泵浦激光的增透膜，后表面镀针对第一泵浦激光的高反射膜。
优选的，泵浦耦合透镜前后表面镀针对第一泵浦激光和第二泵浦激光的增透膜。
优选的，所述增益光纤产生的信号激光为波长为4.3μm中红外激光，所述光纤布拉格光栅包括第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅和第三光纤布拉格光栅，第一光纤布拉格光栅对4.3μm波段激光的反射率>95％，第二光纤布拉格光栅对4.3μm波段激光部分反射、部分透射，第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅组成振荡腔，所述输出耦合镜对输出4.3μm激光进行耦合，所述输出双色镜前表面镀针对信号激光4.3μm高反射膜，前后两个表面镀针对第一泵浦激光和第二泵浦激光高透射膜。
有益效果：
本发明提供了一种双波长泵浦中红外光纤激光器，本发明采用双波长泵浦Dy:InF3光纤的方法实现4.3μm中红外激光输出，整个系统结构简单、紧凑、成本低；本发明采用，插入小口径反射镜的方式实现泵浦光一的输入，其有效反射率高，泵浦光损失少；本发明采用泵浦激光一在谐振腔内锁定的方式，使得激光输出阈值较现有技术低一个数量级、输出效率高。
附图说明
图1是本发明具体实施例中，一种双波长泵浦中红外光纤激光器的整体结构示意图；
图2是本发明具体实施例中，一种双波长泵浦中红外光纤激光器第一泵浦光光路图；
图3是本发明具体实施例中，一种双波长泵浦中红外光纤激光器第二泵浦光光路图；
图4是本发明具体实施例中，一种双波长泵浦中红外光纤激光器腔内第二泵浦光光路图。
图5是本发明具体实施例中，泵浦双色镜上光斑示意图
附图中：10-第一泵浦光源、11-第一反射镜、12-第二反射镜、20-第二泵浦光源、3-泵浦双色镜、4-泵浦耦合透镜、50-增益光纤、51-第一光纤布拉格光栅、52-第二光纤布拉格光栅、53-第三光纤布拉格光栅、6-输出耦合透镜、7-输出双色镜、81-第一泵浦激光、82-第二泵浦激光、83-腔内泵浦激光、84-残余泵浦激光、85-输出激光、90-第二泵浦光光斑、91-缺口、92-第一泵浦光光斑。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
以下为本发明的具体实施例：
具体实施例1：
如图1、图2、图3、图4一种双波长泵浦中红外光纤激光器，包括用于分别提供第一泵浦激光81和第二泵浦激光82的第一泵浦光源10和第二泵浦光源20、用于对第一泵浦激光81反射的反射镜11、用于第一泵浦激光81和第二泵浦激光82耦合的泵浦双色镜3、用于第一泵浦激光81和第二泵浦激光82的聚焦耦合的泵浦耦合透镜4，用于对第一泵浦激光81和第二泵浦激光82吸收产生信号激光的增益光纤50、用于选择性的对特定波长激光进行反射的光纤布拉格光栅、用于对经光纤布拉格光栅输出的激光85进行耦合的输出耦合镜6、以及用于将残余泵浦激光84与信号激光分离的输出双色镜7。
具体的，第一泵浦激光81波长为2.3μm，平行光束，第二泵浦激光82波长为1.7μm，平行光束。
具体的，反射镜包括第一反射镜11和第二反射镜12，第一反射镜11和第二反射镜12均镀对第一泵浦激光81的高反射膜，入射角45°，其作用为，保证第一泵浦激光81经过两次反射后与第二泵浦激光依然保持平行，第二反射镜12口径为第一泵浦激光口径的1.2倍。
具体的，泵浦双色镜3双面镀针对第二泵浦激光82的增透膜，后表面镀针对第一泵浦激光的高反射膜。其作用是将两束泵浦激光耦合。
具体的，泵浦耦合透镜4前后表面镀针对第一泵浦激光81和第二泵浦激光82的增透膜。其作用是，将两束泵浦激光聚焦耦合并且保证反射第一泵浦激光81的准直。
具体的，所述增益光纤50对第一泵浦激光81和第二泵浦激光82进行吸收，产生的信号激光为波长为4.3μm中红外激光，所述光纤布拉格光栅包括第一光纤布拉格光栅51、第二光纤布拉格光栅52和第三光纤布拉格光栅53，第一光纤布拉格光栅51对4.3μm波段激光的反射率>95％，第二光纤布拉格光栅52对4.3μm波段激光部分反射、部分透射，第三光纤布拉格光栅53对第一泵浦激光81的反射率为99％，第一光纤布拉格光栅51和第二光纤布拉格光栅52组成振荡腔，所述输出耦合镜6对输出4.3μm激光进行耦合，所述输出双色镜7前表面镀针对信号激光4.3μm高反射膜，前后两个表面镀针对第一泵浦激光81和第二泵浦激光82高透射膜。
具体的，泵浦光一激光81功率为20W，泵浦光二激光82功率为10mW，第二光纤布拉格光栅52反射率R2＝0.9，输出4.3μm激光功率5W,其转换效率为25％。
具体的，第一泵浦激光81光路方式：第一泵浦光源10输出第一泵浦激光81，经过第一反射镜和第二反射镜反射，再经过泵浦耦合透镜4耦合进入增益光纤50，进入光纤后透射通过第一光纤布拉格光栅51和第二光纤布拉格光栅52，第一泵浦激光81在通过光纤的过程中第一次被部分吸收，然后在第三光纤布拉格光栅53处，剩余的第一泵浦激光被反射回原路依次经过第二光纤布拉格光栅52和第一光纤布拉格光栅51，其在通过光纤的过程中被第二次部分吸收，第一泵浦激光81在光纤的前端面输出，其发散角为光纤的数值孔径，输出第一泵浦激光81全部通过泵浦耦合透镜4，然后被准直成平行光光，平行的第一泵浦激光81在空间中继续传输，其经过第二反射镜，部分第一泵浦激光81被反射，剩余的第一泵浦激光81(其卡光后的光斑形貌如图5所示)，再到达泵浦双色镜3，然后进行高反射，第一泵浦激光81沿着原光路原路返回，其再经过泵浦耦合透镜4，聚焦后进入光纤前端面，耦合进入光纤，第一泵浦激光81进入光纤后透射通过第一和第二光纤布拉格光栅，第一泵浦激光81在通过光纤的过程中第三次被部分吸收，然后在第三光纤布拉格光栅处53，剩余的第一泵浦激光81被反射回原路依次经过第二光纤布拉格光栅52和第一光纤布拉格光栅51，其在通过光纤的过程中被第四次部分吸收，第一泵浦激光81在光纤的前端面输出，其发散角为光纤的数值孔径，输第一泵浦激光81全部通过泵浦耦合透镜，然后被准直成平行光光，平行的第一泵浦激光81在空间中继续传输，其经过第二反射镜，部分第一泵浦激光81被反射，剩余的第一泵浦激光81(其卡光后的光斑形貌如图5所示)，再到达泵浦双色镜3，然后进行高反射，第一泵浦激光81沿着原光路原路返回；整个过程循环进行，第一泵浦激光81在光纤中多次被吸收；
具体的，第二泵浦激光82光路方式：第二泵浦光源20输出第二泵浦激光82，第二泵浦激光82经过泵浦双色镜3后透射，再经过泵浦耦合透镜4，聚焦后进入光纤，进入光纤后透射通过第一光纤布拉格光栅51、第二光纤布拉格光栅52和第三光纤布拉格光栅53，第一泵浦激光81在通过光纤的过程中第被吸收，剩余的第二泵浦激光82从光纤后端面输出，输出的第二泵浦激光82经过输出耦合透镜6和输出双色镜后7，从输出双色镜透射7输出，从而第二泵浦激光82和信号激光进行分离；
具体的，信号激光振荡方式：第一泵浦激光81和第二泵浦激光82注入光纤中，产生激光振荡，其波长为4.3μm，信号激光在第一光纤布拉格光栅51和第二光纤布拉格光栅52之间来回反射，在第二光纤布拉格光栅52处，有部分透射，其从光纤后端面输出，作为输出中红外信号激光。
具体实施例2：
如图1、图2、图3、图4一种双波长泵浦中红外光纤激光器，包括用于分别提供第一泵浦激光81和第二泵浦激光82的第一泵浦光源10和第二泵浦光源20、用于对第一泵浦激光81反射的反射镜11、用于第一泵浦激光81和第二泵浦激光82耦合的泵浦双色镜3、用于第一泵浦激光81和第二泵浦激光82的聚焦耦合的泵浦耦合透镜4，用于对第一泵浦激光81和第二泵浦激光82吸收产生信号激光的增益光纤50、用于选择性的对特定波长激光进行反射的光纤布拉格光栅、用于对经光纤布拉格光栅输出的激光85进行耦合的输出耦合镜6、以及用于将残余泵浦激光84与信号激光分离的输出双色镜7。
具体的，第一泵浦激光81波长为2.3μm，平行光束，第二泵浦激光82波长为1.7μm，平行光束。
具体的，反射镜包括第一反射镜11和第二反射镜12，第一反射镜11和第二反射镜12均镀对第一泵浦激光81的高反射膜，入射角45°，其作用为，保证第一泵浦激光81经过两次反射后与第二泵浦激光依然保持平行，第二反射镜12口径为第一泵浦激光口径的1.2倍。
具体的，泵浦双色镜3双面镀针对第二泵浦激光82的增透膜，后表面镀针对第一泵浦激光的高反射膜。其作用是将两束泵浦激光进行耦合。
具体的，泵浦耦合透镜4前后表面镀针对第一泵浦激光81和第二泵浦激光82的增透膜。其作用是，将两束泵浦激光聚焦耦合并且保证反射第一泵浦激光81的准直。
具体的，所述增益光纤50对第一泵浦激光81和第二泵浦激光82进行吸收，产生的信号激光为波长为4.3μm中红外激光，所述光纤布拉格光栅包括第一光纤布拉格光栅51、第二光纤布拉格光栅52和第三光纤布拉格光栅53，第一光纤布拉格光栅51对4.3μm波段激光的反射率>95％，第二光纤布拉格光栅52对4.3μm波段激光部分反射、部分透射，第三光纤布拉格光栅53对第一泵浦激光81的反射率＝99％，第一光纤布拉格光栅51和第二光纤布拉格光栅52组成振荡腔，所述输出耦合镜6对输出4.3μm激光进行耦合，所述输出双色镜7前表面镀针对信号激光4.3μm高反射膜，前后两个表面镀针对第一泵浦激光81和第二泵浦激光82高透射膜。
具体的，泵浦光一激光功率8W，泵浦光二激光功率10mW，第二光纤布拉格光栅反射率R2＝0.9，输出4.3μm激光功率1.2W，转换效率15％。
具体的，第一泵浦激光81光路方式：第一泵浦光源10输出第一泵浦激光81，经过第一反射镜和第二反射镜反射，再经过泵浦耦合透镜4耦合进入增益光纤50，进入光纤后透射通过第一光纤布拉格光栅51和第二光纤布拉格光栅52，第一泵浦激光81在通过光纤的过程中第一次被部分吸收，然后在第三光纤布拉格光栅53处，剩余的第一泵浦激光被反射回原路依次经过第二光纤布拉格光栅52和第一光纤布拉格光栅51，其在通过光纤的过程中被第二次部分吸收，第一泵浦激光81在光纤的前端面输出，其发散角为光纤的数值孔径，输出第一泵浦激光81全部通过泵浦耦合透镜4，然后被准直成平行光光，平行的第一泵浦激光81在空间中继续传输，其经过第二反射镜，部分第一泵浦激光81被反射，剩余的第一泵浦激光81(其卡光后的光斑形貌如图5所示)，再到达泵浦双色镜3，然后进行高反射，第一泵浦激光81沿着原光路原路返回，其再经过泵浦耦合透镜4，聚焦后进入光纤前端面，耦合进入光纤，第一泵浦激光81进入光纤后透射通过第一和第二光纤布拉格光栅，第一泵浦激光81在通过光纤的过程中第三次被部分吸收，然后在第三光纤布拉格光栅处53，剩余的第一泵浦激光81被反射回原路依次经过第二光纤布拉格光栅52和第一光纤布拉格光栅51，其在通过光纤的过程中被第四次部分吸收，第一泵浦激光81在光纤的前端面输出，其发散角为光纤的数值孔径，输第一泵浦激光81全部通过泵浦耦合透镜，然后被准直成平行光光，平行的第一泵浦激光81在空间中继续传输，其经过第二反射镜，部分第一泵浦激光81被反射，剩余的第一泵浦激光81(其卡光后的光斑形貌如图5所示)，再到达泵浦双色镜3，然后进行高反射，第一泵浦激光81沿着原光路原路返回；整个过程循环进行，第一泵浦激光81在光纤中多次被吸收；
具体的，第二泵浦激光82光路方式：第二泵浦光源20输出第二泵浦激光82，第二泵浦激光82经过泵浦双色镜3后透射，再经过泵浦耦合透镜4，聚焦后进入光纤，进入光纤后透射通过第一光纤布拉格光栅51、第二光纤布拉格光栅52和第三光纤布拉格光栅53，第一泵浦激光81在通过光纤的过程中第被吸收，剩余的第二泵浦激光82从光纤后端面输出，输出的第二泵浦激光82经过输出耦合透镜6和输出双色镜后7，从输出双色镜透射7输出，从而第二泵浦激光82和信号激光进行分离；
具体的，信号激光振荡方式：第一泵浦激光81和第二泵浦激光82注入光纤中，产生激光振荡，其波长为4.3μm，信号激光在第一光纤布拉格光栅51和第二光纤布拉格光栅52之间来回反射，在第二光纤布拉格光栅52处，有部分透射，其从光纤后端面输出，作为输出中红外信号激光。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种双波长泵浦中红外光纤激光器，其特征在于，包括用于分别提供第一泵浦激光和第二泵浦激光的第一泵浦光源和第二泵浦光源、用于对第一泵浦激光反射的反射镜、用于第一泵浦激光和第二泵浦激光耦合的泵浦双色镜、用于第一泵浦激光和第二泵浦激光的聚焦耦合的泵浦耦合透镜，用于对第一泵浦激光和第二泵浦激光吸收产生信号激光的增益光纤、用于选择性的对特定波长激光进行反射的光纤布拉格光栅、用于对经光纤布拉格光栅输出的激光进行耦合的输出耦合镜、以及用于将残余泵浦激光与信号激光分离的输出双色镜。
2.根据权利要求1所述的双波长泵浦中红外光纤激光器，其特征在于，第一泵浦激光波长为2.3μm，平行光束，第二泵浦激光波长为1.7μm，平行光束。
3.根据权利要求1所述的双波长泵浦中红外光纤激光器，其特征在于，反射镜包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜均镀对第一泵浦激光的高反射膜，入射角45°。
4.根据权利要求1所述的双波长泵浦中红外光纤激光器，其特征在于，泵浦双色镜双面镀针对第二泵浦激光的增透膜，后表面镀针对第一泵浦激光的高反射膜。
5.根据权利要求1所述的双波长泵浦中红外光纤激光器，其特征在于，泵浦耦合透镜前后表面镀针对第一泵浦激光和第二泵浦激光的增透膜。
6.根据权利要求1所述的双波长泵浦中红外光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤产生的信号激光为波长为4.3μm中红外激光。
7.根据权利要求6所述的双波长泵浦中红外光纤激光器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅包括第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅和第三光纤布拉格光栅，第一光纤布拉格光栅对4.3μm波段激光的反射率>95％，第二光纤布拉格光栅对4.3μm波段激光部分反射、部分透射，第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅组成振荡腔。
8.根据权利要求7所述的双波长泵浦中红外光纤激光器，其特征在于，所述输出耦合镜对输出4.3μm激光进行耦合。
9.根据权利要求8所述的双波长泵浦中红外光纤激光器，其特征在于，所述输出双色镜前表面镀针对信号激光4.3μm高反射膜，前后两个表面镀针对第一泵浦激光和第二泵浦激光高透射膜。
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