CN112397978B - 一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器 - Google Patents

一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器,包括：泵浦源激光器、聚焦透镜、第一波分复用器、石英光纤和第二波分复用器。石英光纤两端刻写的光纤布拉格光栅对构成拉曼激光器的谐振腔。泵浦源激光器输出的线偏振激光光束通过聚焦透镜后入射进入石英光纤中，利用石英光纤的受激拉曼效应，泵浦光拉曼频移产生的各阶斯托克斯光在光纤中形成谐振，最终实现拉曼激光输出。本发明提供了一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，该激光器将具有效率高、波长可调谐、结构简单、可放大性好、使用可靠等特点。可以被广泛地应用于工业、科研、环境监测等领域。

Description

一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器
技术领域
本发明属于拉曼激光变频技术领域，具体涉及一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器。
背景技术
光纤激光器因具有结构紧凑、效率高、光束质量好和稳定易用等优点，广泛应用于基础研究、国防、工业加工和医疗等领域。发展最为成熟的是掺镱(Yb)光纤激光器，工作波长范围为1.0～1.1μm。其他稀土掺杂的光纤激光器波长包括，1.55μm、2μm和3μm等，功率效率都较低。基于光纤中受激拉曼散射的拉曼光纤激光器，具有增益谱宽、可级联工作以及不需要相位匹配等特点，只要有合适波长的泵浦光，即可产生光纤透明范围内任意波长的激光输出。从发展现状来看，拉曼光纤激光器是目前唯一种可同时实现高功率与宽波段输出的光纤激光器。特别地，波长在1.1μm附近，拉曼光纤激光器的功率可达数千瓦，随着波长增加，其功率呈指数减小。其最高功率的获得依赖于掺Yb光纤激光器，而对于波长短于1μm以下的拉曼光纤激光器由于缺少相应的泵浦源而鲜有报道。
以碱金属原子饱和蒸气为激光增益介质的碱金属蒸气激光器，量子效率理论上可达90％以上，极大地减少废热的产生，与一般固体激光介质相比，废热可减少80％以上；同时，碱金属蒸气是流体，易于进行高效冷却，快速带走废热。近些年来随着半导体抽运源技术的逐渐发展和成熟，碱金属激光器得到了快速的发展，目前最高输出功率已达到几千瓦甚至万瓦。较为成熟的为铷(Rb)和铯(Cs)碱金属激光器，波长分别为795nm和894.6nm。相比于其他高功率激光器，波长较短。
若以发展较为成熟的高功率碱金属激光器作为泵浦源，泵浦拉曼增益光纤，有望获得更高功率的拉曼激光器，且波长对比现有光谱，有很大的拓宽空间。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种碱金属激光器泵浦的拉曼光纤激光器。该激光器将具有效率高、波长可调谐、结构简单、可放大性好、使用可靠等特点。可以被广泛地使用在环境监测、基础研究、国防、工业和医疗等领域。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：提供一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，包括：泵浦源激光器、聚焦透镜组、第一波分复用器、石英光纤和第二波分复用器；所述石英光纤两端分别刻写有光纤布拉格光栅，组成布拉格光栅对，所述布拉格光栅对构成拉曼激光器的谐振腔；所述碱金属激光器的输出激光为线偏振激光；碱金属激光器输出的线偏振激光光束通过聚焦透镜后，从第一波分复用器入射进入石英光纤中，利用石英光纤的受激拉曼效应，泵浦光拉曼频移产生的各阶斯托克斯光在光纤中形成谐振，实现拉曼激光输出，最后拉曼激光从第二波分复用器分离输出。
基于以上技术方案，优选的，所述泵浦激光器为碱金属激光器，工作物质为钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)中的一种，结构参照文献中的报道，“布儒斯特角结构16.8W半导体抽运铷蒸气激光器”，中国激光，43(3)，2016。
基于以上技术方案，优选地，所述碱金属激光器的工作介质为铷，输出波长795nm。
基于以上技术方案，优选的，所述石英光纤为短波长光纤，透光波段大于等于795nm，光纤两端刻有光纤布拉格光栅对，构成拉曼激光器的谐振腔。
基于以上技术方案，进一步优选的，所述光纤布拉格光栅对的数量根据需要获得激光的波长进行调整，若想输出一阶斯托克斯波长激光，则需要1对布拉格光栅对；若想输出二阶斯托克斯波长激光，则需要2对布拉格光栅对，即当输出n阶斯托克斯波长激光，则需要n对布拉格光栅对，每一对布拉格光栅刻写在石英光纤的两端。
基于以上技术方案，优选的，靠近输入端的布拉格光栅对泵浦光波长的透过率大于等于99％，反射率为99％以上，靠近输出端的布拉格光栅为拉曼激光的输出耦合器。
基于以上技术方案，优选的，所述光纤布拉格光栅对的反射中心波长分别对应于各阶拉曼激光的中心波长，当输出一阶斯托克斯822nm激光时，所述光纤布拉格光栅对的数量为1，反射中心波长为822nm；当输出二阶斯托克斯851nm激光时，所述光纤布拉格光栅对的数量为2，反射中心波长依次为822nm、851nm；当输出三阶斯托克斯883nm激光时，所述光纤布拉格光栅对的数量为3，反射中心波长依次为822nm、851nm和883nm，本发明所述的“依次”是指从靠近石英光纤到远离石英光纤的方向，本发明输出激光包括但不限于以上三种，若想输出n阶斯托克斯λnm激光时，光纤布拉格光栅对的数量为n，每一对光纤布拉格光栅对的反射中心波长依次为一阶斯托克斯激光波长、二阶斯托克斯激光波长、三阶斯托克斯激光波长………、λnm。
基于以上技术方案，优选的，所述聚焦透镜组为将碱金属激光器输出光斑缩束或聚焦后耦合进入石英光纤中；数量为1个及以上。
基于以上方案，优选的，所述第一波分复用器为将碱金属激光器输出的泵浦光耦合进入石英光纤中的器件，并且其可以隔离来自光纤布拉格光栅后向传播的拉曼激光；所述第二波分复用器为将拉曼激光、剩余泵浦光和其他波长拉曼激光分离开来的器件。
本发明还提供另外一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，该激光器为在上述提到的任意一项的光纤拉曼激光器的基础上，还包括偏振片和四分之一波片；所述偏振片和四分之一波片设置于泵浦源激光器和聚焦透镜组之间。
有益效果
(1)本发明的光纤拉曼激光器效率高、波长可调谐、结构简单、可放大性好、使用可靠
(2)本发明填补了波长短于1μm以下的高功率拉曼光纤激光器，采用发展较为成熟的高功率碱金属激光器作为泵浦源，泵浦拉曼增益光纤，获得了更高功率的拉曼激光器，且波长对比现有光谱，有很大的拓宽空间，并具有好的定标放大性，可满足在工业、科学研究和环境监测方面的重要应用。
附图说明
图1为本发明实施例1的光纤拉曼激光器对应的结构示意图；
图2为本发明实施例2的光纤拉曼激光器对应的结构示意图；
图3为本发明实施例3的光纤拉曼激光器对应的结构示意图；
图4为本发明实施例4的光纤拉曼激光器对应的结构示意图；
图中：1：碱金属激光器，2：聚焦透镜组，3：第一波分复用器，4-1、4-2、4-3：高反光纤布拉格光栅，5：石英光纤，6-1、6-2、6-3：输出耦合光纤布拉格光栅，7：第二波分复用器，8：偏振片，9：四分之一波片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。
如上所述，鉴于现有技术中存在波长在1μm以下的高功率拉曼光纤激光器难以实现的问题。
实施例1
本发明的第一种实施方式如图1所示，本发明提供了一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，输出一阶斯托克斯波长包括：
碱金属激光器1、聚焦透镜组2、第一波分复用器3、高反光纤布拉格光栅4-1、石英光纤、5、输出耦合光纤布拉格光栅6-1和第二波分复用器7；所述石英光纤5两端刻写的光纤布拉格光栅4-1和光纤布拉格光栅6-1构成一对光纤布拉格光栅对，高反光纤布拉格光栅4-1为反射率大于99％的；光纤布拉格光栅对构成拉曼激光器的谐振腔；所述碱金属激光器的输出激光为线偏振激光；
碱金属激光器1输出的线偏振激光光束通过聚焦透镜2后，从第一波分复用器3入射进入石英光纤5中，利用石英光纤的受激拉曼效应，泵浦光拉曼频移产生的各阶斯托克斯光在光纤中形成谐振，实现拉曼激光输出，最后拉曼激光从第二波分复用器7分离输出。
所述碱金属激光器为泵浦源激光器，工作物质为铷(Rb)，输出波长795nm。
所述石英光纤为短波长光纤，透光波段大于等于795nm，光纤两端刻有光纤布拉格光栅对4-1和6-1，构成拉曼激光器的谐振腔。
所述光纤布拉格光栅对的数量根据需要获得激光的波长进行调整，若想输出一阶斯托克斯波长激光，则需要1对布拉格光栅对。
所述光纤布拉格光栅4-1和6-1组成的光栅对的反射中心波长分别对应于一阶拉曼激光的中心波长822nm，靠近输入端的高反布拉格光栅4-1的反射率为99％以上，且对泵浦光波长的透过率大于等于99％，靠近输出端的输出布拉格光栅6-1为拉曼激光的输出耦合器。
所述第一波分复用器3为将碱金属激光器1输出的泵浦光耦合进入石英光纤5中的器件，并且其可以隔离来自高反光纤布拉格光栅4-1后向传播的拉曼激光；所述第二波分复用器7为将拉曼激光、剩余泵浦光和其他波长拉曼激光分离开来的器件。
碱金属激光器1输出的线偏振激光光束通过聚焦透镜2后，从第一波分复用器3入射进入石英光纤5中，利用石英光纤的受激拉曼效应，泵浦光拉曼频移产生的一阶斯托克斯光822nm在光纤中形成谐振，实现拉曼激光输出，最后高功率的822nm拉曼激光从第二波分复用器7分离输出。
实施例2
本发明的第二种实施方式如图2所示，本发明提供了一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，仅有光纤布拉格光栅对有所不同，其他均与实施例1相同。所述光纤布拉格光栅对的数量根据需要获得激光的波长进行调整，若想输出二阶斯托克斯波长激光，则需要2对布拉格光栅对。
所述高反光纤布拉格光栅4-1和输出耦合布拉格光栅6-1的反射中心波长对应于822nm，反射率为99％以上，高反光纤布拉格光栅4-2和输出耦合布拉格光栅6-2的反射中心波长分别对应于二阶拉曼激光的中心波长851nm，高反布拉格光栅4-2的反射率为99％以上，输出耦合布拉格光栅6-2为拉曼激光851nm的输出耦合器，高反光纤布拉格光栅4-1和高反光纤布拉格光栅4-2均对泵浦光波长的透过率大于等于99％。
碱金属激光器1输出的线偏振激光光束通过聚焦透镜2后，从第一波分复用器3入射进入石英光纤5中，利用石英光纤的受激拉曼效应，泵浦光拉曼频移产生的二阶斯托克斯光851nm在光纤中形成谐振，实现拉曼激光输出，最后高功率的851nm拉曼激光从第二波分复用器7分离输出。
实施例3
本发明的第三种实施方式如图3所示，本发明提供了一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，仅有光纤布拉格光栅对有所不同，其他均与实施例1相同。所述光纤布拉格光栅对的数量根据需要获得激光的波长进行调整，若想输出三阶斯托克斯波长激光，则需要3对布拉格光栅对。
所述高反光纤布拉格光栅4-1和输出耦合布拉格光栅6-1的反射中心波长对应于822nm，反射率为99％以上，高反光纤布拉格光栅4-2和输出耦合布拉格光栅6-2的反射中心波长对应于851nm，反射率为99％以上，高反光纤布拉格光栅4-3和输出耦合布拉格光栅6-3的反射中心波长分别对应于三阶拉曼激光的中心波长883nm，高反布拉格光栅4-3的反射率为99％以上，输出耦合布拉格光栅6-3为拉曼激光883nm的输出耦合器，高反光纤布拉格光栅4-1、高反光纤布拉格光栅4-2和高反光纤布拉格光栅4-3均对泵浦光波长的透过率大于等于99％。
碱金属激光器1输出的线偏振激光光束通过聚焦透镜2后，从第一波分复用器3入射进入石英光纤5中，利用石英光纤的受激拉曼效应，泵浦光拉曼频移产生的三阶斯托克斯光883nm在光纤中形成谐振，实现拉曼激光输出，最后高功率的883nm拉曼激光从第二波分复用器7分离输出。
实施例4
本发明的第四种实施方式如图4所示，本发明提供了一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，仅在实施例1的光纤拉曼激光器的碱金属激光器1之后加有偏振片8和四分之一波片9，其他均与实施例1相同。
所述偏振片8为把泵浦光激光起偏的器件，所述四分之一波片9为将泵浦光波长的线偏振激光转变为圆偏振激光。碱金属激光器1输出的线偏振激光光束，首先通过偏振片8和四分之一波片9之后变为圆偏振激光，然后通过聚焦透镜2后，从第一波分复用器3入射进入石英光纤5中，利用石英光纤的受激拉曼效应，泵浦光拉曼频移产生的二阶斯托克斯光851nm在光纤中形成谐振，实现拉曼激光输出，最后高功率的851nm拉曼激光从第二波分复用器7分离输出。
实施例5
本发明提供了一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，仅有碱金属激光器和光纤布拉格光栅对有所不同，其他均与实施例1相同。所述碱金属激光器为泵浦源激光器，工作物质可以是铯(Cs)，输出波长895nm。
所述光纤布拉格光栅4-1和6-1组成的光栅对的反射中心波长分别对应于一阶拉曼激光的中心波长930nm，靠近输入端的高反布拉格光栅4-1的反射率为99％以上，且对泵浦光波长的透过率大于等于99％，靠近输出端的输出布拉格光栅6-1为拉曼激光的输出耦合器。
所述第一波分复用器3为将碱金属激光器1输出的泵浦光耦合进入石英光纤5中的器件，并且其可以隔离来自高反光纤布拉格光栅4-1后向传播的拉曼激光；所述第二波分复用器7为将拉曼激光、剩余泵浦光和其他波长拉曼激光分离开来的器件。
碱金属激光器1输出的线偏振激光光束通过聚焦透镜2后，从第一波分复用器3入射进入石英光纤5中，利用石英光纤的受激拉曼效应，泵浦光拉曼频移产生的一阶斯托克斯光930nm在光纤中形成谐振，实现拉曼激光输出，最后高功率的930nm拉曼激光从第二波分复用器7分离输出。
综上所述，本发明为了本发明为了填补波长短于1μm以下的高功率拉曼光纤激光器，采用发展较为成熟的高功率碱金属激光器作为泵浦源，泵浦拉曼增益光纤，有望获得更高功率的拉曼激光器，且波长对比现有光谱，有很大的拓宽空间，并具有好的定标放大性，可满足在工业、科学研究和环境监测方面的重要应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，其特征在于，包括：泵浦源激光器、聚焦透镜组、第一波分复用器、石英光纤和第二波分复用器；所述石英光纤两端分别刻写有光纤布拉格光栅，组成光纤布拉格光栅对；所述光纤布拉格光栅对构成拉曼激光器的谐振腔；所述碱金属激光器的输出激光为线偏振激光；
泵浦源激光器输出的线偏振激光光束通过聚焦透镜组后，从第一波分复用器入射进入石英光纤中，利用石英光纤的受激拉曼效应，泵浦光拉曼频移产生的各阶斯托克斯光在光纤中形成谐振，实现拉曼激光输出，最后拉曼激光从第二波分复用器分离输出；
所述泵浦源激光器为碱金属激光器，所述碱金属激光器工作物质为钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)中的一种。
2.根据权利要求1所述的光纤拉曼激光器，其特征在于，所述碱金属激光器的工作物质为铷，输出波长795nm。
3.根据权利要求1所述的光纤拉曼激光器，其特征在于，所述石英光纤透光波段≥795nm。
4.根据权利要求1所述的光纤拉曼激光器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅对的数量≥1。
5.根据权利要求1所述的光纤拉曼激光器，其特征在于，激光输入端的布拉格光栅对泵浦光波长的透过率为99％以上，对拉曼光波长的反射率为99％以上，激光输出端的布拉格光栅为拉曼激光的输出耦合器。
6.根据权利要求4所述的光纤拉曼激光器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅对的反射中心波长分别对应于各阶输出拉曼激光的中心波长，当输出一阶斯托克斯822nm激光时，所述光纤布拉格光栅对的数量为1，反射中心波长为822nm；当输出二阶斯托克斯851nm激光时，所述光纤布拉格光栅对的数量为2，反射中心波长依次为822nm、851nm；当输出三阶斯托克斯883nm激光时，所述光纤布拉格光栅对的数量为3，反射中心波长依次为822nm、851nm和883nm。
7.根据权利要求1所述的光纤拉曼激光器，其特征在于，所述聚焦透镜组为将泵浦源激光器输出的激光光束缩束或聚焦后耦合进入石英光纤中；所述聚焦透镜组中聚焦透镜的个数≥1。
8.根据权利要求1所述的光纤拉曼激光器，其特征在于，所述第一波分复用器为将泵浦激光器输出泵浦光耦合进入石英光纤中；所述第二波分复用器为将拉曼激光、剩余泵浦光和其他波长拉曼激光分离开。
9.一种碱金属激光器泵浦的光纤拉曼激光器，其特征在于，所述光纤拉曼激光器包括偏振片、四分之一波片和权利要求1-8任意一项所述的光纤拉曼激光器；所述偏振片和四分之一波片依次设置于所述泵浦源激光器和聚焦透镜组之间。
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