CN113078533B - 一种双波长可切换光纤激光器及激光产生方法 - Google Patents

一种双波长可切换光纤激光器及激光产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双波长可切换光纤激光器，包括沿水平方向依次设置的第一激光泵浦源、第一准直透镜、二色镜、第一聚焦透镜、第一光纤光栅、第二光纤光栅、单包层掺Dy3+:InF3光纤、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第二聚焦透镜、第二准直透镜和第二激光泵浦源，第一激光泵浦源产生波长为1.7μm的激光，第二激光泵浦源产生波长为2.35μm的激光，第一光纤光栅和第四光纤光栅形成产生3μm激光的第一谐振腔，第二光纤光栅和第三光纤光栅形成产生4.3μm激光的第二谐振腔；本发明能够实现3μm激光和4.3μm激光的双输出和自由切换，且装置稳定性强，激光产生效率高。

Description

一种双波长可切换光纤激光器及激光产生方法
技术领域
本发明属于中红外光纤激光器领域技术领域，具体涉及一种双波长可切换光纤激光器及激光产生方法。
背景技术
3~5μm波段的中红外激光在遥感监测、红外对抗和材料加工等领域具有重要应用，其中，稀土离子掺杂光纤激光器作为一种新兴的激光器，其体积小巧、空间紧凑且光束质量优异等优点，使其成为产生3~5μm中红外激光的理想方案之一。目前，针对稀土离子掺杂光纤激光器的激光发生研究主要包括两部分：
（一）单波长激光输出：
2016年，澳大利亚麦考瑞大学的Majewski等人用掺Dy3+:ZBLAN光纤得到了3μm波长的激光输出，2018年，又用掺Dy3+:InF3光纤得到了3μm波长激光输出并观察到了4.3μm波长的自发辐射；2019年，国防科大Yulong Cui等人基于空芯石英光纤获得了波长4.3μm的连续激光；2020年，丹麦科技大学王亚洲等人在H2填充空芯石英光纤中获得了波长4.2μm的脉冲激光。
（二）多波长激光输出：
2015年，电子科大李剑峰等人基于掺Ho3+氟化物光纤得到了3μm和2μm的双波长激光输出；2017年，加拿大麦克吉尔大学Chenglai Jia等人利用掺Tm3+氟化物光纤得到了1.9μm和2.3μm的双波长激光输出；2017年，深圳大学Chunyu Guo等人基于Er3+/Yb3+共掺光纤得到了1μm和1.5μm双波长激光输出。
在单波长激光输出领域，虽然在稀土离子掺杂光纤中获得3μm波长激光已有研究，但直接得到4.3μm波长的研究尚未有报道，有关报道都是基于气体填充空芯光纤，并且输出波长单一。在多波长激光输出领域，虽然已有在同个激光装置中获得了双波长激光输出的研究，但这些激光输出为同时产生的，无法实现切换输出，并且获得的双波长输出的最长波长只达到了3μm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双波长可切换光纤激光器及激光产生方法，能够实现3μm激光和4.3μm激光的双输出和自由切换，且装置稳定性强，激光产生效率高。
本发明采用的技术方案如下：
一种双波长可切换光纤激光器，包括沿水平方向依次设置的第一激光泵浦源、第一准直透镜、二色镜、第一聚焦透镜、第一光纤光栅、第二光纤光栅、单包层掺Dy3+:InF3光纤、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第二聚焦透镜、第二准直透镜和第二激光泵浦源；第一光纤光栅和第四光纤光栅形成产生3μm激光的第一谐振腔，第二光纤光栅和第三光纤光栅形成产生4.3μm激光的第二谐振腔；
第一激光泵浦源产生波长为1.7μm的激光，第一准直透镜用于将1.7μm激光准直，第一聚焦透镜用于将1.7μm激光耦合进单包层掺Dy3+:InF3光纤纤芯；
第二激光泵浦源产生波长为2.35μm的激光，第二准直透镜用于将2.35μm激光准直，第二聚焦透镜用于将2.35μm激光耦合进单包层掺Dy3+:InF3光纤纤芯；
二色镜用于反射单包层掺Dy3+:InF3光纤纤芯产生的输出激光。
进一步地，所述第一激光泵浦源和第二激光泵浦源均采用单模光纤激光器。
进一步地，所述单包层掺Dy3+:InF3光纤的掺杂浓度为0.2mol%，纤芯直径为12μm，包层直径为80μm。
一种基于上述双波长可切换光纤激光器的激光产生方法，包括
打开第一激光泵浦源，第一激光泵浦源发出1.7μm泵浦光；
1.7μm泵浦光经第一准直透镜准直后传输至第一聚焦透镜，然后耦合进入单包层掺Dy3+:InF3光纤的纤芯中；
第一谐振腔产生波长为3μm的激光；
产生的3μm激光经第一聚焦透镜传输至二色镜并经由二色镜反射输出；
打开第二激光泵浦源，第二激光泵浦源发出2.35μm泵浦光；
2.35μm泵浦光经第二准直透镜准直后传输至第二聚焦透镜，然后耦合进入单包层掺Dy3+:InF3光纤的纤芯中；
第二谐振腔产生波长为4.3μm的激光并抑制3μm激光的产生；
产生的4.3μm激光经第一聚焦透镜传输至二色镜并经由二色镜反射输出。
进一步地，所述第一谐振腔产生波长为3μm的激光时能级变化过程为：
1.1：1.7μm激光到达掺Dy3+:InF3光纤纤芯，掺Dy3+:InF3光纤中处于能级6H15/2上的Dy3+将通过1.7μm基态吸收过程跃迁至能级6H11/2上；
1.2：处于能级6H11/2上的离子通过多声子弛豫A逐渐到达能级6H13/2，使能级6H13/2和能级6H15/2之间形成离子数反转；
1.3:第一谐振腔产生波长为3μm的受激辐射。
进一步地，所述第二谐振腔产生波长为4.3μm的激光时能级变化过程为：
2.1：2.35μm激光到达掺Dy3+:InF3光纤纤芯，经多声子弛豫A到达能级6H13/2的离子在2.35μm激发态吸收过程作用下跃迁至合并能级6F11/2 6H9/2上；
2.2：处于合并能级6F11/2 6H9/2的离子通过多声子弛豫B到达能级6H11/2；
2.3：在2.35μm激发态吸收过程的作用下，能级6H13/2的离子数减少而能级6H11/2的离子数增大，能级6H11/2和能级6H13/2之间形成离子数反转；
2.4：第二谐振腔产生波长为4.3μm的受激辐射。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、通过使用不同波长的泵浦源泵浦稀土离子掺杂光纤，通过控制其中一个泵浦源的开关即可实现3μm和4.3μm波长的中红外激光双输出及输出自由切换，同时，不仅能够有效解决传统双波长光纤激光器激光输出时不能选择输出激光波长的问题，还能够拓展输出激光的波长，实现3μm和4.3μm波长的激光切换输出；
2、通过采用两个光纤光栅形成谐振腔取代采用空间反射镜作为腔镜的方式，使本发明的装置稳定性和激光产生效率大幅提升，既易于集成又可实现高功率激光输出。
附图说明
图1为本发明中光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明中激光产生方法的流程图。
图3位本发明中掺Dy3+:InF3光纤中Dy3+的部分能级图。
图中标记：1、第一激光泵浦源；2、第一准直透镜；3、二色镜；4、第一聚焦透镜；5、第一光纤光栅；6、第二光纤光栅；7、单包层掺Dy3+:InF3光纤；8、第三光纤光栅；9、第四光纤光栅；10、第二聚焦透镜；11、第二准直透镜；12、第二激光泵浦源；13、能级6H15/2；14、能级6H13/2；15、能级6H11/2；16、合并能级6F11/2 6H9/2；17、1.7μm基态吸收；18、多声子弛豫A；19、3μm受激辐射；20、2.35μm激发态吸收；21、多声子弛豫B；22、4.3μm受激辐射。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种双波长可切换光纤激光器，包括沿水平方向依次设置的第一激光泵浦源、第一准直透镜、二色镜、第一聚焦透镜、第一光纤光栅、第二光纤光栅、单包层掺Dy3+:InF3光纤、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第二聚焦透镜、第二准直透镜和第二激光泵浦源。
单包层掺Dy3+:InF3光纤优选选用掺杂浓度为0.2mol%，纤芯直径为12μm，包层直径为80μm的纤芯，第一激光泵浦源和第二激光泵浦源优选采用单模光纤激光器。
单包层掺Dy3+:InF3光纤的第一光纤光栅和单包层掺Dy3+:InF3光纤的第四光纤光栅形成产生3μm激光的第一谐振腔，单包层掺Dy3+:InF3光纤的第二光纤光栅和单包层掺Dy3 +:InF3光纤的第三光纤光栅形成产生4.3μm激光的第二谐振腔。
第一激光泵浦源产生波长为1.7μm的激光，第一准直透镜用于将1.7μm激光准直，第一聚焦透镜用于将1.7μm激光耦合进单包层掺Dy3+:InF3光纤纤芯。
第二激光泵浦源产生波长为2.35μm的激光，第二准直透镜用于将2.35μm激光准直，第二聚焦透镜用于将2.35μm激光耦合进单包层掺Dy3+:InF3光纤纤芯。
第一激光泵浦源产生的1.7μm激光与第二激光泵浦源产生的2.35μm激光方向相反，二色镜对1.7μm激光和2.35μm激光透射率高，对3μm激光和4.3μm激光反射率高，用于反射单包层掺Dy3+:InF3光纤纤芯产生的3μm激光和4.3μm激光。
本发明还公开了一种基于上述双波长可切换光纤激光器的激光产生方法，如图2所示，具体包括
S1、打开第一激光泵浦源，第一激光泵浦源发出1.7μm泵浦光，1.7μm泵浦光经第一准直透镜准直后传输至第一聚焦透镜，然后耦合进入单包层掺Dy3+:InF3光纤的纤芯中。
S2、第一谐振腔产生波长为3μm的激光。
如图3所示，在此过程中，掺Dy3+:InF3光纤中的Dy3+的能级变化包括：
1.1：当1.7μm激光到达掺Dy3+:InF3光纤纤芯时，掺Dy3+:InF3光纤中处于能级6H15/2 13上的Dy3+将通过1.7μm基态吸收过程17跃迁至能级6H11/2 15上；
1.2：由于能级6H11/2 15的寿命很短，约0.74μs，处于能级6H11/2 15上的大部分离子将通过多声子弛豫A 18逐渐到达能级6H13/2 14，此时能级6H13/2 14和能级6H15/2 13之间形成离子数反转，在第一光纤光栅和第四光纤光栅形成的第一谐振腔内产生波长为3μm的受激辐射。
S3、产生的3μm激光经第一聚焦透镜传输至二色镜并经由二色镜反射输出。
由于能级6H11/2 15的寿命很短，能级6H11/2 15和能级6H13/2 14之间不能建立起离子数反转，因此在此过程中没有波长为4.3μm的激光产生。
S4、在第一激光泵浦源开启的同时打开第二激光泵浦源，第二激光泵浦源发出2.35μm泵浦光。
S5、产生的2.35μm泵浦光经第二准直透镜准直后传输至第二聚焦透镜，然后聚焦耦合进入单包层掺Dy3+:InF3光纤的纤芯中。
如图3所示，在此过程中，掺Dy3+:InF3光纤中的Dy3+的能级变化包括：
2.1：当2.35μm激光聚焦耦合进入掺Dy3+:InF3光纤纤芯时，经多声子弛豫A 18到达能级6H13/2 14的大部分离子在2.35μm激发态吸收过程20作用下跃迁至合并能级6F11/2 6H9/216上。
2.2：由于合并能级6F11/2 6H9/2 16的寿命非常短，约39ns，处于合并能级6F11/2 6H9/216的大部分离子将通过多声子弛豫B 21到达能级6H11/2 15，因此，在2.35μm激发态吸收过程20的作用下，能级6H13/2 14的离子数减少而能级6H11/2 15的离子数增大，此时能级6H11/2 15和能级6H13/2 14之间形成离子数反转，在第二光纤光栅和第三光纤光栅形成的第二谐振腔内产生波长为4.3μm的受激辐射，同时抑制3μm激光的产生。
由于2.35μm激发态吸收过程20使得能级6H13/2 14的离子数大量减少，破坏了能级6H13/2 14和能级6H15/2 13之间的离子数反转，因此此时波长为3μm的激光无法产生。
S7、产生的4.3μm激光经第一聚焦透镜传输至二色镜并经由二色镜反射输出。
上述过程中，当只开启波长为1.7μm的泵浦光时，对应的能级为能级6H13/2 14和能级6H15/2 13，对应于能级6H13/2 14→能级6H15/2 13的跃迁，对应于第一光纤光栅和第四光纤光栅构成的第一谐振腔，产生的激光波长为3μm；当同时开启波长为1.7μm和2.35μm的泵浦光时，对应的能级为能级6H11/2 15和能级6H13/2 14，对应于能级6H11/2 15 → 能级6H13/2 14的跃迁，对应于第二光纤光栅和第三光纤光栅构成的第二谐振腔，产生的激光波长为4.3μm。因此，采用本发明的光纤激光器，通过控制2.35μm泵浦源的开关，便可便捷实现3μm和4.3μm波长激光的灵活切换。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双波长可切换光纤激光器，其特征在于：包括沿水平方向依次设置的第一激光泵浦源、第一准直透镜、二色镜、第一聚焦透镜、第一光纤光栅、第二光纤光栅、单包层掺Dy3 +:InF3光纤、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第二聚焦透镜、第二准直透镜和第二激光泵浦源；第一光纤光栅和第四光纤光栅形成产生3μm激光的第一谐振腔，第二光纤光栅和第三光纤光栅形成产生4.3μm激光的第二谐振腔；
第一激光泵浦源产生波长为1.7μm的激光，第一准直透镜用于将1.7μm激光准直，第一聚焦透镜用于将1.7μm激光耦合进单包层掺Dy3+:InF3光纤纤芯；
第二激光泵浦源产生波长为2.35μm的激光，第二准直透镜用于将2.35μm激光准直，第二聚焦透镜用于将2.35μm激光耦合进单包层掺Dy3+:InF3光纤纤芯；
二色镜用于反射单包层掺Dy3+:InF3光纤纤芯产生的输出激光。
2.根据权利要求1所述的双波长可切换光纤激光器，其特征在于：所述第一激光泵浦源和第二激光泵浦源均采用单模光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的双波长可切换光纤激光器，其特征在于：所述单包层掺Dy3+:InF3光纤的掺杂浓度为0.2mol%，纤芯直径为12μm，包层直径为80μm。
4.一种基于权利要求1所述双波长可切换光纤激光器的激光产生方法，其特征在于：包括
打开第一激光泵浦源，第一激光泵浦源发出1.7μm泵浦光；
1.7μm泵浦光经第一准直透镜准直后传输至第一聚焦透镜，然后耦合进入单包层掺Dy3 +:InF3光纤的纤芯中；
第一谐振腔产生波长为3μm的激光；
产生的3μm激光经第一聚焦透镜传输至二色镜并经由二色镜反射输出；
打开第二激光泵浦源，第二激光泵浦源发出2.35μm泵浦光；
2.35μm泵浦光经第二准直透镜准直后传输至第二聚焦透镜，然后耦合进入单包层掺Dy3 +:InF3光纤的纤芯中；
第二谐振腔产生波长为4.3μm的激光并抑制3μm激光的产生；
产生的4.3μm激光经第一聚焦透镜传输至二色镜并经由二色镜反射输出。
5.根据权利要求4所述的双波长可切换光纤激光器的激光产生方法，其特征在于：所述第一谐振腔产生波长为3μm的激光时能级变化过程为：
1.1：1.7μm激光到达掺Dy3+:InF3光纤纤芯，掺Dy3+:InF3光纤中处于能级6H15/2上的Dy3+将通过1.7μm基态吸收过程跃迁至能级6H11/2上；
1.2：处于能级6H11/2上的离子通过多声子弛豫A逐渐到达能级6H13/2，使能级6H13/2和能级6H15/2之间形成离子数反转；
1.3:第一谐振腔产生波长为3μm的受激辐射。
6.根据权利要求4所述的双波长可切换光纤激光器的激光产生方法，其特征在于：所述第二谐振腔产生波长为4.3μm的激光时能级变化过程为：
2.1：2.35μm激光到达掺Dy3+:InF3光纤纤芯，经多声子弛豫A到达能级6H13/2的离子在2.35μm激发态吸收过程作用下跃迁至合并能级6F11/2 6H9/2上；
2.2：处于合并能级6F11/2 6H9/2的离子通过多声子弛豫B到达能级6H11/2；
2.3：在2.35μm激发态吸收过程的作用下，能级6H13/2的离子数减少而能级6H11/2的离子数增大，能级6H11/2和能级6H13/2之间形成离子数反转；
2.4：第二谐振腔产生波长为4.3μm的受激辐射。
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