CN113300202A - 一种双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统。所述系统包括泵浦源，泵浦耦合透镜，Er3+:ZBLAN光纤，信号光耦合透镜，分束镜，声光开关，利特罗光栅和输出耦合镜。本发明主要通过在双波长泵浦低掺Er3+:ZBLAN光纤激光器自由运转下，插入声光开关调制器和利特罗光栅波长调谐调制器，输出稳定波长的可调谐短脉冲中红外光纤激光，该系统可以高能量运转。本发明适用于其他中红外波长的可调谐短脉冲光纤激光输出，而且可以在高能量运转。

Description

一种双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统
技术领域
本发明涉及一种双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，具体地说，涉及一种使掺铒氟化物光纤激光器实现在双波长泵浦下的可调谐脉冲激光输出。
背景技术
近3-μm波段的中红外激光是良好的大气吸收窗口，热辐射能量集中波段以及水吸收较强区域。在环境监测中，尤其是2.8-μm波长附近的中红外激光与多种重要的气体分子(如CO、NO2、H2S等)的吸收峰频谱重叠，可以提高测量灵敏度。该波段激光也可用于激光手术，特别是脉冲激光，可作为一种极其精准的切割工具，减小创伤，提高伤口愈合速度。所以，在军事、遥感、激光医疗等领域都要重要的应用价值。因此越来越受到很多研究者关注。
在2.8-μm波段，主流有两种方法可以产生中红外光纤激光，一种是用非掺杂的非线性光纤作为增益介质，根据其拉曼增益特性对泵浦光进行斯托克斯频移产生长波长激光。另一种是利用掺杂稀土离子的光纤直接作为增益介质，依靠离子能级跃迁来产生激光。相对于第一种方法因需要多个拉曼激光谐振腔而导致效率随着拉曼阶数增多而降低，第二种方法中多种稀土离子的能级辐射与2.8-μm波段激光相对应，简便易行；2.8-μm波段光纤激光器增益光纤的基质材料典型为多组分氟化物光纤(ZBLAN)，与传统石英光纤在波长大于2.2-μm相比，ZBLAN材料中的声子能量小于550-cm-1，无辐射弛豫率小，在波长低于6.0-μm的范围内都可以实现低损耗传输。稀土离子在ZBLAN中的溶解度很大，且具有较长的荧光寿命，能形成更多的介稳能级，可获得丰富的激光跃迁波长，所以上转换量子效率和发光效率都很高。
Er3+:ZBLAN光纤激光器以掺Er3+离子单能级跃迁的结构，在975-nm商用半导体激光的泵浦作用下，基态4I15/2能级上的Er3+离子通过基态吸收(GSA)被激发到较高的能级4I11/2，激发态吸收过程(ESA)将能级4I11/2上的部分Er3+激发到较高的能级4F7/2能级。2.8-μm激光产生于4I11/2→4I13/2，由于4I11/2能级寿命(6.9-ms)比4I13/2能级寿命(9.0-ms)短，大部分粒子将会在4I13/2能级聚集，导致4I11/2→4I13/2的粒子数反转无法形成，将会导致激光振荡自终止现象。针对这个问题，目前存在三个解决方案：
(1)通过高掺杂Er3+离子(掺杂浓度大于6-mol.％)来增强粒子间的能量转移概率,如图1所示，相邻的两个粒子之间通过(4I13/2，4I13/2)→(4I15/2，4I9/2)的能量交换过程(ETU1)，其中一个粒子得到能量被激发到4I9/2能级，由于4I9/2能级的寿命很短，粒子很快弛豫到激光上能级，另外一个粒子失去能量掉到基态，该ETU1不仅增多了激光上能级粒子数，而且还减少了激光下能及粒子；
(2)引入Pr3+离子转移粒子，Er3+离子的激光上能级4I11/2和激光下能级4I13/2上的粒子能量可以分别传递到Pr3+离子的1G4能及和3F4能级，但是后者的传递速率较大，因此可以实现Er3+激活离子的粒子数反转；
(3)通过1.61-μm的级联受激辐射放大也可以消耗4I13/2能级上的粒子数，实现4I11/2和4I13/2能级间的粒子束反转。
相比较于以上三种解决激光振荡自终止问题的办法，级联激光技术是解决此问题最高效的办法。因为前两种办法都需要高掺杂Er3+离子，势必会产生较高的热量。在室温下，对于975-nm波长半导体激光泵浦的高掺Er3+:ZBLAN光纤，Er3+离子通过4I15/2→4I11/2→4I13/2的跃迁过程来实现2.8-μm激光振荡，其量子亏损高达65％，这意味着该激光振荡具有较低的转换效率；并且高掺杂导致强的泵浦吸收，会使光纤纤芯温度过高，在这种情况下，光纤本身所特有的长相互作用长度以及热分布均匀的优点也将丧失。
级联激光技术旨在通过另一个激光跃迁减少低能级激光的粒子数，从而增加粒子数反转，以克服粒子数瓶颈。在基于Er3+:ZBLAN的光纤激光器中，采用1.6-μm级联激光对4I13/2能级进行消布，实现了2.8-μm处4I11/2→4I13/2跃迁的居群反转。与ETU方法的能量回收不同，级联操作提供了不需要高浓度掺杂Er3+光纤的优势，以实现高激光效率，同时保证较低的纤芯温度。在轻掺系统中，与重掺杂系统相比，ETU1对两种波长的效率影响都较低。模拟结果表明，在出现1.6-μm过渡之前，ETU1只对2.8-μm处的效率有贡献，而ETU2对这两种效率的影响都要低得多.1.6和2.8-μm的激光阈值随ETU1的增加而增加，但也降低了4I13/2能级的粒子数量，并对2.8-μm激光器的斜效率有正向贡献。ESA与重掺杂体系具有相同的效果，它通过降低斜率效率和提高1.6-μm跃迁阈值，将离子从4I11/2能级中去除，并影响两种跃迁的性能。然而，ETU2和ESA的整体效果明显低于重掺杂体系,因为Er3+浓度较低，离子-离子相互作用较弱。先前的数值模拟已经表明，在级联的Er3+:ZBLAN激光系统中，1～3mol.％的Er3 +浓度范围对于在较低的纤芯温度下获得最佳斜率效率和阈值水平是理想的.另一方面，基于1.6-μm和2.8-μm发射的Er3+掺杂介质的级联激光运转，可以使用低浓度的光纤，与ETU方法回收能量相比，沿有源光纤产生的热量要低得多。
在脉冲激光方面，对于高掺ZBLAN光纤激光介质而言，掺Er3+离子浓度高会产生可饱和吸收效应，导致激光振荡中有自脉冲调制现象；掺杂浓度高会使制备工艺加难，导致材料的不均匀性，在高能量运转时，材料均匀性和内部应力会产生激光束退偏和波面畸变现象，从而导致腔损增大，激光效率下降和光束质量变差。而且目前的研究结果表明，用于中红外的可饱和吸收体调制材料，如Fe2+:ZnSe，SESAM、石墨烯、拓扑绝缘体、黑磷、MoS2等，一般产生的都是脉宽为μs量级的调Q脉冲激光。从应用前景来看，ns脉冲比μs脉冲有更广泛的应用范围。
本发明主要实现2.8-μm波段低掺Er3+:ZBLAN光纤激光器可调谐和ns脉冲激光技术。
发明内容
本发明的目的在于提出一种简单易行的双波长泵浦可调谐中红外脉冲激光技术。
根据本发明实施例的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统包括：第一泵浦源1、第二泵浦源2、第一泵浦光准直透镜3、第一泵浦光准直透镜10、第一泵浦光聚焦透镜4、第一泵浦光聚焦透镜11、第一分束镜5和第一分束镜12，激光谐振腔由利特罗光栅8和输出耦合镜14组成，
第一泵浦源1经第一泵浦光准直透镜3、第一泵浦光聚焦透镜4和第一分束镜5耦合进入增益光纤9的包层；
第二泵浦源2经第二泵浦光准直透镜10、第二泵浦光聚焦透镜(11)和第二分束镜12耦合进入增益光纤9的纤芯；
其中一路信号光经过第一分束镜5反射到声光开关7所在光路上，并且经第一信号光准直透镜6准直进入声光开关7，再经过利特罗光栅8衍射回光路中；
另一路信号光经过第二分束镜12反射到耦合输出光路上，并且经第二信号光准直透镜13准直，再经过输出耦合镜14输出。
优选地，所述第一泵浦源1为半导体激光器，输出波长为976nm，带尾纤输出，尾纤数值孔径0.22，直径105μm，激光输出功率为30W；以及/或者
所述第二泵浦源2为Er,Yb共掺光纤激光器，输出波长为1610nm，Er,Yb光纤纤芯直径为10μm，包层为130μm，纤芯数值孔径为0.09，激光输出功率为8W。
优选地，所述第一泵浦光准直透镜3是焦距为25.4mm的平凸透镜，第一泵浦光聚焦透镜4是焦距为50mm的平凸透镜，两块透镜均在650-1050nm镀增透膜；以及/或者
所述第二泵浦光准直透镜10和所述第二泵浦光聚焦透镜11都是焦距为30mm的平凸透镜，在1050-1700nm波段镀增透膜。
优选地，所述第一分束镜545°镀膜在900-1700nm高透，在2800-3200nm高反；以及/或者
所述第二分束镜12为45°镀膜，在波长650-1050nm&2800-3200nm高反，在波长1500-1700nm高透。
优选地，所述第一信号光准直透镜6为焦距30mm的平凸透镜，在2800-3200nm镀增透膜。
优选地，，所述声光开关7在2800-3200nm镀增透膜，衍射效率为85％。
优选地，所述利特罗光栅8设计波长3.5μm，每mm刻线数300，闪耀角26.5°，色散为2.86nm/mrad。
优选地，所述增益光纤9为低掺Er3+:ZBLAN光纤，纤芯直径为16.5μm，数值孔径为0.12，内包层直径为240/260μm的双D型结构，数值孔径为0.4，光纤长度5m，掺杂浓度1mol.％。
优选地，所述第二信号光准直透镜13为焦距30mm的平凸透镜，在2800-3200nm镀增透膜。
优选地，所述输出耦合镜14在650-1050nm波段处镀高反射膜，在2800-3200nm波段范围透过率为70％，反射率30％。
本发明的实施例采用975nm半导体激光和1.61μm光纤激光同时泵浦，然后插入利特罗结构衍射光栅和声光开关，通过声光开光7和利特罗光栅8的调制，可以获得稳定的中红外可调谐脉冲激光输出，更利于实际应用，从而实现稳定的2.8-μm中红外脉冲可调谐激光输出。
利特罗结构衍射光栅主要用来对Er3+:ZBLAN光纤进行波长调谐，并可以作为腔镜，控制输出激光波长的稳定性，由于光栅的衍射效率很高，作为激光器谐振腔的腔镜，引入的插入损耗很小，可以实现宽波段的可调谐稳定波长输出的同时保持较高的斜效率。
声光开关用来对Er3+:ZBLAN光纤激光器进行主动调Q，由于声光晶体的物理机械特性较之传统的二维材料的性能要优秀得多，所以可以实现短脉宽的稳定脉冲输出。
本发明能够针对目前高掺Er3+:ZBLAN光纤2.8-μm激光振荡难以高能量稳定输出存在的问题，弥补现有技术的不足。
附图说明
图1是Er3+:ZBLAN的能级示意图。
图2是本发明实施例的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光器装置示意图。
1——第一泵浦源
2——第二泵浦源
3——第一泵浦光准直透镜
4——第一泵浦光聚焦透镜
5——第一分束镜
6——第一信号光准直透镜
7——声光开关
8——利特罗光栅
9——增益光纤
10——第二泵浦光准直透镜
11——第二泵浦光聚焦透镜
12——第二分束镜
13——第二信号光准直透镜
14——输出耦合镜
具体实施方式
双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统采用低掺杂Er3+:ZBLAN增益光纤，泵浦光采用976nm半导体激光器和1610nm Er,Yb共掺光纤激光器，通过声光开关主动调Q产生一束具有较好光束质量的中红外脉冲激光，同时在腔内加入光谱控制元件利特罗光栅获得光谱稳定可调谐的2.8μm脉冲激光输出。
由调Q理论可知，储能决定着输出脉冲能量的大小。在之前的装置系统中，由于声光开关也处于泵浦光传输光路上，在声光开关关断时，泵浦光也不能反射回去，从而只有单程吸收。根据理论分析，双程吸收时可以有更高的粒子数反转率，因此，为了提高输出脉冲能量，直接的实施方案就是使得泵浦光能够双程吸收，对于用双波长泵浦这是整个系统的重要改进，因为其中一路泵浦是光束质量较好的光纤激光泵浦源，单程没有完全吸收的泵浦经过再次吸收，从而可以非常显著提高反转粒子数。
如图2所示，根据本发明实施例的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统包括：第一泵浦源1、第二泵浦源2、第一泵浦光准直透镜3、第一泵浦光准直透镜10、第一泵浦光聚焦透镜4、第一泵浦光聚焦透镜11、第一分束镜5和第二分束镜12。
第一泵浦源1和第二泵浦源2为不同波长的激光源，可以采用任何适当的结构、参数、功率等，而都在本发明的保护范围之内。
在一个可选实施例中，例如，第一泵浦源1为半导体激光器，输出波长为976nm，带尾纤输出，尾纤数值孔径0.22，直径105μm，激光输出功率为30W。相应地，第二泵浦源2为Er,Yb共掺光纤激光器，输出波长为1610nm，Er,Yb光纤纤芯直径为10μm，包层为130μm，纤芯数值孔径为0.09，激光输出功率为8W。
与之类似，第一泵浦光准直透镜3、第一泵浦光准直透镜10、第一泵浦光聚焦透镜4、第一泵浦光聚焦透镜11、第一分束镜5和第二分束镜12，也都可以采用任何适当的结构、参数等，而都在本发明的保护范围之内。
在本发明的实施例中，激光系统的激光谐振腔由利特罗光栅8和输出耦合镜14组成。采用第一泵浦源1经第一泵浦光准直透镜3、第一泵浦光聚焦透镜4和第一分束镜5耦合进入增益光纤9的包层。第二泵浦源2经第二泵浦光准直透镜10、第二泵浦光聚焦透镜11和第二分束镜12耦合进入增益光纤9的纤芯。其中一路信号光经过第一分束镜5反射到声光开关7所在光路上，并且经第一信号光准直透镜6准直进入声光开关7，再经过利特罗光栅8衍射回光路中。另一路信号光经过第二分束镜12反射到耦合输出光路上，并且经第二信号光准直透镜13准直，再经过输出耦合镜14输出。
所述第一泵浦光准直透镜3是焦距为25.4mm的平凸透镜，第一泵浦光聚焦透镜4是焦距为50mm的平凸透镜，两块透镜均在650-1050nm镀增透膜。
所述第一分束镜5 45°镀膜在900-1700nm高透，在2800-3200nm高反。
所述第一信号光准直透镜6为焦距30mm的平凸透镜，在2800-3200nm镀增透膜。
所述声光开关7在2800-3200nm镀增透膜，衍射效率为85％。
所述利特罗光栅8设计波长3.5μm，每mm刻线数300，闪耀角26.5°，色散为2.86nm/mrad。
所述增益光纤9为低掺Er3+:ZBLAN光纤，纤芯直径为16.5μm，数值孔径为0.12，内包层直径为240/260μm的双D型结构，数值孔径为0.4，光纤长度5m，掺杂浓度1mol.％。
所述第二泵浦光准直透镜10和所述第二泵浦光聚焦透镜11都是焦距为30mm的平凸透镜，在1050-1700nm波段镀增透膜。
所述第二分束镜12为45°镀膜，在波长650-1050nm&2800-3200nm高反，在波长1500-1700nm高透。
所述第二信号光准直透镜13为焦距30mm的平凸透镜，在2800-3200nm镀增透膜。
所述输出耦合镜14在650-1050nm波段处镀高反射膜，在2800-3200nm波段范围透过率为70％，反射率30％。
在一优选的实施例中，双程吸收通过第二分束镜12的镀膜设计和输出耦合镜14来实现，如图2所示：第二分束镜12镀膜设计是对1610nm泵浦光高透，对976nm泵浦光高反和对2.8μm信号光高反，输出耦合镜14对976nm泵浦光高反，对2.8μm信号光有70％的透光率。通过对这两个镜子的组合，可以实现对未吸收的976nm泵浦光有二次吸收的能力，从而提高储能。
在一优选的实施例中，第一分束镜5对2.8μm信号光高反，对976nm和1610nm泵浦光高透，这样泵浦光不经过声光开关7，当声光开关处于关断状态时，泵浦光不会被阻断，仍然是双程吸收，这提高了泵浦吸收率，从而提高了Er3+:ZBLAN光纤储能，进而使脉冲能量增大。我们在声光开关所在光路上防止利特罗结构光栅，实现对脉冲激光的可调谐控制，从而实现波长稳定可调谐的中红外脉冲激光输出。
本发明的实施例采用975nm半导体激光和1.61μm光纤激光同时泵浦，然后插入利特罗结构衍射光栅和声光开关，通过声光开光7和利特罗光栅8的调制，可以获得稳定的中红外可调谐脉冲激光输出，更利于实际应用，从而实现稳定的2.8-μm中红外脉冲可调谐激光输出。
利特罗结构衍射光栅主要用来对Er3+:ZBLAN光纤进行波长调谐，并可以作为腔镜，控制输出激光波长的稳定性，由于光栅的衍射效率很高，作为激光器谐振腔的腔镜，引入的插入损耗很小，可以实现宽波段的可调谐稳定波长输出的同时保持较高的斜效率。
声光开关用来对Er3+:ZBLAN光纤激光器进行主动调Q，由于声光晶体的物理机械特性较之传统的二维材料的性能要优秀得多，所以可以实现短脉宽的稳定脉冲输出。
本发明能够针对目前高掺Er3+:ZBLAN光纤2.8-μm激光振荡难以高能量稳定输出存在的问题，弥补现有技术的不足。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，包括：第一泵浦源(1)、第二泵浦源(2)、第一泵浦光准直透镜(3)、第一泵浦光准直透镜(10)、第一泵浦光聚焦透镜(4)、第一泵浦光聚焦透镜(11)、第一分束镜(5)和第一分束镜(12)，激光谐振腔由利特罗光栅(8)和输出耦合镜(14)组成，
第一泵浦源(1)经第一泵浦光准直透镜(3)、第一泵浦光聚焦透镜(4)和第一分束镜(5)耦合进入增益光纤(9)的包层；
第二泵浦源(2)经第二泵浦光准直透镜(10)、第二泵浦光聚焦透镜(11)和第二分束镜(12)耦合进入增益光纤(9)的纤芯；
其中一路信号光经过第一分束镜(5)反射到声光开关(7)所在光路上，并且经第一信号光准直透镜(6)准直进入声光开关(7)，再经过利特罗光栅(8)衍射回光路中；
另一路信号光经过第二分束镜(12)反射到耦合输出光路上，并且经第二信号光准直透镜(13)准直，再经过输出耦合镜(14)输出。
2.根据权利要求1所述的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，所述第一泵浦源(1)为半导体激光器，输出波长为976nm，带尾纤输出，尾纤数值孔径0.22，直径105μm，激光输出功率为30W；以及/或者
所述第二泵浦源(2)为Er,Yb共掺光纤激光器，输出波长为1610nm，Er,Yb光纤纤芯直径为10μm，包层为130μm，纤芯数值孔径为0.09，激光输出功率为8W。
3.根据权利要求2所述的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，
所述第一泵浦光准直透镜(3)是焦距为25.4mm的平凸透镜，第一泵浦光聚焦透镜(4)是焦距为50mm的平凸透镜，两块透镜均在650-1050nm镀增透膜；以及/或者
所述第二泵浦光准直透镜(10)和所述第二泵浦光聚焦透镜(11)都是焦距为30mm的平凸透镜，在1050-1700nm波段镀增透膜。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，
所述第一分束镜(5)45°镀膜在900-1700nm高透，在2800-3200nm高反；以及/或者
所述第二分束镜(12)为45°镀膜，在波长650-1050nm&2800-3200nm高反，在波长1500-1700nm高透。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，所述第一信号光准直透镜(6)为焦距30mm的平凸透镜，在2800-3200nm镀增透膜。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，所述声光开关(7)在2800-3200nm镀增透膜，衍射效率为85％。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，所述利特罗光栅(8)设计波长3.5μm，每mm刻线数300，闪耀角26.5°，色散为2.86nm/mrad。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，所述增益光纤(9)为低掺Er3+:ZBLAN光纤，纤芯直径为16.5μm，数值孔径为0.12，内包层直径为240/260μm的双D型结构，数值孔径为0.4，光纤长度5m，掺杂浓度1mol.％。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，所述第二信号光准直透镜(13)为焦距30mm的平凸透镜，在2800-3200nm镀增透膜。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的双波长泵浦可调谐中红外脉冲光纤激光系统，其特征在于，所述输出耦合镜(14)在650-1050nm波段处镀高反射膜，在2800-3200nm波段范围透过率为70％，反射率30％。
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