CN113675715A - 一种脉冲掺铥光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲掺铥光纤激光器，将掺铥有源光纤置于1.5μm波段掺铒(Er3+)光纤激光器的谐振腔内，由于掺铥有源光纤对掺铒光纤发射的1.5μm波段激光具有可饱和吸收作用，能够使1.5μm波段掺铒(Er3+)光纤激光器以被动调Q的脉冲形式运转。而掺铥光纤吸收1.5μm波段激光、使掺铒光纤激光器脉冲运转的过程，同时也是掺铥光纤吸收泵浦光、产生基于3F4→3H6跃迁的1.7‑2μm激光增益的过程。由于1.5μm波段激光是以被动调Q的纳秒(ns)脉冲形式运转，掺铥光纤激光器工作在增益开关的模式下，能够产生比1.5μm激光脉冲宽度更窄、峰值功率更高的1.7‑2μm波段脉冲激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种脉冲掺铥光纤激光器。
背景技术
掺铥光纤激光器是获得1.7-2μm波段激光输出的主要技术途径。对于需要高峰值功率激光的应用场景，要设法实现激光器的脉冲运转来提高峰值功率。实现纳秒(ns)脉冲激光的常用方法包括：声光和电光等主动调Q方法以及可饱和吸收等被动调Q方法，但都需要引入额外的调Q器件，增加了激光系统的成本和复杂性[1]。除主动和被动调Q方法外，也可基于增益开关的方法实现掺铥光纤激光器的脉冲输出[2]：采用ns脉冲泵浦光对掺铥有源光纤进行泵浦。由于泵浦脉冲持续时间短、泵浦速率高，而掺铥光纤激光器振荡光场的建立需要一定时间，当掺铥光纤激光开始振荡时，有源光纤中已积累了较高的反转粒子数，因此能够产生脉宽明显短于泵浦脉冲宽度的激光输出。但增益开关作用要求首先产生脉冲泵浦光，同样需要引入额外的调Q元器件。
因此，探索实现掺Tm光纤激光器脉冲运转的新方法具有重要的应用价值。
参考文献
[1]张岩等,"1.7μm波段光纤光源研究进展及其应用"激光与光电子学进展,53,090002(2016)
[2]Xi Cheng,Zhihong Li,Jing Hou,and Zejin Liu,"Gain-switchedmonolithic fiber laser with ultra-wide tuning range at 2μm,"Opt.Express 24,29126-29137(2016)
发明内容
本发明提供了一种脉冲掺铥光纤激光器，本发明将掺铥有源光纤置于1.5μm波段掺铒(Er3+)光纤激光器的谐振腔内，由于掺铥有源光纤对掺铒光纤发射的1.5μm波段激光具有可饱和吸收作用，能够使1.5μm波段掺铒(Er3+)光纤激光器以被动调Q的脉冲形式运转。而掺铥光纤吸收1.5μm波段激光、使掺铒光纤激光器脉冲运转的过程，同时也是掺铥光纤吸收泵浦光、产生基于3F4→3H6跃迁的1.7-2μm激光增益的过程。由于1.5μm波段激光是以被动调Q的纳秒(ns)脉冲形式运转，掺铥光纤激光器工作在增益开关的模式下，能够产生比1.5μm激光脉冲宽度更窄、峰值功率更高的1.7-2μm波段脉冲激光输出，详见下文描述：
一种脉冲掺铥光纤激光器，所述激光器包括：泵浦源，
所述泵浦源发射掺铒有源光纤吸收带内的初始泵浦光，泵浦光经泵浦耦合器件进入掺铒有源光纤；
当激光增益超过由第一1.5μm光纤光栅和第二1.5μm光纤光栅构成的掺铒光纤激光器谐振腔的总损耗，形成1.5μm波段的激光在该谐振腔内振荡；
在掺铒光纤激光器谐振腔内设置有掺铥有源光纤，1.5μm波段的掺铒光纤激光器以被动调Q的脉冲模式运转，掺铥有源光纤在吸收1.5μm激光的过程中产生1.7-2μm激光增益，高反光纤光栅对1.7-2μm掺铥光纤增益范围内的目标激光波长高反，输出光纤光栅对1.7-2μm掺铥光纤增益范围内的目标激光波长部分反射；
当激光增益超过所述高反光纤光栅和所述输出光纤光栅构成的掺铥光纤激光器谐振腔的损耗后，形成1.7-2μm波段的激光在该谐振腔内振荡，并经过所述输出光纤光栅输出。
其中，所述掺铒有源光纤为单掺铒的光纤，或共掺了镱的敏化离子的光纤。
进一步地，所述泵浦源为半导体激光器，或光纤激光器或固体激光器，激光模式为基横模或多横模。
其中，所述泵浦耦合器件为波分复用器或信号泵浦合束器，或采用直接熔接耦合方式，根据泵浦源的形式和横模选择相应的耦合方式和器件。
进一步地，所述掺铒有源光纤可以为单模光纤，也可为多模光纤，吸收泵浦光，产生1.5μm波段的激光增益；所述掺铥有源光纤可以为单模光纤，也可为多模光纤，只要掺铒光纤、掺铥光纤以及其他光纤器件的尺寸和模场相匹配，能够实现低损耗熔接即可。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1)本发明将掺铥有源光纤置于掺铒光纤激光器的谐振腔内，基于掺铥有源光纤对泵浦光的可饱和吸收过程实现泵浦光脉冲运转，并进一步基于增益开关效应实现掺铥光纤激光器的窄脉宽脉冲运转；掺铥有源光纤既作为1.5μm波段激光的调Q元件，自身也是1.7-2μm波段激光的增益介质，系统无需额外的主动或被动调Q器件，结构简单、成本经济；
2)本发明将掺铥光纤置于掺铒光纤激光器的谐振腔内，入射掺铥光纤的1.5μm激光功率更高，因此允许采用更短的掺铥有源光纤实现理想的输出功率和转换效率，也有助于降低成本和简化结构；
3)由于掺铥有源光纤置于掺铒光纤激光器的谐振腔内，泵浦光功率密度大、泵浦速率高，有利于克服掺铥光纤激光器发射带短波长端(1.7μm附近)的重吸收损耗，实现高效率的短波长激光振荡和输出。
附图说明
图1为一种脉冲掺铥光纤激光器的光路示意图；
图2为一种脉冲掺铥光纤激光器的输出激光重频、脉宽、脉冲能量和峰值功率随泵浦功率的变化关系图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：泵浦源； 2：泵浦耦合器件；
3：第一1.5μm光纤光栅； 4：掺铒有源光纤；
5：高反光纤光栅； 6：掺铥有源光纤；
7：输出光纤光栅； 8：第二1.5μm光纤光栅。
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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了一种脉冲掺铥光纤激光器，该激光器包括：泵浦源1、泵浦耦合器件2、第一1.5μm光纤光栅3、掺铒有源光纤4、掺铥光纤激光器高反光纤光栅5、掺铥有源光纤6、掺铥光纤激光器输出光纤光栅7、第二1.5μm光纤光栅8；
其中，泵浦源1为光纤耦合输出的多模半导体激光器，波长976nm，光纤芯径100μm；泵浦耦合器件2为信号泵浦合束器，其泵浦尾纤芯径100μm，与泵浦源1的光纤规格相匹配，信号端口光纤为单模双包层光纤；第一1.5μm光纤光栅3对铒离子发射谱中对应Tm离子吸收峰的1560nm波长具有高反射率，反射率大于99％；掺铒有源光纤4为铒镱共掺的单模双包层光纤，纤芯和包层直径分别为6/125μm，长度5m，对976nm泵浦光吸收系数3.5dB/m，吸收多横模LD泵浦源1发射的976nm泵浦光，提供1560nm处的激光增益；掺铥光纤激光器高反光纤光栅5对1720nm波长高反，反射率大于95％；掺铥有源光纤6为单模光纤，长度1.4m，吸收1560nm激光，提供1.7-2.0μm波段的激光增益；掺铥光纤激光器输出光纤光栅7对1720nm波长部分透过，反射率R＝45％；第二1.5μm光纤光栅8对1560nm波长高反射，反射率R＝99％。
泵浦源1发出的976nm泵浦光经泵浦耦合器件2进入掺铒有源光纤4的包层，被铒离子吸收，产生1.5μm波段的激光增益，在第一1.5μm光纤光栅3和第二1.5μm光纤光栅8构成的掺铒光纤激光器谐振腔作用下形成1560nm激光振荡；掺铥有源光纤6吸收经过其中的1560nm激光，产生1.7-2.0μm波段的激光增益，在掺铥光纤激光器高反光纤光栅5和掺铥光纤激光器输出光纤光栅7构成的掺铥光纤激光谐振腔作用下形成1720nm激光振荡，经过掺铥光纤激光器输出光纤光栅7输出。
由于掺铥有源光纤6位于1560nm掺铒光纤激光器的谐振腔内，掺铥有源光纤6对该波段激光的可饱和吸收作用使1560nm掺铒光纤激光器被动调Q脉冲运转；在脉冲的1560nm激光泵浦作用下，掺铥光纤激光器以增益开关的形式工作，能够产生脉冲宽度更短、峰值功率更高的1720nm激光输出。
在本实施例给出的实验参数下，10W的976nm半导体激光器多模泵浦功率下掺铥光纤激光器能够产生平均功率1.1W、脉冲重复频率134kHz、脉宽宽度102ns、峰值功率82W的1720nm脉冲输出。
实施例2
上述实施例1中，掺铒有源光纤可以是单掺铒光纤，也可以是铒镱共掺光纤，只要能够提供对应掺铥有源光纤6的1.5μm吸收带处的增益即可，本发明实施例对此不做限制。
泵浦源1可以是多模半导体激光器，也可以是单横模半导体激光器或其他类型的激光器，泵浦波长可以是976nm、也可以是915nm等其他波长，只要对应掺铒有源光纤4的泵浦吸收带即可，本发明实施例对此不做限制。
相应地，如泵浦源1为单横模泵浦源，则相应泵浦耦合器件2为波分复用器(WDM)或其他类型的单模耦合器件，本发明实施例对此不做限制。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号和规格，包括光纤的尺寸、数值孔径、长度和掺杂浓度等，不做具体限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种脉冲掺铥光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：泵浦源，
所述泵浦源发射掺铒有源光纤吸收带内的初始泵浦光，泵浦光经泵浦耦合器件进入掺铒有源光纤；
当激光增益超过由第一1.5μm光纤光栅和第二1.5μm光纤光栅构成的掺铒光纤激光器谐振腔的总损耗，形成1.5μm波段的激光在该谐振腔内振荡；
在掺铒光纤激光器谐振腔内设置有掺铥有源光纤，1.5μm波段的掺铒光纤激光器以被动调Q的脉冲模式运转，掺铥有源光纤在吸收1.5μm激光的过程中产生1.7-2μm激光增益，高反光纤光栅对1.7-2μm掺铥光纤增益范围内的目标激光波长高反，输出光纤光栅对1.7-2μm掺铥光纤增益范围内的目标激光波长部分反射；
当激光增益超过所述高反光纤光栅和所述输出光纤光栅构成的掺铥光纤激光器谐振腔的损耗后，形成1.7-2μm波段的激光在该谐振腔内振荡，并经过所述输出光纤光栅输出。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲掺铥光纤激光器，其特征在于，所述掺铒有源光纤为单掺铒的光纤，或共掺了镱敏化离子的光纤。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲掺铥光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光器，或光纤激光器或固体激光器，激光模式为基横模或多横模。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲掺铥光纤激光器，其特征在于，所述泵浦耦合器件为波分复用器或信号泵浦合束器，或采用直接熔接耦合方式，根据泵浦源的形式和横模选择相应的耦合方式和器件。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲掺铥光纤激光器，其特征在于，
所述掺铒有源光纤为单模光纤，或多模光纤，吸收泵浦光，产生1.5μm波段的激光增益；
所述掺铥有源光纤为单模光纤，或多模光纤，仅需掺铒有源光纤、掺铥有源光纤以及其他光纤器件的尺寸和模场相匹配，能实现低损耗熔接即可。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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