CN114498266A - 一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器 - Google Patents

一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、谐振腔以及隔离器；所述谐振腔包括依次连接的窄带光栅、增益光纤和宽带光栅；所述泵浦源发出的泵浦光通过所述波分复用器的泵浦端耦合进入所述谐振腔，在腔内形成激光振荡，产生1.7μm波段单频光纤激光，所述1.7μm波段单频光纤激光经过所述波分复用器，再经所述隔离器后输出；其中，所述增益光纤为GaSb单晶半导体复合光纤。该1.7μm单频光纤激光器为全光纤的分布布拉格反射(DBR)谐振腔结构，结构简单，紧凑，能够长期稳定运行，易于操作，可实现1.7μm波段单频激光输出。

Description

一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，具体涉及一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器。
背景技术
1.7μm波段光纤激光器在生物医疗、中红外激光产生、有机物测量、激光加工等领域具有广阔的应用前景。目前，1.7μm波段光纤激光器的研究处于初期阶段，主要通过三种方法去实现[张岩，张鹏，刘鹏等.1.7μm波段光纤光源研究进展及其应用[J].激光与光电子学进展，2016，53：090002]：(1)泵浦掺Tm光纤，并用滤波器得到1.7μm波段增益谱；(2)泵浦Tm-Tb掺杂或掺Bi光纤直接得到1.7μm波段增益谱；(3)基于拉曼频移等非线性效应，采用1.55μm激光泵浦非线性光纤产生拉曼频移等得到1.7μm波段增益谱。然而，方法(1)掺Tm光纤在1.7μm波段增益较低，滤波后增益谱输出功率和效率较低；方法(2)Tm-Tb掺杂和掺Bi光纤的研制处于起步阶段，增益较低；方法(3)受限于泵浦光的功率，得到波长大于1750nm的激光比较困难，且激光器结构复杂，效率较低、稳定性较差。因此，亟需研发高增益的1.7μm波段增益光纤，进而研制出高性能的1.7μm波段光纤激光器。
目前，1.7μm波段单频光纤激光器的研究也处于初始阶段，大多基于掺Tm玻璃光纤，然而掺Tm玻璃光纤在1.7μm波段增益较低，采用DBR线性短腔获得的1.7μm波段单频激光输出功率和效率较低[X.Cen,X.Guan,C.Yang,et al.,Short-wavelength,in-band-pumpedsingle-frequency DBR Tm3+-doped germanate fiber laser at 1.7μm,IEEE PhotonicsTechnol.Lett.,33(7):350-353(2021)]。与DBR线性短腔相比，采用环形腔或复合腔结构可以一定程度上提高1.7μm波段单频激光输出的功率和效率，但会导致1.7μm波段单频光纤激光器的结构变的复杂，易受外界环境干扰，稳定性较差，噪声较差[J.Zhang,Q.Sheng,L.Zhang,et al.,Single-frequency 1.7-μm Tm-doped fiber laser with opticalbistability of both power and longitudinal mode behavior,Opt.Express,29(14):21409-21417(2021)；L.Zhang,J.Zhang,Q.Sheng,et al.,Watt-level 1.7-μm single-frequency thulium-doped fiber oscillator,Opt.Express,29(17):27048-27056(2021)]。
因此，亟需研发一种结构紧凑、稳定性好、易于操作、高性能的1.7μm波段单频光纤激光器，进而满足应用需求。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，该1.7μm单频光纤激光器具有结构紧凑、稳定性好、易于操作、高性能的优点，输出单频激光波长在1650nm～1750nm范围内可调，最大输出功率在1mW～5W范围内可调，线宽小于1MHz。
本发明的目的通过以下方案实现：
本发明的第一方面，提供一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、谐振腔以及隔离器；所述谐振腔包括依次连接的窄带光栅、增益光纤和宽带光栅；
所述泵浦源发出的泵浦光通过所述波分复用器的泵浦端耦合进入所述谐振腔，在腔内形成激光振荡，产生1.7μm波段单频光纤激光，所述1.7μm波段单频光纤激光经过所述波分复用器，再经所述隔离器后输出；
其中，所述增益光纤为GaSb单晶半导体复合光纤。
在其中一个实施例中，所述GaSb单晶半导体复合光纤的包层为玻璃，纤芯为GaSb单晶半导体。
在其中一个实施例中，所述包层为多组分锗酸盐玻璃。
在其中一个实施例中，所述纤芯的直径为3μm～10μm，所述GaSb单晶半导体复合光纤的直径为123μm～127μm。
在其中一个实施例中，所述GaSb单晶半导体复合光纤的前驱体光纤采用纤芯熔融法或高压化学气相沉积法制备，再通过电加热和/或激光加热热处理将所述前驱体光纤的纤芯熔融再结晶，制备所述GaSb单晶半导体复合光纤。
在其中一个实施例中，所述泵浦源的波长为808nm～1064nm。
在其中一个实施例中，所述泵浦源的波长为808nm、980nm或1064nm。
在其中一个实施例中，所述1.7μm单频光纤激光器输出的单频激光的波长在1650nm～1750nm范围内可调。
在其中一个实施例中，所述1.7μm单频光纤激光器输出的单频激光的最大输出功率在1mW～5W范围内可调。
在其中一个实施例中，所述1.7μm单频光纤激光器输出的单频激光的线宽小于1MHz。
本发明与现有技术相比具有非常显著的有益效果：
(1)本发明提供了一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其结构紧凑、稳定性好、易于操作，具有广阔的应用前景，如生物成像、中红外激光产生、有机化学分析、特殊材料加工等领域。
(2)本发明的1.7μm单频光纤激光器输出激光波长在1650nm～1750nm范围内可调，最大输出功率在1mW～5W范围内可调，线宽小于1MHz。
(3)本发明为特殊波段单频光纤激光器的构建提供了新思路，为基于单晶半导体复合光纤的单频光纤激光器的研制提供了可行的技术方案。
附图说明
图1为本发明一实施例的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本文所使用的术语“和/或”、“或/和”、“及/或”的可选范围包括两个或两个以上相关所列项目中任一个项目，也包括相关所列项目的任意的和所有的组合，所述任意的和所有的组合包括任意的两个相关所列项目、任意的更多个相关所列项目、或者全部相关所列项目的组合。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，上述数值区间内视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
本发明中涉及的百分比含量，如无特别说明，对于固液混合和固相-固相混合均指质量百分比，对于液相-液相混合指体积百分比。
本发明中涉及的百分比浓度，如无特别说明，均指终浓度。所述终浓度，指添加成分在添加该成分后的体系中的占比。
本发明中的温度参数，如无特别限定，既允许为恒温处理，也允许在一定温度区间内进行处理。所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。
如图1所示，本发明提供一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，包括泵浦源100、波分复用器200、谐振腔300以及隔离器400；谐振腔300包括依次连接的窄带光栅301、增益光纤302和宽带光栅303；其中，增益光纤302为GaSb单晶半导体复合光纤。
泵浦源100发出的泵浦光通过波分复用器(WDM)200的泵浦端耦合进入到谐振腔300内，谐振腔300由依次连接的窄带光栅301、增益光纤302和宽带光栅303构成。泵浦光由窄带光栅301进入，利用宽带光栅303和窄带光栅301实现腔内激光振荡，结合增益光纤302，即GaSb单晶半导体复合光纤的高增益特性，从而在构建的线性短腔中获得1.7μm波段单频光纤激光，1.7μm波段单频激光经与波分复用器200的输出端相连接的隔离器400(确保单频激光的单向传输)后输出。
进一步地，泵浦源100的波长可以是808nm～1064nm。具体地，泵浦源100的波长为808nm、980nm或1064nm。GaSb是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，具有窄禁带直接跃迁发光的独特优势，波长小于其禁带宽度(室温下约为0.725eV，对应波长约为1710nm)的激光光源均可作为泵浦源，优选商用高功率的808nm或980nm半导体激光器作为泵浦源。
进一步地，增益光纤302为GaSb单晶半导体复合光纤，光纤的包层为玻璃，纤芯为GaSb单晶半导体。在其中一个具体的实施例中，包层是石英玻璃或多组分氧化物玻璃，优选在红外波段具有高透过性的多组分锗酸盐玻璃。另外，纤芯为GaSb单晶半导体，可进行不同组分的掺杂，以实现不同波长的激光输出。该GaSb单晶半导体复合光纤具有优异的发光性能、损耗低，在1.7μm波段具有高的增益。
进一步地，GaSb单晶半导体复合光纤的前驱体光纤采用纤芯熔融法或高压化学气相沉积法制备，然后采用电加热和/或激光加热热处理，使GaSb半导体纤芯熔融再结晶，制备出GaSb单晶半导体复合光纤。其中，纤芯熔融法拉制过程中，在包层玻璃开始成丝时，纤芯处于熔融状态，并随着包层一起成丝，但直接拉制的前驱体光纤纤芯为非晶态或多晶态的，需要经过拉丝后的热处理使纤芯单晶化。尽管高压化学气相沉积法可精确控制纤芯的组分和纤芯的尺寸，但其制备出的前驱体光纤纤芯也是非晶态或多晶态的，同样需要经过拉丝后的热处理使纤芯单晶化。而电加热和/或激光加热热处理均可使半导体纤芯熔融再结晶，进而获得单晶半导体纤芯复合玻璃光纤。
进一步地，电加热热处理的温度为720℃～760℃，前驱体光纤下降的速率为4～7mm/h。
进一步地，激光加热热处理的条件包括：激光波长为532nm～808nm，激光功率为1W～2W，移动速率为3～5mm/h。
进一步地，GaSb单晶半导体复合光纤的纤芯直径为3μm～10μm，GaSb单晶半导体复合光纤的直径为123μm～127μm。
进一步地，GaSb单晶半导体复合光纤的长度为1.5cm～3cm。
如下为具体的实施例，如无特别说明，实施例中采用的原料均为市售产品。
实施例1
本发明实施例的激光器结构示意图如附图1所示，包括980nm半导体激光器泵浦源100、980/1750nm波分复用器200、窄带光栅301、增益光纤302、宽带光栅303、隔离器400。窄带光栅301在信号光1750nm处的反射率为85％；宽带光栅303在信号光1750nm处的反射率为99.9％，在泵浦光980nm的反射率为4.5％。
增益光纤302为3cm长的GaSb单晶半导体复合光纤，纤芯为GaSb单晶半导体，包层为多组分锗酸盐玻璃，按质量百分比计，其氧化物配方为16BaO-14Ga2O3-60GeO2-8La2O3-2Y2O3；纤芯直径为10μm，光纤直径为127μm；GaSb单晶半导体复合光纤的前驱体光纤采用纤芯熔融法在1000℃拉制，随后采用激光加热热处理使纤芯熔融再结晶，激光波长为532nm，激光功率为1W，移动速率为3mm/h，获得GaSb单晶半导体复合光纤。
上述激光器实现波长为1750nm的单频激光输出，最大输出功率为1mW，线宽为800kHz。
实施例2
本发明实施例的激光器结构示意图如附图1所示，包括808nm半导体激光器泵浦源100、808/1710nm波分复用器200、窄带光栅301、增益光纤302、宽带光栅303、隔离器400。窄带光栅301在信号光1710nm处的反射率为75％；宽带光栅303在信号光1710nm处的反射率为99.5％，在泵浦光808nm的反射率为3％。
增益光纤302为1.5cm长的GaSb单晶半导体复合光纤，纤芯为GaSb单晶半导体，包层为商用石英玻璃，纤芯直径为3μm，光纤直径为125μm，GaSb单晶半导体复合光纤的前驱体光纤采用高压化学气相法制备，随后采用电加热热处理使纤芯熔融再结晶，将前驱体光纤垂直置于环形加热器中，热处理温度为740℃，前驱体光纤下降的速率为6mm/h，获得GaSb单晶半导体复合光纤。
上述激光器实现波长为1710nm的单频激光输出，最大输出功率为5W，线宽为10kHz。
实施例3
本发明实施例的激光器结构示意图如附图1所示，包括1064nm光纤激光器泵浦源100、1064/1650nm波分复用器200、窄带光栅301、增益光纤302、宽带光栅303、隔离器400。窄带光栅301在信号光1650nm处的反射率为50％；宽带光栅在信号光1650nm处的反射率为99.9％，在泵浦光1064nm的反射率为4％。
增益光纤302为2cm长的GaSb单晶半导体复合光纤，纤芯为GaSb单晶半导体，包层为多组分硅酸盐玻璃，按质量百分比计，其氧化物配方为70SiO2-10B2O3-10Na2O-5K2O-5Al2O3；纤芯直径为8μm，光纤直径为123μm，GaSb单晶半导体复合光纤的前驱体光纤采用纤芯熔融法在980℃拉制，随后采用激光加热热处理使纤芯熔融再结晶，激光波长为808nm，激光功率为2W，移动速率为5mm/h，获得GaSb单晶半导体复合光纤。
上述激光器实现波长为1650nm的单频激光输出，最大输出功率为1W，线宽为50kHz。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，包括泵浦源、波分复用器、谐振腔以及隔离器；所述谐振腔包括依次连接的窄带光栅、增益光纤和宽带光栅；
所述泵浦源发出的泵浦光通过所述波分复用器的泵浦端耦合进入所述谐振腔，在腔内形成激光振荡，产生1.7μm波段单频光纤激光，所述1.7μm波段单频光纤激光经过所述波分复用器，再经所述隔离器后输出；
其中，所述增益光纤为GaSb单晶半导体复合光纤。
2.根据权利要求1所述的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，所述GaSb单晶半导体复合光纤的包层为玻璃，纤芯为GaSb单晶半导体。
3.根据权利要求2所述的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，所述包层为多组分锗酸盐玻璃。
4.根据权利要求2所述的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，所述纤芯的直径为3μm～10μm，所述GaSb单晶半导体复合光纤的直径为123μm～127μm。
5.根据权利要求2所述的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，所述GaSb单晶半导体复合光纤的前驱体光纤采用纤芯熔融法或高压化学气相沉积法制备，再通过电加热和/或激光加热热处理将所述前驱体光纤的纤芯熔融再结晶，制备所述GaSb单晶半导体复合光纤。
6.根据权利要求1所述的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源的波长为808nm～1064nm。
7.根据权利要求6所述的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源的波长为808nm、980nm或1064nm。
8.根据权利要求1～7任一项所述的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，所述1.7μm单频光纤激光器输出的单频激光的波长在1650nm～1750nm范围内可调。
9.根据权利要求1～7任一项所述的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，所述1.7μm单频光纤激光器输出的单频激光的最大输出功率在1mW～5W范围内可调。
10.根据权利要求1～7任一项所述的基于GaSb单晶半导体复合光纤的1.7μm单频光纤激光器，其特征在于，所述1.7μm单频光纤激光器输出的单频激光的线宽小于1MHz。
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