CN115275748A - 基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器 - Google Patents
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Abstract
基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器属于激光技术领域，包括依次连接的2微米皮秒激光器、预放大器、光展宽器、放大器、主放大器、钬光纤和软玻璃光纤；所述2微米皮秒激光器用于产生2微米波段的皮秒脉冲激光；所述预放大器用于将所述皮秒脉冲激光的功率进行第一次预放大；所述光纤展宽器用于将第一次预放大后的皮秒脉冲激光进行脉冲展宽；所述放大器用于将脉冲展宽后的皮秒脉冲激光的功率进行第二次放大；所述主放大器用于将第二次放大后的皮秒脉冲激光进行主功率放大。本发明能够获得高功率、宽光谱的激光脉冲输出，具有结构紧凑、集成度高、稳定性好、价格低廉等优点。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器。
背景技术
超连续(SC)激光光源是指高峰值功率激光在非线性介质中传输时，由各种非线性效应和色散作用而形成的宽带激光光源。通过线性和非线性过程的复杂相互作用，具有宽带、明亮和平坦光谱的SC生成过程进一步从近红外区域推进到中红外区域。中红外SC激光器覆盖了较宽的大气传输窗口和许多分子特征吸收光谱，这使其在从基础科学研究到生物医学、材料加工、环境检测和国防安全的许多领域显示出独特的优势和应用价值。它被称为新一代高性能工业激光器、医用激光器和军用激光器。为了在中红外产生SC光谱，常用的技术方案是使用2μm波段激光在中红外窗口中泵浦低损耗的软玻璃光纤，例如氟化物光纤、碲酸盐光纤和硫系光纤。随着研究技术的不断发展和应用领域的迫切需要，对中红外超连续激光器也提出了更高功率、更宽光谱的要求。然而，平均功率的提高和频谱范围的扩展仍然遇到许多瓶颈。如何获得输出功率更高、光谱范围更宽的中红外SC激光器一直是该领域的研究热点。中红外SC激光器由两个重要部件组成：泵浦光源和非线性软玻璃光纤。中红外SC激光源在高功率下的长期稳定性也受到中红外光纤材料对功率和温度的耐受性的限制。中红外软玻璃光纤的产业升级难以快速完成，这需要解决结晶、除水、净化、拉制、色散和非线性参数设计等技术问题。而在泵浦光源方面，2006年，Hagen等人首次报道了基于ZBLAN光纤的中红外SC激光器，他们将1.55μm飞秒脉冲耦合到单模光纤(SMF)中，在拉曼孤子自频移的影响下，光谱的长波移到约2.2μm，然后脉冲通过透镜耦合到一段ZBLAN光纤中，最后获得了平均功率为5mW、光谱范围为1.8～3.4μm的中红外SC激光器。2006年，Xia等人通过建立1.5μm波段种子源铒镱光纤放大器(EYFA)-SMF-ZBLAN光纤的结构，提出了一种产生SC激光的新方案。经EYFA功率放大后，1.5μm波段ns激光脉冲在一段SMF中在调制不稳定性的影响下分裂为峰值功率高的孤子脉冲，最后在SPM、MI、SSFS等非线性效应下，在ZBLAN光纤中获得了输出功率为23mW、光谱范围为0.8-4.5μm的SC激光输出。后来，他们使用这种方法将功率增加到瓦级。随着掺铥光纤放大器(TDFA)的发展，Kulkarni等人进一步优化了上述方案，将EYFA级替换为1.55至2μm波长频移级，然后通过TDFA进行放大，在ZBLAN光纤中获得了功率为2.6W的1.9～4.5μm的中红外SC激光器。在长波边缘超过4μm的氟化物光纤中，许多工作都是基于这种方法实现。而使用2μm皮秒光源直接泵浦方案不仅可以精细结构，还能减少成本，但这一方案一直受限于泵浦脉冲的峰值功率较低，因此很难实现显著的光谱展宽。Liu等人报道了基于单模TDF主振荡功率放大器泵浦的ZBLAN光纤中获得总输出功率为21.8W的SC源，但SC光谱的长波边缘仅限于～3.8μm。在类似方案中，Yang等人报道了一种基于ZBLAN光纤输出功率为1W的SC源，其光谱范围为1.9～3.65μm。为了进一步提高脉冲能量，他们用大模场TDF取代了主放大级的增益光纤。SC的输出功率和长波边缘分别提高到7.1W和3.9μm，但3.5μm以上的功率占比并不高，阻碍了中红外SC激光器的实际发展。因此，采用2μm皮秒激光直接泵浦氟化物光纤，很难产生波长大于4μm的超连续谱，即使长波边缘超过4μm，后波段的光谱功率比例也不是很高。因此，进一步研究基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器、提高其光谱展宽范围和后波段的光谱功率比例具有重要的意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器，能够获得高功率、宽光谱的激光脉冲输出，具有结构紧凑、集成度高、稳定性好、价格低廉等优点。
基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器，包括依次连接的2微米皮秒激光器、预放大器、光展宽器、放大器、主放大器、钬光纤和软玻璃光纤；
所述2微米皮秒激光器用于产生2微米波段的皮秒脉冲激光；
所述预放大器用于将所述皮秒脉冲激光的功率进行第一次预放大；
所述光纤展宽器用于将第一次预放大后的皮秒脉冲激光进行脉冲展宽；
所述放大器用于将脉冲展宽后的皮秒脉冲激光的功率进行第二次放大；
所述主放大器用于将第二次放大后的皮秒脉冲激光进行主功率放大；
所述钬光纤用于将被功率放大的脉冲进行光谱展宽和对应钬光纤辐射波长范围的功率放大；
所述软玻璃光纤用于将脉冲激光进行光谱展宽。
进一步地，所述2微米皮秒激光器采用锁模的方式来实现，锁模元件采用可以进行2微米激光工作的半导体可饱和吸收镜或者碳纳米管或者石墨烯或者黑磷。
进一步地，所述预放大器包括793nm半导体激光器、光纤合束器、单模双包层掺铥光纤和光纤隔离器，793nm半导体激光器用于产生泵浦光，光纤合束器用于将所述泵浦光和皮秒脉冲激光耦合输入单模双包层掺铥光纤，单模双包层掺铥光纤用于在泵浦光的泵浦下，为皮秒脉冲激光提供增益介质，实现皮秒脉冲激光功率的预放大，然后将预放大后的皮秒脉冲激光通过所述光纤隔离器进入光纤展宽器，所述光纤隔离器用于隔离后续光路形成的反馈光，上述器件均采用光纤熔接进行连接。
进一步地，所述光纤展宽器设于所述预放大器和所述放大器之间，所述光纤展宽器用于提供正色散以展宽脉冲宽度。
进一步地，所述放大器包括793nm半导体激光器、光纤合束器、单模双包层掺铥光纤以及光纤隔离器，上述器件均采用光纤熔接进行连接。所述放大器相对于所述预放大器的区别是，所述预放大器的增益光纤需要提供更多的泵浦能量，因此需要提供的泵浦光功率更高。
进一步地，所述主放大器包括793nm半导体激光器、光纤合束器、掺铥光纤以及光纤隔离器，所述主放大器相对于所述预放大器的区别是，所述主放大器的增益光纤为大模场面积掺铥光纤，需要提供的泵浦光功率更高，这是为了使脉冲的平均功率和峰值功率进一步提高一至两个数量级，同时给下一级的光纤展宽过程提供必要的功率保证。
进一步地，所述钬光纤包括掺钬光纤或者铥钬共掺光纤，能够在钬离子发射波长窗口(2～2.2μm)提供增益，对脉冲进行功率放大的同时进行光谱展宽。
进一步地，所述软玻璃光纤包括氟化物光纤、锗酸盐光纤、碲酸盐光纤、硫系光纤等任何一种中红外软玻璃光纤；所述软玻璃光纤输出端面被切割成8度角，以防止菲涅尔反射带来的损害。
有益效果：
本发明提供一种基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器，立足于全光纤结构，使得光纤激光器具有结构紧凑、集成度高、稳定性好、价格低廉等优点，对工作环境中的振动等干扰因素不敏感，大大提高了激光器运行的稳定性和可靠性，适于工业化量产；更重要的是，本发明利用掺钬光纤在2～2.2μm波段的增益，使2μm波段皮秒泵浦激光在掺钬光纤中边频移边得到放大，并且放大所需的泵浦能量仅通过前面掺铥光纤放大器中产生的1.9μm波段激光便可实现，无需外加半导体泵浦激光器，既能精简系统结构，也能节约经费，利用掺钬光纤大大提高了进入软玻璃光纤中的泵浦能量，最终实现波长进一步向中红外波段拓展，这种装置设计既能够提高超连续谱激光的输出功率，又能提高中红外波段(＞3μm)的功率占比，最终可以获得高功率、宽光谱的超连续谱激光输出，更加有利于气体探测、激光医疗、激光雷达以及军事领域的应用需求。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器的结构示意图；
1-2微米皮秒激光器、2-预放大器、3-光纤展宽器、4-放大器、5-主放大器、6-钬光纤、7-软玻璃光纤。
图2为本发明提供的一种基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器的预放大器(2)的结构示意图；
21-793nm半导体激光器、22-光纤合束器、23-单模双包层掺铥光纤、24-光纤隔离器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本申请方案，下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
参见图1，该图为本发明提供的基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器的结构示意图。基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器，包括2微米皮秒激光器1、预放大器2、光纤展宽器3、放大器4、主放大器5、钬光纤6以及软玻璃光纤7；
所述2微米皮秒激光器1用于产生2微米波段的皮秒脉冲激光，采用锁模的方式来实现，锁模元件采用可以进行2微米激光工作的半导体可饱和吸收镜或者碳纳米管或者石墨烯或者黑磷；
所述预放大器2用于将所述皮秒脉冲激光的功率进行第一次预放大；
所述光纤展宽器3用于将第一次预放大后的皮秒脉冲激光进行脉冲展宽；
所述放大器4用于将脉冲展宽后的皮秒脉冲激光的功率进行第二次放大；
所述主放大器5用于将第二次放大后的皮秒脉冲激光进行主功率放大减小脉冲在光纤中的非线性效应；
所述钬光纤6用于将被功率放大的脉冲进行光谱展宽和对应钬光纤辐射波长范围的功率放大；
所述软玻璃光纤7用于将脉冲激光进行光谱展宽。
参见图2，该图为本发明提供的基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器的预放大器2的结构示意图。所述预放大器2包括793nm半导体激光器21、光纤合束器22、单模双包层掺铥光纤23和光纤隔离器24，793nm半导体激光器21用于产生泵浦光，光纤合束器22用于将所述泵浦光和皮秒脉冲激光耦合输入掺铥光纤23，掺铥光纤23用于在泵浦光的泵浦下，为皮秒脉冲激光提供增益介质，实现皮秒脉冲激光功率的预放大，然后将预放大后的皮秒脉冲激光通过所述光纤隔离器24进入光纤展宽器3，所述光纤隔离器24用于隔离后续光路形成的反馈光，上述器件均采用光纤熔接进行连接。
需要说明的是，如果每一级预放大模块放大的功率过高，非线性效应就会越强，因此，把预放大模块放大的功率降低一些，通过多级放大，能够降低非线性效应；进一步地，所述预放大器2可包括一级或多级预放大器。
所述2微米皮秒激光器1产生的脉冲激光通过预放大器2进行放大，从而得到功率提高到一百倍的皮秒脉冲激光。
所述光纤展宽器3设于所述预放大器2和所述放大器4之间，所述光纤展宽器3来提供正色散用于展宽通过预放大器2后的脉冲宽度。脉冲展宽后的皮秒脉冲激光通过放大器4进行第二次放大，得到功率进一步提升的皮秒脉冲激光。
所述放大器4包括793nm半导体激光器、光纤合束器、掺铥光纤和光纤隔离器，793nm半导体激光器用于产生泵浦光，光纤合束器用于将所述泵浦光和皮秒脉冲激光耦合输入掺铥光纤，掺铥光纤用于在泵浦光的泵浦下，为皮秒脉冲激光提供增益介质，实现脉冲激光功率的进一步放大，所述光纤隔离器用于隔离后续光路形成的反馈光，上述器件均采用光纤熔接进行连接；
所述放大器4相对于所述预放大器2的区别是，所述预放大器4的增益光纤需要提供更多的增益，并且预放大器4需要提供更高的泵浦光功率，因此所述放大器4所使用的793nm半导体激光器采用的功率值会更高，从而在所述放大器4后实现更高的平均功率输出。这是为了使脉冲的平均功率和峰值功率进一步提高一至两个数量级，同时给下一级提供必要的功率保证。
所述主放大器5用于进一步进行功率放大，减小脉冲在光纤中的非线性效应，所述主放大器5相对于所述放大器4的区别是，所述主放大器5的增益光纤为大模场面积掺铥光纤，需要提供的泵浦光功率更高，这是为了使脉冲的平均功率和峰值功率进一步提高一至两个数量级，同时给下一级的光纤展宽过程提供必要的功率保证。
所述钬光纤6包括掺钬光纤或者铥钬共掺光纤，能够在钬离子发射波长窗口(2～2.2μm)提供增益，对脉冲进行功率放大的同时进行光谱展宽。
所述软玻璃光纤7包括氟化物光纤、锗酸盐光纤、碲酸盐光纤、硫系光纤等任何一种中红外软玻璃光纤；所述软玻璃光纤7输出端面被切割成8度角，以防止菲涅尔反射带来的损害。
因此，本发明基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器的泵浦光源的工作原理为：2微米皮秒激光器1用于产生稳定的皮秒脉冲种子激光，预放大器2用于将种子激光进行第一次预放大，并将第一次预放大后的激光输出到光纤展宽器3，光纤展宽器3用于将第一次预放大的激光脉冲进行展宽，以防止过高的峰值功率打坏器件；放大器4用于放大脉冲经过展宽后的激光，主放大器5用于进一步进行功率放大，减小脉冲在光纤中的非线性效应，钬光纤6用于在钬离子发射波长窗口(2～2.2μm)处提供增益，利用主放大器5输出的宽带光谱作为泵浦光，使得2微米皮秒激光在钬掺杂光纤中实现脉冲孤子的能量提升和光谱频移，对脉冲进行功率放大的同时进行光谱的拓展，有利于提升注入软玻璃光纤7的泵浦光能量，促使脉冲在软玻璃光纤7中实现宽的光谱范围、高的输出功率以及高的中红外波段功率占比。在钬光纤6后输出2微米波段高功率激光对软玻璃光纤7进行泵浦，利用软玻璃光纤中的色散和非线性使得脉冲在软玻璃光纤中发生自相位调制、调制不稳定性、孤子自频移、色散波等非线性效应，使得光谱在软玻璃光纤7中得到进一步向长波长方向展宽的激光输出，在最后的输出光纤末端切八度角以防止菲涅耳反射，从而获得中红外波段高功率、宽光谱的激光。
本发明的具体工作过程为：
2微米皮秒激光器用于产生稳定的皮秒脉冲种子激光，预放大器用于将种子激光进行第一次预放大，并将第一次预放大后的激光输出到光纤展宽器，光纤展宽器用于将第一次预放大的激光脉冲进行展宽，以防止过高的峰值功率打坏器件，放大器用于放大脉冲经过展宽后的激光，主放大器用于进一步进行功率放大，减小脉冲在光纤中的非线性效应，钬光纤用于在钬离子发射波长窗口(2～2.2μm)处提供增益，利用主放大器输出的宽带光谱作为泵浦光，对脉冲进行功率放大的同时进行光谱的拓展，有利于提升进入软玻璃光纤的泵浦光能量，促使脉冲在软玻璃光纤中实现宽的光谱范围、高的输出功率以及高的中红外波段功率占比。在钬光纤后输出2微米波段高功率激光对软玻璃光纤进行泵浦，利用软玻璃光纤中的色散和非线性使得脉冲在软玻璃光纤中发生自相位调制、调制不稳定性、孤子自频移、色散波等非线性效应，使得光谱在软玻璃光纤中得到进一步向长波长方向展宽的激光输出。在最后的输出光纤末端切八度角以防止菲涅耳反射，从而获得中红外波段高功率、宽光谱的激光。
2微米皮秒激光器用于产生2微米波段的皮秒脉冲激光，采用锁模的方式来实现，锁模元件采用可以进行2微米激光工作的半导体可饱和吸收镜或者碳纳米管或者石墨烯或者黑磷。
预放大器用于将所述皮秒脉冲激光的功率进行第一次预放大。预放大器包括793nm半导体激光器、光纤合束器、单模双包层掺铥光纤和光纤隔离器，793nm半导体激光器用于产生泵浦光，光纤合束器用于将所述泵浦光和皮秒脉冲激光耦合输入掺铥光纤，掺铥光纤用于在泵浦光的泵浦下，为皮秒脉冲激光提供增益介质，实现皮秒脉冲激光功率的预放大，然后将预放大后的皮秒脉冲激光通过所述光纤隔离器进入光纤展宽器，所述光纤隔离器用于隔离后续光路形成的反馈光，上述器件均采用光纤熔接进行连接。
光纤展宽器用于将第一次预放大后的皮秒脉冲激光进行脉冲展宽，以降低峰值功率和提高非线性效应的阈值。
放大器用于将脉冲展宽后的皮秒脉冲激光的功率进行第二次放大。放大器包括793nm半导体激光器、光纤合束器、掺铥光纤以及光纤隔离器，793nm半导体激光器用于产生泵浦光，光纤合束器用于将所述泵浦光和皮秒脉冲激光耦合输入掺铥光纤，掺铥光纤用于在泵浦光的泵浦下，为皮秒脉冲激光提供增益介质，实现脉冲激光功率的进一步放大，所述光纤隔离器用于隔离后续光路形成的反馈光，上述器件均采用光纤熔接进行连接。
主放大器用于进一步进行功率放大，减小脉冲在光纤中的非线性效应，主放大器相对于放大器的区别是，主放大器的增益光纤为大模场面积掺铥光纤，需要提供的泵浦光功率更高，这是为了使脉冲的平均功率和峰值功率进一步提高一至两个数量级，同时给下一级的光纤展宽过程提供必要的功率保证。
钬光纤包括掺钬光纤或者铥钬共掺光纤，能够在钬离子发射波长窗口(2～2.2μm)提供增益，对脉冲进行功率放大的同时进行光谱展宽。
软玻璃光纤包括氟化物光纤、锗酸盐光纤、碲酸盐光纤、硫系光纤等任何一种中红外软玻璃光纤；软玻璃光纤输出端面被切割成8度角，以防止菲涅尔反射带来的损害。
基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器多用于气体探测、生物医疗、遥感、雷达、军事国防等领域，对激光脉冲的功率和光谱的覆盖波长范围(尤其是3μm中红外波段以上)通常具有非常高的要求，而要想获得高功率脉冲输出，多采用啁啾脉冲放大技术来获得，通过将脉冲在时域上进行展宽，先降低峰值功率，再有效的进行功率放大，最后压缩回原来的脉宽，以实现高功率的脉冲输出。本发明立足于中红外超连续谱产生的泵浦光源结构，通过创新性地在传统的2微米皮秒光源和软玻璃光纤中引入一段钬掺杂光纤，利用钬离子在2～2.2微米处提供的增益，并利用前级掺铥光纤放大器中的激光作为泵浦，使得2微米皮秒激光在钬掺杂光纤中实现脉冲孤子的能量提升和光谱频移，再进一步进入软玻璃光纤中进行光谱的展宽，此时从钬掺杂光纤中输出的具有高峰值功率的孤子脉冲能促使脉冲在软玻璃光纤中实现更强的非线性效应，从而获得宽光谱、高功率、中红外波段高功率占比的超连续谱激光输出。本发明采用了全光纤结构，使得激光器小巧紧凑，具有结构紧凑、集成度高、稳定性好以及转换效率高等优点，同时可以获得高功率、宽光谱的激光输出。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.基于2μm波段皮秒激光泵浦的中红外宽光谱激光器，其特征在于，包括依次连接的2微米皮秒激光器、预放大器、光纤展宽器、放大器、主放大器、钬光纤和软玻璃光纤；
所述2微米皮秒激光器用于产生2微米波段的皮秒脉冲激光；
所述预放大器用于将所述皮秒脉冲激光的功率进行第一次预放大；
所述光纤展宽器用于提供正色散以将第一次预放大后的皮秒脉冲激光进行脉冲展宽；
所述放大器用于将脉冲展宽后的皮秒脉冲激光的功率进行第二次放大；
所述主放大器用于将第二次放大后的皮秒脉冲激光进行主功率放大；
所述钬光纤为掺钬光纤或铥钬共掺光纤，能够在钬离子发射波长窗口2～2.2μm提供增益，对脉冲进行功率放大的同时进行光谱展宽；所述软玻璃光纤用于将脉冲激光进行光谱展宽。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述2微米皮秒激光器采用锁模的方式来实现，锁模元件采用进行2微米激光工作的半导体可饱和吸收镜或者碳纳米管或者石墨烯或者黑磷。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述预放大器包括793nm半导体激光器、光纤合束器、单模双包层掺铥光纤和光纤隔离器，2微米皮秒激光器的输出端与所述预放大器光纤合束器的输入端相连，光纤合束器的输出端与单模双包层掺铥光纤、光纤隔离器的输入端依次连接，793nm半导体激光器与光纤合束器的泵浦端相连，793nm半导体激光器用于产生泵浦光，光纤合束器用于将所述泵浦光和皮秒脉冲激光耦合输入单模双包层掺铥光纤，单模双包层掺铥光纤用于在泵浦光的泵浦下，为皮秒脉冲激光提供增益介质，实现皮秒脉冲激光功率的预放大，然后将预放大后的皮秒脉冲激光通过所述光纤隔离器进入光纤展宽器，所述光纤隔离器用于隔离后续光路形成的反馈光，上述器件均采用光纤熔接进行连接。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述放大器包括793nm半导体激光器、光纤合束器、单模双包层掺铥光纤以及光纤隔离器，光纤展宽器的输出端与所述放大器光纤合束器的输入端相连，光纤合束器的输出端与单模双包层掺铥光纤、光纤隔离器的输入端依次连接，793nm半导体激光器与光纤合束器的泵浦端相连，上述器件均采用光纤熔接进行连接。
5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述主放大器包括793nm半导体激光器、光纤合束器、掺铥光纤以及光纤隔离器，放大器的输出端与所述主放大器光纤合束器的输入端相连，光纤合束器的输出端与掺铥光纤、光纤隔离器的输入端依次连接，793nm半导体激光器与光纤合束器的泵浦端相连，上述器件均采用光纤熔接进行连接。
6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述软玻璃光纤为氟化物光纤、锗酸盐光纤、碲酸盐光纤、硫系光纤任何一种中红外软玻璃光纤；所述软玻璃光纤输出端面被切割成8度角，以防止菲涅尔反射带来的损害。
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