CN115313130B - 基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源 - Google Patents
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Abstract
基于掺钬氟化铟光纤的2‑5μm宽光谱光纤光源属于中红外光纤激光器领域，包括2μm超短脉冲光纤激光器、氟化铟光纤、掺钬氟化铟光纤、中红外光纤合束器、中心波长888nm的半导体激光器、光纤端帽以及氮气制冷装置。本发明立足于在全光纤结构激光器中获得高功率2‑5μm宽光谱光源，提高3.5‑5μm波段内中红外激光的功率、能量以及能量占比。在激光器中使用中红外波段损耗较小的氟化铟光纤拓展宽光谱波段范围，利用掺钬氟化铟光纤放大3.92μm波长附近的激光功率，提高长波边缘能量占比的同时提高孤子阶数，使光谱进一步展宽，最终可以在2‑5μm波段内获得高功率激光脉冲输出，满足于军事、环境监测等应用需求。
Description
技术领域
本发明属于中红外光纤激光器领域，尤其涉及一种基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源。
背景技术
2-5μm波段中红外激光覆盖了“分子指纹”光谱区及大部分军用红外探测器的响应波长，该波段超短脉冲激光在环境传感、国防军事以及生物医疗等诸多领域具有特点鲜明的应用需求。尤其是军事、环境监测、强场原子分子物理研究等方面对中红外激光长波波段的光谱能量密度具有更高的要求。
实现2-5μm波段中红外激光的主要技术手段包括光参量振荡器/放大器(OPO/OPA)、氟化物增益光纤激光器以及非线性光纤激光器。OPO/OPA技术存在结构复杂、稳定性差、热管理困难等缺点，受限于非线性晶体，在获得高能量系统方面存在困难；氟化物增益光纤激光器目前可以实现3.92μm的连续激光及3.55μm的锁模激光输出，但其平均功率和脉冲能量与近红外波段存在较大的差距，且中红外光纤器件制备并不完善，失去了光纤激光器的优势；非线性光纤激光器包括超连续光源及拉曼频移孤子光源是目前获得2-5μm波段超短脉冲激光的重要手段。基于硫系光纤的孤子自频移效应和超连续光谱展宽分别获得4.5μm的调谐飞秒激光和覆盖2-16μm宽光谱皮秒光源。但是由于非线性光纤激光器对光纤的非线性系数和色散要求比较高，中红外非线性光纤的模场面积普遍较小，获得的拉曼孤子和宽带光谱在长波波段的光谱能量密度较低。
综上所述，目前2-5μm波段中红外激光能量集中在2-3.5μm范围内，因此，研究如何提高3.5-5μm波段的中红外激光的功率、能量以及能量占比具有重要的意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源，在通过泵浦氟化铟光纤获得2-4μm宽光谱光源的基础上，能够对3.92μm长波波段的激光进行放大，在2-5μm波段范围内获得高功率全光纤宽光谱激光输出，其中3.5-5μm波段范围内激光具有高的能量及能量占比。
本发明是通过下述技术方案实现的：基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源，包括2μm超短脉冲光纤激光器、氟化铟光纤、掺钬氟化铟光纤、中红外光纤合束器、中心波长888nm的半导体激光器、光纤端帽以及氮气制冷装置；
所述2μm超短脉冲激光器输出端与氟化铟光纤一端熔接，氟化铟光纤另一端与掺钬氟化铟光纤一端熔接，掺钬氟化铟光纤另一端熔接中红外光纤合束器的输入端，中心波长888nm的半导体激光器输出端与中红外光纤合束器的泵浦光纤熔接，用于提供888nm泵浦激光，中红外光纤合束器尾端熔接光纤端帽进行保护。
所述2μm超短脉冲光纤激光器用于泵浦氟化铟光纤产生2-4μm范围的宽光谱光源，2μm超短脉冲光纤激光器为石英基光纤激光器，输出尾纤的纤芯直径不大于12μm，提供峰值功率高于30kW的2μm超短脉冲激光，氟化铟光纤纤芯直径在10-15μm范围内，零色散波长小于2μm，在2-4.6μm波段内的光纤损耗小于100dB/km；
所述掺钬氟化铟光纤用于将3.92μm波长处的激光进行功率放大和进一步的光谱展宽，掺钬氟化铟光纤为掺杂钬离子的双包层氟化铟光纤，掺杂浓度为10mol.％，其能级图如2所示，发射截面覆盖3.85-4μm波段，中心波长位于3.92μm，吸收截面的中心波长在888nm处，纤芯直径在15-20μm范围内，在2-5.3μm波段内的光纤损耗小于200dB/km；
所述中红外光纤合束器用于将888nm泵浦激光后向耦合进掺钬氟化铟光纤中，中红外泵浦光纤合束器为中红外软玻璃光纤材料的光纤合束器，可以与氟化铟光纤进行低损耗熔接；
进一步地，氮气制冷装置采用纯度高于99.999％的氮气，经过冷却后温度降到8℃以下，对氟化铟光纤、掺钬氟化铟光纤、光纤熔点、中红外光纤合束器以及光纤端帽进行冷却和隔离水蒸气，避免水蒸气使得所述氟化铟光纤、掺钬氟化铟光纤、中红外光纤合束器和光纤端帽发生潮解，从而使激光器进行有效、大面积的散热。
使用峰值功率高于30kW的2μm超短脉冲光纤激光器在氟化铟光纤的反常色散区泵浦，在高阶色散和非线性效应作用下可实现高平坦度、光谱覆盖2-4μm的光纤激光输出；对2μm超短脉冲光纤激光器输出尾纤、氟化铟光纤以及掺钬氟化铟光纤纤芯直径的要求，满足在氟化铟光纤以及掺钬氟化铟光纤中持续发生光谱展宽的需求，同时，掺钬氟化铟光纤的纤芯直径支持提供高功率的模场面积；对氟化铟光纤和掺钬氟化铟光纤分别在2-4.6μm和2-5.3μm波段内光纤损耗的要求，减少光纤传输损耗对中红外宽光谱激光的消耗，获得高功率2-5μm宽光谱光源，提高3.5-5μm波段内中红外激光能量以及能量占比；掺钬氟化物光纤的发射截面中心波长位于3.92μm，发射截面覆盖3.85-4μm波段范围，提供对该波段内激光的功率放大，并进一步泵浦光谱向长波方向展宽。
本发明提供一种基于掺钬氟化铟光纤的中红外宽光谱光源，立足于在全光纤结构激光器中获得高功率2-5μm宽光谱光源，提高3.5-5μm波段内中红外激光的功率、能量以及能量占比。在激光器中使用中红外波段损耗较小的氟化铟光纤拓展宽光谱波段范围，利用掺钬氟化铟光纤放大3.92μm波长附近的激光功率，提高长波边缘能量占比的同时提高孤子阶数，使光谱进一步展宽，也缓解中红外非线性光纤激光器对2μm超短脉冲泵浦激光高能量要求的压力，最终可以在2-5μm波段内获得高功率激光脉冲输出，满足于军事、环境监测、强场原子分子物理研究的应用需求。
附图说明
图1为本发明提供的基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源的结构示意图；
1-2μm超短脉冲激光器、2-氟化铟光纤、3-掺钬氟化铟光纤、4-中红外光纤合束器、5-中心波长888nm的半导体激光器、6-光纤端帽、7-氮气制冷装置。
图2为本发明提供的基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源的掺钬氟化铟光纤的能级图；
1-5I5能级向5I6能级的发射截面、2-5I8能级到5I5能级的吸收截面；GSA，基态吸收过程；ESA，激发态吸收过程；ETU，能量转移上转换过程。
具体实施方式
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
本发明实施例提供基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源，如图2所示，包括2μm超短脉冲光纤激光器1、氟化铟光纤2、掺钬氟化铟光纤3、中红外光纤合束器4、中心波长888nm的半导体激光器5、光纤端帽6以及氮气制冷装置7；
所述2μm超短脉冲激光器1输出端与氟化铟光纤2一端熔接，氟化铟光纤2另一端与掺钬氟化铟光纤3一端熔接，掺钬氟化铟光纤3另一端熔接中红外光纤合束器4的输入端，中心波长888nm的半导体激光器5输出端与中红外光纤合束器4的泵浦光纤熔接，用于提供888nm泵浦激光，中红外光纤合束器4尾端熔接光纤端帽6进行保护。
所述2μm超短脉冲光纤激光器1用于泵浦氟化铟光纤2产生2-4μm范围的宽光谱光源，2μm超短脉冲光纤激光器1为石英基光纤激光器，输出尾纤的纤芯直径不大于12μm，提供峰值功率高于30kW的2μm超短脉冲激光，氟化铟光纤2纤芯直径在10-15μm范围内，零色散波长小于2μm，在2-4.6μm波段内的光纤损耗小于100dB/km；
所述掺钬氟化铟光纤3用于将3.92μm波长处的激光进行功率放大和进一步的光谱展宽，掺钬氟化铟光纤3为掺杂钬离子的双包层氟化铟光纤，掺杂浓度为10mol.％，其能级图如2所示，发射截面覆盖3.85-4μm波段，中心波长位于3.92μm，吸收截面中心波长在888nm处，纤芯直径在15-20μm范围内，在2-5.3μm波段内的光纤损耗小于200dB/km；
所述中红外光纤合束器4用于将888nm泵浦激光后向耦合进掺钬氟化铟光纤3中；
在具体实施方式中，2μm超短脉冲激光器1采用2μm啁啾脉冲光纤放大器，其种子光源为基于碳纳米管可饱和吸收体的锁模光纤激光器，降频后重复频率为5MHz，2μm啁啾脉冲光纤放大器1的峰值功率高于30kW。氟化铟光纤2采用单模氟化铟光纤(纤芯直径＜10μm)，零色散波长在1.47μm附近，在2-4.6μm波段内的光纤损耗小于100dB/km，在2μm超短脉冲激光器1输出激光的泵浦下产生超连续光源，光谱范围覆盖2-4μm。掺钬氟化铟光纤3采用纤芯直径16μm的双包层掺钬氟化铟光纤，掺杂浓度为10mol.％，其能级图如2所示，发射截面覆盖3.85-4μm波段范围，吸收截面中心波长在888nm处，在2-5.3μm波段内的光纤损耗小于200dB/km。中心波长888nm的半导体激光器5提供的波长为888nm的泵浦光源通过中红外光纤合束器4后向耦合进掺钬氟化铟光纤3中。中红外光纤合束器4在与掺钬氟化铟光纤3匹配的无源双包层氟化铟光纤上制备，在中心波长888nm的半导体激光器5的输出尾纤(105/125μm)上熔接一段直径125μm的石英基无芯光纤，此段无芯光纤经过拉锥、切割、缠绕、贴合等一系列工艺操作与无源双包层氟化铟光纤的内包层一体化，制成中红外光纤合束器5。中红外光纤合束器5尾端熔接光纤端帽6，光纤端帽6采用多模氟化铝光纤制备，用于减小输出端面的功率密度，同时保证氟化物激光器在高功率下长时间稳定运转。通过调节888nm激光功率，实现对3.92μm波长附近激光的放大，并进一步拓宽光谱范围超过5μm，提高2-5μm宽光谱光源中长波范围的能量和能量占比，满足军事、环境监测、强场原子分子物理研究等应用需求。
基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源中2μm超短脉冲激光器1采用TEC控制温度和保持散热，氮气制冷装置7采用纯度高于99.999％的氮气，经过冷却后温度降到8℃以下，为氟化铟光纤、掺钬氟化铟光纤、光纤熔点、中红外光纤合束器以及光纤端帽提供散热和隔离水蒸气的作用，避免水蒸气使得所述氟化铟光纤2、掺钬氟化铟光纤3、中红外光纤合束器4、和光纤端帽6发生潮解，从而使激光器进行有效、大面积的散热。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。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。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源，其特征在于：
包括2μm超短脉冲光纤激光器、氟化铟光纤、掺钬氟化铟光纤、中红外光纤合束器、中心波长888nm的半导体激光器、光纤端帽以及氮气制冷装置；
所述2μm超短脉冲激光器输出端与氟化铟光纤一端熔接，氟化铟光纤另一端与掺钬氟化铟光纤一端熔接，掺钬氟化铟光纤另一端熔接中红外光纤合束器的输入端，中心波长888nm的半导体激光器输出端与中红外光纤合束器的泵浦光纤熔接，用于提供888nm泵浦激光，中红外光纤合束器尾端熔接光纤端帽进行保护；
所述2μm超短脉冲光纤激光器用于泵浦氟化铟光纤产生2-4μm范围的宽光谱光源，输出尾纤的纤芯直径不大于12μm，提供峰值功率高于30kW的2μm超短脉冲激光，氟化铟光纤纤芯直径在10-15μm范围内，零色散波长小于2μm，在2-4.6μm波段内的光纤损耗小于100dB/km；
所述掺钬氟化铟光纤用于将3.92μm波长处的激光进行功率放大和进一步的光谱展宽，掺钬氟化铟光纤为掺杂钬离子的双包层氟化铟光纤，掺杂浓度为10mol.％，发射截面覆盖3.85-4μm波段，中心波长位于3.92μm，吸收截面的中心波长在888nm处，纤芯直径在15-20μm范围内，在2-5.3μm波段内的光纤损耗小于200dB/km；
所述中红外光纤合束器用于将888nm泵浦激光后向耦合进掺钬氟化铟光纤中，中红外泵浦光纤合束器为中红外软玻璃光纤材料的光纤合束器。
2.根据权利要求1所述的基于掺钬氟化铟光纤的2-5μm宽光谱光纤光源，其特征在于：氮气制冷装置采用纯度高于99.999％的氮气，经过冷却后温度降到8℃以下，对氟化铟光纤、掺钬氟化铟光纤、光纤熔点、中红外光纤合束器以及光纤端帽进行冷却和隔离水蒸气，避免水蒸气使得所述氟化铟光纤、掺钬氟化铟光纤、中红外光纤合束器和光纤端帽发生潮解。
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