CN116053906A - 一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤激光器，具体涉及一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器，用于解决采用980nm半导体激光器泵浦和1970nm/970nm双波长级联泵浦的掺铒氟化锆全光纤激光器只能获得3μm波段单一输出，以及采用888nm的半导体激光器泵浦重掺杂钬离子氟化铟光纤激光器只能获得4μm波段单一输出，同时空间光学器件使得该4μm波段激光器存在泵浦耦合调节困难且泵浦耦合效率低、激光器结构稳定性差、工程化应用难度大等缺点的不足之处，该中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器包括半导体激光泵浦源、增益光纤、4μm波段光纤光栅对和3μm波段光纤光栅对；本发明采用885～890nm半导体激光器泵浦钬镨共掺氟化铟光纤实现4μm波段激光和3μm波段激光级联输出。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器，具体涉及一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器。
背景技术
近年来，处于大气传输窗口的中红外3～5μm波段激光源在激光医疗、红外泵浦、光谱学以及红外对抗等领域有着十分广阔的应用前景，并已成为国内外研究热点。相比较其他3～5μm波段中红外激光产生方法，光纤激光器具有亮度高、可调谐、光束质量好、转换效率高、稳定性好、结构紧凑、易于小型化等显著优点，因此发展中红外3～5μm波段全光纤激光器有着重要的科学意义和应用价值，特别是，能同时产生3μm波段和4μm波段激光输出的全光纤激光器在军事和科研领域有着重要应用。受硅基光纤材料的声子能量和透过率限制，产生2.5μm以上激光一般采用声子能量较低和透过谱较长的氟化物光纤材料。
目前，产生3μm波段的光纤激光器主要是基于铒离子或钬离子的氟化锆(ZBLAN)光纤。采用飞秒激光刻写氟化物光纤光栅技术及石英光纤—氟化物光纤熔接技术，研究人员已经通过980nm半导体激光器泵浦和1970nm/970nm双波长级联泵浦的掺铒氟化锆全光纤激光器分别在2.94μm和3.55μm获得最大功率30.5W和5.6W输出，但上述激光器均只能获得3μm波段单一输出。
相比较氟化锆光纤，氟化铟光纤声子能量更低，红外透过谱更宽，使4μm波段光纤激光器成为可能。2018年，拉瓦大学研究人员采用888nm的半导体激光器作为泵浦源，重掺杂钬离子氟化铟光纤作为增益介质，两个双色镜作为谐振腔，实现了室温下最长波长3.92μm激光输出，这也是目前已报道稀土离子掺杂光纤激光器的最长工作波长，输出的平均功率为200mW，斜效率约为10％(2018年第5卷《Optica》“Room-temperature fiber laser at3.92μm”)。但该技术只能获得4μm波段单一波长输出，同时激光泵浦方式采用透镜进行自由空间泵浦耦合，且谐振腔采用双色镜与光纤进行贴合，这些空间光学器件使得该4μm波长激光器存在泵浦耦合调节困难且泵浦耦合效率低、激光器结构稳定性差、工程化应用难度大等缺点，限制了其在科研领域的应用。
发明内容
本发明的目的是解决采用980nm半导体激光器泵浦和1970nm/970nm双波长级联泵浦的掺铒氟化锆全光纤激光器只能获得3μm波段单一输出，以及采用888nm的半导体激光器泵浦重掺杂钬离子氟化铟光纤激光器只能获得4μm波段单一输出，同时空间光学器件使得该4μm波段激光器存在泵浦耦合调节困难且泵浦耦合效率低、激光器结构稳定性差、工程化应用难度大等缺点的不足之处，而提供一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器。
为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器，其特殊之处在于：包括半导体激光泵浦源、与半导体激光泵浦源的输出端连接的增益光纤，以及设置在增益光纤上的4μm波段光纤光栅对和3μm波段光纤光栅对；
所述半导体激光泵浦源为波长在885～890nm范围内的半导体激光器；所述增益光纤为钬镨共掺氟化铟光纤(Ho3+/Pr3+:InF)；
所述4μm波段光纤光栅对包括第一氟化物光纤光栅和第四氟化物光纤光栅；所述第一氟化物光纤光栅对4μm波段激光的反射率大于95％，且对885～890nm激光的透过率大于95％；所述第四氟化物光纤光栅对4μm波段激光的反射率为80～96％，且对3μm波段激光的透过率大于95％；
所述3μm波段光纤光栅对包括第二氟化物光纤光栅和第三氟化物光纤光栅；所述第二氟化物光纤光栅对3μm波段激光的反射率大于95％，且对885～890nm激光的透过率大于95％；所述第三氟化物光纤光栅对3μm波段激光的反射率为4％～96％，且对4μm波段激光的透过率大于95％；
所述4μm波段为波长3.85～3.98μm，所述3μm波段为波长2.82～3.01μm；
所述第一氟化物光纤光栅、第二氟化物光纤光栅沿光路依次设置于靠近增益光纤激光入射端，所述第三氟化物光纤光栅、第四氟化物光纤光栅沿光路依次设置于靠近增益光纤激光出射端。
进一步地，所述增益光纤中钬离子掺杂浓度为1～5mol％，镨离子掺杂浓度为0.05～0.5mol％。
进一步地，所述第一氟化物光纤光栅、第二氟化物光纤光栅、第三氟化物光纤光栅、第四氟化物光纤光栅均为直接在增益光纤刻写形成的光纤布拉格光栅。
进一步地，所述半导体激光泵浦源的输出端和增益光纤一端之间通过端面熔接或端面直接对接进行连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器，包括半导体激光泵浦源、增益光纤、4μm波段光纤光栅对和3μm波段光纤光栅对；本发明采用885～890nm半导体激光器泵浦钬镨共掺氟化铟光纤，3μm波段(2.82～3.01μm)激光产生有助于钬离子5I5能级与5I6能级之间粒子数反转，提升4μm波段(3.85～3.98μm)激光效率，镨离子与处于5I7能级的钬离子通过能量传递有助于钬离子5I6能级与5I7能级之间粒子数反转，提升3μm波段(2.82～3.01μm)激光效率，实现4μm波段(3.85～3.98μm)激光和3μm波段(2.82～3.01μm)激光级联输出，进而通过一种结构同时获得4μm波段和3μm波段激光输出。
(2)本发明一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器中，增益光纤与半导体激光泵浦源的输出端连接，且第一氟化物光纤光栅、第二氟化物光纤光栅、第三氟化物光纤光栅、第四氟化物光纤光栅均为直接刻写在增益光纤上，使得本发明实现了全光纤化结构，具有结构简单、体积小巧、光束质量好、性能稳定可靠、易于获得高功率输出等优点。
(3)本发明一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器中，第一氟化物光纤光栅、第二氟化物光纤光栅、第三氟化物光纤光栅、第四氟化物光纤光栅均为直接刻写在增益光纤上，不需要增加光纤器件以及光纤熔接点或连接点，使得半导体激光泵浦源损耗和谐振腔内振荡损耗更低，激光器效率更高，同时结构更加简化。
附图说明
图1为本发明一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明4μm波段和3μm波段激光产生过程所对应的离子能级跃迁过程的示意图。
附图标记说明如下：1-半导体激光泵浦源；2-第一氟化物光纤光栅；3-第二氟化物光纤光栅；4-增益光纤；5-第三氟化物光纤光栅；6-第四氟化物光纤光栅；7-钬离子基态5I8能级；8-钬离子5I7能级；9-钬离子5I6能级；10-钬离子5I5能级；11-5I8→5I5；12-4μm受激辐射；13-3μm受激辐射；14-能量传递过程；15-镨离子3F2能级；16-多声子弛豫；17-镨离子3H4能级。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
参照图1，一种中红外4μm和3μm双波长全光纤激光器,包括半导体激光泵浦源1、与半导体激光泵浦源1的输出端连接的增益光纤4，以及设置在增益光纤4上的4μm波段光纤光栅对和3μm波段光纤光栅对。
所述半导体激光泵浦源1为波长为886nm的带尾纤输出的半导体激光器。
所述增益光纤4为钬镨共掺氟化铟光纤，钬镨共掺氟化铟光纤中钬离子掺杂浓度为3mol％，镨离子掺杂浓度为0.25mol％，纤芯直径为17μm，内包层直径为100μm，外包层直径为250μm。
所述4μm波段光纤光栅对包括第一氟化物光纤光栅2和第四氟化物光纤光栅6，所述第一氟化物光纤光栅2对4μm波段激光的反射率大于95％，且对885～890nm激光的透过率大于95％；所述第四氟化物光纤光栅6对4μm波段激光的反射率为80～96％，且对3μm波段激光的透过率大于95％；所述3μm波段光纤光栅对包括第二氟化物和第三氟化物；所述第二氟化物对3μm波段激光的反射率大于95％，且对885～890nm激光的透过率大于95％；所述第三氟化物对3μm波段激光的反射率为4％～96％，且对4μm波段激光的透过率大于95％。
所述4μm波段为波长3.85～3.98μm，所述3μm波段为波长2.82～3.01μm。
所述第一氟化物光纤光栅2、第二氟化物光纤光栅3、第三氟化物光纤光栅5、第四氟化物光纤光栅6均为直接在增益光纤4刻写形成的光纤布拉格光栅。第一氟化物光纤光栅2、第二氟化物光纤光栅3沿光路依次设置于靠近增益光纤4激光入射端，第三氟化物光纤光栅5、第四氟化物光纤光栅6沿光路依次设置于靠近增益光纤4激光出射端。
半导体激光泵浦源1的输出端与钬镨共掺氟化铟光纤上的一端通过端面熔接或端面直接对接进行连接。
第一氟化物光纤光栅2和第四氟化物光纤光栅6形成产生4μm波段激光的第一谐振腔，钬镨共掺氟化铟光纤的第二氟化物光纤光栅3和第三氟化物光纤光栅5形成产生3μm波段激光的第二谐振腔，分别产生4μm波段和3μm波段激光。
上述4μm波段和3μm波段激光产生过程所对应的离子能级跃迁过程如图2所示。在886nm激光泵浦下，钬镨共掺氟化铟光纤中处于钬离子基态5I8能级7的钬离子吸收886nm泵浦激光跃迁至钬离子5I5能级10，也就是通过基态吸收过程5I8→5I511，钬离子5I5能级10粒子数不断积累。当钬离子5I5能级10上的粒子达到一定数目后实现钬离子5I5能级10与钬离子5I6能级9上的粒子数反转，从而产生4μm受激辐射12，产生4μm波段激光，但钬离子5I5能级10的粒子寿命要短于钬离子5I6能级9上的粒子寿命，因此通常会出现4μm波段激光辐射自终止现象。同时，处于钬离子5I6能级9的钬离子进一步向下跃迁至钬离子5I7能级8，当钬离子5I6能级9上的粒子达到一定数目后实现5I6能级9与5I7能级8上的粒子数反转，从而产生3μm受激辐射13，产生3μm波段激光，此过程中，由于钬离子5I6能级9的粒子寿命要短于钬离子5I7能级8上的粒子寿命，因此通常也会出现3μm波段激光辐射自终止现象。通过引入镨离子，使处于镨离子3F2能级15的镨离子吸收钬离子5I7能级8的钬离子的能量，即发生能量传递过程14，处于镨离子3F2能级15的镨离子发生多声子弛豫16向下跃迁至镨离子3H4能级17，而处于钬离子5I7能级8的钬离子通过能量传递过程14消耗掉钬离子5I7能级8粒子数，进而持续获得钬离子5I6能级9与钬离子5I7能级8上的粒子数反转，解决3μm波段激光辐射自终止问题，实现3μm波段激光高效产生。进一步，3μm波段激光产生，大幅消耗钬离子5I7能级8上的粒子数，十分有利于实现钬离子5I5能级10与钬离子5I6能级9上的粒子数反转，解决4μm波段激光辐射自终止问题，最终实现高效全光纤4μm波段和3μm波段激光同时输出。
在其他实施例中，半导体激光泵浦源1为波长在885～890nm范围内的半导体激光器，即钬离子基态5I8能级7吸收跃迁至钬离子5I5能级10所需要的吸收光谱范围内，增益光纤4满足其中钬离子掺杂浓度为1～5mol％，镨离子掺杂浓度为0.05～0.5mol％，即可以同时实现4μm和3μm激光同时输出。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器，其特征在于：包括半导体激光泵浦源(1)、与半导体激光泵浦源(1)的输出端连接的增益光纤(4)，以及设置在增益光纤(4)上的4μm波段光纤光栅对和3μm波段光纤光栅对；
所述半导体激光泵浦源(1)为波长在885～890nm范围内的半导体激光器；所述增益光纤(4)为钬镨共掺氟化铟光纤；
所述4μm波段光纤光栅对包括第一氟化物光纤光栅(2)和第四氟化物光纤光栅(6)；所述第一氟化物光纤光栅(2)对4μm波段激光的反射率大于95％，且对885～890nm激光的透过率大于95％；所述第四氟化物光纤光栅(6)对4μm波段激光的反射率为80～96％，且对3μm波段激光的透过率大于95％；
所述3μm波段光纤光栅对包括第二氟化物光纤光栅(3)和第三氟化物光纤光栅(5)；所述第二氟化物光纤光栅(3)对3μm波段激光的反射率大于95％，且对885～890nm激光的透过率大于95％；所述第三氟化物光纤光栅(5)对3μm波段激光的反射率为4％～96％，且对4μm波段激光的透过率大于95％；
所述4μm波段为波长3.85～3.98μm，所述3μm波段为波长2.82～3.01μm；
所述第一氟化物光纤光栅(2)、第二氟化物光纤光栅(3)沿光路依次设置于靠近增益光纤(4)激光入射端，所述第三氟化物光纤光栅(5)、第四氟化物光纤光栅(6)沿光路依次设置于靠近增益光纤(4)激光出射端。
2.根据权利要求1所述的一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤(4)中钬离子掺杂浓度为1～5mol％，镨离子掺杂浓度为0.05～0.5mol％。
3.根据权利要求1所述的一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器，其特征在于：所述第一氟化物光纤光栅(2)、第二氟化物光纤光栅(3)、第三氟化物光纤光栅(5)、第四氟化物光纤光栅(6)均为直接在增益光纤(4)刻写形成的光纤布拉格光栅。
4.根据权利要求1至4任一所述的一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器，其特征在于：所述半导体激光泵浦源(1)的输出端和增益光纤(4)一端之间通过端面熔接或端面直接对接进行连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310104556.4A CN116053906A (zh) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310104556.4A CN116053906A (zh) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116053906A true CN116053906A (zh) | 2023-05-02 |
Family
ID=86114666
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310104556.4A Pending CN116053906A (zh) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 一种中红外4μm波段和3μm波段双波长全光纤激光器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116053906A (zh) |
-
2023
- 2023-02-13 CN CN202310104556.4A patent/CN116053906A/zh active Pending
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