CN116093730A - 2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，结构简单，易于封装，可直接作为光学参量振荡器的泵浦源，减小中红外激光系统体积，提升中红外激光系统的稳定性和光束质量，实现纳秒脉冲激光输出，重频和脉宽灵活可调，使得3~5µm磷锗锌中红外光学参量振荡器也具备重频和脉冲可调的特性。包括沿光束传播方向依次设置的2µm光纤激光种子源Ⅰ、光纤放大器Ⅱ和磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ，2µm光纤激光种子源Ⅰ为保偏铥钬共掺光纤激光器，包括半导体激光器和单模增益光纤及配合使用的保偏单模光纤器件；光纤放大器Ⅱ包括两级预放大和一级大模场光纤放大器；磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ包括耦合透镜、偏振旋转系统、磷锗锌晶体和配合使用的二向色镜。
Description
技术领域
本发明涉及中红外激光的技术领域，尤其涉及一种2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器。
背景技术
磷锗锌中红外光学参量振荡器产生的3~5µm激光位于大气透射窗口，具有大气传输损耗小的特点，并且涵盖了水、人体组织以及多种污染物气体（CH4、NO2等）的吸收峰，在激光医疗、污染物探测等领域有着广阔的应用前景。3~5µm激光的另一个重要应用是军事上的光电干扰、光电对抗等，在现代化信息战争中发挥着不可替代的作用。
目前3~5µm激光实现的主要技术途径是通过793nm半导体激光器泵浦掺铥固体激光器，再泵浦掺Ho固体激光器实现2µm激光输出，最终泵浦磷锗锌光学参量振荡器实现中红外激光输出。激光转换过程较为复杂，且2µm泵浦源为全固态结构，系统庞大、热效应严重、光束质量差。此外，2µm脉冲泵浦激光是由声光调Q方式产生，导致2µm 激光以及3~5µm激光的重频和脉宽难以调控。因此研发全光纤、高光束质量、重频脉宽可调的2µm泵浦源，进而直接泵浦磷锗锌中红外光学参量振荡器，能够在大幅度减小中红外激光系统的体积的同时，提升光束质量，并使得磷锗锌中红外光学参量振荡器具备重频、脉宽可调特性。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种2微米纳秒脉冲全光纤激光器，其结构简单，易于封装，可直接作为光学参量振荡器的泵浦源，减小中红外激光系统体积，提升中红外激光系统的稳定性和光束质量，实现纳秒脉冲激光输出，重频和脉宽灵活可调，使得3~5µm磷锗锌中红外光学参量振荡器也具备重频和脉冲可调的特性。
本发明的技术方案是：这种2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其包括：沿光束传播方向依次设置的2µm光纤激光种子源Ⅰ、光纤放大器Ⅱ和磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ，
所述2µm光纤激光种子源Ⅰ为保偏铥钬共掺光纤激光器，包括半导体激光器和单模增益光纤以及配合使用的保偏单模光纤器件；所述光纤放大器Ⅱ包括两级预放大和一级大模场光纤放大器；所述磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ包括耦合透镜、偏振旋转系统、磷锗锌晶体和配合使用的二向色镜；
2µm光纤激光种子源重频的调谐范围为20kHz~30kHz，脉宽的调谐范围为20ns~70ns，输出信号光功率为几十毫瓦量级；随后进入光纤放大器Ⅱ，信号光经过两级预放大和一级大模场光纤放大器后功率提升至30W以上；在磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ中，采用平面四镜环形腔作为单谐振光学参量振荡腔。
本发明2µm泵浦源为保偏铥钬共掺光纤激光器，通过全光纤熔接技术构成全纤化系统，具有结构简单，易于封装的优点，可直接作为光学参量振荡器的泵浦源，减小中红外激光系统体积，提升中红外激光系统的稳定性和光束质量；2µm泵浦源采用声光调制实现纳秒脉冲激光输出，重频和脉宽灵活可调，使得3~5µm磷锗锌中红外光学参量振荡器也具备重频和脉冲可调的特性。
附图说明
图1为本发明的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，这种2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其包括：沿光束传播方向依次设置的2µm光纤激光种子源Ⅰ、光纤放大器Ⅱ和磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ，
所述2µm光纤激光种子源Ⅰ为保偏铥钬共掺光纤激光器，包括半导体激光器和单模增益光纤以及配合使用的保偏单模光纤器件；所述光纤放大器Ⅱ包括两级预放大和一级大模场光纤放大器；所述磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ包括耦合透镜、偏振旋转系统、磷锗锌晶体和配合使用的二向色镜；
2µm光纤激光种子源重频的调谐范围为20KHz~30KHz，脉宽的调谐范围为20ns~70ns，输出信号光功率为几十毫瓦量级；随后进入光纤放大器Ⅱ，信号光经过两级预放大和一级大模场光纤放大器后功率提升至30W以上；在磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ中，采用平面四镜环形腔作为单谐振光学参量振荡腔。
本发明2µm泵浦源为保偏铥钬共掺光纤激光器，通过全光纤熔接技术构成全纤化系统，具有结构简单，易于封装的优点，可直接作为光学参量振荡器的泵浦源，减小中红外激光系统体积，提升中红外激光系统的稳定性和光束质量；2µm泵浦源采用声光调制实现纳秒脉冲激光输出，重频和脉宽灵活可调，使得3~5µm磷锗锌中红外光学参量振荡器也具备重频和脉冲可调的特性。
优选地，2µm光纤激光种子源Ⅰ包括：第一半导体激光器1、第一光纤合束器2、高反射率光纤光栅3、第一增益光纤4、低反射率光纤光栅5、光纤声光调制器6；第一半导体激光器的输出端连接第一光纤合束器泵浦纤，第一光纤合束器信号纤输入端和其他未用泵浦纤切8°角，第一光纤合束器输出端连接高反射率光纤光栅输入端，高反射率光纤光栅输出端连接第一增益光纤输入端，第一增益光纤输出端连接低反射率光纤光栅输入端，低反射率光纤光栅输出端连接光纤声光调制器输入端，光纤声光调制器将连续光信号调制为脉冲信号。
优选地，所述光纤放大器Ⅱ由两级预放大和一级大模场光纤放大器组成，包括：第一光纤隔离器7、第二半导体激光器8、第二光纤合束器9、第二增益光纤10、第二光纤隔离器11、第三半导体激光器12、第三光纤合束器13、第三增益光纤14、第三光纤隔离器15、第四半导体激光器16、第四光纤合束器17、第四增益光纤18、光纤输出端帽19；光纤声光调制器的输出端连接第一光纤隔离器输入端，第一光纤隔离器输出端连接第二光纤合束器信号纤输入端，第二半导体激光器输出端连接第二光纤合束器泵浦纤，第二光纤合束器其他未用泵浦纤切8°角，第二光纤合束器输出端连接第二增益光纤输入端，第二增益光纤输出端连接第二光纤隔离器输入端；第二光纤隔离器输出端连接第三光纤合束器信号纤输入端，第三半导体激光器输出端连接第三光纤合束器泵浦纤，第三光纤合束器其他未用泵浦纤切8°角，第三光纤合束器输出端连接第三增益光纤输入端，第三增益光纤输出端连接第三光纤隔离器输入端；第三光纤隔离器输出端连接第四光纤合束器信号纤输入端，第四半导体激光器输出端连接第四光纤合束器泵浦纤，第四光纤合束其他未用泵浦纤切8°角，第四光纤合束器输出端连接第四增益光纤输入端，第四增益光纤输出端连接光纤输出端帽；各器件之间的连接均采用光纤熔接的方式，并且在熔接后对熔点进行涂敷低折射率胶，其次在端帽尾纤上进行分段剥除泵浦光。
优选地，所述磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ由耦合透镜、磷锗锌晶体和配合使用的二向色镜、半波片、偏振片组成，包括第一凸透镜20、半波片21、薄膜偏振片22、第二凸透镜23、第一二向色镜24、第二二向色镜27、磷锗锌晶体25、第三二向色镜28、第四二向色镜26、第五二向色镜29；光纤端帽发射一束2µm线偏振脉冲泵浦激光，入射至第一凸透镜，经第一凸透镜光斑变换后，由半波片和薄膜偏振片组成的偏振旋转系统控制偏振光的偏振方向，再经由第二凸透镜光斑变换后，经过第一二向色镜耦合进磷锗锌晶体中；信号光在腔内传播方向依次为磷锗锌晶体、第四二向色镜、第三二向色镜、第二二向色镜、第一二向色镜、磷锗锌晶体，最后经过第四二向色镜输出3~5µm中红外激光，第五二向色镜用于分离输出的信号光和泵浦光。
优选地，2µm光纤激光种子源重频的调谐范围为20kHz~30kHz，脉宽的调谐范围为20ns~70ns，输出信号光功率为几十毫瓦量级。
优选地，所述第一半导体激光器为79Xnm半导体激光器。
优选地，所述第一增益光纤为保偏铥钬共掺单模增益光纤，纤芯直径为10μm，内包层直径为130μm；所述高反射率光纤光栅对2050nm反射率不小于99.5%；所述低反射率光纤光栅对2050nm反射率为10%。
优选地，所述光纤放大器中第二、三、四增益光纤的纤芯直径范围为10μm～30μm，包层直径范围为130μm～400μm，纤芯大小采取逐级递增的方式；所述光纤放大器中第二、三、四光纤合束器的信号纤和泵浦纤均与前、后级光纤芯径相匹配。
优选地，所述放大器光纤输出端帽的切角选择为大于8°，所述输出端帽具有对激光波长大于99.5％透射率。
优选地，所述第一二向色镜、第五二向色镜对2µm泵浦光具有高透射率，对3~5µm激光具有高反射率；所述第四二向色镜对2µm泵浦光具有高透射率，对3~4µm信号光的透射率为40%，对4~5µm闲频光具有高透射率；所述第二二向色镜和第三二向色镜对3~4µm信号光具有高反射率，对4~5µm闲频光和2µm泵浦光具有高透射。
本发明光纤激光器模块采用全纤化熔接的方式，结构紧凑、性能稳定、易于封装，可实现30W以上、重频和脉宽可调且高光束质量的2µm线偏振纳秒脉冲激光输出。磷锗锌光学参量振荡器由平面环形腔组成，高输出功率时能够产生更好光束质量的中红外激光。同时使用半波片和薄膜偏振片组成的偏振旋转系统，一方面可以调整偏振光的偏振态，另一方面可以控制注入的泵浦功率，避免了前级系统直接提高泵浦功率时脉宽的不稳定性对实验造成的影响。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：其包括：沿光束传播方向依次设置的2µm光纤激光种子源Ⅰ、光纤放大器Ⅱ和磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ，
所述2µm光纤激光种子源Ⅰ为保偏铥钬共掺光纤激光器，包括半导体激光器和单模增益光纤以及配合使用的保偏单模光纤器件；所述光纤放大器Ⅱ包括两级预放大和一级大模场光纤放大器；所述磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ包括耦合透镜、偏振旋转系统、磷锗锌晶体和配合使用的二向色镜；
2µm光纤激光种子源重频的调谐范围为20KHz~30KHz，脉宽的调谐范围为20ns~70ns，输出信号光功率为几十毫瓦量级；随后进入光纤放大器Ⅱ，信号光经过两级预放大和一级大模场光纤放大器后功率提升至30W以上；在磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ中，采用平面四镜环形腔作为单谐振光学参量振荡腔。
2.根据权利要求1所述的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：2µm光纤激光种子源Ⅰ包括：第一半导体激光器（1）、第一光纤合束器（2）、高反射率光纤光栅（3）、第一增益光纤（4）、低反射率光纤光栅（5）、光纤声光调制器（6）；第一半导体激光器的输出端连接第一光纤合束器泵浦纤，第一光纤合束器信号纤输入端和其他未用泵浦纤切8°角，第一光纤合束器输出端连接高反射率光纤光栅输入端，高反射率光纤光栅输出端连接第一增益光纤输入端，第一增益光纤输出端连接低反射率光纤光栅输入端，低反射率光纤光栅输出端连接光纤声光调制器输入端，光纤声光调制器将连续光信号调制为脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述光纤放大器Ⅱ由两级预放大和一级大模场光纤放大器组成，包括：第一光纤隔离器（7）、第二半导体激光器（8）、第二光纤合束器（9）、第二增益光纤（10）、第二光纤隔离器（11）、第三半导体激光器（12）、第三光纤合束器（13）、第三增益光纤（14）、第三光纤隔离器（15）、第四半导体激光器（16）、第四光纤合束器（17）、第四增益光纤（18）、光纤输出端帽（19）；光纤声光调制器的输出端连接第一光纤隔离器输入端，第一光纤隔离器输出端连接第二光纤合束器信号纤输入端，第二半导体激光器输出端连接第二光纤合束器泵浦纤，第二光纤合束器其他未用泵浦纤切8°角，第二光纤合束器输出端连接第二增益光纤输入端，第二增益光纤输出端连接第二光纤隔离器输入端；第二光纤隔离器输出端连接第三光纤合束器信号纤输入端，第三半导体激光器输出端连接第三光纤合束器泵浦纤，第三光纤合束器其他未用泵浦纤切8°角，第三光纤合束器输出端连接第三增益光纤输入端，第三增益光纤输出端连接第三光纤隔离器输入端；第三光纤隔离器输出端连接第四光纤合束器信号纤输入端，第四半导体激光器输出端连接第四光纤合束器泵浦纤，第四光纤合束器其他未用泵浦纤切8°角，第四光纤合束器输出端连接第四增益光纤输入端，第四增益光纤输出端连接光纤输出端帽；各器件之间的连接均采用光纤熔接的方式，并且在熔接后对熔点进行涂敷低折射率胶，其次在端帽尾纤上进行分段剥除泵浦光。
4.根据权利要求3所述的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述磷锗锌光学参量振荡器Ⅲ由耦合透镜、磷锗锌晶体和配合使用的二向色镜、半波片、偏振片组成，包括第一凸透镜（20）、半波片（21）、薄膜偏振片（22）、第二凸透镜（23）、第一二向色镜（24）、第二二向色镜（27）、磷锗锌晶体（25）、第三二向色镜（28）、第四二向色镜（26）、第五二向色镜（29）；光纤端帽发射一束2µm线偏振脉冲泵浦激光，入射至第一凸透镜，经第一凸透镜光斑变换后，由半波片和薄膜偏振片组成的偏振旋转系统控制偏振光的偏振方向，再经由第二凸透镜光斑变换后，经过第一二向色镜耦合进磷锗锌晶体中；信号光在腔内传播方向依次为磷锗锌晶体、第四二向色镜、第三二向色镜、第二二向色镜、第一二向色镜、磷锗锌晶体，最后经过第四二向色镜输出3~5µm中红外激光，第五二向色镜用于分离输出的信号光和泵浦光。
5.根据权利要求4所述的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：2µm光纤激光种子源重频的调谐范围为20kHz~30kHz，脉宽的调谐范围为20ns~70ns，输出信号光功率为几十毫瓦量级。
6.根据权利要求5所述的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述第一半导体激光器为79Xnm半导体激光器。
7.根据权利要求6所述的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述第一增益光纤为保偏铥钬共掺单模增益光纤，纤芯直径为10μm，内包层直径为130μm；所述高反射率光纤光栅对2050nm反射率不小于99.5%；所述低反射率光纤光栅对2050nm反射率为10%。
8.根据权利要求7所述的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述光纤放大器中第二、三、四增益光纤的纤芯直径范围为10μm～30μm，包层直径范围为130μm～400μm，纤芯大小采取逐级递增的方式；所述光纤放大器中第二、三、四光纤合束器的信号纤和泵浦纤均与前、后级光纤芯径相匹配。
9.根据权利要求8所述的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述放大器光纤输出端帽的切角选择为大于8°，所述输出端帽具有对激光波长大于99.5％透射率。
10.根据权利要求9所述的2微米全光纤激光器泵浦的中红外光参量振荡器，其特征在于：所述第一二向色镜、第五二向色镜对2µm泵浦光具有高透射率，对3~5µm激光具有高反射率；所述第四二向色镜对2µm泵浦光具有高透射率，对3~4µm信号光的透射率为40%，对4~5µm闲频光具有高透射率；所述第二二向色镜和第三二向色镜对3~4µm信号光具有高反射率，对4~5µm闲频光和2µm泵浦光具有高透射。
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