CN116154594A - 一种全光纤结构的中红外锁模激光振荡器 - Google Patents

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Abstract

一种全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，能够适配于氟化物玻璃光纤的工艺技术手段，高质量地实现了中红外锁模激光振荡器的全纤化，在保持锁模激光输出质量的前提下，大大提升了系统的稳定性与集成性。包括：信号光纤（1）、中红外光纤合束器（2）、泵浦模块（3）、耦合输出镜（4）、可饱和吸收体（5）、中红外啁啾布拉格光纤光栅（6）。

Description

一种全光纤结构的中红外锁模激光振荡器
技术领域
本发明涉及光纤激光器的技术领域，尤其涉及一种全光纤结构的中红外锁模激光振荡器。
背景技术
响应波段在中红外成像探测器已广泛应用于红外制导导弹、红外侦查系统、光电预警系统等，用以对目标的精确打击和战场态势感知，大部分的探测器响应波段在2.5～3.3μm，使用该波段的中红外脉冲激光器辐照上述成像探测器，可在较低的平均功率下使其致盲失效，因此中红外脉冲激光器的研发在国防方面具有重要的应用价值。
目前，锁模激光技术是实现中红外超短脉冲光纤激光的主要手段，其原理是在激光谐振腔中的不同模式间引入固定的相位关系，从而达到超短脉冲激光输出的效果，但是目前主流中红外锁模光纤激光器中均用到了大量的二向色镜、透镜组、拨片等空间光器件，牺牲了光纤激光器的优势，大大降低了激光器的稳定性及灵活性，而全纤化便是解决这些问题的唯一途径。但由于氟化物光纤存在熔点低、热膨胀系数高、易析晶等特点，给诸如合束器、光纤光栅等光纤关键器件的发展带来困难，使得Er3+：ZBLAN锁模激光器的全纤化进程较为困难。
因此，为了锁模激光器的稳定性与集成性，拓宽激光器的应用范围，探索适配于氟化物玻璃光纤的工艺技术手段，并解决腔内色散精确调控难题，进而实现中红外锁模激光振荡器的全纤化是有必要的。
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全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其能够适配于氟化物玻璃光纤的工艺技术手段，高质量地实现了中红外锁模激光振荡器的全纤化，在保持锁模激光输出质量的前提下，大大提升了系统的稳定性与集成性。
本发明的技术方案是：这种全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其包括：信号光纤（1）、中红外光纤合束器（2）、泵浦模块（3）、耦合输出镜（4）、可饱和吸收体（5）、中红外啁啾布拉格光纤光栅（6）；
所述信号光纤的一端设置中红外啁啾布拉格光纤光栅；中红外啁啾布拉格光纤光栅直接刻写在信号光纤上，在作为腔镜的同时用于对锁模激光器实现光纤化的色散调控；在信号光纤另一端距离端面10～20cm的地方设置中红外光纤合束器，所述合束器为侧面泵浦耦合器，包括信号光纤与泵浦光纤，将泵浦光纤拉锥，再将锥区部分缠绕到信号光纤去除涂覆层及外包层的位置，泵浦光纤锥区与信号光纤内包层形成耦合区，泵浦光通过耦合区从泵浦光纤中耦合入信号光纤中；所述中红外光纤合束器实现激光器的全纤化激光泵浦；所述泵浦模块为半导体激光器，输出尾纤与泵浦光纤通过熔接连接；信号光纤另一端对接耦合输出镜，在耦合输出镜上的对接区域放置可饱和吸收体；
泵浦模块中的泵浦光通过中红外光纤合束器进入信号光纤，在信号光纤的增益作用下激发2.8μm激光，激光通过可饱和吸收体形成脉冲光，经由中红外啁啾布拉格光纤光栅的色散调控作用实现腔内脉冲的反复压缩展宽变化，突破孤子极限，实现色散管理孤子脉冲的输出，最终在全纤化条件下输出2.8μm波段的超短脉冲激光。
本发明合束器为侧面泵浦耦合器，包括信号光纤与泵浦光纤，将泵浦光纤拉锥，再将锥区部分缠绕到信号光纤去除涂覆层及外包层的位置，泵浦光纤锥区与信号光纤内包层形成耦合区，泵浦光通过耦合区从泵浦光纤中耦合入信号光纤中；所述中红外光纤合束器实现激光器的全纤化激光泵浦，从而实现了泵浦环节的全纤化，避免了对物理性能相对较差的氟化物光纤进行熔接、拉锥等操作，利用啁啾布拉格光栅及耦合输出镜等器件代替激光器中空间耦合结构，实现激光器的全纤化，大大提高了激光器的集成性及稳定性；另一方面利用啁啾布拉格光栅与信号光纤在3μm波段表现出相反色散效应的特性，对激光器腔内脉冲进行色散管理，优化了锁模输出的脉冲质量，实现了激光器的超短脉冲输出，提高了激光器的应用价值，为中红外光纤激光器的发展提供了新思路；因此能够适配于氟化物玻璃光纤的工艺技术手段，高质量地实现了中红外锁模激光振荡器的全纤化，在保持锁模激光输出质量的前提下，大大提升了系统的稳定性与集成性。
附图说明
图1 是根据本发明的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器的结构示意图。
图2是根据本发明的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器的中红外侧面泵浦光纤合束器示意图。
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、2所示，这种全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其包括：信号光纤1、中红外光纤合束器2、泵浦模块3、耦合输出镜4、可饱和吸收体5、中红外啁啾布拉格光纤光栅6；
所述信号光纤的一端设置中红外啁啾布拉格光纤光栅；中红外啁啾布拉格光纤光栅直接刻写在信号光纤上，在作为腔镜的同时用于对锁模激光器实现光纤化的色散调控；在信号光纤另一端距离端面10～20cm的地方设置中红外光纤合束器，所述合束器为侧面泵浦耦合器，包括信号光纤与泵浦光纤21，将泵浦光纤拉锥，再将锥区部分缠绕到信号光纤去除涂覆层及外包层的位置，泵浦光纤锥区与信号光纤内包层形成耦合区，泵浦光通过耦合区从泵浦光纤中耦合入信号光纤中；所述中红外光纤合束器实现激光器的全纤化激光泵浦；所述泵浦模块为半导体激光器，输出尾纤与泵浦光纤通过熔接连接；信号光纤另一端对接耦合输出镜，在耦合输出镜上的对接区域放置可饱和吸收体；
泵浦模块中的泵浦光通过中红外光纤合束器进入信号光纤，在信号光纤的增益作用下激发2.8μm激光，激光通过可饱和吸收体形成脉冲光，经由中红外啁啾布拉格光纤光栅的色散调控作用实现腔内脉冲的反复压缩展宽变化，突破孤子极限，实现色散管理孤子脉冲的输出，最终在全纤化条件下输出2.8μm波段的超短脉冲激光。
本发明合束器为侧面泵浦耦合器，包括信号光纤与泵浦光纤，将泵浦光纤拉锥，再将锥区部分缠绕到信号光纤去除涂覆层及外包层的位置，泵浦光纤锥区与信号光纤内包层形成耦合区，泵浦光通过耦合区从泵浦光纤中耦合入信号光纤中；所述中红外光纤合束器实现激光器的全纤化激光泵浦，从而实现了泵浦环节的全纤化，避免了对物理性能相对较差的氟化物光纤进行熔接、拉锥等操作，利用啁啾布拉格光栅及耦合输出镜等器件代替激光器中空间耦合结构，实现激光器的全纤化，大大提高了激光器的集成性及稳定性；另一方面利用啁啾布拉格光栅与信号光纤在3μm波段表现出相反色散效应的特性，对激光器腔内脉冲进行色散管理，优化了锁模输出的脉冲质量，实现了激光器的超短脉冲输出，提高了激光器的应用价值，为中红外光纤激光器的发展提供了新思路；因此能够适配于氟化物玻璃光纤的工艺技术手段，高质量地实现了中红外锁模激光振荡器的全纤化，在保持锁模激光输出质量的前提下，大大提升了系统的稳定性与集成性。
优选地，所述信号光纤为双包层增益纤，其材质为掺杂铒离子的氟化物玻璃；所述氟化物光纤的纤芯数值孔径为0.1～0.3，内包层的数值孔径为0.4～0.6；纤芯的直径为2.5～30μm，内包层直径范围为125～300μm外包层的直径为125～600μm，长度为3～5m，离子浓度掺杂类型为重浓度掺杂；所述氟化物光纤产生并传输2.8μm波段的激光，在2.8μm波段表现为反常色散区，色散为-70～-100ps2/km；
所述泵浦光纤为经过拉锥处理的多模石英光纤，石英光纤拉锥之前的纤芯直径为105～400μm，包层直径为125～600μm；石英光纤传输976nm激光，所述多模石英光纤拉锥之后纤芯直径为10～30μm，前锥区为2～6cm，锥区长度为3～10cm。
优选地，泵浦光纤与信号光纤的组合方式为将拉锥后的泵浦光纤的前锥区平行贴近信号光纤，锥区缠绕在信号光纤内包层上，缠绕圈数为5～7圈，每圈缠绕角度相等且小于27o；所述泵浦光纤通过缠绕贴合的方式利用弱耦合效应将泵浦光高效率注入信号光纤。
优选地，所述光纤光栅为啁啾布拉格光纤光栅，利用逐点法或掩模板法直接刻写在信号光纤上；所述啁啾布拉格光纤光栅对在其纤芯中传输的2.8μm波段激光形成反射，反射率为90%以上。
优选地，所述光纤光栅为在光纤光栅上发生反射的2.8μm激光脉冲提供正色散，以此对在反常色散区运转的脉冲进行色散调控；所述光纤光栅提供的正色散量根据腔内信号光纤长度不同做出改变，使其始终小于并接近一个脉冲周期下信号光纤提供的负色散量。
优选地，所述耦合输出镜为中红外平面镜，其材质为蓝宝石、氟化钙的玻璃材料；所述耦合输出镜一面镀有光阻膜，对2.8μm激光的反射率为85～90%，另一面镀有抗反膜，对2.8μm激光的反射率低于0.25%，实现由镀有光阻膜的一面输入的2.8μm激光约90%功率的激光原路返回，10%功率的激光透射而过。
优选地，所述可饱和吸收体为低维锁模材料，其材质为碳纳米管、黑磷的可饱和吸收材料；所述可饱和吸收体的调制深度为8～20%，弛豫时间为10～50ps；所述可饱和吸收体对2.8μm激光产生可饱和吸收作用，实现2.8μm激光器的自启动锁模。
优选地，所述耦合输出镜与信号光纤对接的一面为镀有光阻膜的一面，饱和吸收体紧密贴服在耦合输出镜与光纤对接的一面上，并且完全覆盖通光区域。
优选地，所述信号光纤的两端端面为10o～16o，利用研磨或切割的方法处理端面，保证信号光纤端面整洁无划痕，避免端面菲涅尔反射引起寄生振荡，影响锁模稳定性。
优选地，所述信号光纤利用化学腐蚀发去除耦合区涂覆层及外包层，所用化学试剂为二氯甲烷，腐蚀后用酒精清除残余的二氯甲烷，保证裸露的内包层表面无残余涂覆层及其他异物。
以下更详细地说明本发明。
本发明采用侧面泵浦的方法，结合啁啾布拉格光纤光栅等器件，实现了中红外超短脉冲激光器的全纤化。如图1所示本实施例对中信号光纤1的一部分涂覆层进行去除作为光纤合束器2的耦合区，对泵浦光纤21进行拉锥，再将锥区部分缠绕到耦合区中信号光纤1的内包层上，完成光纤合束器2的制作；泵浦模块3为半导体激光器，为激光器提供泵浦能量，泵浦光通过泵浦模块3的尾纤31与泵浦光纤21进入信号光纤1中，尾纤31与泵浦光纤21应为相同光纤，尾纤31与泵浦光纤21通过熔接相连；在信号光纤1一端设置对接耦合输出镜4，在耦合输出镜4上与信号光纤1对接的一面放置可饱和吸收体5，可饱和吸收体5完全覆盖通光区域；在信号光纤1另一端设置光纤光栅6，耦合输出镜4与光纤光栅6作为激光器腔镜，泵浦模块3中的泵浦光通过中红外光纤合束器2进入信号光纤1，在信号光纤1的增益作用下激发2.8μm激光，激光在可饱和吸收体5的作用下形成脉冲光，经由中红外啁啾布拉格光纤光栅6的色散调控作用实现腔内脉冲的反复压缩展宽变化，突破孤子极限，实现色散管理孤子脉冲的输出，最终在全纤化条件下输出2.8μm波段的超短脉冲激光。
所述信号光纤1为双包层增益纤，其材质为掺杂铒离子的氟化物玻璃；所述信号光纤1的纤芯数值孔径为0.1～0.3，内外包层的数值孔径为0.4～0.6；纤芯的直径为2.5～30μm，内包层直径范围为125～300μm，外包层的直径为125～600μm，长度为3～5m，离子浓度掺杂类型为重浓度掺杂；所述信号光纤1可以产生并传输2.8μm波段的激光，在2.8μm波段表现为反常色散区，色散为-70～-100ps2/km。
所述泵浦光纤21为经过拉锥处理的多模石英光纤，所述泵浦光纤21拉锥之前的纤芯直径为105～400μm，包层直径为125～600μm；所述石英光纤可传输976nm激光，所述多模石英光纤拉锥之后纤芯直径为10～30μm，前锥区为2～6cm，锥区长度为3～10cm。
所述泵浦光纤21与信号光纤1的组合方式为将拉锥后的泵浦光纤21的前锥区平行贴近信号光纤1，锥区缠绕在信号光纤4内包层上，缠绕圈数为5～7圈，每圈缠绕角度相等且小于27o；所述泵浦光纤21可以通过缠绕贴合的方式利用弱耦合效应将泵浦光高效率注入信号光纤1。
所述光纤光栅6为啁啾布拉格光纤光栅，利用逐点法或掩模板法直接刻写在信号纤上；所述啁啾布拉格光纤光栅可以对在其纤芯中传输的2.8μm波段激光形成反射，反射率为90%以上。
所述光纤光栅6可以为在光纤光栅6上发生反射的2.8μm激光脉冲提供正色散，以此对在反常色散区运转的脉冲进行色散调控；所述光纤光栅6提供的正色散量应根据腔内信号光纤长度不同做出改变，使其始终小于并接近一个脉冲周期下信号光纤提供的负色散量。
所述耦合输出镜4为中红外平面镜，其材质为蓝宝石、氟化钙等玻璃材料；所述耦合输出镜4一面镀有光阻膜，对2.8μm激光的反射率为85～90%，另一面镀有抗反膜，对2.8μm激光的反射率低于0.25%，可以实现由镀有光阻膜的一面输入的2.8μm激光约90%功率的激光原路返回，约10%功率的激光透射而过。
所述可饱和吸收体5为低维锁模材料，其材质为碳纳米管、黑磷等可饱和吸收材料；所述可饱和吸收体的调制深度为8～20%，弛豫时间为10～50ps；所述可饱和吸收体5可以对2.8μm激光产生可饱和吸收作用，可以实现2.8μm激光器的自启动锁模。
所述耦合输出镜4与信号光纤1对接的一面为镀有光阻膜的一面，饱和吸收体5紧密贴服在耦合输出镜4与信号光纤1对接的一面上，并且完全覆盖通光区域。
所述信号光纤1的两端端面为10o～16o，利用研磨或切割的方法处理端面，保证信号光纤端面整洁无划痕，避免端面菲涅尔反射引起寄生振荡，影响锁模稳定性。
所述信号光纤1利用化学腐蚀发去除耦合区涂覆层及外包层，所用化学试剂为二氯甲烷，腐蚀后用酒精清除残余的二氯甲烷，保证裸露的内包层表面无残余涂覆层及其他异物。
如图2所示本实施例中在所述信号光纤1的耦合区11经过二氯甲烷10～20min腐蚀处理，涂覆层及外包层完全去除，信号光纤耦合区11为裸露的内包层区域；所述光纤合束器2的泵浦光纤21为105/125多模石英光纤，将泵浦光纤的锥区212拉锥到直径15μm左右，规则缠绕在信号光纤耦合区11，缠绕五圈，缠绕角度小于27o，每圈缠绕的距离相等，将泵浦光纤完整的锥区212全都缠绕在信号光纤耦合区11上；泵浦模块3的尾纤31同样为105/125多模石英光纤光纤，将泵浦模块尾纤31与泵浦光纤未拉锥部分211熔接在一起；泵浦光经由泵浦模块尾纤31、泵浦光纤未拉锥部分211、泵浦光纤锥区212耦合入信号光纤耦合区11的内包层中，为激光器提供泵浦能量。
本发明提供上述实施例提供的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器的制作方法实现了全纤化，避免了对物理性能相对较差的氟化物光纤进行熔接、拉锥等操作，大大提高了激光器的集成性及稳定性；并对激光器腔内脉冲进行了色散管理，优化了锁模输出的脉冲质量，实现了激光器的超短脉冲输出，提高了激光器的应用价值，为中红外光纤激光器的发展提供了新思路。
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)

1.一种全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：其包括：信号光纤（1）、中红外光纤合束器（2）、泵浦模块（3）、耦合输出镜（4）、可饱和吸收体（5）、中红外啁啾布拉格光纤光栅（6）；
所述信号光纤的一端设置中红外啁啾布拉格光纤光栅；中红外啁啾布拉格光纤光栅直接刻写在信号光纤上，在作为腔镜的同时用于对锁模激光器实现光纤化的色散调控；在信号光纤另一端距离端面10～20cm的地方设置中红外光纤合束器，所述合束器为侧面泵浦耦合器，包括信号光纤与泵浦光纤，将泵浦光纤拉锥，再将锥区部分缠绕到信号光纤去除涂覆层及外包层的位置，泵浦光纤锥区与信号光纤内包层形成耦合区，泵浦光通过耦合区从泵浦光纤中耦合入信号光纤中；所述中红外光纤合束器实现激光器的全纤化激光泵浦；所述泵浦模块为半导体激光器，输出尾纤与泵浦光纤通过熔接连接；信号光纤另一端对接耦合输出镜，在耦合输出镜上的对接区域放置可饱和吸收体；
泵浦模块中的泵浦光通过中红外光纤合束器进入信号光纤，在信号光纤的增益作用下激发2.8μm激光，激光通过可饱和吸收体形成脉冲光，经由中红外啁啾布拉格光纤光栅的色散调控作用实现腔内脉冲的反复压缩展宽变化，突破孤子极限，实现色散管理孤子脉冲的输出，最终在全纤化条件下输出2.8μm波段的超短脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：所述信号光纤为双包层增益纤，其材质为掺杂铒离子的氟化物玻璃；所述氟化物光纤的纤芯数值孔径为0.1～0.3，内包层的数值孔径为0.4～0.6；纤芯的直径为2.5～30μm，内包层直径范围为125～300μm外包层的直径为125～600μm，长度为3～5m，离子浓度掺杂类型为重浓度掺杂；所述氟化物光纤产生并传输2.8μm波段的激光，在2.8μm波段表现为反常色散区，色散为-70～-100ps2/km；
所述泵浦光纤为经过拉锥处理的多模石英光纤，石英光纤拉锥之前的纤芯直径为105～400μm，包层直径为125～600μm；石英光纤传输976nm激光，所述多模石英光纤拉锥之后纤芯直径为10～30μm，前锥区为2～6cm，锥区长度为3～10cm。
3.根据权利要求2所述的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：泵浦光纤与信号光纤的组合方式为将拉锥后的泵浦光纤的前锥区平行贴近信号光纤，锥区缠绕在信号光纤内包层上，缠绕圈数为5～7圈，每圈缠绕角度相等且小于27o；所述泵浦光纤通过缠绕贴合的方式利用弱耦合效应将泵浦光高效率注入信号光纤。
4.根据权利要求1所述的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：所述光纤光栅为啁啾布拉格光纤光栅，利用逐点法或掩模板法直接刻写在信号光纤上；所述啁啾布拉格光纤光栅对在其纤芯中传输的2.8μm波段激光形成反射，反射率为90%以上。
5.根据权利要求1所述的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：所述光纤光栅为在光纤光栅上发生反射的2.8μm激光脉冲提供正色散，以此对在反常色散区运转的脉冲进行色散调控；所述光纤光栅提供的正色散量根据腔内信号光纤长度不同做出改变，使其始终小于并接近一个脉冲周期下信号光纤提供的负色散量。
6.根据权利要求1所述的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：所述耦合输出镜为中红外平面镜，其材质为蓝宝石、氟化钙的玻璃材料；所述耦合输出镜一面镀有光阻膜，对2.8μm激光的反射率为85～90%，另一面镀有抗反膜，对2.8μm激光的反射率低于0.25%，实现由镀有光阻膜的一面输入的2.8μm激光约90%功率的激光原路返回，10%功率的激光透射而过。
7.根据权利要求1所述的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：所述可饱和吸收体为低维锁模材料，其材质为碳纳米管、黑磷的可饱和吸收材料；所述可饱和吸收体的调制深度为8～20%，弛豫时间为10～50ps；所述可饱和吸收体对2.8μm激光产生可饱和吸收作用，实现2.8μm激光器的自启动锁模。
8.根据权利要求1所述的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：所述耦合输出镜与信号光纤对接的一面为镀有光阻膜的一面，饱和吸收体紧密贴服在耦合输出镜与光纤对接的一面上，并且完全覆盖通光区域。
9.根据权利要求1所述的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：所述信号光纤的两端端面为10o～16o，利用研磨或切割的方法处理端面，保证信号光纤端面整洁无划痕，避免端面菲涅尔反射引起寄生振荡，影响锁模稳定性。
10.根据权利要求1所述的全光纤结构的中红外锁模激光振荡器，其特征在于：所述信号光纤利用化学腐蚀发去除耦合区涂覆层及外包层，所用化学试剂为二氯甲烷，腐蚀后用酒精清除残余的二氯甲烷，保证裸露的内包层表面无残余涂覆层及其他异物。
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