CN117996553A - 一种双波长飞秒光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光纤技术领域，尤其涉及一种双波长飞秒光纤激光器，该激光器包括泵浦光源，用于输出第一波长飞秒脉冲激光及第一激励光源；双包层非线性光纤，与泵浦光源的输出端连接，用于利用孤子自频移效应将部分第一波长飞秒脉冲激光转换为第二波长飞秒脉冲激光，输出剩余的部分第一波长飞秒脉冲激光、第二波长飞秒脉冲激光及第一激励光源；掺钬增益光纤，与双包层非线性光纤的输出端连接，用于在第一激励光源的激励下放大第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光。这样，在全光纤中红外激光器中实现双波长高能飞秒脉冲激光输出，并且结构紧凑、便携、环境适应性好，在医学和材料加工等实际应用中具有波长及能量优势，适合车载、机载等场景。

Description

一种双波长飞秒光纤激光器

技术领域

本申请涉及光纤技术领域，尤其涉及一种双波长飞秒光纤激光器。

背景技术

中红外飞秒激光在生物医学、环境监测和工业加工等领域具有广泛的应用前景，因为该波段存在强烈的分子基本振动吸收，同时包含了重要的大气传输窗口。特别是双波长脉冲激光，它在医学和材料加工等领域具有独特优势。例如，在激光手术中，双波长脉冲激光能够与不同深度的组织相互作用，提高消融效率并减少热扩散区，从而具有手术创面小、伤口愈合快、疤痕宽度窄等优点。

近年来，随着稀土离子掺杂氟化物光纤研究工作的深入，基于稀土离子掺杂的锁模激光器可以直接产生中红外飞秒激光，但受光纤材料和器件限制，双波长飞秒激光尚无法直接产生。拉曼孤子激光器具有实现双波长飞秒激光输出的能力，并且允许构建全光纤结构的激光系统，但目前输出的飞秒脉冲激光平均功率和脉冲能量普遍较低，实用性差。

发明内容

本申请提供一种双波长飞秒光纤激光器，以解决传统光纤激光器无法输出高能量双波长飞秒脉冲激光的问题。

本申请提供一种双波长飞秒光纤激光器，包括：泵浦光源，用于输出第一波长飞秒脉冲激光，以及输出第一激励光源；第一波长飞秒脉冲激光的波长为2.1 μm；双包层非线性光纤，与泵浦光源的输出端连接，用于接收第一波长飞秒脉冲激光及第一激励光源，利用孤子自频移效应将部分第一波长飞秒脉冲激光转换为第二波长飞秒脉冲激光，第二波长飞秒脉冲激光的波长为2.9 μm；以及，输出剩余的部分第一波长飞秒脉冲激光、第二波长飞秒脉冲激光及第一激励光源；掺钬增益光纤，与双包层非线性光纤的输出端连接，用于接收第一激励光源、第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光，并在第一激励光源的激励下放大第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的能量；端帽，与掺钬增益光纤的输出端连接，用于保护掺钬增益光纤的输出端端面，以及放大第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的光斑能量密度。

在一种可实现的方式中，泵浦光源包括：锁模掺铥光纤振荡器、第一放大级、光纤展宽器及第二放大级；锁模掺铥光纤振荡器用于产生第一飞秒脉冲激光，第一飞秒脉冲激光的波长为2 μm；第一放大级与锁模掺铥光纤振荡器的输出端连接，用于接收第一飞秒脉冲激光，对第一飞秒脉冲激光进行功率放大，进而输出第一飞秒脉冲激光；光纤展宽器与第一放大级的输出端连接，用于接收第一飞秒脉冲激光，对第一飞秒脉冲激光的时域进行展宽，进而输出第一飞秒脉冲激光；第二放大级与光纤展宽器的输出端连接，用于接收第一飞秒脉冲激光，对第一飞秒脉冲激光再次进行功率放大，进而输出第一飞秒脉冲激光。

在一种可实现的方式中，第一波长飞秒脉冲激光的波长具有第一波动范围，第一波动范围为大于或者等于2.02 μm且小于或者等于2.12 μm；第二波长飞秒脉冲激光具有第二波动范围，第二波动范围为大于或者等于2.89 μm且小于或者等于3.01 μm；第一飞秒脉冲激光具有第三波动范围，第三波动范围为大于或者等于1.90 μm且小于或者等于2.05 μm。

在一种可实现的方式中，泵浦光源还包括第一激光器、第二激光器、第一光纤耦合器及第一掺铥增益光纤；第一激光器用于输出第一激励光源，第一激励光源的波长为1150nm；第二激光器用于输出第二激励光源，第二激励光源的波长为793 nm；第一光纤耦合器的第一泵浦输入端与第一激光器的输出端连接，第一光纤耦合器的第二泵浦输入端与第二激光器的输出端连接，第一光纤耦合器的信号输入端与第二放大级的输出端连接；第一光纤耦合器用于将第一飞秒脉冲激光、第一激励光源及第二激励光源耦合进第一掺铥增益光纤；第一掺铥增益光纤与第一光纤耦合器的输出端连接，用于接收第一飞秒脉冲激光、第一激励光源及第二激励光源，以及，在第二激励光源和部分第一激励光源的激励下对第一飞秒脉冲激光再次进行功率放大和脉宽压缩；具有高峰值功率的第一飞秒脉冲激光在第一掺铥增益光纤中传输时产生孤子自频移效应，将放大后的第一飞秒脉冲激光转换为第一波长飞秒脉冲激光；第一掺铥增益光纤还用于输出第一波长飞秒脉冲激光及剩余部分的第一激励光源。

在一种可实现的方式中，双包层非线性光纤与第一掺铥增益光纤的输出端连接，以接收第一波长飞秒脉冲激光及第一激励光源。

在一种可实现的方式中，双包层非线性光纤的基质材料为氟碲酸盐玻璃；双包层非线性光纤的模场面积小于掺钬增益光纤的模场面积；双包层非线性光纤的零色散波长小于2 μm。

在一种可实现的方式中，掺钬增益光纤的基质材料为氟化锆玻璃；掺钬增益光纤中钬离子的掺杂浓度大于2.5 mol.%。

在一种可实现的方式中，掺钬增益光纤具体用于对第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光的能量放大；在掺钬增益光纤放大第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光的能量过程中，掺钬增益光纤中发生能级跃迁过程，能级跃迁过程包括：处于基态⁵I₈的钬离子在第一激励光源的光场作用下吸收能量跃迁到高能级⁵I₆，以使高能级⁵I₆上钬离子的集居的粒子数大于基态⁵I₈上钬离子的集居粒子数；处于高能级⁵I₆的钬离子在第二波长飞秒脉冲激光的激发下向低能级⁵I₇跃迁并释放与第二波长飞秒脉冲激光波长相同的光子；处于低能级⁵I₇的钬离子在第一波长飞秒脉冲激光的激发下向基态⁵I₈跃迁并释放与第一波长飞秒脉冲激光波长相同的光子。

在一种可实现的方式中，掺钬增益光纤放大第一波长飞秒脉冲激光能量时的增益系数是基于以下公式一确定的，放大第二波长飞秒脉冲激光能量时的增益系数是基于以下公式二确定的；

公式一：

；

其中，∫为积分符号，为所述第一波长飞秒脉冲激光在掺钬增益光纤的z位置处的增益系数；/>为第一波长飞秒脉冲激光的上能级寿命；/>为第二波长飞秒脉冲激光的上能级寿命；β为高能级⁵I₆与低能级⁵I₇之间的辐射衰减分支比；/>为第一波长飞秒脉冲激光对应的受激发射截面，/>为第一波长飞秒脉冲激光对应的吸收截面，/>为掺钬增益光纤的模场面积，h为普朗克常数，/>为第一激励光源的频率，/>为掺钬增益光纤吸收第一激励光源的功率，n为钬离子的掺杂浓度，L为掺钬增益光纤的光纤长度；

公式二：

；

其中，∫为积分符号，为第二波长飞秒脉冲激光在掺钬增益光纤的z位置处的增益系数；/>为第一波长飞秒脉冲激光的上能级寿命；/>为第二波长飞秒脉冲激光的上能级寿命；β为高能级⁵I₆与低能级⁵I₇之间的辐射衰减分支比；/>为第二波长飞秒脉冲激光对应的受激发射截面，/>为第二波长飞秒脉冲激光对应的吸收截面，/>为掺钬增益光纤的模场面积，h为普朗克常数，/>为第一激励光源的频率，/>为掺钬增益光纤吸收第一激励光源的功率。

在一种可实现的方式中，双包层非线性光纤输出的第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的峰值功率是基于以下公式三确定的，脉冲宽度是基于以下公式四确定的；

公式三：

；

其中，P_2.1为第一波长飞秒脉冲激光的峰值功率，P_{2.9 μm}为第二波长飞秒脉冲激光的峰值功率，N为孤子阶数，β₂为双包层非线性光纤的二阶色散参量，为双包层非线性光纤的非线性系数，T_2.1表示第一波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度；

公式四：

；

其中，T_2.1表示第一波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度，T_{2.9 μm}为第二波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度，N为孤子阶数，β₂为双包层非线性光纤的二阶色散参量，为双包层非线性光纤的非线性系数；P_2.1为第一波长飞秒脉冲激光的峰值功率。

由以上内容可知，本申请提供一种双波长飞秒光纤激光器，该激光器包括泵浦光源，用于输出第一波长飞秒脉冲激光，以及输出第一激励光源；双包层非线性光纤，与泵浦光源的输出端连接，用于接收第一波长飞秒脉冲激光及第一激励光源，利用孤子自频移效应将部分第一波长飞秒脉冲激光转换为第二波长飞秒脉冲激光，输出剩余的部分第一波长飞秒脉冲激光、第二波长飞秒脉冲激光及第一激励光源；掺钬增益光纤，与双包层非线性光纤的输出端连接，用于接收第一激励光源、第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光，并在第一激励光源的激励下放大第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的能量。

本发明的有益效果：

1.本发明通过采用拉曼孤子激光器提供双波长飞秒脉冲激光，采用中红外光纤放大器进行能量的提升，其中，中红外光纤放大器所需的激励光源通过前级的石英基光纤耦合器输入进激光系统中。这样，克服了现有中红外光纤激光器的不足，在具有全光纤结构的中红外激光器中实现双波长高能飞秒脉冲激光的全光纤输出，并且成本低、结构紧凑、便携、环境适应性好，在医学和材料加工等实际应用中具有波长优势及能量优势，适合车载、机载等场景；进一步地，通过选择不同波长的拉曼孤子激光器和不同类型的稀土离子掺杂光纤，能够输出不同波长的双波长飞秒脉冲激光，具有良好的可移植性和可拓展性，更利于实际应用。

2.本发明提供的一种双波长飞秒光纤激光器，在掺铥光纤放大级阶段将钬离子受激吸收所需的1150 nm光源耦合进激光系统中。1150 nm激励光源一部分用于铥离子“³H₆→³H₅”能级跃迁，与单一793 nm光源激励相比，极易激发交叉弛豫过程，显著增加铥离子激光辐射的斜率效率，对提高2 μm到2.1 μm孤子频移的能量转换效率具有促进作用；剩余部分1150 nm激励光源耦合进入掺钬氟化锆玻璃光纤中，用于将钬离子从⁵I₈能级上抽运到⁵I₆能级，实现粒子数反转；进一步地，2.9 μm激光和2.1 μm激光同时耦合进掺钬氟化锆玻璃光纤，2.9 μm激光诱发“⁵I₆→⁵I₇”能级的受激辐射，实现对2.9 μm激光的能量放大。同时，2.1μm激光诱发“⁵I₇→⁵I₈”能级的受激辐射，实现对2.1 μm激光的能量放大，此过程能够减少⁵I₇能级上集居的粒子数，缓解钬离子从“⁵I₆→⁵I₇”能级跃迁中，由于上能级寿命比下能级寿命短而引起激光跃迁自终止现象，显著提高2.9 μm光纤激光放大器的斜率效率和输出功率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的双波长飞秒脉冲光纤激光器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光在放大过程中钬离子发生能级跃迁时的简化能级图；

图3为本申请实施例提供的第一波长飞秒脉冲激光在双包层氟碲酸盐玻璃光纤和掺钬氟化锆玻璃光纤中传输时在频域的演化过程示意图；

图4为本申请实施例提供的双包层氟碲酸盐玻璃光纤尾端输出的光谱图和掺钬氟化锆玻璃光纤尾端输出的光谱图；

图5为本申请实施例提供的图4中A部分的局部放大图；

图6为本申请实施例提供的第一波长飞秒脉冲激光在双包层氟碲酸盐玻璃光纤和掺钬氟化锆玻璃光纤中传输时在时域的演化过程示意图；

图7为本申请实施例提供的双包层氟碲酸盐玻璃光纤尾端输出的时域脉冲曲线图和掺钬氟化锆玻璃光纤尾端输出的时域脉冲曲线图；

图8为本申请实施例提供的掺钬氟化锆玻璃光纤尾端输出的2.9 μm激光的自相关轨迹图；

图9为本申请实施例提供的锁模掺铥光纤振荡器的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的第一放大级的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的泵浦光源10的输出光谱图；

图12为本申请实施例提供的泵浦光源10的自相关曲线图；

图13为本申请实施例提供的掺铥增益光纤中铥离子简化能级图；

图14为本申请实施例提供的掺铥增益光纤中铥离子吸收光谱图；

图15为本申请实施例提供的双波长飞秒脉冲光纤激光器工作流程示意图；

其中，10-泵浦光源；11-锁模掺铥光纤振荡器；111-1570 nm半导体激光器；112-光波分复用器；113-第二掺铥增益光纤；114-光纤输出耦合器；115-第一光纤隔离器；116-可饱和吸收体组件；12-第一放大级；121-793 nm半导体激光器；122-第二光纤耦合器；123-第三掺铥增益光纤；124-第二光纤隔离器；13-光纤展宽器；14-第二放大级；15-第一激光器；16-第二激光器；17-第一光纤耦合器；171-第一泵浦输入端；172-第二泵浦输入端；173-信号输入端；18-第一掺铥增益光纤；20-双包层非线性光纤；30-掺钬增益光纤；40-端帽。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本申请的保护范围。

以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

此外，本申请中，“上”、“下”、“内”、“外”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

首先对本申请实施例所涉及的术语做介绍。

1、近红外波段和中红外波段：近红外波段和中红外波段是指在电磁波谱中的两个不同区域的频率波段。近红外波段波长范围通常为700到1100 nm，它的特点是可以穿透一定厚度的生物组织、玻璃和塑料等材料而不被吸收。因此，它在医疗成像、遥感探测、红外热成像等领域有着广泛的应用。

中红外波段在激光技术领域一般指范围在2到5 μm，它特点是包含了重要的大气传输窗口、分子的特征谱线，该波段光可以被大多数分子吸收，因此在分子光谱、材料加工、生物医疗等领域具有广泛的应用。

2、飞秒脉冲激光：飞秒脉冲激光是一种极短脉冲的激光，其脉冲宽度在飞秒范围内，其中，1飞秒=10^-15秒。飞秒脉冲激光具有许多特殊的物理和化学效应，并且，由于飞秒脉冲激光脉冲时间极短，其能量密度非常高，可以实现在材料表面上进行微加工、微细加工和精细切割，还可以应用于光谱学、光学成像和医学诊断等领域。

3、全光纤化：全光纤化是指在光学系统中将所有元件和部件都采用光纤器件的技术实现方式。它的目标是将光学系统（例如激光器）中的传输、调制、放大等功能都集成在光纤中，实现完全基于光纤的结构。全光纤化技术具有一系列的优点。首先，光纤作为信号传输介质，具有低损耗、高带宽、抗干扰等特性，可以有效地减少信号的衰减和失真。其次，光纤器件小巧轻便，可靠性高，不易受到外界干扰和破坏，提高了系统的稳定性和可靠性。此外，全光纤化还能够简化系统结构，减少体积和重量，方便集成和部署。

4、增益光纤：增益光纤是一种特殊设计的光纤，用于放大光信号。它通常包括掺杂了稀土元素（如铥、铒、钬或镱等）的光纤芯部分，这些稀土元素能够在受到外界激发后发生跃迁，从而向光信号提供放大作用。增益光纤中的放大过程是通过激励光激发掺杂物质跃迁而实现的。当激励光传播到掺杂光纤中时，它会激发掺杂物质跃迁到高能级态。这样的激发作用使得掺杂物质处于激发态，然后当输入光信号通过增益光纤时，掺杂物质就会向低能级跃迁，从而放大通过光纤传输的光信号。

5、非线性光纤：非线性光纤是一种具有非线性光学特性的光纤，其折射率随光强度而变化，导致光在其中传播时发生非线性效应，被广泛用于激光技术、光通信和传感器等领域。一些常见的非线性效应包括：自聚焦效应、自相位调制效应、受激拉曼散射效应、四波混频效应、及孤子自频移效应等。

6、孤子自频移效应：具体是指具有高峰值功率的脉冲激光在非线性光纤中传播时，由于光与光纤中分子或晶格的相互作用，发生了脉冲内受激拉曼散射效应等，导致光频率发生移动，并且这个频率移动是以孤子的形式进行的。孤子是一种特殊的波形结构，其能量和形状在传播过程中保持不变。孤子自频移在光通信和非线性光学研究中具有重要意义，它可以用于产生新的光频率，实现光信号的频率转换和光谱扩展等应用。

7、激励：在激光器中，激励过程是指通过能量输入来提供激发态所需能量的过程。激励光源可以激发离子的基态电子到激发态，从而实现粒子数反转，粒子数反转是指处于激发态的粒子数多于处于基态的粒子数的状态。这个过程被称为激励过程，该过程相当于给激光介质注入能量，使其能够产生受激吸收过程。

8、受激辐射：处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时，辐射光子的现象。此时，外来辐射的能量必须恰好是原子两能级的能量差。受激辐射发出的光子和外来光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态全相同。受激辐射是产生激光的必要条件。

中红外激光在生物医学、环境监测和工业加工等领域具有广泛的应用前景，因为存在强烈的分子基本振动吸收，同时大气传输窗口也与该波段重合。近年来，得益于稀土离子掺杂氟化物光纤制作工艺的成熟，中红外脉冲光纤激光器得到快速发展。能够同时实现2.1 μm和2.9 μm激光输出的双波长脉冲激光器在医学和材料加工等专业应用中具有独特优势。例如在激光手术中，双波长脉冲激光可用于组织消融和切割，如皮肤、皮下组织、肌肉等。2.1 μm和2.9 μm接近羟基的吸收峰并具有不同的吸收系数，可以与不同深度组织相互作用，提高消融效率并减少热扩散区。飞秒红外激光可以选择性地为组织中的水分子提供能量驱动消融或切割过程，其速度快于能量热交换和冲击波传播，且不会形成等离子体或产生电离辐射效应，减少对周围组织的热损伤，具有手术创面小、伤口愈合快、疤痕宽度窄等优点。因此发展双波长飞秒脉冲光纤激光器具有重要的科学意义和应用价值。目前实现2.1 μm和2.9 μm双波长脉冲输出的方法主要有两类：基于增益调制或基于调Q技术的掺钬光纤振荡器，也存在结合两者优点实现双波长输出的技术方案。两者分别是通过对谐振腔内的增益和损耗进行周期性调制实现激光的脉冲输出，脉冲宽度一般在微秒或纳秒量级。中红外飞秒激光有多种产生方式，当前，实现2.9 μm飞秒激光的方式主要包括基于稀土离子受激辐射的直接产生和基于非线性频率变换的间接产生。前者主要基于Ho³⁺的“⁵I₆→⁵I₇”能级跃迁和锁模技术的激光振荡器，后者主要包括基于光参量振荡、差频、受激拉曼散射技术的固体激光器和光纤激光器等。其中，光纤激光器由于光束质量好、结构紧凑、环境适应性好等优点最有希望实现便携、稳定、高效的中红外脉冲激光输出，引起了广泛关注。但是，中红外锁模光纤激光器受到中红外玻璃材料属性的限制，使得中红外光纤激光技术和脉冲调制技术在核心器件上严重滞后，尚未实现系统结构的“全光纤化”，远不及近红外光纤激光稳定性、高效率和高功率。拉曼孤子光纤激光器易于实现全光纤结构，且整个系统的环境适应性较好，通过调节泵浦光源和非线性光纤匹配条件，能够实现2.1 μm和2.9 μm双波长飞秒脉冲输出，然而受限于较小的模场面积，获得的飞秒激光脉冲能量和功率普遍较低。

综上，掺钬光纤振荡器尚无法直接输出2.1 μm和2.9 μm双波长飞秒脉冲激光，同时缺乏中红外光纤器件、无法实现飞秒光纤振荡器的全光纤结构；拉曼孤子光纤激光器能够实现双波长飞秒脉冲的全光纤输出，但目前飞秒脉冲激光的平均功率和脉冲能量普遍较低。

本申请实施例提供一种双波长飞秒脉冲光纤激光器，该激光器可以同时输出2.1μm和2.9 μm双波长飞秒脉冲激光，不仅可以实现激光系统的全光纤化，并输出较高平均功率和脉冲能量，具有实用意义。

图1为本申请实施例提供的双波长飞秒脉冲光纤激光器的结构示意图。

如图1所示，本申请实施例提供的双波长飞秒脉冲光纤激光器包括泵浦光源10、双包层非线性光纤20、掺钬增益光纤30及端帽40，泵浦光源10、双包层非线性光纤20、掺钬增益光纤30及端帽40可以通过熔接的方式按顺序依次连接。

其中，泵浦光源10用于输出第一波长飞秒脉冲激光，以及输出第一激励光源。第一波长飞秒脉冲激光的波长可以为2.1 μm，第一激励光源的波长可以为1150 nm。也就是说，泵浦光源10可以输出2.1 μm飞秒脉冲激光和1150 nm连续激光。

在实际应用中，第一激励光源可以具有一定的波长波动范围，波动范围可以是±10 nm，即第一激励光源的波长范围为1140 nm-1160 nm，本申请实施例对此不做具体限定。

本申请实施例中，第一波长飞秒脉冲激光的波长可以具有第一波动范围，第一波动范围为大于或者等于2.02 μm且小于或者等于2.12 μm。

双包层非线性光纤20具体是与泵浦光源10的输出端连接的，用于接收第一波长飞秒脉冲激光及第一激励光源。并且，利用孤子自频移效应，使部分第一波长飞秒脉冲激光发生频率变换，相应的，波长发生移动，形成第二波长飞秒脉冲激光。第二波长飞秒脉冲激光的波长为2.9 μm。

也就是说，2.1 μm飞秒脉冲激光（第一波长飞秒脉冲激光）可以激发双包层非线性光纤20中色散和非线性效应，产生新成分频率，即2.1 μm飞秒脉冲激光频移至2.9 μm波长处。

本申请实施例中，第二波长飞秒脉冲激光的波长可以具有第二波动范围，第二波动范围为第二波动范围为大于或者等于2.89 μm 且小于或者等于3.01 μm 。

进一步的，双包层非线性光纤20可以输出残余部分第一波长飞秒脉冲激光及新产生的第二波长飞秒脉冲激光。同时，双包层非线性光纤20可以输出第一激励光源，也就是说，双包层非线性光纤20可以起到传输第一激励光源的作用。

进一步的，双包层非线性光纤20具有双包层结构。其中激光在纤芯中传播，而激励光在纤芯周围的内包层中传播。

掺钬增益光纤30具体与双包层非线性光纤20的输出端连接，用于接收第一激励光源、第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光，并在第一激励光源的激励下放大第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的能量。

这样，可以使得最终输出的激光具有较大的能量，具有实用意义。

图2为本申请实施例提供的第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光在放大过程中钬离子发生能级跃迁时的简化能级图。

如图2所示，第一激励光源可以用于激励钬离子发生受激吸收实现粒子数反转。

本申请实施例中，为了与孤子自频移效应产生的需要的“泵浦光源”进行区分，用于粒子数反转的光源定义为“激励光源”，激励光源“抽运”离子从下能级跃迁到上能级，这个过程叫做受激吸收，并实现粒子数反转。

掺钬增益光纤30具体用于对第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光的能量放大；

在掺钬增益光纤30放大第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光的能量过程中，掺钬增益光纤30中发生能级跃迁过程，能级跃迁过程包括：处于基态⁵I₈的钬离子在第一激励光源的光场作用下吸收能量跃迁到高能级⁵I₆，即发生1150 nm激光抽运过程，以使高能级⁵I₆上钬离子的集居的粒子数大于基态⁵I₈上钬离子的集居粒子数，实现粒子数反转；处于高能级⁵I₆的钬离子在第二波长飞秒脉冲激光的激发下向低能级⁵I₇跃迁并释放与第二波长飞秒脉冲激光波长相同的光子；处于低能级⁵I₇的钬离子在第一波长飞秒脉冲激光的激发下向基态⁵I₈跃迁并释放与第一波长飞秒脉冲激光波长相同的光子，实现能量放大。

需要补充说明的是，图2中N₀表示在基态⁵I₈上的相关粒子数，N₁表示在低能级⁵I₇上的相关粒子数，N₂表示在高能级⁵I₆上的相关粒子数。

继续参见图2，⁵I₆能级的能级寿命τ=3.5 ms，⁵I₇能级的能级寿命τ=12.0 ms，即上能级寿命比下能级寿命短，容易引起激光跃迁自终止（laser transition self-quenching），激光跃迁自终止是指在某些情况下，激光介质中激发态粒子的数目增多反而导致激光跃迁的效率降低或停止的现象。具体的，当激光介质中处于激发态的粒子数目增多时，它们之间的相互作用（如碰撞、能量转移等）也会增加。这样，激发态粒子的平均寿命就会缩短，从而减少激发态粒子之间的激光跃迁，因此激光跃迁的效率会降低或停止。

处于⁵I₇能级的钬离子受到第一波长飞秒脉冲激光的激发回落至⁵I₈，这一过程能够减少⁵I₇能级上集居的粒子数，缓解“⁵I₆→⁵I₇”能级跃迁中由于上能级寿命比下能级寿命短而引起激光跃迁自终止，提高2.9 μm光纤放大器的斜率效率，即提升掺钬增益光纤30输出光功率与激励光功率之间的比率。

继续参见图1，端帽40具体与掺钬增益光纤30的输出端连接。也就是说，2.1 μm和2.9 μm飞秒脉冲激光（第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光）耦合进掺钬增益光纤30发生受激辐射放大，产生高能量的2.1 μm和2.9 μm飞秒脉冲激光，经光纤端帽40输出。

端帽40可以用于保护掺钬增益光纤30的输出端端面，有效地保护掺钬增益光纤30的输出端端面免受外界环境（水蒸气等）的侵害，从而确保激光的稳定性和持久性。同时，端帽40能够对第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光进行整形，放大第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的光斑能量密度。由于掺钬增益光纤30直接输出的第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的光斑比较小，密度比较大，因此可以通过对光斑的调整，以使激光适应不同的应用场景。

需要补充说明的是，第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度为飞秒（fs）量级，具体可以是50 fs、200 fs或500 fs，本申请实施例对此不做具体限定。

图3-图5为本申请实施例提供的第二波长飞秒脉冲激光产生过程以及第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光放大过程在频域的仿真实验结果。图6-图8为本申请实施例提供的第二波长飞秒脉冲激光产生过程以及第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光放大过程在时域的仿真实验结果。

为了便于理解激光在双包层氟碲酸盐玻璃光纤和掺钬氟化锆玻璃光纤中沿光纤传输时频域和时域的演化过程进行了仿真实验，其中，双包层氟碲酸盐玻璃光纤为双包层非线性光纤20的一种，掺钬氟化锆玻璃光纤为掺钬增益光纤30的一种。

图3为本申请实施例提供的第一波长飞秒脉冲激光在双包层氟碲酸盐玻璃光纤和掺钬氟化锆玻璃光纤中传输时在频域的演化过程示意图，横坐标为波长（μm），纵坐标为沿光纤长度（m）。其中，双包层氟碲酸盐玻璃光纤对应于纵坐标0-0.61米光纤长度，掺钬氟化锆玻璃光纤对应于纵坐标0.61-3.11米光纤长度。

图4为本申请实施例提供的双包层氟碲酸盐玻璃光纤尾端输出的光谱图和掺钬氟化锆玻璃光纤尾端输出的光谱图。

图5为本申请实施例提供的图4中A部分的局部放大图。

具体而言，双包层氟碲酸盐玻璃光纤尾端输出的光谱图为图4中A部分示出的实线部分，具体请参见图4中A部分的局部放大图，即图5。掺钬氟化锆玻璃光纤尾端输出的光谱图为图4中虚线部分。图4及图5的横坐标为波长（μm），纵坐标为强度（a.u.）。

图6为本申请实施例提供的第一波长飞秒脉冲激光在双包层氟碲酸盐玻璃光纤和掺钬氟化锆玻璃光纤中传输时在时域的演化过程示意图，横坐标为时间（ps），纵坐标为沿光纤长度（m）。其中，双包层氟碲酸盐玻璃光纤对应于纵坐标0-0.61米光纤长度，掺钬氟化锆玻璃光纤对应于纵坐标0.61-3.11米光纤长度。

如图3及图6所示，2.1 μm和2.9 μm激光（即第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光）在双包层氟碲酸盐玻璃光纤中产生，在掺钬氟化锆玻璃光纤中的得到能量放大。

如图4及图5所示，第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光的中心波长分别在2.07 μm和2.94 μm，由于放大后激光能量提升，在光谱中具有较明显的强度对比，输出总平均功率为5.62 W，其中，2.9 μm激光平均功率是3.73 W。

如图6所示，在第一波长飞秒脉冲激光发生孤子劈裂产生第二波长飞秒脉冲激光过程后，产生的最短的孤子（即第二波长飞秒脉冲激光，其脉冲宽度小于第一波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度）与脉冲的主要部分分离，由于孤子沿光纤传输时速度越来越慢，其轨迹连续向右侧弯曲。

图7为本申请实施例提供的双包层氟碲酸盐玻璃光纤尾端输出的时域脉冲曲线图和掺钬氟化锆玻璃光纤尾端输出的时域脉冲曲线图。其中，横坐标为时间（ps），纵坐标为强度（a.u.）。双包层氟碲酸盐玻璃光纤尾端输出的时域脉冲曲线图为图7中的实线，掺钬氟化锆玻璃光纤尾端输出的时域脉冲曲线图为图7中的虚线。

图8为本申请实施例提供的掺钬氟化锆玻璃光纤尾端输出的2.9 μm激光的自相关轨迹图，横坐标为时间（ps），纵坐标为强度（a.u.）。其中，2.9μm激光即第二波长飞秒脉冲激光。

孤子脉冲在掺钬氟化锆玻璃光纤中传输时，在激励光源的作用下得到放大，并在时域中进一步发生走离现象，在双包层氟碲酸盐玻璃光纤尾端（实线）和掺钬氟化锆玻璃光纤尾端（虚线）输出的时域脉冲曲线如图7所示，在2.9 μm波长处的脉冲宽度是987 fs，自相关曲线如图8所示。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供一种双波长飞秒光纤激光器，该激光器包括泵浦光源10，用于输出第一波长飞秒脉冲激光，以及输出第一激励光源；第一波长飞秒脉冲激光的波长为2.1 μm；双包层非线性光纤20，与泵浦光源10的输出端连接，用于接收第一波长飞秒脉冲激光及第一激励光源，利用孤子自频移效应将部分第一波长飞秒脉冲激光转换为第二波长飞秒脉冲激光，第二波长飞秒脉冲激光的波长为2.9 μm，输出剩余的部分第一波长飞秒脉冲激光、第二波长飞秒脉冲激光及第一激励光源；掺钬增益光纤30，与双包层非线性光纤20的输出端连接，用于接收第一激励光源、第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光，并在第一激励光源的激励下放大第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的能量。这样，在具有全光纤结构的中红外激光器中实现双波长高能飞秒脉冲激光的全光纤输出，并且成本低、结构紧凑、便携、环境适应性好，在医学和材料加工等实际应用中具有波长优势及能量优势，适合车载、机载等场景。

进一步的，掺钬增益光纤30放大第一波长飞秒脉冲激光时的增益系数是基于以下公式一确定的，放大第二波长飞秒脉冲激光时的增益系数是基于以下公式二确定的；

公式一：

；

公式二：

；

其中，∫为积分符号，为第一波长飞秒脉冲激光在掺钬增益光纤30的z位置处的增益系数，/>为第二波长飞秒脉冲激光在掺钬增益光纤30的z位置处的增益系数；/>为第一波长飞秒脉冲激光的上能级寿命，/>为第二波长飞秒脉冲激光的上能级寿命；β为高能级⁵I₆与低能级⁵I₇之间的辐射衰减分支比；/>为第一波长飞秒脉冲激光对应的受激发射截面，/>为第一波长飞秒脉冲激光对应的吸收截面；/>为第二波长飞秒脉冲激光对应的受激发射截面，/>为第二波长飞秒脉冲激光对应的吸收截面；/>为掺钬增益光纤30的模场面积，h为普朗克常数，/>为第一激励光源的频率，/>为掺钬增益光纤30吸收第一激励光源的功率，n为钬离子的掺杂浓度，L为掺钬增益光纤30的光纤长度。

在实际应用中，可以通过调节钬离子掺杂浓度、掺钬增益光纤的光纤长度、第一激励光源的功率、第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光的能量占比等参量中其中一项或多项来调控掺钬增益光纤30的效率和输出参数。

在一些实现方式中，掺钬增益光纤30中钬离子的掺杂浓度大于2.5 mol.%，本申请实施例对此不做具体限定。

在实际应用中，掺钬增益光纤30在0.8 μm至3.5 μm波段的传输损耗均小于1 dB/m。

进一步的，双包层非线性光纤20输出的第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光的峰值功率是基于以下公式三确定的，脉冲宽度是基于以下公式四确定的：

公式三：

；

公式四：

；

其中，P_2.1为第一波长飞秒脉冲激光的峰值功率，P_{2.9 μm}为第二波长飞秒脉冲激光的峰值功率；T_2.1表示第一波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度，T_{2.9 μm}为第二波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度；N为孤子阶数，β₂为双包层非线性光纤20的二阶色散参量，为双包层非线性光纤20的非线性系数。

本申请实施例中，通过调节第一波长飞秒脉冲激光的峰值功率或脉冲宽度、双包层非线性光纤20的色散参量或非线性系数等参量的其中一项或多项，可以调控第二波长飞秒脉冲激光的峰值功率和脉冲宽度。

本申请实施例中，双包层非线性光纤20的基质材料可以为氟碲酸盐玻璃。进一步的，双包层非线性光纤20的模场面积小于掺钬增益光纤30的模场面积；双包层非线性光纤20的零色散波长小于2 μm。进一步的，双包层非线性光纤20在0.8 μm至3.5 μm波段的传输损耗均小于2 dB/m，光纤长度小于1米。

继续参见图1，泵浦光源10可以包括锁模掺铥光纤振荡器11、第一放大级12、光纤展宽器13及第二放大级14，锁模掺铥光纤振荡器11、第一放大级12、光纤展宽器13及第二放大级14，按照顺序熔接在一起。

其中，锁模掺铥光纤振荡器11用于产生第一飞秒脉冲激光，第一飞秒脉冲激光的波长可以为1.95 μm。

图9为本申请实施例提供的锁模掺铥光纤振荡器的结构示意图。

如图9所示，本申请实施例中，锁模掺铥光纤振荡器11可以为环形激光振荡器，由1570 nm半导体激光器111、光波分复用器112、第二掺铥增益光纤113、光纤输出耦合器114、第一光纤隔离器115、可饱和吸收体组件116组成。光波分复用器112、第二掺铥增益光纤113、光纤输出耦合器114、第一光纤隔离器115和可饱和吸收体组件116可以通过熔接的方式按上述顺序依次连接，可饱和吸收体组件116输出端与光波分复用器112输入端熔接在一起，1570 nm半导体激光器111输出端与光波分复用器112泵浦输入端熔接。

进一步的，第一放大级12具体可以与锁模掺铥光纤振荡器11的输出端连接，用于接收第一飞秒脉冲激光，对第一飞秒脉冲激光进行功率放大，以及输出放大后的第一飞秒脉冲激光。在实际应用中，第一放大级12可以在保持光谱形貌的状态下将第一飞秒脉冲激光的平均功率放大至20 mW。

图10为本申请实施例提供的第一放大级的结构示意图。

如图10所示，第一放大级12可以包括793 nm半导体激光器121、第二光纤耦合器122、第三掺铥增益光纤123、第二光纤隔离器124。第二光纤耦合器122、第三掺铥增益光纤123和第二光纤隔离器124通过熔接的方式按上述顺序依次连接，793 nm半导体激光器121与第二光纤耦合器122泵浦输出端熔接。

光纤展宽器13具体与第一放大级12的输出端连接，用于接收第一飞秒脉冲激光，对第一飞秒脉冲激光的时域进行展宽，以及输出展宽后的第一飞秒脉冲激光。在实际应用中，可以采用超高数值孔径单模光纤作为光纤展宽器13。

第二放大级14具体与光纤展宽器13的输出端连接，用于接收第一飞秒脉冲激光，对第一飞秒脉冲激光再次进行功率放大，以及输出放大后的第一飞秒脉冲激光。

本申请实施例中，第二放大级14与第一放大级12结构相同，具体可以参见图10，此处不做赘述。

进一步的，泵浦光源10还包括第一激光器15、第二激光器16、第一光纤耦合器17及第一掺铥增益光纤18。

值得说明的是，第一光纤耦合器17为石英基光纤合束器，采用石英光纤制备，为中红外光纤放大器（即掺铥光纤放大器和掺钬光纤放大器）提供了耦合激励光源的作用。

第一激光器15用于输出第一激励光源，第一激励光源的波长为1150 nm。也就是说，本申请实施例中，第一激光器15为1150 nm光纤激光器。

第二激光器16用于输出第二激励光源，第二激励光源的波长为793 nm，也就是说，本申请实施例中，第二激光器16为793 nm半导体激光器。

第一光纤耦合器17的第一泵浦输入端171与第一激光器15的输出端连接，第一光纤耦合器17的第二泵浦输入端172与第二激光器16的输出端连接，第一光纤耦合器17的信号输入端173与第二放大级14的输出端连接；第一光纤耦合器17用于将第一飞秒脉冲激光、第一激励光源及第二激励光源耦合进第一掺铥增益光纤18。

值得说明的是，本申请实施例中并不涉及非石英基中红外光纤耦合器，目前非石英基光纤耦合器制作工艺仍处于研发阶段，合束器的耦合效率尚不稳定，仍存在高功率下的散热问题需要解决，造价昂贵，人工成本较高。本申请实施例提供的方案与使用中红外光纤耦合器的方案相比，系统更加稳定、紧凑和经济。

第一掺铥增益光纤18与第一光纤耦合器17的输出端连接。可以理解的是，锁模掺铥光纤振荡器11、第一放大级12、光纤展宽器13、第二放大级14、第一光纤耦合器17、第一掺铥增益光纤18通过熔接的方式按上述顺序依次连接。第一掺铥增益光纤18用于接收第一飞秒脉冲激光、第一激励光源及第二激励光源，在第二激励光源和部分第一激励光源的激励下对第一飞秒脉冲激光再次进行功率放大和脉宽压缩，此外，具有高峰值功率的第一飞秒脉冲激光在第一掺铥增益光纤中传输时产生孤子自频移效应，将放大后的第一飞秒脉冲激光转换为第一波长飞秒脉冲激光，以及，输出第一波长飞秒脉冲激光及剩余部分的第一激励光源。

可以理解的是，双包层非线性光纤20是与第一掺铥增益光纤18的输出端连接的，以接收第一波长飞秒脉冲激光及第一激励光源。

图11为本申请实施例提供的泵浦光源10的输出光谱图；

图11横坐标为波长（μm），纵坐标为归一化强度（a.u.），如图11所示，其中曲线包括两个波峰，泵浦光源10的输出包括1.96 μm和2.1 μm双波长激光，其中2.1 μm激光（第一波长飞秒脉冲激光）的功率占比约为93.1%，也就是说，第一飞秒脉冲激光转换成第一波长飞秒脉冲激光的效率超过93%。

图12为本申请实施例提供的泵浦光源10的自相关曲线图。

图12横坐标为自相关测量延时（ps），纵坐标为归一化强度（a.u.），如图12所示，泵浦光源10输出的第一波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度为132 fs。

在一些实现方式中，第一掺铥增益光纤18的纤芯和包层尺寸为10 μm和130 μm，对激励波长的吸收大于5 dB/m，光纤长度小于5 m。

在一些实现方式中，泵浦光源10中2 μm飞秒激光（第一飞秒脉冲激光）向2.1 μm波长（第一波长飞秒脉冲激光）频移的能量转换效率可以大于70%，可以通过调节系统中各类光纤长度、泵浦功率、非线性系数和色散量等参量的其中一项或多项来实现。

图13为本申请实施例提供的掺铥增益光纤中铥离子简化能级图；

图14为本申请实施例提供的掺铥增益光纤中铥离子吸收光谱图。

具体而言，图14为第一掺铥增益光纤18的基态吸收光谱图，图14的横坐标为波长（nm），纵坐标为吸收截面（10^-25m²）。如图13及图14所示，第一激励光源耦合进第一掺铥增益光纤18后，一部分能量可以用于使铥离子发生“³H₆→³H₅”能级跃迁，相应的，第二激励光源耦合进第一掺铥增益光纤18后，也可以用于使铥离子发生“³H₆→³F₄”能级跃迁，与单793nm激光（第二激励光源）激励第一掺铥增益光纤18放大级相比，极易激发交叉弛豫（Cross-relaxation，CR）过程，提高第一掺铥增益光纤18的量子效率，对提高从2 μm到2.1 μm孤子频移的能量转换效率具有促进作用。

可以理解的是，第一激光器15输出的1150 nm连续激光（第一激励光源）作为激励光源，由第一光纤耦合器17耦合进激光器，经第一掺铥增益光纤18和双包层非线性光纤20传输后，耦合进掺钬增益光纤30中，并且第一掺铥增益光纤18和掺钬增益光纤30对1150 nm激励光源均有吸收。

需要补充说明的是，第一飞秒脉冲激光的波长可以具有第三波动范围，第三波动范围为大于或者等于1.90 μm且小于或者等于2.05 μm，也就是说，第一飞秒脉冲激光的波长存在±0.5 μm波动。例如，第一飞秒脉冲激光的波长可以为1.964 μm。

值得说明的是，本申请实施例可以同时实现2.1 μm飞秒脉冲激光和2.9 μm飞秒脉冲激光的光纤输出，实现全光纤化激光系统结构，不涉及透镜等器件。

图15为本申请实施例提供的双波长飞秒脉冲光纤激光器工作流程示意图。

如图15所示，2 μm锁模脉冲激光（第一飞秒脉冲激光）输入至掺铥光纤放大级（第一放大级12至第一掺铥增益光纤18），经过阶段1：2 μm激光能量放大和脉冲压缩，和阶段2：2 μm→2.1 μm飞秒激光波长移动，产生高功率2.1 μm飞秒脉冲激光（第一波长飞秒脉冲激光），之后将第一波长飞秒脉冲激光输入至拉曼孤子频移光纤激光器（双包层非线性光纤20）中，基于中红外非线性光纤中的孤子自频移效应实现飞秒脉冲激光的频率变换，得到2.9 μm的第二波长飞秒脉冲激光，之后将第一波长飞秒脉冲激光及第二波长飞秒脉冲激光输入至掺钬氟化锆光纤放大器（掺钬增益光纤30）中，基于钬离子在掺钬增益光纤30中“⁵I₆→⁵I₇”和“⁵I₇→⁵I₈”能级跃迁实现对2.1 μm飞秒脉冲激光（第一波长飞秒脉冲激光）和2.9 μm飞秒脉冲激光（第二波长飞秒脉冲激光）的能量放大，得到高能量2.1 μm和2.9 μm双波长飞秒脉冲激光（第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光）。

由以上内容可知，本申请实施例提供一种可以输出2.1 μm和2.9 μm双波长飞秒光纤激光器，在紧凑型、全光纤化中红外激光放大系统中实现高能量2.1 μm和2.9 μm飞秒激光同时输出。其中，锁模掺铥光纤振荡器11输出2 μm波段超短脉冲激光（第一飞秒脉冲激光），经第一放大级12进行放大，经过放大的激光通过光纤展宽器13将激光脉冲进行展宽，展宽后的激光通过第二放大级14进行二次放大，二次放大后的激光经第一光纤耦合器17耦合进第一掺铥增益光纤18进行三次放大，同时实现脉冲时域压缩和孤子自频移过程，产生2.1 μm波长的飞秒脉冲激光（第一波长飞秒脉冲激光）。进一步的，第一光纤耦合器17将793nm半导体激光器（第二激光器16）输出793 nm激励光源（第二激励光源）和1150 nm激光器（第一激光器15）输出1150 nm激励光源（第一激励光源）同时耦合进第一掺铥增益光纤18。第一掺铥增益光纤18输出2.1 μm飞秒脉冲激光（第一波长飞秒脉冲激光）和1150 nm激励光源（第一激励光源）耦合进双包层非线性光纤20中，2.1 μm飞秒脉冲激光将激发双包层非线性光纤20中色散和非线性效应，产生新成分频率，并在2.1 μm飞秒脉冲激光的泵浦下频移至2.9 μm波长处，在双包层非线性光纤20输出端输出2.1 μm和2.9 μm飞秒脉冲激光，即输出第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光。1150 nm激励光源经双包层非线性光纤20传输后耦合进掺钬增益光纤30中，1150 nm激励光源（第一激励光源）耦合进掺钬增益光纤30后被吸收将⁵I₈能级上的钬离子抽运到⁵I₆能级，第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光耦合进掺钬增益光纤30发生受激辐射放大，产生高能量的2.1 μm飞秒脉冲激光（第一波长飞秒脉冲激光）和2.9 μm飞秒脉冲激光（第二波长飞秒脉冲激光），经光纤端帽40输出。本申请实施例提供的技术方案可以在实现2.1 μm和2.9 μm双波长飞秒脉冲激光器的全光纤结构，并实现功率和能量的提升，能够提高在激光医疗和材料加工领域的实际应用效果。

需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，包括：

泵浦光源（10），用于输出第一波长飞秒脉冲激光，以及输出第一激励光源；所述第一波长飞秒脉冲激光的波长为2.1 μm；

双包层非线性光纤（20），与所述泵浦光源（10）的输出端连接，用于接收所述第一波长飞秒脉冲激光及所述第一激励光源，利用孤子自频移效应将部分所述第一波长飞秒脉冲激光转换为第二波长飞秒脉冲激光，所述第二波长飞秒脉冲激光的波长为2.9 μm；以及，输出剩余的部分所述第一波长飞秒脉冲激光、所述第二波长飞秒脉冲激光及所述第一激励光源；

掺钬增益光纤（30），与所述双包层非线性光纤（20）的输出端连接，用于接收所述第一激励光源、所述第一波长飞秒脉冲激光及所述第二波长飞秒脉冲激光，并在所述第一激励光源的激励下放大所述第一波长飞秒脉冲激光及所述第二波长飞秒脉冲激光的能量；

端帽（40），与所述掺钬增益光纤（30）的输出端连接，用于保护所述掺钬增益光纤（30）的输出端端面，以及放大所述第一波长飞秒脉冲激光及所述第二波长飞秒脉冲激光的光斑能量密度。

2.根据权利要求1所述的双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光源（10）包括：锁模掺铥光纤振荡器（11）、第一放大级（12）、光纤展宽器（13）及第二放大级（14）；

所述锁模掺铥光纤振荡器（11）用于产生第一飞秒脉冲激光，所述第一飞秒脉冲激光的波长为2 μm；

所述第一放大级（12）与所述锁模掺铥光纤振荡器（11）的输出端连接，用于接收所述第一飞秒脉冲激光，对所述第一飞秒脉冲激光进行功率放大，进而输出所述第一飞秒脉冲激光；

所述光纤展宽器（13）与所述第一放大级（12）的输出端连接，用于接收所述第一飞秒脉冲激光，对所述第一飞秒脉冲激光的时域进行展宽，进而输出所述第一飞秒脉冲激光；

所述第二放大级（14）与所述光纤展宽器（13）的输出端连接，用于接收所述第一飞秒脉冲激光，对所述第一飞秒脉冲激光再次进行功率放大，进而输出所述第一飞秒脉冲激光。

3. 根据权利要求2所述的双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，所述第一波长飞秒脉冲激光的波长具有第一波动范围，所述第一波动范围为大于或者等于2.02 μm且小于或者等于2.12 μm；

所述第二波长飞秒脉冲激光具有第二波动范围，所述第二波动范围为大于或者等于2.89 μm且小于或者等于3.01 μm；

所述第一飞秒脉冲激光具有第三波动范围，所述第三波动范围为大于或者等于1.90 μm且小于或者等于2.05 μm。

4.根据权利要求2所述的双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光源（10）还包括第一激光器（15）、第二激光器（16）、第一光纤耦合器（17）及第一掺铥增益光纤（18）；

所述第一激光器（15）用于输出所述第一激励光源，所述第一激励光源的波长为1150nm；

所述第二激光器（16）用于输出第二激励光源，所述第二激励光源的波长为793 nm；

所述第一光纤耦合器（17）的第一泵浦输入端（171）与所述第一激光器（15）的输出端连接，所述第一光纤耦合器（17）的第二泵浦输入端（172）与所述第二激光器（16）的输出端连接，所述第一光纤耦合器（17）的信号输入端（173）与所述第二放大级（14）的输出端连接；所述第一光纤耦合器（17）用于将所述第一飞秒脉冲激光、所述第一激励光源及所述第二激励光源耦合进所述第一掺铥增益光纤（18）；

所述第一掺铥增益光纤（18）与所述第一光纤耦合器（17）的输出端连接，用于接收所述第一飞秒脉冲激光、所述第一激励光源及所述第二激励光源，以及，在第二激励光源和部分第一激励光源的激励下对第一飞秒脉冲激光再次进行功率放大和脉宽压缩；

具有高峰值功率的所述第一飞秒脉冲激光在所述第一掺铥增益光纤（18）中传输时产生孤子自频移效应，将放大后的所述第一飞秒脉冲激光转换为所述第一波长飞秒脉冲激光；

所述第一掺铥增益光纤（18）还用于输出所述第一波长飞秒脉冲激光及剩余部分的所述第一激励光源。

5.根据权利要求4所述的双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，所述双包层非线性光纤（20）与所述第一掺铥增益光纤（18）的输出端连接，以接收所述第一波长飞秒脉冲激光及所述第一激励光源。

6.根据权利要求1所述的双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，所述双包层非线性光纤（20）的基质材料为氟碲酸盐玻璃；

所述双包层非线性光纤（20）的模场面积小于所述掺钬增益光纤（30）的模场面积；

所述双包层非线性光纤（20）的零色散波长小于2 μm。

7.根据权利要求1所述的双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，所述掺钬增益光纤（30）的基质材料为氟化锆玻璃；

所述掺钬增益光纤（30）中钬离子的掺杂浓度大于2.5 mol.%。

8.根据权利要求1所述的双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，所述掺钬增益光纤（30）具体用于对所述第一波长飞秒脉冲激光和第二波长飞秒脉冲激光的能量放大；

在所述掺钬增益光纤（30）放大所述第一波长飞秒脉冲激光和所述第二波长飞秒脉冲激光的能量过程中，所述掺钬增益光纤（30）中发生能级跃迁过程，所述能级跃迁过程包括：处于基态⁵I₈的钬离子在所述第一激励光源的光场作用下吸收能量跃迁到高能级⁵I₆，以使所述高能级⁵I₆上钬离子的集居的粒子数大于所述基态⁵I₈上钬离子的集居粒子数；处于所述高能级⁵I₆的钬离子在所述第二波长飞秒脉冲激光的激发下向低能级⁵I₇跃迁并释放与所述第二波长飞秒脉冲激光波长相同的光子；处于所述低能级⁵I₇的钬离子在所述第一波长飞秒脉冲激光的激发下向所述基态⁵I₈跃迁并释放与所述第一波长飞秒脉冲激光波长相同的光子。

9.根据权利要求8所述的双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，所述掺钬增益光纤（30）放大所述第一波长飞秒脉冲激光能量时的增益系数是基于以下公式一确定的，放大所述第二波长飞秒脉冲激光能量时的增益系数是基于以下公式二确定的；

公式一：

；

其中，∫为积分符号，为所述第一波长飞秒脉冲激光在所述掺钬增益光纤（30）的z位置处的增益系数；/>为所述第一波长飞秒脉冲激光的上能级寿命；/>为所述第二波长飞秒脉冲激光的上能级寿命；β为所述高能级⁵I₆与所述低能级⁵I₇之间的辐射衰减分支比；/>为所述第一波长飞秒脉冲激光对应的受激发射截面，/>为所述第一波长飞秒脉冲激光对应的吸收截面，/>为所述掺钬增益光纤（30）的模场面积，h为普朗克常数，/>为所述第一激励光源的频率，/>为所述掺钬增益光纤（30）吸收所述第一激励光源的功率，n为钬离子的掺杂浓度，L为所述掺钬增益光纤（30）的光纤长度；

公式二：

；

其中，∫为积分符号，为所述第二波长飞秒脉冲激光在所述掺钬增益光纤（30）的z位置处的增益系数；/>为所述第一波长飞秒脉冲激光的上能级寿命；/>为所述第二波长飞秒脉冲激光的上能级寿命；β为所述高能级⁵I₆与所述低能级⁵I₇之间的辐射衰减分支比；/>为所述第二波长飞秒脉冲激光对应的受激发射截面，/>为所述第二波长飞秒脉冲激光对应的吸收截面，/>为所述掺钬增益光纤（30）的模场面积，h为普朗克常数，/>为所述第一激励光源的频率，/>为所述掺钬增益光纤（30）吸收所述第一激励光源的功率。

10.根据权利要求1所述的双波长飞秒光纤激光器，其特征在于，所述双包层非线性光纤（20）输出的所述第一波长飞秒脉冲激光及所述第二波长飞秒脉冲激光的峰值功率是基于以下公式三确定的，脉冲宽度是基于以下公式四确定的：

公式三：

；

其中，P_2.1为所述第一波长飞秒脉冲激光的峰值功率，P_{2.9 μm}为所述第二波长飞秒脉冲激光的峰值功率，N为孤子阶数，β₂为所述双包层非线性光纤（20）的二阶色散参量，为所述双包层非线性光纤（20）的非线性系数，T_2.1表示所述第一波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度；

公式四：

；

其中，T_2.1表示所述第一波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度，T_{2.9 μm}为所述第二波长飞秒脉冲激光的脉冲宽度，N为孤子阶数，β₂为所述双包层非线性光纤（20）的二阶色散参量，为所述双包层非线性光纤（20）的非线性系数；P_2.1为所述第一波长飞秒脉冲激光的峰值功率。