CN209104565U - 一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器，包括可调谐光纤激光器单元、光纤放大器单元、准直耦合单元和拉曼激光谐振腔单元，拉曼激光谐振腔单元包括光栅，可调谐光纤激光器单元输出预设第一波段的激光至光纤放大器单元，第一波段的激光经过光纤放大器单元放大光功率之后，输入准直耦合单元，准直耦合单元将光功率放大后的激光耦合输入拉曼激光谐振腔单元，拉曼激光谐振腔单元基于光功率放大后的激光，通过调节光栅的倾斜角度，输出中心波长为预设第二波段的拉曼激光。由于该激光器中的拉曼激光谐振腔单元中存在光栅，通过调节光栅的倾斜角度，从而调节该拉曼激光器输出的波长，能大大扩展该激光器的应用领域。

Description

一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及拉曼光纤激光器领域，尤其涉及一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器。

背景技术

光纤激光器因体积小、效率高、结构简单、便于维护等优势，已广泛应用于军事、民用等领域。光纤激光按其工作介质一般可分为两类：一类是将稀土掺杂光纤(如掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤、掺钬光纤中的一种或几种)作为其增益介质，产生激光振荡，另一类利用光纤中的非线性效应(如受激拉曼散射、受激布里渊散射)产生激光输出。

基于稀土掺杂的光纤，由于稀土离子发射截面固定，无法实现1.1-1.25微米、1.6-1.75微米和2.1-2.3微米等波段的激光。而光纤拉曼激光器基于光纤中激光产生的受激拉曼散射效应，将抽运光的能量转移到斯托克斯光上，光纤中的拉曼增益谱往往较宽，工作波长极为灵活，且容易实现高功率输出。其最大的优势是输出激光波长的易变性，可获得稀土离子掺杂光纤难以获得的波长。由于波长的灵活性，光纤拉曼激光器也越来越广泛地应用于激光技术的各个领域，譬如激光雷达、气体光谱学、医疗、传感等。目前成熟的拉曼光纤激光器集中于近红外波段，但波长大于2.0微米的中红外光纤激光在国防、医疗、传感及激光通信等领域有着重要的应用前景，使得中红外拉曼光纤激光器成为当前研究的热点问题。目前实验室中已经实现固定波长的中红外拉曼光纤激光器，比如2.185微米、2.231微米，但由于波长单一，在一定程度上限制了应用。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器，可以解决中红外拉曼光纤激光器的波长单一的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括可调谐光纤激光器单元、光纤放大器单元、准直耦合单元和拉曼激光谐振腔单元，所述拉曼激光谐振腔单元包括光栅；

所述可调谐光纤激光器单元输出预设第一波段的激光至所述光纤放大器单元，所述第一波段的激光经过所述光纤放大器单元放大光功率之后，输入所述准直耦合单元，所述准直耦合单元将光功率放大后的激光耦合输入所述拉曼激光谐振腔单元，所述拉曼激光谐振腔单元基于所述光功率放大后的激光，通过调节所述光栅的倾斜角度，输出中心波长为预设第二波段的拉曼激光。

进一步的，所述可调谐光纤激光器单元包括第一泵浦源、第一合束器、第一掺杂光纤、第一隔离器、光纤耦合器和可调谐滤波器；

所述第一泵浦源输出的光和所述可调谐滤波器输出的光经过所述第一合束器后汇聚成一路，在依次经过所述第一掺杂光纤、所述第一隔离器和所述光纤耦合器后分成两路，一路输入所述可调谐滤波器，经所述可调谐滤波器调节光的波长，并在腔内循环，另一路作为输出端输出所述第一波段的激光。

进一步的，所述可调谐光纤激光器内置锁模器件或者调Q器件，实现激光以脉冲形式输出。

进一步的，所述光纤放大器单元包括第二泵浦源、第二合束器、第二掺杂光纤、泵浦功率剥离器、第二隔离器和输出端口；

所述第二泵浦源输出的光和所述可调谐光纤激光器单元输出的所述第一波段的激光，经过所述第二合束器后汇聚成一路，依次经过所述第二掺杂光纤、所述泵浦功率剥离器和所述第二隔离器，由所述输出端口输出光功率放大后的激光。

进一步的，所述准直耦合单元包括第一准直光学器件、空间光隔离器和聚焦光学器件；

所述光纤放大器单元输出的所述光功率放大后的激光经过所述第一准直光学器件进行准直输出，准直输出后的激光经过所述空间光隔离器隔离反向光，经过所述聚焦光学器件聚焦输入到所述拉曼激光谐振腔单元。

进一步的，所述拉曼激光谐振腔单元包括第一双色镜、光栅、第二准直光学器件、拉曼光纤、第二双色镜和第三准直光学器件，所述拉曼光纤的一端为斜角切割端面，所述拉曼光纤的另一端为直角切割端面；

所述光栅通过调节倾斜角度选择反馈所述第二波段的一级衍射光，实现波长可调谐，反馈的一级衍射光经过所述第二准直光学器件进行准直聚焦，经过所述第一双色镜反射后，经所述拉曼光纤的斜角切割端面输入所述拉曼光纤，经所述拉曼光纤传输到所述拉曼光纤的直角切割端面，经所述拉曼光纤的直角切割端面再反射入所述拉曼光纤，使所述光栅与所述拉曼光纤的直角切割端面之间形成拉曼激光谐振腔，在所述拉曼光纤的直角切割端面输出第二波段的拉曼激光；

所述准直耦合单元输出的第一波段的激光经过所述第一双色镜透射后，输入所述拉曼激光谐振腔，所述拉曼激光谐振腔输出所述第二波段的拉曼激光并输入所述第二双色镜，由所述第二双色镜反射后，经过所述第三准直光学器件准直后输出。

进一步的，所述拉曼激光谐振腔单元还包括第一光纤夹具和第二光纤夹具；

所述第一光纤夹具用于夹紧所述拉曼光纤的一端，所述第二光纤夹具用于夹紧所述拉曼光纤的另一端。

进一步的，所述第一双色镜和所述第二双色镜均蒸镀有所述第一波段的高透膜和所述第二波段的高反膜。

进一步的，所述拉曼光纤为石英玻璃光纤，或者氟化物玻璃光纤，或者硫化物玻璃光纤。

本实用新型提供一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器。由于该激光器中的可调谐光纤激光器单元输出第一波段的激光，该第一波段的激光依次经过光纤放大器单元、准直耦合单元后输入拉曼激光谐振腔单元，通过调节该拉曼激光谐振腔单元中的光栅的倾斜角度，输出中心波长为第二波段的拉曼激光。拉曼激光的中心波长会随着光栅的倾斜角度而变化，结合可调谐光纤激光器，使得该拉曼激光器输出的波长大范围可调谐，能大大扩展该激光器的应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中可调谐光纤激光器单元1的细化结构示意图；

图3为本实用新型实施例中光纤放大器单元2的细化结构示意图；

图4为本实用新型实施例中准直耦合单元3的细化结构示意图；

图5为本实用新型实施例中拉曼激光谐振腔单元4的细化结构示意图。

具体实施方式

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域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，都属于本实用新型保护的范围。

由于现有技术中存在中红外拉曼光纤激光器的波长单一的技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器。由于该激光器中的可调谐光纤激光器单元输出第一波段的激光，该第一波段的激光依次经过光纤放大器单元、准直耦合单元后输入拉曼激光谐振腔单元，通过调节该拉曼激光谐振腔单元中的光栅的倾斜角度，输出中心波长为第二波段的拉曼激光。拉曼激光的中心波长会随着光栅的倾斜角度而变化，结合可调谐光纤激光器，使得该激光器输出的波长可变，能大大扩展该激光器的应用领域。

请参阅图1，为本实用新型实施例中一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器的结构示意图。该激光器包括可调谐光纤激光器单元1、光纤放大器单元2、准直耦合单元3和拉曼激光谐振腔单元4，拉曼激光谐振腔单元4包括光栅；

可调谐光纤激光器单元1输出预设第一波段的激光至光纤放大器单元2，第一波段的激光经过光纤放大器单元2放大光功率之后，输入准直耦合单元3，准直耦合单元3将光功率放大后的激光耦合输入拉曼激光谐振腔单元4，拉曼激光谐振腔单元4基于光功率放大后的激光，通过调节光栅的倾斜角度，输出中心波长为预设第二波段的拉曼激光。

优选的，本实用新型激光器的工作原理和过程为：首先由可调谐光纤激光器单元1输出稳定的第一波段的激光，该可调谐光纤激光器单元1可以为脉冲或者连续运转形式，增益介质可以为掺铥光纤、掺钬光纤或者铥钬共掺光纤，第一波段可为可调谐的2微米波段，波长可调谐范围位于1.85-2.1微米内；之后将第一波段的激光注入光纤放大器单元2，不局限于一级放大，视功率需求，可以级联多级放大，以为拉曼激光谐振腔单元4提供足够大的泵浦，该光纤放大器单元2可以为2微米波段光纤放大器；之后将功率放大后的第一波段的激光通过准直耦合单元3耦合进拉曼激光谐振腔单元4，拉曼激光谐振腔单元4包括光栅，该光栅为闪耀光栅或体布拉格光栅，该光栅与垂直切割的拉曼光纤端面构成拉曼激光谐振腔单元4，其中，垂直切割的拉曼光纤端面能提供4％菲涅尔反射，通过转动光栅来改变入射角，选择将第二波段的1级衍射光进行反馈，其中，第二波段的波长随着光栅的倾斜角度而变化，由于第一波段的激光本身是可调谐的，由该第一波段的激光所提供的泵浦也是可调谐的，能实现对拉曼斯托克斯激光的波长大范围可调谐。

进一步的，请参阅图2，为本实用新型实施例中可调谐光纤激光器单元1的细化结构示意图。具体的：

可调谐光纤激光器单元1包括第一泵浦源101、第一合束器102、第一掺杂光纤103、第一隔离器104、光纤耦合器105和可调谐滤波器106；

第一泵浦源101输出的光和可调谐滤波器106输出的光经过第一合束器102后汇聚成一路，在依次经过第一掺杂光纤103、第一隔离器104和光纤耦合器105后分成两路，一路输入可调谐滤波器104，经可调谐滤波器104调节光的波长，并在腔内循环，另一路作为输出端输出第一波段的激光。

进一步的，可调谐光纤激光器内置锁模器件或者调Q器件，实现激光以脉冲形式输出。

优选的，可调谐光纤激光器单元1的作用是为拉曼激光谐振腔单元4提供泵浦抽运，实现受激拉曼散射，可调谐光纤激光器单元1内包含波长可调谐器件，具有波长可调谐的特性，且可连续或者脉冲形式运行，为实现激光以脉冲形式输出，可调谐光纤激光器1内置锁模器件或者调Q器件。该可调谐光纤激光器单元1为全光纤化结构，第一掺杂光纤103为掺铥光纤、掺钬光纤或者铥钬共掺光纤，光纤类型为单包层或双包层。该第一泵浦源101为0.8微米波段的激光器，或者为1.0-1.3微米波段的激光器，或者为1.5-1.8微米波段的激光器。

进一步的，请参阅图3，为本实用新型实施例中光纤放大器单元2的细化结构示意图。具体的：

光纤放大器单元2包括第二泵浦源201、第二合束器202、第二掺杂光纤203、泵浦功率剥离器204、第二隔离器205和输出端口206；

第二泵浦源201输出的光和可调谐光纤激光器单元1输出的第一波段的激光，经过第二合束器202后汇聚成一路，依次经过第二掺杂光纤203、泵浦功率剥离器204和第二隔离器205，由输出端口206输出光功率放大后的激光。

优选的，光纤放大器单元2是将可调谐光纤激光器单元1输出的激光进行功率放大，按所需功率水平高低，不仅局限于一级放大，可级联多级放大。第二掺杂光纤203为掺铥光纤、掺钬光纤或者铥钬共掺光纤，光纤类型为单包层或者双包层，第二泵浦源201为0.8微米波段的激光器，或者为1.0-1.3微米波段的激光器，或者为1.5-1.8微米波段的激光器。

进一步的，请参阅图4，为本实用新型实施例中准直耦合单元3的细化结构示意图。具体的：

准直耦合单元3包括第一准直光学器件301、空间光隔离器302和聚焦光学器件303；

光纤放大器单元2输出的光功率放大后的激光经过第一准直光学器件301进行准直输出，准直输出后的激光经过空间光隔离器302隔离反向光，经过聚焦光学器件303聚焦输入到拉曼激光谐振腔单元4。

优选的，准直耦合单元3包括准直聚焦镜等，其作用是将光纤放大器2输出的激光耦合进拉曼激光谐振腔单元4，可视情况添加泵浦光隔离器。空间光隔离器302用于隔离反向光。

进一步的，请参阅图5，为本实用新型实施例中拉曼激光谐振腔单元4的细化结构示意图。具体的：

拉曼激光谐振腔单元4包括第一双色镜401、光栅402、第二准直光学器件403、拉曼光纤404、第二双色镜405和第三准直光学器件406，拉曼光纤404的一端为斜角切割端面，拉曼光纤404的另一端为直角切割端面；

光栅402通过调节倾斜角度选择反馈第二波段的一级衍射光，实现波长可调谐，反馈的一级衍射光经过第二准直光学器件403进行准直聚焦，经过第一双色镜401反射后，经拉曼光纤404的斜角切割端面输入拉曼光纤404，经拉曼光纤404传输到拉曼光纤404的直角切割端面，经拉曼光纤404的直角切割端面再反射入拉曼光纤404，使光栅402与拉曼光纤404的直角切割端面之间形成拉曼激光谐振腔，在拉曼光纤404的直角切割端面输出第二波段的拉曼激光；

准直耦合单元3输出的第一波段的激光经过第一双色镜401透射后，输入拉曼激光谐振腔，拉曼激光谐振腔输出第二波段的拉曼激光并输入第二双色镜405，由第二双色镜405反射后，经过第三准直光学器件406准直后输出。

进一步的，拉曼激光谐振腔单元4还包括第一光纤夹具407和第二光纤夹具408；

第一光纤夹具407用于夹紧拉曼光纤404的一端，第二光纤夹具408用于夹紧拉曼光纤404的另一端。

进一步的，第一双色镜401和第二双色镜405均蒸镀有第一波段的高透膜和第二波段的高反膜。

进一步的，拉曼光纤404为石英玻璃光纤，或者氟化物玻璃光纤，或者硫化物玻璃光纤。

优选的，拉曼激光谐振腔单元4是在第一波段可调谐泵浦光的作用下，实现受激拉曼散射效应，并在拉曼激光谐振腔的作用下放大增强，实现拉曼激光输出。其中拉曼光纤404提供拉曼增益，不仅局限于石英材料，也可为氟化物及硫化物玻璃光纤；光栅402可为衍射光栅或者体布拉格光栅，通过调节倾斜角度选择不同波长的一级衍射光进行反馈，实现波长可调谐，用于提供波长选择及对拉曼信号全反射；第二准直光学器件403用于将拉曼光准直的同时，将光栅402反馈的光进行聚焦；第一双色镜401作为高反腔镜，拉曼光纤404靠近第一双色镜401的一端为斜角切割端面，靠近第二双色镜405的一端为直角切割端面，该直角切割端面用于提供菲涅尔反射，且该直角切割端面与光栅402之间形成拉曼激光谐振腔，即拉曼激光谐振腔由光栅402、第二准直光学器件403、第一双色镜401和拉曼光纤404构成。光在拉曼激光谐振腔内来回振荡，其振荡光路为：光栅402通过调节倾斜角度选择反馈第二波段的一级衍射光，实现波长可调谐，反馈的一级衍射光经过第二准直光学器件403进行准直聚焦，经过第一双色镜401反射后，经拉曼光纤404的斜角切割端面输入拉曼光纤404，经拉曼光纤404传输到拉曼光纤404的直角切割端面，经拉曼光纤404的直角切割端面再反射入拉曼光纤404，反射进入拉曼光纤404后的光，经第一双色镜401反射，经过第二准直光学器件403输入到光栅402，由光栅402再将光发射。多次重复振荡放大，在拉曼光纤404的直角切割端面输出第二波段的拉曼激光。

进一步的，第二双色镜405为低反镜，拉曼激光谐振腔输出第二波段的拉曼激光经过第二双色镜405反射、经第三准直光学器件406准直后输出拉曼激光。第一光纤夹具407和第二光纤夹具408具有一定的散热功能。

本实用新型中实现最终的波长可调谐是通过两方面达到的。一方面，由于可调谐光纤激光器单元1内包含波长可调谐器件，具有波长可调谐的特性，使得输出的第一波段的激光是可调谐的，即通过改变可调谐光纤激光器单元1输出的第一波段的激光的波长，从而改变拉曼激光谐振腔单元4的泵浦波长，实现拉曼激光的可调谐；另一方面，通过改变光栅402的倾斜角度，选择将不同波长的一级衍射光进行反馈，也可实现拉曼激光的波长可调谐，即在固定泵浦波长下，也实现拉曼激光可调谐输出。将两方面结合，能大大扩大拉曼激光的可调谐范围。

理论上，石英光纤与氟化物光纤的拉曼频移量δω分别为440cm^-1和580cm^-1，有拉曼频移量计算公式结合选择可调谐带宽为1.9-2.1微米的可调谐光纤激光器单元1，可获得输出波长为2.1-2.3微米的一阶拉曼斯托克斯激光输出。能弥补稀土掺杂光纤的不足，弥补掺铥光纤或者掺钬光纤无法实现波长大于2.1微米的不足，且具有可调谐的优点，大大拓展了该激光器的应用，使得该激光器在传感、气体探测、生物医学及环境监测等领域有着重要的应用。

在本实施例中，由于该激光器中的可调谐光纤激光器单元输出第一波段的激光，该第一波段的激光依次经过光纤放大器单元、准直耦合单元后输入拉曼激光谐振腔单元，通过调节该拉曼激光谐振腔单元中的光栅的倾斜角度，输出中心波长为第二波段的拉曼激光。拉曼激光的中心波长会随着光栅的倾斜角度而变化，使得该激光器输出的波长可变，能大大扩展该激光器的应用领域。

需要说明的是，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本实用新型所必须的。

以上为对本实用新型所提供的一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器的描述，对于本领域的技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (9)

1.一种宽带波长可调谐中红外拉曼光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括可调谐光纤激光器单元、光纤放大器单元、准直耦合单元和拉曼激光谐振腔单元，所述拉曼激光谐振腔单元包括光栅；

所述可调谐光纤激光器单元输出预设第一波段的激光至所述光纤放大器单元，所述第一波段的激光经过所述光纤放大器单元放大光功率之后，输入所述准直耦合单元，所述准直耦合单元将光功率放大后的激光耦合输入所述拉曼激光谐振腔单元，所述拉曼激光谐振腔单元基于所述光功率放大后的激光，通过调节所述光栅的倾斜角度，输出中心波长为预设第二波段的拉曼激光。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述可调谐光纤激光器单元包括第一泵浦源、第一合束器、第一掺杂光纤、第一隔离器、光纤耦合器和可调谐滤波器；

所述第一泵浦源输出的光和所述可调谐滤波器输出的光经过所述第一合束器后汇聚成一路，在依次经过所述第一掺杂光纤、所述第一隔离器和所述光纤耦合器后分成两路，一路输入所述可调谐滤波器，经所述可调谐滤波器调节光的波长，并在腔内循环，另一路作为输出端输出所述第一波段的激光。

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述可调谐光纤激光器内置锁模器件或者调Q器件，实现激光以脉冲形式输出。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光纤放大器单元包括第二泵浦源、第二合束器、第二掺杂光纤、泵浦功率剥离器、第二隔离器和输出端口；

所述第二泵浦源输出的光和所述可调谐光纤激光器单元输出的所述第一波段的激光，经过所述第二合束器后汇聚成一路，依次经过所述第二掺杂光纤、所述泵浦功率剥离器和所述第二隔离器，由所述输出端口输出光功率放大后的激光。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述准直耦合单元包括第一准直光学器件、空间光隔离器和聚焦光学器件；

所述光纤放大器单元输出的所述光功率放大后的激光经过所述第一准直光学器件进行准直输出，准直输出后的激光经过所述空间光隔离器隔离反向光，经过所述聚焦光学器件聚焦输入到所述拉曼激光谐振腔单元。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述拉曼激光谐振腔单元包括第一双色镜、光栅、第二准直光学器件、拉曼光纤、第二双色镜和第三准直光学器件，所述拉曼光纤的一端为斜角切割端面，所述拉曼光纤的另一端为直角切割端面；

所述光栅通过调节倾斜角度选择反馈所述第二波段的一级衍射光，实现波长可调谐，反馈的一级衍射光经过所述第二准直光学器件进行准直聚焦，经过所述第一双色镜反射后，经所述拉曼光纤的斜角切割端面输入所述拉曼光纤，经所述拉曼光纤传输到所述拉曼光纤的直角切割端面，经所述拉曼光纤的直角切割端面再反射入所述拉曼光纤，使所述光栅与所述拉曼光纤的直角切割端面之间形成拉曼激光谐振腔，在所述拉曼光纤的直角切割端面输出第二波段的拉曼激光；

所述准直耦合单元输出的第一波段的激光经过所述第一双色镜透射后，输入所述拉曼激光谐振腔，所述拉曼激光谐振腔输出所述第二波段的拉曼激光并输入所述第二双色镜，由所述第二双色镜反射后，经过所述第三准直光学器件准直后输出。

7.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述拉曼激光谐振腔单元还包括第一光纤夹具和第二光纤夹具；

所述第一光纤夹具用于夹紧所述拉曼光纤的一端，所述第二光纤夹具用于夹紧所述拉曼光纤的另一端。

8.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述第一双色镜和所述第二双色镜均蒸镀有所述第一波段的高透膜和所述第二波段的高反膜。

9.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述拉曼光纤为石英玻璃光纤，或者氟化物玻璃光纤，或者硫化物玻璃光纤。