CN102709797B - 一种中红外级联脉冲光纤激光器 - Google Patents

一种中红外级联脉冲光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种中红外级联脉冲光纤激光器，包括依次连接的半导体激光器、耦合透镜组和双包层ZBLAN光纤，其特征在于，所述二色镜位于耦合透镜组中，所述双包层ZBLAN光纤的一端与耦合透镜组之间设置有光纤布拉格光栅FBG14和光纤布拉格光栅FBG25，所述ZBLAN光纤的另一端设置有宽谱反射镜，所述宽谱反射镜靠近双包层ZBLAN光纤的一侧的表面具有石墨烯薄膜用作激光的可饱和吸收体。所述纤布拉格光栅FBG1和宽谱反射镜构成激光的第一谐振腔，而光纤布拉格光栅FBG25和宽谱反射镜构成激光的第二谐振腔。本发明的有益效果是：使得装置结构简单，可移植性和可集成度高，有利于实际应用。

Description

一种中红外级联脉冲光纤激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，特别涉及一种脉冲光纤激光器。
背景技术
光纤激光器具有激光阈值低、输出光束质量好、转换效率高、以及高“表面积/体积”比、柔韧性与灵活性好、易于集成等显著优点，在最近脉冲光纤激光器的研究中，其波长主要集中在2.8um左右，采用的方法主要为增益调制、声光调制器主动调Q和可饱和吸收体被动调Q三种方式。1.增益调制方式是通过脉冲泵浦的方法对激光跃迁上能级的粒子数进行周期性调制，实现激光的脉冲输出，但是这种方法需要对泵浦光进行脉冲调制，容易损坏泵浦激光器和光纤端面。2.声光调制器主动调Q则是通过在光纤外，谐振腔内放置声光调制器来控制激光腔内的损耗从而实现调Q脉冲的输出，而这种方法需要在光纤外放置声光调制器，这使得光纤激光器失去了固有的灵活、紧凑、体积小等优点，加之中红外波段声光调制器所需材料特殊，这就提高了它的制作成本和难度。3.而对于可饱和吸收体被动调Q方法，目前国际上还未研制出工作2.8um左右波段的可饱和吸收体。
发明内容
本发明为解决现有技术中的脉冲光纤激光器存在的不足，提出了一种中红外级联脉冲光纤激光器。
本发明的技术方案是：一种中红外级联脉冲光纤激光器，包括依次连接的半导体激光器、耦合透镜组和双包层ZBLAN光纤，其特征在于，所述二色镜位于耦合透镜组中，所述双包层ZBLAN光纤的一端与耦合透镜组之间设置有光纤布拉格光栅FBG14和光纤布拉格光栅FBG25，所述ZBLAN光纤的另一端设置有宽谱反射镜，所述宽谱反射镜靠近双包层ZBLAN光纤的一侧的表面具有石墨烯薄膜用作激光的可饱和吸收体。
所述纤布拉格光栅FBG1和宽谱反射镜构成激光的第一谐振腔，而光纤布拉格光栅FBG25和宽谱反射镜构成激光的第二谐振腔。
所述双包层ZBLAN光纤为双包层掺Er3+ZBLAN光纤，所述双包层掺Er3+ZBLAN光纤中的Er3+离子能级跃迁分别对应波长为1.6μm和2.7μm激光的跃迁辐射。
所述光纤布拉格光栅FBG1和光纤布拉格光栅FBG2由飞秒激光器在所述双包层掺Er3+ZBLAN光纤上刻写而成，光纤布拉格光栅FBG14反射中心波长对应于1.6μm，并对1.6μm激光呈高反射率，所述光纤布拉格光栅FBG25反射中心波长对应于2.7μm，但其对2.7μm激光有较高的透射率。
所述双包层ZBLAN光纤为双包层掺或Ho3+ZBLAN光纤，所述双包层掺Ho3+ZBLAN光纤中的Ho3+离子能级跃迁分别对应波长为2.1μm和3.0μm激光的跃迁辐射。
所述光纤布拉格光栅FBG1和光纤布拉格光栅FBG2由飞秒激光器在所述双包层掺Ho3+ZBLAN光纤上刻写而成，光纤布拉格光栅FBG14反射中心波长对应于2.1μm，并对2.1μm激光呈高反射率，所述光纤布拉格光栅FBG2反射中心波长对应于3.0μm，但其对3.0μm激光有较高的透射率。
本发明的有益效果是：1.避开了传统的增益调制方式和声光调制器主动调Q方法中，需要对泵浦光进行脉冲调制，进而引起泵浦激光器和光纤端面损坏，以及使用外置光纤外的声光调制器件从而引起装置灵活性降低等问题，使得装置结构简单，可移植性和可集成度高，有利于实际应用。2.避开了被动调Q方法中2.8μm左右波段还未有可饱和吸收体的问题。
附图说明
图1是本发明的一种中红外级联脉冲光纤激光器结构示意图。
图2是本发明双包层ZBLAN光纤的能级变化示意图。
附图标记说明：1半导体激光器，2耦合透镜组，3二色镜，4光纤布拉格光栅FBG1，5光纤布拉格光栅FBG2，6双包层ZBLAN光纤，7石墨烯薄膜，8宽谱反射镜，9能级4I11/2或5I6，10能级4I13/2或5I7，11能级4I15/2或5I8，12为2.7μm或3.0μm激光，13为1.6μm或2.1μm激光，14连续泵浦光。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明具体实施方案做进一步的说明。
实施例1：如图1所示，一种中红外级联脉冲光纤激光器，包括依次连接的半导体激光器1、耦合透镜组2和双包层ZBLAN（氟化物）光纤6，所述二色镜3位于耦合透镜组2中，所述双包层ZBLAN光纤6的一端与耦合透镜组2之间设置有光纤布拉格光栅FBG14和光纤布拉格光栅FBG25，所述ZBLAN光纤6的另一端设置有宽谱反射镜8，所述宽谱反射镜8靠近双包层ZBLAN光纤6的一侧的表面具有石墨烯薄膜7用作激光的可饱和吸收体。
所述双包层ZBLAN光纤6为双包层掺Er3+ZBLAN光纤，所述双包层掺Er3+ZBLAN光纤中的Er3+离子能级跃迁分别对应波长为1.6μm和2.7μm激光的跃迁辐射。
所述石墨烯薄膜7通过沉积石墨烯-聚乙烯醇（石墨烯-PVA）溶液的方法，在宽谱反射镜表面形成该薄膜，作为1.6μm激光的可饱和吸收体。
所述纤布拉格光栅FBG14和宽谱反射镜8构成激光的第一谐振腔，而光纤布拉格光栅FBG25和宽谱反射镜8构成激光的第二谐振腔。所述第一谐振腔的中心波长为波长1.6μm，所述第二谐振腔的中心波长为2.7μm。
所述光纤布拉格光栅FBG14和光纤布拉格光栅FBG25由飞秒激光器在所述双包层掺Er3+（铒离子）ZBLAN光纤上刻写而成，光纤布拉格光栅FBG14反射中心波长对应于1.6μm，并对1.6μm激光呈高反射率，所述光纤布拉格光栅FBG25反射中心波长对应于2.7μm，但其对2.7μm激光有较高的透射率。
本实施例中，半导体激光器1作为泵浦源，它能输出波长为975nm的连续泵浦光。所述耦合透镜组2用于准直连续泵浦光，将其耦合进所述双包层掺Er3+ZBLAN光纤6内包层中；所述二色镜3具有对连续泵浦光呈高透射率，对产生的2.7μm激光呈高反射率的特性，可作为脉冲激光的输出耦合。所述宽谱反射镜8作为谐振腔的一端，具有对1.6μm和2.7μm激光呈高反射率的特性。
实施例2：如图1所示，本实施例的结构与实施例1相同，所不同的是所述双包层ZBLAN光纤6采用双包层掺Ho3+ZBLAN光纤，因此，对应的所述双包层掺Ho3+ZBLAN光纤中的Ho3+离子能级跃迁分别对应波长为2.1μm和3.0μm激光的跃迁辐射。
所述石墨烯薄膜7通过沉积石墨烯—聚乙烯醇（石墨烯—PVA）溶液的方法，在宽谱反射镜表面形成该薄膜，作为2.1μm激光的可饱和吸收体。
所述纤布拉格光栅FBG14和宽谱反射镜8构成激光的第一谐振腔，而光纤布拉格光栅FBG25和宽谱反射镜8构成激光的第二谐振腔。所述第一谐振腔的中心波长为波长2.1μm，所述第二谐振腔的中心波长为3.0μm。
所述光纤布拉格光栅FBG14和光纤布拉格光栅FBG25由飞秒激光器在所述双包层掺Ho3+（钬离子）ZBLAN光纤上刻写而成，光纤布拉格光栅FBG14反射中心波长对应于2.1μm，并对2.1μm激光呈高反射率，所述光纤布拉格光栅FBG25反射中心波长对应于3.0μm，但其对3.0μm激光有较高的透射率。
本实施例中，半导体激光器1作为泵浦源，它能输出波长为1150nm的连续泵浦光。所述耦合透镜组2用于准直连续泵浦光，将其耦合进所述双包层掺Ho3+ZBLAN光纤6内包层中；所述二色镜3具有对连续泵浦光呈高透射率，对产生的3.0μm激光呈高反射率的特性，可作为脉冲激光的输出耦合。所述宽谱反射镜8作为谐振腔的一端，具有对2.1μm和3.0μm激光呈高反射率的特性。
下面，在结合附图2对实施例1和实施例2的工作原理做进一步的说明：
将半导体激光器1产生的波长为975nm的连续泵浦光通过耦合透镜组2准直并耦合进双包层掺Er3+ZBLAN（氟化物）光纤6的内包层中，在光纤布拉格光栅FBG14和宽谱反射镜8构成的谐振腔中产生1.6μm的连续激光，对应于4I13/2→4I15/2能级的跃迁（即图2中标号10到标号11），在石墨烯7的饱和吸收作用下，石墨烯7对1.6μm连续激光进行被动调Q，于是便产生了1.6μm的脉冲激光。与此同时所形成的1.6μm的脉冲激光又对4I11/2→4I13/2（即图2中标号9到标号10）的反转粒子数进行周期性调制，即对4I11/2→4I13/2能级跃迁所对应激光进行增益调制，于是便产生了波长为2.7μm的脉冲激光，其在FBG25和宽谱反射镜8构成的谐振腔中谐振并得到放大，最后通过二色镜3输出波长为2.7μm的脉冲激光。
以上实施例中，采用的是波长为975nm的半导体激光器，其对应采用的是双包层掺Er3+ZBLAN（氟化物）光纤；也可以采用波长为1150nm的半导体激光器，其对应所采用的是双包层掺Ho3+ZBLAN（氟化物）光纤，此时，其对应的能级分别为5I6，5I7，5I8；产生的脉冲激光波长分别为2.1μm（5I7→5I8能级跃迁）和3.0μm（5I6→5I7能级跃迁），输出为3.0um的脉冲激光。
虽然上述两个实施例只给定了两种不同掺杂的双包层ZBLAN光纤6，并且也只以对应于这两种不同掺杂的双包层ZBLAN光纤6的波长为975nm和1150nm作为泵浦源，从而产生了对应的两种不同掺杂的跃迁辐射，第一谐振腔和第二谐振腔的两种中心波长以及光纤布拉格光栅FBG14和光纤布拉格光栅FBG25的不同的光学性能，本领域的普通技术人员应该意识到，本发明申请的创新点首先在于结构本身，其次才是两个实施例的具体掺杂和取值，这两个实施例的出现只是为了更好的说明本发明的结构原理，而不应理解为对本发明申请的限制。

Claims (6)

1.一种中红外级联脉冲光纤激光器，包括依次连接的半导体激光器（1）、耦合透镜组（2）和双包层ZBLAN光纤（6），其特征在于，还包括二色镜（3），所述二色镜（3）位于耦合透镜组（2）中，所述双包层ZBLAN光纤（6）的一端与耦合透镜组（2）之间设置有光纤布拉格光栅FBG1（4）和光纤布拉格光栅FBG2（5），所述ZBLAN光纤（6）的另一端设置有宽谱反射镜（8），所述宽谱反射镜（8）靠近双包层ZBLAN光纤（6）的一侧的表面具有石墨烯薄膜（7）用作激光的可饱和吸收体。
2.根据权利要求1所述的一种中红外级联脉冲光纤激光器，其特征在于，所述纤布拉格光栅FBG1（4）和宽谱反射镜（8）构成激光的第一谐振腔，而光纤布拉格光栅FBG2（5）和宽谱反射镜（8）构成激光的第二谐振腔。
3.根据权利要求1或2所述的一种中红外级联脉冲光纤激光器，其特征在于，所述双包层ZBLAN光纤（6）为双包层掺Er3+ZBLAN光纤，所述双包层掺Er3+ZBLAN光纤中的Er3+离子能级跃迁分别对应波长为1.6μm和2.7μm激光的跃迁辐射。
4.根据权利要求3所述的一种中红外级联脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅FBG1（4）和光纤布拉格光栅FBG2（5）由飞秒激光器在所述双包层掺Er3+ZBLAN光纤上刻写而成，光纤布拉格光栅FBG1（4）反射中心波长对应于1.6μm，并对1.6μm激光呈高反射率，所述光纤布拉格光栅FBG2（5）反射中心波长对应于2.7μm，但其对2.7μm激光有较高的透射率。
5.根据权利要求1或2所述的一种中红外级联脉冲光纤激光器，其特征在于，所述双包层ZBLAN光纤（6）为双包层掺Ho3+ZBLAN光纤，所述双包层掺Ho3+ZBLAN光纤中的Ho3+离子能级跃迁分别对应波长为2.1μm和3.0μm激光的跃迁辐射。
6.根据权利要求5所述的一种中红外级联脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅FBG1（4）和光纤布拉格光栅FBG2（5）由飞秒激光器在所述双包层掺Ho3+ZBLAN光纤上刻写而成，光纤布拉格光栅FBG1（4）反射中心波长对应于2.1μm，并对2.1μm激光呈高反射率，所述光纤布拉格光栅FBG2（5）反射中心波长对应于3.0μm，但其对3.0μm激光有较高的透射率。
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