CN107887784A - 一种纳秒脉冲光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光技术领域，公开了一种纳秒脉冲光纤激光器，该纳秒脉冲光纤激光器包括：第一级脉冲激光发生器、第二级脉冲激光发生器、第三级脉冲激光发生器和连续激光二极管，第一级脉冲激光发生器包括激光二极管，该第一级脉冲激光发生器的输出端连接于该第二级脉冲激光发生器的输入端，该第二级脉冲激光发生器的输出端和该连续激光二极管分别连接于该第三级脉冲激光发生器的两个输入端的其中一个输入端，构成串联式级联结构。以该激光二级管产生的1.55微米脉冲激光作为初始泵浦源，可直接产生3.47微米纳秒脉冲激光。该纳秒脉冲光纤激光器具有低损耗、紧凑和一体化的优点。

Description

一种纳秒脉冲光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种纳秒脉冲光纤激光器。
背景技术
中红外纳秒脉冲激光在非金属材料打标、环境监测、生物探测等领域有极大的应用前景。近年来，伴随着激光材料、泵浦技术和光学元器件的发展，中红外纳秒脉冲激光的性能得到长足的进步。目前，产生中红外纳秒脉冲激光的方法主要包括稀土离子掺杂的固体或者光纤激光器，量子级联激光器，非线性频率转换等。其中，光纤激光器有着结构简单，紧凑，近衍射极限的光斑质量以及高转换效率等优点。因此，近年来，中红外纳秒脉冲光纤激光器赢得了越来越多的关注。
现有技术中，由中红外纳秒脉冲光纤激光器直接得到的激光波长多限制在3微米及3微米以下，更长波长的中红外纳秒脉冲激光在多领域有着强烈的应用需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种纳秒脉冲光纤激光器，用于解决现有技术中纳秒脉冲光纤激光器直接得到的激光波长多限制在3微米及3微米以下的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种纳秒脉冲光纤激光器，所述纳秒脉冲光纤激光器包括：第一级脉冲激光发生器、第二级脉冲激光发生器、第三级脉冲激光发生器和连续激光二极管，所述第一级脉冲激光发生器中包括激光二极管，所述第一级脉冲激光发生器的输出端连接于所述第二级脉冲激光发生器的输入端，所述第二级脉冲激光发生器的输出端和所述连续激光二极管分别连接于所述第三级脉冲激光发生器的两个输入端的其中一个输入端，构成串联式级联结构；
所述激光二极管，用于产生1.55微米脉冲激光并从所述第一级脉冲激光发生器输出端输出至所述第二级脉冲激光发生器作为所述第二级脉冲激光发生器的泵浦源；
所述第二级脉冲激光发生器，用于产生并输出1.97微米脉冲激光至所述第三级脉冲激光发生器；
所述第三级脉冲激光发生器，用于将所述1.97微米脉冲激光和所述连续激光二极管输出的高功率连续激光耦合后作为所述第三级脉冲激光发生器的泵浦源，产生并输出3.47微米脉冲激光。
从上述本发明提供的纳秒脉冲光纤激光器可知，一方面，该纳秒脉冲光纤激光器包括的三级脉冲激光发生器呈串联式级联结构，因此，与现有技术相比，本发明提供的纳秒脉冲光纤激光器具有结构紧凑和一体化的优点；另一方面，三级脉冲激光发生器分别产生1.55微米脉冲激光、1.97微米脉冲激光和3.47微米脉冲激光，实现了脉冲激光的激光波长从1.55微米到1.97微米再到3.47微米的连续转换，因此，本发明提供的纳秒脉冲光纤激光器不仅能输出3.47微米的典型中红外脉冲激光，满足多领域的应用需求，而且只需以其中的激光二级管产生的1.55微米脉冲激光作为初始泵浦源即可直接产生3.47微米的纳秒脉冲激光，中间无需外界装置的转换，因此，本发明提供的纳秒脉冲光纤激光器还具有损耗低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种纳秒脉冲光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的Er掺杂ZBLAN光纤的能级图；
图3为本发明实施例提供的3.47微米脉冲激光的脉宽与峰值功率随时间延时的变化曲线；
图4为本发明实施例提供的不同泵浦光峰值功率条件下3.47微米脉冲激光的脉宽与峰值功率的变化曲线。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种纳秒脉冲光纤激光器，该纳秒脉冲光纤激光器用于产生3.47微米的纳秒脉冲激光。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种纳秒脉冲光纤激光器的结构示意图，该纳秒脉冲光纤激光器包括：
第一级脉冲激光发生器1、第二级脉冲激光发生器2、第三级脉冲激光发生器3和连续激光二激光管4，第一级脉冲激光发生器包括激光二极管5，第一级脉冲激光发生器1的输出端连接于第二级脉冲激光发生器2的输入端，第二级脉冲激光发生器2的输出端和连续激光二极管4分别连接于第三级脉冲激光发生器3的两输入端的其中一个输入端，构成串联式级联结构，这一级联结构使得该纳秒脉冲光纤激光器具有结构紧凑和一体化的优点；
激光二极管5，用于产生1.55微米脉冲激光并从第一级脉冲激光发生器1输出端输出至第二级脉冲激光发生器2作为第二级脉冲激光发生器2的泵浦源；
第二级脉冲激光发生器2，用于产生并输出1.97微米脉冲激光至第三级脉冲激光发生器3；
第三级脉冲激光发生器3，用于将1.97微米脉冲激光和连续激光二极管4输出的高功率连续激光耦合后作为第三级脉冲激光发生器3的泵浦源，产生并输出3.47微米脉冲激光。
其中，激光二极管5用于产生1.55微米脉冲激光并从第一级脉冲激光发生器1的输出端输出到第二级脉冲激光发生器2作为第二级脉冲激光发生器2的泵浦源。第二级脉冲激光发生器2，由于泵浦源的输入，产生并输出1.97微米脉冲激光到第三级脉冲激光发生器3中。1.97微米脉冲激光和连续激光二极管4输出的高功率连续激光耦合后输入第三级脉冲激光发生器3作为第三级脉冲激光发生器3的泵浦源，产生并输出3.47微米脉冲激光。该纳秒脉冲光纤激光器实现了脉冲激光的激光波长从1.55微米到1.97微米再到3.47微米的连续转换，因此，本发明提供的纳秒脉冲光纤激光器不仅能输出3.47微米的典型中红外脉冲激光，满足多领域的应用需求，而且只需以其中的激光二级管产生的1.55微米脉冲激光作为初始泵浦源即可直接产生3.47微米的纳秒脉冲激光，中间无需外界装置的转换，因此，本发明提供的纳秒脉冲光纤激光器还具有损耗低的优点。
需要说明的是，该纳秒脉冲光纤激光器所产生的脉冲激光都是纳秒脉冲激光，3.47微米的纳秒脉冲激光属于中红外纳秒脉冲激光的一种，中红外纳秒脉冲激光在非金属材料打标、环境监测、生物探测等领域有极大的应用前景，因此3.47微米的纳秒脉冲激光在这些领域有极大应用前景。
进一步的，如图1所示，第三级脉冲激光发生器3包括泵浦光合束器6和Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7，第二级脉冲激光发生器2的输出端与连续激光二极管4分别连接泵浦光合束器6的两输入端的其中一个输入端，泵浦合束器6将1.97微米脉冲激光与高功率连续激光耦合在一起输入到Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7中，Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7产生3.47微米脉冲激光。
其中，泵浦光合束器6将1.97微米脉冲激光与高功率连续激光耦合在一起输入到Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7中作为Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7的泵浦源，Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7产生3.47微米脉冲激光，实现激光的脉冲输出。
进一步的，连续激光二极管4为975纳米高功率连续激光二极管，该975纳米高功率连续激光二极管产生975纳米高功率连续激光。
其中，975纳米高功率连续激光和1.97微米脉冲激光经过泵浦光合束器6耦合作为泵浦源输入到Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7中，975纳米高功率连续激光和1.97微米脉冲激光的时间延时(即1.97微米脉冲激光的脉冲时间间隔)对Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7的输出结果有重要影响。
进一步的，如图1所示，Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7包括Er掺杂ZBLAN光纤8、第一高反镜9和第一输出耦合镜10，第一高反镜9连接在Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7的输入端，第一输出耦合镜10连接在Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7的输出端。
其中，Er掺杂ZBLAN光纤8在975纳米高功率连续激光和1.97微米脉冲激光的混合泵浦条件下发生能级跃迁，实现3.47微米脉冲激光的输出。
具体的，请参阅图2，图2为本发明实施例提供的Er掺杂ZBLAN光纤的能级图，图中标出了混合泵浦条件下主要的能级跃迁。其中，N1到N7分别表示4I15/2能级到4F7/2能级的原子数密度。W13表示975纳米连续泵浦光造成的受激吸收几率。W35表示1.97微米脉冲泵浦光造成的受激吸收几率。W54表示由4F9/2能级到4I9/2能级的受激辐射跃迁速率。W37、W47和W57均为受激态吸收几率。如图2中所示，混合泵浦的过程如下：975纳米连续泵浦光将泵浦能量存储于4I11/2能级，以此降低脉冲激光的振荡阈值。与此同时，1.97微米的纳秒脉冲泵浦光激发由4I11/2能级到4F9/2能级的剧烈的能级跃迁。最后，4F9/2能级中的激子向低能级4I9/2受激辐射跃迁，并产生3.47微米脉冲激光。由于4I9/2能级的能级寿命要远小于4I11/2能级，因此，这个过程可看作准带内的增益开关。
其中，在混合增益开关的过程中，首先需要连续泵浦光在长寿命的4I11/2能级积累足够的原子数，然后，再由脉冲泵浦激光激发能级间的受激辐射跃迁。因此，975纳米高功率连续激光和1.97微米脉冲激光的时间延时(即1.97微米脉冲激光的脉冲时间间隔)对Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7的输出结果有重要影响。
具体的，如图3所示，图3为为本发明实施例提供的3.47微米脉冲激光的脉宽与峰值功率随时间延时的变化曲线。其中，1.97微米脉冲泵浦光的脉宽为300纳秒，峰值功率为0.5kW，从图3可以看出，当时间延时大于140微秒，可形成稳定的激光输出。随着延时的增加，脉冲激光变得越来越强，随后，在大概400微秒附近，光纤激光器进入饱和状态。饱和脉宽在190纳秒左右，对应约93W的峰值功率。
进一步的，如图4所示，图4为为本发明实施例提供的不同泵浦光峰值功率条件下3.47微米脉冲激光的脉宽与峰值功率的变化曲线。其中，1.97微米脉冲泵浦光与975纳米连续泵浦光的时间延时为600微秒。可见，当泵浦光峰值功率为0.5kW，3.47微米脉冲激光的脉宽为200纳秒左右。随着泵浦光峰值功率的逐渐增加，脉宽会不断变窄，逐渐稳定在70纳秒附近。与脉宽不同，在给出的峰值功率范围内，虽然增长速率变得越来越缓慢，3.47微米脉冲激光的峰值功率依然会随泵浦光峰值功率的增加持续增长。
基于上述的结果，利用300纳秒，峰值功率0.5至2kW的1.97微米脉冲激光，Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7可输出脉宽最短70纳秒，对应峰值功率超过0.9kW的3.47微米的纳秒脉冲激光。
进一步的，如图1所示，第一级脉冲激光发生器1还包括脉冲信号发生器11、第一光隔离器12和激光放大器13，脉冲信号发生器11与激光二极管5连接，脉冲信号发生器11用于控制激光二极管5输出的1.55微米脉冲激光的脉宽和重复频率，激光二极管5的输出端与第一光隔离器12的输入端连接，第一光隔离器12的输出端与激光放大器13的输入端连接，激光放大器13用于提高激光二极管5产生的1.55微米脉冲激光的峰值功率，激光放大器的输出端为第一级脉冲激光发生器1的输出端。
其中，一方面，由于该纳秒脉冲光纤激光器采用串联式增益开关设计，1.55微米的脉冲激光的脉宽和重复频率很大程度上决定了第二级脉冲激光发生器2输出的1.97微米脉冲激光，以及第三级脉冲激光发生器3输出的3.47微米脉冲激光的脉宽和重复频率。1.55微米激光二极管5输出的1.55微米脉冲激光的脉宽和重复频率可通过脉冲信号发生器11直接控制。基于这样的串联式设计，可通过调整1.55微米脉冲激光的脉宽与重复频率，动态调控Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7的1.97微米脉冲泵浦光与975纳米连续泵浦光之间的时间延时，达到优化3.47微米脉冲激光输出的目的。另一方面，由于激光二极管5直接得到的1.55微米脉冲激光的峰值功率非常有限，需借助激光放大器13来放大1.55微米脉冲激光的峰值功率。
进一步的，如图1所示，第二级脉冲激光发生器2包括：第二光隔离器14和Tm掺杂石英光纤激光振荡器15，第二光隔离器14的输入端为第二级脉冲激光发生器2的输入端，第二光隔离器14的输出端与Tm掺杂石英光纤激光振荡器15的输入端连接，已提高峰值功率的1.55微米脉冲激光作为Tm掺杂石英光纤激光振荡器15的泵浦源，Tm掺杂石英光纤激光振荡器15产生1.97微米脉冲激光。
进一步的，如图1所示，Tm掺杂石英光纤激光振荡器15包括Tm掺杂石英光纤16、第二高反镜17和第二输出耦合镜18，第二高反镜17连接在Tm掺杂石英光纤16的输入端，第二输出耦合镜18连接在Tm掺杂石英光纤16的输出端，使Tm掺杂石英光纤激光振荡器15能够发生振荡产生激光。
需要说明的是，第一光隔离器12和第二光隔离器14的设置是为了避免寄生振荡的出现，而当激光波长大于2.3微米，Tm掺杂石英光纤的传输损耗会急剧上升，因而Tm掺杂石英光纤激光振荡器15和Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7之间不需要加入光隔离器。
进一步的，第一高反镜9、第一输出耦合镜10、第二高反镜17和第二输出耦合镜18均为光纤布拉格Bragg光栅，设置的第一高反镜9、第一输出耦合镜10、第二高反镜17和第二输出耦合镜18均为光纤布拉格Bragg光栅是为了使该纳秒脉冲光纤激光器更易制备，且使用光纤布拉格Bragg光栅的第一高反镜9、第一输出耦合镜10、第二高反镜17和第二输出耦合镜18的效果较佳。
进一步的，激光放大器13为Er/Yb共掺光纤激光放大器，该Er/Yb共掺光纤激光放大器用于提高1.55微米脉冲激光的峰值功率。
进一步的，Tm掺杂石英光纤激光振荡器15和Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7连接方式为串联，因为Tm掺杂石英光纤激光振荡器15和Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器7分别是第二级脉冲激光发生器2和第三级脉冲激光发生器3的重要部分，使第二级脉冲激光发生器2和第三级脉冲激光发生器3之间的连接方式也为串联，第二级脉冲激光发生器2和第三级脉冲激光发生器3之间的连接方式为串联是三级脉冲激光发生器构成级联结构的重要因素。
由附图1本发明实施例提供的纳秒脉冲光纤激光器可知，一方面，该纳秒脉冲光纤激光器包括的三级脉冲激光发生器呈串联式级联结构，因此，与现有技术相比，本发明提供的纳秒脉冲光纤激光器具有结构紧凑和一体化的优点；另一方面，三级脉冲激光发生器分别产生1.55微米脉冲激光、1.97微米脉冲激光和3.47微米脉冲激光，实现了脉冲激光的激光波长从1.55微米到1.97微米再到3.47微米的连续转换，因此，本发明提供的纳秒脉冲光纤激光器不仅能输出3.47微米的典型中红外脉冲激光，满足多领域的应用需求，而且只需以其中的激光二级管产生的1.55微米脉冲激光作为初始泵浦源即可直接产生3.47微米的纳秒脉冲激光，中间无需外界装置的转换，因此，本发明提供的纳秒脉冲光纤激光器还具有损耗低的优点。
以上为对本发明所提供的一种纳秒脉冲光纤激光器的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，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发明的限制。

Claims (10)

1.一种纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述纳秒脉冲光纤激光器包括：第一级脉冲激光发生器、第二级脉冲激光发生器、第三级脉冲激光发生器和连续激光二极管，所述第一级脉冲激光发生器中包括激光二极管，所述第一级脉冲激光发生器的输出端连接于所述第二级脉冲激光发生器的输入端，所述第二级脉冲激光发生器的输出端和所述连续激光二极管分别连接于所述第三级脉冲激光发生器的两个输入端的其中一个输入端，构成串联式级联结构；
所述激光二极管，用于产生1.55微米脉冲激光并从所述第一级脉冲激光发生器输出端输出至所述第二级脉冲激光发生器作为所述第二级脉冲激光发生器的泵浦源；
所述第二级脉冲激光发生器，用于产生并输出1.97微米脉冲激光至所述第三级脉冲激光发生器；
所述第三级脉冲激光发生器，用于将所述1.97微米脉冲激光和所述连续激光二极管输出的高功率连续激光耦合后作为所述第三级脉冲激光发生器的泵浦源，产生并输出3.47微米脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第三级脉冲激光发生器包括泵浦光合束器和Er掺杂氟化物ZBLAN光纤激光振荡器；
所述第二级脉冲激光发生器的输出端与所述连续激光二极管分别连接所述泵浦光合束器的两输入端中的其中一个输入端，所述泵浦光合束器的输出端与所述Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器的输入端连接，所述泵浦光合束器将所述1.97微米脉冲激光与所述高功率连续激光耦合在一起输入到所述Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器中，所述Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器产生所述3.47微米脉冲激光。
3.根据权利要求1或2所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述连续激光二极管为975纳米高功率连续激光二极管，所述975纳米高功率连续激光二极管产生975纳米高功率连续激光。
4.根据权利要求2所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器包括Er掺杂ZBLAN光纤、第一高反镜和第一输出耦合镜；
所述第一高反镜连接在所述Er掺杂ZBLAN光纤的输入端，所述第一输出耦合镜连接在所述Er掺杂ZBLAN光纤的输出端。
5.根据权利要求4所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一级脉冲激光发生器还包括脉冲信号发生器、第一光隔离器和激光放大器；
所述脉冲信号发生器与所述激光二极管连接，所述脉冲信号发生器用于控制所述激光二极管输出的所述1.55微米脉冲激光的脉宽和重复频率；
所述激光二极管的输出端与所述第一光隔离器的输入端连接，所述第一光隔离器的输出端与所述激光放大器的输入端连接，所述激光放大器用于提高所述1.55微米脉冲激光的峰值功率，所述激光放大器的输出端为所述第一级脉冲激光发生器的输出端。
6.根据权利要求5所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第二级脉冲激光发生器包括：第二光隔离器和Tm掺杂石英光纤激光振荡器；
所述第二光隔离器输入端为所述第二级脉冲激光发生器的输入端，所述第二光隔离器的输出端与所述Tm掺杂石英光纤激光振荡器的输入端连接，已提高峰值功率的所述1.55微米脉冲激光作为所述Tm掺杂石英光纤激光振荡器的泵浦源，所述Tm掺杂石英光纤激光振荡器产生所述1.97微米脉冲激光。
7.根据权利要求6所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述Tm掺杂石英光纤激光振荡器包括Tm掺杂石英光纤、第二高反镜和第二输出耦合镜，所述第二高反镜连接在所述Tm掺杂石英光纤的输入端，所述第二输出耦合镜连接在所述Tm掺杂石英光纤的输出端。
8.根据权利要求7所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一高反镜、所述第一输出耦合镜、所述第二高反镜和所述第二输出耦合镜均为光纤布拉格Bragg光栅。
9.根据权利要求5至8任意一项所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述激光放大器为Er/Yb共掺光纤激光放大器。
10.根据权利要求6至8任意一项所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述Tm掺杂石英光纤激光振荡器和所述Er掺杂ZBLAN光纤激光振荡器连接方式为串联。
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