CN112864782B - 风冷双波段宽调谐窄线宽激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风冷双波段宽调谐窄线宽激光器包括高功率窄线宽保偏光纤激光器和环形腔单共振参量振荡器；该高功率窄线宽保偏光纤激光器包括窄线宽光纤种子源、双级保偏大模场镱光纤放大器。本发明实施例通过窄线宽光纤种子源、双级保偏大模场掺镱光纤放大器、环形腔单共振参量振荡器联用方案来实现双波段宽调谐输出的窄线宽激光器，克服了传统较高功率可调谐激光器中普遍存在的制冷方式受限、线宽难于压缩、调谐宽度较窄以及输出功率难于提升的难题。

Description

风冷双波段宽调谐窄线宽激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种风冷双波段宽调谐窄线宽激光器。

背景技术

发射波长兼顾1μm与2.1～4.4μm范围内的窄线宽激光可以在许多应用场景提供更丰富的激光波长配置，特别是2.3～4.3μm激光对于CO、CO₂、NO、N₂O、NO₂、NH₃、CH₄、C₂H₄、C₂H₆、C₂H₂、SO₂、HF、HCL、H₂O、H₂S等典型小分子的诊断识别非常有价值，同时1μm与2.15～4.4μm双波段激光还在激光外科手术、激光皮肤治疗等领域有较高应用价值。

然而，传统可调谐激光器中存在制冷方式受限、线宽难于压缩、调谐宽度较窄以及输出功率难于提升的问题，目前尚无有效的解决方案。

发明内容

本发明解决的是现有强制风冷脉冲铥光纤激光器废热过于集中、平均输出功率难于提升的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，包括高功率窄线宽保偏光纤激光器和环形腔单共振参量振荡器；所述高功率窄线宽保偏光纤激光器包括窄线宽光纤种子源、双级保偏大模场镱光纤放大器；所述窄线宽光纤种子源包括依次设置的高反保偏光纤光栅、磷酸盐掺镱保偏光纤、低反保偏光纤光栅、保偏光纤波分复用器、单模光纤耦合半导体激光器以及所述保偏光纤耦合隔离器；所述双级保偏大模场镱光纤放大器包括窄线宽保偏光纤激光预放大级和窄线宽保偏光纤激光主放大级；所述窄线宽保偏光纤激光预放大级包括依次设置的保偏光纤包层光滤模器、大模场掺镱保偏光纤、反向(1+1)×1保偏光纤合束器、多模光纤耦合半导体激光器、保偏光纤耦合隔离器以及保偏光纤耦合带通滤波器；所述窄线宽保偏光纤激光主放大级包括依次设置的2×2保偏光纤耦合器、保偏光纤包层光滤模器、大模场掺镱保偏光纤、反向(2+1)×1保偏光纤合束器、多模光纤耦合半导体激光器以及准直输出模块；所述环形腔单共振参量振荡器由两块平凹反射镜与两个平面反射镜构建得到；所述环形腔单共振参量振荡器设置于所述高功率窄线宽保偏光纤激光器的输出光路中。

可选地，所述高反保偏光纤光栅基于单模保偏光纤刻写获得；所述磷酸盐掺镱保偏光纤为单模保偏光纤；所述低反保偏光纤光栅与所述高反保偏光纤光栅均基于相同的无源光纤刻写；所述保偏光纤波分复用器的光纤与所述低反保偏光纤光栅相同；所述保偏光纤耦合隔离器作为种子光输出后光隔离器件，所述保偏光纤耦合隔离器的光纤与所述低反保偏光纤光栅相同。

可选地，还包括第一光电传感器、第二光电传感器及第三光电传感器；所述第一光电传感器用于监测窄线宽光纤种子源运行功率，所述第二光电传感器用于监测激光返回光功率，所述第三光电传感器用于监测预放大级激光输出功率。

可选地，所述保偏光纤包层光滤模器基于双包层保偏光纤制作；所述大模场掺镱保偏光纤与所述保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤相匹配；所述反向(1+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤与所述保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致；所述多模光纤耦合半导体激光器的输出光纤型号与所述反向(1+1)×1保偏光纤合束器的泵浦臂光纤一致；所述保偏光纤耦合隔离器的输入光纤与所述保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致；所述保偏光纤耦合带通滤波器的两端光纤与所述保偏光纤耦合隔离器使用的输出光纤一致。

可选地，所述2×2保偏光纤耦合器两端的两根光纤均与所述保偏光纤耦合隔离器使用的输出光纤一致；所述保偏光纤包层光滤模器是基于与所述保偏光纤耦合隔离器使用的输出光纤一致的双包层保偏光纤制作；所述大模场掺镱保偏光纤与所述保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤恰好匹配；所述反向(2+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤与所述保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致；所述多模光纤耦合半导体激光器的输出光纤型号与所述反向(2+1)×1保偏光纤合束器的泵浦臂光纤一致；所述准直输出模块的输入光纤与所述反向(2+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤一致。

可选地，还包括：一个半波片、一个高功率偏振相关隔离器、两个45°反射镜和一个平凸镜；所述高功率窄线宽保偏光纤激光器的发出的激光，依次通过所述所述半波片、所述高功率偏振相关隔离器、所述45°反射镜、所述平凸镜及所述45°反射镜，进入所述环形腔单共振参量振荡器。

可选地，，还包括梯度周期的MgO:PPLN晶体；所述MgO:PPLN晶体设置于所述环形腔单共振参量振荡器内，且连接有高精度温控装置，所述高精度温控装置设置于高精度一维电控位移台上。

可选地，还包括：30°二向色镜及平凸镜；所述30°二向色镜用于对输出闲频光或剩余基频光进行二次分离；所述平凸镜用于对闲频光或剩余基频光进行准直输出。

可选地，还包括窗口片；所述窗口片用于对输出闲频光或剩余基频光进行保护密封。

可选地，所述高功率窄线宽保偏光纤激光器为1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器；所述单模光纤耦合半导体激光器为976nm单模保偏光纤耦合半导体激光器；所述多模光纤耦合半导体激光器为976nm多模光纤耦合半导体激光器。

本发明实施例通过窄线宽光纤种子源、双级保偏大模场掺镱光纤放大器、环形腔单共振参量振荡器联用方案来实现双波段宽调谐输出的窄线宽激光器，克服了传统较高功率可调谐激光器中普遍存在的制冷方式受限、线宽难于压缩、调谐宽度较窄以及输出功率难于提升的难题。

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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的一个实施例中一种风冷双波段宽调谐窄线宽激光器的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例中一种1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器的内部结构示意图。

附图标记说明：

110-1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器；120-1064nm半波片；130-高功率偏振相关隔离器；140-45°反射镜；150-平凸镜；160-平凹反射镜；170-梯度周期MgO:PPLN晶体；180-高精度温控装置；190-高精度一维电控位移台；200-平面反射镜；210-30°二向色镜；220-平凸镜；230-窗口片；240、241、242-光电传感器；250-高反保偏光纤光栅；260-磷酸盐掺镱保偏光纤；270-低反保偏光纤光栅；280-保偏光纤波分复用器；290-976nm单模保偏光纤耦合半导体激光器；300-保偏光纤耦合隔离器；310-保偏光纤包层光滤模器；320-大模场掺镱保偏光纤；330-反向(1+1)×1保偏光纤合束器；340-976nm多模光纤耦合半导体激光器；350-保偏光纤耦合隔离器；360-保偏光纤耦合带通滤波器；370-2×2保偏光纤耦合器；380-保偏光纤包层光滤模器；390-大模场掺镱保偏光纤；400-反向(2+1)×1保偏光纤合束器；410-976nm多模光纤耦合半导体激光器；420-准直输出模块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中提供了一种宽调谐、窄线宽纳秒脉冲双共振中红外参量振荡器，主要利用固体脉冲1064nm激光作为双共振参量振荡器的泵浦源、四个周期结构的MgO:PPLN晶体实现1.3-1.7微米和3.0-4.5微米波段的脉冲激光输出，目的在于实现线宽被压窄且波长可调节的激光，以更加适用于激光光谱与激光雷达等应用，但是未突出介绍其究竟用于实现什么功率级别的激光，且该技术路线缺点在于该***在实现较高激光功率输出时需要水冷却***、***体积庞大、双共振参量振荡器的转换效率低且调谐范围有限。

现有技术中还提供了一种片状微腔近红外种子光注入锁定可调谐中红外窄线宽光参量放大器，主要利用5瓦级别的可调谐窄线宽光纤激光作为双共振参量振荡器的泵浦源、多周期结构的PPLN晶体实现中红外波段的可调谐激光输出，目的在于强调其通过温度调谐与晶体周期调谐来实现宽范围波长可调节的激光，但其可实现的激光功率较低(不超过1瓦)、激光波长调谐范围较小，无法实现更高功率激光。

本发明实施例提供了一种风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，包括高功率窄线宽保偏光纤激光器和环形腔单共振参量振荡器。

其中，该高功率窄线宽保偏光纤激光器包括窄线宽光纤种子源、双级保偏大模场镱光纤放大器。

具体地，窄线宽光纤种子源包括依次设置的高反保偏光纤光栅、磷酸盐掺镱保偏光纤、低反保偏光纤光栅、保偏光纤波分复用器、单模光纤耦合半导体激光器以及保偏光纤耦合隔离器。

双级保偏大模场镱光纤放大器包括窄线宽保偏光纤激光预放大级和窄线宽保偏光纤激光主放大级。窄线宽保偏光纤激光预放大级包括依次设置的保偏光纤包层光滤模器、大模场掺镱保偏光纤、反向(1+1)×1保偏光纤合束器、多模光纤耦合半导体激光器、保偏光纤耦合隔离器以及保偏光纤耦合带通滤波器。窄线宽保偏光纤激光主放大级包括依次设置的2×2保偏光纤耦合器、保偏光纤包层光滤模器、大模场掺镱保偏光纤、反向(2+1)×1保偏光纤合束器、多模光纤耦合半导体激光器以及准直输出模块。

环形腔单共振参量振荡器由两块平凹反射镜与两个平面反射镜构建得到；环形腔单共振参量振荡器设置于高功率窄线宽保偏光纤激光器的输出光路中。

本发明实施例提供的风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，通过窄线宽光纤种子源、双级保偏大模场掺镱光纤放大器、环形腔单共振参量振荡器联用方案来实现双波段宽调谐输出的窄线宽激光器，克服了传统较高功率可调谐激光器中普遍存在的制冷方式受限、线宽难于压缩、调谐宽度较窄以及输出功率难于提升的难题。

可选地，上述高功率窄线宽保偏光纤激光器为1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器；单模光纤耦合半导体激光器为976nm单模保偏光纤耦合半导体激光器；多模光纤耦合半导体激光器为976nm多模光纤耦合半导体激光器。可以实现一种1微米&2.15-4.4微米双波段宽调谐输出的窄线宽激光器，其中1微米激光输出功率超过12瓦、2.15-4.4微米范围内激光最大输出功率超过5瓦，同时激光线宽优于1MHz、调谐范围大于2250nm、调谐精度优于0.1nm。针对传统较高功率中红外参量振荡器的热管理困难、调谐范围受限的问题进行了创新设计，使得更加紧凑简洁的风冷5瓦级中红外激光器成为可能，特别适用于多种小分子光谱分析探测应用中，也能够用于其他科研、医疗应用场景。

可选地，高反保偏光纤光栅基于单模保偏光纤刻写获得；磷酸盐掺镱保偏光纤为单模保偏光纤；低反保偏光纤光栅与高反保偏光纤光栅均基于相同的无源光纤刻写；保偏光纤波分复用器的光纤与低反保偏光纤光栅相同；保偏光纤耦合隔离器作为种子光输出后光隔离器件，保偏光纤耦合隔离器的光纤与低反保偏光纤光栅相同。

可选地，上述风冷双波段宽调谐窄线宽激光器还包括第一光电传感器、第二光电传感器及第三光电传感器；第一光电传感器用于监测窄线宽光纤种子源运行功率，第二光电传感器用于监测激光返回光功率，第三光电传感器用于监测预放大级激光输出功率。

可选地，保偏光纤包层光滤模器基于双包层保偏光纤制作；大模场掺镱保偏光纤与保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤相匹配；反向(1+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤与保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致；多模光纤耦合半导体激光器的输出光纤型号与反向(1+1)×1保偏光纤合束器的泵浦臂光纤一致；

保偏光纤耦合隔离器的输入光纤与保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致；保偏光纤耦合带通滤波器的两端光纤与保偏光纤耦合隔离器使用的输出光纤一致。

可选地，2×2保偏光纤耦合器两端的两根光纤均与保偏光纤耦合隔离器使用的输出光纤一致；保偏光纤包层光滤模器是基于与保偏光纤耦合隔离器使用的输出光纤一致的双包层保偏光纤制作；大模场掺镱保偏光纤与保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤恰好匹配；

反向(2+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤与保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致；多模光纤耦合半导体激光器的输出光纤型号与反向(2+1)×1保偏光纤合束器的泵浦臂光纤一致；准直输出模块的输入光纤与反向(2+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤一致。

可选地，上述风冷双波段宽调谐窄线宽激光器还包括：一个半波片、一个高功率偏振相关隔离器、两个45°反射镜和一个平凸镜；高功率窄线宽保偏光纤激光器的发出的激光，依次通过半波片、高功率偏振相关隔离器、45°反射镜、平凸镜及45°反射镜，进入环形腔单共振参量振荡器。

可选地，上述风冷双波段宽调谐窄线宽激光器还包括：梯度周期的MgO:PPLN晶体；MgO:PPLN晶体设置于环形腔单共振参量振荡器内，且连接有高精度温控装置，高精度温控装置设置于高精度一维电控位移台上。

可选地，上述风冷双波段宽调谐窄线宽激光器还包括：30°二向色镜及平凸镜；30°二向色镜用于对输出闲频光或剩余基频光进行二次分离；平凸镜用于对闲频光或剩余基频光进行准直输出。

可选地，上述风冷双波段宽调谐窄线宽激光器还包括窗口片；窗口片用于对输出闲频光或剩余基频光进行保护密封。

参见图1所示的一种风冷双波段宽调谐窄线宽激光器的结构示意图，以风冷双波段宽调谐窄线宽激光器包括窄线宽光纤种子源、双级保偏大模场镱光纤放大器、环形腔单共振参量振荡器为例进行说明。

在图1中示出了一个1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器110、一个1064nm半波片120、一个高功率偏振相关隔离器130、两个45°反射镜140、两个平凸镜150、两个平凹反射镜160、一块梯度周期MgO:PPLN晶体170、一个高精度温控装置180、一个高精度一维电控位移台190、两个平面反射镜200、两个30°二向色镜210、一个平凸镜220、两个窗口片230。

其中，1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器110的输出激光线宽小于0.05MHz、输出功率在25瓦-30瓦范围内、偏振对比度优于20dB。1064nm半波片120对1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器110的输出激光进行偏振方向调节，与高功率偏振相关隔离器130的最佳输入光偏振方向匹配。高功率偏振相关隔离器130的通光尺寸在3-5mm范围内，耐受功率超过30瓦，隔离度超过30dB，***损耗不超过5％。

两个45°反射镜140相互配合，实现激光传输方向的二维精密调节。平凸镜150为1064nm波段增透的聚焦镜片，聚焦后光斑直径在0.1-0.15mm范围内、聚焦光斑位置位于梯度周期MgO:PPLN晶体170中心位置附近。

两块平凹反射镜160与两个平面反射镜200构建了一个单共振的参量振荡环形腔。平凹反射镜160的凹面曲率半径在100mm-150mm范围内，平凹反射镜160的平面对1064nm激光与2100nm-4400nm波长范围内的透过率超过99％，平凹反射镜160的凹面对1064nm激光与2100nm-4400nm波长范围内的透过率超过93％、同时对1300nm-2000nm波长范围内激光反射率超过99.5％；平面反射镜200的激光入射角度为7°。

平面反射镜200的第一平面对1000nm-2000nm波长范围内的透过率超过99％，平面反射镜200的第二平面对1300nm-2000nm范围激光反射率超过99.5％。

梯度周期MgO:PPLN晶体170包含了27.8-32.0μm范围内的多个极化周期。高精度温控装置180与高精度一维电控位移台190分别实现对梯度周期MgO:PPLN晶体170的温度与极化周期的精密控制调节。高精度温控装置180的温度控制范围在20-200℃、温度控制精度优于0.01℃。高精度一维电控位移台190的位移行程超过15mm、重复定位精度优于1μm。

两个30°二向色镜210分别对输出闲频光(2100-4400nm范围内)与剩余基频光(1064nm)进行二次分离，对2100-4400nm范围激光透过率超过93％、同时对1064nm激光反射率超过99.5％。平凸镜220对闲频光(2100-4400nm范围内)进行准直输出，平凸镜150对剩余基频光(1064nm)进行准直输出；两个窗口片230分别对输出闲频光(2100-4400nm范围内)与剩余基频光(1064nm)进行保护密封。

参见图2所示的一种1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器的内部结构示意图，示出了1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器110内部结构具体包括：三个光电传感器240、241、242、一个高反保偏光纤光栅250、一段磷酸盐掺镱保偏光纤260、一个低反保偏光纤光栅270、一个保偏光纤波分复用器280、一个976nm单模保偏光纤耦合半导体激光器290、一个保偏光纤耦合隔离器300、一个保偏光纤包层光滤模器310、一段大模场掺镱保偏光纤320、一个反向(1+1)×1保偏光纤合束器330、一个976nm多模光纤耦合半导体激光器340、一个保偏光纤耦合隔离器350、一个保偏光纤耦合带通滤波器360、一个2×2保偏光纤耦合器370、一个保偏光纤包层光滤模器380、一段大模场掺镱保偏光纤390、一个反向(2+1)×1保偏光纤合束器400、两个976nm多模光纤耦合半导体激光器410以及一个准直输出模块420。

其中，光电传感器240用于监测1064nm种子光运行功率，光电传感器241用于监测1064nm激光返回光功率，光电传感器242用于监测预放大级1064nm激光输出功率。

高反保偏光纤光栅250、磷酸盐掺镱保偏光纤260、低反保偏光纤光栅270、保偏光纤波分复用器280、976nm单模光纤耦合半导体激光器290以及保偏光纤耦合隔离器300构建了窄线宽保偏光纤种子源，可以输出激光线宽小于0.05MHz、输出功率在10-100毫瓦范围内、偏振对比度优于30dB。

具体地，高反保偏光纤光栅250是基于单模保偏光纤刻写获得，中心波长反射率超过99.5％、半高宽小于0.5nm；磷酸盐掺镱保偏光纤260为单模保偏光纤，纤芯直径约5μm、数值孔径在0.11-0.15范围内，镱离子在纤芯的掺杂浓度在10-20％范围内。低反保偏光纤光栅270与高反保偏光纤光栅250均基于相同的无源光纤刻写，中心波长反射率在50％-70％范围、半高宽小于0.1nm。保偏光纤波分复用器280的光纤与低反保偏光纤光栅270相同，使得976nm泵浦光与1064nm激光能够在单模光纤中复用。976nm单模保偏光纤耦合半导体激光器290的输出激光波长锁定于976nm，谱线宽度小于0.7nm，最大输出功率在200-300mW范围内。保偏光纤耦合隔离器300作为种子光输出后光隔离器件，保护种子光免受返回光干扰，保偏光纤耦合隔离器300的光纤与低反保偏光纤光栅270相同，对1064nm激光隔离度超过25dB，最大承受功率约500mW，***损耗不超过15％。

保偏光纤包层光滤模器310、大模场掺镱保偏光纤320、反向(1+1)×1保偏光纤合束器330、976nm多模光纤耦合半导体激光器340、保偏光纤耦合隔离器350以及保偏光纤耦合带通滤波器360构建了窄线宽保偏光纤激光预放大级，输出激光线宽小于0.1MHz、输出功率在2-4瓦范围内、偏振对比度优于20dB。

具体地，保偏光纤包层光滤模器310是基于双包层保偏光纤制作，用于滤除预放大级反向泵浦剩余包层光功率、滤除比率超过20dB、可以承受超过3瓦的功率，纤芯直径11μm、数值孔径0.075，内包层直径125μm、数值孔径0.46。大模场掺镱保偏光纤320与保偏光纤包层光滤模器310使用的无源光纤恰好匹配，在泵浦波长976nm处的总吸收比例需要控制在12dB-15dB范围内。反向(1+1)×1保偏光纤合束器330的信号光纤与保偏光纤包层光滤模器310使用的无源光纤一致，输入泵浦臂的光纤为105/125型号多模光纤，纤芯直径105μm、数值孔径0.22。

976nm多模光纤耦合半导体激光器340的输出激光波长锁定于976nm，谱线宽度小于0.7nm，最大输出功率在9-10W范围内，输出光纤型号与反向(1+1)×1保偏光纤合束器330的泵浦臂光纤一致。保偏光纤耦合隔离器350的输入光纤与保偏光纤包层光滤模器310使用的无源光纤一致，输出光纤的纤芯直径在11-15μm范围内、数值孔径0.08-0.10范围内，输出光纤的内包层直径125μm、数值孔径0.46。保偏光纤耦合隔离器350对1064nm激光隔离度超过20dB，最大承受功率超过5W，***损耗不超过15％；保偏光纤耦合带通滤波器360的两端光纤与保偏光纤耦合隔离器350使用的输出光纤一致，用于对预放大级输出激光的线宽进行压缩，中心透射波长为1064nm、透射带宽小于1nm。

2×2保偏光纤耦合器370、保偏光纤包层光滤模器380、大模场掺镱保偏光纤390、反向(2+1)×1保偏光纤合束器400、976nm多模光纤耦合半导体激光器410以及准直输出模块420构建了窄线宽保偏光纤激光主放大级，输出激光线宽小于0.1MHz、输出功率在25-30瓦范围内、偏振对比度优于20dB。

2×2保偏光纤耦合器370用于监控预放大级输出激光功率与主放大级返回光功率，2×2保偏光纤耦合器370两端的两根光纤均与保偏光纤耦合隔离器350使用的输出光纤一致，输出功率比例均为30dB。保偏光纤包层光滤模器380是基于与保偏光纤耦合隔离器350使用的输出光纤一致的双包层保偏光纤制作，用于滤除主放大级反向泵浦剩余包层光功率、滤除比率超过20dB、可以承受超过10瓦的功率。

大模场掺镱保偏光纤390与保偏光纤包层光滤模器380使用的无源光纤恰好匹配，在泵浦波长976nm处的总吸收比例需要控制在12dB-15dB范围内。反向(2+1)×1保偏光纤合束器400的信号光纤与保偏光纤包层光滤模器380使用的无源光纤一致，输入泵浦臂的光纤均为105/125型号多模光纤，纤芯直径105μm、数值孔径0.22。两个976nm多模光纤耦合半导体激光器410的输出激光波长锁定于976nm，谱线宽度小于0.7nm，最大输出功率在27-30W范围内，输出光纤型号与反向(2+1)×1保偏光纤合束器400的泵浦臂光纤一致。准直输出模块420的输入光纤与反向(2+1)×1保偏光纤合束器400的信号光纤一致，用于准直输出放大级激光，准直光斑大小在1-2mm范围内。

976nm单模保偏光纤耦合半导体激光器290、976nm多模光纤耦合半导体激光器340、976nm多模光纤耦合半导体激光器410均需要经过半导体制冷片进行精确温控，温控范围在20℃-30℃内、温控精度优于0.1℃。大模场掺镱保偏光纤320、大模场掺镱保偏光纤390均需要盘绕在金属槽中进行良好传导冷却。保偏光纤包层光滤模器310、保偏光纤耦合隔离器350、保偏光纤包层光滤模器380、反向(2+1)×1保偏光纤合束器400、均要在器件底面涂抹导热硅脂并安置在金属热沉上进行传导冷却。

风冷双波段宽调谐窄线宽激光器中，因使用环境温度变化剧烈，工作在较高环境温度35℃-45℃时，输出功率水平将受到显著影响，一般不允许工作在极端环境温度(>45℃)状态。

在输出端30°二向色镜210、平凸镜220、第二平凸镜150、窗口片230中可以进行灵活配置，例如在无需1064nm激光输出应用场景中可以不包括第二平凸镜150与第二窗口片230，在无需用户大范围调谐中红外激光的情况下，可以不包括高精度一维电控位移台190。

以下详述主要器件参数配置，如下：

第一平凸镜150焦距100mm。平凹输出镜160的凹面曲率半径100mm。梯度周期MgO:PPLN晶体170尺寸为50.0mm(长度)×12.4mm(宽度)×1.0mm(厚度)、包含了27.8-32.0μm范围内的15个极化周期、极化周期间隔为0.3μm、每个极化周期对应的晶体宽度为0.8mm、两侧各留0.2mm非极化区域。

磷酸盐掺镱保偏光纤260为5/125单模保偏光纤、镱离子掺杂浓度16％。低反保偏光纤光栅270中心波长反射率在60％、半高宽0.08nm。976nm单模保偏光纤耦合半导体激光器290的输出激功率在240mW。大模场掺镱保偏光纤320选用Nufern公司的PLMA-YDF-10/125-M以及匹配的PLMA-GDF-10/125-M型号无源双包层光纤。976nm多模光纤耦合半导体激光器340的输出功率在9瓦。大模场掺镱保偏光纤390选用Nufern公司的PLMA-YDF-15/130-VIII以及匹配的PLMA-GDF-15/130型号无源双包层光纤。976nm多模光纤耦合半导体激光器410的输出功率27瓦，实验环境温度为25℃，泵浦半导体激光器均设定温度为25℃。最终实验在1064nm波长处获得了激光输出均超过10瓦、线宽小于0.1MHz、偏振对比度优于20dB，在4400nm附近输出闲频光功率超过0.2瓦、在3100nm附近可以获得输出闲频光功率超过5.2瓦、在2300nm附近输出闲频光功率超过1.6瓦，同时通过非线性晶体的极化周期调节与温度调节实现了大于2250nm的调谐宽度、调谐精度小于0.06nm，具体对应的调谐范围如表1所示。

表1

本发明采用窄线宽光纤种子源、双级保偏大模场掺镱光纤放大器、环形腔单共振参量振荡器联用方案来实现一种1微米&2.15-4.4微米双波段宽调谐输出的窄线宽激光器，其中1微米激光输出功率超过12瓦、2.15-4.4微米范围内激光最大输出功率超过5瓦，同时激光线宽优于1MHz、调谐范围大于2250nm，克服了传统较高功率可调谐激光器中普遍存在的制冷方式受限、线宽难于压缩、调谐宽度较窄以及输出功率难于提升的难题。

通过信号光振荡下的闲频光输出构建了单共振参量振荡器，同时利用梯度周期的准相位匹配晶体与高精度温度、位移控制平台实现宽范围、高精度且快速电动化的波长调谐，使得本发明能够通过单个谐振腔直接获得同时调谐范围大于2250nm、调谐精度优于0.1nm的中红外激光输出。

通过全保偏光纤的激光技术路线构建基频光***，减小整机***的热分布密度，能够通过强制风冷保证该激光***的长期稳定工作，同时整机功耗不超过300瓦。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，其特征在于，包括高功率窄线宽保偏光纤激光器和环形腔单共振参量振荡器；

所述高功率窄线宽保偏光纤激光器包括窄线宽光纤种子源、双级保偏大模场镱光纤放大器；

所述窄线宽光纤种子源包括依次设置的高反保偏光纤光栅、磷酸盐掺镱保偏光纤、低反保偏光纤光栅、保偏光纤波分复用器、单模光纤耦合半导体激光器以及第一保偏光纤耦合隔离器；

所述双级保偏大模场镱光纤放大器包括窄线宽保偏光纤激光预放大级和窄线宽保偏光纤激光主放大级；

所述窄线宽保偏光纤激光预放大级包括依次设置的第一保偏光纤包层光滤模器、第一大模场掺镱保偏光纤、反向(1+1)×1保偏光纤合束器、第一多模光纤耦合半导体激光器、第二保偏光纤耦合隔离器以及保偏光纤耦合带通滤波器；

所述窄线宽保偏光纤激光主放大级包括依次设置的2×2保偏光纤耦合器、第二保偏光纤包层光滤模器、第二大模场掺镱保偏光纤、反向(2+1)×1保偏光纤合束器、第二多模光纤耦合半导体激光器以及准直输出模块；

所述环形腔单共振参量振荡器由两块平凹反射镜与两个平面反射镜构建得到，平凹反射镜的凹面曲率半径在100mm-150mm范围内，平面反射镜的激光入射角度为7°；

所述环形腔单共振参量振荡器设置于所述高功率窄线宽保偏光纤激光器的输出光路中；

所述高功率窄线宽保偏光纤激光器为1064nm高功率窄线宽保偏光纤激光器；

所述单模光纤耦合半导体激光器为976nm单模保偏光纤耦合半导体激光器；

所述第一多模光纤耦合半导体激光器和第二多模光纤耦合半导体激光器均为976nm多模光纤耦合半导体激光器；

高反保偏光纤光栅是基于单模保偏光纤刻写获得，中心波长反射率超过99.5％、半高宽小于0.5nm；磷酸盐掺镱保偏光纤为单模保偏光纤，纤芯直径约5μm、数值孔径在0.11-0.15范围内，镱离子在纤芯的掺杂浓度在10-20％范围内；低反保偏光纤光栅与高反保偏光纤光栅均基于相同的无源光纤刻写，中心波长反射率在50％-70％范围、半高宽小于0.1nm；

第一保偏光纤包层光滤模器是基于双包层保偏光纤制作，纤芯直径11μm、数值孔径0.075，内包层直径125μm、数值孔径0.46；第一大模场掺镱保偏光纤与第一保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤恰好匹配，在泵浦波长976nm处的总吸收比例需要控制在12dB-15dB范围内；反向(1+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤与第一保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致，输入泵浦臂的光纤为105/125型号多模光纤，纤芯直径105μm、数值孔径0.22；

第二保偏光纤耦合隔离器的输入光纤与第一保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致，输出光纤的纤芯直径在11-15μm范围内、数值孔径0.08-0.10范围内，输出光纤的内包层直径125μm、数值孔径0.46；

还包括梯度周期的MgO:PPLN晶体；所述MgO:PPLN晶体设置于所述环形腔单共振参量振荡器内，且连接有高精度温控装置，所述高精度温控装置设置于高精度一维电控位移台上；

还包括：30°二向色镜及平凸镜；所述30°二向色镜用于对输出闲频光或剩余基频光进行二次分离；所述平凸镜用于对闲频光或剩余基频光进行准直输出。

2.根据权利要求1所述的风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，其特征在于，

所述高反保偏光纤光栅基于单模保偏光纤刻写获得；所述磷酸盐掺镱保偏光纤为单模保偏光纤；

所述低反保偏光纤光栅与所述高反保偏光纤光栅均基于相同的无源光纤刻写；所述保偏光纤波分复用器的光纤与所述低反保偏光纤光栅相同；

所述第一保偏光纤耦合隔离器作为种子光输出后光隔离器件，所述第一保偏光纤耦合隔离器的光纤与所述低反保偏光纤光栅相同。

3.根据权利要求1所述的风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，其特征在于，还包括第一光电传感器、第二光电传感器及第三光电传感器；

所述第一光电传感器用于监测窄线宽光纤种子源运行功率，所述第二光电传感器用于监测激光返回光功率，所述第三光电传感器用于监测预放大级激光输出功率。

4.根据权利要求1所述的风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，其特征在于，

所述第一保偏光纤包层光滤模器基于双包层保偏光纤制作；所述第一大模场掺镱保偏光纤与所述第一保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤相匹配；所述反向(1+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤与所述第一保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致；所述第一多模光纤耦合半导体激光器的输出光纤型号与所述反向(1+1)×1保偏光纤合束器的泵浦臂光纤一致；

所述第二保偏光纤耦合隔离器的输入光纤与所述第一保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致；所述保偏光纤耦合带通滤波器的两端光纤与所述第二保偏光纤耦合隔离器使用的输出光纤一致。

5.根据权利要求1所述的风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，其特征在于，

所述2×2保偏光纤耦合器两端的两根光纤均与所述第二保偏光纤耦合隔离器使用的输出光纤一致；所述第二保偏光纤包层光滤模器是基于与所述第二保偏光纤耦合隔离器使用的输出光纤一致的双包层保偏光纤制作；所述第二大模场掺镱保偏光纤与所述第二保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤恰好匹配；

所述反向(2+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤与所述第二保偏光纤包层光滤模器使用的无源光纤一致；所述第二多模光纤耦合半导体激光器的输出光纤型号与所述反向(2+1)×1保偏光纤合束器的泵浦臂光纤一致；所述准直输出模块的输入光纤与所述反向(2+1)×1保偏光纤合束器的信号光纤一致。

6.根据权利要求1-5任一项所述的风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，其特征在于，还包括：一个半波片、一个高功率偏振相关隔离器、两个45°反射镜和一个平凸镜；

所述高功率窄线宽保偏光纤激光器发出的激光，依次通过所述半波片、所述高功率偏振相关隔离器、所述45°反射镜、所述平凸镜及所述45°反射镜，进入所述环形腔单共振参量振荡器。

7.根据权利要求1所述的风冷双波段宽调谐窄线宽激光器，其特征在于，还包括窗口片；

所述窗口片用于对输出闲频光或剩余基频光进行保护密封。

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