CN216773785U - 一种2~3μm宽带调谐的中红外拉曼孤子飞秒激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种2~3μm宽带调谐的中红外拉曼孤子飞秒激光器，特点是包括用于发射2μm波段的超短脉冲激光的种子源、第一泵浦源、第二泵浦源、光栅对、沿种子源发出的光路依次设置的第一隔离器、硫系玻璃光纤跳线、第一合束器、第一双包层掺铥光纤、第二隔离器、第二合束器、第二双包层掺铥光纤、单模光纤、第一平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二平凸透镜和氟化物光纤；优点是输出的光束具有高功率、光束质量稳定良好的特性。

Description

一种2～3μm宽带调谐的中红外拉曼孤子飞秒激光器

技术领域

本实用新型涉及一种中红外拉曼孤子飞秒激光器，尤其是一种2~3μm宽带调谐的中红外拉曼孤子飞秒激光器。

背景技术

可调谐中红外飞秒激光在光通信、环境检测、以及工业制造等领域有着非常广泛的应用前景，并且该波长范围位于大气的吸收窗口、热辐射能量集中在该波段、多种水分子在该波段有着丰富的吸收谱；过去几十年人们利用量子级联激光器、固态晶体激光器、光学参量振荡器和放大器等均实现了可调谐中红外超短脉冲激光的输出，然而，以上产生方式均需要复杂的相位匹配条件和空间光路结构，造成激光器***的稳定性较差，难以满足复杂环境中的实际应用，而光纤激光器在紧凑性、可靠性和光束质量方面具有显著优势。

激光器实现波长调谐功能的方式通常分为三种：第一种方式是通过改变温度、磁场等外部环境参数，改变激光跃迁的能级，实现激光器的波长变化，该方式操作难度较大，不易于调控；第二种方式是利用一些特定波段的滤波器件，通过改变谐振腔的低损耗波段，以此来获得激光波长的调谐功能，但是这种器件调谐范围窄，并且存在引入损耗；第三种方式主要是利用非线性效应在光波传输过程中的作用机制，拉曼孤子自频移技术在波长可调谐性、稳定性和脉冲时间宽度等方面相比于其他方法都具有明显的优势，在中红外波段一般使用具有低传输损耗的软玻璃光纤，例如碲酸盐光纤、氟化物光纤和硫系玻璃光纤，而软玻璃光纤机械强度差，损伤阈值低，因此实现中红外波段宽范围调谐，高功率和高稳定性的超短脉冲光源问题亟需解决。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够产生高功率且具有稳定良好的光束质量的输出光的2~3μm宽带调谐的中红外拉曼孤子飞秒激光器。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种2~3μm宽带调谐的中红外拉曼孤子飞秒激光器，包括用于发射2μm波段的超短脉冲激光的种子源、第一泵浦源、第二泵浦源、光栅对、沿所述的种子源发出的光路依次设置的第一隔离器、硫系玻璃光纤跳线、第一合束器、第一双包层掺铥光纤、第二隔离器、第二合束器、第二双包层掺铥光纤、单模光纤、第一平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二平凸透镜和氟化物光纤，所述的种子源与所述的第一隔离器的一端相连，所述的第一隔离器的另一端与所述的硫系玻璃光纤跳线的一端相连，所述的第一合束器与所述的硫系玻璃光纤跳线的另一端相连的一端用于接入所述的第一泵浦源发送的中心波长为793nm的连续激光，所述的第一合束器的另一端与所述的第一双包层掺铥光纤的一端连接，所述的第一双包层掺铥光纤的另一端与所述的第二隔离器相连，所述的第二合束器与所述的第二隔离器另一端相连的一端用于接入所述的第二泵浦源发送的中心波长为793nm的连续激光，所述的第二合束器的另一端与所述的第二双包层掺铥光纤的一端连接，所述的第二双包层掺铥光纤的另一端与所述的单模光纤的一端连接，所述的单模光纤的另一端对准所述的第一平凸透镜的凸面中心，所述的第一平凸透镜的平面中心透射的准直光经过所述的第一反射镜的中心后反射至所述的第二反射镜的中心，所述的第二反透镜将接收到的光反射至所述的光栅对内压缩并发射至所述的第三反射镜的中心，所述的第三反射镜将接收到的光反射回光栅对后，从所述的光栅对发射至所述的第二平凸透镜的凸面中心，所述的第二平凸透镜的平面中心透射的光聚焦进入所述的氟化物光纤。

所述的第一双包层掺铥光纤的长度为0.9m，纤芯直径为10μm，包层直径为130μm，所述的第二双包层掺铥光纤的长度为1.5m，纤芯直径为10μm，包层直径为130μm，氟化物光纤的纤芯直径为7.5μm，包层直径为148μm，数值孔径为0.27，长度为10 m，零色散波长为1.65 µm。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于种子源采用用于发射2μm波段的超短脉冲激光的光纤激光器，将硫系玻璃光纤作为脉冲展宽器将脉冲展宽，经过两级掺铥光纤放大***后，利用单模光纤将残余泵浦光滤除之后经过光栅对压缩，得到了瓦量级的2μm飞秒激光的输出，最后偏转一定角度后发射至第二平凸透镜进行耦合，将2μm的光高效耦合到氟化物光纤中，通过调整泵浦功率，得到2~3μm宽带调谐的超短脉冲激光输出；通过分析输出的光束质量和远场光束强度分布剖面，得到结果如下：在平均输出功率为352 mW时，远场光束空间能量分布呈近高斯分布，表明其具有良好的光束质量。

附图说明

图1为本实用新型的光路结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

一种2~3μm宽带调谐的中红外拉曼孤子飞秒激光器，包括用于发射2μm波段的超短脉冲激光的种子源S1、第一泵浦源P1、第二泵浦源P2、光栅对C1、沿种子源S1发出的光路依次设置的第一隔离器ISO1、硫系玻璃光纤跳线F1、第一合束器Cb1、第一双包层掺铥光纤D1、第二隔离器ISO2、第二合束器Cb2、第二双包层掺铥光纤D2、单模光纤SMF、第一平凸透镜L1、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第二平凸透镜L2和氟化物光纤Z1，种子源S1与第一隔离器ISO1的一端相连，第一隔离器ISO1的另一端与硫系玻璃光纤跳线F1的一端相连，第一合束器Cb1与硫系玻璃光纤跳线F1的另一端相连的一端用于接入第一泵浦源P1发送的中心波长为793nm的连续激光，第一合束器Cb1的另一端与第一双包层掺铥光纤D1的一端连接，第一双包层掺铥光纤D1的另一端与第二隔离器ISO2相连，第二合束器Cb2与第二隔离器ISO2另一端相连的一端用于接入第二泵浦源P2发送的中心波长为793nm的连续激光，第二合束器Cb2的另一端与第二双包层掺铥光纤D2的一端连接，第二双包层掺铥光纤D2的另一端与单模光纤SMF的一端连接，单模光纤SMF的另一端对准第一平凸透镜L1的凸面中心，第一平凸透镜L1的平面中心透射的准直光经过第一反射镜M1的中心后反射至第二反射镜M2的中心，第二反透镜将接收到的光反射至光栅对C1内压缩并发射至第三反射镜M3的中心，第三反射镜M3将接收到的光反射回光栅对C1后，从光栅对C1发射至第二平凸透镜L2的凸面中心，第二平凸透镜L2的平面中心透射的光聚焦进入氟化物光纤Z1。

第一双包层掺铥光纤D1的长度为0.9m，纤芯直径为10μm，包层直径为130μm，第二双包层掺铥光纤D2的长度为1.5m，纤芯直径为10μm，包层直径为130μm，氟化物光纤Z1的纤芯直径为7.5μm，包层直径为148μm，数值孔径为0.27，长度为10 m，零色散波长为1.65 µm。

以上实施例的具体结构及实际工作原理如下：

种子源S1采用一台2μm波段的光纤激光器，最大输出功率100 mW，发出的2μm波段的超短脉冲激光的中心波长1968 nm，脉冲宽度为625 fs，重复频率为80 MHz，首先在种子源S1后接入第一隔离器ISO1防止放大过程中后向反射影响种子源S1的稳定性或损坏光学器件，然后利用硫系玻璃光纤在2μm波段处于正常色散的特性，将一段硫系玻璃光纤跳线F1作为脉冲展宽器，将脉冲展宽，接着经过预放大***，对展宽脉冲进行初步放大，预放大***采用前向泵浦的放大方式，其中的增益光纤选用第一双包层掺铥光纤D1，长度为0.9m，纤芯直径为10μm，包层直径为130μm，第一泵浦源P1采用最高输出功率为30 W的793nm激光二极管，通过一个商用的二合一第一合束器Cb1将泵浦光耦合进增益光纤，泵浦功率为4W时，输出功率为100mW；第二级放大之前先经过第二隔离器ISO2防止后向反射，之后接入与第一双包层掺铥光纤D1型号相同的第二双包层掺铥光纤D2，第二双包层掺铥光纤D2的长度为1.5m，第二泵浦源P2为与第一泵浦源P1相同型号的激光二极管，泵浦光通过一个商用的二合一的第二合束器Cb2耦合进第二双包层掺铥光纤D2中，由于输出光成分中存在未充分吸收的残余泵浦光，所以接入一段单模光纤SMF，将残余泵浦光滤除，随着泵浦功率的增加，最高输出功率达到1.56W，之后将放大的脉冲利用第一平凸透镜L1进行准直，经过光栅对C1压缩后得到中心波长为1968 nm、脉冲宽度为196 fs、重复频率为80 MHz的超短脉冲激光输出，此时测量得到光栅对C1输出的超短脉冲激光的输出光斑和激光功率的长时间稳定性rms值小于0.13%，验证了光能够很好的在纤芯传输以及***的稳定性；最后用一块镀膜的N-BK7平凸透镜作为第二平凸透镜L2，将得到的压缩后的超短脉冲激光耦合进氟化物光纤Z1，氟化物光纤Z1的纤芯直径为7.5μm，包层直径为148μm，数值孔径为0.27，光纤长度为10m，零色散波长为1.65 µm，此时泵浦光工作在反常色散区，可以很好的激发拉曼孤子自频移效应，随着泵浦功率的增加，光谱开始发生红移，最长波长达到3.1μm，最高输出功率352mW。

通过分析输出的光束质量和远场光束强度分布剖面，得到结果如下：在平均输出功率为352 mW时，远场光束空间能量分布呈近高斯分布，表明其具有良好的光束质量。

Claims (2)

1.一种2~3μm宽带调谐的中红外拉曼孤子飞秒激光器，其特征在于包括用于发射2μm波段的超短脉冲激光的种子源、第一泵浦源、第二泵浦源、光栅对、沿所述的种子源发出的光路依次设置的第一隔离器、硫系玻璃光纤跳线、第一合束器、第一双包层掺铥光纤、第二隔离器、第二合束器、第二双包层掺铥光纤、单模光纤、第一平凸透镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第二平凸透镜和氟化物光纤，所述的种子源与所述的第一隔离器的一端相连，所述的第一隔离器的另一端与所述的硫系玻璃光纤跳线的一端相连，所述的第一合束器与所述的硫系玻璃光纤跳线的另一端相连的一端用于接入所述的第一泵浦源发送的中心波长为793nm的连续激光，所述的第一合束器的另一端与所述的第一双包层掺铥光纤的一端连接，所述的第一双包层掺铥光纤的另一端与所述的第二隔离器相连，所述的第二合束器与所述的第二隔离器另一端相连的一端用于接入所述的第二泵浦源发送的中心波长为793nm的连续激光，所述的第二合束器的另一端与所述的第二双包层掺铥光纤的一端连接，所述的第二双包层掺铥光纤的另一端与所述的单模光纤的一端连接，所述的单模光纤的另一端对准所述的第一平凸透镜的凸面中心，所述的第一平凸透镜的平面中心透射的准直光经过所述的第一反射镜的中心后反射至所述的第二反射镜的中心，所述的第二反透镜将接收到的光反射至所述的光栅对内压缩并发射至所述的第三反射镜的中心，所述的第三反射镜将接收到的光反射回光栅对后，从所述的光栅对发射至所述的第二平凸透镜的凸面中心，所述的第二平凸透镜的平面中心透射的光聚焦进入所述的氟化物光纤。

2.根据权利要求1所述的一种2~3μm宽带调谐的中红外拉曼孤子飞秒激光器，其特征在于所述的第一双包层掺铥光纤的长度为0.9m，纤芯直径为10μm，包层直径为130μm，所述的第二双包层掺铥光纤的长度为1.5m，纤芯直径为10μm，包层直径为130μm，氟化物光纤的纤芯直径为7.5μm，包层直径为148μm，数值孔径为0.27，长度为10 m，零色散波长为1.65 µm。

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