中红外4.5μm波段全光纤激光器

中红外4.5
μ
m波段全光纤激光器
技术领域
1.本发明涉及光纤激光器的技术领域，特别涉及到一种中红外4.5μm波段全光纤激光器。


背景技术：

2.中红外(mir)光谱区域的激光发射源在各个领域都有越来越多的先进应用，特别是3-5μm的跨度引起了人们的极大兴趣，因为它涵盖了含有ch和co分子的几个关键的振动吸收特性，为光谱和材料加工应用提供了独特的潜力。此外，这个窗口包含了大气传输异常高的区域，使得此波段的光源在光探测、测距或红外对抗等方面有潜在的用途。为了满足这些应用对激光源的需求，掺稀土离子光纤激光器已经成为有希望的候选器件。基于光纤的系统可在紧凑的封装中提供高亮度，通过适当的设计，具有高效产生高输出功率的潜力。
3.由氟化锆玻璃(fluorozirconate,zblan)制成的光纤红外透明范围可达到4μm，声子能量相对较低。迄今为止，zblan光纤激光器的最长波长是基于钬(ho
3
)离子掺杂光纤，发射波长为3.9μm，尽管其需要低温冷却。基于光纤布拉格光栅(fbg)、单模熔接技术以及半导体泵浦技术的er
3
:zblan光纤激光器在2.94μm取得了30w的连续光输出。在er
3
:zblan光纤激光器中，使用双波长泵浦技术，3.5μm激光输出功率可提升两个数量级，达到5.6w。
4.由于无辐射跃迁速率会随着激光波长和光纤材料最大声子能量的增加而呈指数增加，加之在3.8μm以上波长的损耗呈指数增长，zblan玻璃的发射波长无法进一步延长。因此要求焦点从zblan转移到进一步降低声子能量的基质材料上。声子能量低至300cm-1
的硫系基玻璃光纤已经显示出发展前景，尽管迄今为止，由于杂质多声子弛豫、高本底损失和无法支持高稀土掺杂浓度，硫系光纤在mir中的激光作用被证明是难以实现的。
5.以氟化铟(inf3)为主要玻璃形成剂的氟化玻璃是一种很有前途的mir材料，氟化铟光纤掺杂浓度高，具有比zblan更低的声子能量(～509cm-1
)，更宽的透明窗口，在中红外波段损耗小，能够被引入低损耗光纤中,因此对于4μm以上的激光发射，氟化铟玻璃是一种合适的光纤基质材料。
6.传统的中红外光纤激光器，其采用单一波长的泵浦光泵浦掺杂稀土离子氟化物光纤，然而稀土离子能级中对应于3～5μm区域的中红外激光跃迁的能级往往是下能级的寿命高于上能级的寿命，室温下难以实现粒子数反转，从而使得其对应波长的激光跃迁自终止，难以实现波长大于4μm的激光输出。同时，掺杂稀土离子的激光源在中红外区域具有许多不利因素，如激发态吸收、能量传递上转换等跃迁过程，增大了激光的泵浦阈值功率，使得激光器效率低、输出功率小，大大地限制了中红外光纤激光器的实际应用。


技术实现要素：

7.针对上述存在的问题，本发明提供了一种可以在室温下获得4.5μm波段激光输出的双波长级联泵浦的中红外全光纤激光器系统。
8.本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
9.本发明公开了一种中红外4.5μm波段全光纤激光器，包括第一激光泵浦源、第二激光泵浦源、氟碲酸盐软玻璃光纤、泵浦合束器、稀土离子掺杂光纤；第一激光泵浦源提供第一泵浦激光，第二激光泵浦源输出的种子激光经氟碲酸盐软玻璃光纤一阶拉曼频移效应后产生第二泵浦激光，两束泵浦激光经泵浦合束器耦合至稀土离子掺杂光纤，稀土离子掺杂光纤吸收第一泵浦光和第二泵浦光并产生4.5μm波段的激光。
10.具体的：
11.所述中红外光纤激光器基于全光纤结构，包括第一激光泵浦源、第二激光泵浦源、泵浦合束器、氟碲酸盐软玻璃光纤、稀土离子掺杂光纤。
12.所述中红外光纤激光器的第一激光泵浦源提供第一泵浦激光，第二激光泵浦源输出的种子激光经氟碲酸盐软玻璃光纤一阶拉曼频移效应后产生第二泵浦激光，两束泵浦激光经泵浦合束器耦合至稀土离子掺杂光纤的纤芯中，第一泵浦激光与第二泵浦激光双波长级联泵浦稀土离子掺杂光纤产生4.5μm波段的中红外激光。
13.进一步的，所述第一激光泵浦源为980nm半导体激光器，输出波长为980nm的第一泵浦激光；所述第二激光泵浦源为1550nm光纤激光器，输出波长为1550nm的种子激光。
14.进一步的，所述氟碲酸盐(teo
2-bi2o
3-znf2)软玻璃光纤的拉曼峰值频移量为740～760cm-1
，第二激光泵浦源输出的1550nm种子激光经氟碲酸盐软玻璃光纤一阶拉曼频移效应产生波长为1700nm的第二泵浦激光。
15.进一步的，所述稀土离子掺杂光纤为掺镝氟化铟(dy
3
:inf3)光纤，其在980nm与1700nm的激光级联泵浦作用下产生4.5μm波段的信号激光。
16.进一步的，所述第二激光泵浦源输出端与所述氟碲酸盐软玻璃光纤输入端熔接,所述第一激光泵浦源的输出端和氟碲酸盐软玻璃光纤的输出端分别与泵浦合束器的两输入端口熔接，泵浦合束器的输出端与稀土离子掺杂光纤的输入端熔接，第一泵浦激光与第二泵浦激光经泵浦合束器耦合至稀土离子掺杂光纤的纤芯中。
17.进一步的，在所述氟碲酸盐软玻璃光纤两端刻写有第一光纤光栅对，其中心反射波长为1700nm，为1700nm第二泵浦激光的产生构成谐振腔；在所述稀土离子掺杂光纤两端刻写有第二光纤光栅对，其中心反射波长为4.5μm，为4.5μm波段信号激光的产生构成谐振腔。
18.本发明中，980nm与1700nm激光级联泵浦方式下，4.5μm波段信号激光的产生机理为：掺镝氟化铟(dy
3
:inf3)光纤中处于基态6h
15/2
能级的镝(dy
3
)离子被1700nm第二泵浦激光抽运至6h
11/2
能级，而6h
11/2
能级的离子会由于强烈的多声子弛豫(mpr)跃迁至6h
13/2
能级，继而在980nm第一泵浦激光的抽运作用下，处于6h
13/2
能级的离子进一步跃迁至6f
3/2
能级，同时1700nm第二泵浦激光的激发态吸收过程会进一步使得6h
13/2
能级的部分离子跃迁至6f
9/2
,6h
7/2
能级；被激发至6f
3/2
能级和6f
9/2
,6h
7/2
能级的离子分别经多声子弛豫过程跃迁至激光上能级6h
11/2
能级；随着泵浦功率的增加，980nm第一泵浦激光与1700nm第二泵浦激光的级联泵浦过程大幅消耗6h
15/2
能级与6h
13/2
能级的离子，并经上述过程将离子转移至激光上能级6h
11/2
能级，当满足粒子数反转条件时，6h
11/2
能级的离子便会通过受激辐射跃迁过程将离子释放至6h
13/2
能级，同时产生4.5μm波段的信号激光。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
20.1.镝(dy
3
)离子对应于4.5μm波段激光产生的激光下能级寿命远高于上能级寿命，
室温下难以实现粒子数反转，从而易使得对应的4.5μm波段激光跃迁自终止。相比于单一波长泵浦方式，本发明利用980nm与1700nm双波长级联泵浦方式，可有效克服此自终止现象，提升4.5μm波段激光的输出效率。
21.2.本发明采用具有高纯度、高损伤阈值、高非线性、大拉曼频移、宽增益带宽、宽透过波长范围、低损耗的氟碲酸盐软玻璃光纤一阶拉曼频移效应产生1700nm的第二泵浦激光；氟碲酸盐软玻璃光纤拉曼峰值频移量为740～760cm-1
，透过波长范围为0.5～4μm。
22.3.相比于以氟化锆玻璃(zblan)为基质材料的镝(dy
3
)离子掺杂光纤，本发明以掺镝氟化铟(dy
3
:inf3)光纤作为增益光纤，氟化铟(inf3)基质材料具有更低的声子能量，在4.5μm波段有更低的损耗。
23.4.相比于自由空间结构的激光器系统，本发明采用全光纤结构，大大简化系统结构，同时具有更低的损耗，更高的效率。
附图说明
24.图1为本发明装置示意图。
25.图2为本发明涉及的离子能级跃迁过程示意图。
26.图中标号：1为第一激光泵浦源；2为第二激光泵浦源；3为氟碲酸盐软玻璃光纤；4为第一光纤光栅对；5为泵浦合束器；6为稀土离子掺杂光纤；7为第二光纤光栅对；
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
28.镝(dy
3
)离子对应于4.5μm波段激光产生的激光下能级寿命远高于上能级寿命，室温下难以实现粒子数反转，从而易使得对应的4.5μm波段激光跃迁自终止。相比于单一波长泵浦方式，本发明利用980nm与1700nm双波长级联泵浦方式，可有效克服此自终止现象，提升4.5μm波段激光的输出效率。
29.如图1所示，激光器结构包括第一激光泵浦源1、第二激光泵浦源2、氟碲酸盐软玻璃光纤3、第一光纤光栅对4、泵浦合束器5、稀土离子掺杂光纤6以及第二光纤光栅对7。
30.第一激光泵浦源1为980nm半导体激光器，输出波长为980nm的第一泵浦激光；第二激光泵浦源2为1550nm光纤激光器，其输出端与氟碲酸盐(teo
2-bi2o
3-znf2)软玻璃光纤3输入端熔接，中心反射波长为1700nm的光纤光栅对4刻写在氟碲酸盐软玻璃光纤3的两端构成谐振腔，使得1550nm种子激光经氟碲酸盐软玻璃光纤3一阶拉曼频移(峰值频移740～760cm-1
)效应产生波长为1700nm的第二泵浦激光；
31.稀土离子掺杂光纤6为掺镝氟化铟(dy
3
:inf3)光纤；980nm第一激光泵浦源1的输出端和氟碲酸盐软玻璃光纤3的输出端分别与泵浦合束器5的两输入端口熔接，泵浦合束器5的输出端与dy
3
:inf3光纤的输入端熔接，980nm第一泵浦激光与1700nm第二泵浦激光经泵浦合束器5耦合至dy
3
:inf3光纤的纤芯中；中心反射波长为4.5μm的光纤光栅对7刻写于dy
3
:inf3光纤的两端构成谐振腔，使得dy
3
:inf3光纤在980nm与1700nm双波长级联泵浦作用下产生4.5μm波段的信号激光。
32.上述4.5μm信号激光产生过程所对应的离子能级跃迁过程如图2所示。处于基态
6h15/2
能级的离子吸收1700nm泵浦激光通过6h
15/2
→6h
11/2
能级跃迁过程被抽运至6h
11/2
能级，而6h
11/2
能级上的离子会由于强烈的多声子弛豫(mpr)跃迁至6h
13/2
能级；继而在980nm泵浦激光的抽运作用下，6h
13/2
能级上的离子吸收980nm激光通过6h
13/2
→6f
3/2
能级跃迁过程被抽运至6f
3/2
能级，同时1700nm泵浦激光的激发态吸收过程使得6h
13/2
能级的部分离子跃迁至6f
9/2
,6h
7/2
能级；被激发至6f
3/2
能级和6f
9/2
,6h
7/2
能级的离子分别经多声子弛豫过程跃迁至激光上能级6h
11/2
能级；随着泵浦功率的增加，980nm与1700nm泵浦激光的级联泵浦过程会大幅消耗激光下能级6h
13/2
能级的离子，并经上述过程将离子转移至激光上能级6h
11/2
能级，从而有效抑制4.5μm波段激光跃迁自终止的发生；当6h
11/2
能级与6h
13/2
能级满足粒子数反转条件后，处于6h
11/2
能级的离子便会通过6h
11/2
→6h
13/2
受激辐射跃迁过程将离子释放至6h
13/2
能级，同时产生4.5μm波段的信号激光。
33.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。