一种将铒激光转换为铥激光的全光纤化激光波长转换器及铥脉冲光纤激光器

1.本发明涉及掺铥光纤激光器制作技术领域，具体涉及一种将铒激光转换为铥激光的全光纤化激光波长转换器及一种产生2微米波段超短脉冲簇输出的铥脉冲光纤激光器。


背景技术：

2.由于生物组织内部包含大量的水成分，而水成分在1.94微米为中心的2微米波段具有强烈的光吸收，因此工作于2微米波段的铥脉冲激光已经被广泛用来作为生物组织处理用的激光源。由于激光与生物组织作用时的热损伤与激光的脉冲持续时间密切相关，在很多应用场合，为了避免对激光作用区域的周边组织产生热损伤副作用，希望所采用的激光具有很短的脉冲宽度，如纳秒脉冲，或者更短如皮秒或者飞秒。此时，因为激光脉冲的作用时间短，其热扩散效应导致的热损伤可能很小，如纳秒脉冲激光，或者热损伤基本可以忽略，如皮秒或者飞秒激光脉冲。
3.当激光脉冲宽度在皮秒或者飞秒量级时，激光与生物组织作用时的热损伤效应极低，这主要时由于超短的激光脉冲持续时间远远小于能量在组织中的热扩散时间。但是，超短激光脉冲与生物组织作用时虽然具有极小热损伤的优点，但切割效率与长脉冲激光相比则低的多。因此，为了既保留极小热损伤的优点，同时又能具备较高的激光切割效率，相关学者已经提出可以采用超短脉冲簇激光替代常规的长脉冲激光或普通的超短脉冲激光。显然，工作于2微米波段的超短脉冲簇激光的制作具有重要的意义。
4.所谓超短脉冲簇激光，是指输出超短脉冲的激光以很多个脉冲一组的方式按时间连续输出。当有脉冲簇激光输出时，将在短时间内以非常高的脉冲重复频率连续输出数量众多的超短激光脉冲，其脉冲间隔一般小于待加工物质的热散失时间，故此所需要的脉冲重复频率极高，一般接近1ghz或者更高。
5.持续时间为皮秒或者飞秒的激光脉冲一般可以由激光锁模技术产生，但是锁模技术往往难以直接实现重复频率接近1ghz或更高的超短脉冲激光，因为这需要锁模激光器的激光谐振腔极短，实际操作中很难实现。实际上，接近1ghz重频的超短脉冲激光往往是在原有高重频锁模激光的基础上通过激光增频来实现。增频后的超短脉冲激光结合声光调制器选择通过的激光脉冲时序，可以灵活实现超短脉冲簇输出的激光。对于工作于1.95微米波段的铥光纤激光器，虽然可以利用铥增益光纤结合被动锁模技术直接产生稳定的锁模激光输出，但脉冲的宽度、重复频率等灵活度较差。相比于工作在1.55微米波段的铒激光，在1.95微米波段实现超短脉冲簇铥激光输出更是具有很大难度。
6.本发明正是针对超短脉冲簇铥激光制作的技术困难，提出一种先制作超短脉冲簇铒激光，然后利用所发明的一种全光纤化的激光波长转换器，在激光脉冲形状基本不变的情况下，将超短脉冲簇铒激光高效率地转换为超短脉冲簇铥激光。基于本发明所给出技术制作超短脉冲簇铥激光器，可以较为简单、方便、稳定地实现1.95微米波段的高功率超短脉冲簇铥激光输出。可望在激光医学领域发挥重要作用。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足和困难，本发明提出一种将铒激光转换为铥激光的全光纤化激光波长转换器及铥脉冲光纤激光器。具体技术方案如下：
8.本发明实施例的第一方面提出了一种将铒激光转换为铥激光的全光纤化激光波长转换器，包括磷掺杂的单模石英光纤和与其连接的铥掺杂的单模石英光纤；所述磷掺杂的单模石英光纤用于实现超短脉冲簇激光的无畸变波长转换，所述铥掺杂的石英光纤用于提升激光波长转换效率，使得所述全光纤化的非线性激光波长转换器在激光脉冲形状基本不变的情况下，将铒激光转换为铥激光。
9.本发明实施例的第二方面提出了一种超短脉冲簇输出的铥脉冲光纤激光器，包括依次设置的1.55微米波段的超短脉冲簇输出的铒光纤激光器、上述的全光纤化激光波长转换器和包层泵浦的铥光纤激光功率放大器；所述1.55微米波段的超短脉冲簇输出的铒光纤激光器用于输出波长在1530-1600nm范围的超短脉冲簇铒激光；所述全光纤化激光波长转换器用于在激光脉冲形状基本不变的情况下，将铒光纤激光器输出的超短脉冲簇铒激光转换为超短脉冲簇铥激光；所述包层泵浦的铥光纤激光功率放大器用于放大超短脉冲簇铥激光的功率。
10.本发明的有益效果如下：
11.本发明提出了一种将铒激光转换为铥激光的全光纤化激光波长转换器，能够实现将铒激光脉冲按照基本不变的脉冲形状，高效率地转换为铥激光脉冲。本发明给出的激光波长转换器，其转换效率可以大于10％，特别是当铒激光脉冲峰值功率较高时有望实现高达50％以上的高转换效率。这将为铥脉冲激光的制作提供一种有效的技术手段。
12.本发明针对超短脉冲簇铥激光制作的技术困难，提出一种先制作超短脉冲簇铒激光，然后利用全光纤化的激光波长转换器，在激光脉冲形状基本不变的情况下，将超短脉冲簇铒激光高效率地转换为超短脉冲簇铥激光。基于本发明所给出技术制作超短脉冲簇铥激光器，可以较为简单、方便、稳定地实现1.95微米波段的高功率超短脉冲簇铥激光输出，其输出功率可以在数瓦到数十瓦之间。该脉冲簇激光具有簇内脉冲个数可控的特点，工作波长位于生物组织强吸收的1.95微米附近，能够无热损伤地快速切割待处理的生物组织，实现局域的激光冷切割处理。
13.由于1.55微米波段的铒激光制作器件非常成熟，价格相对低廉。该波段接近光纤的零色散区，被动锁模光纤激光器的制作远比直接在1.95微米波段锁模更为容易。同时，工作于该波段的声光调制器声光衍射效率更高，性能更为可靠，器件成本也更低，有利于激光器整体性价比的提升。结合高效率的全光纤化非线性脉冲激光波长转换器，能够将1.55微米超短脉冲簇激光高效地转化为1.95微米的超短脉冲簇激光。由于转换完成的1.95微米超短脉冲簇激光功率足够大，已经足以支撑后续的单级光纤激光功率放大，并最终获得足够功率的超短脉冲簇激光输出。
14.基于上述的各种优点，本发明所提出的超短脉冲簇铥激光器有望在激光生物医学领域发挥重要作用。
附图说明
15.图1为本发明一种超短脉冲簇输出的铥光纤激光器的结构示意图。
16.图2给出一种1.55微米波段超短脉冲簇铒激光器的结构示意图。
17.图3给出一种全光纤化的非线性脉冲激光波长转换器的结构示意图。
18.图4给出一种常规的包层泵浦铥掺杂光纤放大器的结构示意图。
19.图中，1为1.55微米波段的超短脉冲簇输出的铒光纤激光器；2为全光纤化的非线性脉冲激光波长转换器；3为包层泵浦的铥光纤激光放大器；4为1.55微米波段的被动锁模掺铒光纤激光器；5为脉冲增频器；6为第一铒掺杂光纤放大器；7为声光调制器；8为第二铒掺杂光纤放大器；9为第三铒掺杂光纤放大器；10为磷掺杂的单模石英光纤；11为铥掺杂的石英光纤；12为多模光纤耦合器；13为半导体激光泵源；14为双包层结构的铥掺杂增益光纤。
具体实施方式
20.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
21.在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
22.应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
23.下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
24.如图3所示，本发明提出了一种将铒激光转换为铥激光的全光纤化激光波长转换器，包括磷掺杂的单模石英光纤10和与其连接的铥掺杂的单模石英光纤11；所述磷掺杂的单模石英光纤10用于实现超短脉冲簇激光的无畸变波长转换，所述铥掺杂的石英光纤11用于提升激光波长转换效率，使得所述全光纤化的非线性激光波长转换器在激光脉冲形状基本不变的情况下，将铒激光转换为铥激光。
25.优选地，所述磷掺杂的单模石英光纤10与铥掺杂的单模石英光纤11通过直接熔接的方式相连以减少光纤之间的连接损耗。
26.该全光纤化激光波长转换器工作时，特定脉冲形状的1.55微米波段铒脉冲激光器的激光输出通过一个全光纤化的普通单模光纤进入直接熔接相连的磷掺杂单模石英光纤、并产生1.95微米波段的脉冲激光，该激光继续通过直接熔接相连的铥掺杂石英光纤进一步提升脉冲激光的波长转换效率。磷掺杂石英光纤和铥掺杂光纤的组合一起构成了高效的全光纤化激光波长转换器。经过磷掺杂石英光纤和铥掺杂光纤输出的激光其波长从铒激光的1.55微米波段转移到了铥激光的1.95微米波段附近，1.95微米波段附近输出的激光脉冲特
征与输入的1.55微米波段铒激光的脉冲特征基本一致。
27.本发明给出的将铒激光转换为铥激光的全光纤化激光波长转换器，其转换效率可以大于10％，特别是当铒激光脉冲峰值功率较高时有望实现高达50％以上的高转换效率。这将为铥脉冲激光的制作提供一种有效的技术手段。
28.本发明所用的磷掺杂的单模石英光纤10，其包含频移量为1330cm-1
的拉曼频移峰，其频移数值是普通石英光纤中拉曼频移量值440cm-1
的三倍。基于磷掺杂石英光纤这一超大的拉曼频移值，从1.55微米波段只要一级的拉曼频移值就可以实现将波长转换到1.95微米附近。与此不同，如利用普通石英光纤的拉曼频移，则需要三级拉曼级联频移才能实现这一波长跨度的激光波长转移，因此，其转换效率将远低于采用磷掺杂石英光纤的单级拉曼频移。本发明使用一定长度的磷掺杂光纤的存在，能够瞬态地将部分铒掺杂激光脉冲从1.55微米波段直接转移到1.95微米波段。
29.但是，磷掺杂的单模石英光纤10中除了1330cm-1
的拉曼频移峰之外，实际上还存在大量的440cm-1
频移值的拉曼频移峰，包括一级和二级的拉曼频移将在很大程度上分流1.55微米波段的铒脉冲激光的功率，降低从1.55微米到1.95微米波段的功率转换效率。为了充分利用这一部分能量，将极短的一段铥掺杂光纤熔接在磷掺杂光纤之后可以有效提升从1.55微米到1.95微米的脉冲激光转换效率，这主要是由于较短波长的拉曼转移激光可以被铥掺杂激光吸收用于直接泵浦放大1330cm-1拉曼峰频移的激光脉冲。对于平均功率为1瓦的铒脉冲激光，采用这一磷掺杂光纤和铥掺杂光纤组合构成的光纤化激光波长转换器，很容易实现激光功率的转换效率大于20％，一般优化后可以实现30～50％的转换效率。这将极大地简化1.95微米波段铥脉冲激光的制作。
30.如图1所示，作为一种将铒激光转换为铥激光的全光纤化激光波长转换器的实际延伸，本发明提出了一种超短脉冲簇输出的铥脉冲光纤激光器，包括依次设置的1.55微米波段的超短脉冲簇输出的铒光纤激光器1、全光纤化的非线性激光波长转换器2和包层泵浦的铥光纤激光功率放大器3。所述1.55微米波段的超短脉冲簇输出的铒光纤激光器1用于输出波长在1540-1600nm范围的超短脉冲簇铒激光。所述全光纤化的非线性激光波长转换器2用于在激光脉冲形状基本不变的情况下，将铒光纤激光器1输出的超短脉冲簇铒激光高效率地转换为超短脉冲簇铥激光。超短脉冲簇铥激光的工作波长位于1900～2000nm之间，平均功率大于200毫瓦。
31.进一步地，1.55微米波段的超短脉冲簇输出的铒光纤激光器1一般由被动锁模的铒光纤激光器作为激光脉冲种子，通过脉冲增频和声光调制器选单，可以获得期望脉冲特征的1.55微米波段超短脉冲簇铒激光。一般地，该超短脉冲簇铒激光的平均功率大于1瓦，激光波长位于1530nm到1600nm之间，脉冲簇的重复频率介于1khz到1mhz之间，单个脉冲簇内部包含数十个到数千个脉冲宽度小于10ps的超短激光脉冲。
32.如图2所示，所述1.55微米波段的超短脉冲簇输出的铒光纤激光器可以采用多级的铒光纤激光功率放大，至少包含一芯泵铒光纤放大器和一包层泵铒光纤放大器；具体地：所述1.55微米波段的超短脉冲簇输出的铒光纤激光器1由依次设置的1.55微米波段的被动锁模掺铒光纤激光器4、脉冲增频器5、第一铒掺杂光纤放大器6、声光调制器7、第二铒掺杂光纤放大器8、第三铒掺杂光纤放大器9组成。所述脉冲增频器5一般由多个光纤耦合器级联构成，在本发明实施例中，所述脉冲增频器5选用由6个前后相连的2
×
2的光纤耦合器组成。
所述第一铒掺杂光纤放大器6、第二铒掺杂光纤放大器8和第三铒掺杂光纤放大器9选自芯泵铒光纤放大器和包层泵铒光纤放大器。所述的声光调制器是一种常规的光控制开关，能够根据所加载的控制信号形状控制通过的光信号。铒光纤激光器输出激光脉冲种子经脉冲增频器5脉冲增频和声光调制器7选单，经第二铒掺杂光纤放大器8和第三铒掺杂光纤放大器9放大输出超短脉冲簇铒激光，输出的超短脉冲簇铒激光的单个脉冲簇包含脉宽小于10皮秒、脉冲重频大于600mhz的多个子脉冲，子脉冲数量介于10-2000个之间可变。
33.进一步地，如图3所示，所述全光纤化的非线性激光波长转换器2包括：依次连接的磷掺杂的单模石英光纤10和铥掺杂的单模石英光纤11；其中，两者之间通过光纤直接熔接的方式前后相连。其中，磷掺杂的单模石英光纤10用于实现超短脉冲簇激光的无畸变波长转换，铥掺杂的石英光纤11用于提升激光波长转换效率。
34.在本发明实施例中，所述磷掺杂的单模石英光纤10选用为截止波长短于1550纳米的单模光纤，光纤纤芯中的磷离子浓度一般可达3％(可以高达20％或者更高)，其长度一般大于5米。所述铥掺杂的单模石英光纤11是一种铥离子掺杂的普通增益光纤，其截止波长小于1900纳米，在1.95微米波段为单模光纤。其光纤长度一般大于100毫米。
35.所述包层泵浦的铥光纤激光放大器3选用一常规的铥光纤激光功率放大器，能够在输入数百毫瓦脉冲激光种子的条件下输出平均功率数瓦到数十瓦的脉冲激光输出，其工作波段位于1900-2000nm。所述包层泵浦铥光纤激光放大器3的泵浦波长可以是792nm附近，也可以是1550nm附近。
36.具体地，如图4所示，所述包层泵浦的铥光纤激光放大器3包括多模光纤合束器12、半导体激光泵源14和双包层结构的铥掺杂增益光纤15。所述多模光纤合束器12、半导体激光泵源14分别与双包层结构的铥掺杂增益光纤15通过光纤直接熔接的方式相连。
37.进一步地，作为一种将铒激光转换为铥激光的全光纤化激光波长转换器的实际延伸，本发明提出的一种超短脉冲簇输出的铥脉冲光纤激光器，因为1.95微米波段的脉冲激光种子已经足够强，可以在后续直接采用包层泵的铥掺杂光纤放大器进一步提升脉冲激光功率或者激光能量，在全光纤化的非线性激光波长转换器2和包层泵浦的铥光纤激光功率放大器3可以不设置任何激光隔离器以防止过高增益所引起的激光自激，极大地简化后续的激光放大系统，并有利于激光系统的稳定可靠工作。
38.综上所述，本发明提出的一种超短脉冲簇输出的铥脉冲光纤激光器先制作输出超短脉冲簇铒激光，然后利用全光纤化的激光波长转换器，在激光脉冲形状基本不变的情况下，将超短脉冲簇铒激光高效率地转换为超短脉冲簇铥激光。本发明超短脉冲簇铥激光器可以较为简单、方便、稳定可靠地实现1.95微米波段的高功率超短脉冲簇铥激光输出，其输出功率可以在数瓦到数十瓦之间。该脉冲簇激光具有簇内脉冲个数可控的特点，工作波长位于生物组织强吸收的1.95微米附近，能够无热损伤地快速切割待处理的生物组织，实现局域的激光冷切割处理。本发明所提出的超短脉冲簇铥激光器有望在激光生物医学领域发挥重要作用。
39.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
40.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。