高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種高功率啁啾脈沖放大的短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，主要包括脈沖激光器，啁啾拉伸器和摻銩光纖放大器；其中摻銩光纖放大器由抽運(yùn)激光器，抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器，摻銩光纖和抽運(yùn)傾瀉器組成；本發(fā)明采用啁啾脈沖放大并在摻銩光纖放大器中產(chǎn)生寬譜超連續(xù)譜激光輸出，具有轉(zhuǎn)換效率高、光譜平坦性好、光束質(zhì)量好、熱負(fù)載低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，可以解決當(dāng)前摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光光源功率轉(zhuǎn)換水平低下的普遍問(wèn)題，用于遠(yuǎn)距離大氣傳輸時(shí)具有高的通過(guò)率，損耗小，能夠滿足有關(guān)的大氣應(yīng)用需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源。
【背景技術(shù)】
[0002]超連續(xù)譜激光光源在環(huán)境檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、自由空間光通信、紅外光譜學(xué)、國(guó)防安全等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。相比于傳統(tǒng)的非相干熒光光源、稀土元素的自發(fā)輻射光源以及熱光源，超連續(xù)譜激光光源具有亮度高、空間相干性好、結(jié)構(gòu)緊湊、譜寬更廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。
[0003]近年來(lái)，基于“稀土增益光纖放大器”產(chǎn)生超連續(xù)譜激光光源的方式，逐漸得到人們重視。基于摻鐿光纖放大器實(shí)現(xiàn)了功率大于100W、光譜范圍為1_2μπι的超連續(xù)譜激光光源，參考文獻(xiàn)(宋銳，侯靜，陳勝平，王彥斌，陸啟生，177.6W全光纖超連續(xù)譜光源，物理學(xué)報(bào)[J]，2012，61(5):054217)證明了基于“稀土增益光纖放大器”可極大地提高輸出超連續(xù)譜激光光源的亮度和功率譜密度。隨著2μπι波段摻銩光纖的發(fā)展，也使得人們逐漸認(rèn)識(shí)到基于摻銩光纖放大器可實(shí)現(xiàn)更高亮度的2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源。由于2-2.5μπι波長(zhǎng)范圍處于短波紅外中大氣透過(guò)率最高的傳輸窗口，因此該波段的激光光源具有更低的大氣傳輸損耗，非常適用于遠(yuǎn)距離大氣應(yīng)用研究，這些應(yīng)用包括主動(dòng)紅外照明與探測(cè)，短波紅外高光譜成像，自由空間通信，多譜段激光雷達(dá)等。基于摻銩光纖放大器可以帶來(lái)至少兩個(gè)好處:第一，產(chǎn)生的2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源的截止波長(zhǎng)可以突破2.4μπι，甚至可以在2.6μπι附近存在較強(qiáng)的光譜能量;第二，利用摻銩光纖的稀土增益，可以成量級(jí)地提高2-2.5μπι波段內(nèi)超連續(xù)譜激光光源的輸出功率水平。
[0004]目前用于摻銩光纖放大器產(chǎn)生2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源輸出的種子激光主要有兩種:一種是基于2μπι波段的鎖模激光脈沖或者電調(diào)制脈沖激光器;另一種是基于1.5μπι摻鉺光纖激光產(chǎn)生的2μπι激光脈沖種子。由于缺少對(duì)摻銩光纖放大器中非線性效應(yīng)過(guò)程和稀土放大過(guò)程的控制，導(dǎo)致目前所有的摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光光源產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換效率都非常低下(通常被限制在30%以下)、平均輸出功率普遍被限制在40W以下、且輸出光源的光譜平坦型不好，說(shuō)明現(xiàn)有的產(chǎn)生方法不能滿足高功率光譜平坦型超連續(xù)譜激光光源的產(chǎn)生要求。例如參考文獻(xiàn)(V.V.Alexander，et al ,Power scalable>25ff supercontinuumlaser from 2-2.5μπι with near diffract1n limited beam and low outputvariability，0pt.Lett.38,2292-2294(2013).)報(bào)道的一個(gè)基于摻銩光纖放大器實(shí)現(xiàn)的光譜范圍覆蓋2-2.5μπι的超連續(xù)譜激光光源，雖然輸出平均功率可達(dá)到25.7W，但該摻銩光纖放大器的抽運(yùn)激光到超連續(xù)譜激光的功率轉(zhuǎn)換效率僅為23%。又如參考文獻(xiàn)(K.Yin，etal.?Over 10ff ultra-flat broadband short-wave infrared supercontinuumgenerat1n in a thulium-doped fiber amplifier.0pt.Lett?201540(20):4787-4790.)通過(guò)采用MHz以上重復(fù)頻率的脈沖激光種子一定程度上將摻銩光纖放大器的功率轉(zhuǎn)換效率增加到了 35.4 %，報(bào)道的基于摻銩光纖放大器輸出平均功率可達(dá)到100W的2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源，但高功率時(shí)激光工作效率下降迅速，也難以進(jìn)一步提高輸出功率。這些研究結(jié)果表明，當(dāng)前摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)換效率都非常低下(遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于連續(xù)摻銩激光放大器的一般值60%)，這一方面限制了摻銩光纖放大器中采用當(dāng)前的方案無(wú)法獲得更高功率的激光輸出；另一方面，由于嚴(yán)重的熱積累過(guò)程，加重了光源整體系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定因素。如何解決目前摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光的功率轉(zhuǎn)換效率低下的問(wèn)題，對(duì)于獲得更高功率的2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源顯得尤為關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決當(dāng)前摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光光源功率轉(zhuǎn)換水平低下的普遍問(wèn)題，并提供一種高功率啁啾脈沖放大的短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，該光源采用啁啾脈沖放大并在摻銩光纖放大器中產(chǎn)生寬譜超連續(xù)譜激光輸出，具有轉(zhuǎn)換效率高、光譜平坦性好、光束質(zhì)量好、熱負(fù)載低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種高功率高效率的啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，包括脈沖激光器，啁啾拉伸器和摻鎊光纖放大器。其中摻鎊光纖放大器由抽運(yùn)激光器，抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器，摻銩光纖和抽運(yùn)傾瀉器組成。脈沖激光器的輸出端與啁啾拉伸器的輸入端相連，啁啾拉伸器的輸出端與抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器的信號(hào)輸入端相連，抽運(yùn)激光器與抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器的抽運(yùn)臂相連。抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器的合束臂與摻銩光纖的輸入端相連。摻銩光纖的輸出端與抽運(yùn)傾泄器相連。
[0008]所述脈沖激光器可以是2μηι波段的主動(dòng)鎖模摻鎊光纖激光器，或者被動(dòng)鎖模摻鎊光纖激光器，或者是利用1μπι、1.5μπι的光纖激光器通過(guò)光學(xué)非線性效應(yīng)獲得的工作波長(zhǎng)在2Mi波段的激光器。
[0009]所述的激光脈沖器可以提供脈沖寬度在50fs-10ps的超短激光脈沖，激光脈沖的中心波長(zhǎng)在1.8-2.2μπι之間(位于摻銩光纖放大器增益譜內(nèi))，且對(duì)應(yīng)重復(fù)頻率為10kHz-500MHz ο
[0010]所述的激光脈沖采用石英光纖、或者氟化物光纖、或者碲酸鹽光纖傳輸。
[0011]所述的啁啾拉伸器采用啁啾光纖光柵、或者色散光纖、或者空間耦合的閃耀光柵對(duì)、或者體布拉格光柵。
[0012]所述摻銩光纖放大器至少包含一個(gè)抽運(yùn)激光器。所述的抽運(yùn)激光器可以是工作波長(zhǎng)在793nm、或者1550nm的高功率半導(dǎo)體激光二極管，或者是工作波長(zhǎng)在793nm、或者1550nm的光纖激光器。所述的抽運(yùn)激光器的輸出光纖可以是單模和多模光纖。
[0013]所述摻銩光纖的纖芯采用高摻雜設(shè)計(jì)，銩離子的摻雜濃度大于IX 1025m—3，其端面結(jié)構(gòu)為階躍折射率型折射率結(jié)構(gòu)或光子晶體結(jié)構(gòu)，光纖基模有效模場(chǎng)面積大于50μπι2，小于ΙΟΟΟμπι2。所述的摻銩光纖在2μπι僅支持單?；蛘咧С稚贁?shù)模式，并且基模的群速度色散量符號(hào)與啁啾拉伸器的群速度色散量相反，可以在摻銩光纖內(nèi)對(duì)放大后信號(hào)激光脈沖進(jìn)行啁啾補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。
[0014]本發(fā)明中，脈沖激光器產(chǎn)生的超短激光脈沖在經(jīng)過(guò)啁啾拉伸器后輸出脈沖寬度得到極大的時(shí)間展寬后形成大啁啾量脈沖(納秒激光脈沖)，作為信號(hào)激光注入摻銩光纖放大器;抽運(yùn)/信號(hào)光纖激光合束器將經(jīng)過(guò)啁啾拉伸器拉伸之后的信號(hào)激光脈沖以及來(lái)自抽運(yùn)激光器的抽運(yùn)激光耦合進(jìn)入雙包層摻銩光纖;在抽運(yùn)激光器的作用下，該納秒激光脈沖可以在摻銩光纖中得到功率放大，獲得大于20dB的增益，并且同時(shí)在摻銩光纖內(nèi)部完成啁啾補(bǔ)償和脈沖壓縮，脈沖壓縮后的激光脈沖發(fā)生嚴(yán)重的以自相位調(diào)制、受激拉曼散射效應(yīng)為主的光學(xué)非線性效應(yīng)，于摻銩光纖輸出端實(shí)現(xiàn)快速的光譜展寬，形成經(jīng)過(guò)抽運(yùn)傾泄器的2-
2.5μπι的超連續(xù)譜激光輸出。所述抽運(yùn)傾瀉器可以剝離摻銩光纖后的未吸收的抽運(yùn)激光以及可能的包層激光，確保輸出超連續(xù)譜激光具有好的光束質(zhì)量。本發(fā)明中，所述的摻銩光纖放大器中抽運(yùn)激光到超連續(xù)譜激光光源的功率轉(zhuǎn)換效率高于40%;所述超連續(xù)譜激光的輸出光譜平坦度好，無(wú)明顯的光譜尖峰，3dB光譜寬度大于500nm，可以覆蓋2-2.5μπι的大氣窗口范圍。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于:
[0016]1.本發(fā)明采用啁啾拉伸器對(duì)超短激光脈沖進(jìn)行拉伸，可顯著提高摻銩光纖放大器的信號(hào)激光的時(shí)間占空比，增加摻銩光纖放大器中抽運(yùn)激光到超連續(xù)譜激光的功率轉(zhuǎn)換效率；
[0017]2.本發(fā)明采用高占空比的大啁啾激光脈沖作為摻銩光纖放大器的信號(hào)激光，可在實(shí)現(xiàn)放大器對(duì)2μπι信號(hào)激光的功率提升的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)激光脈沖的啁啾壓縮，獲得超高峰值功率激光脈沖，并最終在受激拉曼散射效應(yīng)為主的光學(xué)非線性效應(yīng)作用下，于摻銩光纖輸出端快速形成光譜范圍2-2.5μπι的超連續(xù)譜激光；
[0018]3.本發(fā)明通過(guò)啁啾脈沖放大超連續(xù)譜光源產(chǎn)生方式，降低放大器內(nèi)部非輻射躍迀帶來(lái)的熱效應(yīng)，有效降低摻銩光纖的熱負(fù)載，并且產(chǎn)生2-2.5μπι超連續(xù)譜激光位于摻銩光纖放大器輸出端處，激光經(jīng)歷的較小的石英光纖吸收損耗，可以減小光纖紅外損耗對(duì)產(chǎn)生超連續(xù)譜激光的再吸收，保證高功率高亮度2-2.5μπι相干超連續(xù)譜激光輸出。
【附圖說(shuō)明】
[0019]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的信號(hào)激光脈沖經(jīng)過(guò)啁啾拉伸器前后的脈沖寬度對(duì)比圖；
[0022]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中超連續(xù)譜光源的光譜圖；
[0023]圖4表示2-2.5μπι大氣窗口透射譜。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025]圖1給出了本發(fā)明所述的一種高功率高效率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源的一個(gè)實(shí)施例。具體由脈沖激光器I，啁啾拉伸器2和摻銩光纖放大器3組成。其中摻鎊光纖放大器由抽運(yùn)激光器4，抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器5，摻鎊光纖6和抽運(yùn)傾灣器7組成。脈沖激光器I的輸出端與啁啾拉伸器2的輸入端連接，啁啾拉伸器2的輸出端與抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器5的信號(hào)輸入臂連接，抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器5的合束臂與增益光纖6的輸入端連接，增益光纖6的輸出端與抽運(yùn)傾泄器7連接。六個(gè)抽運(yùn)激光器4分別與抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器5的六個(gè)抽運(yùn)臂連接。
[0026]本實(shí)施例中脈沖激光器I為一個(gè)被動(dòng)鎖模摻銩光纖激光器，采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輸出激光脈沖的脈沖寬度為3ps(3dB光譜寬度為6nm)、重復(fù)頻率為10MHz、平均功率為
0.2.，中心波長(zhǎng)為1.96μηι，輸出光纖為單模石英光纖。
[0027]本實(shí)施例中啁啾拉伸器2為采用一段2μπι附近的正色散光纖，光纖的線性色散群速度色散量為50ps/(nm*km)，使用光纖長(zhǎng)度為2km，可將脈沖激光器I輸出脈沖寬度拉伸至約
1.2ns。經(jīng)過(guò)啁啾拉伸器拉伸前后的脈沖寬度對(duì)比如圖2所示。圖2中右上角的圖是曲線的局部放大圖像。脈沖寬度拉伸后的激光脈沖作為摻銩光纖放大器3的信號(hào)激光脈沖，對(duì)應(yīng)的信號(hào)激光脈沖的占空比為0.12 %。
[0028]本實(shí)施例中摻銩光纖放大器3采用六個(gè)工作波長(zhǎng)在793nm的半導(dǎo)體激光器4作為抽運(yùn)激光，通過(guò)抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器5后測(cè)量總功率為700W。
[0029]本實(shí)施例中摻鎊光纖6為一段長(zhǎng)度為3m的雙包層大模場(chǎng)階躍折射率型摻鎊光纖，光纖的纖芯/包層直徑為25/250μπι，在793nm的抽運(yùn)吸收系數(shù)約為9dB/m，其在2μπι波段的群速度色散量是70ps/(nm*km)。摻銩光纖在2μπι的基模有效模場(chǎng)面積為371μπι2，光纖纖芯的銩離子摻雜濃度為3 X 12V3。
[0030]本實(shí)施例中抽運(yùn)傾瀉器7為與摻銩光纖6相匹配的非摻雜光纖，長(zhǎng)度為0.5m。
[0031]本實(shí)施例的工作過(guò)程如下:脈沖激光器I的輸出激光脈沖在經(jīng)過(guò)啁啾拉伸器2之后，變成含有大量正啁啾量的納秒激光脈沖;進(jìn)一步地，在抽運(yùn)激光器4的作用下，該納秒激光脈沖可以在增益光纖6中得到功率放大，并且在增益光纖6作用下完成啁啾補(bǔ)償和脈沖壓縮;進(jìn)一步地，壓縮后的激光脈沖發(fā)生嚴(yán)重的光學(xué)非線性效應(yīng)，形成經(jīng)過(guò)抽運(yùn)傾泄器7的2-
2.5μπι的超連續(xù)譜激光輸出。
[0032]圖3給出了本實(shí)施例中輸出超連續(xù)譜激光光源的光譜圖，可以看出其光譜平坦性好，3dB光譜帶寬為640nm，覆蓋波長(zhǎng)范圍是1970-2610nm。
[0033]圖4給出了2-2.5μπι大氣窗口透射譜，可以看出本實(shí)施例中輸出超連續(xù)譜激光光源的光譜范圍(見(jiàn)圖3)有效覆蓋了此大氣傳輸窗口，說(shuō)明本發(fā)明產(chǎn)生超連續(xù)譜激光光源用于遠(yuǎn)距離大氣傳輸時(shí)具有高的通過(guò)率，損耗小，能夠滿足有關(guān)的大氣應(yīng)用需求。
[0034]本實(shí)施例中輸出超連續(xù)譜激光光源的最高平均功率為294W，對(duì)應(yīng)抽運(yùn)激光到超連續(xù)譜激光功率轉(zhuǎn)換效率為42%，所述超連續(xù)譜激光的輸出光束質(zhì)量評(píng)價(jià)因子ΜΜ、于1.2，具有較好的空間相干性。
[0035]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，包括脈沖激光器，啁啾拉伸器和摻銩光纖放大器;其中摻銩光纖放大器由抽運(yùn)激光器、抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器、摻銩光纖和抽運(yùn)傾瀉器組成;脈沖激光器的輸出端與啁啾拉伸器的輸入端相連，啁啾拉伸器的輸出端與抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器的信號(hào)輸入端相連，抽運(yùn)激光器與抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器的抽運(yùn)臂相連;抽運(yùn)/信號(hào)光纖合束器的合束臂與摻銩光纖的輸入端相連;摻銩光纖的輸出端與抽運(yùn)傾泄器相連。2.如權(quán)利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述脈沖激光器可以是主動(dòng)鎖模摻銩光纖激光器，或者被動(dòng)鎖模摻銩光纖激光器，或者是利用1μπι、1.5μπι的光纖激光器通過(guò)光學(xué)非線性效應(yīng)獲得的工作波長(zhǎng)在2μπι波段的激光器。3.如權(quán)利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述的脈沖激光器產(chǎn)生的激光脈沖是脈沖寬度在50fs-10ps的超短激光脈沖，脈沖的中心波長(zhǎng)在1.8-2.2口111之間，且對(duì)應(yīng)重復(fù)頻率為1001^^-50010^;所述的激光脈沖采用石英光纖、氟化物光纖或者碲酸鹽光纖傳輸。4.如權(quán)利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述的啁啾拉伸器采用啁啾光纖光柵，或者色散光纖，或者空間耦合的閃耀光柵對(duì)，或者體布拉格光柵。5.如權(quán)利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述摻銩光纖放大器至少包含一個(gè)抽運(yùn)激光器;所述的抽運(yùn)激光器可以是工作波長(zhǎng)在793nm或者1550nm的高功率半導(dǎo)體激光二極管，或者是工作波長(zhǎng)在793nm或者1550nm的光纖激光器;所述的抽運(yùn)激光器的輸出光纖可以是單?；蚨嗄９饫w。6.如權(quán)利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述摻銩光纖的纖芯中銩離子的摻雜濃度大于I X 12V3,其端面結(jié)構(gòu)為階躍折射率型折射率結(jié)構(gòu)，或光子晶體結(jié)構(gòu)，光纖基模有效模場(chǎng)面積大于50μηι2，小于ΙΟΟΟμηι2。
【文檔編號(hào)】H01S3/13GK105958308SQ201610514404
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年7月3日
【發(fā)明人】殷科, 侯靜, 張斌, 陳勝平, 李志鴻, 姚金妹, 楊林永, 劉廣琛
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)