基于级联拉锥氟化物光纤的可调谐中红外锁模光纤激光器的制作方法

一种基于级联拉锥氟化物光纤的可调谐中红外锁模光纤激光器，用于实现波长调谐，属于光纤激光器领域。

背景技术：

普通的固体脉冲光纤激光器输出的脉冲宽度一般是几百微秒甚至毫秒量级，峰值功率一般在几十千瓦量级，这样的参数指标无法适用于现代快速发展的科学技术，例如：激光精密测距、高速摄影、激光雷达、高分辨率光谱学研究。在这种对于短脉冲光源大量需求的背景下，科研人员研发了激光调q技术和锁模技术。1960年世界上发明出第一台激光器。紧随其后，1961年相关研究者提出了调q的概念，也就是，将所有的光辐射能集中到极窄的脉冲中发射。1962年，科学家发明了全球第一台调q激光器，实现了10^-7s脉宽、600kw峰值功率脉冲序列输出。之后的几年，调q技术发展迅速，陆续报道了几种调q技术：电光调q、可保和吸收体调q和声光调q等，使得脉冲宽度被极大压缩，激光器的输出呈线性提高。

调q技术的出现，为激光的发展做出了重要的贡献，极大地推动了很多科学应用技术的发展。然而，调q技术因为受自身产生机制的限制，其能够产生的脉冲宽度很难再进一步压缩。所以在1964年，科研人员又发明了模式锁定技术，这是一种压缩脉冲宽度、提高峰值功率的新机制，其能够输出皮秒量级的脉冲宽度，因此被称作超短脉冲技术。现在我们已经知道，相比调q技术，锁模的优势在于：其可以产生具有飞秒量级的脉宽、太瓦以上峰值功率的脉冲激光序列。这种突破性的重大进展使得物理学、生物学、化学与光谱学的科研人员可以涉足到对于自身科学的微观世界和超快过程的研究领域。超短脉冲的出现亦催生出许多崭新的学科和新奇的应用场所。因为锁模技术能够使得激光能量在空间和时域上高度集中，所以与普通激光相比，锁模脉冲激光的单色亮度比连续光大幅提高；同时，在亮度方面，锁模脉冲激光有了空前的飞跃，以至于这种全新的高亮度锁模脉冲激光与物质相互作用时，产生了以前未知的新现象和新技术，例如非线性光学效应，同时亦产生了许多非线性光学技术。

光纤激光器的锁模技术是一项重要的、用途非常广泛的技术，它能够产生高质量、相干并且具有变换极限脉宽的光脉冲。在一个锁模激光器中，通过对增益介质的周期性调制，实现脉宽通常小于1皮秒的相位相干的脉冲序列输出。形成脉冲的全部频率成分，也就是形成脉冲的全部模式，均被相位锁定，因此脉冲的时间带宽积符合傅里叶变换极限。对于给定的脉冲形状，变换极限脉宽具有最小的时间带宽积。锁模光纤激光器所产生的变换极限光脉冲，具有较高的重复频率，同时脉冲的中心波长可以在很宽的光谱范围内进行调谐；因此能够应用于光通信的密集波分复用领域。并且，锁模光纤激光器可以用于光信号处理与波长变换领域，亦可用作高速光切换光源。

中心波长能够连续调谐的锁模脉冲光源可以应用于高速波分复用/光时分复用(dwdm/otdm)通信系统、光纤传感、光学相干层析光源以及计量测试等众多领域。近年来，波长可调谐的被动锁模光纤激光器因为具有输出光束质量高、散热性能好、转换效率高、结构紧凑、可靠性强等优势，而成为研究热点。

目前，各国研究者主要采用线型腔，8字腔和环形腔搭建波长可调谐的被动锁模光纤激光器。2004年，美国麻省理工学院的hideyukisotobayashi等人搭建线型腔sesam锁模掺铒光纤激光器，利用f-p滤波器实现锁模脉冲波长在1570～1600nm调谐，调谐范围30nm。2006年，吉林大学周红杰等人报道利用f-p可调谐光滤波器，在掺铒光纤作为增益光纤、单壁碳纳米管作为可饱和吸收体的环型腔被动锁模光纤激光器中实现了中心波长1520～1560nm的调谐。2008年，芬兰坦佩雷理工大学的samulikivisto等人在sesam锁模线型腔掺镱光纤激光器中利用声光可调谐滤波器实现1025～1055nm的波长调谐，但所需的直接数字式频率合成器较为复杂，且波长调谐是分立而非连续的。2009年，中国科学院西安光学精密机械研究所的李喆等人在8字腔锁模掺镱光纤激光器中利用可调谐光纤光栅滤波器使脉冲中心波长在1047～1055nm调谐，调谐范围8nm，且平均输出功率8.02mw。2010年，河北师范大学物理系的s.m.zhang等人在非线性偏振旋转锁模环型腔掺铒光纤激光器中，利用非平衡马赫曾德干涉仪实现波长调谐，调谐范围30nm。2012年，有人报道利用体布拉格光栅(vbg)作为腔镜和波长调谐器件，在以sesam作为可饱和吸收体、以保偏掺镱光纤作为增益光纤的线型腔锁模激光器中实现了中心波长在1011.9～1050.6nm连续调谐，调谐范围达38.7nm。上述实验均是将独立的波长调谐器件插入腔内实现波长调谐，结构复杂，并且腔内光能量损耗较大。

现有技术一：如图1、图2所示，一种可调谐的线型腔掺镱光纤激光器结构，其特征在于：包括半导体激光泵浦源1、隔离器2、976/1035波分复用器(wdm)3、保偏掺镱光纤4、10％输出耦合器5、准直器6、聚焦透镜7、可饱和吸收体sesam8、体布拉格光栅(vbg)9、3db耦合器10、光谱仪11和示波器探测器12。该激光器中的全部器件，除sesam之外，其余器件的中心工作波长均为1035nm。其中，sesam的中心工作波长约为1060nm，反射率约为95％，用于被动锁模。使用短焦透镜使激光在sesam的表面聚焦为小尺寸光斑，这样有利于提高光斑能量密度以实现被动锁模的启动。4为保偏高浓度掺镱光纤，实验中将其作为增益介质，长度为80cm。vbg的线密度为600l/mm，其具有高反射率，反射带宽小于0.5nm，在实验中用于锁模脉冲中心波长的连续调谐器件，兼做腔镜。泵浦源为980nm半导体激光器，最大输出功率500mw。输出耦合器的输出耦合比为10％，从这个10％端口输出的1μm波段激光脉冲再经过3db耦合器平均分成两路：其中一路接光谱仪；另一路接入示波器。976/1035nmwdm的标称工作带宽10nm，覆盖1030～1040nm。隔离器防止激光反馈至泵浦源而损坏激光二极管。本方案中利用vbg的分光谱和选波长的特性实现锁模脉冲中心波长的连续调谐。如图2所示，以反射式闪耀光栅模型分析该激光器的波长调谐原理。本方案中，为使衍射主极大同时为第1级干涉主极大方向，必须满足(1)式，选择从准直器中出射的光经vbg衍射后的正一级光谱返回到腔内振荡，那么vbg的衍射波长λ由下式决定：

2dsinθ0cosα＝λ(1)

其中，d为光栅常数，θ0为锯齿形槽面与光栅平面的夹角，对于给定的光栅，d和θ0为固定值；α为入射光方向与刻槽面法线的夹角；为入射光方向与光栅面法线的夹角。实验中，首先使准直器输出的近似平行光以一个极小的α角入射，反射光(即正一级光谱)具有微小的发散角，其中某一波长λ0恰好能够返回准直器，形成震荡，那么激光器将输出波长为λ0的激光。当调节vbg角度，改变α，能够改变vbg的衍射波长，使得正一级光谱中的各波长成分一次反馈回光腔，实现被动锁模脉冲中心波长连续调谐。本方案中，通过调节vbg，可以实现锁模脉冲中心波长在1011.9～1050.6nm的连续调谐。如足之处4如下：(1)在光纤激光器中采用插入其他调谐器件的方法，激光器整体结构复杂，损耗较大。(2)采用上述结构产生锁模脉冲激光，此方案不能有效抑制锁模脉冲光谱克里边带。

现有技术二：如图3所示，一种利用f-p滤波器的可调谐锁模光纤激光器示意图。其中1为1480nm泵浦源，2为1480/1550nmwdm，3为掺铒光纤，4为隔离器，5为10:90的1×2光纤耦合器，6为f-p滤波器，7为偏振控制器，8为隔离器，9为可饱和吸收体单壁碳纳米管。

泵浦光经过wdm耦合进入10m掺铒光纤，对其进行抽运，在光纤中形成粒子数反转，并出现ase，辐射广经过一个10：90的光纤耦合器，耦合器的10％输出端提供激光输出，90％输出端提供反馈，通过f-p可调谐滤波器得到所需波长的激光，经过隔离器，再经由单壁碳纳米管调制，再经由wdm耦合进掺铒光纤，完成一次循环；每一次循环过程中光波的能量均得到放大，当增益大于环路中的传输损耗时，产生振荡，从而形成环型掺铒锁模光纤激光器。随着泵浦功率的逐渐增加，噪声随之下降，这是由于泵浦功率的增加使粒子数反转加剧，从而抑制了自发辐射。隔离器4与隔离器8的作用是分别从正向和反向压制ase噪声，保证与f-p滤波器透射波长相同的激光在环型腔中的单向运转，提高激光器信噪比。通过调节f-p滤波器，透射的波长发生变化，从而获得1.5μm波段不同中心波长的激光输出。不足之处如下所示：(1)无法抑制锁模激光光谱克里边带。(2)通过在激光腔内插入f-p滤波器实现波长调谐输出，激光器结构复杂，损耗较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于：解决现有技术中波长可调谐的被动锁模光纤激光器，均是将独立的波长调谐器件插入腔内实现波长调谐，结构复杂、成本高，并且腔内光能量损耗较大的问题，提供了一种基于级联拉锥氟化物光纤的可调谐中红外锁模光纤激光器。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于级联拉锥氟化物光纤的可调谐中红外锁模光纤激光器，其特征在于：包括激光泵浦源、与激光泵浦源相连接的合束器，与合束器相连接的输出耦合镜，与输出耦合镜相连接的聚焦透镜和滤波器，与聚焦透镜相连接的线型谐振腔；

所述线型谐振腔包括与聚焦透镜相连接的增益光纤，与增益光纤相连接的第一拉锥氟化物光纤，与第一拉锥氟化物光纤相连接的第二拉锥氟化物光纤，与第二拉锥氟化物光纤相连接的准直聚焦系统，与准直聚焦系统相连接的sesam。

进一步，所述线型谐振腔还包括v型槽，所述增益光纤和第二拉锥氟化物光纤分别设置在一v型槽上。

进一步，所述线型谐振腔还包括三维位移平台光纤夹具，所述增益光纤和第一拉锥氟化物光纤分别设置在一三维位移平台光纤夹具上。

进一步，与聚焦透镜相连接一端的增益光纤设置在v型槽上；与准直聚焦系统相连接一端的第二拉锥氟化物光纤设置在v型槽上；与第一拉锥氟化物光纤相连接一端的增益光纤设置在三维位移平台光纤夹具上，第一拉锥氟化物光纤的中部设置在三维位移平台光纤夹具上。

进一步，所述第一拉锥氟化物光纤的锥腰直径为10μm，调制周期约为30nm。

进一步，所述第二拉锥氟化物光纤锥腰直径为5μm，调制周期为3nm。

进一步，所述激光泵浦源为两个，采用半导体激光器，波长为1150nm或976nm，两个激光泵浦源的出光方向呈垂直角度设置。

进一步，所述输出耦合镜对1150nm波段高透、对3000nm波段高反；或对976nm波段高透，对3000nm波段高反。

进一步，所述聚焦透镜的焦距为12mm；所述准直聚焦系统由一个准直透镜和一个聚焦透镜组成，焦距均为12mm，其中准直透镜与第二拉锥氟化物光纤相连接，聚焦透镜与sesam相连接。

进一步，所述增益光纤与级联的第一拉锥氟化物光纤和第二拉锥氟化物光纤为ho³⁺,pr³⁺共掺氟化物光纤或er³⁺掺氟化物光纤。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明在采用级联拉锥氟化物光纤结构实现梳状滤波器功能，在光纤激光器中实现滤波器光纤化，结构简单，腔内光能量损耗较小，成本低廉；

2、本发明采用级联拉锥氟化物光纤作为3μm波段光纤激光器的光梳滤波器件，得到调制周期为30nm，滤波带宽仅为3nm的滤波特性，即可实现激光器中心在3μm波段精确连续调谐输出；

3、本发明通过采用级联拉锥氟化物光纤可以在产生可调谐锁模脉冲激光的同时有效抑制光谱克里边带；

4、本发明所提出的级联拉锥光纤作为梳状滤波器实现可调谐激光器的功能具有普适性，可以根据实际需要拓展到不同的波段。

附图说明

图1为现有技术一中线型腔掺镱可调谐光纤激光器结构示意图；

图2为现有技术一中反射式闪耀光栅的角度关系示意图；

图3为现有技术二中基于f-p滤波器的可调谐锁模光纤激光器的示意图；

图4为本发明的结构示意图；

图5为本发明ho³⁺,pr³⁺共掺zblan光纤激光器的能级示意图；

图4中标记：1为激光泵浦源，2为合束器，3为输出耦合镜，4为滤波器，5为探测器，6为聚焦透镜，7为v型槽，8为增益光纤，9为三维位移平台光纤夹具，10为第一拉锥氟化物光纤，11为第二拉锥氟化物光纤，12为sesam，13为准直聚焦系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于级联拉锥氟化物光纤的可调谐中红外锁模光纤激光器包括激光泵浦源、合束器、输出耦合镜、聚焦透镜、线型谐振腔、滤波器。其中线型谐振腔包含ho³⁺,pr³⁺共掺氟化物光纤、准直聚焦系统、以及两段参数不同拉锥氟化物光纤、v型槽、三维位移平台光纤夹具和sesam作为真实可饱和吸收体。激光泵浦源产生的连续泵浦光由合束器依次经输出耦合镜和聚焦透镜耦合进ho³⁺,pr³⁺共掺氟化物光纤，再经依次经两段参数不同拉锥氟化物光纤、准直聚焦系统和sesam，在线型谐振腔内震荡形成锁模脉冲激光，锁模脉冲激光沿路返回并经过输出耦合镜输出。

本发明将通过例子并参照附图的方式说明。图4所示即为一种基于级联拉锥氟化物光纤的可调谐中红外锁模光纤激光器，包括激光泵浦源1、与激光泵浦源1相连接的合束器2，与合束器2相连接的输出耦合镜3，与输出耦合镜3相连接的聚焦透镜6和滤波器4，与聚焦透镜6相连接的线型谐振腔；所述线型谐振腔包括与聚焦透镜相连接的增益光纤8，与增益光纤8相连接的第一拉锥氟化物光纤10，与第一拉锥氟化物光纤10相连接的第二拉锥氟化物光纤11，与第二拉锥氟化物光纤11相连接的准直聚焦系统13(准直聚焦系统由一个准直透镜和一个聚焦透镜组成，与第二拉锥氟化物光纤11相连接的一个的作用是把从光纤里出射的光准直，所以叫准直透镜，另一个是把准直好的平行光束聚焦至sesam上，所以叫聚焦透镜)，与准直聚焦系统13相连接的sesam12(半导体可饱和吸收镜)。其中：激光泵浦源采用2个波长为1150nm的半导体激光器，pbs(偏振分光棱镜)作为合束器，输出耦合镜采用可对1150nm波段高透，对3000nm波段高反的二色镜，滤波器可滤波段为3000nm，聚焦透镜的焦距为12mm，氟化物光纤为ho³⁺,pr³⁺共掺氟化物光纤作为增益光纤；在增益光纤尾段拉制的锥腰直径为10μm的第一拉锥氟化物光纤，在第一拉锥氟化物光纤尾段拉制的锥腰直径为7μm的第二拉锥氟化物光纤，sesam为可饱和吸收体。

本实施例中将第一拉锥氟化物光纤10与第二拉锥氟化物光纤11级联，其中第一拉锥氟化物光纤10的锥腰直径为10μm，根据拉锥光纤的线性正弦光谱响应所致的周期性光谱滤波效应，计算拉锥光纤的调制周期约为30nm；第二拉锥氟化物光纤11锥腰直径5μm，计算得到调制周期为3nm。在增益光纤末端级联拉制这2种调制周期不同的拉锥氟化物光纤，作为3μm波段光纤激光器的光梳滤波器件，就可以得到调制周期为30nm，滤波带宽仅为3nm的滤波特性。

在本技术方案中，2个波长为1150nm的ld(半导体激光器)呈垂直角度将泵浦光射入pbs晶体中，pbs晶体作为合束器将两束泵浦光合为一束，通过对1150nm波段高透、对3000nm波段高反的二色镜，此时1150nm泵浦光通过焦距为12mm的输出耦合透镜耦合进入ho³⁺,pr³⁺共掺氟化物光纤，如图5所示，在1150nm泵浦光激励下，ho³⁺通过基态吸收(gsa)激发到高能级⁵i6，然后该能级上粒子通过⁵i6能级跃迁到⁵i7能级产生2.9μm的激光输出，而ho³⁺离子与pr³⁺离子之间的能量转移过程(et)，降低了⁵i7能级的粒子数，解决了2.9μm激光输出瓶颈；光束依次经过第一拉锥氟化物光纤10和第二拉锥氟化物光纤11，并通过第二拉锥氟化物光纤11末端输出，并经过焦距均为12mm的准直聚焦系统聚焦到真实可饱和吸收体sesam上，经过sesam调制并反射，光束按原路返回重新耦合进入增益光纤，从输出耦合透镜3输出3000nm锁模脉冲激光，经由3000nm滤波器，进入探测器5，探测器5用于测试所输出激光的参数。通过调整三维位移平台光纤夹具9径向移动，对第一拉锥氟化物光纤10与第二拉锥氟化物光纤11进行微拉伸,当对第一拉锥氟化物光纤10与第二拉锥氟化物光纤11进行微拉伸时，滤波带向短波长方向漂移(蓝移)；当减小施加于第一拉锥氟化物光纤10与第二拉锥氟化物光纤11上的径向拉力时，第一拉锥氟化物光纤10与第二拉锥氟化物光纤11逐渐恢复到原来的状态，滤波带向长波长方向漂移(红移)。这样就可以控制级联的第一氟化物拉锥光纤和第二氟化物拉锥光纤作为梳状滤波器的滤波带，从而达到精确控制输出激光中心波长的目的。在该激光器结构中利用级联拉锥氟化物光纤作为滤波器可以实现3μm波段中心波长可精确调谐，且调谐范围达30nm的大范围连续调谐输出。

本方案中泵浦源亦可为976nmld，增益光纤与级联的第一拉锥氟化物光纤和第二氟化物拉锥光纤可为掺er³⁺氟化物光纤，同理可以实现3μm波段中心波长可精确调谐的锁模脉冲激光。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。