一种基于碲酸盐光纤的超过中红外5μm波段的拉曼光纤激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤激光器领域，特别涉及一种输出波长超过中红外5 μπι波段的拉曼光纤激光器。
【背景技术】
[0002]光纤激光器具有阈值低、转换效率高、光束质量好、散热性好和结构紧凑易于集成等优点。目前光纤激光器发展最为成熟的波段位于1.06和1.55 μπι波段，主要利用掺镱(Yb3+)和掺铒(Er3+)稀土离子发光。其中1.06μπι波段由于高浓度镱掺杂光纤的使用，可获得高功率输出；1.55 μπι波段可用于光纤通信系统。
[0003]近年来，中红外波段光纤激光器发展迅速。其原因在于中红外波段激光器具有广阔的应用前景，例如用于激光显微外科手术、环境痕量气体检测、激光微加工和中红外光谱学等方面。目前产生中红外波段的激光主要有异质结激光二极管、量子级联激光器、激光差频信号产生系统、光参量振荡器和晶体材料激光器等。这些方法产生激光效率较低，且系统结构复杂，难于操作。如何获得高功率、高效率且结构简单的中红外3-8 μπι激光输出成为当前研究难点。
[0004]由于铥(Tm3+)、钬(Ho3+)、铒(Er3+)、镝(Dy3+)等稀土离子在中红外波段具有发射带，利用其掺入光纤作为增益介质组成中红外波段激光器，具有结构紧凑和稳定性高等优点。但是也存在几方面缺点:高输出功率的获得需要高浓度的稀土离子掺杂；激光器的栗浦波长和发射波长取决于稀土离子自身的吸收和发射特性。另外，当波长超过4 μπι后，由于光纤中非辐射跃迀占据主导地位，难以通过稀土离子辐射跃迀产生激光。因此利用稀土离子发光，通常只能获得2-4 μ m波段的中红外激光。
[0005]相比较于稀土离子掺杂光纤激光器，拉曼光纤激光器的输出特性取决于栗浦源的功率、波长及光纤的拉曼增益系数。基于高非线性光纤，通过栗浦波长的改变，理论上可在任意波段产生受激拉曼散射。因此，拉曼光纤激光器在实现中红外激光方面拥有巨大的潜力。可用作中红外波段受激拉曼散射的增益介质光纤主要有氟化物、硫化物和碲酸盐光纤，通过级联受激拉曼散射过程，可获得输出波长超过4 μ m的激光。通常采用掺铥光纤激光器栗浦氟化物光纤，掺铥光纤激光器的输出波长位于1.95-2 μ m，氟化物光纤的拉曼频移为?579cm \需要通过五阶受激拉曼散射才能达到4 μπι以上的波段，整个激光系统效率低下，且结构尤为复杂，成本非常高且难以实现。另外，氟化物光纤的拉曼增益系数较低(?4Χ 10 14m/W)，要获得一定的拉曼增益，每一阶受激拉曼散射过程都需要较长的氟化物光纤，通常需要数米乃至数十米光纤。硫化物光纤具有较高的拉曼增益系数(As2S3光纤，?6X10 12m/W)，但是硫化物光纤的拉曼频移(As2S3光纤，?350cm ')和拉曼增益带宽(As2S3光纤，?50cm1)都较小，所以需要更多阶的受激拉曼散射过程才能达到4 μπι。上述两种材料的光纤，均不适合产生5 μ m及更长波段的中红外激光。
【发明内容】
[0006]本发明为解决现有技术中的中红外拉曼光纤激光器存在的不足，提出了一种基于碲酸盐光纤的超过中红外5 μ m波段的拉曼光纤激光器。
[0007]本发明解决技术问题，采用如下技术方案:
[0008]本发明基于碲酸盐光纤的超过中红外5 μ m波段的拉曼光纤激光器，其特点在于:包括一根碲酸盐光纤；在所述碲酸盐光纤两端附近区域刻有反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对和反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对，所述反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对位于所述反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对的外侧；
[0009]所述碲酸盐光纤的输入端与高功率掺铒氟化物光纤激光器相连，所述高功率掺铒氟化物光纤激光器的输出光通过光学耦合透镜组进入碲酸盐光纤；在所述碲酸盐光纤的输出端设置有可透5 μ m以上的长通滤波器，用于滤除5 μ m以下的光谱成分，最后输出波长超过5 μ m的中红外激光。
[0010]所述碲酸盐光纤的典型组分为76.5Te02-6Bi203-6Zn0-ll.5Na20(mol % )，具有大拉曼频移(峰值增益位置)、宽拉曼增益带宽和高拉曼增益系数，其拉曼峰值增益位置的频移为?750cm \拉曼增益带宽为?300cm \拉曼增益系数为?4X 10 12m/W。
[0011]所述反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对和所述反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对，是利用800nm飞秒激光器加相位模板技术直接写入在碲酸盐光纤上；因为800nm飞秒激光能穿透聚合物材料，因此不用去除光纤涂覆层直接写入光栅。所述反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对的反射中心波长对应于一阶拉曼斯托克斯信号波长；所述反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对的反射中心波长对应于二阶拉曼斯托克斯信号波长。
[0012]所述高功率掺铒氟化物光纤激光器的输出波长为2.9 μπι，包括980nm栗浦激光器、反射波长2.9 μπι的光纤光栅对和掺铒氟化物光纤。980nm栗浦激光器的尾纤(石英光纤)与掺铒氟化物光纤通过光纤熔接技术相连接，通过包层栗浦产生2.9 μπι的激光。反射波长2.9 μπι的光纤光栅对刻写在掺铒氟化物光纤上，其中一个光栅作为高反腔镜，另一个光栅作为输出親合腔镜。
[0013]所述光学耦合透镜组由两个耦合非球面透镜构成，与掺铒氟化物光纤相邻的耦合非球面透镜的焦距与掺铒氟化物光纤的数值孔径相匹配，与碲酸盐光纤相邻的耦合非球面透镜的焦距与碲酸盐光纤的数值孔径相匹配；在两个耦合非球面透镜之间插入有可透2.9 μπι的长通滤波器，用于通过2.9 μπι的栗浦光，滤除短波段的杂散光。
[0014]上述基于碲酸盐光纤的超过中红外5 μπι波段的拉曼光纤激光器，不局限于二阶拉曼散射过程，还可以向更高的拉曼散射过程扩展，以获得更长波段的激光输出，例如:通过三阶受激拉曼散射过程，选择与其匹配的光纤光栅对，可以产生超过8 μπι的中红外激光，即:在所述碲酸盐光纤两端附近区域还可以刻有反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对，所述反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对位于所述反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对的外侧。所述反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对是利用800nm飞秒激光器加相位模板技术直接写入在碲酸盐光纤上；所述反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对的反射中心波长对应于三阶拉曼斯托克斯信号波长。
[0015]与已有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0016]1、本发明采用具有大拉曼频移、宽增益带宽、高拉曼增益和高功率承受能力的碲酸盐光纤，在1米以下长度的光纤中产生超过5 μπι的高功率中红外激光输出，整个激光系统的复杂程度降低，结构更为紧凑，成本更低。
[0017]2、本发明的激光器中，由于只通过二阶受激拉曼辐射过程即可产生超过5 μπι的中红外激光，能量转换效率大为提高，相同栗浦功率下，其输出功率也更高。
[0018]3、本发明米用800nm飞秒激光器加相位模板技术直接在碲酸盐光纤写入光纤光栅，形成谐振腔，无需去除光纤涂覆层，可提高光纤光栅的机械承受能力，提高激光系统的可靠性。
[0019]4、本发明的激光器通过第三阶受激拉曼散射过程，可使拉曼光纤激光器输出波长可扩展到8-10 μ m以上。
【附图说明】
[0020]图1是本发明基于碲酸盐光纤的超过中红外5 μπι波段的拉曼光纤激光器的一种结构示意图(具有反射一阶、二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对)；
[0021]图2是本发明所用碲酸盐光纤的一阶、二阶和三阶拉曼频移示意图；
[0022]图3为是本发明基于碲酸盐光纤的超过中红外5 μ m波段的拉曼光纤激光器的另一种形式的结构示意图(具有反射一阶、二阶、三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对)；
[0023]图中标号:1为980nm栗浦激光器；2为反射波长2.9 μπι的光纤光栅对；3为掺铒氟化物光纤；4为光学耦合透镜组；5为可透2.9 μ m的长通滤波器；6为碲酸盐光纤；7为反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；8为反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；9为可透5 μπι以上的长通滤波器；10为反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0025]如图1所示，本实施例基于碲酸盐光纤的超过中红外5 μπι波段的拉曼光纤激光器，依次包括980nm栗浦激光器1、反射波长2.9 μ m的光纤光栅对2、掺铒氟化物光纤3、光学耦合透镜组4、可透2.9 μ m的长通滤波器5、碲酸盐光纤6、反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对7、反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对8和可透5 μπι以上的长通滤波器9。
[0026]其中:980nm栗浦激光器1有连续和脉冲两种输出方式，可通过调制栗浦电流来控制。连续栗浦情况下，能获得高的平均功率(?10W);脉冲栗浦情况下(20-50HZ，占空比10-20%，输出脉宽2-lOms)，能获得高的峰值功率(?30W)，并降低热效应。上述两种输出方式可根据实际应用需求进行选择。
[0027]反射波长2.9 μ m的光纤光栅对2、反射一