本发明涉及一种激光器，特别是一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器。
背景技术：
中红外波段的激光由于在大气通信、工业、国防、医疗、化学等领域具有广泛的应用而受到众多研究学者的青睐。相对于传统固体和气体激光器相比，光纤激光器具有低阈值、光束质量好、高转换效率；同时，作为增益介质的光纤具有柔韧性好、易于集成的特点，其高的表面积-体积比利于散热。而中红外调Q脉冲激光器在工业加工、激光微创手术、非线性波长转换、激光对抗等方面具有不可替代的重要应用，因此发展中红外脉冲光纤激光器具有重要的科学意义和应用价值。
近年来，2 μm和3 μm波段的中红外脉冲光纤激光器取得了较多进展，更长的波段可以通过拉曼效应来实现。拉曼光纤激光器利用光纤中的非线性受激拉曼散射效应产生斯托克斯光，长波长的激光输出可以通过高阶拉曼效应来实现。近年来，在中红外波段，中红外拉曼光纤激光器研究比较活跃的当属加拿大拉瓦尔大学的研究小组，在近些年的报道中，他们所获得的最长波长（3.77 μm）是采用3 μm波段掺Er氟化物ZBLAN光纤作为泵源，采用无源硫化物光纤作为非线性介质，虽然获得了连续拉曼激光输出，但是输出功率和斜率效率均较低。国内在此方面的研究相对滞后，还仅限于仿真阶段。
技术实现要素：
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种常温下高效率实现4μm中红外调Q脉冲，以及4μm以上拉曼调Q脉冲激光，能够大大降低激光阈值，提高输出效率，降低成本损耗较小，易于集成，利于实际应用，实现在非冷却室温条件下3.9μm激光高效输出的4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，包括顺序连接的光源，增益光纤一和增益光纤二，所述增益光纤一上设有第一谐振腔和第二谐振腔，所述增益光纤二上设有多阶斯托克斯谐振腔，所述第一谐振腔与第二谐振腔部分重叠，所述第二谐振腔内与第一谐振腔不相重叠处设有脉冲开关。
由于采用了上述技术方案，光从光源发出，经过增益光纤一，在第一谐振腔反复振荡增益，形成1.2 μm的激光；在第二谐振腔中，由于可饱和吸收体的存在，第二谐振腔内首先处于一个低Q值状态，粒子能量跃迁并积累在5I5能级，当激光的能量达到脉冲开关阈值的时候，脉冲开关被打开，第二谐振腔内的Q值瞬间提高，积累在5I5能级上的粒子便以雪崩的形式跃迁到下能级，输出一个巨脉冲，能量释放后脉冲开关关闭，腔内Q值骤减，如此往复产生高效3.9μm调Q巨脉冲输出。
本发明的一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，所述第一谐振腔位于第二谐振腔内，所述脉冲开关设置于第二谐振腔内远光源端。
由于采用了上述技术方案，第一谐振腔置于第二谐振腔内，由1.2 μm激光级联输出3.9μm激光可有效提高3.9μm激光输出效率，同时大大降低系统产生的热量，结构合理，缩小了激光器体积，便于激光器集成应用。
本发明的一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，所述第一谐振腔包括第二激光高反光栅和第三激光高反光栅，所述第二谐振腔包括第一激光高反光栅和第四激光半反光栅。
本发明的一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，所述增益光纤一上依次设置有第一激光高反光栅，第二激光高反光栅，第三激光高反光栅，脉冲开关和第四激光半反光栅，所述第一激光高反光栅设置于增益光纤一的近光源端。
本发明的一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，所述第一激光高反光栅对3.9μm激光的反射率>95%，所述第二激光高反光栅对1.2μm激光的反射率>95%，所述第三激光高反光栅对1.2μm激光的反射率>90%，所述第四激光半反光栅对3.9μm激光的反射率为40%~60%。
由于采用了上述技术方案，1.2μm光纤光栅成对形成第一谐振腔，3.9μm光纤光栅成对形成第二谐振腔。
本发明的一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，所述脉冲开关为石墨烯Q开关，所述石墨烯Q开关根据激光能量自动打开或关闭。
石墨烯Q开关可以是采用倏逝波的形式涂覆于光纤侧面，或者采用光纤尾端蒸镀并采用尾端对接的方式插入至谐振腔内。
本发明的一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，所述多阶斯托克斯谐振腔包括顺序连接的若干第一高反光纤光栅，一个半反光纤光栅和若干第二高反光纤光栅。
本发明的一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，所述第一高反光纤光栅对应第1~n阶拉曼激光，所述第一高反光纤光栅的反射率>95%；所述半反光纤光栅对应第n阶拉曼激光，所述半反光纤光栅的反射率为40%~60%；所述第二高反光纤光栅对应第1~（n-1）阶拉曼激光，所述第二高反光纤光栅的反射率>95%，n为自然数。
由于采用了上述技术方案，3.9μm调Q脉冲传输至增益光纤二，刻写于增益光纤二上的光栅FBGo1~FBGon与FBGi1 ~FBGin中的n为自然数，并且n取1,2,3,…n-1,n。FBGon与FBGin的反射波长均对应于第n阶斯托克斯光的中心波长，且对于中心波长的光具有较高的反射率（>95%），唯有当n取最大值（斯托克斯光的最高阶数）时，对于FBGon的反射波长对应于第n阶斯托克斯光的中心波长，反射率为40%~60%，作为第n阶斯托克斯光的输出端。例如，当n=4时，各阶斯托克斯光在腔内的形成过程为：3.9 μm脉冲激光在硫化物光纤中传输，产生自发拉曼散射，当注入的3.9 μm脉冲激光达到一阶拉曼阈值功率，就产生波长为4.5 μm的一阶斯托克斯光，并在由FBGi1与FBGo1组成的谐振腔中振荡增强后作为产生二阶5.3 μm斯托克斯光的泵浦光而被拉曼光纤再吸收，其激发的二级斯托克斯光在第二级光纤布拉格光栅对构成的谐振腔内振荡增强。如此下去，只要前一阶的斯托克斯光功率能达到产生下一阶斯托克斯光的拉曼阈值功率，则这种级联的振荡就可以一直持续下去，且每阶的斯托克斯光均在相应的光纤布拉格光栅对组成的谐振腔中振荡。三阶、四阶斯托克斯光的波长分别为6.5 μm、8.3 μm。第n阶斯托克斯光的输出端FBGon对其具有部分反射率（40%~60%），这样第n阶调Q斯托克斯光就从此输出端输出，实现4~8μm及更长中红外波长的调Q拉曼激光输出。
本发明的一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，所述增益光纤一为掺Ho氟化物ABLAN光纤，所述增益光纤二为无源硫化物光纤。
本发明的一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，所述光源为885nm激光二极管泵浦源。
由于采用了上述技术方案，采取与泵源所选取的氟化物光纤尺寸匹配的无源硫化物光纤上刻写多阶光纤光栅对，采取光纤端面熔接的方法，且选取尺寸匹配的不同种光纤，大大降低了损耗，更利于系统集成。
Ho氟化物光纤作为增益光纤，并在其中写入级联双波长（1.2μm，3.9μm）光纤布拉格光栅对，通过Ho离子能级跃迁5I6→5I8产生的1.2μm激光输出来排空5I6能级上的粒子集聚，有效提高5I5与5I6两能级的离子数反转，大大降低3.9μm激光阈值，提高输出效率，大大降低多声子弛豫产生的热量。
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、能够非制冷常温下高效、稳定、连续的获得3.9μm激光，实现4~8μm调Q拉曼激光输出，为解决目前现有技术中红外激光器波长较短，实用性不强，效率低，功率低等问题提供了有效的解决方案。
2、采用中红外全光纤结构，设计合理，结构简单，易于集成和实际应用，摒弃现有技术中对耦合透镜、二色镜等的高要求，大大降低了损耗及成本。
附图说明
图1是一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器的结构示意图。
图中标记：1为光源，2为熔接点一，3为第一激光高反光栅，4为第二激光高反光栅，5为增益光纤一，6为第三激光高反光栅，7为脉冲开关，8为第四激光半反光栅，9为熔接点二，10为第一高反光纤光栅，11为增益光纤二，12为半反光纤光栅，13为第二高反光纤光栅。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种4~8μm脉冲拉曼全光纤激光器，包括顺序连接的光源1，增益光纤一5和增益光纤二11，增益光纤一5上设有第一谐振腔和第二谐振腔，增益光纤二5上设有多阶斯托克斯谐振腔，第一谐振腔与第二谐振腔部分重叠，所述第二谐振腔内与第一谐振腔不相重叠处设有脉冲开关7。第一谐振腔位于第二谐振腔内，脉冲开关7设置于第二谐振腔内远光源端。第一谐振腔包括第二激光高反光栅4和第三激光高反光栅6，第二谐振腔包括第一激光高反光栅3和第四激光半反光栅8。增益光纤一5上依次设置有第一激光高反光栅3，第二激光高反光栅4，第三激光高反光栅6，脉冲开关7和第四激光半反光栅8，第一激光高反光栅3设置于增益光纤一5的近光源端。第一激光高反光栅3对3.9μm激光的反射率>95%，第二激光高反光栅4对1.2μm激光的反射率>95%，第三激光高反光栅6对1.2μm激光的反射率>90%，第四激光半反光栅对3.9μm激光的反射率为40%~60%。脉冲开关7为石墨烯Q开关，石墨烯Q开关根据激光能量自动打开或关闭。多阶斯托克斯谐振腔包括顺序连接的若干第一高反光纤光栅10，一个半反光纤光栅12和若干第二高反光纤光栅13。第一高反光纤光栅10对应第1~4阶拉曼激光，第一高反光纤光栅10的反射率>95%；半反光纤光栅12对应第4阶拉曼激光，半反光纤光栅12的反射率为40%~60%；第二高反光纤光栅13对应第1~3阶拉曼激光，第二高反光纤光栅13的反射率>95%，3.9 μm脉冲激光在硫化物光纤中传输，产生自发拉曼散射，当注入的3.9 μm脉冲激光达到一阶拉曼阈值功率，就产生波长为4.5 μm的一阶斯托克斯光，并在由FBGi1与FBGo1组成的谐振腔中振荡增强后作为产生二阶5.3 μm斯托克斯光的泵浦光而被拉曼光纤再吸收，其激发的二级斯托克斯光在第二级光纤布拉格光栅对构成的谐振腔内振荡增强。如此下去，只要前一阶的斯托克斯光功率能达到产生下一阶斯托克斯光的拉曼阈值功率，则这种级联的振荡就可以一直持续下去，且每阶的斯托克斯光均在相应的光纤布拉格光栅对组成的谐振腔中振荡。三阶、四阶斯托克斯光的波长分别为6.5 μm、8.3 μm。通过改变n的取值，即可改变输出光的频率，输出光从增益光纤二11的尾纤输出，增益光纤二11的尾纤可熔接有光源输出器。增益光纤一5为双包层掺Ho氟化物ABLAN光纤，增益光纤二11为无源硫化物光纤，光源为885nm泵浦源，为855nm激光二极管，激光二极管的尾纤输出端与掺Ho氟化物ABLAN光纤前端通过端面熔接的方式连接在一起，形成熔接连接点一2，光纤光栅3,4,6,8,10,12,13均是通过刻写的方式刻写于光纤上，氟化物光纤尺寸与作为拉曼增益光纤的无源硫化物光纤尺寸向匹配，能够最大限度的减小熔接损耗，增益光线一5和增益光线二11熔接在一起形成熔接点二9，。
虽然本实施例仅以n 取值为4 时对本技术方案进行了详细解说，但是本领域的普通技术人员应该意识到n 的取值范围的变化对于本领域的技术人员来说是显而易见的并且只要选取了合适的材料（对各阶斯托克斯光具有较低损耗）可根据需要获得的激光波长对n 进行取值，从而实现对输出脉冲波长的选择。因此本发明申请的保护范围不应受本实施例n=4 的限制。
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。