基于软玻璃光纤覆盖2-10μm波段任意波长的中红外光纤激光器系统的制作方法

本发明属于光纤激光器领域，特别涉及到一种基于软玻璃光纤覆盖2-10μm波段任意波长的中红外光纤激光器系统。

背景技术：

迄今为止，光纤激光器的研究主要集中在近红外特别是1.06μm和1.55μm波段，其输出功率已接近材料所能承受的理论极限。近年来，波长大于2μm的中红外波段光纤激光器越来越受到重视。2-10μm中红外波段激光在生物医学、国防、环境保护和公共安全等诸多领域具有广泛应用。比如，2.8-3.2μm对应了人体组织中水的最强吸收波段，是最佳的激光医学手术波长范围。3.0-5.0μm为大气透过窗口，这一波段的激光可用于红外成像照明、定向红外对抗和大气污染监控等。2.5-10μm为分子的官能团区和指纹区，这一波段的激光可用于化学物质鉴定、毒品探测、痕量危险气体检测和疾病无痛疹断等。

中红外波段的激光器，除光纤激光器外，还有半导体量子级联激光器、参量振荡器、过渡族离子固体激光器和气体激光器等，各自具有不同的优势特点。相比之下，中红外光纤激光器具有高可靠性、高亮度、高效率、易散热、易维护和容易实现相干合束等优点，越来越引起学术界和产业界的重视。

目前中红外光纤激光器主要有稀土离子掺杂光纤激光器和拉曼光纤激光器等类型。稀土离子掺杂光纤激光器中代表性的有2.7-2.8μm波段的掺铒氟化物光纤激光器和2.9μm波段的掺钬氟化物光纤激光器等。其中2.8μm掺铒光纤激光器的最大平均功率已达数十瓦量级。但是，稀土离子掺杂光纤激光器只能覆盖对应于少数稀土离子特定能级跃迁的几个波段；而且，受光纤基质材料声子无辐射弛豫的限制，稀土离子掺杂光纤激光器很难实现大于5μm的中红外激光。

拉曼光纤激光器基于光纤的受激拉曼散射过程产生激光，其输出波长是在泵浦波长基础上的一阶或多阶斯托克斯频移，因而激光波长灵活可变，且覆盖范围广。利用级联拉曼效应和增益介质的宽拉曼增益谱，可实现宽带可调谐激光输出。理论上，选择合适的泵浦波长，利用受激拉曼散射可在任意波段实现激光输出。拉曼激光功率主要取决于泵浦源功率、拉曼增益与效率、光纤的损伤阈值以及对其它非线性效应的抑制等，具有很大提升空间。

拉曼光纤激光的研究目前主要集中于近红外波段，也已实现kW级的激光输出，已成为与稀土离子掺杂光纤激光器相互补充的重要光纤激光器。与近红外波段相比，拉曼光纤光技术在中红外波段更为重要，因为中红外波段靠稀土离子掺杂实现超过4-5μm的激光输出尤为困难，且中红外波段的激光波数小，使得在同等的拉曼频移下可实现更宽波长范围的激光输出。

尽管拉曼光纤激光技术在中红外波段至关重要，并且中红外波段需要拉曼光纤激光技术提供新的输出波长，但是迄今为止，中红外拉曼光纤激光发展相对缓慢，国内尤其如此。主要是由于围绕着中红外拉曼光纤激光技术的一系列基础问题尚未得到很好的解决，特别是缺少具有超低损耗和超宽透射范围的拉曼增益光纤。

综上所述，中红外拉曼光纤激光技术的发展相对比较滞后。国际上一些知名的科研机构虽已经取得一些进展，但是有两个明显的不足之处：实验获得拉曼激光波长均在4μm以下，在更长波段基本为空白；激光输出功率较低，最大只有数瓦量级。国内对中红外拉曼光纤激光的研究刚刚起步，尚未见较有影响的实验结果报导。目前，中红外拉曼光纤激光无论是与中红外稀土离子掺杂光纤激光相比较，还是与近红外拉曼光纤激光相比较，在最高功率、激光输出形式和可调谐性等方面均显得落后。

技术实现要素：

本发明为解决现有中红外光纤激光器输出波长存在的不足，提出了一种基于软玻璃光纤覆盖2-10μm波段任意波长的中红外光纤激光器系统。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明公开了一种基于软玻璃光纤覆盖2-10μm波段任意波长的中红外光纤激光器系统，其特征在于：所述中红外光纤激光器系统是将碲酸盐光纤、硫化物光纤和硒化物光纤三种软玻璃光纤组合，利用其高非线性效应，实现2-10μm波段任意波长的激光输出；整个系统包括种子光产生单元、种子光放大单元、碲酸盐光纤级联拉曼单元、硫化物光纤级联拉曼单元和硒化物光纤级联拉曼单元五个部分；种子光产生单元采用环形腔结构，利用790nm半导体激光器泵浦增益介质双包层掺铥光纤，通过声光调制器产生波长2μm波段的调Q脉冲激光；种子光产生单元的输出光进入种子光放大单元，经多个790nm半导体激光器合束泵浦，平均功率可放大至100W量级；碲酸盐光纤级联拉曼单元利用碲酸盐光纤作为增益介质，经过三阶级联拉曼过程，产生到达3.64μm的激光；硫化物光纤级联拉曼单元利用硫化物光纤作为增益介质，经过三阶级联拉曼过程，产生到达5.89μm的激光；硒化物光纤级联拉曼单元利用硒化物光纤作为增益介质，经过三阶级联拉曼过程，产生到达10.55μm的激光；种子光产生单元光波长在1.90-2.10μm范围可调谐，对应产生的拉曼激光覆盖中红外2-10μm波段。

具体的：

所述碲酸盐光纤级联拉曼单元、所述硫化物光纤级联拉曼单元和所述硒化物光纤级联拉曼单元分别是在碲酸盐光纤、硫化物光纤、硒化物光纤的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、反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对和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，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；

所述碲酸盐光纤输入端与所述种子光放大单元相连，所述种子光放大单元输出2μm激光通过第一端面耦合部分进入碲酸盐光纤；所述种子光放大单元的信号光输入端与种子光产生单元的激光输出端相连，所述种子光产生单元输出2μm信号光通过合束器耦合进入种子光放大单元的双包层掺铥光纤II中；所述碲酸盐光纤输出端与硫化物光纤输入端相连，所述碲酸盐光纤输出端激光通过第二端面耦合部分进入硫化物光纤输入端；所述硫化物光纤输出端与硒化物光纤输入端相连，所述硫化物光纤输出端激光通过第三端面耦合部分进入硒化物光纤输入端。

所述种子光产生单元是由790nm半导体激光器I、波分复用器、双包层掺铥光纤I、宽度可调谐滤波器、声光调制器、隔离器I和输出耦合器依次相连而成；所述输出耦合器一端与所述波分复用器相连，构成环形腔；所述790nm半导体激光器泵浦双包层掺铥光纤I产生2μm激光，所述宽带可调谐滤波器调谐波长范围，所述声光调制器调节种子光的脉冲输出，所述隔离器I限制光的方向，使其单向传输。

所述种子光放大单元包括第一隔离器II、第一790nm半导体激光器II、第二790nm半导体激光器II、合束器、双包层掺铥光纤II和第二隔离器II；所述种子光产生单元输出2μm脉冲信号光与第一790nm半导体激光器II、第二790nm半导体激光器II一起通过所述合束器耦合进入双包层掺铥光纤II中，2μm脉冲信号光功率通过第一790nm半导体激光器II、第二790nm半导体激光器II的泵浦，在双包层掺铥光纤II中得到放大。

所述反射一阶拉曼斯托克斯信号的布拉格光栅对、所述反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对和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飞秒脉冲激光器加双光束干涉法直接刻写在所述碲酸盐光纤、硫化物光纤和硒化物光纤上；所述反射一阶拉曼斯托克斯信号的布拉格光栅对、所述反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对和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分别对应于一阶、二阶和三阶拉曼斯托克斯信号波长。反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对，其中一个光栅作为高反射镜，另一个光栅作为输出耦合腔镜。

所述碲酸盐光纤、硫化物光纤和硒化物光纤的纤芯尺寸分别与2-3.64μm、3.64-5.89μm和5.89-10μm波段的单模模场相匹配。

所述声光控制器调节2μm种子光的脉冲宽度在10-100ns，所述宽带可调谐滤波器调谐波长范围在1.90-2.10μm。

所述碲酸盐光纤、硫化物光纤和硒化物光纤靠近端面耦合部分的位置固定在水冷V型槽中，所述碲酸盐光纤、硫化物光纤和硒化物光纤的中间部分浸在水中。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明可实现2-10μm中红外波段内任意波长的激光输出，进一步扩展，可输出波长达13μm的激光。

2、本发明采用具有高纯度、高损伤阈值、高非线性、大拉曼频移、宽增益带宽、宽透过波长范围、超低损耗的碲酸盐、硫化砷和硒化砷三种软玻璃光纤：拉曼频移分别为750cm^-1、350cm^-1和250cm^-1；透过波长范围分别为0.5-4μm、0.8-6μm和1.0-11.0μm；损耗系数分别为<0.2dB/m、<0.5dB/m和<0.5dB/m。采用的碲酸盐光纤、硫化砷光纤和硒化砷光纤在2-10μm波段均有零色散波长。

3、本发明的拉曼激光器通过碲酸盐光纤、硫化砷光纤和硒化砷光纤的三阶受激拉曼散射过程，可使拉曼光纤激光器输出波长扩展到覆盖整个2-10μm波段。

4、本发明采用800nm飞秒脉冲激光器加双光束干涉法直接在碲酸盐光纤、硫化砷光纤和硒化砷光纤上写入光纤光栅，形成谐振腔。基于飞秒脉冲产生的光敏效应，无需对碲酸盐光纤、硫化物光纤和硒化物光纤进行载氢等预处理，且800nm波长的脉冲可穿透中红外光纤涂覆层进入包层和纤芯，无需去除涂覆层，提高光纤布拉格光栅成品的抗机械损伤能力，提高激光系统的可靠性。

5、本发明为了实现2-10μm波长范围全覆盖，需要对拉曼泵浦光及产生的各阶拉曼斯托克斯信号光进行调谐。输出波长通过宽带可调谐滤波器可在1.90-2.10μm内调谐，平均功率为50-100mW，重复频率为10-100kHz可调。脉冲宽度通过控制声光调制器驱动信号可在10-100ns内调节。经2μm脉冲掺铥光纤激光器输出的种子光耦合到2μm掺铥光纤放大器，平均功率可放大至100W量级。

附图说明

图1是本发明基于软玻璃光纤覆盖2-10μm波段任意波长的中红外光纤激光器系统的结构示意图(具有反射一阶、二阶和三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格对)。

图2是本发明中所用软玻璃光纤的一阶、二阶和三阶拉曼频移示意图。

图中标号：I为种子光产生单元；II为种子光放大单元；III为碲酸盐光纤级联拉曼单元；IV为硫化物光纤级联拉曼单元；V为硒化物光纤级联拉曼单元；1为半导体激光器I；2为波分复用器；3为双包层掺铥光纤I；4为宽带可调谐滤波器；5为声光调制器；6为隔离器I；7为输出耦合器；8为第一隔离器II；9为第一790nm半导体激光器II；10为第二790nm半导体激光器II；11为合束器；12为双包层掺铥光纤II；13为第二隔离器II；14为第一端面耦合部分；15为碲酸盐光纤；16为碲酸盐光纤的反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；17为碲酸盐光纤的反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；18为碲酸盐光纤的反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；19为第二端面耦合部分；20为硫化物光纤；21为硫化物光纤的反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；22为硫化物光纤的反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；23为硫化物光纤的反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；24为第三端面耦合部分；25为硒化物光纤；26为硒化物光纤的反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；27为硒化物光纤的反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对；28为硒化物光纤的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

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。

如图1所示，本实施例基于软玻璃光纤的覆盖中红外2-10μm波段的拉曼光纤激光器系统，包括种子光产生单元I、种子光放大单元II、碲酸盐光纤级联拉曼单元III、硫化物光纤级联拉曼单元IV和硒化物光纤级联拉曼单元V五个部分。

其中：种子光产生单元I是由790nm半导体激光器I 1、波分复用器2、双包层掺铥光纤I 3、宽度可调谐滤波器4、声光调制器5、隔离器I6和输出耦合器7依次相连而成；输出耦合器7一端与波分复用器2相连，构成环形腔。种子光产生单元I通过790nm半导体激光器1泵浦双包层掺铥光纤3产生2μm激光，通过声光调制器5产生波长2μm波段的调Q脉冲激光。其输出波长通过宽带可调谐滤波器4可在1.90-2.10μm内调谐，平均功率为50-100mW，重复频率为10-100kHz可调；脉冲宽度通过控制声光调制器驱动信号可在10-100ns内调节。

种子光放大单元II包括第一隔离器II 8、第二隔离器II 13，第一790nm半导体激光器II 9、第二790nm半导体激光器II 10、合束器11和双包层掺铥光纤II 12；种子光产生单元输出2μm脉冲信号光与两个高功率790nm半导体激光器(第一790nm半导体激光器II 9和第二790nm半导体激光器II 10)输出光一起通过合束器11耦合进入双包层掺铥光纤II 12中，两个高功率790nm半导体激光器输出790nm高功率激光在双包层掺铥光纤中泵浦2μm脉冲信号光，2μm脉冲信号光得到放大，平均功率可放大至100W量级。

碲酸盐光纤级联拉曼单元III、硫化物光纤级联拉曼单元IV和硒化物光纤级联拉曼单元V分别是在碲酸盐光纤15、硫化物光纤20、硒化物光纤25的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(分别为碲酸盐光纤的反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对16、硫化物光纤的反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对21、硒化物光纤的反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对26)、反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对(分别为碲酸盐光纤的反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对17、硫化物光纤的反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对22、硒化物光纤的反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对27)、反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对(分比为碲酸盐光纤的反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对18、硫化物光纤的反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对23、硒化物光纤的反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对28)。反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对位于反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对的外侧，反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对位于反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对的外侧。

各阶布拉格光栅对均采用800nm飞秒脉冲激光器加双光束干涉法刻写。基于飞秒脉冲产生的光敏效应，无需对中红外光纤进行载氢等预处理，且800nm波长的脉冲可穿透中红外光纤涂覆层进入包层和纤芯，无需去除涂覆层，提高光纤布拉格光栅成品的抗机械损伤能力，提高激光系统的可靠性。

碲酸盐光纤15输入端与种子光放大单元II相连，种子光放大单元II输出2μm激光通过第一端面耦合部分14进入碲酸盐光纤15；种子光放大单元II的信号光输入端与种子光产生单元I的激光输出端相连，种子光产生单元I输出2μm信号光通过合束器11耦合进入种子光放大单元II的双包层掺铥光纤II 12中；碲酸盐光纤15输出端与硫化物光纤20输入端相连，碲酸盐光纤15输出端激光通过第二端面耦合部分19进入硫化物光纤20输入端；硫化物光纤20输出端与硒化物光纤25输入端相连，硫化物光纤20输出端激光通过第三端面耦合部分24进入硒化物光纤25输入端。

从种子光放大单元II输出的2μm脉冲光作为拉曼泵浦源进入碲酸盐光纤级联拉曼部分III，碲酸盐光纤15三阶拉曼散射激光(波长为3.64μm)作为泵浦源进入硫化物光纤级联拉曼部分IV，硫化物光纤三阶拉曼散射激光(波长为5.89μm)作为泵浦源进入硒化物光纤级联拉曼部分V，最后实现将激光波长扩展到10.55μm。碲酸盐光纤15、硫化物光纤20和硒化物光纤25三种光纤的纤芯尺寸分别与2-3.64μm、3.64-5.89μm和5.89-10μm波段的单模模场相匹配，使光场能量集中在纤芯参与拉曼散射过程，提高激光效率。

碲酸盐光纤15作为增益介质，拉曼频移为750cm^-1，经过三阶级联拉曼过程，产生3.64μm的斯托克斯光。碲酸盐光纤的反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对16、碲酸盐光纤的反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对17及碲酸盐光纤的反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对的光纤布拉格光栅对18的反射中心波长分别对应于一阶、二阶和三阶拉曼斯托克斯信号波长，分别为2.35μm、2.86μm和3.64μm。

硫化物光纤20作为增益介质，拉曼频移为350cm^-1，经过三阶级联拉曼过程，产生5.89μm的斯托克斯光。硫化物光纤的反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对21、硫化物光纤的反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对22及硫化物光纤的反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对23的反射中心波长分别对应于一阶、二阶和三阶拉曼斯托克斯信号波长，分别为4.17μm、4.88μm和5.89μm。

硒化物光纤25作为增益介质，拉曼频移为250cm^-1，经过三阶级联拉曼过程，产生10.55μm的斯托克斯光。硒化物光纤的反射一阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对26、硒化物光纤的反射二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对27及硒化物光纤的反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对28的反射中心波长分别对应于一阶、二阶和三阶拉曼斯托克斯信号波长，分别为6.91μm、8.35μm和10.55μm。

碲酸盐光纤15、硫化物光纤20和硒化物光纤25反射各阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对分别构成第一到三阶拉曼激光的谐振腔，反射一阶和二阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对均是高反射率，反射率均大于～95％，具有宽的反射带宽(～10nm)；反射三阶拉曼斯托克斯信号的光纤布拉格光栅对，其中一个光栅作为输入腔镜，分别在3.64μm、5.89μm和10.55μm附近具有～10nm的反射带宽，反射率大于～95％，另一个光栅作为输出腔镜，分别在3.64μm、5.89μm和10.55μm附近具有～1nm的反射带宽，反射率根据输出功率的需要进行选择，可为～70-90％。

为了获得2-10μm范围内任意波长的激光输出，需要进行波长调谐。如表1所示，通过宽带可调谐滤波器4输出波长可在1.90-2.10μm范围内调谐，相对应的碲酸盐光纤的一、二和三阶拉曼斯托克斯信号波长范围分别为2.22-2.49μm、2.66-3.06μm和3.32-3.97μm；相对应的硫化物光纤的一、二和三阶拉曼斯托克斯信号波长范围分别为3.76-4.61μm、4.33-5.50μm和5.51-6.81μm；相对应的硒化物光纤的一、二和三阶拉曼斯托克斯信号波长范围分别为5.85-8.21μm、6.85-10.33μm和8.27-13.93μm。碲酸盐光纤的各阶拉曼峰值波长不能覆盖的最大区域为2.49-2.66μm(～257cm^-1)和3.06-3.32μm(～256cm^-1)。由于碲酸盐光纤15的拉曼增益宽度超过300cm^-1，因此结合种子光产生单元I波长调谐导致的各阶拉曼峰值平移和碲酸盐光纤的拉曼增益谱宽，可覆盖2.49-2.66μm和3.06-3.32μm的波长范围；进而结合硫化物光纤和硒化物光纤的级联拉曼过程，可实现2-10μm范围内波长全覆盖。

为了实现宽波长、高效率激光输出，对于高功率中红外波段级联拉曼光纤激光器而言，需要对微量杂质、光纤耦合端面中的热沉积问题进行解决，提出热管理方案：靠近耦合部分的一截碲酸盐光纤15、硫化物光纤20和硒化物光纤25固定在水冷V型槽中，而碲酸盐光纤15、硫化物光纤20和硒化物光纤25中间部分直接浸在水中或者固定在冷却板上或绕在冷却柱上。

本发明基于软玻璃光纤覆盖2-10μm波段任意波长的中红外光纤激光器系统，可实现中红外2-10μm波段的拉曼激光输出，进一步拓展可获得输出波长超过13μm的激光输出。

表1