高功率啁啾脉冲放大短波红外相干超连续谱激光光源的制作方法

本实用新型涉及光纤激光领域，尤其涉及一种基于高功率啁啾脉冲放大短波红外相干超连续谱激光光源。

背景技术：

超连续谱激光光源在环境检测、生物医学、自由空间光通信、红外光谱学、国防安全等领域有重要应用前景。相比于传统的非相干荧光光源、稀土元素的自发辐射光源以及热光源，超连续谱激光光源具有亮度高、空间相干性好、结构紧凑、谱宽更广等诸多优点。

近年来，基于“稀土增益光纤放大器”产生超连续谱激光光源的方式，逐渐得到人们重视。基于掺镱光纤放大器实现了功率大于100W、光谱范围为1-2μm的超连续谱激光光源，参考文献(宋锐，侯静，陈胜平，王彦斌，陆启生，177.6W全光纤超连续谱光源，物理学报[J]，2012，61(5)：054217)证明了基于“稀土增益光纤放大器”可极大地提高输出超连续谱激光光源的亮度和功率谱密度。随着2μm波段掺铥光纤的发展，也使得人们逐渐认识到基于掺铥光纤放大器可实现更高亮度的2-2.5μm超连续谱激光光源。由于2-2.5μm波长范围处于短波红外中大气透过率最高的传输窗口，因此该波段的激光光源具有更低的大气传输损耗，非常适用于远距离大气应用研究，这些应用包括主动红外照明与探测，短波红外高光谱成像，自由空间通信，多谱段激光雷达等。基于掺铥光纤放大器可以带来至少两个好处：第一，产生的2-2.5μm超连续谱激光光源的截止波长可以突破2.4μm，甚至可以在2.6μm附近存在较强的光谱能量；第二，利用掺铥光纤的稀土增益，可以成量级地提高2-2.5μm波段内超连续谱激光光源的输出功率水平。

目前用于掺铥光纤放大器产生2-2.5μm超连续谱激光光源输出的种子激光主要有两种：一种是基于2μm波段的锁模激光脉冲或者电调制脉冲激光器；另一种是基于1.5μm掺铒光纤激光产生的2μm激光脉冲种子。由于缺少对掺铥光纤放大器中非线性效应过程和稀土放大过程的控制，导致目前所有的掺铥光纤放大器中超连续谱激光光源产生的转换效率都非常低下(通常被限制在30％以下)、平均输出功率普遍被限制在40w以下、且输出光源的光谱平坦型不好，说明现有的产生方法不能满足高功率光谱平坦型超连续谱激光光源的产生要求。例如参考文献(V.V.Alexander，et al，Power scalable>25W supercontinuum laser from2-2.5μm with near diffraction limited beam and low output variability，Opt.Lett.38，2292-2294(2013).)报道的一个基于掺铥光纤放大器实现的光谱范围覆盖2-2.5μm的超连续谱激光光源，虽然输出平均功率可达到25.7W，但该掺铥光纤放大器的抽运激光到超连续谱激光的功率转换效率仅为23％。又如参考文献(K.Yin，et al.，Over 100W ultra-flat broadband short-wave infrared supercontinuum generation in a thulium-doped fiber amplifier.Opt.Lett，2015 40(20)：4787-4790.)通过采用MHz以上重复频率的脉冲激光种子一定程度上将掺铥光纤放大器的功率转换效率增加到了35.4％，报道的基于掺铥光纤放大器输出平均功率可达到100W的2-2.5μm超连续谱激光光源，但高功率时激光工作效率下降迅速，也难以进一步提高输出功率。这些研究结果表明，当前掺铥光纤放大器中超连续谱激光产生的功率转换效率都非常低下(远远低于连续掺铥激光放大器的一般值60％)，这一方面限制了掺铥光纤放大器中采用当前的方案无法获得更高功率的激光输出；另一方面，由于严重的热积累过程，加重了光源整体系统工作的不稳定因素。如何解决目前掺铥光纤放大器中超连续谱激光的功率转换效率低下的问题，对于获得更高功率的2-2.5μm超连续谱激光光源显得尤为关键。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决当前掺铥光纤放大器中超连续谱激光光源功率转换水平低下的普遍问题，并提供一种高功率啁啾脉冲放大的短波红外相干超连续谱激光光源，该光源采用啁啾脉冲放大并在掺铥光纤放大器中产生宽谱超连续谱激光输出，具有转换效率高、光谱平坦性好、光束质量好、热负载低、稳定性高等特点。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种高功率高效率的啁啾脉冲放大短波红外相干超连续谱激光光源，包括脉冲激光器，啁啾拉伸器和掺铥光纤放大器。其中掺铥光纤放大器由抽运激光器，抽运/信号光纤合束器，掺铥光纤和抽运倾泻器组成。脉冲激光器的输出端与啁啾拉伸器的输入端相连，啁啾拉伸器的输出端与抽运/信号光纤合束器的信号输入端相连，抽运激光器与抽运/信号光纤合束器的抽运臂相连。抽运/信号光纤合束器的合束臂与掺铥光纤的输入端相连。掺铥光纤的输出端与抽运倾泄器相连。

所述脉冲激光器可以是2μm波段的主动锁模掺铥光纤激光器，或者被动锁模掺铥光纤激光器，或者是利用1μm、1.5μm的光纤激光器通过光学非线性效应获得的工作波长在2μm波段的激光器。

所述的激光脉冲器可以提供脉冲宽度在50fs-10ps的超短激光脉冲，激光脉冲的中心波长在1.8-2.2μm之间(位于掺铥光纤放大器增益谱内)，且对应重复频率为100kHz-500MHz。

所述的激光脉冲采用石英光纤、或者氟化物光纤、或者碲酸盐光纤传输。

所述的啁啾拉伸器采用啁啾光纤光栅、或者色散光纤、或者空间耦合的闪耀光栅对、或者体布拉格光栅。

所述掺铥光纤放大器至少包含一个抽运激光器。所述的抽运激光器可以是工作波长在793nm、或者1550nm的高功率半导体激光二极管，或者是工作波长在793nm、或者1550nm的光纤激光器。所述的抽运激光器的输出光纤可以是单模和多模光纤。

所述掺铥光纤的纤芯采用高掺杂设计，铥离子的掺杂浓度大于1×10²⁵m^-3，其端面结构为阶跃折射率型折射率结构或光子晶体结构，光纤基模有效模场面积大于50μm²，小于1000μm²。所述的掺铥光纤在2μm仅支持单模或者支持少数模式，并且基模的群速度色散量符号与啁啾拉伸器的群速度色散量相反，可以在掺铥光纤内对放大后信号激光脉冲进行啁啾补偿，实现脉冲压缩。

本实用新型中，脉冲激光器产生的超短激光脉冲在经过啁啾拉伸器后输出脉冲宽度得到极大的时间展宽后形成大啁啾量脉冲(纳秒激光脉冲)，作为信号激光注入掺铥光纤放大器；抽运/信号光纤激光合束器将经过啁啾拉伸器拉伸之后的信号激光脉冲以及来自抽运激光器的抽运激光耦合进入双包层掺铥光纤；在抽运激光器的作用下，该纳秒激光脉冲可以在掺铥光纤中得到功率放大，获得大于20dB的增益，并且同时在掺铥光纤内部完成啁啾补偿和脉冲压缩，脉冲压缩后的激光脉冲发生严重的以自相位调制、受激拉曼散射效应为主的光学非线性效应，于掺铥光纤输出端实现快速的光谱展宽，形成经过抽运倾泄器的2-2.5μm的超连续谱激光输出。所述抽运倾泻器可以剥离掺铥光纤后的未吸收的抽运激光以及可能的包层激光，确保输出超连续谱激光具有好的光束质量。本实用新型中，所述的掺铥光纤放大器中抽运激光到超连续谱激光光源的功率转换效率高于40％；所述超连续谱激光的输出光谱平坦度好，无明显的光谱尖峰，3dB光谱宽度大于500nm，可以覆盖2-2.5μm的大气窗口范围。

本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型采用啁啾拉伸器对超短激光脉冲进行拉伸，可显著提高掺铥光纤放大器的信号激光的时间占空比，增加掺铥光纤放大器中抽运激光到超连续谱激光的功率转换效率；

2.本实用新型采用高占空比的大啁啾激光脉冲作为掺铥光纤放大器的信号激光，可在实现放大器对2μm信号激光的功率提升的同时，实现对信号激光脉冲的啁啾压缩，获得超高峰值功率激光脉冲，并最终在受激拉曼散射效应为主的光学非线性效应作用下，于掺铥光纤输出端快速形成光谱范围2-2.5μm的超连续谱激光；

3.本实用新型通过啁啾脉冲放大超连续谱光源产生方式，降低放大器内部非辐射跃迁带来的热效应，有效降低掺铥光纤的热负载，并且产生2-2.5μm超连续谱激光位于掺铥光纤放大器输出端处，激光经历的较小的石英光纤吸收损耗，可以减小光纤红外损耗对产生超连续谱激光的再吸收，保证高功率高亮度2-2.5μm相干超连续谱激光输出。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的信号激光脉冲经过啁啾拉伸器前后的脉冲宽度对比图；

图3是本实用新型实施例中超连续谱光源的光谱图；

图4表示2-2.5μm大气窗口透射谱。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1给出了本实用新型所述的一种高功率高效率啁啾脉冲放大短波红外相干超连续谱激光光源的一个实施例。具体由脉冲激光器1，啁啾拉伸器2和掺铥光纤放大器3组成。其中掺铥光纤放大器由抽运激光器4，抽运/信号光纤合束器5，掺铥光纤6和抽运倾泻器7组成。脉冲激光器1的输出端与啁啾拉伸器2的输入端连接，啁啾拉伸器2的输出端与抽运/信号光纤合束器5的信号输入臂连接，抽运/信号光纤合束器5的合束臂与增益光纤6的输入端连接，增益光纤6的输出端与抽运倾泄器7连接。六个抽运激光器4分别与抽运/信号光纤合束器5的六个抽运臂连接。

本实施例中脉冲激光器1为一个被动锁模掺铥光纤激光器，采用环形腔结构设计，输出激光脉冲的脉冲宽度为3ps(3dB光谱宽度为6nm)、重复频率为100MHz、平均功率为0.2W，中心波长为1.96μm，输出光纤为单模石英光纤。

本实施例中啁啾拉伸器2为采用一段2μm附近的正色散光纤，光纤的线性色散群速度色散量为50ps/(nm*km)，使用光纤长度为2km，可将脉冲激光器1输出脉冲宽度拉伸至约1.2ns。经过啁啾拉伸器拉伸前后的脉冲宽度对比如图2所示。图2中右上角的图是曲线的局部放大图像。脉冲宽度拉伸后的激光脉冲作为掺铥光纤放大器3的信号激光脉冲，对应的信号激光脉冲的占空比为0.12％。

本实施例中掺铥光纤放大器3采用六个工作波长在793nm的半导体激光器4作为抽运激光，通过抽运/信号光纤合束器5后测量总功率为700W。

本实施例中掺铥光纤6为一段长度为3m的双包层大模场阶跃折射率型掺铥光纤，光纤的纤芯/包层直径为25/250μm，在793nm的抽运吸收系数约为9dB/m，其在2μm波段的群速度色散量是70ps/(nm*km)。掺铥光纤在2μm的基模有效模场面积为371μm²，光纤纤芯的铥离子掺杂浓度为3×10²⁶m^-3。

本实施例中抽运倾泻器7为与掺铥光纤6相匹配的非掺杂光纤，长度为0.5m。

本实施例的工作过程如下：脉冲激光器1的输出激光脉冲在经过啁啾拉伸器2之后，变成含有大量正啁啾量的纳秒激光脉冲；进一步地，在抽运激光器4的作用下，该纳秒激光脉冲可以在增益光纤6中得到功率放大，并且在增益光纤6作用下完成啁啾补偿和脉冲压缩；进一步地，压缩后的激光脉冲发生严重的光学非线性效应，形成经过抽运倾泄器7的2-2.5μm的超连续谱激光输出。

图3给出了本实施例中输出超连续谱激光光源的光谱图，可以看出其光谱平坦性好，3dB光谱带宽为640nm，覆盖波长范围是1970-2610nm。

图4给出了2-2.5μm大气窗口透射谱，可以看出本实施例中输出超连续谱激光光源的光谱范围(见图3)有效覆盖了此大气传输窗口，说明本实用新型产生超连续谱激光光源用于远距离大气传输时具有高的通过率，损耗小，能够满足有关的大气应用需求。

本实施例中输出超连续谱激光光源的最高平均功率为294W，对应抽运激光到超连续谱激光功率转换效率为42％，所述超连续谱激光的输出光束质量评价因子M²小于1.2，具有较好的空间相干性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。