新型同阈值等效双波段中红外脉冲激光器及激光输出方法与流程

本发明涉及中近红外激光技术领域，更具体的是涉及一种新型同阈值等效双波段中红外脉冲激光器及激光输出方法。

背景技术

随着光纤激光技术的不断发展，中红外脉冲光纤激光器逐渐引起了国内外众多学者的关注，其潜在的应用主要有军事防御、激光微创手术、中红外光谱学、长波中红外泵浦源等。由于目前高功率半导体激光器的商用产品不断成熟，二极管泵浦源掺铒和掺钬的氟化物光纤激光器是实现高能量高峰值功率的中红外激光脉冲的佼佼者。大体而言，有两种方式可用于实现这种脉冲激光链，分别是调q和锁模方式，其中，锁模光纤激光器能够实现超短高峰值功率的激光脉冲输出，目前被动锁模光纤激光器在～3微米波段已实现产生飞秒量级的高峰值功率可达37kw的脉冲激光；然而调q光纤激光器可有效地实现更高能量的脉冲激光输出，在过去的数十年里，大量的实验产生～3微米调q光纤激光主要采用主动调q方式(诸如：声光调q、电光调q及机械调q)和被动调q(诸如：半导体可饱和吸收镜、透射型金属掺杂晶体、石墨烯、拓扑绝缘体以及黑磷等新型二维材料)，相比于固态的主动调q光纤激光方式，被动调q光纤激光器成本低，结构简单而且紧实，更重要的是无需额外加入附加的电驱动系统来实现调q。

目前新型的二维材料的兴起主要集中在石墨烯、拓扑绝缘体以及透射型的金属双硫化物，由于它们具有优异的理化特性而有望成为一种新型的电光调制器件。2004年二维石墨烯材料首次被发现，且于2009年被用于实现～1.55微米波段的掺铒光纤脉冲激光；2013年，亚利桑那州大学韦晨等人首次实现基于石墨烯材料的～3微米掺铒氟化物调q脉冲激光的输出，由于该种材料的可调制深度较低导致极低的吸收效率，从而不是非常适合用于产生短脉冲调q激光。此后，拓扑绝缘体及透射型的金属双硫化物等材料被用于产生～3微米掺铒/钬氟化物光纤脉冲激光，尽管拓扑绝缘体可以在宽带范围内有较大的调制深度，但是它较复杂的制备过程难以在两个不同的元件上组合；此外，宽带透射型的金属双硫化物由于可以在其材料内部引入一些缺陷而使得能级适用于中红外波段，但其制造过程也相对复杂繁琐。

近年来，黑磷因其具有独一无二的直接带隙层而备受关注，它由第五族元素组合而成且带隙可调范围在～0.3ev到～2ev，这使其非常适用于近红外乃至中红外光电开关上，但是在实验过程中，黑磷极易在周围环境下被氧化，致使其性能衰减且进一步增加与空气中存在的水和氧气进行热效应反应。相比前面的二维材料，锑烯作为一种新型的二维材料，具有优良的特性，诸如：较高的稳定性，较大的携带载流子能力，极好的热传导性，应变诱导带隙转化及宽带吸收等，正是由于该种材料具有宽带可饱和吸收特性，再加之～3微米波段脉冲能量能够在浅层软组织中被有效吸收，这非常适用于医疗无热损伤组织切除，同时～2.1微米脉冲激光在激光手术中能够很好的起到凝血作用；另外，在多材料加工中同阈值等效的～3微米脉冲和～2.1微米脉冲也起到非常重要的作用，因此，结合新型锑烯二维材料实现同阈值等效稳定的双波段(～3微米和～2.1微米)中红外脉冲激光输出是一种新的技术手段，该种双波段中红外脉冲激光器在许多实际应用中起到显著的作用。

如图3所示，为一种基于二维纳米材料石墨烯调q的掺铒zblan光纤激光器结构图，其采用被动调q的方式实现～3微米波段激光脉冲的输出，其中，976nm泵浦激光二极管作为泵浦源，泵浦光通过准直透镜、二色镜及聚焦透镜耦合进掺铒zblan增益光纤，再将石墨烯光纤镜与增益光纤尾部直接连接，最终～3微米调q激光脉冲由靠近976nm泵浦激光二极管的二色镜导出，并对输出脉冲激光滤波后进行探测。石墨烯光纤镜是将石墨烯沉积在光纤镜上作为有效可饱和吸器件，以实现腔内激光脉冲的形成，滤波器用于滤除输出激光中的残余泵浦光，通过改变增益光纤的长度以及泵浦光源的功率来实现不同状态下的～3微米激光脉冲输出，但这种激光器存在以下缺点：

1、由于该激光器是利用二维纳米材料石墨烯作为可饱和吸收体实现被动调q脉冲输出，石墨烯材料的可调制深度较低，因此导致其对泵浦光的吸收效率较低，从而不能有效的产生稳定的短脉冲调q激光；

2、将石墨烯沉积于光纤镜上，使得实验操作难度变大，同时直接将石墨烯光纤镜与增益光纤尾部相连接，将实验操作的精准度提高，不易于简单操作，且残余的泵浦光能量较集中的打在材料上，极易使材料损伤，大大降低～3微米激光转换效率；

3、该激光器只能实现～3微米单波长激光脉冲的产生，不可同时获取～2.1微米激光，适用性较窄。

如图4所示，为一种基于二维材料黑磷调q的掺铒zblan光纤脉冲激光器结构图，其采用976nm半导体激光器作为激光泵浦源泵浦掺铒zblan增益光纤实现～3微米被动调q脉冲激光输出，其中，泵浦激光二极管通过准直聚焦透镜f1后，经二色镜f2耦合进掺铒增益光纤中，增益光纤另一端光出射至两个全反镜m1、m2对光路进行调整，最终射入到涂覆有二维材料黑磷的金镜上，并实现脉冲激光的调制；涂覆有二维材料黑磷的金镜是通过液相剥离法制备出来的，其作为反射型可饱和吸收镜，掺铒增益光纤左端面及涂覆有二维材料黑磷的金镜作为激光器的谐振腔，靠近976nm泵浦源的二色镜用以导引～3微米激光输出，通过改变976nm泵浦源的功率大小获取输出脉冲不同状态波形及脉冲相应的功率等特性，但这种激光器存在以下缺点：

1、由于该激光器是基于二维材料黑磷作为可饱和吸收体实现被动调q脉冲输出，黑磷由液相剥离法制备而沉积在金镜上，其表面裸露于空气当中极易与氧气发生氧化作用，致使其性能衰减，且更进一步增加与空气中存在的水和氧气进行热效应反应，因此导致其对系统的调制能力降低，使得吸收效率较低，从而不利于调q脉冲的稳定形成；

2、将二维材料黑磷沉积于金镜表面，易损坏金镜且不利于金镜的再次利用，且制备成本高，使得实验装备造价昂贵；

3、该激光器的激光出射波长单一，对于一些要求多波长激光输出的应用就不再适用，限制了激光器的应用潜力。

由于目前大多数实验基于新型二维材料实现被动调q脉冲中红外激光的波长主要在～3微米和～3.5微米，缺少～3微米和～2.1微米双波长连续激光的同步阈值输出，并且常用的二维材料主要有石墨烯、拓扑绝缘体以及黑磷等，但由于这些二维材料各自有不同的理化特性缺陷而不能实现长期稳定且宽带工作的调q激光脉冲。

技术实现要素：

本发明的目的在于：为了解决现有的基于新型二维材料实现被动调q脉冲中红外激光的波长主要在～3微米和～3.5微米，缺少～3微米和～2.1微米双波长连续激光的同步阈值输出的问题，本发明提供一种新型同阈值等效双波段中红外脉冲激光器及激光输出方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

新型同阈值等效双波段中红外脉冲激光器，包括沿水平方向顺次设置的1150nmld泵浦源、第一二色镜、第二二色镜、第一聚焦透镜、双包层掺钬氟化物增益光纤、第一准直镜和镀金反射镜，其特征在于：还包括设置于第一二色镜上方的1950nmld泵浦源，所述第一二色镜与第二二色镜均倾斜设置，

其中，所述1150nmld泵浦源用于产生连续泵浦激光a；1950nmld泵浦源用于产生连续泵浦激光b；第一二色镜对连续泵浦激光a高透，对连续泵浦激光b高反，用于对连续泵浦激光a与连续泵浦激光b进行合束；第二二色镜对连续泵浦激光a和连续泵浦激光b高透，对～3微米和～2.1微米激光高反，用于将产生的～3微米和～2.1微米激光引导输出；所述第一聚焦透镜用于将连续泵浦激光a和连续泵浦激光b聚焦到双包层掺钬氟化物增益光纤中，以及用于对产生的～3微米和～2.1微米激光进行准直；双包层掺钬氟化物增益光纤用于产生～3微米和～2.1微米激光；第一准直镜用于对～3微米和～2.1微米激光进行准直并入射到镀金反射镜上；镀金反射镜对～3微米和～2.1微米激光高反，用于提供整个激光腔的反馈；所述双包层掺钬氟化物增益光纤的左端面和镀金反射镜围成谐振腔。

进一步的，所述第一准直镜与镀金反射镜之间沿水平方向顺次设置有第二聚焦透镜、锑烯二维可饱和吸收材料和第二准直镜，所述第二聚焦透镜用于对～3微米和～2.1微米激光进行聚焦，并激射到锑烯二维可饱和吸收材料上；锑烯二维可饱和吸收材料对～3微米和～2.1微米激光进行被动调q；第二准直镜对～3微米和～2.1微米激光再次进行准直并入射到镀金反射镜上。

进一步的，所述锑烯二维可饱和吸收材料以液相剥离法制备得到，并且沉积于caf2基低上。

进一步的，所述双包层掺钬氟化物增益光纤的左端面与水平面夹角为0°角，右端面与水平面夹角为8°斜角，用于防止寄生激光振荡。

进一步的，所述双包层掺钬氟化物增益光纤中的能级变化过程为：连续泵浦激光a将⁵i8/2能级上的部分基态粒子抽运到⁵i6/2能级上，实现基态吸收过程a⁵i8/2→⁵i6/2，为⁵i6/2能级累积基态粒子，实现⁵i6/2能级与⁵i7/2能级间的粒子数反转，使从⁵i6/2能级上的粒子跃迁到⁵i7/2能级产生～3微米激光；

连续泵浦激光b将⁵i8/2能级上的部分基态粒子抽运到⁵i7/2能级上，实现基态吸收过程b⁵i8/2→⁵i7/2，为⁵i7/2能级累积基态粒子，实现⁵i7/2能级与⁵i8/2能级间的粒子数反转，使⁵i7/2能级上的粒子跃迁到⁵i8/2能级产生～2.1微米激光。

新型同阈值等效双波段中红外脉冲激光器的激光输出方法，包括如下步骤：

s1：开启1150nmld泵浦源和1950nmld泵浦源，1150nmld泵浦源产生连续泵浦激光a，1950nmld泵浦源产生连续泵浦激光b；

s2：连续泵浦激光a和连续泵浦激光b经第一二色镜合束后，通过第二二色镜及第一聚焦透镜耦合进双包层掺钬氟化物增益光纤，在双包层掺钬氟化物增益光纤中连续泵浦激光a使部分基态粒子从⁵i6/2能级辐射到⁵i7/2能级产生～3微米激光，连续泵浦激光b使部分基态粒子从⁵i7/2能级辐射到⁵i8/2能级产生～2.1微米激光；

s3：分别调节1150nmld泵浦源和1950nmld泵浦源的功率，实现同阈值～3微米和～2.1微米双波长连续激光的产生；

s4：产生的～3微米和～2.1微米双波长连续激光经第一准直镜准直后，射到镀金反射镜上，经镀金反射镜反射后由双包层掺钬氟化物增益光纤左端面输出，并通过第一聚焦透镜准直和第二二色镜反射引导输出。

进一步的，将第二聚焦透镜、锑烯二维可饱和吸收材料和第二准直镜置于第一准直镜与镀金反射镜之间，调整锑烯二维可饱和吸收材料于第二聚焦透镜的焦距处，分别调节1150nmld泵浦源和1950nmld泵浦源的功率，在s3产生同阈值～3微米和～2.1微米双波长连续激光时，形成弛豫振荡过程，然后s4产生的～3微米和～2.1微米双波长连续激光经第一准直镜准直后，通过第二聚焦透镜将～3微米和～2.1微米双波长连续激光聚焦射入锑烯二维可饱和吸收材料，通过锑烯二维可饱和吸收材料对～3微米和～2.1微米双波长连续激光进行调制，调制后再经第二准直镜射入镀金反射镜上，实现脉宽窄化的高峰值功率的～3微米和～2.1微米双波长脉冲激光的输出。

进一步的，从第二二色镜后分别测量～3微米和～2.1微米脉冲激光的功率，并分别计算斜效率，调整1150nmld泵浦源和1950nmld泵浦源的功率占比，实现～3微米和～2.1微米双波长脉冲激光的同步等效率输出。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过利用1150nm和1950nm波段的连续激光泵浦源对双包层掺钬氟化物增益光纤进行混合泵浦的方法，可实现同阈值的～3微米和～2.1微米双波带连续激光的输出，有效的规避了～3微米跃迁饱和现象导致的激光跃迁自终止现象，本发明的方法可实现～3微米激光高效输出，且可降低增益光纤在单波长输出时高产热的问题。

2、本发明通过采用液相剥离法制备新型二维材料锑烯，并将其沉积于caf2基底表面制成透射型可饱和吸收器件，制作成本低，且操作简单，大大降低了实验操作难度，同时简化了系统，且由于锑烯具有较高的稳定性，较大的携带载流子能力，极好的热传导性，应变诱导带隙转化及宽带吸收等独特优势，有利于产生同步～3微米和～2.1微米脉冲激光同时输出。

3、本发明通过调控1150nm和1950nm泵浦源的功率占比，易实现等效率的输出功率接近的～3微米和～2.1微米被动调q脉冲激光输出，同时基于新型二维锑烯材料的稳定性，整个系统输出的脉冲激光可在长时间内稳定的工作，本发明的激光器在多材料加工、医疗手术等领域能够广泛应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是双包层掺钬氟化物增益光纤简化能级图。

图3是一种基于二维纳米材料石墨烯调q的掺铒zblan光纤激光器结构图。

图4是一种基于二维材料黑磷调q的掺铒zblan光纤脉冲激光器结构图。

附图标记：1、1150nmld泵浦源；2、1950nmld泵浦源；3、第一二色镜；4、第二二色镜；5、第一聚焦透镜；6、双包层掺钬氟化物增益光纤；7、第一准直镜；8、第二聚焦透镜；9、锑烯二维可饱和吸收材料；10、第二准直镜；11、镀金反射镜；12、⁵i8/2能级；13、⁵i7/2能级；14、⁵i6/2能级；15、基态吸收过程a；16、基态吸收过程b；17、～3微米激光；18、～2.1微米激光。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种新型同阈值等效双波段中红外脉冲激光器，包括沿水平方向顺次设置的1150nmld泵浦源1、第一二色镜3、第二二色镜4、第一聚焦透镜5、双包层掺钬氟化物增益光纤6、第一准直镜7和镀金反射镜8，还包括设置于第一二色镜3上方的1950nmld泵浦源2，所述第一二色镜3与第二二色镜4均倾斜设置，具体倾斜角度根据实际情况而定，双包层掺钬氟化物增益光纤的左端面与水平面夹角为0°角，右端面与水平面夹角为8°斜角，

其中，所述1150nmld泵浦源1用于产生连续泵浦激光a；1950nmld泵浦源2用于产生连续泵浦激光b；第一二色镜3对连续泵浦激光a高透，对连续泵浦激光b高反，用于对连续泵浦激光a与连续泵浦激光b进行合束；第二二色镜4对连续泵浦激光a和连续泵浦激光b高透，对～3微米和～2.1微米激光高反，用于将产生的～3微米和～2.1微米激光引导输出；所述第一聚焦透镜5用于将连续泵浦激光a和连续泵浦激光b聚焦到双包层掺钬氟化物增益光纤6中，以及用于对产生的～3微米和～2.1微米激光进行准直；双包层掺钬氟化物增益光纤6用于产生～3微米和～2.1微米激光；第一准直镜7用于对～3微米和～2.1微米激光进行准直并入射到镀金反射镜11上；镀金反射镜11对～3微米和～2.1微米激光高反，用于提供激光腔的反馈；所述双包层掺钬氟化物增益光纤6的左端面和镀金反射镜围成谐振腔。

新型同阈值等效双波段中红外脉冲激光器的激光输出方法，包括如下步骤：

s1：开启1150nmld泵浦源1和1950nmld泵浦源2，1150nmld泵浦源1产生连续泵浦激光a，1950nmld泵浦源2产生连续泵浦激光b；

s2：连续泵浦激光a和连续泵浦激光b经第一二色镜3合束后，通过第二二色镜4及第一聚焦透镜5耦合进双包层掺钬氟化物增益光纤6，在双包层掺钬氟化物增益光纤6中连续泵浦激光a使⁵i6/2能级14上的粒子辐射到⁵i7/2能级13产生～3微米激光17，连续泵浦激光b使⁵i7/2能级13上的粒子辐射到⁵i8/2能级12产生～2.1微米激光18；

所述双包层掺钬氟化物增益光纤6中的能级变化过程为：连续泵浦激光a将⁵i8/2能级12上的部分基态粒子抽运到⁵i6/2能级14上，实现基态吸收过程a15⁵i8/2→⁵i6/2，为⁵i6/2能级14累积基态粒子，实现⁵i6/2能级14与⁵i7/2能级13间的粒子数反转，使从⁵i6/2能级14上的粒子跃迁到⁵i7/2能级13产生～3微米激光17；

连续泵浦激光b将⁵i8/2能级12上的部分基态粒子抽运到⁵i7/2能级13上，实现基态吸收过程b16⁵i8/2→⁵i7/2，为⁵i7/2能级13累积基态粒子，实现⁵i7/2能级13与⁵i8/2能级12间的粒子数反转，使⁵i7/2能级13上的粒子跃迁到⁵i8/2能级12产生～2.1微米激光18；

s3：分别调节1150nmld泵浦源1和1950nmld泵浦源2的功率，实现同阈值～3微米和～2.1微米双波长连续激光的产生，具体是：

适当调节1150nmld泵浦源1和1950nmld泵浦源2的功率，使它们之间的功率占比分别满足：

1150nmld泵浦源1功率占比为：35％<p1150/(p1150+p1950)<50％；

1950nmld泵浦源2功率占比为：50％<p1950/(p1150+p1950)<75％；

s4：产生的～3微米和～2.1微米双波长连续激光经第一准直镜7准直后，射到镀金反射镜11上，经镀金反射镜11反射后由双包层掺钬氟化物增益光纤6左端面输出，并通过第一聚焦透镜5准直和第二二色镜4反射引导输出。

实施例2

本实施例在实施例1的基础之上进一步优化，具体是：

所述第一准直镜7与镀金反射镜11之间沿水平方向顺次设置有第二聚焦透镜8、锑烯二维可饱和吸收材料9和第二准直镜10，所述第二聚焦透镜8用于对～3微米和～2.1微米激光进行聚焦，并激射到锑烯二维可饱和吸收材料9上；锑烯二维可饱和吸收材料9对～3微米和～2.1微米激光进行被动调q；第二准直镜10对～3微米和～2.1微米激光再次进行准直并入射到镀金反射镜11上，所述锑烯二维可饱和吸收材料以液相剥离法制备得到，并且沉积于caf2基低上。

将第二聚焦透镜8、锑烯二维可饱和吸收材料9和第二准直镜10置于第一准直镜7与镀金反射镜11之间，调整锑烯二维可饱和吸收材料9于第二聚焦透镜8的焦距处，分别调节1150nmld泵浦源1和1950nmld泵浦源2的功率，使它们的功率占比满足实施例中的条件，在s3产生同阈值～3微米和～2.1微米双波长连续激光时，形成弛豫振荡过程，然后s4产生的～3微米和～2.1微米双波长连续激光经第一准直镜7准直后，通过第二聚焦透镜8将～3微米和～2.1微米双波长连续激光聚焦射入锑烯二维可饱和吸收材料9，通过锑烯二维可饱和吸收材料9对～3微米和～2.1微米双波长连续激光进行调制，调制后再经第二准直镜10射入镀金反射镜11上，所述弛豫过程中由于信号强弱的差异会被锑烯二维可饱和吸收材料9进行调制，当激光功率较高时，该部分激光可有效透过锑烯二维可饱和吸收材料9，当激光功率较低时，该部分激光将会被锑烯二维可饱和吸收材料9所吸收，从而在激光振荡过程中不断循环上述过程，使脉冲激光光强强的地方不断变强，弱的地方不断被吸收，最终实现脉宽窄化的高峰值功率的～3微米和～2.1微米双波长脉冲激光的输出。

实施例3

本实施例在实施例2的基础之上进一步优化，具体是：

从第二二色镜4后分别测量～3微米和～2.1微米脉冲激光的功率，并分别计算斜效率，调整1150nmld泵浦源和1950nmld泵浦源的功率占比满足实施例1中的条件，并使计算得到的两斜效率之间的差值浮动低于2％，实现～3微米和～2.1微米双波长脉冲激光的同步等效率输出。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。