本发明属于强激光和非线性光纤光学技术领域，具体涉及一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统。
背景技术
波长覆盖范围位于1000-1300nm波段内的大功率窄线宽长波光纤激光在非线性频率变换、生物医学、遥感探测、高分辨率光谱成像、光谱合成等领域具有强烈的应用需求和发展潜力。
目前，产生大功率窄线宽长波光纤激光输出的主要方式包含以下3种：
(1)基于镱离子在长波波段的发射特性，直接采用窄线宽激光注入加掺镱光纤激光放大器实现窄线宽长波光纤激光放大输出。在该方案中，由于镱离子在长波波段的发射截面小，输出功率会严重受限于放大自发辐射，不利于向大功率发展。
(2)利用特殊离子掺杂，使增益离子在1000-1300nm波段范围内具有更强的发射特性，利用窄线宽激光注入加掺特殊离子光纤激光放大器实现窄线宽长波光纤激光放大输出。该方案主要受限于特殊光纤的制备、熔接等技术，功率提升潜力受限。
(3)基于拉曼增益，利用窄线宽激光注入加拉曼光纤激光放大器实现窄线宽长波光纤激光放大输出。该方案中，为了提供足够的放大增益，一般需采用数百米光纤，高阶拉曼会严重影响系统向大功率发展。
综上，尽管研究者们已经提出了上述多种窄线宽长波光纤激光的产生方法和功率提升手段，实现大功率窄线宽长波光纤激光的技术方案仍然非常匮乏。因此，综合考虑高阶拉曼抑制、放大自发辐射抑制和光谱展宽，提出实现大功率窄线宽长波光纤激光的有效技术手段具有重要的科学意义和现实需要。
技术实现要素：
针对现有强激光和非线性光纤光学技术领域中存在的缺陷，本发明提供一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统。
本发明利用拉曼泵浦光时频特性对拉曼放大激光光谱展宽特性的影响和镱离子增益直接放大下入射激光时频特性对放大激光光谱展宽特性的影响，从入射激光实现方式、拉曼泵浦光产生形式等方面有效抑制混合增益长波光纤放大中的光谱展宽，为非线性频率变换、生物医学、遥感探测、高分辨率光谱成像、光谱合成等领域提供性能可靠、结构紧凑的高性能光纤光源设计方案，推动窄线宽长波光纤激光辐射领域的进一步发展。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：
一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，包括光纤激光系统阵列、波分复用系统和混合增益光纤放大器；其中混合增益光纤放大器包括基频光泵浦源、全光纤信号-泵浦合束器和大模场掺镱光纤。
光纤激光系统阵列由n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光放大器或n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光器构成；
光纤激光系统阵列输出n束单频或多单频激光，n束单频或多单频激光的中心波长分别为λ1、λ2….λn，其中λ1>1000nm，λn<1300nm，λi满足关系式λi＝λi-1+δλ，2≤i≤n，δλ为混合增益光纤放大器中大模场掺镱光纤所采用的基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量。
光纤激光系统阵列输出的n束单频或多单频激光注入到波分复用系统中，经波分复用系统合束输出的激光通过混合增益光纤放大器中的全光纤信号-泵浦合束器的信号臂注入到大模场掺镱光纤中；混合增益光纤放大器中的基频光泵浦源输出的基频泵浦光通过全光纤信号-泵浦合束器的泵浦臂耦合到大模场掺镱光纤中，混合增益光纤放大器依靠拉曼增益和镱离子增益实现波长从λ1到λn的转换和放大后输出中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。
在本发明中：定义光纤激光系统阵列输出的中心波长为λ1的激光为基频光，光纤激光系统阵列输出的中心波长为λ2的激光为1阶受激拉曼斯托克斯光，依次类推，光纤激光系统阵列输出的中心波长为λn的激光为n-1阶受激拉曼斯托克斯光。
混合增益光纤放大器中的大模场掺镱光纤利用基频光泵浦源输出的基频泵浦光进行抽运。在混合增益光纤放大器中，中心波长为λ1的基频光在基频泵浦光的抽运下进行放大；放大后的中心波长为λ1的基频光充当1阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的中心波长为λ1的基频光抽运大模场掺镱光纤放大中心波长为λ2的1阶受激拉曼斯托克斯光；放大后的1阶受激拉曼斯托克斯光充当2阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的1阶受激拉曼斯托克斯光抽运大模场掺镱光纤放大中心波长为λ3的2阶受激拉曼斯托克斯光；依次类推，放大后的n-2阶受激拉曼斯托克斯光充当n-1阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的n-2阶受激拉曼斯托克斯光抽运大模场掺镱光纤放大中心波长为λn的n-1阶受激拉曼斯托克斯光；
这样，混合增益光纤放大器依靠拉曼增益和镱离子增益实现波长从λ1到λn的转换和放大，最终经混合增益光纤放大器输出的光纤激光中主要是中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。
进一步地，为了保证最终输出的中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光具有高光束质量、高光谱纯度。本发明还包括包层光滤除器、光纤端帽、准直器、二色镜、废光收集器，经混合增益光纤放大器输出的光纤激光注入到包层光滤除器，在包层光滤除器将残余的基频泵浦光和放大产生的包层光滤除；经包层光滤除器后的光纤激光经过光纤端帽和准直器后扩束准直输出，准直输出的光纤激光入射到二色镜，其中光纤激光中含有的放大后但未完全波长转换的中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光经二色镜透射后注入到废光收集器，经二色镜反射输出的即为具有高光束质量、高光谱纯度的中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。
本发明中实现抑制光谱展宽，同时实现窄线宽输出的关键在于：光纤激光系统阵列输出中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光需为单频激光或多单频激光。
对于光纤激光系统阵列输出的中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光均为单频激光或均为多单频激光。如果均为多单频激光，则多单频激光可以由单频激光经外部相位调制产生，也可以由多个分立单频光纤激光器合束产生。
光纤激光系统阵列输出的中心波长为λn的激光为单频激光，或者光纤激光系统阵列输出的中心波长为λn的激光为多单频、窄线宽激光，其中多单频、窄线宽激光由单频激光经外部相位调制产生。为了抑制四波混频对中心波长为λn放大激光谱线宽度和谱线纯度的影响，中心波长为λn的窄线宽注入激光一般由单频激光经外部相位调制产生，而不采用多个分立单频光纤激光器合束产生。
针对λ1、λ2….λn的每个波长，外部相位调制信号可以是正弦、白噪声、伪随机相位编码等，也可以是上述不同调制信号的任意组合。混合增益光纤放大器中的大模场掺镱光纤基质材料确定后，便可确定基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量δλ。根据用户需求，确定最终需要产生的大功率窄线宽长波光纤激光的中心波长λn，则通过关系式λi＝λi-1+δλ，2≤i≤n，即可确定λ1、λ2….λn-1。
本发明中，所述的波分复用系统实现方式不限，可以是多尾纤注入、单尾纤输出、多个微光学膜片组合实现的(m×1，m为注入纤个数，1为输出纤个数)一体化波分复用器，也可以是多个2×1波分复用器级联的波分复用系统。波分复用系统的作用为将n束中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光合成为一束激光输出。
本发明中，所述的混合增益光纤放大器包括全光纤信号-泵浦合束器、大模场掺镱光纤、基频光泵浦源。其中：全光纤信号-泵浦合束器由信号臂、基频光泵浦臂、输出臂构成，全光纤信号-泵浦合束器可以是(2+1)×1、(6+1)×1等不同结构的全光纤信号-泵浦合束器，其中2+1)×1结构的全光纤信号-泵浦合束器有两个泵浦臂、一个信号臂和一个输出臂，(6+1)×1结构的全光纤信号-泵浦合束器有六个泵浦臂、一个信号臂和一个输出臂。波分复用系统连接全光纤信号-泵浦合束器的信号臂，波分复用系统合束输出的激光通过全光纤信号-泵浦合束器的信号臂注入到大模场掺镱光纤中。全光纤信号-泵浦合束器的输出臂连接大模场掺镱光纤，大模场掺镱光纤所采用的基质材料可有多种选择，可以是硬玻璃基质材料(如二氧化硅)，也可以是软玻璃材料(如硅酸盐、磷酸盐等)。大模场掺镱光纤其纤芯和包层可有多种选择，考虑大功率输出，大模场掺镱光纤的纤芯直径一般>20μm、大模场掺镱光纤的包层厚度一般>200μm。混合增益光纤放大器中的基频光泵浦源有多个，所有基频光泵浦源的结构相同，各基频光泵浦源连接在全光纤信号-泵浦合束器的各泵浦臂上，各基频光泵浦源输出的基频泵浦光通过全光纤信号-泵浦合束器的泵浦臂耦合到大模场掺镱光纤中。基频光泵浦源的波长可有多种选择，可以是976nm、915nm、960nm、1018nm等；基频光泵浦源其实现方式多样，可以是半导体激光器、光纤激光器等。
一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统的输出激光参数测量系统，包括光纤激光系统阵列、波分复用系统、混合增益光纤放大器、包层光滤除器、光纤端帽、准直器、二色镜、废光收集器、高反镜、功率计以及时域-光谱-光束质量一体化测量系统；其中混合增益光纤放大器包括基频光泵浦源、全光纤信号-泵浦合束器和大模场掺镱光纤；
光纤激光系统阵列由n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光放大器或n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光器构成；光纤激光系统阵列输出n束单频或多单频激光，n束单频或多单频激光的中心波长分别为λ1、λ2….λn，其中λi满足关系式λi＝λi-1+δλ，2≤i≤n，δλ为混合增益光纤放大器中大模场掺镱光纤所采用的基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量。
光纤激光系统阵列输出的n束单频或多单频激光注入到波分复用系统中，经波分复用系统合束输出的激光通过混合增益光纤放大器中的全光纤信号-泵浦合束器的信号臂注入到大模场掺镱光纤中；混合增益光纤放大器中的基频光泵浦源输出的基频泵浦光通过全光纤信号-泵浦合束器的泵浦臂耦合到大模场掺镱光纤中，混合增益光纤放大器依靠拉曼增益和镱离子增益实现波长从λ1到λn的转换和放大，最终经混合增益光纤放大器输出的光纤激光中主要是中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。
经混合增益光纤放大器输出的光纤激光注入到包层光滤除器，在包层光滤除器将残余的基频泵浦光和放大产生的包层光滤除；经包层光滤除器后的光纤激光经过光纤端帽和准直器后扩束准直输出，准直输出的光纤激光入射到二色镜，其中光纤激光中含有的放大后但未完全波长转换的中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光经二色镜透射后注入到废光收集器，经二色镜反射输出的具有高光束质量、高光谱纯度的中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光输出至高反镜，其中大部分激光经高反镜反射出来后注入到功率计，其余小部分激光经高反镜透射出来的注入到时域-光谱-光束质量一体化测量系统，用以探测输出中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光的时域特性、光谱特性和光束质量。
本发明中，所述的包层光滤除器将残余的基频泵浦光和包层光滤除到自由空间，防止基频泵浦光和包层光对输出激光光束质量、光谱纯度等特性造成影响，保证高光束质量、高光谱纯度输出。
本发明中，所述的光纤端帽为采用光纤与熔石英头经过熔融拉锥制作的激光传输发射器件，可有效降低输出端面的激光功率密度，防止发生光学放电，造成放大系统损坏。
本发明中，所述的准直器的透射波长覆盖λ1到λn整个波段，其主要用于激光束准直发射，可以由一个或多个透镜组合实现，透镜的材料选择多样，可以是熔石英、znse、caf2等。
本发明中，所述的二色镜用于将放大后未完全转换的中心波长为λ1、λ2….λn-1的单频或多单频激光和中心波长为λn的单频或多单频、窄线宽激光从空间上分离，最终得到高光谱纯度、中心波长为λn的窄线宽放大激光输出，其构成材料不限，可以是熔石英、k9等。
本发明中，所述的废光收集器用于接收经二色镜后未被完全转换而残余的中心波长为λ1、λ2….λn-1的单频或多单频激光，其可以是石英基锥形废光收集器、黄铜基锥形废光收集器等，也可以是传统的功率测量接收器件。
本发明中，所述的高反镜构成材料不限，可以是熔石英、k9等，具体根据辐照激光功率密度选择，中心波长为λn的长波光纤激光输出光谱在其反射谱范围内。
本发明中，所述的功率计用以接收和测量放大后波长为λn的单频或多单频、窄线宽长波光纤激光的输出功率。
本发明中，所述的时域-光谱-光束质量一体化测量系统由光电信号采集显示模块、光谱测量模块和光束质量监测模块构成。光电信号采集显示模块一般由光电探测器和示波器构成，可将入射光信号转变为电信号并显示在终端，用以观察输出中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光的时域稳定性；光谱测量模块一般由光谱仪、法布里-珀罗腔(f-p腔)等构成，用以探测输出激光的谱线精细结构、谱线宽度以及在功率提升过程中的光谱演化过程；光束质量测量模块一般为光束质量测量仪，用以观察和测量输出长波光纤激光的光束质量和远场光斑分布。
本发明实现大功率窄线宽长波光纤激光的基本原理如下：
为了实现大功率长波光纤激光输出，须同时借助于掺镱离子增益和拉曼增益，即二者的混合增益。在混合增益光纤放大器中，线宽保持显得尤为重要。
针对依靠镱离子增益直接放大而言，若想最终获得中心波长为λn的窄线宽激光输出，只需中心波长为λn的注入激光为窄线宽激光且注入激光在放大过程中无明显光谱展宽。目前，尽管直接窄线宽振荡器、窄带滤波超荧光光源、窄带随机光纤激光等方式均能产生窄线宽注入激光，其在放大过程中均会产生光谱展宽，且光谱展宽倍数与放大器放大倍数成正相关。产生光谱展宽的根源在于上述方案产生的窄线宽注入激光其时域特性均不稳定，时域不稳定性体现为光谱域的展宽。进而，在放大过程中注入激光时域的不稳定性使得放大激光光谱不断展宽。由于时域和光谱域是严格的傅里叶变换关系，理论上单频激光时域超稳定，不会引入额外噪声导致光谱展宽。
因此，不同于上述窄线宽产生方式，若中心波长为λn的注入激光采用单频激光或单频激光经外部相位调制产生的多单频、窄线宽激光，则产生的窄线宽激光可保持单频激光的时域稳定性，其在放大过程中无明显光谱展宽。因此，利用混合增益产生大功率窄线宽长波光纤激光的关键之一在于中心波长为λn的注入激光需为单频激光或单频激光经外部相位调制产生的多单频、窄线宽激光。
在混合增益光纤放大器中，针对依靠前向泵浦拉曼增益放大而言，拉曼放大增益对泵浦光的时域噪声无抑制作用，即泵浦光的噪声会直接传递给放大激光。泵浦光时域噪声传递给放大激光后会伴随着放大激光的光谱展宽。在混合增益光纤放大器中，被放大转换的中心波长为λi-1(2≤i≤n)的激光是下一阶中心波长为λi(2≤i≤n)的激光的泵浦光，即除了中心波长为λn的最终放大激光，其余波长激光在放大转换过程中均会扮演泵浦光的角色。因此，为了在混合增益光纤放大器中依靠拉曼增益实现中心波长为λn的窄线宽放大激光输出，同样需要中心波长为λ1、λ2….λn-1的注入激光时域超稳定，这就要求中心波长为λ1、λ2….λn-1的注入激光为单频或多单频激光。由于拉曼增益谱较宽，针对特定的中心波长，多单频激光可经过外部相位调制产生，也可通过多单频激光合束产生。此外，由于拉曼增益谱较宽，中心波长为λ1、λ2….λn-1的注入激光可不必为窄线宽激光。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
1、本发明综合利用拉曼泵浦光时频特性对拉曼放大激光光谱展宽特性的影响和镱离子增益直接放大下注入激光时频特性对放大激光光谱展宽特性的影响，从注入激光实现方式、拉曼泵浦光产生形式等方面有效抑制混合增益长波光纤放大中的光谱展宽，提供了一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统。该系统中，中心波长为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光通过波分复用系统后在混合增益光纤放大器中进行便放大便转换，最终获得中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光输出；当2≤i≤n时，λi满足关系式λi＝λi-1+δλ，δλ为混合增益光纤放大器中光纤基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量；该系统的关键在于在于：中心波长为λn的注入激光需为单频激光或经外部相位调制产生的多单频、窄线宽激光；中心波长分别为λ1、λ2…λn-1的注入激光需均为单频激光或多单频激光；由于拉曼增益谱较宽，针对中心波长分别为λ1、λ2…λn-1中特定的中心波长，多单频激光可经外部相位调制产生，也可通过分立多单频激光合束产生；此外，由于拉曼增益谱较宽，中心波长为中心波长分别为λ1、λ2…λn-1的注入激光可不必为窄线宽激光。
2、本发明中经外部相位调制产生多单频激光时外部调制信号实现形式多样，可以是正弦、白噪声、伪随机相位编码等，也可以是上述不同调制信号的任意组合。
3、本发明具备通用性：就可放大波长范围而言，通过确定λ1的取值和混合增益光纤放大器中光纤的基质材料，该方法可用于1000nm～1300nm任意波长的放大，并可进一步向更长波长拓展。
4、本发明中，波分复用系统实现方式不限，可以是多尾纤注入、单尾纤输出、多个微光学膜片组合实现的(m×1，m为注入纤个数，1为输出纤个数)一体化波分复用器，也可以是多个2×1波分复用器级联的波分复用系统；混合增益光纤放大器中全光纤信号-泵浦合束器可以是(2+1)×1、(6+1)×1等不同结构，大模场掺镱光纤基质材料可有多种选择，可以是硬玻璃基质材料(如二氧化硅)，也可以是软玻璃材料(如硅酸盐、磷酸盐等)；大模场掺镱光纤纤芯和包层可有多种选择；基频光泵浦源波长可有多种选择，可以是976nm、915nm、960nm、1018nm等，其实现方式多样，可以是半导体激光器、光纤激光器等。
附图说明
图1为本发明一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统的输出激光参数测量系统的系统结构示意图。
图2为本发明的一个典型应用示例图：1178nm大功率窄线宽光纤激光产生系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施方式进行进一步的详细说明。
图1为本发明一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统的输出激光参数测量系统的系统结构示意图，如图1所示，包括光纤激光系统阵列1-1、波分复用系统1-2、混合增益光纤放大器1-3、包层光滤除器1-4、光纤端帽1-5、准直器1-6、二色镜1-7、废光收集器1-8、高反镜1-9、功率计1-10、时域-光谱-光束质量一体化测量系统1-11。
图1中，光纤激光系统阵列1-1、波分复用系统1-2、混合增益光纤放大器1-3即可构成大功率窄线宽长波光纤激光产生系统。光纤激光系统阵列1-1由n个不同中心波长(中心波长分别为λ1、λ2….λn)的单频或多单频光纤激光器或光纤激光放大器构成，依次为中心波长为λ1的单频或多单频光纤激光器或光纤激光放大器1-1,1、中心波长为λ2的单频或多单频光纤激光器或光纤激光放大器1-1,2…….中心波长为λn-1的单频或多单频光纤激光器或光纤激光放大器1-1,n-1、中心波长为λn的单频或多单频光纤激光器或光纤激光放大器1-1,n。
光纤激光系统阵列1-1输出n束单频或多单频激光，n束单频或多单频激光的中心波长分别为λ1、λ2….λn，其中λ1>1000nm，λn<1300nm，λi满足关系式λi满足关系式λi＝λi-1+δλ，2≤i≤n，δλ为混合增益光纤放大器1-3中大模场掺镱光纤1-3,2所采用的基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量。
全光纤信号-泵浦合束器1-3,1、大模场掺镱光纤1-3,2和基频光泵浦源1-3,3构成混合增益光纤放大器1-3。混合增益光纤放大器1-3中的基频光泵浦源1-3,3有多个，所有基频光泵浦源1-3,3的结构相同，基频光泵浦源1-3,3采用半导体激光器或者光纤激光器。各基频光泵浦源1-3,3连接在全光纤信号-泵浦合束器1-3,1的各泵浦臂上。
光纤激光系统阵列1-1输出的n束单频或多单频激光首先注入到波分复用系统1-2合成为一束激光输出；经波分复用系统1-2合束输出的激光通过全光纤信号-泵浦合束器1-3,1的信号臂注入到大模场掺镱光纤1-3,2中。各基频光泵浦源1-3,3输出的基频泵浦光通过全光纤信号-泵浦合束器1-3,1的各泵浦臂耦合到大模场掺镱光纤1-3,2中。混合增益光纤放大器1-3依靠拉曼增益和镱离子增益实现波长从λ1到λn的转换和放大，最终实现中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光输出。
进一步地，为了保证最终输出的中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光具有高光束质量、高光谱纯度。图1中的大功率窄线宽长波光纤激光产生系统还包括包层光滤除器1-4、光纤端帽1-5、准直器1-6、二色镜1-7和废光收集器1-8。经混合增益光纤放大器1-3输出的光纤激光注入到包层光滤除器1-4，在包层光滤除器1-4将残余的基频泵浦光和放大产生的包层光滤除；经包层光滤除器1-4后的光纤激光经过光纤端帽1-5和准直器1-6后扩束准直输出，准直输出的光纤激光入射到二色镜1-7，其中光纤激光中含有的放大后但未完全波长转换的中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光经二色镜1-7透射后注入到废光收集器1-8，经二色镜1-7反射输出的即为具有高光束质量、高光谱纯度的中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。
定义光纤激光系统阵列1-1输出的中心波长为λ1的激光为基频光，光纤激光系统阵列1-1输出的中心波长为λ2的激光为1阶受激拉曼斯托克斯光，依次类推，光纤激光系统阵列1-1输出的中心波长为λn的激光为n-1阶受激拉曼斯托克斯光。混合增益光纤放大器1-3中的大模场掺镱光纤1-3,2利用基频光泵浦源1-3,3输出的基频泵浦光进行抽运。具体而言，中心波长为λ1的基频光在基频泵浦光的抽运下进行放大；放大后的中心波长为λ1的基频光充当1阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的中心波长为λ1的基频光抽运大模场掺镱光纤1-3,2放大中心波长为λ2的1阶受激拉曼斯托克斯光；放大后的1阶受激拉曼斯托克斯光充当2阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的1阶受激拉曼斯托克斯光抽运大模场掺镱光纤1-3,2放大中心波长为λ3的2阶受激拉曼斯托克斯光；依次类推，放大后的n-2阶受激拉曼斯托克斯光充当n-1阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的n-2阶受激拉曼斯托克斯光抽运大模场掺镱光纤1-3,2放大中心波长为λn的n-1阶受激拉曼斯托克斯光。在大模场掺镱光纤1-3,2中实现边放大边波长转换，最终实现中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光输出。
图1为本发明一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统的输出激光参数测量系统的系统结构示意图，包括由光纤激光系统阵列1-1、波分复用系统1-2、混合增益光纤放大器1-3、包层光滤除器1-4、光纤端帽1-5、准直器1-6、二色镜1-7和废光收集器1-8构成的大功率窄线宽长波光纤激光产生系统以及由高反镜1-9、功率计1-10和时域-光谱-光束质量一体化测量系统1-11构成的激光参数测量系统。经二色镜1-7反射输出的具有高光束质量、高光谱纯度的中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光输出至高反镜1-9。经高反镜1-9反射的大部分光束注入到功率计1-10，经高反镜1-9透射的小部分激光注入到时域-光谱-光束质量一体化测量系统1-11，用以探测输出长波光纤激光的时域特性、光谱特性和光束质量。时域-光谱-光束质量一体化测量系统1-11由光电信号采集显示模块1-11,1、光谱测量模块1-11,2和光束质量监测模块1-11,3构成。
下面将结合一个典型的应用示例—1178nm大功率窄线宽光纤激光产生系统(系统结构示意图如附图2所示)，对该技术发明的具体实施过程进行说明，技术发明的适用范围不局限于该典型示例。
参照图2，本实施例中：光纤激光系统阵列1-1、波分复用系统1-2、混合增益光纤放大器1-3、包层光滤除器1-4、光纤端帽1-5、准直器1-6、二色镜1-7、废光收集器1-8、高反镜1-9、功率计1-10、时域-光谱-光束质量一体化测量系统1-11。
其中光纤激光系统阵列1-1由中心波长为1078nm的单频或多单频光纤激光器或光纤激光放大器1-1,1、中心波长为1128nm的单频或多单频光纤激光器或光纤激光放大器1-1,2和1178nm的的单频或多单频光纤激光器或光纤激光放大器1-1,3构成。
混合增益光纤放大器1-3由(6+1)×1结构的全光纤信号-泵浦合束器1-3,1、大模场掺镱光纤1-3,2和基频光泵浦源1-3,3构成。基频光泵浦源1-3,3为6个。
时域-光谱-光束质量一体化测量系统1-11由光电信号采集显示模块1-11,1、光谱测量模块1-11,2和光束质量监测模块1-11,3构成。
设混合增益光纤放大器中增益光纤基质材料为二氧化硅，其对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量δλ＝50nm，若想产生1178nm大功率窄线宽光纤激光，可设置λ1＝1078nm、λ2＝1128nm。具体实施方式如下：如附图2所示，中心波长分别为1078nm、1128nm、1178nm的单频或多单频光纤激光系统阵列1-1输出的激光首先通过波分复用系统1-2合成为一束激光输出；中心波长为1078nm、1128nm、1178nm的单频或多单频光纤激光系统阵列1-1由中心波长分别为1078nm、1128nm的单频或多单频光纤激光器或放大器和1178nm的单频或多单频、窄线宽光纤激光器或放大器构成。经波分复用系统1-2合束输出的激光通过(6+1)×1全光纤信号-泵浦合束器1-3,1的信号臂注入到大模场掺镱光纤1-3,2中。基频光泵浦源1-3,3由6个中心波长为976nm的半导体激光器构成。各基频光泵浦源1-3,3产生的抽运光通过(6+1)×1全光纤信号-泵浦合束器1-3,1的6个泵浦臂耦合到大模场掺镱光纤1-3,2中。大模场掺镱光纤1-3,2可选用纤芯包层比为20/400μm的大模场双包层掺镱光纤。(6+1)×1结构的全光纤信号-泵浦合束器1-3,1、大模场掺镱光纤1-3,2和6个基频光泵浦源1-3,3构成混合增益光纤放大器1-3。混合增益光纤放大器1-3依靠拉曼增益和镱离子增益实现波长从1078nm到1178nm的转换和放大，最终实现中心波长为1178nm的大功率窄线宽长波光纤激光输出。具体而言，中心波长为1078nm的基频光在976nm基频泵浦源1-3,3的抽运下进行放大；放大后中心波长为1078nm的基频光充当中心波长为1128nm的1阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，抽运大模场掺镱光纤1-3,2放大中心波长为1128nm的1阶受激拉曼斯托克斯光；放大后中心波长为1128nm的1阶受激拉曼斯托克斯光充当中心波长为1178nm的2阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，抽运大模场掺镱光纤1-3,2产生中心波长为1178nm的2阶受激拉曼斯托克斯光，最终实现中心波长为1178nm的大功率窄线宽长波光纤激光输出。
经混合增益光纤放大器1-3输出的激光注入到包层光滤除器1-4，包层光滤除器1-4将残余的基频泵浦光和放大产生的包层光滤除。经包层光滤除器1-4后的光纤激光经过光纤端帽1-5和准直器1-6后扩束准直输出到自由空间。准直输出的光纤激光经过二色镜1-7后，放大后未完全转换的中心波长为1078nm和1128nm的激光经透射后注入到废光收集器1-8，中心波长为1178nm的窄线宽长波光纤激光反射至高反镜1-9。经高反镜1-9反射的大部分光束注入到功率计1-10，经高反镜1-9透射的小部分激光注入到时域-光谱-光束质量一体化测量系统1-11，用以探测输出长波光纤激光的时域特性、光谱特性和光束质量。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。