掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器的制作方法

本实用新型属于增益开关激光器技术领域，特别涉及一种掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器。

背景技术：

目前，在2微米人眼安全波段工作的激光器在科学研究和工业应用中引起了极大的兴趣，例如在传感、光谱学、材料加工应用和非线性频率转换领域。2微米波段具有丰富的分子吸收谱线，匹配该吸收波长的激光源对于大气激光雷达感测以及医学外科应用非常有用。1908纳米的激光是1.9微米波段激光的一个重要分支，因为1908纳米的激光器可以通过泵浦Cr:ZnSe/S、Ho:YAG以及其他非线性晶体产生2微米波段的激光。然后，2微米的激光器可以通过泵浦ZGP晶体产生3微米到5微米的激光。3微米到5微米的中红外激光器广泛应用于光电对抗和激光雷达系统。通常，通过两种方式之一获得1908纳米的激光：使用固态激光器或光纤激光器。然而，损耗和热效应会导致固态激光器显示出较低的光学效率和较差的光束质量因子。相比而言，全光纤激光器具有较低的损耗和热效应，这意味着它们具有更高的光学效率、输出功率和更好的光束质量因子。此外，全光纤激光器具有结构紧凑，重量轻，操作简单，光束质量好等诸多优点。

最近，采用增益开关技术产生脉冲的方式逐渐成为热点，随之而来产生了大量的相关研究和应用。借助于光纤良好的散热性能，掺铥光纤激器在高功率运转方面具有独特优势。掺铥增益光纤主要有780纳米到800纳米、1200纳米、1550到1750纳米三个吸收带，1550到1750纳米的吸收带与掺铒光纤激器的发射带重叠，选用掺铒光纤激器带间(in-band)泵浦掺铥光纤，可以得到非常低的泵浦量子损耗和较高的泵浦斜效率(70％到80％)，但无法获得高的脉冲能量。

相比于1550纳米吸收带，780纳米到800纳米光源可以直接使用商业的AlGaAs高功率半导体激光器进行泵浦，使用800纳米激光泵浦，激发态铥离子可以与基态铥离子作用产生两个f能级的铥离子，也就是“二到一”交叉驰豫过程。这个过程增加泵浦光的光光转换效率，使掺铥介质的光光转换效率理论值达到了的光转换效率理论值达到了的光转换效率理论值达到了的光转换效率理论值达到80％，这使得掺铥光纤激光器可以在高功率下运转，同时可以作为向中红外光谱转换的理想光源。但同时800纳米泵浦的输出脉冲由于“二到一”交叉弛豫过程使其在时域上不如1550纳米波长泵浦的输出脉冲规则，给应用带来了不便。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供一种掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器，包括依次连接的脉冲发生器、偏置T形电路驱动、纳米脉冲泵浦源和第一光纤隔离器，所述第一光纤隔离器的输出端与光纤合束器的第一输入端连接，所述光纤合束器的输出端、第一光纤布拉格光栅、增益光纤和第二光纤布拉格光栅依次连接，所述光纤合束器的第二输入端连接有第一半导体激光器，所述第二光纤布拉格光栅的输出端输出光纤到Cr:ZnSe/S晶体，最终输出激光。

作为优选，所述光纤合束器的第三输入端连接有第二半导体激光器；所述纳米脉冲泵浦源和第一光纤隔离器之间设有依次连接的第二光纤隔离器、波分复用器和掺铒光纤/铒镱共掺光纤，所述波分复用器的第一输入端与第二光纤隔离器的输出端连接，所述波分复用器的第二输入端和第三输入端分别连接有第三半导体激光器和第四半导体激光器。

作为优选，所述第二光纤布拉格光栅和Cr:ZnSe/S晶体之间依次设有泵浦剥离器、准直隔离器、聚焦透镜和第一腔镜，所述Cr:ZnSe/S晶体的输出端设有第二腔镜，激光从所述准直隔离器输出后依次通过聚焦透镜、第一腔镜、Cr:ZnSe/S晶体和第二腔镜，最终激光通过所述第二腔镜输出，所述第一腔镜、Cr:ZnSe/S晶体和第二腔镜构成Cr:ZnSe/S构成激光谐振腔。

作为优选，所述第一腔镜和第二腔镜的上端均向靠近Cr:ZnSe/S晶体的方向倾斜设置，所述Cr:ZnSe/S晶体的下方设有光栅和输出耦合器，以使激光从准直隔离器输出后依次通过聚焦透镜、第一腔镜、Cr:ZnSe/S晶体和第二腔镜后,一部分激光从第二腔镜反射到光栅上，经过所述光栅反射回第二腔镜后，最终激光通过输出耦合器输出。

作为优选，所述第二半导体激光器输出的中心波长λ的范围为：750纳米≤λ≤820纳米，实验中测得中心波长为788.5纳米，3dB带宽为1.5纳米；所述泵浦剥离器所用光纤类型为25/400双包层光纤，信号输入损耗为0.5dB

作为优选，所述增益光纤为纤芯为25微米、包层为400微米的双包层保偏或非保偏掺铥光纤，所述增益光纤的工作波长为1900纳米到2100纳米，纤芯数值孔径为0.09，长度为3米，在793纳米波长处的包层吸收为每米2.4dB，每米1.8dB。

作为优选，所述第一个光纤布拉格光栅的中心波长为1907+/-0.2纳米，带宽为1.5+/-0.2纳米，反射率大于等于98％，所用光纤为纤芯/包层分别为25/400微米的大模场光纤；所述第二光纤布拉格光栅的中心波长为1907+/-0.2纳米，带宽为0.5+/-0.05纳米，反射率为10+/-3％，所用光纤为25/400微米的大模场光纤。

作为优选，所述增益光纤、第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅放置于热沉上。

作为优选，所述光纤合束器的输入端的光纤纤芯/包层为105微米/125微米，数值孔径为0.22，长度为1.35米；输出端光纤纤芯包层为20微米/400微米，长度为1.26米。

作为优选，所述纳米脉冲泵浦源为掺铒光纤或铒镱共掺光纤激光器，输出的中心波长为1550纳米或1560纳米，重复频率为100千赫兹到900千赫兹之间。

本实用新新型的掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器，具有以下有益效果：本实用新型通过使用混合泵浦增益开关技术的1908纳米短波长激光来泵浦Cr:ZnSe/S晶体，不仅降低了泵浦脉冲光的阈值能量，而且输出的2微米激光相较于调Q、锁模技术产生的2微米激光时域状态更加稳定。通过使用电调制半导体连续激光器使其输出脉冲激光，且其脉冲形状可调，能够输出任意波形的激光用于探测、医学、军事和科研等用途。本实用新型可扩展性强，可累加放大级进行高功率激光脉冲输出，并且具被波长可调谐的特性。

附图说明

图1为本实用新型中的掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器的实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型中的掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器的原理图；

图3为本实用新型中的掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器的实施例二的结构示意图；

图4为本实用新型中的掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器的实施例三的结构示意图。

图中：1、电脑；2、脉冲发生器；3、偏置T形电路驱动；4、纳米脉冲泵浦源；5、第二光纤隔离器；6、第三半导体激光器；7、第四半导体激光器；8、波分复用器；9、光纤；10、第一光纤隔离器；12、第一半导体激光器；13、第二半导体激光器；14、光纤合束器；15、第一光纤布拉格光栅；16、第二光纤布拉格光栅；17、热沉；18、增益光纤；19、；20、准直隔离器；21、聚焦透镜21；22a、第一腔镜；22b、第一腔镜；23、Cr:ZnSe/S晶体；24、光栅；25、输出耦合器。

具体实施方式

使本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作详细说明。

实施例一

如图1所示，本实用新型的实施例公开了一种掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器，包括依次连接的2、偏置T形电路驱动3、纳米脉冲泵浦源4和第一光纤隔离器10，第一光纤隔离器10的输出端与光纤合束器14的第一输入端连接，光纤合束器14的输出端、第一光纤布拉格光栅15、增益光纤18和第二光纤布拉格光栅16依次连接，光纤合束器14的第二输入端连接有第一半导体激光器12，第二光纤布拉格光栅16的输出端输出光纤到Cr:ZnSe/S晶体23，最终输出激光。第一光纤布拉格光栅15、增益光纤18和第二光纤布拉格光栅16构成第一激光谐振腔。

本实施例中的掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器的工作原理如下。

图2是铥的准三能级图，由793纳米第一半导体激光器12、纳米第二半导体激光器13产生的连续光将处于基态³H6的粒子抽运至激发态³H4，这一过程为(a)，激发态粒子非辐射跃迁到激发态³H5(b),之后继续非辐射跃迁到亚稳态³F5(c)，即激光上能级。由于对连续光强度的控制，不至于超过阈值而发生粒子数反转。经过电调制的1.5微米纳米脉冲泵浦源4发出的脉冲光由于受激吸收(d)和交叉弛豫(e)过程使粒子数进一步在³F4能级累积，以至于达到阈值发生粒子数反转。由于第二种泵浦光是脉冲形式，这意味着经过一段时间后粒子数又回到阈值以下，所以输出激光也会是脉冲的形式，即实现了所谓的增益开关过程。由于这一过程实际是由脉冲光泵浦实现的，几乎没有导致输出不稳定的弛豫等物理过程，所以保证了2微米脉冲的规则性。而且由于只需要少量的泵浦脉冲能量即可达到阈值，所以剩余的脉冲能量可被用来将反转粒子数提高到更高水平，以获得更高能量的脉冲。相较于传统的只用1.5微米脉冲光来泵浦的技术方案，本实用新型显然使阈值所需的泵浦脉冲能量大大降低，而且由于电调制的特性，使最终输出的激光具有脉冲形状可调的特性。

实施例二

本实施例中，其与实施例一的不同之处在于，电脑1LabVIEW程序控制脉冲发生器2产生设置的脉冲波形，光纤合束器14的第三输入端连接有第二半导体激光器13，纳米脉冲泵浦源4和第一光纤隔离器10之间设有依次连接的第二光纤隔离器5、波分复用器8和掺铒光纤/铒镱共掺光纤9，波分复用器8的第一输入端与第二光纤隔离器5的输出端连接，波分复用器8的第二输入端和第三输入端分别连接有第三半导体激光器6和第四半导体激光器7。第二光纤布拉格光栅16和Cr:ZnSe/S晶体23之间依次设有泵浦剥离器19、准直隔离器20、聚焦透镜21和第一腔镜22a，Cr:ZnSe/S晶体23的输出端设有第二腔镜22b，激光从准直隔离器20输出后依次通过聚焦透镜21、第一腔镜22a、Cr:ZnSe/S晶体23和第二腔镜22b，最终激光通过第二腔镜22b输出，第一腔镜22a、Cr:ZnSe/S晶体23和第二腔镜22b构成Cr:ZnSe/S23的第二激光谐振腔。

光纤9为掺铒光纤或铒镱共掺光纤；所述增益光纤18为掺铥光纤；增益光纤18和光纤9均为保偏或非保偏掺铥光纤。

实施例三

本实施例中的掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器与实施例二的不同之处在于，第一腔镜22a和第二腔镜22b的上端均向靠近Cr:ZnSe/S晶体23的方向倾斜设置，Cr:ZnSe/S晶体23的下方设有光栅24和输出耦合器25，以使激光从准直隔离器20输出后依次通过聚焦透镜21、第一腔镜22a、Cr:ZnSe/S晶体23和第二腔镜22b后,一部分激光从第二腔镜22b反射到光栅24上，经过光栅24反射回第二腔镜22b后，最终激光通过输出耦合器25输出。此实施例中，第一腔镜22a、Cr:ZnSe/S晶体23、第二腔镜22b、光栅24和输出耦合器(OC)25构成Cr:ZnSe/S的激光谐振腔，且带有光栅的整个腔型结构为Littrow结构，通过转动光栅的角度，可使输出的激光具有波长范围可调的特性，这是一般传统Cr:ZnSe/S激光器所不具备的。

本实用新型中的掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器的增益光纤18为纤芯为25微米、包层为400微米的双包层保偏或非保偏掺铥光纤，增益光纤18的工作波长为1900纳米到2100纳米，纤芯数值孔径为0.09，长度为3米，在793纳米波长处的包层吸收为每米2.4dB(保偏)，每米1.8dB(非保偏)。增益光纤18对793纳米泵浦光吸收为7.2dB，与最优值保持一致；由于光纤纤芯直径为25微米，容易产生高阶模，实验中将增益光纤弯曲直径减小至13到20厘米以抑制高阶模

第一个光纤布拉格光栅15的中心波长为1907+/-0.2纳米，带宽为1.5+/-0.2纳米，反射率大于等于98％，所用光纤为纤芯/包层分别为25/400微米的大模场光纤；第二光纤布拉格光栅16的中心波长为1907+/-0.2纳米，带宽为0.5+/-0.05纳米，反射率为10+/-3％，所用光纤为25/400微米的大模场光纤。

增益光纤18、第一光纤布拉格光栅15和第二光纤布拉格光栅16放置于热沉17上，可有效地冷却散热有利于增大短波长激光效率。

光纤合束器14的输入端的光纤纤芯/包层为105微米/125微米，数值孔径为0.22，长度为1.35米；输出端光纤纤芯包层为20微米/400微米，长度为1.26米。

第二半导体激光器13输出的中心波长λ的范围为：750纳米≤λ≤820纳米，实验中测得中心波长为788.5纳米，3dB带宽为1.5纳米。

纳米脉冲泵浦源4为掺铒光纤或铒镱共掺光纤激光器，输出的中心波长为1550纳米或1560纳米，重复频率为100千赫兹到900千赫兹之间。

泵浦剥离器19所用光纤类型为25/400双包层光纤，信号输入损耗为0.5dB。

本实用新型中的掺铥光纤激光器泵浦的增益开关激光器在电调制半导体1550纳米激光器和793纳米连续激光器混合泵浦的组合下，利用793纳米的连续激光泵源有助于在激光上能级储能，这样在较低的1550纳米脉冲能量的激发下就可以实现稳定的增益开关脉冲。因此，在种子腔可以提供高能脉冲后，已经可以省去传统的多级放大操作。这种混合泵浦配置有利于产生具有更好斜效率和几百纳秒脉宽的高平均功率的增益开关脉冲。直接调制半导体激光器的原理与增益开关过程类似，直接调制过程采用宽的电驱动脉冲，使用较宽的电激励脉冲，抑制驰豫振荡过程输出半导体激光器，输出光脉冲的宽度、形状与激励的电脉冲宽度、形状类似。通过改变激励的电脉冲的宽度与脉冲的形状，可以得到与之一致的光脉冲。采用直接调制半导体技术可以获得脉冲波形、脉冲宽度可调谐的光脉冲，即具有任意波形输出的特点。

以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。