本發(fā)明屬于激光技術領域，尤其涉及一種基于稀土離子共摻光纖的雙波長同步脈沖光纖激光器。

背景技術：

雙波長激光器在和頻/差頻的產生、遙感、激光測距、醫(yī)療用途等方面具有廣泛的應用，特別是雙波長同步脈沖激光具有大脈沖能量和高峰值功率的同步雙波長脈沖輸出的優(yōu)點，使其具有更好的實際應用效果。與傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖激光器由于具有散熱效果好、轉換效率高、閾值低、光束質量好、易于集成等突出優(yōu)點而備受關注。目前，利用光纖激光器實現雙波長同步脈沖激光輸出的方法主要有以下三種：

1，基于一種摻雜離子的增益光纖實現雙波長同步調Q或鎖模。由于受到增益帶寬的限制，這種方法產生的兩個波長通常很接近，從而限制了它的應用。

2，基于不同摻雜離子的兩種增益光纖實現雙波長同步調Q或鎖模。這兩種增益光纖分別在兩個不同的腔內，兩個腔通過共用一個Q調制器或寬帶可飽和吸收體分別實現雙波長同步調Q或鎖模。這種方法產生的兩個波長相距較遠，但其結構比較復雜，并且對Q調制器或可飽和吸收體的制作要求更高。

3，基于一種摻雜離子增益光纖的級聯雙波長同步脈沖激光器。級聯是通過激光下能級再向更低的能級躍遷從而產生另一個波長的激光。這種方法先通過調Q或鎖模技術實現該離子其中兩個能級之間躍遷產生脈沖激光，在此過程中，周期性調制了該離子另外兩個能級的上能級反轉粒子數，從而產生雙波長同步脈沖激光。然而，這與離子摻雜濃度、被摻雜的基質以及腔參數等因素有關。目前，主要是利用摻鈥或摻鉺氟化物光纖級聯產生雙波長激光，但由于氟化物光纖難以跟石英光纖熔接從而限制了激光器的全光纖化，并且該方法目前只實現了脈寬較寬的雙波長同步調Q-增益開關脈沖輸出。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種基于稀土離子共摻光纖的雙波長同步脈沖光纖激光器，旨在利用一種離子間存在能量轉移的稀土離子共摻光纖實現全光纖化的雙波長同步脈沖光纖激光器。

本發(fā)明提供了一種基于稀土離子共摻光纖的雙波長同步脈沖光纖激光器，所述雙波長同步脈沖光纖激光器包括連續(xù)光LD泵浦源、稀土離子共摻光纖和諧振腔，所述連續(xù)光LD泵浦源接所述諧振腔，所述稀土離子共摻光纖位于所述諧振腔中用于吸收所述連續(xù)光LD泵浦源發(fā)出的泵浦光并輻射產生激光，所述諧振腔為線形腔結構或環(huán)形腔結構。

進一步地，所述線形腔結構中包括器件：寬帶反射鏡、可飽和吸收體、泵浦耦合器件、稀土離子共摻光纖、光纖波分復用器WDM₁、光學延遲線DL₁、光纖布拉格光柵FBG₁和光纖布拉格光柵FBG₂；

所述線形腔結構包括第一線形腔和第二線形腔，其中，所述第一線形腔包括依次連接的寬帶反射鏡、可飽和吸收體、泵浦耦合器件、稀土離子共摻光纖、光纖波分復用器WDM₁和光纖布拉格光柵FBG₁，所述第二線形腔包括依次連接的寬帶反射鏡、可飽和吸收體、泵浦耦合器件、稀土離子共摻光纖、光纖波分復用器WDM₁、光學延遲線DL₁和光纖布拉格光柵FBG₂；所述連續(xù)光LD泵浦源通過所述泵浦耦合器件與所述線形腔結構連接；

所述第一線形腔構成敏化離子輻射激光導引諧振腔，所述第二線形腔構成被敏化離子輻射激光被導引諧振腔；所述第一線形腔和所述第二線形腔通過所述光纖波分復用器WDM₁連接起來。

進一步地，所述寬帶反射鏡為介質鏡、金屬鏡或光纖反射鏡中的一種。

進一步地，所述光纖布拉格光柵FBG₁的反射中心波長對應于敏化離子輻射激光的波長，并對該波長的透射率為5％到20％；光纖布拉格光柵FBG₂的反射中心波長對應于被敏化離子輻射激光的波長，并對該波長的透射率為5％到20％。

進一步地，所述環(huán)形腔結構中包括器件：光纖波分復用器WDM₁、泵浦耦合器件、稀土離子共摻光纖、光纖波分復用器WDM₂、光纖耦合器OC₁、光纖偏振無關隔離器ISO₁和可飽和吸收體或等效可飽和吸收體、光纖耦合器OC₂、光纖偏振無關隔離器ISO₂和光學延遲線DL₁；

所述環(huán)形腔結構包括第一環(huán)形腔和第二環(huán)形腔，其中，所述第一環(huán)形腔包括依次連接的光纖波分復用器WDM₁、泵浦耦合器件、稀土離子共摻光纖、光纖波分復用器WDM₂、光纖耦合器OC₁、光纖偏振無關隔離器ISO₁和可飽和吸收體或等效可飽和吸收體，所述第二環(huán)形腔包括依次連接的光纖波分復用器WDM₁、泵浦耦合器件、稀土離子共摻光纖、光纖波分復用器WDM₂、光纖耦合器OC₂、光纖偏振無關隔離器ISO₂和光學延遲線DL₁，所述連續(xù)光LD泵浦源通過所述泵浦耦合器件與所述環(huán)形腔結構連接；

所述第一環(huán)形腔構成敏化離子輻射激光導引諧振腔，所述第二環(huán)形腔構成被敏化離子輻射激光被導引諧振腔；所述第一環(huán)形腔和所述第二環(huán)形腔通過所述光纖波分復用器WDM₁和光纖波分復用器WDM₂連接起來。

進一步地，所述等效可飽和吸收體為依次連接的光纖偏振控制器PC₁、光纖起偏器和光纖偏振控制器PC₂所構成的非線性偏振旋轉結構。

進一步地，當所述稀土離子共摻光纖是單包層時，所述泵浦耦合器件為三波長光纖波分復用器，其信號纖可同時傳輸敏化離子和被敏化離子輻射的激光，所述連續(xù)光LD泵浦源是單模尾纖輸出；

當所述稀土離子共摻光纖是雙包層時，所述泵浦耦合器件為光纖合束器，所述連續(xù)光LD泵浦源是多模尾纖輸出。

進一步地，所述雙波長同步脈沖光纖激光器的諧振腔之后還包括依次連接的光學延遲線DL₂、光纖波分復用器WDM及輸出端。

進一步地，所述稀土離子共摻光纖為單包層鉺鐿共摻光纖或雙包層鉺鐿共摻光纖。

本發(fā)明與現有技術相比，有益效果在于：本發(fā)明提供的一種基于稀土離子共摻光纖的雙波長同步脈沖光纖激光器，一方面，利用新的脈沖產生機制，使用一種稀土離子共摻光纖作為增益光纖實現了波長相距較遠的雙波長同步脈沖輸出，簡化了雙波長同步脈沖光纖激光器的結構，避開了傳統(tǒng)可飽和吸收體工作波長范圍較窄的缺點；另一方面，裝置的可集成度高，可以實現全光纖化結構，有利于實際應用；再一方面，可以輸出脈寬更窄、峰值功率更高、脈沖重疊更好的雙波長同步脈沖激光，應用效率將大大提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實施例提供的一種基于稀土離子共摻光纖的線形腔雙波長同步脈沖光纖激光器的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明第二實施例提供的一種基于稀土離子共摻光纖的環(huán)形腔雙波長同步脈沖光纖激光器的結構示意圖；

圖3是本發(fā)明第一、第二實施例中的鉺鐿共摻光纖內產生激光的過程示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的主要實現思想為：利用稀土離子共摻光纖中敏化離子吸收泵浦光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)后，有部分激發(fā)態(tài)敏化離子和被敏化離子間相互作用，通過能量轉移將被敏化離子從基態(tài)泵浦到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的被敏化離子通過能級躍遷回到基態(tài)并輻射產生一個波長的激光；同時，還有一部分激發(fā)態(tài)的敏化離子通過能級躍遷回到基態(tài)并輻射產生另一個波長的激光?；谏鲜鲈順嬙炝藘蓚€諧振腔，其中一個用來傳輸敏化離子輻射的激光，另一個用來傳輸被敏化離子輻射的激光，每個諧振腔都可以是線形腔或環(huán)形腔(本發(fā)明實施例給出的兩個都是線形腔或兩個都是環(huán)形腔)，這兩個諧振腔的腔長近似相等，可通過在被敏化離子(或敏化離子)輻射的激光腔內插入光學延遲線DL₁用來精確調節(jié)使兩個腔的腔長嚴格相等(本發(fā)明實施例給出的都是在被敏化離子輻射的激光腔內插入光學延遲線DL₁)。通過在敏化離子輻射的激光腔內插入合適參數的可飽和吸收體或等效可飽和吸收體，來對敏化離子輻射的激光進行調Q或鎖模使之產生脈沖激光，此過程周期性調制了被敏化離子輻射激光的增益并產生同步的脈沖激光，從而實現雙波長同步脈沖光纖激光器。不管兩個諧振腔輸出的是同步調Q-增益開關脈沖還是同步鎖模脈沖，由于能量轉移、兩個激光上能級壽命不同等原因，兩個同步脈沖序列時間上有一定的延遲，通過光學延遲線DL₂精確控制這兩束光的光程差，從而將兩個同步脈沖更好的重疊在一起并通過一個WDM從輸出端共同輸出。

下面舉具體實施例介紹這種雙波長同步脈沖光纖激光器：

實施例1，介紹一種基于稀土離子共摻光纖的線形腔雙波長同步脈沖光纖激光器，如附圖1所示：

包括寬帶反射鏡101、可飽和吸收體102、帶尾纖輸出的連續(xù)光LD泵浦源103、泵浦耦合器件104、稀土離子共摻光纖105、光纖波分復用器WDM₁106、光學延遲線DL₁107、光纖布拉格光柵FBG₁108、光纖布拉格光柵FBG₂109，還包括光學延遲線DL₂110、光纖波分復用器WDM₂111和輸出端。

其中，器件101-109構成線形腔雙波長同步脈沖光纖激光器10，器件110-111用以將兩個同步脈沖更好的重疊在一起同時輸出。

具體地，所述寬帶反射鏡101、光纖布拉格光柵FBG₁108及其之間的器件構成敏化離子輻射激光導引諧振腔，所述寬帶反射鏡101、光纖布拉格光柵FBG₂109及其之間的器件構成被敏化離子輻射激光被導引諧振腔；所述敏化離子輻射激光導引諧振腔和所述被敏化離子輻射激光被導引諧振腔通過所述光纖波分復用器WDM₁106連接起來。

具體地，所述稀土離子共摻光纖105是單包層鉺鐿共摻光纖，其中敏化離子是輻射產生1μm激光的鐿離子，被敏化離子是輻射產生1.5μm激光的鉺離子。連續(xù)光LD泵浦源103是單模尾纖輸出的975nm LD，泵浦耦合器件104是975/1064&1550nm的三波長波分復用器，其信號纖可同時傳輸1064nm和1550nm的激光，并將泵浦光耦合到鉺鐿共摻光纖里面。寬帶反射鏡101是對1μm和1.5μm兩個波段的激光高反的寬帶反射金膜，可飽和吸收體102是只對1μm激光調Q或鎖模的碳納米管薄膜，碳納米管薄膜和寬帶反射金膜依次鍍在975/1064&1550nm波分復用器信號纖的端面。光纖波分復用器WDM₁106和光纖波分復用器WDM₂111是1064/1550nm的WDM，光學延遲線DL₁107和光學延遲線DL₂110工作在1.5μm波段，光纖布拉格光柵FBG₁108和光纖布拉格光柵FBG₂109的反射中心波長分別對應于1μm和1.5μm，并分別對1μm和1.5μm的激光部分透射(透射率的范圍為5％到20％，可以是10％)。所述寬帶反射金膜、光纖布拉格光柵FBG₁108及其之間的器件形成1μm激光導引諧振腔，產生的1μm脈沖激光通過光纖布拉格光柵FBG₁108輸出。所述寬帶反射金膜、光纖布拉格光柵FBG₂109及其之間的器件形成1.5μm激光被導引諧振腔，產生的1.5μm脈沖激光通過光纖布拉格光柵FBG₂109輸出。

對1μm激光調Q:

可飽和吸收體102只對敏化離子輻射的激光有作用，可飽和吸收體102對敏化離子輻射的激光進行調Q，對被敏化離子輻射的激光進行增益調制，產生敏化離子1μm調Q脈沖激光并從所述光纖布拉格光柵FBG₁108輸出，產生同步的被敏化離子1.5μm增益開關脈沖激光并從所述光纖布拉格光柵FBG₂109輸出。敏化離子和被敏化離子輻射的兩個同步脈沖激光時間上有一定的延遲，通過光學延遲線DL₂110精確控制這兩束光的光程差，從而將兩個同步脈沖更好的重疊在一起并從輸出端同時輸出。

對1μm激光鎖模:

可飽和吸收體102對敏化離子輻射的激光進行鎖模，對被敏化離子輻射的激光進行增益調制，從而產生敏化離子1μm鎖模脈沖激光并從所述光纖布拉格光柵FBG₁108輸出，通過光學延遲線DL₁107精確調節(jié)，使1μm和1.5μm兩個激光諧振腔的腔長相等，此時，產生同步的被敏化離子1.5μm泵浦鎖模脈沖激光并從所述光纖布拉格光柵FBG₂109輸出。敏化離子和被敏化離子輻射的兩個同步脈沖激光時間上有一定的延遲，通過光學延遲線DL₂110精確控制這兩束光的光程差，從而將兩個同步脈沖更好的重疊在一起并從輸出端同時輸出。

實施例2，介紹一種基于稀土離子共摻光纖的環(huán)形腔雙波長同步脈沖光纖激光器，如附圖2所示：

包括光纖波分復用器WDM₁200、帶尾纖輸出的連續(xù)光LD泵浦源201、泵浦耦合器件202、稀土離子共摻光纖203、光纖波分復用器WDM₂204、光纖耦合器OC₁205、光纖偏振控制器PC₁206、光纖偏振無關隔離器ISO₁207、光纖起偏器208、光纖偏振控制器PC₂209、光纖耦合器OC₂210、光纖偏振無關隔離器ISO₂211、光學延遲線DL₁212，還包括光學延遲線DL₂213、光纖波分復用器WDM₃214和輸出端。

其中，器件200-209構成敏化離子輻射激光導引諧振腔20，器件200-204、210-212構成被敏化離子輻射激光被導引諧振腔21；兩個環(huán)形腔通過光纖波分復用器WDM₁200和光纖波分復用器WDM₂204連接起來并構成環(huán)形腔雙波長同步脈沖光纖激光器2，器件213-214用以將兩個同步脈沖更好的重疊在一起同時輸出。

具體地，所述稀土離子共摻光纖203是雙包層鉺鐿共摻光纖，其中敏化離子是輻射產生1μm激光的鐿離子，被敏化離子是輻射產生1.5μm激光的鉺離子。連續(xù)光LD泵浦源201是多模尾纖輸出的975nm LD，泵浦耦合器件202是(2+1)x1的光纖合束器，將泵浦光耦合到鉺鐿共摻光纖里面。光纖波分復用器WDM₁200和光纖波分復用器WDM₂204是1064/1550nm的WDM，將兩個環(huán)形腔連接起來；光纖耦合器OC₁205和光纖耦合器OC₂210分別工作在1μm和1.5μm波段，并分別輸出1μm和1.5μm波段的激光；光纖偏振無關隔離器ISO₁207和光纖偏振無關隔離器ISO₂211分別工作在1μm和1.5μm波段，它們使得各自所處的環(huán)形腔單向導通，有效避免空間燒孔效應；器件208是1μm波段的光纖起偏器，它和光纖偏振控制器PC₁206和光纖偏振控制器PC₂209組成NPR(Nonlinear polarization rotation，非線性偏振旋轉)結構(即等效可飽和吸收體)，用于對1μm激光調Q或鎖模；光學延遲線DL₁212和光學延遲線DL₂213工作在1.5μm波段。由器件200-209構成1μm激光導引諧振腔，產生的1μm脈沖激光通過光纖耦合器OC₁205輸出，由器件200-204、210-212構成1.5μm激光被導引諧振腔，產生的1.5μm脈沖激光通過光纖耦合器OC₂210輸出。

對1μm激光調Q:

NPR對敏化離子輻射的激光進行調Q，對被敏化離子輻射的激光進行增益調制，產生敏化離子1μm調Q脈沖激光并從所述光纖耦合器OC₁205輸出，產生同步的被敏化離子1.5μm增益開關脈沖激光并從所述光纖耦合器OC₂210輸出；敏化離子和被敏化離子輻射的兩個同步脈沖激光時間上有一定的延遲，通過光學延遲線DL₂213精確控制這兩束光的光程差，從而將兩個同步脈沖更好的重疊在一起并從輸出端同時輸出。

對1μm激光鎖模:

NPR對敏化離子輻射的激光進行鎖模，對被敏化離子輻射的激光進行增益調制，從而產生敏化離子1μm鎖模脈沖激光并從所述光纖耦合器OC₁輸出，通過精確調節(jié)光學延遲線DL₁212，使1μm和1.5μm兩個激光諧振腔的腔長相等，此時，產生同步的被敏化離子1.5μm泵浦鎖模脈沖激光并從所述光纖耦合器OC₂210輸出。敏化離子和被敏化離子輻射的兩個同步脈沖激光時間上有一定的延遲，通過光學延遲線DL₂213精確控制這兩束光的光程差，從而將兩個同步脈沖更好的重疊在一起并從輸出端同時輸出。

本發(fā)明實施例中，器件208是可與兩個光纖偏振控制器PC₁、PC₂構成非線性偏振旋轉(NPR)結構的光纖起偏器，事實上，器件208也可以是可飽和吸收體，器件208不管是可飽和吸收體還是可與兩個光纖偏振控制器PC₁、PC₂構成非線性偏振旋轉(NPR)結構的光纖起偏器，都對敏化離子輻射的激光起作用。

以下結合附圖3，對實施例1和實施例2的工作原理作進一步的說明：

將975nm的連續(xù)泵浦光耦合進鉺鐿共摻光纖里面后，作為敏化劑的Yb³⁺離子吸收泵浦光從基態(tài)²F_7/2能級躍遷到²F_5/2能級后，有部分激發(fā)態(tài)的Yb³⁺離子和Er³⁺離子間相互作用，通過能量轉移將Er³⁺離子從基態(tài)⁴F_15/2能級泵浦到⁴I_11/2能級。此外，還有一部分激發(fā)態(tài)的Yb³⁺離子在²F_5/2-²F_7/2能級間形成粒子數反轉分布，這部分激發(fā)態(tài)Yb³⁺離子通過²F_5/2→²F_7/2能級躍遷回到基態(tài)²F_7/2能級，在1μm激光導引諧振腔中輻射并產生1μm連續(xù)激光。同時，被泵浦到⁴I_11/2能級上的Er³⁺離子通過非輻射躍遷過程躍遷到⁴I_13/2能級得到緩和，在⁴I_13/2-⁴F_15/2能級間形成粒子數反轉分布，接著這些激發(fā)態(tài)的Er³⁺離子通過⁴I_13/2→⁴F_15/2能級躍遷回到基態(tài)⁴F_15/2能級，在1.5μm激光被導引諧振腔中輻射并產生1.5μm連續(xù)激光。

對1μm激光調Q:

通過NPR或碳納米管薄膜的可飽和吸收作用，對1μm連續(xù)激光被動調制，使導引諧振腔中產生了1μm的調Q脈沖激光。由于能量轉移以及非輻射躍遷，1μm調Q脈沖激光產生的過程對⁴I_13/2→⁴F_15/2的反轉粒子數進行周期性的調制，即對⁴I_13/2→⁴F_15/2能級躍遷所對應的1.5μm激光進行周期性增益調制。由于此過程的時間較長，⁴I_13/2能級積累的反轉粒子數足夠多(增益足夠大)，足以產生1.5μm的增益開關脈沖激光。由于²F_5/2→²F_7/2和⁴I_13/2→⁴F_15/2這兩個過程的反轉粒子數的積累是同步的，故產生的1μm的調Q脈沖和1.5μm的增益開關脈沖是同步的，這跟1.5μm激光被導引諧振腔是否與1μm激光導引諧振腔腔長相等并沒有關系，但由于²F_5/2能級壽命與⁴I_13/2能級壽命不同、²F_5/2→²F_7/2和⁴I_13/2→⁴F_15/2的反轉粒子數不同以及能量轉移和非輻射躍遷需要一定的時間等原因，1μm和1.5μm的同步調Q-增益開關脈沖存在一定的延遲。

對1μm激光鎖模:

類似地，通過NPR或碳納米管薄膜的可飽和吸收作用，對1μm連續(xù)激光被動調制，使導引諧振腔中產生了1μm的鎖模脈沖激光。由于能量轉移以及非輻射躍遷，1μm的鎖模脈沖激光產生的過程對⁴I_13/2→⁴F_15/2能級躍遷所對應的1.5μm激光進行周期性增益調制。但由于鎖模脈沖的周期通常遠遠小于調Q脈沖的周期，此增益調制的周期大大縮短，在⁴I_13/2能級積累的反轉粒子數積累不夠多的情況下不足以產生1.5μm的增益開關脈沖激光。然而，此時若控制1.5μm激光被導引諧振腔與1μm激光導引諧振腔腔長相等，使得增益調制的周期與1.5μm光子在被導引諧振腔中往返一周的時間相等，故被導引諧振腔內的起始脈沖只有到達增益介質時Er³⁺離子恰好被激發(fā)態(tài)Yb³⁺離子泵浦(能量轉移)處于粒子數反轉狀態(tài)，才能得到放大。如此循環(huán)，最終獲得穩(wěn)定的1.5μm同步泵浦鎖模脈沖。類似地，由于²F_5/2能級壽命與⁴I_13/2能級壽命不同、²F_5/2→²F_7/2和⁴I_13/2→⁴F_15/2的反轉粒子數不同以及能量轉移和非輻射躍遷需要一定的時間等原因，1μm和1.5μm的同步鎖模脈沖存在一定的延遲。此同步鎖模脈沖相對前面所述的同步調Q-增益開關脈沖脈寬更窄，峰值功率更高。

進一步地，本發(fā)明舉的兩個實施例的稀土離子共摻光纖皆為鉺鐿共摻光纖，事實上，本發(fā)明還適用于銩鐿共摻等其它稀土離子共摻雜光纖。此外，如果采用保偏稀土離子共摻光纖和保偏器件，系統(tǒng)可以實現線偏振雙波長同步激光脈沖輸出。

本發(fā)明通過利用一種離子間存在能量轉移的稀土離子共摻光纖實現全光纖化的雙波長同步脈沖光纖激光器，該裝置可集成度高，可以實現全光纖化結構，有利于實際應用。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。