本發(fā)明屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種中紅外激光器，尤其涉及一種波長(zhǎng)可調(diào)的高效高功率中紅外激光器。

背景技術(shù)：

如今，波長(zhǎng)可調(diào)的中紅外激光器主要應(yīng)用于空氣污染檢測(cè)、遙感、光譜分析以及軍事等領(lǐng)域。而研制出高效高功率波長(zhǎng)可調(diào)的中紅外激光器成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。目前以納秒脈沖光纖激光器作為泵浦源的光參量振蕩器(OPO,optical parametric oscillator)來(lái)產(chǎn)生中紅外波段可調(diào)的激光最為常見(jiàn)。與固體激光器相比，光纖激光器具有高功率，高光束質(zhì)量，以及高轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)，所以，光纖激光器已被廣泛使用于OPO泵浦源。要實(shí)現(xiàn)高效高功率波長(zhǎng)可調(diào)的中紅外激光輸出，科研人員主要對(duì)泵浦光的脈沖成形技術(shù)開(kāi)展了相應(yīng)研究。2008年，美國(guó)BAE高級(jí)系統(tǒng)與技術(shù)公司Daniel Creeden等人通過(guò)銩離子摻雜的光纖激光器以調(diào)Q的方式產(chǎn)生了一個(gè)脈寬為30ns，重復(fù)頻率為30kHz的2μm波長(zhǎng)高斯型脈沖激光來(lái)泵浦ZnGeP2(ZGP)非線性晶體組成的OPO，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)輸出范圍為3.4～3.9和4.1～4.7μm的平均功率為1.25W的中紅外激光，其斜效率最高為35％；2012年，澳大利亞國(guó)防科學(xué)與技術(shù)組織Nikita Simakov等人通過(guò)設(shè)計(jì)一種基于銩離子摻雜增益光纖的主振蕩功率放大器產(chǎn)生了一個(gè)持續(xù)時(shí)間在20～40ns，重復(fù)頻率高達(dá)75kHz的200μJ波長(zhǎng)為2.044μm的脈沖激光，用該激光源泵浦ZGP非線性晶體組成的OPO獲得轉(zhuǎn)換效率為25％，功率為3W的3～5μm中紅外激光。2014年，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)激光研究所Martin Gebhardt等人利用銩離子摻雜增益光纖的主振蕩功率放大器提供一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為7ns，重復(fù)頻率4kHz的700μJ波長(zhǎng)為1980nm的陡峭前沿型脈沖激光，用此脈沖激光泵浦ZGP非線性晶體組成的OPO獲得輸出峰值功率為15kW，脈寬為90μs的3.7μm中紅外激光。2015年，法國(guó)圣路易斯島的法國(guó)&德國(guó)研究所Christelle Kieleck等人通過(guò)以銩離子摻雜為增益光纖的基于二氧化硅保偏的高效主動(dòng)調(diào)Q方式產(chǎn)生了一個(gè)脈寬為65ns，重復(fù)頻率40kHz的平均功率為23W高斯型脈沖激光，并利用其直接泵浦ZGP非線性晶體組成的OPO，結(jié)果輸出一個(gè)功率高達(dá)6.5W的3～5μm中紅外激光。從以上實(shí)驗(yàn)報(bào)道可發(fā)現(xiàn)，基本是以調(diào)Q方式產(chǎn)生納秒脈沖激光作為激發(fā)OPO的泵浦源，并且激光光束形狀大多都是傳統(tǒng)高斯型脈沖，脈沖與晶體的作用僅為峰值附近，這對(duì)于提高OPO的光光轉(zhuǎn)換效率形成困難。因此，產(chǎn)生一種非傳統(tǒng)高斯型納秒光束脈沖激光作為OPO的泵浦源以實(shí)現(xiàn)高效率波長(zhǎng)可調(diào)的激光輸出成為目前學(xué)者亟待解決的問(wèn)題。

圖1為一種可產(chǎn)生3～5μm中紅外波段波長(zhǎng)可調(diào)的ZGP非線性晶體組成的OPO激光器示意圖，其采用摻銩單模振蕩光纖激光器直接泵浦ZGP非線性晶體組成的OPO。其中，泵浦激光二極管(laser diode，LD)通過(guò)棱鏡及二色鏡準(zhǔn)直聚焦后耦合進(jìn)摻銩增益光纖，并產(chǎn)生激光。聲光調(diào)制晶體(acousto-optic modulator，AOM)用以主動(dòng)調(diào)Q，以產(chǎn)生納秒高斯型脈沖激光，起偏器和半波片使該脈沖光源呈線偏振態(tài)，同時(shí)利用平面衍射光柵調(diào)諧光源波長(zhǎng)。隨后光源經(jīng)隔離器、可變衰減器以及棱鏡準(zhǔn)直聚焦后泵浦ZGP非線性晶體組成的OPO，通過(guò)改變ZGP非線性晶體的角度和溫度以滿足產(chǎn)生信號(hào)光和閑頻光的相位匹配條件，并實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)可調(diào)范圍在3～5μm的中紅外脈沖激光。

上述OPO激光器雖能實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)可調(diào)范圍在3～5μm的中紅外脈沖激光，但是該OPO激光器主要存在以下兩個(gè)方面的缺陷：

1、該技術(shù)是借助AOM通過(guò)主動(dòng)調(diào)Q實(shí)現(xiàn)摻銩光纖激光光源的輸出，需要使用額外的AOM晶體。另外，其產(chǎn)生的光源不是線偏振光，于是需額外利用起偏器和半波片實(shí)現(xiàn)對(duì)光源偏振態(tài)的控制。再者，摻銩光纖激光光源的波長(zhǎng)調(diào)諧是通過(guò)外部光柵實(shí)現(xiàn)。這樣的結(jié)構(gòu)使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置有大量空間光器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)。

2、該技術(shù)中摻銩光纖激光器所輸出的調(diào)Q脈沖激光光源為高斯型脈沖激光，高斯型脈沖激光的峰值功率持續(xù)時(shí)間短，與非線性晶體作用效果不佳，因此不能有效地泵浦OPO，使得轉(zhuǎn)化效率降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提供一種波長(zhǎng)可調(diào)的高效高功率中紅外激光器，通過(guò)采用環(huán)形全保偏混合耗散共振孤子鎖模方式輸出高功率納秒方波型脈沖來(lái)高效泵浦雙ZGP非線性晶體組成的OPO，提高波段可調(diào)的中紅外激光器轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種波長(zhǎng)可調(diào)的高效高功率中紅外激光器，包括第一泵浦源、第二泵浦源、采用環(huán)形全保偏混合耗散共振孤子鎖模結(jié)構(gòu)的諧振腔、級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)、準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)、OPO、濾波器和二色鏡；所述第一泵浦源產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)諧振腔的第一偏振控制器后進(jìn)入諧振腔進(jìn)行正向泵浦，所述第二泵浦源產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)諧振腔的色散補(bǔ)償光纖后進(jìn)入諧振腔進(jìn)行反向泵浦，所述諧振腔的輸出耦合器輸出納秒方波型脈沖激光，所述納秒方波型脈沖激光依次經(jīng)級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)、準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)后耦合進(jìn)OPO，并最終依次經(jīng)濾波、二色鏡后輸出納秒脈沖激光。

其中，所述諧振腔包括呈環(huán)狀依次設(shè)置的第一偏振控制器、第一隔離器、第二偏振控制器、可飽和吸收體、輸出耦合器、利奧濾波器、色散補(bǔ)償光纖、第二泵浦合束器、摻銩增益光纖和第一泵浦合束器；所述第一泵浦源產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)第一偏振控制器后進(jìn)入諧振腔進(jìn)行正向泵浦，所述第二泵浦源產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)色散補(bǔ)償光纖后進(jìn)入諧振腔進(jìn)行反向泵浦。

其中，所述第一泵浦源、第二泵浦源均為波長(zhǎng)為790nm的LD泵浦源。

其中，所述納秒方波型脈沖激光的波長(zhǎng)為2.1μm。

其中，所述級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)包括對(duì)納秒方波型脈沖激光進(jìn)行放大的一級(jí)放大系統(tǒng)、以及對(duì)經(jīng)一級(jí)放大系統(tǒng)放大后的納秒方波型脈沖激光進(jìn)行再次放大的二級(jí)放大系統(tǒng)。

其中，所述一級(jí)放大系統(tǒng)包括第三泵浦合束器、第三泵浦源、單包層摻銩光纖和第二隔離器，所述第三泵浦源產(chǎn)生的泵浦光、輸出耦合器輸出納秒方波型脈沖激光通過(guò)第三泵浦合束器合束耦合進(jìn)單包層摻銩光纖，然后再經(jīng)第二隔離器消除后向殘余光源后輸入二級(jí)放大系統(tǒng)。

其中，所述二級(jí)放大系統(tǒng)包括第四泵浦源、雙包層摻銩光纖、第四泵浦合束器，所述第四泵浦源設(shè)置多組，多組第四泵浦源產(chǎn)生的多組泵浦光、經(jīng)一級(jí)放大系統(tǒng)放大后的納秒方波型脈沖激光通過(guò)第四泵浦合束器合束耦合進(jìn)雙包層摻銩光纖。

其中，所述準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)包括依次設(shè)置的第一凸透鏡、第三隔離器、半波片和第二凸透鏡，經(jīng)級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)放大后的納秒方波型脈沖激光依次通過(guò)第一凸透鏡、第三隔離器、半波片和第二凸透鏡形成準(zhǔn)直的納秒方波型脈沖激光。

其中，所述OPO為采用雙ZGP非線性晶體組成的OPO。

其中，所述OPO包括非線性介質(zhì)、兩組平凹透鏡，兩組平凹透鏡對(duì)稱設(shè)置于非線性介質(zhì)兩側(cè)。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明中，采用第一偏振控制器、第一隔離器、第二偏振控制器、可飽和吸收體、輸出耦合器、利奧濾波器、色散補(bǔ)償光纖、第二泵浦合束器、摻銩增益光纖和第一泵浦合束器形成環(huán)形全保偏混合耗散共振孤子鎖模結(jié)構(gòu)的諧振腔，通過(guò)該環(huán)形全保偏混合耗散共振孤子鎖?？墒馆敵鲴詈掀鬏敵黾{秒方波型脈沖激光，并將該納秒方波型脈沖激光作用于OPO，提高了脈沖激光中峰值功率與非線性晶體的作用時(shí)間，從而極大的提高OPO以及整個(gè)中紅外激光器的轉(zhuǎn)換效率。

2、本發(fā)明中，通過(guò)利用腔內(nèi)全光纖利奧濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)單偏振激光輸出，并通過(guò)溫度調(diào)節(jié)全光纖利奧濾波器實(shí)現(xiàn)脈沖激光的波長(zhǎng)調(diào)諧，避免了使用空間的偏振和波長(zhǎng)調(diào)諧光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)了全光纖化。

3、本發(fā)明的波長(zhǎng)可調(diào)的高效高功率中紅外激光器其結(jié)構(gòu)緊湊，可產(chǎn)生光束質(zhì)量高、轉(zhuǎn)換效率高、功率穩(wěn)定的脈沖激光，這種激光器應(yīng)用于市場(chǎng)相關(guān)領(lǐng)域的商業(yè)價(jià)值頗大。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中OPO的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中標(biāo)記：1-第一泵浦源、2-第一泵浦合束器、3-摻銩增益光纖、4-第一偏振控制器、5-第一隔離器、6-第二偏振控制器、7-色散補(bǔ)償光纖、8-利奧濾波器、9-可飽和吸收體、10-輸出耦合器、11-第三泵浦合束器、12-第三泵浦源、13-單包層摻銩光纖、14-第二隔離器、15-第四泵浦源、16-雙包層摻銩光纖、17-第一凸透鏡、18-第三隔離器、19-半波片、20-第二凸透鏡、21-OPO、22-濾波器、23-二色鏡、24-非線性介質(zhì)、25-平凹透鏡、26-第四泵浦合束器、27-第二泵浦源、28-第二泵浦合束器。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種波長(zhǎng)可調(diào)的高效高功率中紅外激光器，其包括第一泵浦源1、第二泵浦源27、諧振腔、級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)、準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)、OPO21、濾波器22和二色鏡23，該諧振腔采用環(huán)形全保偏混合耗散共振孤子鎖模結(jié)構(gòu)的諧振腔，使得第一泵浦源1產(chǎn)生的泵浦光、第二泵浦源27產(chǎn)生的泵浦光在環(huán)形全保偏混合耗散共振孤子鎖模結(jié)構(gòu)的諧振腔內(nèi)沿兩個(gè)相反的方向進(jìn)行泵浦。該第一泵浦源1采用波長(zhǎng)為790nm的LD泵浦源，第一泵浦源1產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)諧振腔的第一偏振控制器4后進(jìn)入諧振腔并在諧振腔內(nèi)進(jìn)行正向泵浦，可以是正向的循環(huán)泵浦；該第二泵浦源27也采用波長(zhǎng)為790nm的LD泵浦源，第二泵浦源27產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)諧振腔的色散補(bǔ)償光纖7后進(jìn)入諧振腔進(jìn)行反向泵浦，可以是反向的循環(huán)泵浦。第一泵浦源1產(chǎn)生的泵浦光、第二泵浦源27產(chǎn)生的泵浦光進(jìn)入諧振腔內(nèi)以后將經(jīng)由諧振腔的輸出耦合器10輸出，在該特殊結(jié)構(gòu)的諧振腔作用下使得該諧振腔的輸出耦合器10輸出的激光為納秒方波型脈沖激光，且該納秒方波型脈沖激光的波長(zhǎng)為2.1μm，然后該納秒方波型脈沖激光依次經(jīng)級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)、準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)后耦合進(jìn)OPO21，并最終依次經(jīng)濾波、二色鏡23后輸出納秒脈沖激光。

由于非線性晶體介質(zhì)的二階非線性效應(yīng)，三個(gè)光波在傳輸?shù)倪^(guò)程中能量相互的轉(zhuǎn)移，光場(chǎng)隨著傳播的距離是變化的，那么要產(chǎn)生高效率的OPO振蕩，就要提高與非線性介質(zhì)中相互作用光波的傳播方向和偏振方向有關(guān)的量，我們利用摻銩光纖激光實(shí)現(xiàn)輸出一個(gè)高功率，單偏振態(tài)，光束質(zhì)量高的納秒方波型脈沖激光，該方波脈沖激光與非線性晶體ZGP有效相互作用時(shí)間長(zhǎng)，能夠提高OPO振蕩的效率。

激光器的諧振腔為具有特殊結(jié)構(gòu)的采用環(huán)形全保偏混合耗散共振孤子鎖模結(jié)構(gòu)的諧振腔。該諧振腔包括呈環(huán)狀依次設(shè)置的第一偏振控制器4、第一隔離器5、第二偏振控制器6、可飽和吸收體9、輸出耦合器10、利奧濾波器8、色散補(bǔ)償光纖7、第二泵浦合束器28、摻銩增益光纖3和第一泵浦合束器2；該摻銩增益光纖3用于產(chǎn)生2.1um納秒方波型脈沖激光光源，該第一偏振控制器4和第二偏振控制器6均用來(lái)控制激光光束的偏振態(tài)，該第一隔離器5用來(lái)隔離泵浦光源的后向散射光，該色散補(bǔ)償光纖7用來(lái)進(jìn)行色散補(bǔ)償，以保證整條光纖線路的總色散近似為零；該利奧濾波器8用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸特定波長(zhǎng)的窄帶光，該可飽和吸收體9用來(lái)實(shí)現(xiàn)激光的鎖模，該第二泵浦合束器28和第一泵浦合束器2用于將泵浦源產(chǎn)生的泵浦光耦合進(jìn)摻銩增益光纖3。由第一泵浦源1產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)第一偏振控制器4后進(jìn)入諧振腔，并在諧振腔內(nèi)進(jìn)行正向泵浦；由第二泵浦源27產(chǎn)生的泵浦光經(jīng)色散補(bǔ)償光纖7后進(jìn)入諧振腔，并在諧振腔內(nèi)進(jìn)行反向泵浦。

經(jīng)790nmLD泵浦光入射耦合進(jìn)摻銩增益光纖中，銩離子吸收泵浦光能量滿足閾值條件后實(shí)現(xiàn)能級(jí)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，隨后粒子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)并發(fā)射出光子，隨著泵浦光功率的不斷增大，光子在全保偏混合耗散共振孤子鎖模環(huán)形腔內(nèi)往返振蕩直到增益大于損耗時(shí)輸出納秒方波型脈沖激光。

該級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)包括對(duì)納秒方波型脈沖激光進(jìn)行放大的一級(jí)放大系統(tǒng)、以及對(duì)經(jīng)一級(jí)放大系統(tǒng)放大后的納秒方波型脈沖激光進(jìn)行再次放大的二級(jí)放大系統(tǒng)。

該一級(jí)放大系統(tǒng)包括第三泵浦合束器11、第三泵浦源12、單包層摻銩光纖13和第二隔離器14，該第三泵浦源12仍采用波長(zhǎng)為790nm的LD泵浦源，該第二隔離器14采用高功率隔離器。該第三泵浦源12產(chǎn)生的泵浦光、輸出耦合器10輸出納秒方波型脈沖激光通過(guò)第三泵浦合束器11合束耦合進(jìn)單包層摻銩光纖13，實(shí)現(xiàn)對(duì)2.1μm的納秒方波型脈沖激光進(jìn)行一級(jí)放大，然后采用第二隔離器14消除后向殘余光源以及泵浦光對(duì)放大性能的影響后輸入二級(jí)放大系統(tǒng)。

該二級(jí)放大系統(tǒng)包括第四泵浦源15、雙包層摻銩光纖16、第四泵浦合束器26，該第四泵浦源15設(shè)置多組，且每組第四泵浦源15均采用波長(zhǎng)為790nm的LD泵浦源。多組第四泵浦源15產(chǎn)生的多組泵浦光、經(jīng)一級(jí)放大系統(tǒng)放大后的納秒方波型脈沖激光通過(guò)第四泵浦合束器26合束耦合進(jìn)雙包層摻銩光纖16，實(shí)現(xiàn)對(duì)納秒方波型脈沖激光的二次放大，輸出2.1μm單偏振、窄線寬及高光束質(zhì)量的納秒方波型脈沖激光。

該準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)包括依次設(shè)置的第一凸透鏡17、第三隔離器18、半波片19和第二凸透鏡20，該半波片19用于調(diào)整進(jìn)入非線性晶體的激光偏振態(tài)，經(jīng)級(jí)聯(lián)放大系統(tǒng)放大后的納秒方波型脈沖激光依次通過(guò)第一凸透鏡17、第三隔離器18、半波片19和第二凸透鏡20形成準(zhǔn)直的納秒方波型脈沖激光。

該OPO21為采用雙ZGP非線性晶體組成的OPO21，且該采用雙ZGP非線性晶體組成的OPO21的振蕩腔由一對(duì)平凹透鏡25構(gòu)成。具體地，該OPO21包括非線性介質(zhì)24、兩組平凹透鏡25，兩組平凹透鏡25對(duì)稱設(shè)置于非線性介質(zhì)24兩側(cè)。準(zhǔn)直的納秒方波型脈沖激光經(jīng)該OPO21、濾波器22和二色鏡23輸出時(shí)，通過(guò)對(duì)雙ZGP非線性晶體的角度和溫度調(diào)諧控制，便可實(shí)現(xiàn)高效高功率3～10μm波長(zhǎng)可調(diào)的納秒脈沖光纖激光輸出。

此外，從圖3可知，將具有頻率為ω_p的泵浦激光束轉(zhuǎn)換成頻率為ω_s的信號(hào)光和ω_i的閑頻光，三者滿足ω_p＝ω_s+ω_i，每個(gè)泵浦光子用于產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)光和一個(gè)閑頻光，這樣的轉(zhuǎn)換是基于在非線性晶體中發(fā)生的差頻產(chǎn)生(difference frequency generation，DFG)現(xiàn)象。即當(dāng)泵浦光直接通過(guò)非線性晶體時(shí)，在非線性晶體內(nèi)滿足相位匹配條件的自發(fā)輻射噪聲光(信號(hào)光)與泵浦光差頻產(chǎn)生閑頻光，而此時(shí)閑頻光又進(jìn)一步與泵浦光差頻產(chǎn)生信號(hào)光，如果這個(gè)時(shí)候增益大于損耗，該過(guò)程就將會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去，從而使泵浦光的能量不斷轉(zhuǎn)換到信號(hào)光和閑頻光中，最終獲得光參量的輸出，這個(gè)過(guò)程被稱為光參量產(chǎn)生過(guò)程，于是信號(hào)光或閑頻光通過(guò)在共振腔內(nèi)的不斷振蕩實(shí)現(xiàn)激光輸出。本發(fā)明基于OPO21的這種頻率轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用波長(zhǎng)為790nm LD泵浦源泵浦摻銩增益光纖3實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為2.1μm的高功率納秒方波型脈沖激光光源，最終用該光源來(lái)泵浦雙ZGP非線性晶體組成的OPO21以研發(fā)高效率高功率的3～10μm波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的中紅外激光器。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)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(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。