高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高功率啁啾脈沖放大的短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，主要包括脈沖激光器，啁啾拉伸器和摻銩光纖放大器；其中摻銩光纖放大器由抽運激光器，抽運/信號光纖合束器，摻銩光纖和抽運傾瀉器組成；本發(fā)明采用啁啾脈沖放大并在摻銩光纖放大器中產(chǎn)生寬譜超連續(xù)譜激光輸出，具有轉換效率高、光譜平坦性好、光束質量好、熱負載低、穩(wěn)定性高等特點，可以解決當前摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光光源功率轉換水平低下的普遍問題，用于遠距離大氣傳輸時具有高的通過率，損耗小，能夠滿足有關的大氣應用需求。
【專利說明】
高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光領域，尤其涉及一種基于高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源。
【背景技術】
[0002]超連續(xù)譜激光光源在環(huán)境檢測、生物醫(yī)學、自由空間光通信、紅外光譜學、國防安全等領域有重要應用前景。相比于傳統(tǒng)的非相干熒光光源、稀土元素的自發(fā)輻射光源以及熱光源，超連續(xù)譜激光光源具有亮度高、空間相干性好、結構緊湊、譜寬更廣等諸多優(yōu)點。
[0003]近年來，基于“稀土增益光纖放大器”產(chǎn)生超連續(xù)譜激光光源的方式，逐漸得到人們重視?；趽借O光纖放大器實現(xiàn)了功率大于100W、光譜范圍為1_2μπι的超連續(xù)譜激光光源，參考文獻(宋銳，侯靜，陳勝平，王彥斌，陸啟生，177.6W全光纖超連續(xù)譜光源，物理學報[J]，2012，61(5):054217)證明了基于“稀土增益光纖放大器”可極大地提高輸出超連續(xù)譜激光光源的亮度和功率譜密度。隨著2μπι波段摻銩光纖的發(fā)展，也使得人們逐漸認識到基于摻銩光纖放大器可實現(xiàn)更高亮度的2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源。由于2-2.5μπι波長范圍處于短波紅外中大氣透過率最高的傳輸窗口，因此該波段的激光光源具有更低的大氣傳輸損耗，非常適用于遠距離大氣應用研究，這些應用包括主動紅外照明與探測，短波紅外高光譜成像，自由空間通信，多譜段激光雷達等?；趽戒A光纖放大器可以帶來至少兩個好處:第一，產(chǎn)生的2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源的截止波長可以突破2.4μπι，甚至可以在2.6μπι附近存在較強的光譜能量;第二，利用摻銩光纖的稀土增益，可以成量級地提高2-2.5μπι波段內超連續(xù)譜激光光源的輸出功率水平。
[0004]目前用于摻銩光纖放大器產(chǎn)生2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源輸出的種子激光主要有兩種:一種是基于2μπι波段的鎖模激光脈沖或者電調制脈沖激光器;另一種是基于1.5μπι摻鉺光纖激光產(chǎn)生的2μπι激光脈沖種子。由于缺少對摻銩光纖放大器中非線性效應過程和稀土放大過程的控制，導致目前所有的摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光光源產(chǎn)生的轉換效率都非常低下(通常被限制在30%以下)、平均輸出功率普遍被限制在40W以下、且輸出光源的光譜平坦型不好，說明現(xiàn)有的產(chǎn)生方法不能滿足高功率光譜平坦型超連續(xù)譜激光光源的產(chǎn)生要求。例如參考文獻(V.V.Alexander，et al ,Power scalable>25ff supercontinuumlaser from 2-2.5μπι with near diffract1n limited beam and low outputvariability，0pt.Lett.38,2292-2294(2013).)報道的一個基于摻銩光纖放大器實現(xiàn)的光譜范圍覆蓋2-2.5μπι的超連續(xù)譜激光光源，雖然輸出平均功率可達到25.7W，但該摻銩光纖放大器的抽運激光到超連續(xù)譜激光的功率轉換效率僅為23%。又如參考文獻(K.Yin，etal.?Over 10ff ultra-flat broadband short-wave infrared supercontinuumgenerat1n in a thulium-doped fiber amplifier.0pt.Lett?201540(20):4787-4790.)通過采用MHz以上重復頻率的脈沖激光種子一定程度上將摻銩光纖放大器的功率轉換效率增加到了 35.4 %，報道的基于摻銩光纖放大器輸出平均功率可達到100W的2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源，但高功率時激光工作效率下降迅速，也難以進一步提高輸出功率。這些研究結果表明，當前摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光產(chǎn)生的功率轉換效率都非常低下(遠遠低于連續(xù)摻銩激光放大器的一般值60%)，這一方面限制了摻銩光纖放大器中采用當前的方案無法獲得更高功率的激光輸出；另一方面，由于嚴重的熱積累過程，加重了光源整體系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定因素。如何解決目前摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光的功率轉換效率低下的問題，對于獲得更高功率的2-2.5μπι超連續(xù)譜激光光源顯得尤為關鍵。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決當前摻銩光纖放大器中超連續(xù)譜激光光源功率轉換水平低下的普遍問題，并提供一種高功率啁啾脈沖放大的短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，該光源采用啁啾脈沖放大并在摻銩光纖放大器中產(chǎn)生寬譜超連續(xù)譜激光輸出，具有轉換效率高、光譜平坦性好、光束質量好、熱負載低、穩(wěn)定性高等特點。
[0006]本發(fā)明所采用的技術方案如下:
[0007]—種高功率高效率的啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，包括脈沖激光器，啁啾拉伸器和摻鎊光纖放大器。其中摻鎊光纖放大器由抽運激光器，抽運/信號光纖合束器，摻銩光纖和抽運傾瀉器組成。脈沖激光器的輸出端與啁啾拉伸器的輸入端相連，啁啾拉伸器的輸出端與抽運/信號光纖合束器的信號輸入端相連，抽運激光器與抽運/信號光纖合束器的抽運臂相連。抽運/信號光纖合束器的合束臂與摻銩光纖的輸入端相連。摻銩光纖的輸出端與抽運傾泄器相連。
[0008]所述脈沖激光器可以是2μηι波段的主動鎖模摻鎊光纖激光器，或者被動鎖模摻鎊光纖激光器，或者是利用1μπι、1.5μπι的光纖激光器通過光學非線性效應獲得的工作波長在2Mi波段的激光器。
[0009]所述的激光脈沖器可以提供脈沖寬度在50fs-10ps的超短激光脈沖，激光脈沖的中心波長在1.8-2.2μπι之間(位于摻銩光纖放大器增益譜內)，且對應重復頻率為10kHz-500MHz ο
[0010]所述的激光脈沖采用石英光纖、或者氟化物光纖、或者碲酸鹽光纖傳輸。
[0011]所述的啁啾拉伸器采用啁啾光纖光柵、或者色散光纖、或者空間耦合的閃耀光柵對、或者體布拉格光柵。
[0012]所述摻銩光纖放大器至少包含一個抽運激光器。所述的抽運激光器可以是工作波長在793nm、或者1550nm的高功率半導體激光二極管，或者是工作波長在793nm、或者1550nm的光纖激光器。所述的抽運激光器的輸出光纖可以是單模和多模光纖。
[0013]所述摻銩光纖的纖芯采用高摻雜設計，銩離子的摻雜濃度大于IX 1025m—3，其端面結構為階躍折射率型折射率結構或光子晶體結構，光纖基模有效模場面積大于50μπι2，小于ΙΟΟΟμπι2。所述的摻銩光纖在2μπι僅支持單?；蛘咧С稚贁?shù)模式，并且基模的群速度色散量符號與啁啾拉伸器的群速度色散量相反，可以在摻銩光纖內對放大后信號激光脈沖進行啁啾補償，實現(xiàn)脈沖壓縮。
[0014]本發(fā)明中，脈沖激光器產(chǎn)生的超短激光脈沖在經(jīng)過啁啾拉伸器后輸出脈沖寬度得到極大的時間展寬后形成大啁啾量脈沖(納秒激光脈沖)，作為信號激光注入摻銩光纖放大器;抽運/信號光纖激光合束器將經(jīng)過啁啾拉伸器拉伸之后的信號激光脈沖以及來自抽運激光器的抽運激光耦合進入雙包層摻銩光纖;在抽運激光器的作用下，該納秒激光脈沖可以在摻銩光纖中得到功率放大，獲得大于20dB的增益，并且同時在摻銩光纖內部完成啁啾補償和脈沖壓縮，脈沖壓縮后的激光脈沖發(fā)生嚴重的以自相位調制、受激拉曼散射效應為主的光學非線性效應，于摻銩光纖輸出端實現(xiàn)快速的光譜展寬，形成經(jīng)過抽運傾泄器的2-
2.5μπι的超連續(xù)譜激光輸出。所述抽運傾瀉器可以剝離摻銩光纖后的未吸收的抽運激光以及可能的包層激光，確保輸出超連續(xù)譜激光具有好的光束質量。本發(fā)明中，所述的摻銩光纖放大器中抽運激光到超連續(xù)譜激光光源的功率轉換效率高于40%;所述超連續(xù)譜激光的輸出光譜平坦度好，無明顯的光譜尖峰，3dB光譜寬度大于500nm，可以覆蓋2-2.5μπι的大氣窗口范圍。
[0015]本發(fā)明的有益效果在于:
[0016]1.本發(fā)明采用啁啾拉伸器對超短激光脈沖進行拉伸，可顯著提高摻銩光纖放大器的信號激光的時間占空比，增加摻銩光纖放大器中抽運激光到超連續(xù)譜激光的功率轉換效率；
[0017]2.本發(fā)明采用高占空比的大啁啾激光脈沖作為摻銩光纖放大器的信號激光，可在實現(xiàn)放大器對2μπι信號激光的功率提升的同時，實現(xiàn)對信號激光脈沖的啁啾壓縮，獲得超高峰值功率激光脈沖，并最終在受激拉曼散射效應為主的光學非線性效應作用下，于摻銩光纖輸出端快速形成光譜范圍2-2.5μπι的超連續(xù)譜激光；
[0018]3.本發(fā)明通過啁啾脈沖放大超連續(xù)譜光源產(chǎn)生方式，降低放大器內部非輻射躍迀帶來的熱效應，有效降低摻銩光纖的熱負載，并且產(chǎn)生2-2.5μπι超連續(xù)譜激光位于摻銩光纖放大器輸出端處，激光經(jīng)歷的較小的石英光纖吸收損耗，可以減小光纖紅外損耗對產(chǎn)生超連續(xù)譜激光的再吸收，保證高功率高亮度2-2.5μπι相干超連續(xù)譜激光輸出。
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1是本發(fā)明實施例的結構示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明實施例的信號激光脈沖經(jīng)過啁啾拉伸器前后的脈沖寬度對比圖；
[0022]圖3是本發(fā)明實施例中超連續(xù)譜光源的光譜圖；
[0023]圖4表示2-2.5μπι大氣窗口透射譜。
【具體實施方式】
[0024]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0025]圖1給出了本發(fā)明所述的一種高功率高效率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源的一個實施例。具體由脈沖激光器I，啁啾拉伸器2和摻銩光纖放大器3組成。其中摻鎊光纖放大器由抽運激光器4，抽運/信號光纖合束器5，摻鎊光纖6和抽運傾灣器7組成。脈沖激光器I的輸出端與啁啾拉伸器2的輸入端連接，啁啾拉伸器2的輸出端與抽運/信號光纖合束器5的信號輸入臂連接，抽運/信號光纖合束器5的合束臂與增益光纖6的輸入端連接，增益光纖6的輸出端與抽運傾泄器7連接。六個抽運激光器4分別與抽運/信號光纖合束器5的六個抽運臂連接。
[0026]本實施例中脈沖激光器I為一個被動鎖模摻銩光纖激光器，采用環(huán)形腔結構設計，輸出激光脈沖的脈沖寬度為3ps(3dB光譜寬度為6nm)、重復頻率為10MHz、平均功率為
0.2.，中心波長為1.96μηι，輸出光纖為單模石英光纖。
[0027]本實施例中啁啾拉伸器2為采用一段2μπι附近的正色散光纖，光纖的線性色散群速度色散量為50ps/(nm*km)，使用光纖長度為2km，可將脈沖激光器I輸出脈沖寬度拉伸至約
1.2ns。經(jīng)過啁啾拉伸器拉伸前后的脈沖寬度對比如圖2所示。圖2中右上角的圖是曲線的局部放大圖像。脈沖寬度拉伸后的激光脈沖作為摻銩光纖放大器3的信號激光脈沖，對應的信號激光脈沖的占空比為0.12 %。
[0028]本實施例中摻銩光纖放大器3采用六個工作波長在793nm的半導體激光器4作為抽運激光，通過抽運/信號光纖合束器5后測量總功率為700W。
[0029]本實施例中摻鎊光纖6為一段長度為3m的雙包層大模場階躍折射率型摻鎊光纖，光纖的纖芯/包層直徑為25/250μπι，在793nm的抽運吸收系數(shù)約為9dB/m，其在2μπι波段的群速度色散量是70ps/(nm*km)。摻銩光纖在2μπι的基模有效模場面積為371μπι2，光纖纖芯的銩離子摻雜濃度為3 X 12V3。
[0030]本實施例中抽運傾瀉器7為與摻銩光纖6相匹配的非摻雜光纖，長度為0.5m。
[0031]本實施例的工作過程如下:脈沖激光器I的輸出激光脈沖在經(jīng)過啁啾拉伸器2之后，變成含有大量正啁啾量的納秒激光脈沖;進一步地，在抽運激光器4的作用下，該納秒激光脈沖可以在增益光纖6中得到功率放大，并且在增益光纖6作用下完成啁啾補償和脈沖壓縮;進一步地，壓縮后的激光脈沖發(fā)生嚴重的光學非線性效應，形成經(jīng)過抽運傾泄器7的2-
2.5μπι的超連續(xù)譜激光輸出。
[0032]圖3給出了本實施例中輸出超連續(xù)譜激光光源的光譜圖，可以看出其光譜平坦性好，3dB光譜帶寬為640nm，覆蓋波長范圍是1970-2610nm。
[0033]圖4給出了2-2.5μπι大氣窗口透射譜，可以看出本實施例中輸出超連續(xù)譜激光光源的光譜范圍(見圖3)有效覆蓋了此大氣傳輸窗口，說明本發(fā)明產(chǎn)生超連續(xù)譜激光光源用于遠距離大氣傳輸時具有高的通過率，損耗小，能夠滿足有關的大氣應用需求。
[0034]本實施例中輸出超連續(xù)譜激光光源的最高平均功率為294W，對應抽運激光到超連續(xù)譜激光功率轉換效率為42%，所述超連續(xù)譜激光的輸出光束質量評價因子ΜΜ、于1.2，具有較好的空間相干性。
[0035]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，包括脈沖激光器，啁啾拉伸器和摻銩光纖放大器;其中摻銩光纖放大器由抽運激光器、抽運/信號光纖合束器、摻銩光纖和抽運傾瀉器組成;脈沖激光器的輸出端與啁啾拉伸器的輸入端相連，啁啾拉伸器的輸出端與抽運/信號光纖合束器的信號輸入端相連，抽運激光器與抽運/信號光纖合束器的抽運臂相連;抽運/信號光纖合束器的合束臂與摻銩光纖的輸入端相連;摻銩光纖的輸出端與抽運傾泄器相連。2.如權利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述脈沖激光器可以是主動鎖模摻銩光纖激光器，或者被動鎖模摻銩光纖激光器，或者是利用1μπι、1.5μπι的光纖激光器通過光學非線性效應獲得的工作波長在2μπι波段的激光器。3.如權利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述的脈沖激光器產(chǎn)生的激光脈沖是脈沖寬度在50fs-10ps的超短激光脈沖，脈沖的中心波長在1.8-2.2口111之間，且對應重復頻率為1001^^-50010^;所述的激光脈沖采用石英光纖、氟化物光纖或者碲酸鹽光纖傳輸。4.如權利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述的啁啾拉伸器采用啁啾光纖光柵，或者色散光纖，或者空間耦合的閃耀光柵對，或者體布拉格光柵。5.如權利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述摻銩光纖放大器至少包含一個抽運激光器;所述的抽運激光器可以是工作波長在793nm或者1550nm的高功率半導體激光二極管，或者是工作波長在793nm或者1550nm的光纖激光器;所述的抽運激光器的輸出光纖可以是單?；蚨嗄９饫w。6.如權利要求1所述的高功率啁啾脈沖放大短波紅外相干超連續(xù)譜激光光源，其特征在于，所述摻銩光纖的纖芯中銩離子的摻雜濃度大于I X 12V3,其端面結構為階躍折射率型折射率結構，或光子晶體結構，光纖基模有效模場面積大于50μηι2，小于ΙΟΟΟμηι2。
【文檔編號】H01S3/13GK105958308SQ201610514404
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月3日
【發(fā)明人】殷科, 侯靜, 張斌, 陳勝平, 李志鴻, 姚金妹, 楊林永, 劉廣琛
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學