基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器

摘要

基于红移拉曼孤子的3‑5微米飞秒光纤放大器属于中红外光纤激光器领域。针对目前中红外飞秒光纤放大器技术中依赖于空间固体光学器件，未完全实现全光纤结构的不足，解决信号源获得途径复杂、系统庞大、成本高昂的问题，本实用新型通过激发软玻璃光纤中的孤子自频移效应获得3‑5μm波段内的飞秒脉冲激光作为种子光源，在基于侧面泵浦中红外合束器后向激励的稀土离子掺杂软玻璃增益光纤中进行放大，光谱和时间呼吸会产生极端的时域压缩和更宽的光谱，在结构紧凑的全光纤化放大器中输出高能量的中红外飞秒脉冲激光，填补光纤放大器中实验获得的飞秒激光波长在3μm以上波段的空白，可扩大高能量中红外飞秒脉冲在多个领域及极端环境的应用。

说明书

技术领域

本实用新型属于中红外光纤激光器领域，尤其涉及基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器。

背景技术

3-5μm波段对应于大气中衰减最小的传输窗口，覆盖了“分子指纹”光谱区及大部分军用红外探测器的响应波长，具有超短脉冲宽度和超高峰值功率的中红外飞秒脉冲激光在环境传感、国防军事以及生物医疗等诸多领域具有特点鲜明的应用需求。特别是在激光与生物组织相互作用、红外导弹致盲以及作为中远红外调谐激光产生的泵浦光源等应用中，对飞秒激光的脉冲能量和结构紧凑性提出了更高的要求。稀土离子掺杂(Er

在3-5μm波段，传统石英光纤因声子辅助的无辐射弛豫过程引起的激光传输损耗极大，无法用于该波段的传输和增益。近年来，以碲酸盐、氟化物和硫系玻璃为代表的中红外软玻璃光纤具有较宽的红外传输窗口和低声子能量，为中红外光纤激光器提供了良好的光纤材料。由于这类光纤发展迅速，研发时间较短，基于该类光纤的激光器件的研发比较滞后。目前3-5μm波段飞秒光纤放大器主要由稀土离子掺杂的增益光纤、无源光纤及各类固体光学元件搭建，结构包括信号源和光纤放大器。其中主流信号光源为光纤锁模振荡器，另外，光参量放大光源(OPA)和基于孤子自频移(SSFS)效应产生的飞秒光源也陆续被用做种子激光。

现有技术之一的方案，如图1所示的基于锁模激光种子的飞秒光纤放大器实验结构图，信号源为NPR锁模振荡器，振荡腔由掺铒氟化物光纤、耦合透镜、平面腔镜、锗棒、半波片与隔离器及四分之一波片组成的NPR锁模调控系统组成，通过二向色镜实现泵浦激光的注入和锁模激光的输出。振荡腔内通过锗棒调控色散，获得158mW、188fs的脉冲激光输出，在37.7MHz重复频率下，脉冲能量为4.2nJ。信号脉冲通过脉冲选择器降频至100kHz注入到氟化物放大腔内，放大腔由反向泵浦源和增益光纤组成，通过二向色镜实现泵浦激光的注入和放大激光的输出，激光在光纤之间的耦合通过透镜实现。在信号光源与光纤放大器之间插入隔离器防止激光反馈，插入锗棒进行色散调控。最终在氟化物放大器中实现2MW、101nJ脉冲能量、49fs的2.8μm超短脉冲激光输出。

该现有技术的缺点包括：

1、该系统中使用了大量的空间光学器件用于激光腔的搭建，失去了光纤激光器结构优势，体积庞大复杂，影响了系统稳定；为了实现模式锁定，腔内所有组件必须具有足够宽的带宽，对光学器件的材制和镀膜技术提出非常高的要求；大量光学器件增加了激光腔内损耗，影响系统效率；

2、在中红外波段，随着波长红移，镀膜技术和光学器件制备的难度增加，提高了激光振荡器和放大器搭建难度，目前波长大于3.5μm的锁模振荡器还未见报道，限制了长波长飞秒光纤放大器的研发；

3、该系统为开放的激光谐振腔，受水分子等杂质吸收影响，为了提高系统效率和长期运转的稳定性，需要提供技术维护，为激光器保持低温的、干燥的惰性环境，增加系统复杂度、操作的难度，提高成本。

现有技术之一的方案二，采用光参量放大激光作为信号源，通过透镜耦合的方式注入到光纤放大器中实现能量放大(OPCPA)。OPA光源可以获得波长较为灵活的信号光源，然而需要优化晶体的相位匹配角，存在时钟抖动的问题，获得途径复杂，系统庞大，操作困难，成本较高，不适合在多个领域大范围推广，限制了中红外飞秒脉冲在多个领域的应用。

现有技术之一的方案三，基于SSFS效应获得可调谐的中红外飞秒脉冲激光，经透镜耦合的方式注入到光纤放大器中，通过二向色镜实现放大器泵浦激光的注入和放大激光的输出，实现中红外飞秒脉冲的放大。目前研究表明，中红外软玻璃光纤中产生的SSFS效应能够使超快激光波长突破4.5μm，丹麦科技大学O.Bang等人在基于硫系光纤的宽光谱实验中证实了在硫系光纤中获得波长大于4.5μm光孤子的可能性。

然而该现有技术存在一下缺点：

1、将具有一定带宽的脉冲直接进行放大，在增益带宽有限的光纤放大器中通常会导致增益变窄效应，显著限制最大光谱宽度。

2、空间结构的设计使得整体结构复杂，信号光传输过程中的损耗较大，自发辐射放大(ASE)的阈值低，限制了中红外飞秒光纤放大器输出功率的提高。

综上所述，中红外飞秒光纤放大器技术的发展相对滞后，国际上一些知名科研机构虽已取得一些进展，但有两个明显地不足之处：未实现中红外飞秒光纤激光放大器的全光纤结构，主要依赖于空间结构器件实现放大器的搭建，信号源获得途径复杂，系统庞大，操作困难，成本较高，不适合在多个领域大范围推广；光纤放大器中实验获得的飞秒激光波长在3μm以下，在更长波段基本为空白，限制了高功率中红外飞秒脉冲在特定波长领域的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器，具有全光纤结构、3-5μm飞秒激光的放大器。

本实用新型是通过下述技术方案实现的：基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器，包括：超短脉冲激光器(1)、非线性软玻璃光纤(2)、正色散软玻璃光纤(3)、稀土离子掺杂增益光纤(4)、中红外侧面泵浦光纤合束器(5)、光纤端帽(6)、半导体激光器(7)。

超短脉冲激光器(1)输出端与非线性软玻璃光纤(2)熔接，在非线性软玻璃光纤(2)中激发孤子自频移效应获得具有飞秒量级脉冲宽度的拉曼孤子作为基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器的信号光源，拉曼孤子的波长位于3-5μm波段内。非线性软玻璃光纤(2)输出端与正色散软玻璃光纤(3)熔接，正色散软玻璃光纤(3)输出端与稀土离子掺杂增益光纤(4)的输入端熔接，稀土离子掺杂增益光纤(4)的输出端熔接中红外侧面泵浦光纤合束器(5)，半导体激光器(7)与中红外侧面泵浦光纤合束器(5)的泵浦光纤熔接，半导体激光器(7)提供的泵浦光源通过中红外侧面泵浦光纤合束器(5)后向注入到基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器中。中红外侧面泵浦光纤合束器(5)尾端熔接光纤端帽(6)进行保护。通过控制放大器光纤长度使激光腔内净色散量在±0.01ps/(km nm)范围内，激光脉冲在稀土离子掺杂增益光纤(4)输出端经过自压缩后输出。整个基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器通过冷却装置进行低温控制，温度控制在8℃以下。

进一步的，所述超短脉冲激光器(1)指中心波长为1975nm，脉冲宽度小于10ps，峰值功率高于20kW，重复频率在1kHz-200MHz范围内的脉冲激光器。

进一步的，所述具有飞秒量级脉冲宽度的拉曼孤子的波长在3-5μm波段内，所述飞秒量级脉冲宽度为20fs-500fs，重复频率为1kHz-200MHz。

进一步的，所述正色散软玻璃光纤(3)材制为硫系光纤，具有厘米级的长度；所述正色散软玻璃光纤(3)的非线性系数γ

进一步的，所述稀土离子掺杂增益光纤(4)的基质材料为氟化物光纤或硫系光纤；稀土离子掺杂增益光纤(4)的掺杂离子为Er

进一步的，所述中红外侧面泵浦光纤合束器(3)在稀土离子掺杂增益光纤(4)输出端制备，可以采用熔锥法或者侧面研抛法制备。

本实用新型有益效果如下：

在基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器中，通过激发中红外波段软玻璃光纤中的孤子自频移效应获得3-5μm波段内的飞秒脉冲激光作为种子光源，使用正色散软玻璃光纤优化激光腔内净色散量，在稀土离子掺杂软玻璃增益光纤中进行放大，逐渐放大后的高能脉冲在稀土离子掺杂软玻璃增益光纤中被增益的同时，光谱和时间呼吸会产生极端的时域压缩和更宽的光谱，输出高能量的中红外飞秒脉冲激光。采用红移拉曼孤子脉冲作为种子激光，有效解决了光纤激光器中3-5μm波段飞秒脉冲激光获得困难的难题；采用正色散软玻璃光纤拉伸放大前飞秒激光的脉冲宽度，有效抑制放大器中增益变窄效应，优化腔内净色散量在放大器的自压缩效应下直接获得飞秒脉冲输出；采用后向泵浦方式，可以有效减缓超短脉冲激光在放大过程中高阶非线性效应的产生，在保证激光脉冲形状的前提下提高脉冲能量；种子脉冲的获得方式、泵浦耦合方式、脉冲压缩方式以及全软玻璃光纤的使用保证了激光放大器的全光纤结构，在结构紧凑的全光纤飞秒放大器中输出稳定的高能量飞秒脉冲激光，高效快捷地解决3-5μm波段飞秒放大器获得困难、装配复杂等问题，充分地发挥光纤激光器的优势，提高ASE阈值并抑制增益变窄效应，有效提高飞秒光纤放大器的激光输出。

以下结合实施例的具体实施方式，对本实用新型的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本实用新型上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本实用新型的范围内。

附图说明

图1为现有的一种基于锁模激光种子的飞秒光纤放大器实验结构图；

图2为本实用新型提供的基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器的系统框架图；

图3为3-5微米波段部分稀土离子的部分能级图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型实施例提供基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器，如图2所示，包括：超短脉冲激光器(1)、非线性软玻璃光纤(2)、正色散软玻璃光纤(3)、稀土离子掺杂增益光纤(4)、中红外侧面泵浦光纤合束器(5)、光纤端帽(6)、半导体激光器(7)。超短脉冲激光器(1)、非线性软玻璃光纤(2)、正色散软玻璃光纤(3)、稀土离子掺杂增益光纤(4)、中红外侧面泵浦光纤合束器(5)和光纤端帽(6)通过光纤熔接的方式按上述顺序依次连接，半导体激光器(7)熔接在中红外侧面泵浦光纤合束器(5)的泵浦光纤输入端；

在具体实施方式中，超短脉冲激光器(1)采用1975nm主振荡功率放大器(MOPA)，脉冲宽度为100fs，重复频率为5MHz，峰值功率高于20kW，非线性软玻璃光纤(2)采用纤芯直径为6μm的氟化铟光纤，在超短脉冲激光器(1)的泵浦下发激发孤子自频移效应，随着泵浦功率的增加，在色散和非线性效应作用下劈裂出的主拉曼孤子逐渐红移，最终频移至3.95μm波长处，通过孤子劈裂产生的激光脉冲宽度在百飞秒量级，作为3.95μm飞秒激光光纤放大器的信号光源。正色散软玻璃光纤(3)采用纤芯直径25μm的As

基于红移拉曼孤子的3-5微米飞秒光纤放大器中各部分光纤和器件固定在铜板上的匹配的V型槽中，通过TEC进行制冷和温控，温度控制在8℃以下。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。