一种基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器

摘要

本发明公开了一种基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器，属于激光技术和非线性光学领域。本激光振荡器采用线形腔结构，主要包括锁模元件可饱和吸收体、泵浦源、光纤合束器、用于产生2～5微米激光的增益光纤、色散补偿元件、偏振控制器、高Q值的微腔，所述高Q值的微腔为回音壁模式光学微腔，其品质因数Q值不低于106。本发明利用可饱和吸收晶体的可饱和吸收效应和高Q值微腔的拉曼散射效应，取代了传统千米量级长度的光纤来增加腔内非线性的方法，可以产生相干的锁模脉冲激光，并通过腔内振荡直接实现长波拉曼频移，获得高重复速率，高功率的2～5微米超快拉曼激光；本发明可应用于基础研究，国防，通信传感，生物医疗和材料加工等领域。

说明书

技术领域

本发明属于激光技术及非线性光学领域，具体涉及一种基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器。

背景技术

由于波长灵活的特性，拉曼光纤激光器一直受到研究者们的关注。目前，拉曼激光器波长范围已经覆盖了可见光至中红外波段，并在近红外波段最大输出功率可超过千瓦。高功率拉曼光纤激光器技术的现有发展有以下特点：1通过多个超快种子源对功率进行放大来实现高功率拉曼光纤激光器，这种方法需要多个泵浦源和隔离器，因此腔形结构复杂，成本高且可靠性低；2虽然在近红外波段，Yb³⁺离子掺杂光纤激光器和Er³⁺离子掺杂光纤激光器，可通过千米量级的长光纤构成振荡器，从而在腔内直接实现拉曼超快激光输出；但是千米量级的长光纤导致拉曼激光的阈值非常高、获得的脉冲重复频率在几十开赫兹量级，低于通常锁模光纤激光器两个量级。这正是中红外波段拉曼超快光纤激光振荡器缺乏的原因。

目前尚没有实现2～5微米波段拉曼光纤激光振荡器的报道，主要有两个原因:一是由于光与物质相互作用的非线性强度与光的波长成反比(光子能量成正比)，因此拉曼阈值随着光的波长增加而升高；二是因为随着波长靠近2微米，此波段下石英光纤对激光的本征损耗增加，拉曼阈值更难达到，因此基于长光纤实现2微米波段拉曼超快激光阈值高，结构复杂。因为脉冲的重复频率可由计算得出。其中f为脉冲重复频率，L表示光在谐振腔内往还一次的光程，c表示光速。由上述公式可知脉冲重复频率与腔长成反比，因此要想获得高重复频率，应尽量减短腔长。

发明内容

为了解决通过长腔实现中红外拉曼超快激光输出导致高阈值低重复频率的问题，本发明提供一种基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器，采用线形腔结构，主要包括锁模元件可饱和吸收体、透镜Ⅰ、透镜Ⅱ、泵浦源、光纤合束器、增益光纤、色散补偿元件、偏振控制器、高Q值的微腔，所述高Q值的微腔为回音壁模式光学微腔，其品质因数Q值不低于10⁶；

在光纤合束器的信号输入端一侧切割一个角度α为8°～20°的斜角，斜角的出射光垂直射向透镜中心，即斜角有角度一端通过合适焦距的透镜聚焦到锁模元件可饱和吸收体上，斜角的平角端与光纤合束器的信号输入端连接形成谐振，泵浦源连接光纤合束器的泵浦端，增益光纤一端连接光纤合束器的信号输出端，增益光纤另一端连接色散补偿元件一端，色散补偿元件另一端连接偏振控制器一端，高Q值的微腔连接在偏振控制器后面，或者高Q值的微腔连接在光纤合束器和增益光纤之间，或者高Q值的微腔连接在增益光纤和色散补偿元件之间。

优选的，所述的高Q值的微腔为微球型、微柱型、微盘型、微泡型、微管型或微环型中的一种。

优选的，所述的高Q值的微腔的材料为2微米波段低损耗的石英或3微米波段低损耗的硅、锗、氟化钙、硒化锌中红外低损耗材料中的一种。

优选的，所述的高Q值的微腔的耦合方式采用拉锥光纤耦合或者棱镜对自由空间耦合中的一种。

优选的，所述的锁模元件可饱和吸收体为半导体可饱和吸收镜、石墨烯可饱和吸收镜、碳纳米管可饱和吸收镜或氧化石墨烯可饱和吸收镜中的一种，其工作范围覆盖2～3微米波段，其调制深度ΔR的取值范围为8％≤ΔR≤30％。

优选的，所述的泵浦源为半导体激光器泵浦源，中心波长λ为793nm或976nm，激励相应的稀土离子掺杂增益光纤产生2～5微米波段的激光。

优选的，所述的增益光纤为稀土单掺杂Tm³⁺石英光纤或稀土离子Tm³⁺、Ho³⁺共掺的石英光纤，用以产生1.6～2.2微米的激光，或Er³⁺掺杂的氟化物光纤，用以产生3微米左右的激光，再经过拉曼频移获得一阶斯托克斯激光和高阶斯托克斯激光，即可产生2～5微米波长的中红外超快激光。

优选的，所述的色散补偿元件为色散补偿光纤或啁啾光纤光栅。

进一步，所述的基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器还包括带通滤波器，所述带通滤波器连接在谐振腔外。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、良好的波长扩展特性，且结构简单，紧凑，波长切换容易。通过激励稀土单掺杂Tm³⁺石英光纤或稀土离子Tm³⁺、Ho³⁺共掺的石英光纤提供增益产生2微米左右的激光，通过增减增益光纤的长度改变中心波长和腔内增益，通过微腔元件的拉曼散射效应，在腔内实现拉曼频移，通过增加泵浦功率，更可实现级联拉曼，拉曼频移使激光向长波方向移动，从而可输出2～3微米的拉曼激光。同样，通过激励Er³⁺掺杂的氟化物光纤提供增益产生3微米左右的激光，可通过拉曼频移产生3～5微米的拉曼激光。

2、可实现高重频(近百兆赫兹)、高功率激光(瓦级)的飞秒激光。本发明采用微腔作为提供拉曼效应的主要元器件。微腔具有极高的Q值和极低的光学非线性阈值，大大降低了中红外拉曼激光实现的难度，并且可以通过腔内振荡直接实现长波拉曼频移，获得数十兆赫兹的高重复速率，瓦级水平的高功率的2～5微米超快拉曼激光。并且微腔可通过石英或硅等常见材料制得，成本低廉且工艺简单，满足实际应用需求。

3、采用简单的线性结构，损伤阈值高，可维护性强。本发明中采用稀土离子掺杂光纤和斜角构成的自由空间线性谐振结构，线性腔结构无需复杂的隔离装置，降低了成本。谐振结构极大地提高了腔内的拉曼激光产生所需能量，从而提高中红外拉曼激光振荡器的输出功率和效率。针对可饱和吸收镜的损伤特性，其采用的自由空间结构，使得可饱和吸收镜位置可调，从而使得中红外拉曼激光振荡器维护性好，寿命长。

4、本发明采用被动锁模技术产生超短脉冲激光，不需要外界附加的调制源，结构简单。本发明采用可饱和吸收体作为锁模器件，锁模性能较稳定。

附图说明

图1为本发明实施例1基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器的基本原理图；

图2为锥形光纤制备装置图；

图3为微球型回音壁模式光学微腔制备装置图；

图4为制备的带光纤柄的微球型回音壁模式光学微腔显微镜成像图；

图5为微球型回音壁模式光学微腔与拉锥光纤耦合显微镜图；

图6为本发明实施例1预期获得锁模脉冲序列图；

图7为本发明实施例1预期获得拉曼光谱图；

图8为本发明实施例2基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器的基本原理图；

图9为制备的微盘型回音壁模式光学微腔显微镜成像图：(a)俯视，(b)主视；

图10为本发明实施例2预期获得锁模脉冲序列图；

图11为本发明实施例2预期获得拉曼光谱图。

图中，1-锁模元件可饱和吸收体，2-透镜Ⅰ，3-透镜Ⅱ，4-斜角，5-泵浦源，6-光纤合束器，7-增益光纤，801-色散补偿光纤，802-啁啾光纤光栅，9-偏振控制器，101-微球型回音壁模式光学微腔，102-微盘型回音壁模式光学微腔，11-带通滤波器，12-单模光纤，13-步进电机，14-计算机，15-电机驱动，16-摄像头，17-三维移动平台，18-二氧化碳激光器，19-聚焦透镜，20-光纤柄，21-拉锥光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1基于2微米波长泵浦产生2～3微米拉曼锁模激光

一种基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器结构如图1所示，包括：

锁模元件可饱和吸收体1，选用2μm波段的宽带半导体可饱和吸收镜(SESAM)，SESAM的调制深度范围为8％≤ΔR≤30％，通过增加泵浦功率来控制腔内脉冲能量，使脉冲能量通量达到饱和通量的3～5倍时，适当调节SESAM的三维空间位置从而达到锁模；

透镜Ⅰ2，焦距为50mm；

透镜Ⅱ3，焦距为100mm；

斜角4，利用光纤斜角切割刀切割一个角度为8°～20°的斜角来防止激光反馈，避免F-P效应破坏锁模状态。

泵浦源5，选用中心波长为793nm的半导体激光器泵浦源，最大输出功率为30W，可激励相对应的增益光纤产生2微米波段的激光；

光纤合束器6，选用(2+1)×1石英光纤合束器，合束器泵浦端与LD尾纤采用熔接的方式连接；

增益光纤7，选用稀土单掺杂Tm³⁺石英光纤或稀土离子Tm³⁺、Ho³⁺共掺的石英光纤；

色散补偿元件，选用UHNA4色散补偿光纤801，来调节谐振腔内非线性与色散的相对平衡，从而实现脉冲宽度的可调谐；

偏振控制器9，选用手动偏振控制器或电动偏振控制器，本实施例采用手动的偏振控制器，通过旋转偏振控制片来拉扯光纤从而改变腔内的非偏振态，成本低且操作灵活，在调节到合适的偏振态后方便固定，从而增强系统的稳定性；

高Q值的微腔，选用微球型回音壁模式光学微腔101；

在(2+1)×1光纤合束器6的信号输入端切割一个角度为8°～20°的斜角4来防止激光反馈，避免F-P效应破坏锁模状态；斜角4有角度一端依次通过焦距为100mm的透镜Ⅱ3、焦距为50mm的透镜Ⅰ2后聚焦到半导体可饱和吸收镜1上，使入射在半导体可饱和吸收镜1的光斑能量更大，利于达到锁模阈值；斜角4的平角端与(2+1)×1光纤合束器6的信号输入端连接形成谐振，半导体激光器泵浦源5与(2+1)×1光纤合束器6的泵浦端连接，增益光纤7一端与(2+1)×1光纤合束器6的信号输出端连接，增益光纤7另一端按顺序依次连接色散补偿光纤801、偏振控制器9和微球型回音壁模式光学微腔101，在微球型回音壁模式光学微腔101输出端采用光纤端面直接输出的方式，从而使一种基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器输出高功率拉曼激光。在谐振腔外连接一个为2微米波段的带通滤波器11可获得特定波长的拉曼激光的输出。所有的光学元件之间的光纤通过普通熔接的方式进行连接。

其中，微球型回音壁模式光学微腔的制备方法为高温熔融冷却法，具体步骤如下：

首先采用火焰拉锥法制备锥形光纤：将一段单模光纤12去掉涂覆层并用酒精擦拭干净后，用夹具固定在一对步进电机13上，步进电机13由计算机14控制电机驱动15，一个火焰喷嘴固定在单模光纤12正下方，实验开始时调节火焰大小，使光纤处于外焰中，设置步进电机13以相同速度相离运动，带动光纤向两端拉伸，逐渐形成锥形结构，摄像头16反馈图像信息给计算机14。实验中通过控制步进电机13的步长和移动速度等参数控制全过程，制备出多种结构参数的拉锥光纤；拉锥光纤制备装置图如图2。

利用火焰拉锥法制备出锥形光纤后，对其进行切割，将得到的单锥光纤固定在三维移动平台17上，二氧化碳激光器18发出的激光经过聚焦透镜19聚焦到被切割的一端进行加热，在表面张力的作用下光纤会自动向上卷曲形成球状，冷却后便会得到一个带有光纤柄20的微球型微腔101，摄像头16反馈图像信息给计算机14。利用这种方法制备出的球型微腔均匀性较好，表面比较光滑，带有一段光纤柄20，易于操纵。图3所示为微球型回音壁模式光学微腔制备装置图。图4所示为实验制备出的带光纤柄的微球型回音壁模式光学微腔微腔显微镜成像图，直径为50μm，测得其Q值为10⁶。

实施例1中的微球型微腔耦合方式为利用拉锥光纤进行耦合，将拉锥光纤21的纤芯直径拉至2微米以保证有足够多的光从拉锥光纤21中耦合到微球型回音壁模式光学微腔101中，通过控制微球型回音壁模式光学微腔101与锥形光纤的距离来控制耦合比，这种方式耦合效率高，且操作简单，微球与拉锥光纤耦合显微镜图如图5所示。

本发明基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器通过增减增益光纤的长度和调节增益光纤的稀土离子掺杂浓度，可实现中心波长的调谐，调节范围为1.8～2微米；通过微腔元件的拉曼散射效应，可在腔内实现拉曼频移；通过增加泵浦功率和微球腔的耦合效率，可实现拉曼强度的控制，从而实现一阶拉曼向高阶拉曼的转换，从而可获得2～3微米拉曼激光。在腔外加一个2微米波段的带通滤波器，即可得到需要的特定波段的拉曼激光。

本发明基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器可通过示波器(探测速度为1GHz)观察到锁模脉冲图，锁模脉冲图如图6所示，脉冲模式稳定，且重复频率为16MHz。可通过光谱仪(测量波段为1600nm-3400nm)观察到拉曼光谱。不同的光纤材料所产生的拉曼频移不同，但是同一种材料的拉曼频移值是固定不变的，与入射光波长变化无关，可根据公式计算出拉曼光纤激光器第i阶斯托克斯激光输出波长λ_i，其中λ_i-1为入射光波长，Δs为所用光纤的拉曼频移量，且石英光纤的拉曼频移为13.2THz(440cm^-1)。实施例1中预期在光谱仪上2150nm波段可观察到拉曼激光，预期获得的光谱图如图7所示。同时，使用自相关仪进一步测量获得的超快脉冲的脉冲宽度和子结构。

实施例2基于3微米波长泵浦产生3～5微米拉曼激光

一种基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器结构如图8所示，包括：

锁模元件可饱和吸收体1，选用3μm波段(2000nm～3400nm)的宽带半导体可饱和吸收镜(SESAM)，SESAM的调制深度范围为8％≤ΔR≤30％，通过增加泵浦功率来控制腔内脉冲能量，使脉冲能量通量达到饱和通量的3～5倍时，适当调节SESAM的三维空间位置从而达到锁模；

透镜Ⅰ2，焦距为50mm；

透镜Ⅱ3，焦距为100mm；

斜角4，利用光纤斜角切割刀切割一个角度为8°～20°的斜角来防止激光反馈，避免F-P效应破坏锁模状态。

泵浦源5，选用中心波长为976nm的半导体激光器泵浦源，最大输出功率为30W，可激励相对应的增益光纤产生3微米波段的激光；

光纤合束器6，选用(2+1)×1氟化物光纤合束器，其中合束器的泵浦端与LD尾纤采用机械拼接的方式连接；

增益光纤7，选用稀土掺杂Er³⁺氟化物光纤，Er³⁺掺杂的摩尔浓度范围可为7％～20％，本实施例选择7％的摩尔掺杂浓度；

色散补偿元件，选用氟化物光纤刻的啁啾光纤光栅802补偿腔内的色散，从而来调节谐振腔内非线性与色散的相对平衡，实现脉冲宽度的可调谐；

偏振控制器9，选用手动偏振控制器或电动偏振控制器，本实施例采用手动的偏振控制器，通过旋转偏振控制片来拉扯光纤从而改变腔内的非偏振态，成本低且操作灵活，在调节到合适的偏振态后方便固定，从而增强系统的稳定性；

高Q值的微腔，选用氟化钙晶体制备的微盘型回音壁模式光学微腔。

在(2+1)×1光纤合束器6的信号输入端切割一个角度为8°～20°的斜角4来防止激光反馈，避免F-P效应破坏锁模状态；斜角4有角度一端依次通过焦距为100mm的透镜Ⅱ3、焦距为50mm的透镜Ⅰ2后聚焦到半导体可饱和吸收镜1上，使入射在半导体可饱和吸收镜1的光斑能量更大，利于达到锁模阈值；斜角4的平角端与(2+1)×1光纤合束器6的信号输入端通过熔接的方式连接形成谐振，半导体激光器泵浦源5与(2+1)×1光纤合束器6的泵浦端通过机械拼接的方式连接，增益光纤7一端与(2+1)×1光纤合束器6的信号输出端通过熔接的方式连接，增益光纤7另一端按顺序依次通过熔接的方式连接色散补偿啁啾光纤光栅802、通过机械拼接的方式偏振控制器9和通过机械拼接的方式连接微盘型回音壁模式光学微腔102，在微盘型回音壁模式光学微腔102输出端采用光纤端面直接输出的方式，从而使一种基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器输出高功率拉曼激光。在谐振腔外连接一个为3微米波段的带通滤波器11可获得特定波长的拉曼激光的输出。

其中氟化钙微盘型回音壁模式光学微腔102是利用高纯度的单晶氟化钙作为基本材料，经过切割、研磨和抛光等步骤制备所得。制备的微盘型回音壁模式光学微腔102的显微镜成像图如图9所示，可以看出直径为5毫米，厚度为1毫米，Q值为10⁶。

本发明基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器实施例2中的微盘型微腔耦合方式为拉锥光纤耦合，此处拉锥光纤23是氟化物光纤，本发明中将拉锥光纤23的纤芯直径拉至2微米左右以保证有足够多的光从拉锥光纤23中耦合到微盘型回音壁模式光学微腔102中，通过控制微盘型回音壁模式光学微腔102与锥形光纤23的距离来控制耦合比，这种方式耦合效率高，且操作简单。

本发明基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器通过增减增益光纤的长度和调节增益光纤的Er³⁺掺杂浓度，可实现中心波长的调谐，调谐范围为2.7～2.9微米。不同材料的光纤之间采用机械拼接的方式连接。

本发明基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器通过微腔元件的拉曼散射效应，可在腔内实现拉曼频移。通过增加泵浦功率和微球腔的耦合效率，可实现拉曼强度的控制，从而实现一阶拉曼向高阶拉曼的转换，可获得3微米及更长波段的拉曼激光。在输出端加一个3微米波段的带通滤波器11，即可得到需要的特定波段的拉曼激光。

本发明基于微腔的中红外拉曼超快光纤激光振荡器可通过示波器观察到锁模脉冲图，预期得到的锁模脉冲图如图10所示，脉冲模式稳定，重复频率通过公式计算得出。其中f为脉冲重复频率，L表示光在谐振腔内往返一次的光程，c表示光速，实施例2中为30MHz。可通过光谱仪观察到拉曼光谱，其中氟化物光纤的拉曼频移值为17.4THz(580cm^-1)。实施例2中预期在光谱仪上3430nm附近观察到一阶拉曼激光图，预期获得的光谱图如图11所示。同时，使用自相关仪可进一步测量获得的超快脉冲的脉冲宽度和子结构。

除上述实施例中提及的微球型、微盘型的光学微腔外，光学微腔还可以选用微柱型、微泡型、微管型或微环型中的一种，只要保证微腔的品质因数Q值不低于10⁶即可。其中微环型光学微腔的直径应不低于500微米，保证微腔在增益波段内具有较多的模式数目。