一种产生高功率中红外超快脉冲激光的方法

摘要

本发明涉及一种产生高功率中红外超快脉冲激光的方法，方法具体为把中心波长为1020–1040nm的第一泵浦光放大后送入非线性晶体中进行非线性自发参量下转换，从而获得2.85–3.1μm的中红外脉冲种子光及其伴随的1580–1600nm的脉冲抽运光，再把种子光及抽运光一同耦合进掺Er

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种产生高功率中红外超快脉冲激光的方法。

背景技术

中红外波段不仅覆盖了地球大气多个透明窗口(如K、L、M和N波段)，而且涵盖了许多分子的振转吸收线(也称为“分子指纹”光谱区)。因此，中红外激光光源在科学与技术的多个领域都有着重要的应用，比如分子光谱分析、光频率度量学、自由空间通信、红外激光手术、红外测距与对抗等。特别的，由于3μm波段对应着液态水中O-H化学键对称伸缩振动的共振吸收峰，因此该波段中红外激光在水中有强烈的吸收，可用于多水分的身体软组织及骨骼的切开手术，因此中红外激光在生物医疗中也有着重要的应用。

近年来，基于掺Er³⁺氟化物光纤的中红外激光器得到中迅猛的发展，该红外激光器通过⁴I_11/2至⁴I_13/2的能级跃迁能够产生2.7–3μm的中红外光谱，独具优势的是，该激光跃迁的上能级(⁴I_11/2)可以通过970–980nm波长的激光进行激励泵浦，而该波段的泵浦源恰恰可以由成熟且低廉的InGaAs激光二极管提供。

然而，当前基于掺Er³⁺氟化物光纤的中红外激光器面临着提升泵浦效率、提高输出功率等难题。主要原因是稀土离子能级中对应于中红外激光跃迁的亚稳态能级往往是下能级的寿命比上能级寿命更长，具体地，对于掺Er³⁺离子氟化物光纤，其上能级⁴I_11/2和下能级⁴I_13/2的寿命分别为6.9ms和9ms。因此，在通常情况下难以实现粒子数反转，使得对应于中红外波长的激光跃迁自行终止，导致中红外激光的输出功率低甚至无法实现。此外，未能参与激光放大的激发粒子绝大部分以多声子衰减的形式耗散，所生成的能量将带来大量的热，不利于系统的热管理和稳定性。

目前，国内外主要研究的方法之一是提高增益光纤的掺杂浓度。这种技术尽管可以缓解粒子数在激光下能级集居的瓶颈，但是其中涉及的激发态吸收、能量传递上转换等跃迁过程，将会增大激光的泵浦阈值功率，使得激光器效率低、输出功率小，大大地限制了中红外激光器的实际应用。另一种常用的方法是掺入适量Pr³⁺等稀土元素作为退激活离子，通过离子共振能量转移来达到抽运激光下能级粒子的目的，从而有效降低能级寿命，降低激光阈值，最终提高激光效率和输出功率，此项技术虽然在一定程度上实现了提高激光输出功率及效率，但仍有很大的提升空间。

发明内容

本发明的目的是获得高功率的中红外超快脉冲激光。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

提供一种产生高功率中红外超快脉冲激光的方法，包括以下步骤：

中红外激光生成步骤，其把中心波长为1020–1040nm的第一泵浦光放大后送入非线性晶体中进行非线性自发参量下转换，从而获得2.85–3.1μm的中红外脉冲种子光及其伴随的1580–1600nm的抽运光；

在中红外激光生成步骤之后执行的激光放大步骤，其把所述种子光及其伴随的抽运光一同耦合进掺Er³⁺氟化物增益光纤的一端，并把中心波长为970–980nm的第二泵浦光输入掺Er³⁺氟化物增益光纤的另一端。

在中红外激光生成步骤中，把第一泵浦光放大至瓦量级后才送入非线性晶体中。

在中红外激光生成步骤中，把放大的第一泵浦光准直及聚焦后，再送入非线性晶体中，所述准直及聚焦通过光束变换透镜组实现。

在激光放大步骤中，用消色差透镜对所述种子光及其伴随的抽运光进行多次准直后，才将其耦合进所述增益光纤中。

其中，所述非线性晶体具体系周期性极化铌酸锂晶体。

所述中红外激光放大步骤包含泵浦光耦合步骤，其用能对2.85–3.1μm激光增透且对970–980nm激光高反的双色向镜来把第二泵浦光反射进所述增益光纤中，并用该双色向镜来输出增益光纤中所产生的红外超快脉冲激光。

进一步地，方法中还包括防热损步骤，其在增益光纤靠近非线性晶体的一端设置包层模式滤除器。

进一步地，方法中还包括防反射步骤，其把所述增益光纤两端的端面各切出斜角。

有益效果：

本发明把中心波长为1020–1040nm的第一泵浦光放大后送入非线性晶体中进行非线性自发参量下转换，从而获得2.85–3.1μm中红外脉冲种子光及其伴随的1580–1600nm脉冲抽运光，种子光和抽运光在时间上自同步，在空间上自重合，再把种子光及抽运光一同耦合进掺Er³⁺氟化物增益光纤的一端，把中心波长为970–980nm的第二泵浦光输入掺Er³⁺氟化物增益光纤的另一端，因为中红外跃迁下能级与基态正好对应1.6μm左右的辐射波长，所以抽运光的引入可以使得中红外激光下能级所积累的粒子快速回落到基态，从而降低激光下能级寿命，使得中红外激光的放大的效率得到显著提高，减少热效应对氟化物软光纤的损伤，最终可以获得稳定的高功率中红外超短脉冲输出。

附图说明

图1是用于产生高功率中红外超快脉冲激光的方法的实施示意图。

图2是Er³⁺离子在受激后产生中红外激光的主要跃迁能级示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是用于产生高功率中红外超快脉冲激光的方法的装置示意图。

见图1，装置包含自发参量中红外产生模块和高功率中红外放大模块，其中，自发参量中红外产生模块包含：第一泵浦源101、光纤放大器102、透镜103、透镜104、非线性晶体105、透镜106、高反镜107、高反镜108。高功率中红外放大模块包括：透镜201、包层模式滤除器202、掺Er³⁺氟化物增益光纤203、透镜204、双色向镜205、第二泵浦源206、透镜207。

上段中，各器件的具体选型按如下设置：

第一泵浦源101采用单模脉冲光纤激光器，其工作中心波长为1030nm，发射的激光脉冲宽度为ps量级，脉冲的重复频率为kHz-GHz量级；

光纤放大器102采用双包层掺镱光纤放大器，其能够将第一泵浦源101的功率提升至瓦量级；

透镜103和透镜104组成光束变换透镜组，用于准直和聚焦激光光束，以获得空间模式匹配；

非线性晶体105为周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体，其放置在温度稳定性优于0.1°的温控炉当中；

透镜106采用消色差透镜，用于准直产生的下转换激光光束；

高反镜107和高反镜108均采用金镜，其在1-5μm波段具有大于97％的反射率；

透镜201采用CaF₂中红外消色差透镜，其在1-5μm波段具有大于95％的透射率，用于将空间中红外和1585nm激光光梳耦合到增益光纤的纤芯中；

掺Er³⁺氟化物增益光纤203采用双包层掺Er³⁺ZBLAN光纤(ZBLAN，即ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF，是发展最为成熟一种氟化物光纤)，其两端端面做了8°斜角的切割处理，以消除光纤端面菲涅尔反射导致的激光反馈；

包层模式滤除器202位于双包层掺Er³⁺ZBLAN光纤的一端，包层模式滤除器202通过剥除光纤上的一段涂覆层和外包层，并涂以光纤匹配膏制成，用于泄露未完全吸收的多余泵浦光，保护增益光纤端面；

透镜204用于准直放大后的中红外光束，同时配合透镜207将第二泵浦源206所发出的泵浦光耦合至双包层增益光纤203中；

双色向镜205为能对3μm激光增透且对975nm激光高反的常规双色向镜；

第二泵浦源206为带尾纤连续波高功率多模激光二极管，其工作中心波长为975nm。

本实施例中的高功率中红外超快脉冲激光的方法按如下操作实现：

中心波长为1030nm的第一泵浦源101经过掺镱光纤放大器102放大后，可获得瓦量级功率的第一泵浦光，该第一泵浦光的脉冲宽度为10ps，重复频率为1MHz，对应的峰值功率可高达100kW。放大后的第一泵浦光通过光束变换透镜组103、104来聚焦进入PPLN非线性晶体105。在PPLN非线性晶体105中，泵浦光进行非线性自发参量下转换，转换过程中受所选用的晶体光栅反转周期和晶体相位匹配工作温度影响，会产生中心波长为2.94μm的中红外脉冲种子光，该波段与液态水的吸收峰相对应。由于能量守恒的约束，在下转换自发产生中红外脉冲种子光的同时，也将产生中心波长为1585nm的伴随激光脉冲，该激光与中红外激光在空间模式上自重合，在时间域上自同步，可作为后续中红外放大的抽运光，为后续的中红外放大提供了极大便利，免去了光束的匹配和脉冲的时间延迟，大幅精简了放大系统中器件的使用，提高了整体系统的集成度和稳定性。

获得的中红外2.94μm脉冲种子光与1585nm激光经过两面金镜107、108进行空间光路的调节，便捷高效地耦合到随后的中红外放大光路模块。在中红外放大光路模块中，中红外2.94μm脉冲种子光与1585nm激光随后通过消色差透镜201一同耦合进入双包层掺Er³⁺ZBLAN增益光纤203的纤芯。而第二泵浦源206所发出的第二泵浦光经透镜组204、205、207准直、聚焦后，从增益光纤203的另一端后向耦合进入光纤203的内包层中，以全反射的形式传输并在经过增益光纤203的纤芯时被吸收。

见图2，因为Er³⁺离子在受激后能发生跃迁，其中产生中红外激光的主要跃迁能级包括基态⁴I_15/2、第一激发态⁴I_13/2、第二激发态⁴I_11/2，第一激发态⁴I_13/2和第二激发态⁴I_11/2都为亚稳态，其本征衰减寿命分别为9ms和6.9ms，它们之间的辐射波长为3μm左右，第二激发态⁴I_11/2与基态⁴I_15/2之间的辐射波长为0.98μm，可以作为中红外激发的泵浦波长，第一激发态⁴I_13/2与基态⁴I_15/2之间的辐射波长为1.6μm，可以作为中红外激发对应跃迁下能级的粒子数抽运光，所以，第二泵浦光通过受激吸收作用即可把处于基态⁴I_15/2的Er³⁺离子抽运至第二激发态⁴I_11/2，并与第一激发态⁴I_13/2形成粒子束反转。

见图1，由于中红外种子光的波长与从第二激发态⁴I_11/2到第一激发态⁴I_13/2的辐射跃迁波长匹配，因此中红外种子光在增益光纤203中向前传输。向前传输过程中发生受激辐射，使得粒子从第二激发态⁴I_11/2回落到第一激发态⁴I_13/2，同时辐射出与入射中红外全同的光子。并且，由于粒子数集居在第一激发态⁴I_13/2上，使得第一激发态⁴I_13/2与基态⁴I_15/2形成了粒子数反转，又由于抽运光的波长与从第一激发态⁴I_13/2到基态⁴I_15/2的辐射跃迁波长匹配，因而抽运光也将在传输过程中得益于受激辐射而获得增益，并将布居在第一激发态⁴I_13/2上的粒子数抽运回基态⁴I_15/2，避免了第一激发态⁴I_13/2对粒子数的集聚造成中红外激光的放大终止。此外，基态⁴I_15/2的粒子数又能通过第二泵浦光激发至第二激发态⁴I_11/2，使得该能级的增益粒子数得到不断补充，使得中红外放大能够在整个增益光纤203中持续进行。由于第二泵浦光采用后向泵浦的方式，随着中红外激光往前输出功率的不断增强，第二泵浦光和放大的抽运光的功率也都随之增强，能够最大限度的利用泵浦光能量，提高中红外放大的斜率效率，最终获得高功率的中红外超短脉冲输出。

放大后的中红外激光脉冲经过双色向镜205后输出。

需说明的是，图1中，包层模式滤除器202能够使未完全吸收的第二泵浦光泄漏出增益光纤203，避免增益光纤203的输入端面受高功率泵浦破坏导致制热损伤。此外，增益光纤203两端的端面切有8°的斜角，避免菲涅尔反射引致的激光反射。

通常的中红外光纤放大器只采用单一的975nm激光进行泵浦，由于对应中红外激光辐射跃迁的下能级寿命比上能级长，导致中红外放大的效率很低，难以获得较高的输出功率。本发明中采用第二泵浦源206产生高功率泵浦激光，同时配合在105处自发产生的1585nm激光作为粒子抽运光，因为中红外跃迁下能级与基态正好对应1.6μm左右的辐射波长，所以1585nm抽运光的引入可以使得中红外激光下能级所积累的粒子快速回落到基态，从而降低激光下能级寿命，使得中红外激光的放大的效率得到显著提高，减少热效应对氟化物软光纤的损伤，最终可以获得稳定的高功率中红外超短脉冲输出。

本发明的中红外激光产生方法的好处在于：

1、中心波长为1.6μm的抽运光的引入有助于将中红外跃迁下能级粒子抽运到基态，从而维持中红外放大所需的粒子数反转条件，大幅提升高功率975nm泵浦源的中红外放大斜率效率；

2、中心波长为1.6μm的抽运光与中心波长为2.94μm中红外种子光伴随产生，能够实现空间自重合、时间自同步，为后续的中红外放大的光路搭建提供了极大的便利；

3、由于中红外放大功率在增益光纤输出过程中不断增加，因此高功率975nm泵浦源采用后向泵浦方式，更容易产生高功率的中红外谱输出；

4、中心波长为1.6μm的抽运光在掺Er³⁺ZBLAN增益光纤中也能获得一定的放大，其正向传输有利于提高中红外放大的效果；

5、由于解决了中红外跃迁下能级对粒子集聚的困境，掺Er³⁺ZBLAN氟化物增益光纤的掺杂浓度可以得到降低，有利于提高光纤的光学质量和保持较高的热导率，从而减小热透镜效应，获得长期稳定的高功率中红外激光输出；

6、通过调节中红外产生模块中非线性晶体的工作温度，能够实现对中红外输出波长的精确调节，具有一定的中红外波长调谐能力。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。