一种基于稀土离子共掺光纤的双波长同步脉冲光纤激光器

摘要

本发明适用于激光技术领域，提供了一种基于稀土离子共掺光纤的双波长同步脉冲光纤激光器，包括连续光LD泵浦源、稀土离子共掺光纤和谐振腔，所述连续光LD泵浦源接所述谐振腔，所述稀土离子共掺光纤位于谐振腔中；所述稀土离子共掺光纤中的敏化离子吸收泵浦光，并由所述敏化离子辐射产生一个波长的激光，同时，由所述稀土离子共掺光纤中的被敏化离子辐射产生另一个波长的激光；利用在敏化离子辐射的激光腔内插入的可饱和吸收体，对敏化离子辐射的激光进行调Q或锁模使之产生脉冲激光，此过程周期性调制了被敏化离子辐射激光的增益并产生同步的脉冲激光，从而实现双波长同步脉冲光纤激光器。本发明提供的装置可集成度高，可以实现全光纤化结构。

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种基于稀土离子共掺光纤的双波长同步脉冲光纤激光器。

背景技术

双波长激光器在和频/差频的产生、遥感、激光测距、医疗用途等方面具有广泛的应用，特别是双波长同步脉冲激光具有大脉冲能量和高峰值功率的同步双波长脉冲输出的优点，使其具有更好的实际应用效果。与传统的固体激光器相比，光纤激光器由于具有散热效果好、转换效率高、阈值低、光束质量好、易于集成等突出优点而备受关注。目前，利用光纤激光器实现双波长同步脉冲激光输出的方法主要有以下三种：

1，基于一种掺杂离子的增益光纤实现双波长同步调Q或锁模。由于受到增益带宽的限制，这种方法产生的两个波长通常很接近，从而限制了它的应用。

2，基于不同掺杂离子的两种增益光纤实现双波长同步调Q或锁模。这两种增益光纤分别在两个不同的腔内，两个腔通过共用一个Q调制器或宽带可饱和吸收体分别实现双波长同步调Q或锁模。这种方法产生的两个波长相距较远，但其结构比较复杂，并且对Q调制器或可饱和吸收体的制作要求更高。

3，基于一种掺杂离子增益光纤的级联双波长同步脉冲激光器。级联是通过激光下能级再向更低的能级跃迁从而产生另一个波长的激光。这种方法先通过调Q或锁模技术实现该离子其中两个能级之间跃迁产生脉冲激光，在此过程中，周期性调制了该离子另外两个能级的上能级反转粒子数，从而产生双波长同步脉冲激光。然而，这与离子掺杂浓度、被掺杂的基质以及腔参数等因素有关。目前，主要是利用掺钬或掺铒氟化物光纤级联产生双波长激光，但由于氟化物光纤难以跟石英光纤熔接从而限制了激光器的全光纤化，并且该方法目前只实现了脉宽较宽的双波长同步调Q-增益开关脉冲输出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于稀土离子共掺光纤的双波长同步脉冲光纤激光器，旨在利用一种离子间存在能量转移的稀土离子共掺光纤实现全光纤化的双波长同步脉冲光纤激光器。

本发明提供了一种基于稀土离子共掺光纤的双波长同步脉冲光纤激光器，所述双波长同步脉冲光纤激光器包括连续光LD泵浦源、稀土离子共掺光纤和谐振腔，所述连续光LD泵浦源接所述谐振腔，所述稀土离子共掺光纤位于所述谐振腔中用于吸收所述连续光LD泵浦源发出的泵浦光并辐射产生激光，所述谐振腔为线形腔结构或环形腔结构。

进一步地，所述线形腔结构中包括器件：宽带反射镜、可饱和吸收体、泵浦耦合器件、稀土离子共掺光纤、光纤波分复用器WDM₁、光学延迟线DL₁、光纤布拉格光栅FBG₁和光纤布拉格光栅FBG₂；

所述线形腔结构包括第一线形腔和第二线形腔，其中，所述第一线形腔包括依次连接的宽带反射镜、可饱和吸收体、泵浦耦合器件、稀土离子共掺光纤、光纤波分复用器WDM₁和光纤布拉格光栅FBG₁，所述第二线形腔包括依次连接的宽带反射镜、可饱和吸收体、泵浦耦合器件、稀土离子共掺光纤、光纤波分复用器WDM₁、光学延迟线DL₁和光纤布拉格光栅FBG₂；所述连续光LD泵浦源通过所述泵浦耦合器件与所述线形腔结构连接；

所述第一线形腔构成敏化离子辐射激光导引谐振腔，所述第二线形腔构成被敏化离子辐射激光被导引谐振腔；所述第一线形腔和所述第二线形腔通过所述光纤波分复用器WDM₁连接起来。

进一步地，所述宽带反射镜为介质镜、金属镜或光纤反射镜中的一种。

进一步地，所述光纤布拉格光栅FBG₁的反射中心波长对应于敏化离子辐射激光的波长，并对该波长的透射率为5％到20％；光纤布拉格光栅FBG₂的反射中心波长对应于被敏化离子辐射激光的波长，并对该波长的透射率为5％到20％。

进一步地，所述环形腔结构中包括器件：光纤波分复用器WDM₁、泵浦耦合器件、稀土离子共掺光纤、光纤波分复用器WDM₂、光纤耦合器OC₁、光纤偏振无关隔离器ISO₁和可饱和吸收体或等效可饱和吸收体、光纤耦合器OC₂、光纤偏振无关隔离器ISO₂和光学延迟线DL₁；

所述环形腔结构包括第一环形腔和第二环形腔，其中，所述第一环形腔包括依次连接的光纤波分复用器WDM₁、泵浦耦合器件、稀土离子共掺光纤、光纤波分复用器WDM₂、光纤耦合器OC₁、光纤偏振无关隔离器ISO₁和可饱和吸收体或等效可饱和吸收体，所述第二环形腔包括依次连接的光纤波分复用器WDM₁、泵浦耦合器件、稀土离子共掺光纤、光纤波分复用器WDM₂、光纤耦合器OC₂、光纤偏振无关隔离器ISO₂和光学延迟线DL₁，所述连续光LD泵浦源通过所述泵浦耦合器件与所述环形腔结构连接；

所述第一环形腔构成敏化离子辐射激光导引谐振腔，所述第二环形腔构成被敏化离子辐射激光被导引谐振腔；所述第一环形腔和所述第二环形腔通过所述光纤波分复用器WDM₁和光纤波分复用器WDM₂连接起来。

进一步地，所述等效可饱和吸收体为依次连接的光纤偏振控制器PC₁、光纤起偏器和光纤偏振控制器PC₂所构成的非线性偏振旋转结构。

进一步地，当所述稀土离子共掺光纤是单包层时，所述泵浦耦合器件为三波长光纤波分复用器，其信号纤可同时传输敏化离子和被敏化离子辐射的激光，所述连续光LD泵浦源是单模尾纤输出；

当所述稀土离子共掺光纤是双包层时，所述泵浦耦合器件为光纤合束器，所述连续光LD泵浦源是多模尾纤输出。

进一步地，所述双波长同步脉冲光纤激光器的谐振腔之后还包括依次连接的光学延迟线DL₂、光纤波分复用器WDM及输出端。

进一步地，所述稀土离子共掺光纤为单包层铒镱共掺光纤或双包层铒镱共掺光纤。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种基于稀土离子共掺光纤的双波长同步脉冲光纤激光器，一方面，利用新的脉冲产生机制，使用一种稀土离子共掺光纤作为增益光纤实现了波长相距较远的双波长同步脉冲输出，简化了双波长同步脉冲光纤激光器的结构，避开了传统可饱和吸收体工作波长范围较窄的缺点；另一方面，装置的可集成度高，可以实现全光纤化结构，有利于实际应用；再一方面，可以输出脉宽更窄、峰值功率更高、脉冲重叠更好的双波长同步脉冲激光，应用效率将大大提高。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的一种基于稀土离子共掺光纤的线形腔双波长同步脉冲光纤激光器的结构示意图；

图2是本发明第二实施例提供的一种基于稀土离子共掺光纤的环形腔双波长同步脉冲光纤激光器的结构示意图；

图3是本发明第一、第二实施例中的铒镱共掺光纤内产生激光的过程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

本发明的主要实现思想为：利用稀土离子共掺光纤中敏化离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态后，有部分激发态敏化离子和被敏化离子间相互作用，通过能量转移将被敏化离子从基态泵浦到激发态，激发态的被敏化离子通过能级跃迁回到基态并辐射产生一个波长的激光；同时，还有一部分激发态的敏化离子通过能级跃迁回到基态并辐射产生另一个波长的激光。基于上述原理构造了两个谐振腔，其中一个用来传输敏化离子辐射的激光，另一个用来传输被敏化离子辐射的激光，每个谐振腔都可以是线形腔或环形腔(本发明实施例给出的两个都是线形腔或两个都是环形腔)，这两个谐振腔的腔长近似相等，可通过在被敏化离子(或敏化离子)辐射的激光腔内插入光学延迟线DL₁用来精确调节使两个腔的腔长严格相等(本发明实施例给出的都是在被敏化离子辐射的激光腔内插入光学延迟线DL₁)。通过在敏化离子辐射的激光腔内插入合适参数的可饱和吸收体或等效可饱和吸收体，来对敏化离子辐射的激光进行调Q或锁模使之产生脉冲激光，此过程周期性调制了被敏化离子辐射激光的增益并产生同步的脉冲激光，从而实现双波长同步脉冲光纤激光器。不管两个谐振腔输出的是同步调Q-增益开关脉冲还是同步锁模脉冲，由于能量转移、两个激光上能级寿命不同等原因，两个同步脉冲序列时间上有一定的延迟，通过光学延迟线DL₂精确控制这两束光的光程差，从而将两个同步脉冲更好的重叠在一起并通过一个WDM从输出端共同输出。

下面举具体实施例介绍这种双波长同步脉冲光纤激光器：

实施例1，介绍一种基于稀土离子共掺光纤的线形腔双波长同步脉冲光纤激光器，如附图1所示：

包括宽带反射镜101、可饱和吸收体102、带尾纤输出的连续光LD泵浦源103、泵浦耦合器件104、稀土离子共掺光纤105、光纤波分复用器WDM₁106、光学延迟线DL₁107、光纤布拉格光栅FBG₁108、光纤布拉格光栅FBG₂109，还包括光学延迟线DL₂110、光纤波分复用器WDM₂111和输出端。

其中，器件101-109构成线形腔双波长同步脉冲光纤激光器10，器件110-111用以将两个同步脉冲更好的重叠在一起同时输出。

具体地，所述宽带反射镜101、光纤布拉格光栅FBG₁108及其之间的器件构成敏化离子辐射激光导引谐振腔，所述宽带反射镜101、光纤布拉格光栅FBG₂109及其之间的器件构成被敏化离子辐射激光被导引谐振腔；所述敏化离子辐射激光导引谐振腔和所述被敏化离子辐射激光被导引谐振腔通过所述光纤波分复用器WDM₁106连接起来。

具体地，所述稀土离子共掺光纤105是单包层铒镱共掺光纤，其中敏化离子是辐射产生1μm激光的镱离子，被敏化离子是辐射产生1.5μm激光的铒离子。连续光LD泵浦源103是单模尾纤输出的975nm LD，泵浦耦合器件104是975/1064&1550nm的三波长波分复用器，其信号纤可同时传输1064nm和1550nm的激光，并将泵浦光耦合到铒镱共掺光纤里面。宽带反射镜101是对1μm和1.5μm两个波段的激光高反的宽带反射金膜，可饱和吸收体102是只对1μm激光调Q或锁模的碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜和宽带反射金膜依次镀在975/1064&1550nm波分复用器信号纤的端面。光纤波分复用器WDM₁106和光纤波分复用器WDM₂111是1064/1550nm的WDM，光学延迟线DL₁107和光学延迟线DL₂110工作在1.5μm波段，光纤布拉格光栅FBG₁108和光纤布拉格光栅FBG₂109的反射中心波长分别对应于1μm和1.5μm，并分别对1μm和1.5μm的激光部分透射(透射率的范围为5％到20％，可以是10％)。所述宽带反射金膜、光纤布拉格光栅FBG₁108及其之间的器件形成1μm激光导引谐振腔，产生的1μm脉冲激光通过光纤布拉格光栅FBG₁108输出。所述宽带反射金膜、光纤布拉格光栅FBG₂109及其之间的器件形成1.5μm激光被导引谐振腔，产生的1.5μm脉冲激光通过光纤布拉格光栅FBG₂109输出。

对1μm激光调Q:

可饱和吸收体102只对敏化离子辐射的激光有作用，可饱和吸收体102对敏化离子辐射的激光进行调Q，对被敏化离子辐射的激光进行增益调制，产生敏化离子1μm调Q脉冲激光并从所述光纤布拉格光栅FBG₁108输出，产生同步的被敏化离子1.5μm增益开关脉冲激光并从所述光纤布拉格光栅FBG₂109输出。敏化离子和被敏化离子辐射的两个同步脉冲激光时间上有一定的延迟，通过光学延迟线DL₂110精确控制这两束光的光程差，从而将两个同步脉冲更好的重叠在一起并从输出端同时输出。

对1μm激光锁模:

可饱和吸收体102对敏化离子辐射的激光进行锁模，对被敏化离子辐射的激光进行增益调制，从而产生敏化离子1μm锁模脉冲激光并从所述光纤布拉格光栅FBG₁108输出，通过光学延迟线DL₁107精确调节，使1μm和1.5μm两个激光谐振腔的腔长相等，此时，产生同步的被敏化离子1.5μm泵浦锁模脉冲激光并从所述光纤布拉格光栅FBG₂109输出。敏化离子和被敏化离子辐射的两个同步脉冲激光时间上有一定的延迟，通过光学延迟线DL₂110精确控制这两束光的光程差，从而将两个同步脉冲更好的重叠在一起并从输出端同时输出。

实施例2，介绍一种基于稀土离子共掺光纤的环形腔双波长同步脉冲光纤激光器，如附图2所示：

包括光纤波分复用器WDM₁200、带尾纤输出的连续光LD泵浦源201、泵浦耦合器件202、稀土离子共掺光纤203、光纤波分复用器WDM₂204、光纤耦合器OC₁205、光纤偏振控制器PC₁206、光纤偏振无关隔离器ISO₁207、光纤起偏器208、光纤偏振控制器PC₂209、光纤耦合器OC₂210、光纤偏振无关隔离器ISO₂211、光学延迟线DL₁212，还包括光学延迟线DL₂213、光纤波分复用器WDM₃214和输出端。

其中，器件200-209构成敏化离子辐射激光导引谐振腔20，器件200-204、210-212构成被敏化离子辐射激光被导引谐振腔21；两个环形腔通过光纤波分复用器WDM₁200和光纤波分复用器WDM₂204连接起来并构成环形腔双波长同步脉冲光纤激光器2，器件213-214用以将两个同步脉冲更好的重叠在一起同时输出。

具体地，所述稀土离子共掺光纤203是双包层铒镱共掺光纤，其中敏化离子是辐射产生1μm激光的镱离子，被敏化离子是辐射产生1.5μm激光的铒离子。连续光LD泵浦源201是多模尾纤输出的975nm LD，泵浦耦合器件202是(2+1)x1的光纤合束器，将泵浦光耦合到铒镱共掺光纤里面。光纤波分复用器WDM₁200和光纤波分复用器WDM₂204是1064/1550nm的WDM，将两个环形腔连接起来；光纤耦合器OC₁205和光纤耦合器OC₂210分别工作在1μm和1.5μm波段，并分别输出1μm和1.5μm波段的激光；光纤偏振无关隔离器ISO₁207和光纤偏振无关隔离器ISO₂211分别工作在1μm和1.5μm波段，它们使得各自所处的环形腔单向导通，有效避免空间烧孔效应；器件208是1μm波段的光纤起偏器，它和光纤偏振控制器PC₁206和光纤偏振控制器PC₂209组成NPR(Nonlinear>1212和光学延迟线DL₂213工作在1.5μm波段。由器件200-209构成1μm激光导引谐振腔，产生的1μm脉冲激光通过光纤耦合器OC₁205输出，由器件200-204、210-212构成1.5μm激光被导引谐振腔，产生的1.5μm脉冲激光通过光纤耦合器OC₂210输出。

对1μm激光调Q:

NPR对敏化离子辐射的激光进行调Q，对被敏化离子辐射的激光进行增益调制，产生敏化离子1μm调Q脉冲激光并从所述光纤耦合器OC₁205输出，产生同步的被敏化离子1.5μm增益开关脉冲激光并从所述光纤耦合器OC₂210输出；敏化离子和被敏化离子辐射的两个同步脉冲激光时间上有一定的延迟，通过光学延迟线DL₂213精确控制这两束光的光程差，从而将两个同步脉冲更好的重叠在一起并从输出端同时输出。

对1μm激光锁模:

NPR对敏化离子辐射的激光进行锁模，对被敏化离子辐射的激光进行增益调制，从而产生敏化离子1μm锁模脉冲激光并从所述光纤耦合器OC₁输出，通过精确调节光学延迟线DL₁212，使1μm和1.5μm两个激光谐振腔的腔长相等，此时，产生同步的被敏化离子1.5μm泵浦锁模脉冲激光并从所述光纤耦合器OC₂210输出。敏化离子和被敏化离子辐射的两个同步脉冲激光时间上有一定的延迟，通过光学延迟线DL₂213精确控制这两束光的光程差，从而将两个同步脉冲更好的重叠在一起并从输出端同时输出。

本发明实施例中，器件208是可与两个光纤偏振控制器PC₁、PC₂构成非线性偏振旋转(NPR)结构的光纤起偏器，事实上，器件208也可以是可饱和吸收体，器件208不管是可饱和吸收体还是可与两个光纤偏振控制器PC₁、PC₂构成非线性偏振旋转(NPR)结构的光纤起偏器，都对敏化离子辐射的激光起作用。

以下结合附图3，对实施例1和实施例2的工作原理作进一步的说明：

将975nm的连续泵浦光耦合进铒镱共掺光纤里面后，作为敏化剂的Yb³⁺离子吸收泵浦光从基态²F_7/2能级跃迁到²F_5/2能级后，有部分激发态的Yb³⁺离子和Er³⁺离子间相互作用，通过能量转移将Er³⁺离子从基态⁴F_15/2能级泵浦到⁴I_11/2能级。此外，还有一部分激发态的Yb³⁺离子在²F_5/2-²F_7/2能级间形成粒子数反转分布，这部分激发态Yb³⁺离子通过²F_5/2→²F_7/2能级跃迁回到基态²F_7/2能级，在1μm激光导引谐振腔中辐射并产生1μm连续激光。同时，被泵浦到⁴I_11/2能级上的Er³⁺离子通过非辐射跃迁过程跃迁到⁴I_13/2能级得到缓和，在⁴I_13/2-⁴F_15/2能级间形成粒子数反转分布，接着这些激发态的Er³⁺离子通过⁴I_13/2→⁴F_15/2能级跃迁回到基态⁴F_15/2能级，在1.5μm激光被导引谐振腔中辐射并产生1.5μm连续激光。

对1μm激光调Q:

通过NPR或碳纳米管薄膜的可饱和吸收作用，对1μm连续激光被动调制，使导引谐振腔中产生了1μm的调Q脉冲激光。由于能量转移以及非辐射跃迁，1μm调Q脉冲激光产生的过程对⁴I_13/2→⁴F_15/2的反转粒子数进行周期性的调制，即对⁴I_13/2→⁴F_15/2能级跃迁所对应的1.5μm激光进行周期性增益调制。由于此过程的时间较长，⁴I_13/2能级积累的反转粒子数足够多(增益足够大)，足以产生1.5μm的增益开关脉冲激光。由于²F_5/2→²F_7/2和⁴I_13/2→⁴F_15/2这两个过程的反转粒子数的积累是同步的，故产生的1μm的调Q脉冲和1.5μm的增益开关脉冲是同步的，这跟1.5μm激光被导引谐振腔是否与1μm激光导引谐振腔腔长相等并没有关系，但由于²F_5/2能级寿命与⁴I_13/2能级寿命不同、²F_5/2→²F_7/2和⁴I_13/2→⁴F_15/2的反转粒子数不同以及能量转移和非辐射跃迁需要一定的时间等原因，1μm和1.5μm的同步调Q-增益开关脉冲存在一定的延迟。

对1μm激光锁模:

类似地，通过NPR或碳纳米管薄膜的可饱和吸收作用，对1μm连续激光被动调制，使导引谐振腔中产生了1μm的锁模脉冲激光。由于能量转移以及非辐射跃迁，1μm的锁模脉冲激光产生的过程对⁴I_13/2→⁴F_15/2能级跃迁所对应的1.5μm激光进行周期性增益调制。但由于锁模脉冲的周期通常远远小于调Q脉冲的周期，此增益调制的周期大大缩短，在⁴I_13/2能级积累的反转粒子数积累不够多的情况下不足以产生1.5μm的增益开关脉冲激光。然而，此时若控制1.5μm激光被导引谐振腔与1μm激光导引谐振腔腔长相等，使得增益调制的周期与1.5μm光子在被导引谐振腔中往返一周的时间相等，故被导引谐振腔内的起始脉冲只有到达增益介质时Er³⁺离子恰好被激发态Yb³⁺离子泵浦(能量转移)处于粒子数反转状态，才能得到放大。如此循环，最终获得稳定的1.5μm同步泵浦锁模脉冲。类似地，由于²F_5/2能级寿命与⁴I_13/2能级寿命不同、²F_5/2→²F_7/2和⁴I_13/2→⁴F_15/2的反转粒子数不同以及能量转移和非辐射跃迁需要一定的时间等原因，1μm和1.5μm的同步锁模脉冲存在一定的延迟。此同步锁模脉冲相对前面所述的同步调Q-增益开关脉冲脉宽更窄，峰值功率更高。

进一步地，本发明举的两个实施例的稀土离子共掺光纤皆为铒镱共掺光纤，事实上，本发明还适用于铥镱共掺等其它稀土离子共掺杂光纤。此外，如果采用保偏稀土离子共掺光纤和保偏器件，系统可以实现线偏振双波长同步激光脉冲输出。

本发明通过利用一种离子间存在能量转移的稀土离子共掺光纤实现全光纤化的双波长同步脉冲光纤激光器，该装置可集成度高，可以实现全光纤化结构，有利于实际应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。