一種基于碲酸鹽光纖的超過(guò)中紅外5μm波段的拉曼光纖激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖激光器領(lǐng)域，特別涉及一種輸出波長(zhǎng)超過(guò)中紅外5 μπι波段的拉曼光纖激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖激光器具有閾值低、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、散熱性好和結(jié)構(gòu)緊湊易于集成等優(yōu)點(diǎn)。目前光纖激光器發(fā)展最為成熟的波段位于1.06和1.55 μπι波段，主要利用摻鐿(Yb3+)和摻鉺(Er3+)稀土離子發(fā)光。其中1.06μπι波段由于高濃度鐿摻雜光纖的使用，可獲得高功率輸出；1.55 μπι波段可用于光纖通信系統(tǒng)。
[0003]近年來(lái)，中紅外波段光纖激光器發(fā)展迅速。其原因在于中紅外波段激光器具有廣闊的應(yīng)用前景，例如用于激光顯微外科手術(shù)、環(huán)境痕量氣體檢測(cè)、激光微加工和中紅外光譜學(xué)等方面。目前產(chǎn)生中紅外波段的激光主要有異質(zhì)結(jié)激光二極管、量子級(jí)聯(lián)激光器、激光差頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)、光參量振蕩器和晶體材料激光器等。這些方法產(chǎn)生激光效率較低，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于操作。如何獲得高功率、高效率且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中紅外3-8 μπι激光輸出成為當(dāng)前研究難點(diǎn)。
[0004]由于銩(Tm3+)、鈥(Ho3+)、鉺(Er3+)、鏑(Dy3+)等稀土離子在中紅外波段具有發(fā)射帶，利用其摻入光纖作為增益介質(zhì)組成中紅外波段激光器，具有結(jié)構(gòu)緊湊和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。但是也存在幾方面缺點(diǎn):高輸出功率的獲得需要高濃度的稀土離子摻雜；激光器的栗浦波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)取決于稀土離子自身的吸收和發(fā)射特性。另外，當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)4 μπι后，由于光纖中非輻射躍迀占據(jù)主導(dǎo)地位，難以通過(guò)稀土離子輻射躍迀產(chǎn)生激光。因此利用稀土離子發(fā)光，通常只能獲得2-4 μ m波段的中紅外激光。
[0005]相比較于稀土離子摻雜光纖激光器，拉曼光纖激光器的輸出特性取決于栗浦源的功率、波長(zhǎng)及光纖的拉曼增益系數(shù)?；诟叻蔷€性光纖，通過(guò)栗浦波長(zhǎng)的改變，理論上可在任意波段產(chǎn)生受激拉曼散射。因此，拉曼光纖激光器在實(shí)現(xiàn)中紅外激光方面擁有巨大的潛力?？捎米髦屑t外波段受激拉曼散射的增益介質(zhì)光纖主要有氟化物、硫化物和碲酸鹽光纖，通過(guò)級(jí)聯(lián)受激拉曼散射過(guò)程，可獲得輸出波長(zhǎng)超過(guò)4 μ m的激光。通常采用摻銩光纖激光器栗浦氟化物光纖，摻銩光纖激光器的輸出波長(zhǎng)位于1.95-2 μ m，氟化物光纖的拉曼頻移為?579cm \需要通過(guò)五階受激拉曼散射才能達(dá)到4 μπι以上的波段，整個(gè)激光系統(tǒng)效率低下，且結(jié)構(gòu)尤為復(fù)雜，成本非常高且難以實(shí)現(xiàn)。另外，氟化物光纖的拉曼增益系數(shù)較低(?4Χ 10 14m/W)，要獲得一定的拉曼增益，每一階受激拉曼散射過(guò)程都需要較長(zhǎng)的氟化物光纖，通常需要數(shù)米乃至數(shù)十米光纖。硫化物光纖具有較高的拉曼增益系數(shù)(As2S3光纖，?6X10 12m/W)，但是硫化物光纖的拉曼頻移(As2S3光纖，?350cm ')和拉曼增益帶寬(As2S3光纖，?50cm1)都較小，所以需要更多階的受激拉曼散射過(guò)程才能達(dá)到4 μπι。上述兩種材料的光纖，均不適合產(chǎn)生5 μ m及更長(zhǎng)波段的中紅外激光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中的中紅外拉曼光纖激光器存在的不足，提出了一種基于碲酸鹽光纖的超過(guò)中紅外5 μ m波段的拉曼光纖激光器。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明基于碲酸鹽光纖的超過(guò)中紅外5 μ m波段的拉曼光纖激光器，其特點(diǎn)在于:包括一根碲酸鹽光纖；在所述碲酸鹽光纖兩端附近區(qū)域刻有反射一階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)和反射二階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)，所述反射二階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)位于所述反射一階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)的外側(cè)；
[0009]所述碲酸鹽光纖的輸入端與高功率摻鉺氟化物光纖激光器相連，所述高功率摻鉺氟化物光纖激光器的輸出光通過(guò)光學(xué)耦合透鏡組進(jìn)入碲酸鹽光纖；在所述碲酸鹽光纖的輸出端設(shè)置有可透5 μ m以上的長(zhǎng)通濾波器，用于濾除5 μ m以下的光譜成分，最后輸出波長(zhǎng)超過(guò)5 μ m的中紅外激光。
[0010]所述碲酸鹽光纖的典型組分為76.5Te02-6Bi203-6Zn0-ll.5Na20(mol % )，具有大拉曼頻移(峰值增益位置)、寬拉曼增益帶寬和高拉曼增益系數(shù)，其拉曼峰值增益位置的頻移為?750cm \拉曼增益帶寬為?300cm \拉曼增益系數(shù)為?4X 10 12m/W。
[0011]所述反射一階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)和所述反射二階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)，是利用800nm飛秒激光器加相位模板技術(shù)直接寫(xiě)入在碲酸鹽光纖上；因?yàn)?00nm飛秒激光能穿透聚合物材料，因此不用去除光纖涂覆層直接寫(xiě)入光柵。所述反射一階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)的反射中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于一階拉曼斯托克斯信號(hào)波長(zhǎng)；所述反射二階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)的反射中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于二階拉曼斯托克斯信號(hào)波長(zhǎng)。
[0012]所述高功率摻鉺氟化物光纖激光器的輸出波長(zhǎng)為2.9 μπι，包括980nm栗浦激光器、反射波長(zhǎng)2.9 μπι的光纖光柵對(duì)和摻鉺氟化物光纖。980nm栗浦激光器的尾纖(石英光纖)與摻鉺氟化物光纖通過(guò)光纖熔接技術(shù)相連接，通過(guò)包層栗浦產(chǎn)生2.9 μπι的激光。反射波長(zhǎng)2.9 μπι的光纖光柵對(duì)刻寫(xiě)在摻鉺氟化物光纖上，其中一個(gè)光柵作為高反腔鏡，另一個(gè)光柵作為輸出親合腔鏡。
[0013]所述光學(xué)耦合透鏡組由兩個(gè)耦合非球面透鏡構(gòu)成，與摻鉺氟化物光纖相鄰的耦合非球面透鏡的焦距與摻鉺氟化物光纖的數(shù)值孔徑相匹配，與碲酸鹽光纖相鄰的耦合非球面透鏡的焦距與碲酸鹽光纖的數(shù)值孔徑相匹配；在兩個(gè)耦合非球面透鏡之間插入有可透2.9 μπι的長(zhǎng)通濾波器，用于通過(guò)2.9 μπι的栗浦光，濾除短波段的雜散光。
[0014]上述基于碲酸鹽光纖的超過(guò)中紅外5 μπι波段的拉曼光纖激光器，不局限于二階拉曼散射過(guò)程，還可以向更高的拉曼散射過(guò)程擴(kuò)展，以獲得更長(zhǎng)波段的激光輸出，例如:通過(guò)三階受激拉曼散射過(guò)程，選擇與其匹配的光纖光柵對(duì)，可以產(chǎn)生超過(guò)8 μπι的中紅外激光，即:在所述碲酸鹽光纖兩端附近區(qū)域還可以刻有反射三階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)，所述反射三階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)位于所述反射二階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)的外側(cè)。所述反射三階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)是利用800nm飛秒激光器加相位模板技術(shù)直接寫(xiě)入在碲酸鹽光纖上；所述反射三階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)的反射中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于三階拉曼斯托克斯信號(hào)波長(zhǎng)。
[0015]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0016]1、本發(fā)明采用具有大拉曼頻移、寬增益帶寬、高拉曼增益和高功率承受能力的碲酸鹽光纖，在1米以下長(zhǎng)度的光纖中產(chǎn)生超過(guò)5 μπι的高功率中紅外激光輸出，整個(gè)激光系統(tǒng)的復(fù)雜程度降低，結(jié)構(gòu)更為緊湊，成本更低。
[0017]2、本發(fā)明的激光器中，由于只通過(guò)二階受激拉曼輻射過(guò)程即可產(chǎn)生超過(guò)5 μπι的中紅外激光，能量轉(zhuǎn)換效率大為提高，相同栗浦功率下，其輸出功率也更高。
[0018]3、本發(fā)明米用800nm飛秒激光器加相位模板技術(shù)直接在碲酸鹽光纖寫(xiě)入光纖光柵，形成諧振腔，無(wú)需去除光纖涂覆層，可提高光纖光柵的機(jī)械承受能力，提高激光系統(tǒng)的可靠性。
[0019]4、本發(fā)明的激光器通過(guò)第三階受激拉曼散射過(guò)程，可使拉曼光纖激光器輸出波長(zhǎng)可擴(kuò)展到8-10 μ m以上。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明基于碲酸鹽光纖的超過(guò)中紅外5 μπι波段的拉曼光纖激光器的一種結(jié)構(gòu)示意圖(具有反射一階、二階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì))；
[0021]圖2是本發(fā)明所用碲酸鹽光纖的一階、二階和三階拉曼頻移示意圖；
[0022]圖3為是本發(fā)明基于碲酸鹽光纖的超過(guò)中紅外5 μ m波段的拉曼光纖激光器的另一種形式的結(jié)構(gòu)示意圖(具有反射一階、二階、三階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì))；
[0023]圖中標(biāo)號(hào):1為980nm栗浦激光器；2為反射波長(zhǎng)2.9 μπι的光纖光柵對(duì)；3為摻鉺氟化物光纖；4為光學(xué)耦合透鏡組；5為可透2.9 μ m的長(zhǎng)通濾波器；6為碲酸鹽光纖；7為反射一階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)；8為反射二階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)；9為可透5 μπι以上的長(zhǎng)通濾波器；10為反射三階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025]如圖1所示，本實(shí)施例基于碲酸鹽光纖的超過(guò)中紅外5 μπι波段的拉曼光纖激光器，依次包括980nm栗浦激光器1、反射波長(zhǎng)2.9 μ m的光纖光柵對(duì)2、摻鉺氟化物光纖3、光學(xué)耦合透鏡組4、可透2.9 μ m的長(zhǎng)通濾波器5、碲酸鹽光纖6、反射一階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)7、反射二階拉曼斯托克斯信號(hào)的光纖布拉格光柵對(duì)8和可透5 μπι以上的長(zhǎng)通濾波器9。
[0026]其中:980nm栗浦激光器1有連續(xù)和脈沖兩種輸出方式，可通過(guò)調(diào)制栗浦電流來(lái)控制。連續(xù)栗浦情況下，能獲得高的平均功率(?10W);脈沖栗浦情況下(20-50HZ，占空比10-20%，輸出脈寬2-lOms)，能獲得高的峰值功率(?30W)，并降低熱效應(yīng)。上述兩種輸出方式可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。
[0027]反射波長(zhǎng)2.9 μ m的光纖光柵對(duì)2、反射一