波长可调的高效高功率中红外激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种波长可调的高效高功率中红外激光器，属于激光器技术领域，其目的在于提供一种波长可调的中红外激光器，实现提高波段可调的中红外激光器转换效率问题。其包括采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模产生掺铥光纤激光的谐振腔、级联放大系统、准直聚焦系统、OPO；泵浦源通过双向泵浦掺铥增益光纤产生激光，激光在谐振腔内往返振荡经输出耦合器输出纳秒方波型脉冲激光，纳秒方波型脉冲激光依次经级联放大系统、准直聚焦系统后耦合进OPO，在脉冲激光与OPO晶体的作用下最终经滤波片、二色镜后输出纳秒脉冲中红外光纤激光。本发明专利技术适用于中红外激光器。

【技术实现步骤摘要】
波长可调的高效高功率中红外激光器
本专利技术属于激光器
，涉及一种中红外激光器，尤其涉及一种波长可调的高效高功率中红外激光器。
技术介绍
如今，波长可调的中红外激光器主要应用于空气污染检测、遥感、光谱分析以及军事等领域。而研制出高效高功率波长可调的中红外激光器成为现在的研究热点。目前以纳秒脉冲光纤激光器作为泵浦源的光参量振荡器(OPO,opticalparametricoscillator)来产生中红外波段可调的激光最为常见。与固体激光器相比，光纤激光器具有高功率，高光束质量，以及高转换效率等特点，所以，光纤激光器已被广泛使用于OPO泵浦源。要实现高效高功率波长可调的中红外激光输出，科研人员主要对泵浦光的脉冲成形技术开展了相应研究。2008年，美国BAE高级系统与技术公司DanielCreeden等人通过铥离子掺杂的光纤激光器以调Q的方式产生了一个脉宽为30ns，重复频率为30kHz的2μm波长高斯型脉冲激光来泵浦ZnGeP2(ZGP)非线性晶体组成的OPO，实现波长输出范围为3.4～3.9和4.1～4.7μm的平均功率为1.25W的中红外激光，其斜效率最高为35％；2012年，澳大利亚国防科学与技术组织NikitaSimakov等人通过设计一种基于铥离子掺杂增益光纤的主振荡功率放大器产生了一个持续时间在20～40ns，重复频率高达75kHz的200μJ波长为2.044μm的脉冲激光，用该激光源泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO获得转换效率为25％，功率为3W的3～5μm中红外激光。2014年，美国中佛罗里达大学激光研究所MartinGebhardt等人利用铥离子掺杂增益光纤的主振荡功率放大器提供一个脉冲持续时间为7ns，重复频率4kHz的700μJ波长为1980nm的陡峭前沿型脉冲激光，用此脉冲激光泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO获得输出峰值功率为15kW，脉宽为90μs的3.7μm中红外激光。2015年，法国圣路易斯岛的法国&德国研究所ChristelleKieleck等人通过以铥离子掺杂为增益光纤的基于二氧化硅保偏的高效主动调Q方式产生了一个脉宽为65ns，重复频率40kHz的平均功率为23W高斯型脉冲激光，并利用其直接泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO，结果输出一个功率高达6.5W的3～5μm中红外激光。从以上实验报道可发现，基本是以调Q方式产生纳秒脉冲激光作为激发OPO的泵浦源，并且激光光束形状大多都是传统高斯型脉冲，脉冲与晶体的作用仅为峰值附近，这对于提高OPO的光光转换效率形成困难。因此，产生一种非传统高斯型纳秒光束脉冲激光作为OPO的泵浦源以实现高效率波长可调的激光输出成为目前学者亟待解决的问题。图1为一种可产生3～5μm中红外波段波长可调的ZGP非线性晶体组成的OPO激光器示意图，其采用掺铥单模振荡光纤激光器直接泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO。其中，泵浦激光二极管(laserdiode，LD)通过棱镜及二色镜准直聚焦后耦合进掺铥增益光纤，并产生激光。声光调制晶体(acousto-opticmodulator，AOM)用以主动调Q，以产生纳秒高斯型脉冲激光，起偏器和半波片使该脉冲光源呈线偏振态，同时利用平面衍射光栅调谐光源波长。随后光源经隔离器、可变衰减器以及棱镜准直聚焦后泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO，通过改变ZGP非线性晶体的角度和温度以满足产生信号光和闲频光的相位匹配条件，并实现输出波长可调范围在3～5μm的中红外脉冲激光。上述OPO激光器虽能实现输出波长可调范围在3～5μm的中红外脉冲激光，但是该OPO激光器主要存在以下两个方面的缺陷：1、该技术是借助AOM通过主动调Q实现掺铥光纤激光光源的输出，需要使用额外的AOM晶体。另外，其产生的光源不是线偏振光，于是需额外利用起偏器和半波片实现对光源偏振态的控制。再者，掺铥光纤激光光源的波长调谐是通过外部光栅实现。这样的结构使得整个实验装置有大量空间光器件，结构复杂，难以实现全光纤结构。2、该技术中掺铥光纤激光器所输出的调Q脉冲激光光源为高斯型脉冲激光，高斯型脉冲激光的峰值功率持续时间短，与非线性晶体作用效果不佳，因此不能有效地泵浦OPO，使得转化效率降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种波长可调的高效高功率中红外激光器，通过采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模方式输出高功率纳秒方波型脉冲来高效泵浦双ZGP非线性晶体组成的OPO，提高波段可调的中红外激光器转换效率。本专利技术采用的技术方案如下：一种波长可调的高效高功率中红外激光器，包括第一泵浦源、第二泵浦源、采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模结构的谐振腔、级联放大系统、准直聚焦系统、OPO、滤波器和二色镜；所述第一泵浦源产生的泵浦光经谐振腔的第一偏振控制器后进入谐振腔进行正向泵浦，所述第二泵浦源产生的泵浦光经谐振腔的色散补偿光纤后进入谐振腔进行反向泵浦，所述谐振腔的输出耦合器输出纳秒方波型脉冲激光，所述纳秒方波型脉冲激光依次经级联放大系统、准直聚焦系统后耦合进OPO，并最终依次经滤波、二色镜后输出纳秒脉冲激光。其中，所述谐振腔包括呈环状依次设置的第一偏振控制器、第一隔离器、第二偏振控制器、可饱和吸收体、输出耦合器、利奥滤波器、色散补偿光纤、第二泵浦合束器、掺铥增益光纤和第一泵浦合束器；所述第一泵浦源产生的泵浦光经第一偏振控制器后进入谐振腔进行正向泵浦，所述第二泵浦源产生的泵浦光经色散补偿光纤后进入谐振腔进行反向泵浦。其中，所述第一泵浦源、第二泵浦源均为波长为790nm的LD泵浦源。其中，所述纳秒方波型脉冲激光的波长为2.1μm。其中，所述级联放大系统包括对纳秒方波型脉冲激光进行放大的一级放大系统、以及对经一级放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光进行再次放大的二级放大系统。其中，所述一级放大系统包括第三泵浦合束器、第三泵浦源、单包层掺铥光纤和第二隔离器，所述第三泵浦源产生的泵浦光、输出耦合器输出纳秒方波型脉冲激光通过第三泵浦合束器合束耦合进单包层掺铥光纤，然后再经第二隔离器消除后向残余光源后输入二级放大系统。其中，所述二级放大系统包括第四泵浦源、双包层掺铥光纤、第四泵浦合束器，所述第四泵浦源设置多组，多组第四泵浦源产生的多组泵浦光、经一级放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光通过第四泵浦合束器合束耦合进双包层掺铥光纤。其中，所述准直聚焦系统包括依次设置的第一凸透镜、第三隔离器、半波片和第二凸透镜，经级联放大系统放大后的纳秒方波型脉冲激光依次通过第一凸透镜、第三隔离器、半波片和第二凸透镜形成准直的纳秒方波型脉冲激光。其中，所述OPO为采用双ZGP非线性晶体组成的OPO。其中，所述OPO包括非线性介质、两组平凹透镜，两组平凹透镜对称设置于非线性介质两侧。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术中，采用第一偏振控制器、第一隔离器、第二偏振控制器、可饱和吸收体、输出耦合器、利奥滤波器、色散补偿光纤、第二泵浦合束器、掺铥增益光纤和第一泵浦合束器形成环形全保偏混合耗散共振孤子锁模结构的谐振腔，通过该环形全保偏混合耗散共振孤子锁模可使输出耦合器输出纳秒方波型脉冲激光，并将该纳秒方波型脉冲激光作用于OPO，提高了脉冲激光中峰值功率与非线性晶体的作用时间，从而极大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：包括第一泵浦源(1)、第二泵浦源(27)、采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模的谐振腔、级联放大系统、准直聚焦系统、OPO(21)、滤波器(22)和二色镜(23)；所述第一泵浦源(1)产生的泵浦光经谐振腔的第一偏振控制器(4)后进入谐振腔进行正向泵浦，所述第二泵浦源(27)产生的泵浦光经谐振腔的色散补偿光纤(7)后进入谐振腔进行反向泵浦，所述谐振腔的输出耦合器(10)输出纳秒方波型脉冲激光，所述纳秒方波型脉冲激光依次经级联放大系统、准直聚焦系统后耦合进OPO(21)，并最终依次经滤波器(22)、二色镜(23)后输出纳秒脉冲激光。

【技术特征摘要】
1.一种波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：包括第一泵浦源(1)、第二泵浦源(27)、采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模的谐振腔、级联放大系统、准直聚焦系统、OPO(21)、滤波器(22)和二色镜(23)；所述第一泵浦源(1)产生的泵浦光经谐振腔的第一偏振控制器(4)后进入谐振腔进行正向泵浦，所述第二泵浦源(27)产生的泵浦光经谐振腔的色散补偿光纤(7)后进入谐振腔进行反向泵浦，所述谐振腔的输出耦合器(10)输出纳秒方波型脉冲激光，所述纳秒方波型脉冲激光依次经级联放大系统、准直聚焦系统后耦合进OPO(21)，并最终依次经滤波器(22)、二色镜(23)后输出纳秒脉冲激光。2.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述谐振腔包括呈环状依次设置的第一偏振控制器(4)、第一隔离器(5)、第二偏振控制器(6)、可饱和吸收体(9)、输出耦合器(10)、利奥滤波器(8)、色散补偿光纤(7)、第二泵浦合束器(28)、掺铥增益光纤(3)和第一泵浦合束器(2)；所述第一泵浦源(1)产生的泵浦光经第一偏振控制器(4)后进入谐振腔进行正向泵浦，所述第二泵浦源(27)产生的泵浦光经色散补偿光纤(7)后进入谐振腔进行反向泵浦。3.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述第一泵浦源(1)、第二泵浦源(27)均为波长为790nm的LD泵浦源。4.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述纳秒方波型脉冲激光的波长为2.1μm。5.如权利要求1所述的波长可调的高效高功率中红外激光器，其特征在于：所述级联放大系统包括对纳秒方波型脉冲激光进行放大的一级放大...

【专利技术属性】
技术研发人员：李剑峰，石逸文，海永晨，王亚洲，罗鸿禹，刘永，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51