一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统技术方案

一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，包括光纤激光系统阵列、波分复用系统和混合增益光纤放大器；其中混合增益光纤放大器包括基频光泵浦源、全光纤信号‑泵浦合束器和大模场掺镱光纤。利用拉曼泵浦光时频特性对拉曼放大激光光谱展宽特性的影响和镱离子增益直接放大下入射激光时频特性对放大激光光谱展宽特性的影响，从入射激光实现方式、拉曼泵浦光产生形式等方面有效抑制混合增益长波光纤放大中的光谱展宽，为非线性频率变换、生物医学、遥感探测、高分辨率光谱成像、光谱合成等领域提供性能可靠、结构紧凑的高性能光纤光源设计方案，推动窄线宽长波光纤激光辐射领域的进一步发展。

A High Power Narrow Linewidth Long Wave Fiber Laser Generation System

A high-power narrow-linewidth long-wave fiber laser generation system includes a fiber laser system array, a wavelength division multiplexing system and a hybrid gain fiber amplifier, in which the hybrid gain fiber amplifier includes a fundamental-frequency optical pump source, an all-fiber signal pump combiner and a large mode-field ytterbium-doped fiber. The influence of time-frequency characteristics of Raman pumped light on the spectral broadening characteristics of Raman amplified laser and the influence of time-frequency characteristics of incident laser on the spectral broadening characteristics of amplified laser under direct amplification of Yb ion gain are utilized. The hybrid gain long-wave fiber amplification can be effectively suppressed in terms of the mode of realization of incident laser and the mode of Raman pumped light generation. Spectral broadening provides a reliable and compact design scheme for high performance optical fiber source in the fields of non-linear frequency conversion, biomedicine, remote sensing detection, high resolution spectral imaging, spectral synthesis, and promotes the further development of narrow-linewidth and long-wave optical fiber laser radiation.

【技术实现步骤摘要】
一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统
本专利技术属于强激光和非线性光纤光学
，具体涉及一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统。
技术介绍
波长覆盖范围位于1000-1300nm波段内的大功率窄线宽长波光纤激光在非线性频率变换、生物医学、遥感探测、高分辨率光谱成像、光谱合成等领域具有强烈的应用需求和发展潜力。目前，产生大功率窄线宽长波光纤激光输出的主要方式包含以下3种：(1)基于镱离子在长波波段的发射特性，直接采用窄线宽激光注入加掺镱光纤激光放大器实现窄线宽长波光纤激光放大输出。在该方案中，由于镱离子在长波波段的发射截面小，输出功率会严重受限于放大自发辐射，不利于向大功率发展。(2)利用特殊离子掺杂，使增益离子在1000-1300nm波段范围内具有更强的发射特性，利用窄线宽激光注入加掺特殊离子光纤激光放大器实现窄线宽长波光纤激光放大输出。该方案主要受限于特殊光纤的制备、熔接等技术，功率提升潜力受限。(3)基于拉曼增益，利用窄线宽激光注入加拉曼光纤激光放大器实现窄线宽长波光纤激光放大输出。该方案中，为了提供足够的放大增益，一般需采用数百米光纤，高阶拉曼会严重影响系统向大功率发展。综上，尽管研究者们已经提出了上述多种窄线宽长波光纤激光的产生方法和功率提升手段，实现大功率窄线宽长波光纤激光的技术方案仍然非常匮乏。因此，综合考虑高阶拉曼抑制、放大自发辐射抑制和光谱展宽，提出实现大功率窄线宽长波光纤激光的有效技术手段具有重要的科学意义和现实需要。
技术实现思路
针对现有强激光和非线性光纤光学
中存在的缺陷，本专利技术提供一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统。本专利技术利用拉曼泵浦光时频特性对拉曼放大激光光谱展宽特性的影响和镱离子增益直接放大下入射激光时频特性对放大激光光谱展宽特性的影响，从入射激光实现方式、拉曼泵浦光产生形式等方面有效抑制混合增益长波光纤放大中的光谱展宽，为非线性频率变换、生物医学、遥感探测、高分辨率光谱成像、光谱合成等领域提供性能可靠、结构紧凑的高性能光纤光源设计方案，推动窄线宽长波光纤激光辐射领域的进一步发展。为实现上述技术目的，本专利技术的技术方案是：一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，包括光纤激光系统阵列、波分复用系统和混合增益光纤放大器；其中混合增益光纤放大器包括基频光泵浦源、全光纤信号-泵浦合束器和大模场掺镱光纤。光纤激光系统阵列由n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光放大器或n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光器构成；光纤激光系统阵列输出n束单频或多单频激光，n束单频或多单频激光的中心波长分别为λ1、λ2….λn，其中λ1>1000nm，λn<1300nm，λi满足关系式λi＝λi-1+Δλ，2≤i≤n，Δλ为混合增益光纤放大器中大模场掺镱光纤所采用的基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量。光纤激光系统阵列输出的n束单频或多单频激光注入到波分复用系统中，经波分复用系统合束输出的激光通过混合增益光纤放大器中的全光纤信号-泵浦合束器的信号臂注入到大模场掺镱光纤中；混合增益光纤放大器中的基频光泵浦源输出的基频泵浦光通过全光纤信号-泵浦合束器的泵浦臂耦合到大模场掺镱光纤中，混合增益光纤放大器依靠拉曼增益和镱离子增益实现波长从λ1到λn的转换和放大后输出中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。在本专利技术中：定义光纤激光系统阵列输出的中心波长为λ1的激光为基频光，光纤激光系统阵列输出的中心波长为λ2的激光为1阶受激拉曼斯托克斯光，依次类推，光纤激光系统阵列输出的中心波长为λn的激光为n-1阶受激拉曼斯托克斯光。混合增益光纤放大器中的大模场掺镱光纤利用基频光泵浦源输出的基频泵浦光进行抽运。在混合增益光纤放大器中，中心波长为λ1的基频光在基频泵浦光的抽运下进行放大；放大后的中心波长为λ1的基频光充当1阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的中心波长为λ1的基频光抽运大模场掺镱光纤放大中心波长为λ2的1阶受激拉曼斯托克斯光；放大后的1阶受激拉曼斯托克斯光充当2阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的1阶受激拉曼斯托克斯光抽运大模场掺镱光纤放大中心波长为λ3的2阶受激拉曼斯托克斯光；依次类推，放大后的n-2阶受激拉曼斯托克斯光充当n-1阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的n-2阶受激拉曼斯托克斯光抽运大模场掺镱光纤放大中心波长为λn的n-1阶受激拉曼斯托克斯光；这样，混合增益光纤放大器依靠拉曼增益和镱离子增益实现波长从λ1到λn的转换和放大，最终经混合增益光纤放大器输出的光纤激光中主要是中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。进一步地，为了保证最终输出的中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光具有高光束质量、高光谱纯度。本专利技术还包括包层光滤除器、光纤端帽、准直器、二色镜、废光收集器，经混合增益光纤放大器输出的光纤激光注入到包层光滤除器，在包层光滤除器将残余的基频泵浦光和放大产生的包层光滤除；经包层光滤除器后的光纤激光经过光纤端帽和准直器后扩束准直输出，准直输出的光纤激光入射到二色镜，其中光纤激光中含有的放大后但未完全波长转换的中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光经二色镜透射后注入到废光收集器，经二色镜反射输出的即为具有高光束质量、高光谱纯度的中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。本专利技术中实现抑制光谱展宽，同时实现窄线宽输出的关键在于：光纤激光系统阵列输出中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光需为单频激光或多单频激光。对于光纤激光系统阵列输出的中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光均为单频激光或均为多单频激光。如果均为多单频激光，则多单频激光可以由单频激光经外部相位调制产生，也可以由多个分立单频光纤激光器合束产生。光纤激光系统阵列输出的中心波长为λn的激光为单频激光，或者光纤激光系统阵列输出的中心波长为λn的激光为多单频、窄线宽激光，其中多单频、窄线宽激光由单频激光经外部相位调制产生。为了抑制四波混频对中心波长为λn放大激光谱线宽度和谱线纯度的影响，中心波长为λn的窄线宽注入激光一般由单频激光经外部相位调制产生，而不采用多个分立单频光纤激光器合束产生。针对λ1、λ2….λn的每个波长，外部相位调制信号可以是正弦、白噪声、伪随机相位编码等，也可以是上述不同调制信号的任意组合。混合增益光纤放大器中的大模场掺镱光纤基质材料确定后，便可确定基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量Δλ。根据用户需求，确定最终需要产生的大功率窄线宽长波光纤激光的中心波长λn，则通过关系式λi＝λi-1+Δλ，2≤i≤n，即可确定λ1、λ2….λn-1。本专利技术中，所述的波分复用系统实现方式不限，可以是多尾纤注入、单尾纤输出、多个微光学膜片组合实现的(m×1，m为注入纤个数，1为输出纤个数)一体化波分复用器，也可以是多个2×1波分复用器级联的波分复用系统。波分复用系统的作用为将n束中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光合成为一束激光输出。本专利技术中，所述的混合增益光纤放大器包括全光纤信号-泵浦合束器、大模场掺镱光纤、基频光泵浦源。其中：全光纤信号-泵浦合束器由信号臂、基频光泵浦臂、输出臂构成，全光纤信号-泵浦合束器可以是(2+1)×本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，其特征在于：包括光纤激光系统阵列、波分复用系统和混合增益光纤放大器；其中混合增益光纤放大器包括基频光泵浦源、全光纤信号‑泵浦合束器和大模场掺镱光纤；光纤激光系统阵列由n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光放大器或n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光器构成；光纤激光系统阵列输出n束单频或多单频激光，n束单频或多单频激光的中心波长分别为λ1、λ2….λn，其中λ1>1000nm，λn

【技术特征摘要】
1.一种大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，其特征在于：包括光纤激光系统阵列、波分复用系统和混合增益光纤放大器；其中混合增益光纤放大器包括基频光泵浦源、全光纤信号-泵浦合束器和大模场掺镱光纤；光纤激光系统阵列由n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光放大器或n个中心波长分别为λ1、λ2….λn的单频或多单频光纤激光器构成；光纤激光系统阵列输出n束单频或多单频激光，n束单频或多单频激光的中心波长分别为λ1、λ2….λn，其中λ1>1000nm，λn<1300nm，λi满足关系式λi满足关系式λi＝λi-1+Δλ，2≤i≤n，Δλ为混合增益光纤放大器中大模场掺镱光纤所采用的基质材料对应的拉曼斯托克斯光在波长域的频移量；光纤激光系统阵列输出的n束单频或多单频激光注入到波分复用系统中，经波分复用系统合束输出的激光通过混合增益光纤放大器中的全光纤信号-泵浦合束器的信号臂注入到大模场掺镱光纤中；混合增益光纤放大器中的基频光泵浦源输出的基频泵浦光通过全光纤信号-泵浦合束器的泵浦臂耦合到大模场掺镱光纤中，混合增益光纤放大器依靠拉曼增益和镱离子增益实现波长从λ1到λn的转换和放大后输出中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。2.根据权利要求1所述的大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，其特征在于：定义光纤激光系统阵列输出的中心波长为λ1的激光为基频光，光纤激光系统阵列输出的中心波长为λ2的激光为1阶受激拉曼斯托克斯光，依次类推，光纤激光系统阵列输出的中心波长为λn的激光为n-1阶受激拉曼斯托克斯光；混合增益光纤放大器中的大模场掺镱光纤利用基频光泵浦源输出的基频泵浦光进行抽运；在混合增益光纤放大器中，中心波长为λ1的基频光在基频泵浦光的抽运下进行放大；放大后的中心波长为λ1的基频光充当1阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的中心波长为λ1的基频光抽运大模场掺镱光纤放大中心波长为λ2的1阶受激拉曼斯托克斯光；放大后的1阶受激拉曼斯托克斯光充当2阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的1阶受激拉曼斯托克斯光抽运大模场掺镱光纤放大中心波长为λ3的2阶受激拉曼斯托克斯光；依次类推，放大后的n-2阶受激拉曼斯托克斯光充当n-1阶受激拉曼斯托克斯光的泵浦光，放大后的n-2阶受激拉曼斯托克斯光抽运大模场掺镱光纤放大中心波长为λn的n-1阶受激拉曼斯托克斯光。3.根据权利要求1所述的大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，其特征在于：还包括包层光滤除器、光纤端帽、准直器、二色镜、废光收集器；经混合增益光纤放大器输出的光纤激光注入到包层光滤除器，在包层光滤除器将残余的基频泵浦光和放大产生的包层光滤除；经包层光滤除器后的光纤激光经过光纤端帽和准直器后扩束准直输出，准直输出的光纤激光入射到二色镜，其中光纤激光中含有的放大后但未完全波长转换的中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光经二色镜透射后注入到废光收集器，经二色镜反射输出的即为具有高光束质量、高光谱纯度的中心波长为λn的大功率窄线宽长波光纤激光。4.根据权利要求1、2或3所述的大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，其特征在于：光纤激光系统阵列输出的中心波长为λ1、λ2….λn-1的激光均为单频激光或均为多单频激光；光纤激光系统阵列输出的中心波长为λn的激光为单频激光；或者光纤激光系统阵列输出的中心波长为λn的激光为多单频、窄线宽激光，其中多单频、窄线宽激光由单频激光经外部相位调制产生。5.根据权利要求4所述的大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，其特征在于：所述波分复用系统是由多尾纤注入、单尾纤输出、多个微光学膜片组合实现的一体化波分复用器；或者所述波分复用系统是由多个2×1波分复用器级联而成的波分复用系统。6.根据权利要求4所述的大功率窄线宽长波光纤激光产生系统，其特征在于：全光纤信号-泵浦合束器由信号臂、基频光泵浦臂、输出臂构成，全光纤信号-泵浦合束器采用(2+1)×1或(6+1)×1结构的全光纤信号-泵浦合束器，其中(2+1)×1结构的全光纤信号-泵浦合束器有两个泵...

【专利技术属性】
技术研发人员：马鹏飞，刘伟，肖虎，张汉伟，许将明，苗宇，粟荣涛，吴坚，冷进勇，马阎星，周朴，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43