一種基于級聯(lián)拉錐氟化物光纖的可調(diào)諧中紅外鎖模光纖激光器，用于實現(xiàn)波長調(diào)諧，屬于光纖激光器領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

普通的固體脈沖光纖激光器輸出的脈沖寬度一般是幾百微秒甚至毫秒量級，峰值功率一般在幾十千瓦量級，這樣的參數(shù)指標無法適用于現(xiàn)代快速發(fā)展的科學技術(shù)，例如：激光精密測距、高速攝影、激光雷達、高分辨率光譜學研究。在這種對于短脈沖光源大量需求的背景下，科研人員研發(fā)了激光調(diào)q技術(shù)和鎖模技術(shù)。1960年世界上發(fā)明出第一臺激光器。緊隨其后，1961年相關(guān)研究者提出了調(diào)q的概念，也就是，將所有的光輻射能集中到極窄的脈沖中發(fā)射。1962年，科學家發(fā)明了全球第一臺調(diào)q激光器，實現(xiàn)了10^-7s脈寬、600kw峰值功率脈沖序列輸出。之后的幾年，調(diào)q技術(shù)發(fā)展迅速，陸續(xù)報道了幾種調(diào)q技術(shù)：電光調(diào)q、可保和吸收體調(diào)q和聲光調(diào)q等，使得脈沖寬度被極大壓縮，激光器的輸出呈線性提高。

調(diào)q技術(shù)的出現(xiàn)，為激光的發(fā)展做出了重要的貢獻，極大地推動了很多科學應用技術(shù)的發(fā)展。然而，調(diào)q技術(shù)因為受自身產(chǎn)生機制的限制，其能夠產(chǎn)生的脈沖寬度很難再進一步壓縮。所以在1964年，科研人員又發(fā)明了模式鎖定技術(shù)，這是一種壓縮脈沖寬度、提高峰值功率的新機制，其能夠輸出皮秒量級的脈沖寬度，因此被稱作超短脈沖技術(shù)。現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，相比調(diào)q技術(shù)，鎖模的優(yōu)勢在于：其可以產(chǎn)生具有飛秒量級的脈寬、太瓦以上峰值功率的脈沖激光序列。這種突破性的重大進展使得物理學、生物學、化學與光譜學的科研人員可以涉足到對于自身科學的微觀世界和超快過程的研究領(lǐng)域。超短脈沖的出現(xiàn)亦催生出許多嶄新的學科和新奇的應用場所。因為鎖模技術(shù)能夠使得激光能量在空間和時域上高度集中，所以與普通激光相比，鎖模脈沖激光的單色亮度比連續(xù)光大幅提高；同時，在亮度方面，鎖模脈沖激光有了空前的飛躍，以至于這種全新的高亮度鎖模脈沖激光與物質(zhì)相互作用時，產(chǎn)生了以前未知的新現(xiàn)象和新技術(shù)，例如非線性光學效應，同時亦產(chǎn)生了許多非線性光學技術(shù)。

光纖激光器的鎖模技術(shù)是一項重要的、用途非常廣泛的技術(shù)，它能夠產(chǎn)生高質(zhì)量、相干并且具有變換極限脈寬的光脈沖。在一個鎖模激光器中，通過對增益介質(zhì)的周期性調(diào)制，實現(xiàn)脈寬通常小于1皮秒的相位相干的脈沖序列輸出。形成脈沖的全部頻率成分，也就是形成脈沖的全部模式，均被相位鎖定，因此脈沖的時間帶寬積符合傅里葉變換極限。對于給定的脈沖形狀，變換極限脈寬具有最小的時間帶寬積。鎖模光纖激光器所產(chǎn)生的變換極限光脈沖，具有較高的重復頻率，同時脈沖的中心波長可以在很寬的光譜范圍內(nèi)進行調(diào)諧；因此能夠應用于光通信的密集波分復用領(lǐng)域。并且，鎖模光纖激光器可以用于光信號處理與波長變換領(lǐng)域，亦可用作高速光切換光源。

中心波長能夠連續(xù)調(diào)諧的鎖模脈沖光源可以應用于高速波分復用/光時分復用(dwdm/otdm)通信系統(tǒng)、光纖傳感、光學相干層析光源以及計量測試等眾多領(lǐng)域。近年來，波長可調(diào)諧的被動鎖模光纖激光器因為具有輸出光束質(zhì)量高、散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性強等優(yōu)勢，而成為研究熱點。

目前，各國研究者主要采用線型腔，8字腔和環(huán)形腔搭建波長可調(diào)諧的被動鎖模光纖激光器。2004年，美國麻省理工學院的hideyukisotobayashi等人搭建線型腔sesam鎖模摻鉺光纖激光器，利用f-p濾波器實現(xiàn)鎖模脈沖波長在1570～1600nm調(diào)諧，調(diào)諧范圍30nm。2006年，吉林大學周紅杰等人報道利用f-p可調(diào)諧光濾波器，在摻鉺光纖作為增益光纖、單壁碳納米管作為可飽和吸收體的環(huán)型腔被動鎖模光纖激光器中實現(xiàn)了中心波長1520～1560nm的調(diào)諧。2008年，芬蘭坦佩雷理工大學的samulikivisto等人在sesam鎖模線型腔摻鐿光纖激光器中利用聲光可調(diào)諧濾波器實現(xiàn)1025～1055nm的波長調(diào)諧，但所需的直接數(shù)字式頻率合成器較為復雜，且波長調(diào)諧是分立而非連續(xù)的。2009年，中國科學院西安光學精密機械研究所的李喆等人在8字腔鎖模摻鐿光纖激光器中利用可調(diào)諧光纖光柵濾波器使脈沖中心波長在1047～1055nm調(diào)諧，調(diào)諧范圍8nm，且平均輸出功率8.02mw。2010年，河北師范大學物理系的s.m.zhang等人在非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模環(huán)型腔摻鉺光纖激光器中，利用非平衡馬赫曾德干涉儀實現(xiàn)波長調(diào)諧，調(diào)諧范圍30nm。2012年，有人報道利用體布拉格光柵(vbg)作為腔鏡和波長調(diào)諧器件，在以sesam作為可飽和吸收體、以保偏摻鐿光纖作為增益光纖的線型腔鎖模激光器中實現(xiàn)了中心波長在1011.9～1050.6nm連續(xù)調(diào)諧，調(diào)諧范圍達38.7nm。上述實驗均是將獨立的波長調(diào)諧器件插入腔內(nèi)實現(xiàn)波長調(diào)諧，結(jié)構(gòu)復雜，并且腔內(nèi)光能量損耗較大。

現(xiàn)有技術(shù)一：如圖1、圖2所示，一種可調(diào)諧的線型腔摻鐿光纖激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括半導體激光泵浦源1、隔離器2、976/1035波分復用器(wdm)3、保偏摻鐿光纖4、10％輸出耦合器5、準直器6、聚焦透鏡7、可飽和吸收體sesam8、體布拉格光柵(vbg)9、3db耦合器10、光譜儀11和示波器探測器12。該激光器中的全部器件，除sesam之外，其余器件的中心工作波長均為1035nm。其中，sesam的中心工作波長約為1060nm，反射率約為95％，用于被動鎖模。使用短焦透鏡使激光在sesam的表面聚焦為小尺寸光斑，這樣有利于提高光斑能量密度以實現(xiàn)被動鎖模的啟動。4為保偏高濃度摻鐿光纖，實驗中將其作為增益介質(zhì)，長度為80cm。vbg的線密度為600l/mm，其具有高反射率，反射帶寬小于0.5nm，在實驗中用于鎖模脈沖中心波長的連續(xù)調(diào)諧器件，兼做腔鏡。泵浦源為980nm半導體激光器，最大輸出功率500mw。輸出耦合器的輸出耦合比為10％，從這個10％端口輸出的1μm波段激光脈沖再經(jīng)過3db耦合器平均分成兩路：其中一路接光譜儀；另一路接入示波器。976/1035nmwdm的標稱工作帶寬10nm，覆蓋1030～1040nm。隔離器防止激光反饋至泵浦源而損壞激光二極管。本方案中利用vbg的分光譜和選波長的特性實現(xiàn)鎖模脈沖中心波長的連續(xù)調(diào)諧。如圖2所示，以反射式閃耀光柵模型分析該激光器的波長調(diào)諧原理。本方案中，為使衍射主極大同時為第1級干涉主極大方向，必須滿足(1)式，選擇從準直器中出射的光經(jīng)vbg衍射后的正一級光譜返回到腔內(nèi)振蕩，那么vbg的衍射波長λ由下式?jīng)Q定：

2dsinθ0cosα＝λ(1)

其中，d為光柵常數(shù)，θ0為鋸齒形槽面與光柵平面的夾角，對于給定的光柵，d和θ0為固定值；α為入射光方向與刻槽面法線的夾角；為入射光方向與光柵面法線的夾角。實驗中，首先使準直器輸出的近似平行光以一個極小的α角入射，反射光(即正一級光譜)具有微小的發(fā)散角，其中某一波長λ0恰好能夠返回準直器，形成震蕩，那么激光器將輸出波長為λ0的激光。當調(diào)節(jié)vbg角度，改變α，能夠改變vbg的衍射波長，使得正一級光譜中的各波長成分一次反饋回光腔，實現(xiàn)被動鎖模脈沖中心波長連續(xù)調(diào)諧。本方案中，通過調(diào)節(jié)vbg，可以實現(xiàn)鎖模脈沖中心波長在1011.9～1050.6nm的連續(xù)調(diào)諧。如足之處4如下：(1)在光纖激光器中采用插入其他調(diào)諧器件的方法，激光器整體結(jié)構(gòu)復雜，損耗較大。(2)采用上述結(jié)構(gòu)產(chǎn)生鎖模脈沖激光，此方案不能有效抑制鎖模脈沖光譜克里邊帶。

現(xiàn)有技術(shù)二：如圖3所示，一種利用f-p濾波器的可調(diào)諧鎖模光纖激光器示意圖。其中1為1480nm泵浦源，2為1480/1550nmwdm，3為摻鉺光纖，4為隔離器，5為10:90的1×2光纖耦合器，6為f-p濾波器，7為偏振控制器，8為隔離器，9為可飽和吸收體單壁碳納米管。

泵浦光經(jīng)過wdm耦合進入10m摻鉺光纖，對其進行抽運，在光纖中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并出現(xiàn)ase，輻射廣經(jīng)過一個10：90的光纖耦合器，耦合器的10％輸出端提供激光輸出，90％輸出端提供反饋，通過f-p可調(diào)諧濾波器得到所需波長的激光，經(jīng)過隔離器，再經(jīng)由單壁碳納米管調(diào)制，再經(jīng)由wdm耦合進摻鉺光纖，完成一次循環(huán)；每一次循環(huán)過程中光波的能量均得到放大，當增益大于環(huán)路中的傳輸損耗時，產(chǎn)生振蕩，從而形成環(huán)型摻鉺鎖模光纖激光器。隨著泵浦功率的逐漸增加，噪聲隨之下降，這是由于泵浦功率的增加使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)加劇，從而抑制了自發(fā)輻射。隔離器4與隔離器8的作用是分別從正向和反向壓制ase噪聲，保證與f-p濾波器透射波長相同的激光在環(huán)型腔中的單向運轉(zhuǎn)，提高激光器信噪比。通過調(diào)節(jié)f-p濾波器，透射的波長發(fā)生變化，從而獲得1.5μm波段不同中心波長的激光輸出。不足之處如下所示：(1)無法抑制鎖模激光光譜克里邊帶。(2)通過在激光腔內(nèi)插入f-p濾波器實現(xiàn)波長調(diào)諧輸出，激光器結(jié)構(gòu)復雜，損耗較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：解決現(xiàn)有技術(shù)中波長可調(diào)諧的被動鎖模光纖激光器，均是將獨立的波長調(diào)諧器件插入腔內(nèi)實現(xiàn)波長調(diào)諧，結(jié)構(gòu)復雜、成本高，并且腔內(nèi)光能量損耗較大的問題，提供了一種基于級聯(lián)拉錐氟化物光纖的可調(diào)諧中紅外鎖模光纖激光器。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于級聯(lián)拉錐氟化物光纖的可調(diào)諧中紅外鎖模光纖激光器，其特征在于：包括激光泵浦源、與激光泵浦源相連接的合束器，與合束器相連接的輸出耦合鏡，與輸出耦合鏡相連接的聚焦透鏡和濾波器，與聚焦透鏡相連接的線型諧振腔；

所述線型諧振腔包括與聚焦透鏡相連接的增益光纖，與增益光纖相連接的第一拉錐氟化物光纖，與第一拉錐氟化物光纖相連接的第二拉錐氟化物光纖，與第二拉錐氟化物光纖相連接的準直聚焦系統(tǒng)，與準直聚焦系統(tǒng)相連接的sesam。

進一步，所述線型諧振腔還包括v型槽，所述增益光纖和第二拉錐氟化物光纖分別設置在一v型槽上。

進一步，所述線型諧振腔還包括三維位移平臺光纖夾具，所述增益光纖和第一拉錐氟化物光纖分別設置在一三維位移平臺光纖夾具上。

進一步，與聚焦透鏡相連接一端的增益光纖設置在v型槽上；與準直聚焦系統(tǒng)相連接一端的第二拉錐氟化物光纖設置在v型槽上；與第一拉錐氟化物光纖相連接一端的增益光纖設置在三維位移平臺光纖夾具上，第一拉錐氟化物光纖的中部設置在三維位移平臺光纖夾具上。

進一步，所述第一拉錐氟化物光纖的錐腰直徑為10μm，調(diào)制周期約為30nm。

進一步，所述第二拉錐氟化物光纖錐腰直徑為5μm，調(diào)制周期為3nm。

進一步，所述激光泵浦源為兩個，采用半導體激光器，波長為1150nm或976nm，兩個激光泵浦源的出光方向呈垂直角度設置。

進一步，所述輸出耦合鏡對1150nm波段高透、對3000nm波段高反；或?qū)?76nm波段高透，對3000nm波段高反。

進一步，所述聚焦透鏡的焦距為12mm；所述準直聚焦系統(tǒng)由一個準直透鏡和一個聚焦透鏡組成，焦距均為12mm，其中準直透鏡與第二拉錐氟化物光纖相連接，聚焦透鏡與sesam相連接。

進一步，所述增益光纖與級聯(lián)的第一拉錐氟化物光纖和第二拉錐氟化物光纖為ho³⁺,pr³⁺共摻氟化物光纖或er³⁺摻氟化物光纖。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明在采用級聯(lián)拉錐氟化物光纖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)梳狀濾波器功能，在光纖激光器中實現(xiàn)濾波器光纖化，結(jié)構(gòu)簡單，腔內(nèi)光能量損耗較小，成本低廉；

2、本發(fā)明采用級聯(lián)拉錐氟化物光纖作為3μm波段光纖激光器的光梳濾波器件，得到調(diào)制周期為30nm，濾波帶寬僅為3nm的濾波特性，即可實現(xiàn)激光器中心在3μm波段精確連續(xù)調(diào)諧輸出；

3、本發(fā)明通過采用級聯(lián)拉錐氟化物光纖可以在產(chǎn)生可調(diào)諧鎖模脈沖激光的同時有效抑制光譜克里邊帶；

4、本發(fā)明所提出的級聯(lián)拉錐光纖作為梳狀濾波器實現(xiàn)可調(diào)諧激光器的功能具有普適性，可以根據(jù)實際需要拓展到不同的波段。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)一中線型腔摻鐿可調(diào)諧光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)一中反射式閃耀光柵的角度關(guān)系示意圖；

圖3為現(xiàn)有技術(shù)二中基于f-p濾波器的可調(diào)諧鎖模光纖激光器的示意圖；

圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明ho³⁺,pr³⁺共摻zblan光纖激光器的能級示意圖；

圖4中標記：1為激光泵浦源，2為合束器，3為輸出耦合鏡，4為濾波器，5為探測器，6為聚焦透鏡，7為v型槽，8為增益光纖，9為三維位移平臺光纖夾具，10為第一拉錐氟化物光纖，11為第二拉錐氟化物光纖，12為sesam，13為準直聚焦系統(tǒng)。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種基于級聯(lián)拉錐氟化物光纖的可調(diào)諧中紅外鎖模光纖激光器包括激光泵浦源、合束器、輸出耦合鏡、聚焦透鏡、線型諧振腔、濾波器。其中線型諧振腔包含ho³⁺,pr³⁺共摻氟化物光纖、準直聚焦系統(tǒng)、以及兩段參數(shù)不同拉錐氟化物光纖、v型槽、三維位移平臺光纖夾具和sesam作為真實可飽和吸收體。激光泵浦源產(chǎn)生的連續(xù)泵浦光由合束器依次經(jīng)輸出耦合鏡和聚焦透鏡耦合進ho³⁺,pr³⁺共摻氟化物光纖，再經(jīng)依次經(jīng)兩段參數(shù)不同拉錐氟化物光纖、準直聚焦系統(tǒng)和sesam，在線型諧振腔內(nèi)震蕩形成鎖模脈沖激光，鎖模脈沖激光沿路返回并經(jīng)過輸出耦合鏡輸出。

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明。圖4所示即為一種基于級聯(lián)拉錐氟化物光纖的可調(diào)諧中紅外鎖模光纖激光器，包括激光泵浦源1、與激光泵浦源1相連接的合束器2，與合束器2相連接的輸出耦合鏡3，與輸出耦合鏡3相連接的聚焦透鏡6和濾波器4，與聚焦透鏡6相連接的線型諧振腔；所述線型諧振腔包括與聚焦透鏡相連接的增益光纖8，與增益光纖8相連接的第一拉錐氟化物光纖10，與第一拉錐氟化物光纖10相連接的第二拉錐氟化物光纖11，與第二拉錐氟化物光纖11相連接的準直聚焦系統(tǒng)13(準直聚焦系統(tǒng)由一個準直透鏡和一個聚焦透鏡組成，與第二拉錐氟化物光纖11相連接的一個的作用是把從光纖里出射的光準直，所以叫準直透鏡，另一個是把準直好的平行光束聚焦至sesam上，所以叫聚焦透鏡)，與準直聚焦系統(tǒng)13相連接的sesam12(半導體可飽和吸收鏡)。其中：激光泵浦源采用2個波長為1150nm的半導體激光器，pbs(偏振分光棱鏡)作為合束器，輸出耦合鏡采用可對1150nm波段高透，對3000nm波段高反的二色鏡，濾波器可濾波段為3000nm，聚焦透鏡的焦距為12mm，氟化物光纖為ho³⁺,pr³⁺共摻氟化物光纖作為增益光纖；在增益光纖尾段拉制的錐腰直徑為10μm的第一拉錐氟化物光纖，在第一拉錐氟化物光纖尾段拉制的錐腰直徑為7μm的第二拉錐氟化物光纖，sesam為可飽和吸收體。

本實施例中將第一拉錐氟化物光纖10與第二拉錐氟化物光纖11級聯(lián)，其中第一拉錐氟化物光纖10的錐腰直徑為10μm，根據(jù)拉錐光纖的線性正弦光譜響應所致的周期性光譜濾波效應，計算拉錐光纖的調(diào)制周期約為30nm；第二拉錐氟化物光纖11錐腰直徑5μm，計算得到調(diào)制周期為3nm。在增益光纖末端級聯(lián)拉制這2種調(diào)制周期不同的拉錐氟化物光纖，作為3μm波段光纖激光器的光梳濾波器件，就可以得到調(diào)制周期為30nm，濾波帶寬僅為3nm的濾波特性。

在本技術(shù)方案中，2個波長為1150nm的ld(半導體激光器)呈垂直角度將泵浦光射入pbs晶體中，pbs晶體作為合束器將兩束泵浦光合為一束，通過對1150nm波段高透、對3000nm波段高反的二色鏡，此時1150nm泵浦光通過焦距為12mm的輸出耦合透鏡耦合進入ho³⁺,pr³⁺共摻氟化物光纖，如圖5所示，在1150nm泵浦光激勵下，ho³⁺通過基態(tài)吸收(gsa)激發(fā)到高能級⁵i6，然后該能級上粒子通過⁵i6能級躍遷到⁵i7能級產(chǎn)生2.9μm的激光輸出，而ho³⁺離子與pr³⁺離子之間的能量轉(zhuǎn)移過程(et)，降低了⁵i7能級的粒子數(shù)，解決了2.9μm激光輸出瓶頸；光束依次經(jīng)過第一拉錐氟化物光纖10和第二拉錐氟化物光纖11，并通過第二拉錐氟化物光纖11末端輸出，并經(jīng)過焦距均為12mm的準直聚焦系統(tǒng)聚焦到真實可飽和吸收體sesam上，經(jīng)過sesam調(diào)制并反射，光束按原路返回重新耦合進入增益光纖，從輸出耦合透鏡3輸出3000nm鎖模脈沖激光，經(jīng)由3000nm濾波器，進入探測器5，探測器5用于測試所輸出激光的參數(shù)。通過調(diào)整三維位移平臺光纖夾具9徑向移動，對第一拉錐氟化物光纖10與第二拉錐氟化物光纖11進行微拉伸,當對第一拉錐氟化物光纖10與第二拉錐氟化物光纖11進行微拉伸時，濾波帶向短波長方向漂移(藍移)；當減小施加于第一拉錐氟化物光纖10與第二拉錐氟化物光纖11上的徑向拉力時，第一拉錐氟化物光纖10與第二拉錐氟化物光纖11逐漸恢復到原來的狀態(tài)，濾波帶向長波長方向漂移(紅移)。這樣就可以控制級聯(lián)的第一氟化物拉錐光纖和第二氟化物拉錐光纖作為梳狀濾波器的濾波帶，從而達到精確控制輸出激光中心波長的目的。在該激光器結(jié)構(gòu)中利用級聯(lián)拉錐氟化物光纖作為濾波器可以實現(xiàn)3μm波段中心波長可精確調(diào)諧，且調(diào)諧范圍達30nm的大范圍連續(xù)調(diào)諧輸出。

本方案中泵浦源亦可為976nmld，增益光纖與級聯(lián)的第一拉錐氟化物光纖和第二氟化物拉錐光纖可為摻er³⁺氟化物光纖，同理可以實現(xiàn)3μm波段中心波長可精確調(diào)諧的鎖模脈沖激光。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。