[发明专利]一种高效全光纤长波中红外激光器

说明书

本发明公开了一种高效全光纤长波中红外激光器，包括885nm LD泵浦源，2微米掺铥光纤激光器，885nm LD泵浦源与2微米掺铥光纤激光器的泵浦光经光束耦合器输出端连接双包层掺钬氟化铟光纤，双包层掺钬氟化铟光纤的泵浦光输入的一端设置有对3.9微米激光有高反射率的高反光纤布拉格光栅，另一端设置有对3.9微米激光有低反射率的低反光纤布拉格光栅。用885nm LD及2微米掺铥光纤激光器混合泵浦双包层掺钬氟化铟光纤，实现了全光纤化的、高功率的、长期稳定的3.9微米的长波中红外激光输出，使用全光纤元件相比于自由空间结构的激光器，使得整个激光器装置的损耗大大减小，提高了泵浦耦合效率，更有助于制备出高功率、小型化、光束质量好、可靠性高的长波中红外激光器。

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种高效全光纤长波中红外激光器。

背景技术

目前，由于光纤激光器具备有衍射极限的光束质量、免维护以及小型化的集成设计等优 势，因此，其在生物医学、光谱学、以及制造加工等领域有着许多的应用。然而在中红外 领域扩展波长至长波的光纤激光器少之又少，尤其是波长超过3微米波段。同时能够输出 较高的功率也是目前面临的一大难题。正是因为分子指纹的吸收带大部分位于长波中红外， 其主要引用在光谱学和卫星遥感领域，所以扩展长波中红外是目前一个热门的课题。另外， 3.9微米波段位于大气分子传输窗口也非常适合于军事对抗以及自由光谱通讯等应用。

稀土离子掺杂的玻璃能够大部分实现光谱转换，稀土离子掺杂的光纤激光器已经实现了 波长覆盖中红外的激光产生。由近红外二极管泵浦的长度石英光纤激光器可产生波长为2 微米左右的激光，它们的输出功率可达到千瓦量级。主要是归因于可获得的高功率光纤激 光器件以及硅光纤具有好的机械和热张力。然而硅基光纤的极限透过和高声子能量阻碍了 其实现波长超过2.2微米的激光辐射。氟化锆基光纤拥有相对较低的声子能量，可使红外透 过波长延展至4微米以上。已有大量实验报道这种光纤在中红外激光辐射波长已超过2.4微 米。具体而言，利用纤芯刻写光纤布拉格光栅以及单模熔接技术，近红外泵浦掺铒单色全 光纤激光器在2.94微米和3.55微米已经实现。它们输出功率分别为30瓦和5.6瓦。此外， 自由空间带内纤芯泵浦掺镝氟化锆光纤激光器已实现功率为1.06瓦的3.15微米激光输出。 同时通过延展极限3.5微米转换的掺铒氟化锆光纤激光器也实现了4毫瓦的3.78微米激光 输出。但是光纤激光器产生最长波长激光输出要追溯到20多年前，Schneider等人在掺钬氟 化锆光纤中实现由能级⁵I₅→⁵I₆转换的波长为3.9微米的输出功率为11毫瓦的中红外激光。 但是这个实验中存在一些缺陷，诸如需要液氮制冷以及钛宝石激光器通过纤芯泵浦方式达 到激光阈值，因此这些也揭示了掺稀土离子的氟化锆基光纤激光器不适合产生长波中红外 激光。从声子相关特性方面来说，氟化锆基玻璃不能实现长波转换主要有以下两点。其一， 通过多声子衰减会导致稀土离子辐射会发生猝灭，这个和温度以及辐射波长呈指数关系。 其二，辐射长波长激光也同样受到氟化锆玻璃的透过特性的影响，在接近4微米波段时衰 减迅速。因此，需要探索不同掺稀土离子玻璃的基质材料，以实现辐射波长超过4微米。

最近，一个可获得低损耗，重掺杂的掺稀土元素的氟化铟玻璃光纤已拉制成功，它的透 过波段可高达5微米。该光纤的成功拉制有望实现中红外光纤激光向长波拓展。近期，拉 瓦尔大学V.Fortin等人用一个新型重掺杂钬氟化铟光纤作为增益光纤，用885nm泵浦激光 二极管(laser diode，LD)泵浦该光纤实现了室温下最长波长3.92μm激光输出，这也是稀土 离子掺杂光纤激光器的最长工作波长，但其输出的平均功率仅为百毫瓦，且斜效率仅10％。 对于大部分实际应用的需求而言，实现高效率高功率的3.9微米激光输出是目前亟待解决的 一大问题。