[发明专利]超宽带高增益光纤与器件制备技术

说明书

本发明涉及一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，步骤包括(1)制备增益光纤：所述增益光纤是一种复合结构光纤，纤芯为多组对称分布的扇形结构或多个同心的环形结构，由至少两种不同种类稀土掺杂的玻璃组成，且发光中心分别位于纤芯中不同的扇形结构或环形结构区域；(2)构建光纤激光器：采用该增益光纤，通过控制泵浦光光斑的形状，选择性激发纤芯中不同区域中的稀土离子，并结合光纤光栅对实现可调谐激光输出。本发明将光纤结构设计和泵浦光的光场分布控制相结合，制备的增益光纤具有高增益和超宽带的特性，通过选择性激发特定区域中的发光离子，避免全纤芯泵浦产生多余的热量，可应用于宽带可调谐的单频光纤激光器和高重频锁模光纤激光器。

技术领域

本发明涉及光纤与光纤激光技术领域，特别是涉及一种超宽带高增益光纤与器件制备技术。

背景技术

光纤激光器通常由泵浦源、增益光纤和谐振腔组成。增益光纤通常是掺稀土玻璃光纤，是光纤激光器的核心；泵浦源提供能量，使增益光纤中的稀土离子产生自发辐射和受激辐射；谐振腔实现信号光往返振荡，并最终实现激光输出。相比于气体激光器和传统的固体激光器，光纤激光器由增益光纤与光纤器件(如光纤光栅、光纤耦合器以及光纤偏振控制器等)熔接或连接构成，具有结构紧凑、光束品质高、散热性好、稳定性高以及输出波长易调节等优势，因而在光纤通信、生物医疗、材料加工、大气监测及激光雷达等军事和民用领域获得了广泛应用。随着科技的发展和社会的需求，当今许多应用领域要求光源在较宽的波长范围内实现高功率、稳定、低噪声、高效率、可调谐的激光输出，因而，超宽带可调谐、高功率和超紧凑的光纤激光器成为研究热点。此外，当今光纤激光器的工作波长不断向中红外方向延伸。例如2.0μm波段激光位于人眼安全波段且处于大气传输的低损耗窗口，并且覆盖H₂O、CO、CO₂等分子的光谱吸收峰，在激光雷达、激光探测、激光医疗和环境监测等许多领域有重要的应用价值。因此，近中红外可调谐激光的输出更是掀起了国内外学者研究的热潮。

目前，主流的可调谐激光器的调谐范围通常局限于单个波段内。最近，研究人员提出了一种超宽带连续可调谐的中红外光纤激光器，激光器包括第一激光泵浦源、第一稀土离子掺杂光纤、平面衍射光栅、第二激光泵浦源、第二稀土离子掺杂光纤、第三激光泵浦源、第四激光泵浦源和第三稀土离子掺杂光纤，通过并联三种不同的稀土离子掺杂的玻璃光纤，利用同一平面衍射光栅作为波长调谐器件，实现2.8～4μm波长范围连续可调谐的激光输出。虽然上述方案可实现可调谐的中红外光纤激光输出，但其采用并联支路的方式，需要多个不同波长的泵浦源，且需要设置多根不同稀土离子掺杂的增益光纤以及大量的无源器件，导致损耗大、制备工艺复杂、结构不紧凑，不利于实现高效率和超紧凑的可调谐光纤激光器。

除了构建新型腔结构的激光器，新型组分和新型结构的增益光纤也成为研究的热点。由于单种稀土离子发光中心掺杂的光纤发射波长有限，为利用不同稀土离子的发射波长，实现宽带可调谐激光输出，研究者将不同稀土发光离子以共掺的方式加入到一根玻璃光纤中。相比于单掺稀土离子玻璃光纤，采用多个稀土发光中心共掺的形式能一定程度增大发射谱的宽度，但提高有限。同时，不同发光稀土离子之间存在较大的非辐射跃迁，并造成大量的热负荷，从而降低发光效率和激光性能。较为创新地，有方法提出一种多掺稀土离子多芯双包层光纤，其在纤芯中设置多个独立稀土离子的纤芯，在一根光纤中利用不同稀土离子产生不同的发射波长，能实现较宽波长范围内的信号输出。但在泵浦时纤芯利用率不高，会产生其他波段的荧光发射，从而产生多余的热量，降低激光性能，无法实现高效的宽带可调谐激光输出。