[发明专利]一种2.8μm和3.5μm双波长中红外光纤激光器

说明书

本发明公开了一种2.8μm和3.5μm双波长中红外光纤激光器，该激光器采用0.98μm+1.15μm双波长泵浦方案，利用光纤合束器将两泵浦光束同时耦合进双包层掺铒氟化物光纤中。其中0.98μm泵浦光吸收将基态铒离子抽运至supgt;4/supgt;Isubgt;11/2/subgt;能级，基于supgt;4/supgt;Isubgt;11/2/subgt;→supgt;4/supgt;Isubgt;13/2/subgt;能级跃迁产生2.8μm激光辐射；进一步通过1.15μm泵浦光吸收将supgt;4/supgt;Isubgt;13/2/subgt;能级上堆积的铒离子抽运至supgt;4/supgt;Fsubgt;9/2/subgt;能级，基于supgt;4/supgt;Fsubgt;9/2/subgt;→supgt;4/supgt;Isubgt;9/2/subgt;能级跃迁产生3.5μm激光辐射；而完成3.5μm激光发射的铒离子将以无辐射跃迁的形式再次回到supgt;4/supgt;Isubgt;11/2/subgt;能级，增大2.8μm激光上下能级的反转粒子数，解决激光自终止问题。本发明可以基于单段双包层掺铒氟化物光纤同步实现2.8μm和3.5μm双波长中红外激光的输出，激光效率高，结构紧凑。

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种2.8μm和3.5μm双波长中红外光纤激光器。

背景技术

2.5-5μm中红外波段位于大气低损耗传输窗口，并且包含甲烷、氯化氢等诸多有机和无机分子的特征吸收谱线，使得该波段激光光源在空间通信、军事对抗、高灵敏度气体探测、高分子有机材料加工等领域具有极其重要的应用背景。光纤激光器凭借其优异的热管理性能、良好的光束质量以及较高的系统集成能力，已成为中红外激光光源的有力技术途径。其中，以掺铒氟化物光纤为代表的中红外光纤激光器在近年来得到了快速的发展。铒离子能级结构丰富，采用0.98μm单波长泵浦和0.98μm+1.97μm双波长泵浦方案，基于铒离子⁴I_11/2→⁴I_13/2与⁴F_9/2→⁴I_9/2能级跃迁可分别实现2.8μm和3.5μm中红外激光发射。目前2.8μm和3.5μm中红外掺铒氟化物光纤激光器的最高输出功率已分别达到40W^[1]和15W^[2]。由于2.8μm和3.5μm两波长激光对应的能级跃迁互不交叠，因此掺铒氟化物光纤激光器具备实现双波长同步输出的能力。

然而，现有泵浦方案无法同时实现两波段粒子数的有效反转，导致先前研究均是针对单一波长。尽管0.98μm和1.97μm的泵浦吸收的终能级分别对应于2.8μm和3.5μm激光的上能级，因此可考虑采用0.98μm+1.97μm双波长泵浦方案同步实现2.8μm和3.5μm激光输出。然而，由于1.97μm泵浦吸收的虚拟基态和2.8μm激光上能级为同一能级(⁴I_11/2)，该过程将削减2.8μm激光上能级的粒子数，降低反转增益。因此在该泵浦方式下，2.8μm激光与3.5μm激光成对立关系，难以同时保证双波长激光高效输出。此外，在常规的0.98μm单波长泵浦2.8μm光纤激光器中，由于铒离子⁴I_13/2能级寿命较长(9.9ms)，2.8μm激光上下能级难以实现有效的粒子数反转且极易出现激光自终止现象，极大阻碍了2.8μm激光效率的提升。

参考文献

[1]Y.O.Aydin,V.Fortin,R.Vallée,and M.Bernier,“Towards power scalingof 2.8μm fiber lasers,”Opt.Lett.43(18),4542–4545(2018).