基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器

摘要

一种基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器，包括泵浦源和环形振荡器，振荡器沿逆时针方向依次有折叠镜、非球面聚焦透镜、氟化物增益光纤、非球面准直透镜、输出耦合镜、色散管理元件、二分之一波片、隔离器和四分之一波片。该激光器的核心是通过色散管理元件对中红外氟化物光纤锁模激光器进行色散控制，使得激光脉宽在腔内随传输有序演化，减少脉冲在增益光纤中的非线性相移的积累，避免脉冲在低能量时发生分裂，本发明激光器打破孤子面积对脉冲能量的限制，使得输出脉冲能量超过10nJ。这种高能量的中红外超快光纤激光器在中红外超快光谱学、超连续产生、自由空间光通讯等领域具有重要的应用前景。

权利要求

1.一种基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器，包括泵浦源(1)，该泵浦源(1)为光纤耦合输出的半导体激光器，其特征在于，沿所述的泵浦源(1)的激光输出方向依次是准直透镜(2)、第一耦合镜(3)、非球面聚焦透镜(4)、氟化物增益光纤(5)、非球面准直透镜(6)、输出耦合镜(7)，在该输出耦合镜(7)的反射光方向依次是色散管理元件(8)、二分之一波片(9)、隔离器(10)、四分之一波片(11)和所述的第一耦合镜(3)，所述的光纤耦合输出的半导体激光器的输出光纤的端面位于所述的准直透镜(2)的焦点，所述的氟化物增益光纤(5)的前端面位于所述的非球面聚焦透镜(4)的后焦平面，氟化物增益光纤(5)的后端面位于所述的非球面准直透镜(6)的前焦平面，依次的第一耦合镜(3)、非球面聚焦透镜(4)、氟化物增益光纤(5)、非球面准直透镜(6)、输出耦合镜(7)、色散管理元件(8)、二分之一波片(9)、隔离器(10)和四分之一波片(11)构成环形激光谐振腔；所述的色散管理元件(8)是在中红外具有正色散且2～5μm透明的锗、砷化镓、单晶硅或磷锗锌块体材料；

隔离器(10)与二分之一波片(9)、四分之一波片(11)组成被动锁模器件，启动和维持锁模运行；旋转二分之一波片(9)和四分之一波片(11)的角度，实现稳定的锁模脉冲输出。

2.根据权利要求1所述的基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器，其特征在于所述的氟化物增益光纤(5)为铒离子、钬离子或镝离子掺杂的多组分氟化物玻璃光纤。

说明书

基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器

技术领域

[0001] 本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器。

背景技术

[0002] 中红外波段涵盖了三个大气透明窗口，而且对应多数气体和有机分子的转振动能谱，中红外超快激光在自由空间光通讯、分子光谱学、中红外频率梳、半导体材料微加工、人
体眼科手术等方面具有重要的应用前景。

[0003] 目前，商业化的中红外超快光源主要通过近红外泵浦的光参量振荡器或放大器产生，该方法存在转换效率低、系统体积庞大、维护难度高、成本昂贵等缺点，限制了中红外超
快激光的广泛应用。为了得到结构紧凑、价格低廉、光束质量优良的中红外超快激光，氟化
物光纤锁模激光器成为3μm超快脉冲激光的理想选择。目前，氟化物光纤锁模激光器已经可
以产生纳焦水平的脉冲输出，已经可以媲美某些商业化中红外光参量振荡器或放大器的激
光性能。然而，由于氟化物光纤在3μm中红外波段具有负的群速度色散和正的非线性系数，
导致该锁模激光器只能工作在传统孤子区域，锁模激光器的输出脉冲能量受到孤子面积的
严重限制，输出脉冲能量限制在纳焦水平。腔内色散管理是突破能量限制的有效途径，然
而，不同于近红外波段可以灵活设计正色散和负色散光纤来实现色散管理，3μm中红外波段
缺少正的色散补偿光纤，导致3μm中红外氟化物光纤锁模激光器的脉冲能量长期以来难以
提升。

发明内容

[0004] 本发明提供一种基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器，我们摒弃了传统光纤锁模激光器通过光纤进行色散管理的固有思路，提出通过大正色散的体块材料对中
红外氟化物光纤锁模激光器进行色散管理，减少增益光纤中非线性相移的积累，避免锁模
脉冲在低能量时分裂，本发明激光器打破孤子面积对脉冲能量的限制，使得输出脉冲能量
超过10nJ。

[0005] 本发明的技术解决方案如下：

[0006] 一种基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器，包括泵浦源，该泵浦源为光纤耦合输出的半导体激光器，其特点在于，沿所述的泵浦源的激光输出方向依次是准直
透镜、第一耦合镜、非球面聚焦透镜、氟化物增益光纤、非球面准直透镜、输出耦合镜，在该
输出耦合镜的反射光方向依次是色散管理元件、二分之一波片、隔离器、四分之一波片和所
述的第一耦合镜，所述的光纤耦合输出的半导体激光器的输出光纤的端面位于所述的准直
透镜的焦点，所述的氟化物增益光纤的前端面位于所述的非球面聚焦透镜的后焦平面，所
述的氟化物增益光纤的后端面位于所述的非球面准直透镜的前焦平面，依次的第一耦合
镜、非球面聚焦透镜、氟化物增益光纤、非球面准直透镜、输出耦合镜、色散管理元件、二分
之一波片、隔离器和四分之一波片构成环形激光谐振腔。

[0007] 所述的色散管理元件是在中红外具有正色散且2～5μm透明的锗、砷化镓、单晶硅或磷锗锌块体材料。

[0008] 所述的氟化物增益光纤为铒离子、钬离子或镝离子掺杂的多组分氟化物玻璃光纤。

[0009] 本发明的技术效果如下：

[0010] 本发明高能氟化物光纤锁模激光器的核心元件是所述的色散管理元件，本发明通过色散管理元件对激光腔进行色散管理，减少脉冲在氟化物增益光纤中非线性相移的积
累，避免孤子在低能量时分裂，从而可以实现高能量中红外锁模脉冲输出。与目前的技术相
比，本发明激光器打破孤子面积对脉冲能量的限制，使得输出脉冲能量超过10nJ。

附图说明

[0011] 图1是本发明基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器实施例结构示意图。

[0012] 图2是本发明实施例腔内无色散管理和插入不同长度的锗棒所对应的输出脉冲能量。

[0013] 图3是本发明实施例当腔内插入长度为60mm的锗棒时，锁模脉冲的自相关曲线。

[0014] 图4是本发明实施例当腔内插入长度为60mm的锗棒时，锁模脉冲的光谱。

具体实施方式

[0015] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0016] 先请参阅图1，图1是本发明基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器实施例结构示意图。由图可见，本发明基于锗色散管理的中红外氟化物光纤锁模激光器包括泵
浦源1，沿所述的泵浦源1的激光输出方向依次是准直透镜2、第一耦合镜3、非球面聚焦透镜
4、氟化物增益光纤5、非球面准直透镜6、输出耦合镜7，在该输出耦合镜7的反射光方向依次
是色散管理元件8、二分之一波片9、隔离器10、四分之一波片11和所述的第一耦合镜3，所述
的光纤耦合输出的半导体激光器的输出光纤的端面位于所述的准直透镜2的焦点，所述的
氟化物增益光纤5的前端面位于所述的非球面聚焦透镜4的后焦平面，氟化物增益光纤5的
后端面位于所述的非球面准直透镜6的前焦平面，依次的第一耦合镜3、非球面聚焦透镜4、
氟化物增益光纤5、非球面准直透镜6、输出耦合镜7、色散管理元件8、二分之一波片9、隔离
器10、四分之一波片11和所述的第一耦合镜3构成环形激光谐振腔。

[0017] 本实施例的色散管理元件为锗棒。泵浦源1为光纤耦合输出的半导体激光器，发射波长为976nm，通过准直透镜2和非球面聚焦透镜4聚焦到氟化物增益光纤5的内包层。氟化
物增益光纤5为掺铒的ZBLAN光纤，铒离子的掺杂浓度为6mol.％,光纤长度为2.3m。增益光
纤是双包层光纤，纤芯直径为16.5μm，数值孔径为0.12；内包层直径为250μm，数值孔径0.5。
光纤两端都带有8°角切割，用来消除寄生振荡。非球面聚焦透镜4聚焦泵浦光和激光，非球
面准直透镜6准直激光，二者的焦距都为12.7mm。隔离器10用来保证激光在环形腔内的单向
循环，同时还与二分之一波片9、四分之一波片11组成被动锁模器件，用来启动和维持锁模
运行。在实施例中能够利用的锗棒8有三种长度，分别为20mm、30mm、60mm，直径都为10mm。实
际上，锗棒越长，脉冲在腔内展宽越大，积累的非线性相移小，能够输出的脉冲能量越大。通
过旋转二分之一波片9和四分之一波片11的角度，可实现稳定的锁模脉冲输出。

[0018] 当没有插入锗棒时，激光腔内为全负色散，色散值为‑0.191ps2，激光器工作在孤子锁模区域，锁模脉冲的能量被孤子面积限制，脉冲能量不随泵浦功率的增加而增加，能够
得到最大的脉冲能量为5.59nJ(对应的泵浦功率为7.74W)。当腔内插入长度分别为20mm、
2 2 2
30mm、60mm的锗棒后(分别提供+0.037ps 、+0.051ps 、+0.101ps的群延迟色散)，在泵浦功
率和输出耦合镜7分光比相同条件下，锁模激光器的输出脉冲能量分别增加到6.37nJ、
7.46nJ、7.97nJ。当泵浦功率一定时，图2显示脉冲能量随着锗棒长度的增加而增加。为了得
到更大的脉冲输出，我们将泵浦功率增加到12.1W，此时，锁模激光器在60mm锗棒色散补偿
时输出的脉冲能量达到10.1nJ，脉冲宽度为277fs。图3和图4分别是泵浦功率12.1W时，测得
的锁模脉冲自相关曲线和锁模光谱。

[0019] 现有的中红外氟化物光纤锁模激光器，由于缺少色散管理，脉冲能量存在限制，比如这里能够实现的脉冲能量为5.59nJ。采用锗棒色散管理以后，脉冲能量的限制消失，最终
实现了10nJ的脉冲输出。色散管理以后，激光器的输出脉冲能量随着锗棒长度和泵浦功率
的增加而增加。

[0020] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的
技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在
本发明的权利要求范围当中。