一种多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器

摘要

本发明公开了一种多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，属于光纤激光器技术领域，包括顺次连接的第一泵浦源、第一稀土离子掺杂光纤、氟化物光纤、第二稀土离子掺杂光纤和第二泵浦源，第一泵浦源、第二泵浦源为功率可调的泵浦源；第一稀土离子掺杂光纤、第二稀土离子掺杂光纤上刻有一一对应的光纤光栅对。本发明将两根稀土离子掺杂物光纤级联构建复合线性谐振腔，在单一线性腔内利用腔内低维材料微纳光纤的光学开关同时作用于双增益光纤，实现重复频率多波长脉冲激光输出；同时基于本申请中红外光纤激光器结构，通过调节两个泵浦源的泵浦功率大小及比例进而实现脉冲激光功率比的调节，以拓展激光器的应用场景。

权利要求

1.一种多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，其特征在于：其包括顺次连接的第一泵浦源（1）、第一稀土离子掺杂光纤（6）、氟化物光纤（8）、第二稀土离子掺杂光纤（11）和第二泵浦源（20），第一泵浦源（1）、第二泵浦源（20）为功率可调的泵浦源；氟化物光纤（8）上有涂覆材料拉锥光纤或涂覆材料侧边抛磨光纤；

第一稀土离子掺杂光纤（6）、第二稀土离子掺杂光纤（11）上刻有一一对应的光纤光栅对，每对光纤光栅构成一谐振腔，各谐振腔用于选择不同波长的激光，进而输出波长范围为

3μm 8μm的多波长、重频且功率比可调的脉冲激光；

~

所述第一泵浦源（1）、第二泵浦源（20）采用相同波长的激光泵浦；

第一稀土离子掺杂光纤（6）、第二稀土离子掺杂光纤（11）上刻有一一对应的光纤光栅对具体为：第一稀土离子掺杂光纤（6）上靠近第一泵浦源（1）的一端依次刻有第一光纤光栅（4）和第二光纤光栅（5），第二稀土离子掺杂光纤（11）上靠近第二泵浦源（20）的一端依次刻有第三光纤光栅（12）和第四光纤光栅（13），第四光纤光栅（13）靠近第二泵浦源（20）设置，第一光纤光栅（4）与第四光纤光栅（13）构成对第一波长激光进行选择的第一谐振腔；第二光纤光栅（5）与第三光纤光栅（12）构成对第二波长激光进行选择的第二谐振腔；

或第一稀土离子掺杂光纤（6）、第二稀土离子掺杂光纤（11）上刻有一一对应的光纤光栅对具体为：第一稀土离子掺杂光纤（6）上靠近第一泵浦源（1）的一端依次刻有第五光纤光栅（23）、第一光纤光栅（4）和第二光纤光栅（5），第二稀土离子掺杂光纤（11）上靠近第二泵浦源（20）的一端依次刻有第三光纤光栅（12）、第四光纤光栅（13）和第六光纤光栅（24），第六光纤光栅（24）靠近第二泵浦源（20）设置；第一光纤光栅（4）与第四光纤光栅（13）构成对第一波长激光进行选择的第一谐振腔；第二光纤光栅（5）与第三光纤光栅（12）构成对第二波长激光进行选择的第二谐振腔；第五光纤光栅（23）与第六光纤光栅（24）构成对第三波长激光进行选择的第三谐振腔。

2.根据权利要求1所述多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，其特征在于：将第一泵浦源（1）、第二泵浦源（20）替换为第三泵浦源和分束器，所述第三泵浦源与分束器输入端连接，分束器的第一输出端与第一稀土离子掺杂光纤（6）连接，分束器的第二输出端与第二稀土离子掺杂光纤（11）连接。

3.根据权利要求2所述多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，其特征在于：所述第一泵浦源（1）、第二泵浦源（20）、第三泵浦源为半导体激光器。

4.根据权利要求1所述多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，其特征在于：所述第二泵浦源（20）输出端连接有合束器（16），合束器（16）第一端口连接至第二稀土离子掺杂光纤（11），合束器（16）的第三端口为激光器输出端（22）。

5.根据权利要求2所述多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，其特征在于：所述分束器的第二输出端连接有合束器（16），合束器（16）第一端口连接至第二稀土离子掺杂光纤（11），合束器（16）的第三端口为激光器输出端（22）。

6.根据权利要求4或5所述多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，其特征在于：所述合束器（16）的第一端口连接有氟化物尾纤，氟化物光纤与第二稀土离子掺杂光纤（11）连接。

7.根据权利要求1或2所述多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，其特征

3+

在于：所述第一稀土离子掺杂光纤（6）、第二稀土离子掺杂光纤（11）为掺Ho 氟化物光纤、掺

3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3+Dy 氟化物光纤、掺Tb 氟化物光纤、掺Er 氟化物光纤、掺Tm 氟化物光纤、Ho /Pr 共掺氟化物光纤中的任意两种。

8.根据权利要求7所述多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，其特征在

3+

于：所述第一稀土离子掺杂光纤（6）为掺Dy 氟化物光纤，第二稀土离子掺杂光纤（11）为掺

3+

Ho 氟化物光纤。

说明书

一种多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器。

背景技术

[0002] 3 8 µm中红外波段激光正好处于大气吸收窗口，在该窗口内，大气中水汽和二氧~
化碳对光的吸收较小，可实现光的低损传输，且覆盖了众多重要分子及原子的吸收峰光谱
检测，使得该波段激光在大气遥感、环境监测、激光制导、中红外波段光电对抗、大气通信等
军事和民用方面都有着重要应用。

[0003] 光纤激光器能够为中红外脉冲激光辐射提供一种稳健、高效的途径，相比于传统的固体、气体、半导体激光器，中红外光纤激光器具有光束质量好、转化效率高、散热性好、
易于集成等一系列优势。近年来，随着光纤拉制工艺水平提高和相关光纤元器件制作技术
的日渐成熟，中红外光纤激光器得以迅速发展。目前，在中红外脉冲光纤激光器中，高能量
ns‑ms量级脉冲激光的产生主要利用主动或者被动（可饱和吸收体或非线性效应等）调制方
式来实现。其中，采用可饱和吸收器的被动调Q由于其结构简单紧凑、性价比高的优势而更
倍受关注。目前已有大量中红外脉冲激光器的相关报道，但大部分集中在1μm 3μm波段，且
~
多为单波长；在3μm以上中红外长波长区域，目前还难以通过一台光纤激光器实现多波长脉
冲激光输出，更无法基于单台光纤激光器实现脉冲重复频率的同步统一和功率比可调的脉
冲激光输出。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术无法基于单台光纤激光器实现多波长、重频且功率比可调的脉冲激光输出的问题，提供了一种多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤
激光器。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，所述激光器包括顺次连接的第一泵浦源、第一稀土离子掺杂光纤、氟
化物光纤、第二稀土离子掺杂光纤和第二泵浦源，第一泵浦源、第二泵浦源为功率可调的泵
浦源；氟化物光纤上有涂覆材料拉锥光纤或侧边抛磨光纤；其中涂覆材料侧边抛磨光纤优
选为涂覆二维材料的D型侧面抛光光纤。

[0006] 第一稀土离子掺杂光纤、第二稀土离子掺杂光纤上刻有一一对应的光纤光栅对，每对光纤光栅构成一谐振腔，各谐振腔用于选择不同波长的激光，进而输出波长范围为3μm
8μm的多波长、重频且功率比可调的脉冲激光。
~

[0007] 在一示例中，将第一泵浦源、第二泵浦源替换为第三泵浦源和分束器，所述第三泵浦源与分束器输入端连接，分束器的第一输出端与第一稀土离子掺杂光纤连接，分束器的
第二输出端与第二稀土离子掺杂光纤连接。

[0008] 在一示例中，所述第一泵浦源和/或第二泵浦源和/或第三泵浦源为半导体激光器。

[0009] 在一示例中，所述第二泵浦源输出端连接有合束器，合束器第一端口连接至第二稀土离子掺杂光纤，合束器的第三端口为激光器输出端。

[0010] 在一示例中，所述分束器的第二输出端连接有合束器，合束器第一端口连接至第二稀土离子掺杂光纤，合束器的第三端口为激光器输出端。

[0011] 在一示例中，所述合束器的第一端口连接有氟化物尾纤，氟化物尾纤与第二稀土离子掺杂光纤连接。

[0012] 在一示例中，所述第一稀土离子掺杂光纤、第二稀土离子掺杂光纤为掺Ho3+氟化物3+ 3+ 3+ 3+ 3+ 3
光纤、掺Dy 氟化物光纤、掺Tb 氟化物光纤、掺Er 氟化物光纤、掺Tm 氟化物光纤、Ho /Pr
+
共掺氟化物光纤中的任意两种。

[0013] 在一示例中，所述第一稀土离子掺杂光纤为掺Dy3+氟化物光纤，第二稀土离子掺杂3+
光纤为掺Ho 氟化物光纤。

[0014] 在一示例中，所述第一稀土离子掺杂光纤上刻有第一光纤光栅和第二光纤光栅，第二稀土离子掺杂光纤上刻有第三光纤光栅和第四光纤光栅，第一光纤光栅与第四光纤光
栅构成对第一波长激光进行选择的第一谐振腔；第二光纤光栅与第三光纤光栅构成对第二
波长激光进行选择的第二谐振腔。

[0015] 在一示例中，第一稀土离子掺杂光纤上刻有第五光纤光栅、第一光纤光栅和第二光纤光栅，第二稀土离子掺杂光纤上刻有第三光纤光栅、第四光纤光栅和第六光纤光栅；第
一光纤光栅与第四光纤光栅构成对第一波长激光进行选择的第一谐振腔；第二光纤光栅与
第三光纤光栅构成对第二波长激光进行选择的第二谐振腔；第五光纤光栅与第六光纤光栅
构成对第三波长激光进行选择的第三谐振腔。

[0016] 需要进一步说明的是，上述各示例对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

[0017] 与现有技术相比，本发明有益效果是：

[0018] 1.在一示例中，将两根稀土离子掺杂物光纤级联构建复合线性谐振腔，在单一线性腔内利用腔内低维材料微纳光纤的光学开关同时作用于双增益光纤（稀土离子掺杂物光
纤），实现重复频率多波长脉冲激光输出；同时基于本申请中红外光纤激光器结构，通过调
节两个泵浦源的泵浦功率大小及比例进而实现脉冲激光功率比的调节，以拓展激光器的应
用场景；进一步地，通过选择不同类型、不同浓度的稀土离子掺杂光纤或者不同泵浦波长的
泵浦源，能够输出不同波长同重频脉冲激光，具有良好的可移植性和可拓展性，更利于实际
应用。

[0019] 2.在一示例中，通过一泵浦源与分束器替换两个泵浦源，提出了新的激光器结构，在满足激光器性能需求的基础上，能够进一步降低系统成本。

附图说明

[0020] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标
号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成
对本申请的不当限定。

[0021] 图1为本发明第一示例中的激光器结构示意图；

[0022] 图2为本发明一示例中的掺Dy3+氟化物光纤的能级跃迁示意图；

[0023] 图3为本发明一示例中的掺Ho3+氟化物光纤的能级跃迁示意图；

[0024] 图4为本发明第二示例中的激光器结构示意图；

[0025] 图5为本发明第二示例中掺Dy3+氟化物光纤的能级跃迁示意图；

[0026] 图6为本发明第二示例中掺Tb3+氟化物光纤的能级跃迁示意图。

[0027] 图中：第一泵浦源‑1、第一泵浦源尾纤‑2、第一光纤熔接点‑3、第一光纤光栅‑4、第二光纤光栅‑5、第一稀土离子掺杂光纤‑6、第二光纤熔接点‑7、氟化物光纤‑8、涂敷材料拉
锥光纤‑9、第三光纤熔接点‑10、第二稀土离子掺杂光纤‑11、第三光纤光栅‑12、第四光纤光
栅‑13、第四光纤熔接点‑14、合束器第一端口尾纤‑15、合束器‑16、合束器第二端口尾纤‑
17、第五光纤熔接点‑18、第二泵浦源尾纤‑19、第二泵浦源‑20、合束器第三端口尾纤‑21、激
光器输出端‑22、第五光纤光栅‑23、第六光纤光栅‑24。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发=明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0029] 在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述方向或位置关系，仅是为了便
于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以
特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用
于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0030] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0031] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0032] 在一示例中，一种多波长同重频且功率比可调的中红外全光纤激光器，具体包括顺次连接的第一泵浦源1、第一稀土离子掺杂光纤6、氟化物光纤8、第二稀土离子掺杂光纤
11和第二泵浦源20，第一泵浦源1、第二泵浦源20为功率可调的激光泵浦源；氟化物光纤8中
部进行拉锥处理并涂覆二维材料，涂覆的二维材料（石墨、黑磷、Bi2Te3等）作为可饱和吸收
体，以此产生高能量即ns‑ms量级脉冲激光。进一步地，第一稀土离子掺杂光纤6、第二稀土
离子掺杂光纤11上刻有一一对应的光纤光栅对，每对光纤光栅构成一谐振腔，各谐振腔用
于选择不同波长的激光，进而使激光器输出端22输出波长范围为3μm 8μm的多波长、重频且
~
功率比可调的脉冲激光。其中，泵浦源用于对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽
运到高能级，以实现粒子数反转。稀土离子掺杂光纤利用光纤中稀土掺杂物质引起的增益
机制实现光放大，实现光放大的条件是有源光纤中的稀土离子的粒子数反转。在热平衡状
态时，稀土离子各能级的粒子数服从玻耳兹曼统计分布，即在热平衡条件下，高能级的粒子
数恒小于低能级的粒子数；当频率ν=ΔE/h（ΔE为2个能级间的能量差，h为普朗克常数）的
光通过该掺稀土光纤时，受激吸收光子数恒大于受激辐射的光子数，因此处于热平衡状态
下的光纤只能吸收光子。只有当外界向掺稀土光纤供给能量（称为激励或泵浦过程）使光纤
中的稀土离子处于非热平衡状态时，才能实现粒子数反转，因此泵浦过程是光放大的必要
条件。更为具体地，氟化物光纤是以氟化物玻璃为材料制作的光纤，主要工作在2 10μm波长
~
的光传输业务，满足本申请中红外波段激光的传输，同时氟化物光纤具有较高的掺杂浓度
和强度，以及高稳定和低背景损耗性。

[0033] 具体地，第一泵浦源1输出端连接有第一泵浦源尾纤2，第一泵浦源尾纤2与第一稀土离子掺杂光纤6经第一光纤熔接点3连接；第一稀土离子掺杂光纤6与氟化物光纤8一端经
第二光纤熔接点7连接；氟化物光纤8另一端与第二稀土离子掺杂光纤11一端经第三光纤熔
接点10连接；第二稀土离子掺杂光纤11另一端与第二泵浦源20连接。

[0034] 本示例中，通过将两根稀土离子掺杂物光纤级联构建复合线性谐振腔，并通过线性谐振腔对不同波长激光进行选择，使产生的激光在涂覆二维材料的拉锥光纤的饱和吸收
特性下产生脉冲激光，然后级联产生中红外波段多波长同重频脉冲激光，在一台光纤激光
器中便可实现中红外多波长同频率脉冲激光输出，不仅可精确的控制了相同的重复频率，
同时该激光器采用全光纤结构，转换效率高、热控管理方便且结构紧凑灵活。

[0035] 进一步地，本发明基于本申请中红外光纤激光器结构，结合稀土离子掺杂光纤的特性，即每根稀土离子掺杂光纤的输出功率主要由靠近其光纤端的泵浦源控制，因此本申
请通过两个泵浦源分别对两个稀土离子掺杂光纤的输出功率进行控制，在此基础上调节第
一泵浦源1和第二泵浦源20的泵浦功率大小和比值，进而实现多波长同频率脉冲激光的输
出功率比控制，以此拓展激光器的应用场景。如在医学领域中，2µm脉冲水吸收相对较弱，
~
主要用于在组织中打开通道，3µm脉冲则可借助该通道实现组织深度作用，如此在更低的
~
功率水平下就可以实现更加高效的组织消融，两种波长的功率比可调更有利于控制对组织
的作用深度和效果；如在工业加工中，不同材料对不同波段吸收不同，因此对于复合材料，
复合波长且功率比可调，更有利于实现材料的精密加工；如在军方应用中，中红外探测器材
料（如碲镉汞）对不同波段材料的响应不一样，饱和阈值也不同，功率比可调的实现可以更
高效的利用泵浦光。

[0036] 本示例中，两个泵浦源优选为输出激光波长可调的泵浦源，当然也可通过替换不同波长泵浦源实现泵浦激光波长的调节；同时，也可采用不同类型、不同浓度的稀土离子掺
杂光纤对脉冲激光进行调制。通过选择不同类型、不同浓度的稀土离子掺杂光纤或者不同
泵浦波长的泵浦源，能够输出不同波长同重频脉冲激光，具有良好的可移植性和可拓展性，
更利于实际应用。

[0037] 在一示例中，将第一泵浦源1、第二泵浦源20替换为第三泵浦源和分束器，所述第三泵浦源与分束器输入端连接，分束器的第一输出端与第一稀土离子掺杂光纤6连接，分束
器的第二输出端与第二稀土离子掺杂光纤11连接，通过分束器将第三泵浦源的泵浦激光一
分为二，分别入射至两根稀土离子掺杂光纤。更具体地，分束器的功分比根据实际场景需求
进行调节，如定制不同功分比的分束器，以此实现对分束器两个输出端的泵浦激光功率调
节，进而对激光器输出端的多波长同重频脉冲激光的功率比进行调节。本示例中，通过第三
泵浦源与分束器替换第一泵浦源1、第二泵浦源20，提出了新的激光器结构，在满足激光器
性能需求的基础上，能够进一步降低系统成本。

[0038] 在一示例中，所述第一泵浦源1、第二泵浦源20、第三泵浦源均为半导体激光器即激光二极管，体积小，寿命长，采用简单的注入电流的方式来泵浦，使用方便。其中，第一泵
浦源1、第二泵浦源20可采用相同波长的激光泵浦。

[0039] 在一示例中，所述第二泵浦源20输出端连接有合束器16，合束器第一端口连接至第二稀土离子掺杂光纤11一端，合束器16的第三端口为激光器输出端22。具体地，第二泵浦
源20输出端连接有第二泵浦源20尾纤19，第二泵浦源20尾纤19与合束器16的第二端口连
接，合束器16的第一端口与第二稀土离子掺杂光纤11一端（远离氟化物光纤8的一端）熔接。
更为具体地，合束器第一端口对应连接有合束器第一端口尾纤15（氟化物尾纤），合束器第
二端口对应连接有合束器第二端口尾纤17，合束器第三端口对应连接有合束器第三端口尾
纤，此时第二泵浦源20尾纤19与合束器第二端口尾纤熔接，熔接处为第五光纤熔接点18；合
束器第一端口尾纤15与第二稀土离子掺杂光纤11一端熔接，熔接处为第四光纤熔接点14；
第三氟化物光纤8一端与合束器第三端口连接，另一端为激光器输出端22。

[0040] 在一示例中，所述分束器的第二输出端连接有合束器16，合束器第一端口连接至第二稀土离子掺杂光纤11一端，合束器16的第三端口为激光器输出端22。具体地，分束器的
第二输出端连接有跳接尾纤，跳接尾纤与合束器16的第二端口熔接，合束器16的第一端口
与第二稀土离子掺杂光纤11一端（远离氟化物光纤8的一端）熔接。更为具体地，合束器第一
端口对应连接有合束器第一端口尾纤15（氟化物尾纤），合束器第二端口对应连接有合束器
第二端口尾纤，合束器第三端口对应连接有合束器第三端口尾纤，此时第二泵浦源20尾纤
19与合束器第二端口尾纤熔接，熔接处为第五光纤熔接点18；合束器第一端口尾纤15与第
二稀土离子掺杂光纤11一端熔接，熔接处为第四光纤熔接点14；第三氟化物光纤8一端与合
束器第三端口连接，另一端为激光器输出端22。

[0041] 在一示例中，所述第一稀土离子掺杂光纤6、第二稀土离子掺杂光纤11为掺Ho3+氟3+ 3+ 3+ 3+ 3
化物光纤、掺Dy 氟化物光纤、掺Tb 氟化物光纤、掺Er 氟化物光纤、掺Tm 氟化物光纤、Ho
+ 3+ 3+
/Pr 共掺氟化物光纤中的任意两种。优选地，第一稀土离子掺杂光纤6具体为掺Dy 氟化物
3+
光纤，第二稀土离子掺杂光纤11具体为掺Ho 氟化物光纤。

[0042] 在一示例中，所述第一稀土离子掺杂光纤6上刻有第一光纤光栅4和第二光纤光栅5，第二稀土离子掺杂光纤11上刻有第三光纤光栅12和第四光纤光栅13，第一光纤光栅4与
第四光纤光栅13构成对第一波长激光进行选择的第一线性谐振腔；第二光纤光栅5与第三
光纤光栅12构成对第二波长激光进行选择的第二线性谐振腔。其中，上述光纤光栅优选为
布拉格衍射光栅。第一波长激光、第二波长激光根据不同波长泵浦源、以及稀土离子掺杂光
纤的稀土离子掺杂种类或者掺杂浓度进行变化。更为具体地，通过改变光纤光栅对的中心
波长或者调节光纤光栅对所处温度，可以实现双波长同重频脉冲激光输出，且通过调节温
度可以对产生的双波长同重频脉冲激光的输出波长进行调谐。具体地，通过定制光纤光栅
的中心波长，可以通过选择不同中心波长的光纤光栅对构成的谐振腔进而选择不同波长激
光，进而得到相应波长的同重频脉冲激光。进一步地，本示例中，所述第一谐振腔对第一波
长激光的高反射率大于等于95%，对第一波长激光的低反射率为30 50%，即第一谐振腔中的
~
第一光纤光栅4对第一波长激光的反射率大于等于95%，第四光纤光栅13对第一波长激光的
反射率为30 50%；第二谐振腔对第二波长激光的高反射率大于等于95%，对第二波长激光的
~
低反射率为30 50%，即即第二谐振腔中的第二光纤光栅5对第二波长激光的反射率大于等
~
于95%，第三光纤光栅12对第二波长激光的反射率为30 50%。
~

[0043] 将上述示例进行组合，得到本申请的第一优选示例如图1所示，该示例中激光器包3+ 3+
括顺次连接的第一泵浦源1、掺Dy 氟化物光纤、氟化物光纤8、掺Ho 氟化物光纤和第二泵
3+
浦源20。第二泵浦源20经合束器16与掺Ho 氟化物光纤一端连接。具体地，第一泵浦源1为
888nm激光二极管，在第一泵浦源尾纤2输出888nm波长激光；第二光纤光栅5和第三光纤光
3+ 3+
栅12分别为直接刻在掺Dy 氟化物光纤和掺Ho 氟化物光纤上的布拉格衍射光栅，分别对3
µm波长激光高反（反射率为95%）和低反（反射率为30%），共同构成3µm光纤激光器的谐振腔。
第二泵浦源20为888 nm激光二极管，在第二泵浦源尾纤19输出888 nm波长激光；第一光纤
3+ 3+
光栅4和第四光纤光栅13分别为直接刻在掺Dy 氟化物光纤和掺Ho 氟化物光纤上的布拉
格衍射光栅，分别对3.9µm波长激光高反（反射率为97%）和低反（反射率为40%），共同构成
3.9µm光纤激光器的谐振腔。

[0044] 更为具体地，如图2‑图3所示，该第一优选示例激光产生所对应的具体能级跃迁原理如下：

[0045] 23 5I8能级为Ho3+氟化物光纤的基态能级，该能级上有大量粒子，是28 5I8→5I5能5 3+ 5 5
级跃迁过程的起始能级；24  I7 能级为掺Ho 氟化物光纤的第二激发态能级，是29  I7→F5
5 3+ 5 5
能级跃迁过程的起始能级；25  I6 能级为Ho 的第二激发态能级，是30  I5→I6能级跃迁过
5 3+ 5 5
程的终止能级；26  I5 能级为Ho 的第三激发态能级，是I8→I5能级跃迁过程的终止能级
5 5 5 3+
和30  I5→I6能级跃迁过程的的起始能级；27  F5 能级为掺Ho 氟化物光纤的第五激发态
5 5 5 5
能级，是29  I7→ F5能级跃迁过程的终止能级；28  I8→I5能级跃迁过程，该过程吸收888 
5 5 5 5
nm波长激长，将23  I8 能级上的粒子抽运到26  I5 能级上；29  I7→F5能级跃迁过程，该过
5 5 5 5
程同样吸收888 nm波长激长，将24  I7 能级上的粒子抽运到27  F5 能级上；30  I5→I6能
5 5
级跃迁过程，该过程通过受激辐射的方式将26  I5 能级上的粒子释放到25  I6 能级上，同
6 3+ 3+ 6
时产生3.9 µm波长激光；31  H15/2能级为Dy 氟化物光纤中Dy 的基态能级，是37  H15/2→
6  6 6 6
（H5/2; F7/2）能级跃迁过程的起始能级和38  H13/2→ H15/2能级跃迁过程的终止能级；32 
6 3+ 3+ 6 6
H13/2能级为Dy 氟化物光纤中Dy 的第一激发态能级，是38  H13/2→H15/2能级跃迁过程的
6  6 3+ 3+ 6
起始能级；36 （H5/2; F7/2）能级为Dy 氟化物光纤中Dy 的第五激发态能级，是37  H15/2→
6  6 6 6  6
（H5/2; F7/2）能级跃迁过程的终止能级；37  H15/2→（H5/2; F7/2）能级跃迁过程吸收888 nm
6 6  6 6 6
波长激长，将31  H15/2能级上的粒子抽运到36 （H5/2; F7/2）能级上；38  H13/2→H15/2能级跃
6 6
迁过程，该过程通过受激辐射的方式将32  H13/2能级上的粒子释放到31  H15/2能级上，产生
3µm波长激光。

[0046] 更具体地，该第一优选示例的使用过程为：开启第一泵浦源1，888 nm波长的泵浦3+
激光经第一光纤熔接点3输入至掺Dy 氟化物光纤中，产生的3 µm波长激光经过涂敷材料拉
锥光纤9形成脉冲后，在第二光纤光栅5和第三光纤光栅12形成的3 µm谐振腔中不断循环，
最后经光纤合束器16从光纤合束器的第三端口尾纤21后输出3 µm同重频脉冲激光。如图2‑
6 6  6
图3所示，对应的能级过程为：888 nm波长激光通过37  H15/2→（H5/2; F7/2）能级跃迁过程将
6 6  6 6  6
31  H15/2能级上的粒子抽运到36（H5/2; F7/2）能级上，随着36（H5/2; F7/2）能级上粒子数增
6 6  6 6 6 6
多，当31H15/2能级36（H5/2; F7/2）能级和H13/2能级满足粒子数反转条件时，38  H13/2→H15/2
能级跃迁过程发生，产生3µm波长激光。

[0047] 开启第二泵浦源20，产生的888nm波长激光经第五光纤熔接点18合束进光纤合束3+
器16中，再经第四熔接点14输入至掺Ho 氟化物光纤中，产生的3.9µm波长激光经过涂敷材
料拉锥光纤9，在第一光纤光栅4和第四光纤光栅13形成的3.9µm谐振腔中不断循环，最后经
光纤合束器16从光纤合束器的第三端口尾纤21后输出3.9µm同重频脉冲激光。如图2‑图3所
5 5 5
示，对应的能级过程为：888 nm波长激光通过28  I8→I5能级跃迁过程将23  I8 能级上的
5 5 5
粒子抽运到26  I5 能级上，促使26  I5 能级和 25  I6 能级实现粒子数反转，同时888nm处
5 5 5 5
的激发态吸收也发生在29  I7→F5能级跃迁过程，将24  I7 能级上的粒子抽运到27  F5 能
5 5
级上，使24  I7 能级粒子密度下降，并且被抽运到27  F5 能级的粒子通过多声子弛豫释放
5 5 5
到26  I5 能级，从而促使26  I5 能级和25  I6 能级更快满足粒子数反转条件，加倍促进30 
5 5
I5→I6能级跃迁过程发生，产生3.9µm波长激光。

[0048] 同时开启第一泵浦源1和第二泵浦源20时，激光器输出3µm、3.9µm双波长同重频脉冲激光。此时，激光器中每根稀土离子掺杂光纤实际吸收到的泵浦功率，大部分来自靠近此
光纤端的888 nm泵浦源泵入，另一少部分来自另一根稀土离子掺杂光纤吸收另一端泵浦后
剩余的888nm泵浦光，即每根稀土离子掺杂光纤的输出功率主要被靠近光纤端的泵浦所控
制。比如开启第一泵浦源1时，靠近第一泵浦源1的第一稀土离子掺杂光纤6会先吸收大量泵
浦光，剩余的少量泵浦才会被第二稀土离子掺杂光纤11吸收。基于此，本申请提出了一种全
新的激光器结构，通过两个泵浦源分别对两个稀土离子掺杂光纤的输出功率进行控制，进
而通过调节第一泵浦源1和第二泵浦源20的泵浦功率大小和比值，调节3µm和3.9µm同频率
脉冲激光的输出功率比。此外，影响输出功率比的因素除了两端泵浦源功率配比以外，还与
两段增益光纤分别的长度和掺杂浓度（掺杂浓度影响其在888nm处的吸收系数）有关，即稀
土离子掺杂光纤的离子掺杂浓度会影响其在泵浦功率处的吸收系数，其长度会影响离子吸
收的多少。因此，同一类型稀土离子掺杂光纤，在同一泵浦功率下，长度与掺杂浓度不同，输
出功率也可能不同。

[0049] 更进一步地，将上述第一优选示例进行替换得到第二优选示例，如图4所示，第二优选示例将第一优选示例中的第一泵浦源1、第二泵浦源20替换为波长为2800nm泵浦源，并
3+ 3+ 3+
将掺Ho 氟化物光纤替换为掺Tb 氟化物光纤，且在掺Dy 氟化物光纤上刻有第五光纤光栅
3+
23、第一光纤光栅4和第二光纤光栅5，在掺Tb 氟化物光纤上刻有第三光纤光栅12、第四光
纤光栅13和第六光纤光栅24，此时第二光纤光栅5与第三光纤光栅12构成对第一波长（3.1µ
m）激光进行选择的第二线性谐振腔，第一光纤光栅4与第四光纤光栅13构成对第二波长（5µ
m）激光进行选择的第二线性谐振腔，第五光纤光栅23和第六光纤光栅24构成对第三波长激
光进行选择的第三线性谐振腔（8µm）。

[0050] 第二优选示例对应的激光器的工作原理为：

[0051] 开启第一泵浦源1，2800nm波长的泵浦激光经第一光纤熔接点3输入至掺Dy3+氟化物光纤中，产生的2.8µm波长激光经过涂敷材料拉锥光纤9形成脉冲后，在第二光纤光栅5和
第三光纤光栅12形成的谐振腔中不断循环，最后经光纤合束器16从光纤合束器第三端口尾
6 6
纤21后输出3.1µm脉冲激光。具体地，如图5所示，对应的能级过程为：33代表H15/2→H13/2能
6 6
级跃迁过程，该过程吸收2.8μm波长激长，将31  H15/2能级上的粒子抽运到32  H13/2 能级
6 6 6
上；随着32  H13/2能级上粒子数增多，当31  H15/2和32  H13/2能级满足粒子数反转条件时，34 
6 6 6
H13/2→H15/2能级跃迁过程发生，该过程通过受激辐射的方式将32  H13/2能级上的粒子释放
6
到31  H15/2能级上，产生3.1µm波长激光。

[0052] 开启第二泵浦源20，产生的2800nm波长激光经第五光纤熔接点18合束进光纤合束3+
器16中，再经第四熔接点14输入至掺Tb 氟化物光纤中，产生的5µm、8µm波长激光经过涂敷
材料拉锥光纤9，在第一光纤光栅4和第四光纤光栅13形成的谐振腔中不断循环，最后经光
纤合束器16从光纤合束器第三端口尾纤21后输出5µm、8µm脉冲激光。具体地，如图6所示，对
7 7 7
应的能级过程为：2800nm波长激光通过28  F6→F4能级跃迁过程将25  F6 能级上的粒子抽
7 7 7 7
运到27  F4 能级上，随着27  F4能级上粒子数增多，当27  F4能级和26  F5能级满足粒子数
7 7 7
反转条件时，29  F4→F5能级跃迁过程发生，产生8µm 波长激光；粒子再从26  F5能级跃迁
7 7 7 7
到基态25  F6能级产生5μm激光，30  F5→F6能级跃迁过程会导致26  F5能级的粒子密度下
7 7
降，从而促进29  F4→F5能级跃迁过程的发生，所以5μm激光和8µm激光两者也为级联激光，
可相互调制。同时开启第一泵浦源1和第二泵浦源20时，激光器输出3.1µm、5µm、8µm三波长
同重频脉冲激光。

[0053] 以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前
提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。