[发明专利]波长可调的高效高功率中红外激光器

说明书

本发明公开了一种波长可调的高效高功率中红外激光器，属于激光器技术领域，其目的在于提供一种波长可调的中红外激光器，实现提高波段可调的中红外激光器转换效率问题。其包括采用环形全保偏混合耗散共振孤子锁模产生掺铥光纤激光的谐振腔、级联放大系统、准直聚焦系统、OPO；泵浦源通过双向泵浦掺铥增益光纤产生激光，激光在谐振腔内往返振荡经输出耦合器输出纳秒方波型脉冲激光，纳秒方波型脉冲激光依次经级联放大系统、准直聚焦系统后耦合进OPO，在脉冲激光与OPO晶体的作用下最终经滤波片、二色镜后输出纳秒脉冲中红外光纤激光。本发明适用于中红外激光器。

技术领域

本发明属于激光器技术领域，涉及一种中红外激光器，尤其涉及一种波长可调的高效高功率中红外激光器。

背景技术

如今，波长可调的中红外激光器主要应用于空气污染检测、遥感、光谱分析以及军事等领域。而研制出高效高功率波长可调的中红外激光器成为现在的研究热点。目前以纳秒脉冲光纤激光器作为泵浦源的光参量振荡器(OPO,optical parametric oscillator)来产生中红外波段可调的激光最为常见。与固体激光器相比，光纤激光器具有高功率，高光束质量，以及高转换效率等特点，所以，光纤激光器已被广泛使用于OPO泵浦源。要实现高效高功率波长可调的中红外激光输出，科研人员主要对泵浦光的脉冲成形技术开展了相应研究。2008年，美国BAE高级系统与技术公司Daniel Creeden等人通过铥离子掺杂的光纤激光器以调Q的方式产生了一个脉宽为30ns，重复频率为30kHz的2μm波长高斯型脉冲激光来泵浦ZnGeP2(ZGP)非线性晶体组成的OPO，实现波长输出范围为3.4～3.9和4.1～4.7μm的平均功率为1.25W的中红外激光，其斜效率最高为35％；2012年，澳大利亚国防科学与技术组织Nikita Simakov等人通过设计一种基于铥离子掺杂增益光纤的主振荡功率放大器产生了一个持续时间在20～40ns，重复频率高达75kHz的200μJ波长为2.044μm的脉冲激光，用该激光源泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO获得转换效率为25％，功率为3W的3～5μm中红外激光。2014年，美国中佛罗里达大学激光研究所Martin Gebhardt等人利用铥离子掺杂增益光纤的主振荡功率放大器提供一个脉冲持续时间为7ns，重复频率4kHz的700μJ波长为1980nm的陡峭前沿型脉冲激光，用此脉冲激光泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO获得输出峰值功率为15kW，脉宽为90μs的3.7μm中红外激光。2015年，法国圣路易斯岛的法国&德国研究所Christelle Kieleck等人通过以铥离子掺杂为增益光纤的基于二氧化硅保偏的高效主动调Q方式产生了一个脉宽为65ns，重复频率40kHz的平均功率为23W高斯型脉冲激光，并利用其直接泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO，结果输出一个功率高达6.5W的3～5μm中红外激光。从以上实验报道可发现，基本是以调Q方式产生纳秒脉冲激光作为激发OPO的泵浦源，并且激光光束形状大多都是传统高斯型脉冲，脉冲与晶体的作用仅为峰值附近，这对于提高OPO的光光转换效率形成困难。因此，产生一种非传统高斯型纳秒光束脉冲激光作为OPO的泵浦源以实现高效率波长可调的激光输出成为目前学者亟待解决的问题。

图1为一种可产生3～5μm中红外波段波长可调的ZGP非线性晶体组成的OPO激光器示意图，其采用掺铥单模振荡光纤激光器直接泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO。其中，泵浦激光二极管(laser diode，LD)通过棱镜及二色镜准直聚焦后耦合进掺铥增益光纤，并产生激光。声光调制晶体(acousto-optic modulator，AOM)用以主动调Q，以产生纳秒高斯型脉冲激光，起偏器和半波片使该脉冲光源呈线偏振态，同时利用平面衍射光栅调谐光源波长。随后光源经隔离器、可变衰减器以及棱镜准直聚焦后泵浦ZGP非线性晶体组成的OPO，通过改变ZGP非线性晶体的角度和温度以满足产生信号光和闲频光的相位匹配条件，并实现输出波长可调范围在3～5μm的中红外脉冲激光。

上述OPO激光器虽能实现输出波长可调范围在3～5μm的中红外脉冲激光，但是该OPO激光器主要存在以下两个方面的缺陷：