[发明专利]一种基于非石英玻璃的中红外特种光纤拉曼DFB光纤激光器

权利要求书

1.一种基于非石英玻璃的中红外特种光纤拉曼DFB光纤激光器，其特征在于：

包含泵浦光源、二向色镜1、耦合透镜、中红外特种光纤π相移DFB光纤光栅、中红外透镜、二向色镜2、检测激光信号装置和温度控制器；

其中，泵浦光源，用于提供泵浦光源；

二向色镜1，用于对泵浦光源高透，对产生信号光源高反，用于分离反向拉曼DFB激光信号；

耦合透镜，用于提高泵浦光进入光纤纤芯的耦合效率；

中红外特种光纤π相移DFB光纤光栅，用于产生中红外单频窄线宽激光信号的核心器件；

中红外透镜，用于准直输出信号光，便于后续的检测；

二向色镜2，用于对产生的信号光源高透，泵浦光源高反，分离出残余泵浦光；

检测激光信号装置，用于检测激光信号；

温度控制器，用于确保DFB光纤光栅受热匀称，避免环境温度及噪声对DFB光栅的干扰。

2.根据权利要求1所述的一种基于非石英玻璃的中红外特种光纤拉曼DFB光纤激光器，其特征在于：耦合透镜的数值孔径、聚焦光斑大小分别与光纤NA、纤芯直径匹配。

3.根据权利要求1所述的一种基于非石英玻璃的中红外特种光纤拉曼DFB光纤激光器，其特征在于：检测激光信号装置包括功率计、光谱仪、频谱仪。

4.根据权利要求1所述的一种基于非石英玻璃的中红外特种光纤拉曼DFB光纤激光器，其特征在于：中红外特种光纤π相移DFB光纤光栅包括锗酸盐玻璃、氟化物玻璃、碲酸盐玻璃、硫系玻璃、以及它们的混合物玻璃光纤。

5.根据权利要求1所述的一种基于非石英玻璃的中红外特种光纤拉曼DFB光纤激光器，其特征在于：泵浦光源可采用光纤激光器、固体激光器或者混合激光器系统，用于确保其输出功率和中心波长满足中红外拉曼光纤激光器产生条件；

若预期产生2.5微米波段的单频窄线宽拉曼激光器，可采用掺铥或掺钬高功率光纤激光器作为泵浦源；

若预期产生2.5微米以上的单频窄线宽拉曼激光器，泵浦光源可采用2.5-3微米掺铬硫化锌(Cr²⁺:ZnS)晶体激光器、2.7-2.9微米掺铒倍半氧化物陶瓷激光器、或稀土掺杂的氟化物玻璃光纤激光器。

6.根据权利要求1所述的一种基于非石英玻璃的中红外特种光纤拉曼DFB光纤激光器，其特征在于：中红外波段带有π相移拉曼DFB光纤激光器的原理具体如下：

步骤1，将光栅均匀分布在非石英玻璃光纤的纤芯中，周期为Λ，长度为L厘米，π相移位于光栅Zπ的位置，π相移的作用是在DFB光栅阻带内形成唯一窄线宽透射窗口，即DFB光纤光栅的中心频率，该频率激光在谐振腔内损耗最小，抑制了其它纵模的竞争，从而选择性地在该频率处实现单频窄线宽激光输出；

步骤2，实现π相移的光栅长度记为ΔL＝π/(2β_s)，其中，β_s为信号光的传输常数，将光栅分为L1和L2两部分；光栅的中心波长设计满足以下关系：

m·λ_DFB＝2·n_eff·Λ

其中，m取自然数表示光栅阶数，n_eff为纤芯有效折射率；光栅的中心波长即为拉曼DFB信号光波长λs，位于所用光纤的拉曼增益带宽内，并与泵浦光λp满足如下关系：

其中，c为光速，f_R为一阶Stokes拉曼频移，设光纤在泵浦和信号光波长都是单模传输，有效模场面积A_eff近似为光纤纤芯面积；A_p、b、f分别为泵浦光、反向信号光和前向信号光电场幅度，与各自的功率密度和功率满足如下关系：

|A_p，f，b|²≡I_p，f，b≡P_p，f，b/A_eff

泵浦光、前向和反向信号光之间的动态关系由时域和空间域的二维非线性耦合波方程组表示，通过de Sterke等人提出的Runge-Kutta高阶迭代算法得到数值解；

步骤3，在连续泵浦光的激励下，系统达到稳定状态后，在时域上的信号变化可以近似为零，可忽略材料色散对泵浦光和信号光的影响，非线性耦合波方程组可以简化为一维；其中g_p、s分别为泵浦波长λp和信号波长λs的拉曼增益系数，且满足与波长成反比的关系：g_p＝g_s·λs/λp；γ_p、s分别为泵浦波长和信号波长的克尔非线性系数；α_lp、ls分别为光纤在泵浦波长和信号波长的传输损耗；κ为DFB光栅耦合系数，δ_β为失调谐传输常数，大小为δ_β＝2πn_eff(1/λ_DFB-λs)，其中λ_DFB为DFB光栅设计中心波长；

简化后的方程组(4b)和(4c)转变为偏微分耦合波方程组，可采用耦合波理论的矩阵转换方法，该方法在光栅仿真领域被广泛使用，结合Matlab工具，进而提高运算效率。