[发明专利]基于锥形双包层拉曼增益光纤的中红外全光纤激光振荡器及产生中红外激光的方法

说明书

本发明公开了一种基于锥形双包层拉曼增益光纤的中红外全光纤激光振荡器装置及产生中红外激光的方法，多个高功率中红外量子级联激光器的激光输出经过各自的多模尾纤进入光纤合束器作为泵浦，一段具有锥形双包层结构的中红外单模光纤作为拉曼增益介质，一对中红外布拉格光纤光栅刻写于锥形双包层拉曼增益光纤两端构成激光谐振腔，增益光纤输出端熔接有一段光纤结构的包层模剥离器，从而实现中红外近单横模激光输出。本发明采用的锥形双包层拉曼增益光纤可以有效地提高对泵浦光的吸收效率，提高从低亮度泵浦光到高亮度激光输出的转换效率，提高激光输出的光束质量，可以实现中红外4微米以上百瓦级高功率近单模激光输出。

技术领域

本发明涉及一种中红外全光纤激光振荡器装置，具体涉及一种基于锥形双包层拉曼增益光纤的中红外全光纤激光振荡器及产生中红外激光的方法。

背景技术

中红外3-14微米波段具有重要的实用价值，生命相关的含碳、氢、氧、氮的气体分子和挥发性有机物的指纹性基频振动吸收谱线都落在这个波段内，因此中红外光谱技术可以对多组分痕量气体进行同步在线、快速准确的定性定量分析，这在军事国防、环境监测、工业生产过程监控、有毒易爆气体检测、疾病诊断等诸多应用场景中有着重要的需求。

高功率、高亮度、近衍射极限光束质量的中红外激光光源对于以中红外光谱技术为代表的中红外激光技术领域中有着重要的需求和应用前景。

光纤具有可弯曲特性、极大的比表面积、近衍射极限光束质量的波导模式等特性，因此基于石英玻璃光纤的光纤技术在近红外1-2微米的单模或近单模的、千瓦乃至万瓦功率连续激光输出的光纤激光器的发展过程中起到了至关重要的作用。

由于受到光纤基质材料的声子能量和光纤损耗的限制，稀土掺杂的石英玻璃光纤在3微米以上的中红外波段损耗极大，不能作为有效的激光增益基质；中红外非石英玻璃光纤中最为优秀的氟锆玻璃光纤，同样由于受到光纤基质材料的声子能量和光纤损耗的限制，稀土掺杂的氟锆玻璃光纤的激光输出波长和输出功率都受到限制，目前在稀土掺杂的氟锆玻璃光纤中报道的最长激光波长为3.9微米、最大输出功率仅数百毫瓦；同时，由于稀土能级电子跃迁的特点，稀土掺杂光纤激光器的输出波长是离散且其增益带宽是有限的，不能有效地覆盖中红外波段。

量子级联激光器是近年来迅速发展起来的中红外激光光源。通过调控半导体材料组分和半导体材料的周期结构参数，其激光波长可以覆盖中红外3微米-20微米的任意波长，最高输出功率已经接近10瓦，输出光束质量接近衍射极限；同时量子级联激光器是基于电致发光的，其激光器室温运行的总电光转换效率目前已经接近30％，并在理论上预计可以达到40％以上；因此量子级联激光器是目前最有前途的高效率、可实用化、可便携的中红外激光光源。但是实现高光束质量、功率水平达到100瓦的高功率连续激光输出是目前中红外量子级联激光器技术尚无法触及的天花板；随着其激光输出功率超过10瓦，量子级联激光器的光束质量会发生显著下降，同时在高功率条件下的中红外半导体激光光源的热管理问题也是一个极大的技术挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于锥形双包层拉曼增益光纤的中红外全光纤激光振荡器，能实现高光束质量、输出功率达到100瓦水平的中红外4微米以上高功率连续激光输出。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于锥形双包层拉曼增益光纤的中红外全光纤激光振荡器，包括：N个带有多模尾纤输出的高功率中红外量子级联激光器、一个把N路多模尾纤合束成一路多模光纤输出的高功率中红外光纤合束器、一段锥形双包层拉曼增益光纤、刻写在锥形双包层拉曼增益光纤两端的中红外光纤布拉格光栅Ⅰ和中红外光纤布拉格光栅Ⅱ、一个光纤包层模式剥离器，所述中红外光纤布拉格光栅Ⅰ、锥形双包层拉曼增益光纤、中红外光纤布拉格光栅Ⅱ依次连接构成激光谐振腔，N个量子级联激光器输出激光注入光纤合束器，然后经光纤合束器传出，耦合进入所述激光谐振腔中，激光谐振腔输出激光经过腔外的光纤包层模式剥离器后，输出中红外4微米以上波长的激光；