一種基于碲酸鹽光纖的超過中紅外5μm波段的拉曼光纖激光器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖激光器領域，特別涉及一種輸出波長超過中紅外5 μπι波段的拉曼光纖激光器。
【背景技術】
[0002]光纖激光器具有閾值低、轉換效率高、光束質量好、散熱性好和結構緊湊易于集成等優點。目前光纖激光器發展最為成熟的波段位于1.06和1.55 μπι波段，主要利用摻鐿(Yb3+)和摻鉺(Er3+)稀土離子發光。其中1.06μπι波段由于高濃度鐿摻雜光纖的使用，可獲得高功率輸出；1.55 μπι波段可用于光纖通信系統。
[0003]近年來，中紅外波段光纖激光器發展迅速。其原因在于中紅外波段激光器具有廣闊的應用前景，例如用于激光顯微外科手術、環境痕量氣體檢測、激光微加工和中紅外光譜學等方面。目前產生中紅外波段的激光主要有異質結激光二極管、量子級聯激光器、激光差頻信號產生系統、光參量振蕩器和晶體材料激光器等。這些方法產生激光效率較低，且系統結構復雜，難于操作。如何獲得高功率、高效率且結構簡單的中紅外3-8 μπι激光輸出成為當前研究難點。
[0004]由于銩(Tm3+)、鈥(Ho3+)、鉺(Er3+)、鏑(Dy3+)等稀土離子在中紅外波段具有發射帶，利用其摻入光纖作為增益介質組成中紅外波段激光器，具有結構緊湊和穩定性高等優點。但是也存在幾方面缺點:高輸出功率的獲得需要高濃度的稀土離子摻雜；激光器的栗浦波長和發射波長取決于稀土離子自身的吸收和發射特性。另外，當波長超過4 μπι后，由于光纖中非輻射躍迀占據主導地位，難以通過稀土離子輻射躍迀產生激光。因此利用稀土離子發光，通常只能獲得2-4 μ m波段的中紅外激光。
[0005]相比較于稀土離子摻雜光纖激光器，拉曼光纖激光器的輸出特性取決于栗浦源的功率、波長及光纖的拉曼增益系數。基于高非線性光纖，通過栗浦波長的改變，理論上可在任意波段產生受激拉曼散射。因此，拉曼光纖激光器在實現中紅外激光方面擁有巨大的潛力。可用作中紅外波段受激拉曼散射的增益介質光纖主要有氟化物、硫化物和碲酸鹽光纖，通過級聯受激拉曼散射過程，可獲得輸出波長超過4 μ m的激光。通常采用摻銩光纖激光器栗浦氟化物光纖，摻銩光纖激光器的輸出波長位于1.95-2 μ m，氟化物光纖的拉曼頻移為?579cm \需要通過五階受激拉曼散射才能達到4 μπι以上的波段，整個激光系統效率低下，且結構尤為復雜，成本非常高且難以實現。另外，氟化物光纖的拉曼增益系數較低(?4Χ 10 14m/W)，要獲得一定的拉曼增益，每一階受激拉曼散射過程都需要較長的氟化物光纖，通常需要數米乃至數十米光纖。硫化物光纖具有較高的拉曼增益系數(As2S3光纖，?6X10 12m/W)，但是硫化物光纖的拉曼頻移(As2S3光纖，?350cm ')和拉曼增益帶寬(As2S3光纖，?50cm1)都較小，所以需要更多階的受激拉曼散射過程才能達到4 μπι。上述兩種材料的光纖，均不適合產生5 μ m及更長波段的中紅外激光。
【發明內容】
[0006]本發明為解決現有技術中的中紅外拉曼光纖激光器存在的不足，提出了一種基于碲酸鹽光纖的超過中紅外5 μ m波段的拉曼光纖激光器。
[0007]本發明解決技術問題，采用如下技術方案:
[0008]本發明基于碲酸鹽光纖的超過中紅外5 μ m波段的拉曼光纖激光器，其特點在于:包括一根碲酸鹽光纖；在所述碲酸鹽光纖兩端附近區域刻有反射一階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對和反射二階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對，所述反射二階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對位于所述反射一階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對的外側；
[0009]所述碲酸鹽光纖的輸入端與高功率摻鉺氟化物光纖激光器相連，所述高功率摻鉺氟化物光纖激光器的輸出光通過光學耦合透鏡組進入碲酸鹽光纖；在所述碲酸鹽光纖的輸出端設置有可透5 μ m以上的長通濾波器，用于濾除5 μ m以下的光譜成分，最后輸出波長超過5 μ m的中紅外激光。
[0010]所述碲酸鹽光纖的典型組分為76.5Te02-6Bi203-6Zn0-ll.5Na20(mol % )，具有大拉曼頻移(峰值增益位置)、寬拉曼增益帶寬和高拉曼增益系數，其拉曼峰值增益位置的頻移為?750cm \拉曼增益帶寬為?300cm \拉曼增益系數為?4X 10 12m/W。
[0011]所述反射一階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對和所述反射二階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對，是利用800nm飛秒激光器加相位模板技術直接寫入在碲酸鹽光纖上；因為800nm飛秒激光能穿透聚合物材料，因此不用去除光纖涂覆層直接寫入光柵。所述反射一階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對的反射中心波長對應于一階拉曼斯托克斯信號波長；所述反射二階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對的反射中心波長對應于二階拉曼斯托克斯信號波長。
[0012]所述高功率摻鉺氟化物光纖激光器的輸出波長為2.9 μπι，包括980nm栗浦激光器、反射波長2.9 μπι的光纖光柵對和摻鉺氟化物光纖。980nm栗浦激光器的尾纖(石英光纖)與摻鉺氟化物光纖通過光纖熔接技術相連接，通過包層栗浦產生2.9 μπι的激光。反射波長2.9 μπι的光纖光柵對刻寫在摻鉺氟化物光纖上，其中一個光柵作為高反腔鏡，另一個光柵作為輸出親合腔鏡。
[0013]所述光學耦合透鏡組由兩個耦合非球面透鏡構成，與摻鉺氟化物光纖相鄰的耦合非球面透鏡的焦距與摻鉺氟化物光纖的數值孔徑相匹配，與碲酸鹽光纖相鄰的耦合非球面透鏡的焦距與碲酸鹽光纖的數值孔徑相匹配；在兩個耦合非球面透鏡之間插入有可透2.9 μπι的長通濾波器，用于通過2.9 μπι的栗浦光，濾除短波段的雜散光。
[0014]上述基于碲酸鹽光纖的超過中紅外5 μπι波段的拉曼光纖激光器，不局限于二階拉曼散射過程，還可以向更高的拉曼散射過程擴展，以獲得更長波段的激光輸出，例如:通過三階受激拉曼散射過程，選擇與其匹配的光纖光柵對，可以產生超過8 μπι的中紅外激光，即:在所述碲酸鹽光纖兩端附近區域還可以刻有反射三階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對，所述反射三階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對位于所述反射二階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對的外側。所述反射三階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對是利用800nm飛秒激光器加相位模板技術直接寫入在碲酸鹽光纖上；所述反射三階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對的反射中心波長對應于三階拉曼斯托克斯信號波長。
[0015]與已有技術相比，本發明的有益效果體現在:
[0016]1、本發明采用具有大拉曼頻移、寬增益帶寬、高拉曼增益和高功率承受能力的碲酸鹽光纖，在1米以下長度的光纖中產生超過5 μπι的高功率中紅外激光輸出，整個激光系統的復雜程度降低，結構更為緊湊，成本更低。
[0017]2、本發明的激光器中，由于只通過二階受激拉曼輻射過程即可產生超過5 μπι的中紅外激光，能量轉換效率大為提高，相同栗浦功率下，其輸出功率也更高。
[0018]3、本發明米用800nm飛秒激光器加相位模板技術直接在碲酸鹽光纖寫入光纖光柵，形成諧振腔，無需去除光纖涂覆層，可提高光纖光柵的機械承受能力，提高激光系統的可靠性。
[0019]4、本發明的激光器通過第三階受激拉曼散射過程，可使拉曼光纖激光器輸出波長可擴展到8-10 μ m以上。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明基于碲酸鹽光纖的超過中紅外5 μπι波段的拉曼光纖激光器的一種結構示意圖(具有反射一階、二階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對)；
[0021]圖2是本發明所用碲酸鹽光纖的一階、二階和三階拉曼頻移示意圖；
[0022]圖3為是本發明基于碲酸鹽光纖的超過中紅外5 μ m波段的拉曼光纖激光器的另一種形式的結構示意圖(具有反射一階、二階、三階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對)；
[0023]圖中標號:1為980nm栗浦激光器；2為反射波長2.9 μπι的光纖光柵對；3為摻鉺氟化物光纖；4為光學耦合透鏡組；5為可透2.9 μ m的長通濾波器；6為碲酸鹽光纖；7為反射一階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對；8為反射二階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對；9為可透5 μπι以上的長通濾波器；10為反射三階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對。
【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。
[0025]如圖1所示，本實施例基于碲酸鹽光纖的超過中紅外5 μπι波段的拉曼光纖激光器，依次包括980nm栗浦激光器1、反射波長2.9 μ m的光纖光柵對2、摻鉺氟化物光纖3、光學耦合透鏡組4、可透2.9 μ m的長通濾波器5、碲酸鹽光纖6、反射一階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對7、反射二階拉曼斯托克斯信號的光纖布拉格光柵對8和可透5 μπι以上的長通濾波器9。
[0026]其中:980nm栗浦激光器1有連續和脈沖兩種輸出方式，可通過調制栗浦電流來控制。連續栗浦情況下，能獲得高的平均功率(?10W);脈沖栗浦情況下(20-50HZ，占空比10-20%，輸出脈寬2-lOms)，能獲得高的峰值功率(?30W)，并降低熱效應。上述兩種輸出方式可根據實際應用需求進行選擇。
[0027]反射波長2.9 μ m的光纖光柵對2、反射一