寬帶可調(diào)諧窄線寬中紅外激光源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中紅外激光源，尤其是涉及一種3?5 μπι波段大功率寬帶可調(diào)諧窄線寬中紅外激光源，該激光源可以廣泛應(yīng)用于恒量氣體探測、污染物排放在線快速診斷與監(jiān)測，吸氣式發(fā)動機(jī)燃燒室和燃燒殘留物檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，3?5μπι波段主要的可調(diào)諧中紅外激光源主要有以下幾類:1、量子級聯(lián)激光器和帶間級聯(lián)激光器(Y.Yao, A.J.Hoffman and C.F.GmachI, “Mid-1nfrared quantumcascade lasers” , Nat.Photonics, vol.6, pp.432-439，2012.)，這類激光器結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧輸出，但窄線寬輸出時(shí)調(diào)諧范圍和功率有限；2、基于稀土和過渡金屬離子慘雜的光纖激光器和放大器(0.H.Sapir, J.Munch, and D.J.0ttaway, ^Mid-1nfraredfiber lasers at and beyond 3.5 μ m using dual-wavelength pumping,，，Opt.Lett.，vol.39，pp.493，2014.)，但目前還缺乏合適的寬帶窄線寬種子源，同時(shí)增益光纖的光譜特性和制作工藝還有待完善；3、基于摻稀土和過渡金屬離子的固體激光器，已有的中紅外固體激光器產(chǎn)品波長還偏短，例如:IPG公司推出的中紅外的可調(diào)諧激光器的輸出波長范圍還在3 μπι以下，而能覆蓋該波長范圍的激光晶體還不夠成熟(S.B.Mirov, V.V.Fedorov, D.Martyshkin, 1.S.Moskalev, M.Mirov, and S.Vasilyev, “Progress in Mid-1RLasers Based on Cr and Fe-Doped I1- VI Chalcogenides,，，IEEE J.Sel.Top.QuantumElectron, ,vol.21, pp.1601719，2015.)，同時(shí)在固體激光器中要實(shí)現(xiàn)同時(shí)寬調(diào)諧和窄線寬輸出，對諧振腔的控制精度和激光器的環(huán)境適應(yīng)能力提出很高的挑戰(zhàn)；4、光參量源，其中以光參量振蕩器(Optical parametric oscillator, ΟΡΟ)和光參量放大器(Opticalparametric amplifier, 0PA)為主，最有代表性的是美國Aculight公司研發(fā)的Argos系統(tǒng)(www.aculiRht.com)，通過同步移動腔內(nèi)PPLN晶體、腔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)具和改變泵浦波長實(shí)現(xiàn)了寬范圍調(diào)諧輸出，在調(diào)制頻率僅為300Hz時(shí)，單頻無跳模調(diào)諧的最大范圍是50GHz，但是該系統(tǒng)非常昂貴，同時(shí)調(diào)制頻率和調(diào)諧范圍之間會相互限制。
[0003]隨著分布反饋半導(dǎo)體激光器(Distributed Feedback，DFB)和外腔半導(dǎo)體激光器(Extra Cavity D1de Laser, ECDL)的迅速發(fā)展，基于半導(dǎo)體激光器種子源的大功率光纖放大器已經(jīng)成為0P0和OPA最重要的泵浦源之一，通過對種子光源的快速調(diào)諧可以實(shí)現(xiàn)參量源的調(diào)諧，同時(shí)還能保持種子源的窄線寬特性(MHz量級)。盡管OPA方案相比于0P0轉(zhuǎn)換效率要低，但是OPA可靠性更高、穩(wěn)定性更好、簡單易控制等特點(diǎn)更適合于發(fā)動機(jī)燃燒診斷等高?，F(xiàn)場測試。
[0004]通過以上分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有中紅外激光源都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但在功率水平、調(diào)諧速度、調(diào)諧范圍、穩(wěn)定性、可靠性等方面還有待完善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種寬帶可調(diào)諧窄線寬中紅外激光源。
[0006]本發(fā)明設(shè)有第I外腔半導(dǎo)體激光器、第2外腔半導(dǎo)體激光器、第I前保偏隔離器、第I后保偏隔離器、第2前保偏隔離器、第2后保偏隔離器、第I相位調(diào)制器、第2相位調(diào)制器、摻鐿光纖放大器、鉺鐿共摻光纖放大器、準(zhǔn)直聚焦透鏡、光參量放大器；
[0007]所述第I外腔半導(dǎo)體激光器、第I相位調(diào)制器、摻鐿光纖放大器依次擺放；所述第2外腔半導(dǎo)體激光器、第2相位調(diào)制器、鉺鐿共摻光纖放大器依次擺放；所述摻鐿光纖放大器和鉺鐿共摻光纖放大器均采用975nm激光源LD經(jīng)第I保偏合束器或第2保偏合束器后注入作為泵浦源；所述準(zhǔn)直聚焦透鏡連接第I后保偏隔離器和第2后保偏隔離器輸出端，準(zhǔn)直聚焦透鏡的輸出端接光參量放大器輸入端，光參量放大器作為中紅外激光源，輸出中紅外激光。
[0008]所述摻鐿光纖放大器所用光纖可為雙包層保偏摻Y(jié)b3+增益光纖。所述鉺鐿共摻光纖放大器所用光纖可為雙包層保偏Er3+，Yb3+共摻增益光纖；所述摻鐿光纖放大器可采用多級，所述鉺鐿共摻光纖放大器可采用多級。
[0009]所述光參量放大器采用周期極化晶體MgO:PPLN，晶體尺寸為2mmX 1mmX 50mmo
[0010]本發(fā)明分別利用兩個寬帶可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器作為摻鐿光纖放大器和鉺鐿共摻光纖放大器的種子光源，通過一級或多級雙包層光纖放大分別實(shí)現(xiàn)1.06 μπι和1.5 μπι附近的大功率光纖放大激光輸出，兩個光纖放大器的輸出分別作為光參量放大器的泵浦光源和信號光源，通過周期極化晶體準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)3?5 μπι波段窄線寬中紅外激光輸出，通過泵浦光用光纖放大器種子光源和信號光用光纖放大器種子光源波長的改變，實(shí)現(xiàn)大功率寬帶可調(diào)諧窄線寬中紅外激光源輸出。
[0011]本發(fā)明中，兩個光纖放大器的輸出分別作為泵浦光和信號光經(jīng)過準(zhǔn)直、合束和聚焦系統(tǒng)注入光參量放大器中。所述準(zhǔn)直、合束和聚焦系統(tǒng)通過自由空間耦合的方式將光纖放大器輸出的線偏振單頻泵浦光和信號光進(jìn)行高質(zhì)量的準(zhǔn)直，在準(zhǔn)直過程中對信號光和泵浦光的偏振態(tài)進(jìn)行有效控制，使其具有相近的空間特性，保證良好的偏振匹配。通過簡單的偏振不敏感合光元件，將兩束激光變成空間上重疊，光束傳播特性相近的同一束光，通過同一個消色差聚焦透鏡，注入光參量放大器中。所述準(zhǔn)直聚焦透鏡可直接采用紅外透過率高的YAG或者氟化物玻璃消色差透鏡，透鏡鍍制寬帶減反射膜。
[0012]本發(fā)明分別利用兩個寬帶可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器作為摻鐿光纖放大器和鉺鐿共摻光纖放大器的種子光源，通過一級或多級雙包層光纖放大分別實(shí)現(xiàn)1.06 μπι和1.5 μπι附近的大功率光纖放大激光輸出，放大以后的種子光在偏振方向、光束質(zhì)量上基本沒變，但是能量得到逐級放大，可以獲得高能量、單頻、線偏振光，分別作為光參量放大器的泵浦光源和信號光源。本發(fā)明中光參量放大器采用MgO:PPLN晶體，根據(jù)光參量產(chǎn)生原理，通過調(diào)諧泵浦光、移動非線性晶體周期、改變晶體工作溫度等都能實(shí)現(xiàn)信號光和閑頻光的調(diào)諧輸出，本發(fā)明從穩(wěn)定性和可靠性方面考慮，采用信號光和泵浦光同時(shí)調(diào)諧的方案，同時(shí)分別改變兩個外腔半導(dǎo)體放大器的工作波長控制泵浦光用摻鐿光纖放大器和信號光用鉺鐿共參光纖放大器輸出波長的改變，實(shí)現(xiàn)參量放大器的調(diào)諧，在調(diào)諧過程中，根據(jù)周期極化晶體最佳準(zhǔn)相位匹配決定兩個外腔半導(dǎo)體激光器的工作波長組合，保證光參量放大器始終工作在增益峰附近，實(shí)現(xiàn)3-5 μπι波段大功率寬帶可調(diào)諧窄線寬中紅外激光源輸出，且在功率水平、調(diào)諧速度、調(diào)諧范圍、穩(wěn)定性、可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊等方面均達(dá)到較好水平，該激光源可以廣泛應(yīng)用于恒量氣體探測、污染物排放在線快速診斷與監(jiān)測，吸氣式發(fā)動機(jī)燃燒室和燃燒殘留物檢測。
[0013]本發(fā)明提出搭建基于兩個窄線寬ECDL半導(dǎo)體激光器為種子的大功率光纖放大器，利用兩個光纖放大器的輸出分別作為OPA的信號光源和泵浦光源，通過周期極化晶體MgO: PPLN準(zhǔn)相位匹配實(shí)現(xiàn)大功率可調(diào)諧窄線寬中紅外激光輸出。本發(fā)明中，在MgO: PPLN晶體的周期和工作溫度不改變的情況下，光參量放大器的波長由兩個外腔半導(dǎo)體激光器的工作波長組合決定，該組合由MgO:PPLN晶體最佳相位匹配條件決定，調(diào)諧過程中，同時(shí)分別改變兩個外腔半導(dǎo)體激光器的波長，保證工作波長變化時(shí)，光參量放大器始終工作在增益峰附近，非線性轉(zhuǎn)換效率始終為最優(yōu)。該激光源在功率水平、調(diào)諧速度、調(diào)諧范圍、穩(wěn)定性、可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊等方面均可達(dá)到較好水平，可以廣泛應(yīng)用于恒量氣體探測、污染物排放在線快速診斷與監(jiān)測，吸氣式發(fā)動機(jī)燃燒室和燃燒殘留物檢測。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。