CN1528035A - 具有更宽波长覆盖范围的窄带高功率光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

一种光纤激光器，包括：具有激活介质的光纤光导(3)，作为泵浦源(1)的激光器和构成第一谐振器(4)的第一对布拉格光栅(6，8)。第一对布拉格光栅(6，8)使泵浦激光(1)谐振，并提供了第二对布拉格光栅(7，9)，其在光纤激光器的输出波长处谐振。

Description

具有更宽波长覆盖范围的窄带高功率光纤激光器
技术领域
本发明涉及利用短光纤并抑制受激布里渊散射(StimulatedBrilouin Scattering)而获得用于高功率窄带光纤激光器的光纤谐振腔的方法。
此外，本发明涉及将上述的谐振器方案应用于载氢拉曼光纤激光器(hydrogen-loaded Raman fibre laser)，从而增大在更宽的波长范围上产生激光的可能性。用氢作为光纤拉曼介质使给定的激光泵浦(laserpump)具有最宽的波长覆盖范围。
本发明还涉及用一个或多个泵浦产生多波长光纤激光。
背景技术
目前，对于感兴趣的功率范围，窄带固体激光器只能用于非常稀疏的离散波长。由于量子特性，二极管激光器只能在很窄的频谱窗中产生发射谱线。
通常获得二极管激光器无法直接得到的激光波长的方法是利用二极管激光器作为泵浦来照射激光介质。激光介质的吸收和荧光光谱发生波长偏移，从而泵浦能量被吸收，并受激发出不同的波长，这由谐振腔或光纤激光放大器中的种子激光器(seed laser)确定。如果激光介质处于谐振腔中，则这个过程的效率可以大大提高，达到30％-40％的水平。
激光放大器晶体材料(块状或作为光纤芯线中的掺杂物)能扩大功率激光器的波长覆盖范围，但还是和激光元素的原子跃迁相关的稀疏离散的波长，这些激光元素通常是主介质中的稀土离子。
近几年，已经使用波导(单模)光纤芯线作为激光材料的基质材料。使用光纤波导有很多优点，包括泵浦功率的高度集中。例如，在5微米光纤芯线中，1W的泵浦功率连续波(CW)相当于5MW/cm的密度。
如此的高度集中使得能够非常有效地利用光纤中的非线性效应，例如受激拉曼效应，据报告转换效率的范围在40％-80％之间。在拉曼效应中，泵浦激光光子的功率转移到了激光材料的原子或分子的振动带上。相比于普通的激光介质(在nm的范围内)，振动带的吸收光谱非常宽。从泵浦光子上减去激发振动带而损失的能量，使得波长发生红移。如果拉曼激光介质是插入在自由空间谐振腔中的拉曼晶体，则发射的激光线的带宽由谐振腔的性质决定，并且在原理上线宽没有限制。然而，由于拉曼晶体中的热效应，以及其它原因，限制了实现高激光功率，但这并不是光纤中的限制。近几年，硅化锗(纯的或者掺杂的芯线)拉曼光纤已经得到发展，宽线光纤拉曼放大器也已经在市场上出现了，其功率在近红外区中能达到几十瓦CW。已经在自由空间高压(100巴)精密谐振腔中利用氢作为拉曼介质。
拉曼光纤激光器的根本问题在于到目前为止他们无法产生高功率的窄线宽激光。这对于功率激光器的商业应用是一个主要限制。宽带泵浦二极管激光器不成问题，但到本发明为止这对于窄线宽谐振器是一个问题。
伴随光纤波导中的窄激光线宽，一种相对的非线性效应，受激布里渊散射(SBS)，从激光光子中吸取能量，在玻璃中产生光子或者驻声波。这种驻波产生了密度光栅，它能在光纤中非常有效地反射回多达80％的激光能量。调节波导中的受激拉曼散射和受激布里渊散射的非线性过程的参数是相似的：有效模场直径光纤长度和线宽。光纤谐振器来回地传送激光辐射，与谐振腔的精密程度成正比地提高功率密度。能量密度的提高增加了拉曼和布里渊过程的效率。激光线宽变窄后，受激布里渊散射过程就会变得非常有效，通常比拉曼过程有效100倍，从而高功率窄线宽的常规光纤激光器变得不实际。这是一些设计失败的主要原因。
另一方面，如果能基于宽波长覆盖范围的拉曼介质制造窄线宽固态光纤拉曼激光器的话，即使利用现有的二极管激光泵浦也能覆盖几乎全带宽范围。
注意，拉曼和布里渊非线性效应的不同之处还在于它们对激光光子产生的波长偏移。在本发明的光纤谐振激光器中利用了这点，以实现高转换效率的窄线宽高功率激光。
可以通过写入(例如)布拉格光栅(Bragg grating)而制造光纤激光腔。它们写在光纤芯线玻璃上，并且可以制造极高精密的谐振腔，线宽减小至10KHz。可以通过机械或热的方式，在谐振器的末端拉伸布拉格光栅的周期，从而实现精确的调节。可以把伺服控制锁定至波长基准，以稳定输出频率。
为了改善光纤布拉格光栅的生产，通过扩散工艺向光纤里面加载氢。为了使所附的权利要求更加清楚，我们注意到玻璃中的氢分子的行为好像处于高压之下，这大大扩大了拉曼型面(Raman profile)。
根据欧洲专利申请EP0784217A1，公布了一种发射1.24μm和1.48μm波长的拉曼光纤激光器，以及提高拉曼散射中辐射转换效率的装置。发射1.24μm波长的激光器包括：泵浦源，光纤光导，其含有1％-30％摩尔百分比的P2O5，光纤光导的一些部分含有11％-39％摩尔百分比的GeO2；以及布拉格光栅。泵浦侧的光栅构成了用于第一斯托克斯(Stokes)分量的光学谐振器的一个空白分布反射器。第二个光栅形成了同一谐振器的输出分布反射器。第一斯托克斯分量来源于输出。在发射波长为1.48μm拉曼光纤激光器中得到了第二斯托克斯分量。把通过了光纤光导的保护聚合覆层的波长为270至390nm的激光辐射引导到一部分光纤光导上，可以实现其折射率的改变。
EP0784217A1里描述的拉曼光纤激光器的主要缺点是过宽的线宽，有限的波长覆盖范围，它被限制为两个不连续的波长。此外，第二和第六斯托克斯分量的增益相对比较低，因为高阶拉曼散射的低效率导致从激光中提取的能量低。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种相对高功率和窄线宽的光纤激光器，扩大可见和近红外光谱区域中的波长覆盖范围。
本发明的进一步目的是增大拉曼光纤激光器可得到的激光光谱区域的宽度，并实现多线激光输出。
另外，本发明还有一个目的是提高受激拉曼散射的增益，以得到掺杂光纤的更高激光功率。
通过权利要求1和权利要求8所述的光纤激光器，实现了这些目的。在从属权利要求中限定了本发明的光纤激光器的其它进步。
本发明的光纤激光器包括：掺有分子氢的光纤光导，以及至少两个用于实现激光泵浦和预期激光波长的振谐器，振谐器各包含两个可独立调节的布拉格光栅。通过增强受激拉曼散射(SRS)并抑制受激布里渊散射(SBS)，可以实现具有在光谱的可见和近红外区域中具有几乎完整的波长覆盖范围的高能窄带拉曼功率激光器。
本发明的单波长光纤激光部分可应用于，例如，光谱学、精密选择性外科手术、用于自适应光学系统的激光引导星(Laser Guide Star)和激光雷达系统。
附图说明
通过以下的附图，可以更容易地理解本发明。
图1显示了本发明的一阶斯托克斯拉曼光纤激光器覆盖的可能波长区域；
图2显示了根据本发明的拉曼光纤激光器的第一实施例；
图3显示了根据本发明的拉曼光纤激光器的第二实施例；
图4显示了根据本发明的拉曼光纤激光器的第三实施例。
具体实施方式
图1显示了可视光和近红外区的光谱以及根据本发明的氢拉曼光纤激光器的波长覆盖范围。波长的单位为nm。
该图的上半部分显示了适于泵浦本发明的拉曼光纤激光器的最普通的二极管泵浦激光的谱线。每一条谱线都属于不同的泵浦源。包括倍频，泵浦的波长覆盖范围在400nm到1700nm之间。
该图的下半部分显示了本发明的掺有高压分子氢的载氢一阶斯托克斯拉曼激光器的相应红移和加宽的谱线。每一个输出波长段对应于一个上述的泵浦源。泵浦源的设置并不局限于上面所给的例子，通过适当的泵浦，可以覆盖整个的波长范围。
输出的谱线的加宽和红移是在与光纤光导中掺杂的分子氢相互作用时由拉曼效应而产生的。例如，可以通过在100巴以上的压力下，在H2气氛中通过扩散工艺把氢加入到光纤中。通过金属或碳层形成的光纤外覆层，氢分子可以永久地保持在光纤中。另一方面，光纤可以保持在适当小的氢气室中，光纤的端部密封在该室里。
图2显示了一个本发明的掺有H2的拉曼光纤激光器的第一实施例。这个拉曼光纤激光器包含倍频泵浦激光器1，其以947.2nm的波长发射。泵浦源是基于二极管激光泵浦的钕晶体。隔离器2把一个波长473.6nm的光馈入到光纤波导3中。光纤波导3是单模光纤。该光纤的长度为10至100m的数量级，明显短于传统的拉曼光纤激光器的光纤，其通常为1000m或更长。
该拉曼光纤激光器进一步包含两个谐振器4和5，各由第一布拉格光栅6和8和第二布拉格光栅7和9构成，其中布拉格光栅6、7、8形成了光学谐振器4和5的高反射器(high reflector)，而布拉格光栅9则构成了输出耦合器。
在图2所示的本发明的拉曼光纤激光器的第一实施例中，从输出耦合器9中耦合出的预期波长是589.0nm的钠D2线。
下面的表中示出了拉曼光纤激光器第一实施例的部分特征。
  泵浦     波长(空气中)     473.6nm
    功率     15W
    线宽     1nm
  载氢光纤     芯线材料     熔融石英
    模场直径     3.5μm
    长度     12m
    偏振保留     是
  布拉格光栅6和8     中心波长     473.6nm
    带宽     1.0nm
    反射率     99％
  布拉格光栅7和9     中心波长     589.0nm
    带宽     0.6pm
反射率     99％(高反射器)90％(输出耦合器)
第二谐振器5具有输出耦合器9和高反射器7，其与拉曼散射泵浦波长的第一斯托克斯分量的红移增益产生谐振。根据本发明，布拉格光栅7和9对于拉曼散射光的第一斯托克斯分量是反射性的，对于布里渊散射分量是透射性的。这样拉曼散射斯托克斯分量的波长被谐振并开始发射激光，而布里渊线则不发生谐振或者发射激光而离开谐振器。
这是本发明的窄带高功率光纤谐振器的关键要素。没有这个关键要素，受激布里渊散射增益将超过拉曼增益，例如，在熔融石英中将超过大约20％。利用根据本发明设计的布拉格光栅，可以使受激拉曼散射增益超过受激布里渊散射增益，精度可达104。
在这个实施例中，载氢熔融石英在473.6nm处的拉曼增益常数为gR，0＝9.3×10-14m/w。对于偏振保留熔融石英光纤和窄带泵浦光，589nm处的受激布里渊散射增益常数是gB，0＝5×10-11m/w。对于589nm处0.5GHz的线宽，受激布里渊散射增益常数减小了大约5％。这样，gB，0/gR，0的比值约为100，受激布里渊散射占优势。拉曼斯托克斯1光子在光纤中的有效长度比布里渊光子要长，长的程度与精度成比例。这是因为布里渊光子不被布拉格光栅反射，这样就不谐振。这使得可以回复到自然状态，使得有效的拉曼增益比布里渊增益要大。这实现了光纤激光器的高功率窄带操作。
可以使用波长计或者其它频率检测器来驱动伺服控制器以锁定激光频率，从而实现激光器的调谐和锁定。这个伺服控制可以通过热或机械的方式延长布拉格光栅的周期而起作用。注意这个方案是模块化的，并且可以扩展到多波长激光器。
图3显示了本发明的拉曼光纤激光器的第二实施例。
第二实施例的目的是显示对于预期的输出功率水平，对于同一输出频率可以选择不同的泵浦方案。
使用波长为792.0nm的红外二极管激光泵浦源1作为泵浦。泵浦源的光通过隔离器2进入到单模光纤光导3。光纤可以设计为与第一实施例中所述的相同。
这个实施例包括2个交错的谐振器4和5，各具有2个布拉格光栅6，8和7，9，其中与斯托克斯分量谐振的第二谐振器5的第一布拉格光栅7布置在泵浦谐振器4的第一布拉格光栅6和第二布拉格光栅8之间。
第二谐波振荡器10由一阶斯托克斯拉曼产生期望的589.0nm波长，利用一个二色分光镜11使其在波长1178.0nm处谐振。为了处理激光束，在布拉格光栅8和第二谐波振荡器10之间必须有模式匹配透镜12。
图4显示了本发明的拉曼光纤激光器的第三个实施例。没有使用掺氢单模光纤，而是使用了利用泵浦和一阶斯托克斯波专用的布拉格光栅的红外泵浦腔内倍频硅化锗拉曼激光器。特别是，泵浦源1可以是一个掺镱的发射波长为1113.7nm的光纤激光器。
该拉曼激光器的基本结构和图3中第二实施例中所描述的结构类似。第三实施例的目的是为了显示对于不同的泵浦波长范围，本发明的和多种光纤掺杂物一起使用的布拉格光栅方案的通用性。
本发明不限于上面所述的实施例，而是，例如，可以应用于构成其它谐振器的更多的布拉格光栅组，以实现一个光纤输出多线激光。
事实上只谐振一个波长的特征可以进一步扩展到在同一光纤中制成多波长激光谐振器。这是可行的，因为单模光纤谐振器实际上是无需对准的。用于不同波长的布拉格反射器可以写在同一光纤的不同部分，未被反射的谐振波长在各个布拉格光栅处传输。谐振腔有一个外壳尺寸，并且可以通过热或机械的方式拉伸布拉格光栅的周期，从而级联地调节。必须采用在伺服控制理论中常用的模块化全局控制算法。波长计或者频率检测器驱动伺服控制以锁定激光频率。
因为利用玻璃中的氢的拉曼增益非常广，一个泵浦可以在拉曼增益型面中服务于几个激光波长。也可以利用多泵浦方案来扩大发射谱线的范围。
本发明的多线窄带高功率光纤激光器一个很重要的应用是在多线波谱学中，例如在DNA甄别中，同时需要有4个可视波长激光；或者在远程通信中，高功率多重传输信道减小了发射机的复杂性；或者在大型显示器产业中，需要RGB或等同的颜色。

Claims (16)

1.一种光纤激光器，包括：具有激活介质的光纤光导(3)，作为泵浦源(1)的激光器和构成第一谐振器(4)的第一对布拉格光栅(6，8)，其特征在于：
所述的第一对布拉格光栅(6，8)使泵浦激光(1)谐振，并提供了第二对布拉格光栅(7，9)，其在光纤激光器的输出波长处谐振。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于：
还提供了一对布拉格光栅，其在该光纤激光器的另一个输出波长处谐振。
3.根据权利要求1或2所述的光纤激光器，其特征在于：
该光纤激光器利用拉曼效应，所述的第二对和另一对布拉格光栅(7，9)构成了选择性谐振器(5)，其提取在光纤光导(3)的填充材料处散射的布里渊散射光子。
4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于：
所述的激活介质是包含分子氢的杂质掺杂物。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的光纤激光器，其特征在于：
由布拉格光栅对(6，8；7，9)构成的各个谐振器(4，5)布置为，属于各个谐振器(4，5)的光纤光导(3)的谐振腔可以相互独立地调谐。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的光纤激光器，其特征在于：
光纤光导(3)的长度在10到100米之间。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的光纤激光器，其特征在于：
所述的光纤基于熔融石英。
8.一种拉曼光纤激光器，包括具有至少有一种杂质掺杂物作为激活介质的光纤光导(3)，作为泵浦源(1)的激光器，和构成第一谐振器(4)的第一对布拉格光栅(6，8)，其特征在于：
光纤光导(3)含有分子氢作为杂质掺杂物。
9.根据权利要求8所述的拉曼光纤激光器，其特征在于：
分子氢通过扩散从分子氢气氛中加入到光纤光导(3)中。
10.根据权利要求9所述的拉曼光纤激光器，其特征在于：
用于加载光纤光导的分子氢气氛保持为≥100巴的压强。
11.根据权利要求8至10中任何一项所述的拉曼光纤激光器，其特征在于：
光纤光导(3)被一层金属或碳的外覆层密封。
12.根据权利要求11所述的拉曼光纤激光器，其特征在于：
金属覆层由铝(AL)或者铜(Cu)或者金(Au)构成。
13.根据权利要求8至12中任何一项所述的拉曼光纤激光器，其特征在于：
由第一对布拉格光栅(6，8)构成的第一谐振器(4)使泵浦激光(1)谐振。
14.根据权利要求13所述的拉曼光纤激光器，其特征在于：
该拉曼光纤激光器包含第二对布拉格光栅(7，9)，其设计为选择性反射的布拉格光栅，构成了第二谐振器(5)。
15.根据权利要求14所述的拉曼光纤激光器，其特征在于：
选择性谐振器(5)使在光纤光导中的氢分子处散射的拉曼散射光子谐振。
16.根据权利要求15所述的拉曼光纤激光器，其特征在于：
构成第二谐振器(5)的布拉格光栅(7，9)中的一个被设计成输出耦合器(9)。
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