升频转换光纤激光器产生可见光输出,有源光纤

来源:http://www.roro2.com 作者:必威betway 人气:189 发布时间:2019-11-16
摘要:最近,丹麦科技大学科学家们研制成功被认为是第1个基于铥离子的1.7μm波长、单频、分布反馈的光纤激光器,他们期望该激光激射波长在1.7~2.1μm,将用于高分辨率光谱仪、相干光雷达

最近,丹麦科技大学科学家们研制成功被认为是第1个基于铥离子的1.7μm波长、单频、分布反馈的光纤激光器,他们期望该激光激射波长在1.7~2.1μm,将用于高分辨率光谱仪、相干光雷达和光频率混合等领域。这种1.7μm波长、单频掺铥光纤激光器的效率增加了10倍,当泵浦功率为120mW时,可获得2.5mW的激光输出。当泵浦功为130mW时,可获得4mW的1984nm波长的激光输出。

有源光纤是在芯纤材料中掺入铒、镱等稀土离子,使光纤在泵浦光作用下传输的光信号产生直接光放大,即不再经过光-电-光的繁杂过程,这对减少维护、提高系统可靠性、延长中继距离是十分有益的,使其在长距离、大容量、高速率军用光纤通信中有着不可替代的作用。目前,比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Nd3+、Pr3+、Tm3+和Yb3+。掺铒光纤在155μm波长处具有很高的增益,正对应低损耗通信窗口,其潜在的应用价值使其发展十分迅速。掺铒光纤芯层材料包括硅玻璃、三氧化铝、三氧化二钇、铌酸锂、单晶硅、无定形硅等。掺镨光纤是利用ZrF4为基的氟化物光纤,纤芯是PbF2/InF3为基的氟化物玻璃,包层则是InF3为基的氟化物玻璃,纤芯中掺镨Pr3+的浓度为0.05%,纤芯直径1330nm,在波长1200nm的传输损耗为250dB/km。Yb3+具有相当宽的吸收带(800nm~1064nm)以及相当宽的激发带(970nm~1200nm),因此掺镱光纤可应用于激光器,成为波长1.0μm~1.2μm的通用源。掺铥光纤激光器的激射波长为1.4μm,也是重要的光纤通信光源。最近,丹麦科技大学的科学家们采用790nm波长、59mW的钛宝石激光器泵浦一段4.7cm长的掺铥SiO2光纤,并获得激光阈值,当泵浦功率增加到590mW时,获得1mW的1735nm波长的激光输出。当前,镱/铒、镱/钬共掺杂光纤是国外有源光纤的研究热点。镱铒共掺杂光纤具有小的可以忽略不计的离子团,具有可达到5dB/cm的特别高的单位长度光增益性质。这种光纤的出现使线性二极管泵浦DBR光纤激光器具有2kHz的窄线宽成为可能,因而允许分布光纤传感器测量大于50km的距离范围(使用一般的DBF光源的测量范围仅有几百米)。悉尼大学的科学家们最近演示了在掺Ho3+光纤激光器中用镱作感光剂。虽然在晶态YAG基质中已探测到Yb3+-Ho3+感光激光系统,但研究小组首次在石英基质中演示,该激光器产生的2μm功率比以往任何掺Ho3+光纤激光器的都要高。在人眼安全波长2μm区运行的激光器在许多光谱学、遥感和军事领域的应用非常重要。Ho3+能掺杂到结晶和非结晶的基质内,在2.1μm处强烈跃迁,但在一般的抽动波长处缺乏强烈吸收。因此,常用铥作敏化剂掺杂在基质内吸收抽运光能量,转移到Ho3+,产生粒子数反转。对于Yb3+-Ho3+系统使用石英作为基质有两个独特的优势。首先,非结晶基质比大多数基质能维持Yb3+较高的浓度。其次,在Ho3+中石英基质可使上激光能级的自然寿命长。研究人员在1m光纤中掺Ho3+约1%,掺镱约0.1%。在D形光纤末端上的二色性反射镜把975nm的抽运辐射耦合到腔,而反射2.1μm激光辐射。含氟聚合物的外包层提高耦合度,菲涅反射镜在光纤的远端充当输出反射镜。用于高功率激光器的双包层光纤是国外有源光纤研究的另一个热点。双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层,即由纤芯、内包层、外包层和保护层4个层次组成。纤芯的稀土离子吸收多模泵浦激光并辐射出单模激光,使高功率、低亮度激光二极管泵浦激光转换成衍射极限的强激光输出。双包层光纤与常规光纤的区别在于能提供包层波导,耦合进包层的泵浦光在其中传播,并被纤芯中的掺杂元素所吸收。最近,美国IPG公司研制出一种双包层光纤,单模纤芯由掺镱离子等元素的石英材料构成,作为激光振荡通道,内包层则由横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、折射率比纤芯小的纯石英材料构成。这是一种能接收多模LD泵浦光的多模光纤,由于掺杂的激活纤芯与接收多模泵浦光的多模内包层分开,因此使多模光泵浦的单模光输出成为可能,从而无形化解了激光功率和光束质量这对矛盾。该光纤具有以下特点:整个双包层光纤采用D型结构,旋光效应小,吸收充分,光光转换效率为80%以上;光纤两侧生出无数杈枝,每分杈可与带尾纤的LD无缝耦合形成分点泵浦,可极大地提高输出功率,同时又避免了传统端泵带来的一系列热效应问题;光纤由玻璃性能优异的石英材料制成,同时掺杂耐高辐射离子,整段光纤可承受高达10000W的激光能量而不会出现热损伤情况;Yb3+没有激发态吸收,可高浓度掺杂,同时光纤可达几百米,既可显著提高激光增益,又增大了散热面积;光纤盘在热沉上,简单风冷便可稳定工作;Yb3+的吸收谱比Nd3+宽10倍,对LD泵浦光源模式十分宽松,几乎不受波长温漂的影响,可提高转换效率;Yb3+能级为简单的二能级,亚稳态寿命是Nd3+的3倍,小功率泵源就可在激发态积累贮存大量的能量,十分适合于极窄的纤芯内形成高密度的离子数反转,从而可输出稳定的强激光。

德国Lumics GmbH公司开发出一种基于升频转换氟锆酸盐的光纤激光器的可见波长光源,这种光源利用氟化物玻璃中稀土离子的吸收,将红外光辐射转换成可见光。频率转换过程涉及稀土离子中多光子的分段吸收。一个红外泵浦光子激发离子到一个较高的能态,然后回到较低能级。如果第2个红外光子在稀土离子处于高能级期间被吸收,则这个离子会被泵浦到更高激发态,然后向另外一个低能级跃迁。因此,跃迁波长会比红外泵浦跃迁波长更短。例如,波长为970nm的泵浦激光器的输出光功率近似为200mW,在0.5m长的掺铒ZBLAN光纤中能转换输出光功率约为10mW的绿光。与氩离子激光器相比,光纤耦合激光器具有以下优点:成本低、使用保养方便、功耗少、散热快、尺寸小,光纤耦合效率较高等;与倍频激光二极管光源相比,除保养要求不同外,也具有上述相同的优点。

近期,中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心研究员冯衍领衔的课题组,在随机拉曼光纤激光器研究中取得新进展。提出了一种超宽调谐的随机拉曼激光器结构,实现了1-1.9µm的连续可调谐的随机拉曼激光输出,最大的输出功率为6.2W,输出波长为1.82µm。

2010年,Sergei K. Turitsyn等人报道了一种新型激光器(Nature Photonics必威betway , 4, 231 - 235 ,其采用标准单模光纤提供拉曼增益,通过其背向瑞利散射提供分布式反馈,产生随机激光输出,并正式提出“随机分布反馈光纤激光器”的概念。相比于传统激光器,随机激光器并没有传统意义的谐振腔,而是利用单模光纤中的瑞利散射效应提供随机分布反馈产生叠加而形成的新型无腔结构的激光器,因此基于随机分布反馈的拉曼光纤激光器具有结构简单、方向性好,输出连续稳定及波长可调谐等特性,在非线性光学、光传感与光通信、生物医学成像、遥感等领域有着广泛的潜在应用前景。

该项研究中,研究人员将随机拉曼激光器的可调谐特性同级联特性相结合,通过理论分析和实验研究,利用可调谐掺镱光纤激光器泵浦随机拉曼激光器实现~50nm可调谐的随机激光输出,同时结合级联拉曼技术获得宽波段可调谐的随机激光输出。初步的演示实验采用标准的单模光纤作为拉曼增益光纤,获得了300nm连续可调谐的随机拉曼激光输出(Opt. Lett. 41, 215 ,进一步的波长调谐受限于四波混频造成的光谱展宽效应。通过优化拉曼增益光纤的色散,非线性系数以及传输损耗等参数,同时提高可调谐泵浦激光器的输出功率,采用半开放腔的随机拉曼激光器,最终获得了1-1.9µm的连续可调谐的随机拉曼激光输出,最大的输出功率为6.2W,对应的输出波长为1.82µm,该结果发表于《科学报告》(Sci. Rep. 7, 42611 。

该项研究得到了国家自然科学基金项目的支持。

文章链接 :12

必威betway 1

图1. 超宽调谐随机拉曼激光器的结构示意图

必威betway 2

图2.1-1.9µm连续可调谐的随机拉曼激光输出光谱图

本文由必威发布于必威betway,转载请注明出处:升频转换光纤激光器产生可见光输出,有源光纤

关键词:

最火资讯