技术领域
[0001] 本
发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种中红外光纤激光器。
背景技术
[0002] 近年来，中红外光纤激光器得到了大家的普遍关注。其中，3微米的中红外激光在非金属材料打标、环境监测和
生物探测等领域有极大应用前景，且该波段的高功率激光还可以作为更长
波长的激光器的
泵浦源，通过拉曼光纤激光器、光参量放大(Optical Preamplifier Amplifier，OPA)或者超连续
光谱生产等方式产生更长波长的激光。
[0003] 相比于连续激光，短脉冲激光因为具有更高的
峰值功率和较低的热负载，在精细加工、激光打标等领域有更广泛的用途，目前实现光纤激光器脉冲激光输出的方式主要有三种：(1)增益调制；(2)调Q(包含主动调Q与被动调Q)；(3)
锁模(包含主动锁模与被动锁模)。在脉冲光纤激光器的研发生产中，利用可饱和吸收体被动调Q或者锁模，是产生脉冲激光输出的主流方式。目前，调Q脉冲光纤激光器中所使用的可饱和吸收体已经有很多的备选材料，其中包括传统的固体可饱和
吸收材料，也包括目前被广泛研究的二维材料，如
石墨烯、拓扑绝缘体(TI)以及黑磷(BP)等。另外还有一种较为常用的锁模二维材料是过渡金属硫化物，二硫化钼是其中的代表材料。但是，
单层二硫化钼的直接带隙都在可见光范围内，以此作为可饱和吸收体的
脉冲激光器，无法用于产生中红外波段的脉冲激光。
发明内容
[0004] 本发明的主要目的在于提供一种中红外光纤激光器，用于解决
现有技术中，3微米光纤激光器制作困难的技术问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供一种中红外光纤激光器，所述中红外光纤激光器包括：泵浦源、透镜组合和
谐振腔；
[0006] 所述透镜组合放置于所述泵浦源和所述谐振腔之间；
[0007] 所述泵浦源用于产生泵浦光，所述泵浦光经过所述透镜组合
准直和聚焦后传输到所述谐振腔；
[0008] 所述谐振腔用于将所述泵浦光转换成脉冲激光并输出所述脉冲激光；
[0009] 所述谐振腔包括光纤、反射镜组、输出耦合透镜和采用多层二硫化钼作为可饱和吸收体的可饱和吸收镜，所述光纤连接所述输出耦合透镜和所述反射镜组。
[0010] 从上述本发明提供的中红外光纤激光器可知，一方面，该中红外光纤激光器的谐振腔由光纤、输出耦合透镜、反射镜组和采用多层二硫化钼作为可饱和吸收体的可饱和吸收镜组成，使得该中红外激光器结构简单，从而整体上降低了该中红外激光器的制作难度；另一方面，多层二硫化钼的可饱和吸收谱较宽，可延伸至中红外波段，从而使得该中红外光纤激光器能够实现3微米波段的中红外脉冲激光的输出。
附图说明
[0011] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012] 图1为本发明实施例提供的一种中红外光纤激光器的结构示意图；
[0013] 图2为本发明实施例提供的一种中红外光纤激光器不同泵浦功率下的调Q输出脉冲激光；
[0014] 图3为本发明实施例提供的中红外光纤激光器中输入泵浦功率与其他特征值的关系图；
[0015] 图4为本发明实施例提供的一种中红外光纤激光器的输出光谱。
具体实施方式
[0016] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0017] 现有技术中存在3微米光纤激光器制作困难的技术问题。为了解决上述技术问题，本发明提出一种中红外光纤激光器，该中红外光纤激光器可产生3微米波段的脉冲激光。
[0018] 请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种中红外光纤激光器的结构示意图。
[0019] 该中红外光纤激光器包括：泵浦源1、透镜组合2和谐振腔，透镜组合2放置在泵浦源1和谐振腔之间，泵浦源1用于产生泵浦光，该泵浦光经过透镜组合2准直和聚焦后传输到谐振腔中，谐振腔用于将该泵浦光转换成脉冲激光并输出该脉冲激光，其中，该谐振腔包括：光纤3、反射镜组4、输出耦合透镜5和采用多层二硫化钼作为可饱和吸收体的可饱和吸收镜6，光纤3连接输出耦合镜5和反射镜组4。
[0020] 具体地，在该中红外光纤激光器中，透镜组合2放置在泵浦源1和谐振腔之间，泵浦源1产生泵浦光，该泵浦光传输到透镜组合2中，透镜组合2将该泵浦光进行准直和聚焦，经过准直和聚焦后的泵浦光传输到谐振腔中，泵浦光在谐振腔中振荡产生脉冲激光，该中红外光纤激光器产生脉冲激光的波长在3微米波段，其中，该中红外光纤激光器包括光纤3、输出耦合透镜5、反射镜组4和采用多层二硫化钼作为可饱和吸收体的可饱和吸收镜6，光纤3的一端连接输出耦合透镜5，另一端连接反射镜组4，泵浦光经过输出耦合透镜5后耦合到光纤3中，泵浦光在光纤3中传输并产生脉冲激光，光纤3输出泵浦光及产生的脉冲激光到反射镜组4中，泵浦光及产生的脉冲激光经过反射镜组4和可饱和吸收镜6反射后再次进入光纤3，产生的脉冲激光从输出耦合透镜5中输出。
[0021] 其中，输出耦合透镜5倾斜放置，输出耦合透镜5对泵浦光具有高透射性，对脉冲激光具有高反射性。
[0022] 具体地，输出耦合透镜5倾斜的
角度与
水平方向呈45度，泵浦光经过输出耦合透镜时具有高透射性，透过率大于95％，准直和聚焦后的泵浦光穿过输出耦合透镜5依次进入到光纤3及反射镜组4中，经过反射镜组4和可饱和吸收镜6反射后再次进入光纤3，在此过程中，产生脉冲激光，产生的脉冲激光经过输出耦合透镜5时具有高反射性，输出耦合透镜5对产生的脉冲激光的反射率大于99％，该脉冲激光经过输出耦合透镜5时被反射输出，因此输出耦合透镜可用于输出该脉冲激光。
[0023] 进一步地，光纤3为双包层Er掺杂氟化物光纤，该氟化物光纤的数值孔径为0.5，氟化物光纤的尾端呈小角度倾角。
[0024] 在本发明实施例中，该氟化物光纤长度为4米，该氟化物光纤的掺杂率为6mol％，纤心直径为30微米，纤心数值孔径为0.5。采用该芯径与数值孔径，有效保证了泵浦光到氟化物光纤的耦合效率，此外，氟化物光纤的端面经过精细处理，保证端面与氟化物光纤的光纤轴相互垂直，有96％的激光能够耦合进氟化物光纤中，且氟化物光纤的尾端被切成8度的倾斜角，氟化物光纤的尾端呈小角度倾角，提高了系统产生激光自激振荡的
阈值，从而降低自发
辐射对输出脉冲激光的影响。
[0025] 需要说明的是，该氟化物光纤长度在具体的实施方案中不作限定，光纤中较大的芯径与数值孔径值会有效地保证泵浦光到光纤的耦合效率。
[0026] 进一步地，反射镜组4包括一对平凹反射镜，该对平凹反射镜的
曲率分别为100毫米和50毫米。如图1所示，反射镜组4包括反射镜7和反射镜8，反射镜7和反射镜8的
曲率半径分别为100毫米和50毫米，光纤3连接输出耦合透镜5和反射镜7，光纤3的尾端输出的泵浦光及产生的脉冲激光进入到反射镜7，反射镜7反射该泵浦光及产生的脉冲激光到反射镜8中，反射镜8反射该泵浦光及产生的脉冲激光再次进入到可饱和吸收镜6中。
[0027] 进一步地，可饱和吸收镜6包括金镜和多层二硫化钼，该多层二硫化钼附于金镜上。该多层二硫化钼滴涂在干净的金镜上即可制备可饱和吸收镜6。其中，该多层二硫化钼由溶液法制备。
[0028] 该溶液法具体步骤如下：首先将二硫化钼粉末溶解在酒精溶液中一个小时，形成二硫化钼纳米片溶液，然后将该二硫化钼纳米片溶液放置5个小时，没有溶解的二硫化钼
块会沉淀下来，取上边2/3的溶液，得到溶有多层二硫化钼纳米片的溶液，将该溶液滴在干净的金镜上，放置在洁净的空气中挥发5个小时，就可得到实验用的附有二维二硫化钼材料的可饱和吸收镜。
[0029] 其中，得到的二硫化钼的层数为3～4层，且二硫化钼本身没有标准形状，二硫化钼的边界有各种不同的
缺陷。经测量，可饱和吸收镜6的调制深度为5％，非饱和损耗吸收是29％，饱和强度为76.9nJ/cm2。5％的调制深度使得该层状二硫化钼材料适用于光纤激光器的调Q以及锁膜，而且其光调制特性还能够适用于中红外波段实现新型的集成化光
电子器件。
[0030] 需要说明的是，经过溶液法制备的二硫化钼即为二硫化钼可饱和吸收体。可饱和吸收镜6的测量是在3微米附近的中红外波段中进行测量，即该可饱和吸收镜的调制深度和非饱和损耗吸收等的测量值适用于该中红外光纤激光器产生3微米脉冲激光。
[0031] 进一步地，该多层二硫化钼的层数由二硫化钼在溶液的
溶解度决定。
[0032] 其中，该多层二硫化钼由溶液法制备，在其制备过程中需对该多层二硫化钼引入适量的量子缺陷。其中，二硫化钼是层状的物质，在制作的时候，根据二硫化钼在溶液的不同的溶解程度，可以制作出单层或者多层的二硫化钼。二硫化钼层数不同，产生激光的波长会不同，引入量子缺陷即是根据需要制作出相应层数的二硫化钼。多层二硫化钼中的硫
原子和钼原子的比例会有变化，部分
位置原子缺失，导致带隙变化范围变大，可饱和吸收谱变宽，直至延伸至中红外波段。该中红外光纤激光器采用多层二硫化钼作为可饱和吸收体，从而使得该中红外光纤激光器能够实现3微米波段的中红外脉冲激光的输出。
[0033] 进一步地，如图1所示，该透镜组合2包括
准直透镜9和输入耦合透镜10，输入耦合透镜10放置在准直透镜9和输出耦合透镜5之间，准直透镜9用于将泵浦源输出的泵浦光进行准直，输入耦合透镜10用于将准直后的泵浦光进行聚焦后输入到输出耦合透镜5中。
[0034] 其中，准直透镜9和输入耦合透镜10均为双凸透镜，准直透镜9的焦距小于输入耦合透镜10的焦距，以使泵浦光经过准直透镜9后再经输入耦合透镜10聚焦。
[0035] 在本发明实施例中，准直透镜9的焦距为50毫米，输入耦合透镜10的焦距为100毫米。泵浦光经焦距为50毫米的双凸透镜准直后，又经焦距为100毫米的双凸透镜聚焦，聚焦后的泵浦光输出到谐振腔中，产生脉冲激光。
[0036] 进一步地，泵浦源1为976纳米连续激光
二极管，该976纳米连续
激光二极管产生976纳米的连续激光。
[0037] 其中，当泵浦光功率增加到1.4W，该中红外光纤激光器开始输出脉冲激光，当泵浦光功率增大到2W，开始出现调Q现象。使用一个中红外的锑镉汞
探头来探测中红外光纤激光器产生的脉冲激光，利用500MHz的示波器显示脉冲激光的
波形，得到如图2所示的结果。图2为本发明实施例提供的一种中红外光纤激光器在不同泵浦功率下的调Q输出脉冲激光，在调Q的阈值泵浦功率处，输出2.8微米中红外脉冲激光的功率为37mW，脉冲宽度为1.84微秒，脉冲重复
频率为36kHz，且随着泵浦功率的增加，该中红外光纤激光器调Q输出趋于稳定。当泵浦功率达到4.1W，激光器有最大的稳定调Q输出，泵浦功率再增加，调Q现象消失(不稳定)，此时，输出的脉冲激光的
平均功率为140mW,脉冲宽度为806纳秒，脉冲重复频率为70kHz。
[0038] 如图3所示，图3为本发明实施例提供的中红外光纤激光器中输入泵浦功率与其他特征值的关系图，图3中的上半部分即左上角标(1)的图为本实施例提供的中红外光纤激光器中平均输出功率、脉冲
能量和输入泵浦功率的关系。图3中的下半部分即中间部分标(2)的图为本实施例提供的中红外光纤激光器中重复率、脉冲宽度和输入泵浦率的关系。从图3中上半部分显示，随着激光器中泵浦平均功率从2W上升到4.1W，激光器的输出功率也从37mW增加到140mW，激光器的斜效率约为5％，激光器输出功率为140mW时，得到的能量为2μJ的脉冲序列，其中，140mW的输出功率为激光器能输出的最大输出功率。从图3下半部分显示，脉冲激光的重复率与脉冲宽度成反比，随着泵浦功率的增加，单脉冲宽度在不断减小。
从图3下半部分的数据显示，在泵浦功率从2W到4.1W的变化过程中，输出脉冲重复率从
36kHz增加到70kHz，而脉冲宽度则从1.84微秒减小到806纳秒。
[0039] 如图4所示，图4为本发明实施例中提供的中红外光纤激光器输出的脉冲激光的光谱图，从图4知，光谱的中心波长为2745纳米，光谱宽度为3.4纳米，光谱的
信噪比约为25dB。
[0040] 在本发明实施例中，连续激光二极管产生976纳米连续激光，976纳米连续激光经过准直透镜准直，输入耦合透镜聚焦后穿过输出耦合透镜到双包层Er掺杂氟化物光纤中，976纳米连续激光在双包层Er掺杂氟化物光纤中传输，并产生脉冲激光，双包层Er掺杂氟化物光纤输出976纳米连续激光及产生的脉冲激光到反射镜组和可饱和吸收镜中，976纳米连续激光及产生的脉冲激光经过反射镜组和可饱和吸收镜反射再次进入双包层Er掺杂氟化物光纤中，经由输出耦合透镜输出脉冲激光。由连续激光借助可饱和吸收镜得到脉冲激光的过程是一个调Q过程，制作相应层数的二硫化钼，产生2.8微米脉冲激光，脉冲激光的最大输出功率为140mW、脉冲能量为2μJ、脉冲宽度为806纳秒、重复率为70kHz。
[0041] 从图1中提供的中红外光纤激光器可知，一方面，该中红外光纤激光器的谐振腔由光纤、输出耦合透镜、反射镜组和采用多层二硫化钼作为可饱和吸收体的可饱和吸收镜组成，使得该中红外激光器结构简单，从而整体上降低了该中红外激光器的制作难度；另一方面，多层二硫化钼的可饱和吸收谱较宽，可延伸至中红外波段，从而使得该中红外光纤激光器能够实现3微米波段的中红外脉冲激光的输出。
[0042] 以上为对本发明所提供的一种中红外光纤激光器的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本
说明书内容不应理解为对本发明的限制。
