一种双向工作的2μm波段多波长脉冲光纤激光器

本发明涉及光纤激光，具体涉及一种双向工作的2μm波段多波长脉冲光纤激光器。

背景技术：

1、脉冲光纤激光器相比于传统的脉冲固体激光器而言，其具有结构紧凑、光束质量良好、稳定性高、易于维护等特点。尤其是掺tm3+或tm3+/ho3+共掺光纤激光器因其较宽的输出光谱(覆盖1.7～2.2μm)，在有机材料加工、气体探测、激光医疗、光纤通讯和军事国防等领域具有广泛的应用价值。当前单一振荡器形式的调q双(多)波长、ns量级脉冲光纤激光器一般单向与单一端口输出，由于波长间隔小致使多个波长的信号激光混合在一起，且重复频率、脉冲宽度等参数调节范围小。然而在多波长激光雷达、多参量光纤传感、高精度多参数气体检测等实际应用场合中，往往需要多台独立的单波长脉冲光纤激光器结合多波长复用的方式进行工作，这极大地增加了激光应用系统的复杂程度和使用成本，以及控制难度，进而限制了激光器的深入应用。

2、相比于主/被动调q、锁模等激光脉冲产生方式，采用增益开关技术的脉冲光纤激光器具有装置结构更简单、脉冲参数调节更灵活、易于实现全光纤化等特点。然而传统的793nm半导体脉冲激光泵浦掺tm3+或tm3+/ho3+共掺光纤的增益调制技术，由于其能级间隔较宽导致不能快速积累反转粒子数，易形成脉冲簇且输出脉冲稳定性差。此外基于1.5μm波段脉冲光纤激光泵浦的增益开关方式，其激光器输出的脉冲序列比较有规则，但泵浦源自身的功率水平和能量有限，强烈制约了光纤激光器的脉冲宽度、峰值功率、单脉冲能量等输出性能。

3、相关研究中，2022年，国防科技大学采用低反射率的光纤光栅对和掺yb3+双包层光纤构建振荡器，实现了功率为2×2kw、工作波长为1080nm的近单模激光双向输出(opticsletters,2022,47:2806)。2016年，电子科技大学公开了一种全光纤波长可选的双波长被动调q中红外光纤激光器专利(cn106299986a)，通过双光栅结构和增益光纤作为可饱和吸收体，获得波长可选的双波长脉冲激光输出，但是该专利所要求的激光器并未具有双向输出的特征。2018年，国防科技大学公开了一种双向输出的线性腔全光纤激光振荡器专利(cn108963738a)，通过工作波长和反射率相同的光纤光栅对获得激光双向工作与输出，但是该专利所要求的激光器并未具有多波长的特征。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对现有技术中存在的不足，提供一种双向输出、多波长同时工作的1.7～2.2μm波段脉冲光纤激光器。所要解决的技术问题是：克服现有脉冲光纤激光器仅单向输出、波长间隔小、波长路数少、脉冲参数调节灵活性差等缺点。

2、本发明利用光纤光栅对作为腔镜进行波长选择，n对光纤光栅和一段增益光纤构成n个激光谐振腔，在脉冲泵浦源的增益开关泵浦方式下以产生n个波长的脉冲信号激光，通过灵活地控制脉冲泵浦源的平均功率、重复频率、脉冲宽度等工作参数，结合连续泵浦源进行混合泵浦，可实现对光纤激光器输出脉冲参数的自由控制；通过改变光纤光栅对的反射率、中心波长等光学参数，可实现脉冲光纤激光的双向输出；同时利用阵列波导光栅的解复用功能，分离并同时输出n路不同工作波长的脉冲光纤激光。再者，上一级光纤光栅未能有效利用的残余泵浦光能够通过下一级光纤光栅反射回谐振腔内，以提高泵浦光的利用率；同时短波长信号激光可以对长波长信号激光进行级联(同带)泵浦，解决长波长信号激光转换效率低的难题，解决传统793nm半导体激光单一泵浦时存在的量子亏损高导致热效应累积、脉冲序列不规律、转换效率不高(约40～50％)的技术问题，可实现1.7～2.2μm波段、n个波长脉冲光纤激光的双向工作与多端口同时稳定高效输出。

3、本发明的目的至少需要通过如下技术方案之一实现。

4、一种双向工作的2μm波段多波长脉冲光纤激光器，包括：后向阵列波导光栅、第一泵浦源、波分复用器、第二泵浦源、前向合束器、后向光纤光栅组、增益光纤、前向光纤光栅组、后向合束器、第三泵浦源和前向阵列波导光栅；

5、后向光纤光栅组中包括n个串联的光纤光栅；前向光纤光栅组中包括n个串联的光纤光栅；

6、所述后向阵列波导光栅和前向阵列波导光栅均包括n路波长输出端和1路复用端；

7、其中，后向阵列波导光栅的复用端、第一泵浦源的尾纤分别与波分复用器的信号端和泵浦端连接；波分复用器的公共端、前向合束器的信号输入端和信号输出端、后向光纤光栅组的两端、增益光纤的两端、前向光纤光栅组的两端、后向合束器的信号输出端和信号输入端，与前向阵列波导光栅的复用端顺次连接；第二泵浦源的尾纤与前向合束器的泵浦端连接；第三泵浦源的尾纤与后向合束器的泵浦端连接；后向阵列波导光栅的n路波长输出端作为多波长脉冲激光的后向输出端口，前向阵列波导光栅的n路波长输出端作为多波长脉冲激光的前向输出端口。

8、进一步地，所述第一泵浦源为带尾纤输出的电流直接调制脉冲半导体激光器、调q脉冲光纤激光器或者mopa脉冲光纤激光器，所述第一泵浦源的工作波长范围为1550～1650nm，其重复频率、脉冲宽度可自由调节。

9、进一步地，所述第二泵浦源和第三泵浦源为带尾纤输出的连续半导体激光器、固体激光器或者光纤激光器，所述第二泵浦源和第三泵浦源的工作波长范围均为780～810nm、功率均大于0.5w。

10、进一步地，n≥3。

11、进一步地，后向光纤光栅组包括n个串联的后向光纤光栅，其中，第一后向光纤光栅的一端连接前向合束器的信号输出端，另一端连接与其余后向光纤光栅的串联，依次类推，直至第n后向光纤光栅的一端连接增益光纤的一端；

12、进一步地，前向光纤光栅组包括n个串联的前向光纤光栅，其中，第n前向光纤光栅的一端连接增益光纤的另一端，第n前向光纤光栅的另一端与其余前向光纤光栅串联，依次类推，直至第一前向光纤光栅的一端连接后向合束器的信号输出端。

13、进一步地，所述前向光纤光栅和后向光纤光栅对泵浦光波长的透射率均大于90％，对1.7～2.2μm波段信号激光波长的反射率范围为10～80％，反射谱3db带宽范围为0.2～2nm。

14、进一步地，后向光纤光栅组和前向光纤光栅组中，第一后向光纤光栅和第一前向光纤光栅的中心波长均为λ1，与增益光纤构成第一谐振腔；第二后向光纤光栅和第二前向光纤光栅的中心波长均为λ2，与增益光纤构成第二谐振腔，依次类推，第n后向光纤光栅和第n前向光纤光栅的中心波长均为λn，与增益光纤构成第n谐振腔，得到n对前向、后向光纤光栅对，其中λ1>λ2……>λn。

15、进一步地，所述增益光纤为纤芯均匀单掺杂tm3+或者按一定比例共掺杂tm3+/ho3+的双包层光纤，稀土离子掺杂浓度均大于1wt％；所述增益光纤的纤芯直径范围为4～40μm、数值孔径范围为0.035～0.30；所述增益光纤的内包层形状为矩形、六边形、八边形或十二边形，其直径范围为80～500μm；所述增益光纤的使用长度范围为0.5～50m。

16、进一步地，所述后向阵列波导光栅和前向阵列波导光栅的n路波长输出端的工作波长与后向光纤光栅组和前向光纤光栅组中n对前向、后向光纤光栅对的中心波长一一对应，分别为λ1、λ2……λn。

17、与现有技术相比，本发明的技术效果是：利用光纤光栅对作为腔镜进行波长选择，n对光纤光栅和一段增益光纤构成n个激光线性谐振腔，在脉冲泵浦源的增益开关泵浦方式下以产生n个波长的脉冲信号激光，通过灵活地控制脉冲泵浦源的平均功率、重复频率、脉冲宽度等工作参数，可实现对光纤激光器输出脉冲参数的自由控制；同时结合连续泵浦源进行混合泵浦激励下，激光工作介质——增益光纤纤芯中的稀土离子发生粒子数反转，产生不同波长的受激辐射信号光，在不同中心波长腔镜(光纤光栅对)的反馈作用下，脉冲信号激光多次来回振荡并得到多次放大，实现多波长脉冲光纤激光的稳定输出；通过控制与改变光纤光栅对的反射率、中心波长等光学参数，可实现脉冲光纤激光的双向输出和不同波长切换；接着利用阵列波导光栅的解复用功能，分离并输出n路不同工作波长的脉冲光纤激光，从而实现1.7～2.2μm波段、n个波长脉冲光纤激光的双向工作与多端口同时稳定高效输出。

18、本发明与现有光纤激光器技术相比较，其优点在于：

19、(1)本发明采用工作波长范围覆盖1.7～2.2μm波段的n个激光谐振腔，在脉冲泵浦源的增益开关泵浦方式下得到n个波长自由可选的脉冲信号激光，通过改变光纤光栅对的中心波长、反射率大小以实现激光器的多波长与双向工作，利用阵列波导光栅的n路波长通道作为多波长脉冲激光器的输出端口，可获得n个波长脉冲光纤激光的双向工作与多端口同时输出，可达到传统多台独立的单波长脉冲光纤激光器结合波长复用技术才能实现的作用效果，可有效降低激光应用系统的复杂程度和使用成本。

20、(2)本发明采用双端(双向)泵浦结构，泵浦光自增益光纤的两端进入，使得增益光纤中泵浦光和热量分布更加均匀，有利于增益光纤对泵浦光的充分吸收和系统的热管理，进而提升光纤激光器的光-光转换效率和输出功率水平。

21、(3)由于掺tm3+或者tm3+/ho3+共掺双包层光纤的吸收光谱与发射光谱存在一定程度的重叠区域，本发明利用短波长信号激光对长波长信号激光进行级联(同带)泵浦，能有效提高长波长信号激光的转换效率或输出功率，可解决传统793nm半导体激光泵浦方案较难实现长波长(>2.1μm)光纤激光输出的难题。

22、(4)本发明采用工作波长范围为1550～1650nm的脉冲激光器作为同带泵浦源对激光谐振腔进行抽运，可获得转换效率高、量子亏损低、时域特性良好的脉冲光纤激光；进一步通过脉冲结合连续泵浦源的混合泵浦方式，在高功率连续激光器的混合泵浦条件下，光纤激光器可实现高泵浦能量、低泵浦阈值和高峰值功率等。