本发明属于脉冲激光技术领域，具体涉及一种新型长波中红外超快脉冲激光器的方法。
背景技术
波长位于3～5μm的中红外超短脉冲激光光源成为国内外科研工作者研究的热点，目前已广泛应用于科研、国防以及民用领域。例如：研究分子内和分子间的动力学、产生阿秒脉冲、中红外激光对抗武器、环境监测、工业加工以及生物医学、聚合物加工等。目前，锁模是产生超短脉冲光纤激光最为主要的方法，具体而言，通过在谐振腔中不同模式间引入固定的相位关系，使各纵模相锁，从而产生周期性的超短脉冲其脉宽通常在ps～fs量级。2012年，电子科技大学李剑峰等利用在中红外波段的sesam首次实现了锁模ho3+，pr3+共掺zblan脉冲光纤激光器，其中心波长为2870nm，脉宽为24ps，脉冲能量和重复频率分别为4.9nj和27.1mhz。随后，2014年，悉尼大学t.hu等人利用inas作为可饱和吸收体首次实现了稳定的3μm波段环形腔被动锁模ho3+/pr3+共掺zblan光纤激光器，其脉冲宽度、峰值功率、重复频率、中心波长分别为6ps、465w、24.8mhz、～2860nm，脉冲信噪比高达73db；美国亚利桑那大学朱秀山小组利用fe2+：znse晶体作为可饱和吸收体实现了掺er3+zblan锁模脉冲光纤激光器，其中心波长为2783nm，脉宽19ps，脉冲能量和重复频率分别为0.56nj和50mhz；美国polaronyx公司p.wan等人利用大芯径掺er3+zblan光纤结合半导体可饱和吸收镜实现了波长2784nm的锁模脉冲激光，最大脉冲输出平均功率为142mw，重复频率为16.4mhz，通过时间带宽积估算得到脉冲宽度5ps，但是这个值并不准确。近年来，随着二维材料的兴起，不同二维材料(如：石墨烯、拓扑绝缘体、黑磷等)也相继被用于3微米锁模脉冲激光产生，但脉冲宽度也均在数ps到数十ps的水平，严格意义上来说并不能称为超短脉冲激光。2015年加拿大拉瓦尔大学和悉尼大学采用空间结构的非线性偏振旋转人造可饱和吸收体锁模方式在掺er氟化物光纤中实现了百飞秒量级的超短脉冲激光输出，2016年澳大利亚麦考瑞大学利用类似的方法在ho/pr共掺光纤中实现了2.9μm峰值功率高达37kw的百飞秒量级超短激光输出，脉冲宽度为180fs，这也是目前中红外锁模脉冲光纤激光器脉冲宽度和峰值功率的最高水平。可以看到中红外锁模脉冲光纤激光器工作波长主要集中在3微米波段，更确切地说是2.7～2.9微米波长区间，在大于3微米波段，中红外锁模光纤激光器还鲜有报道。最近随着光纤泵浦技术和拉制工艺的成熟，光纤激光器逐渐向着长波长平移。最近麦考瑞大学s.jackson等人采用2.8微米激光泵浦掺dy氟化物光纤，实现了波长范围在2.95～3.35微米可调激光输出；拉瓦尔大学v.fortin等人用双波长作为泵浦源泵浦掺er3+氟化物光纤实现输出波长为3.55微米的激光，近期，他们提出一个新型重掺杂钬氟化铟光纤，该光纤可使透过波长拓展至5微米，用888nmld泵浦该光纤实现了室温下最长波长3.92μm激光输出，这也是稀土离子掺杂光纤激光器的最长工作波长，但目前还未对波长超过3微米中红外锁模脉冲激光开展系统化研究。
目前新型二维材料ti3c2取得了一系列的发展，该材料具有优异的理化特性，如较大的调制深度、损伤阈值高、导电性能好以及优良的机械性能和亲水性。由于新型ti3c2二维材料的材料特性也非常适合作为宽带可饱和吸收体，已经在1微米和1.5微米波段实现锁模脉冲输出。深圳大学张晗等人用新型ti3c2二维材料作为腔内被动可饱和吸收体，成功实现1.06微米被动调q脉冲激光输出。在1.5μm波段，结合基于掺铒环形光纤激光器和该新型ti3c2二维材料实现了15.4mhz的锁模脉冲激光输出。目前该种材料还未被应用到中红外波段。
现有的一种可产生波长为2.8微米的掺铒zblan锁模脉冲光纤激光器装置，如图3所示，采用975nm的激光二极管作为泵浦源，具有石墨烯涂层的金镜作为被动锁模可饱和吸收元件，实现2.8微米激光脉冲的输出。其中，泵浦激光二极管(laserdiode，ld)通过准直透镜、二色镜及聚焦透镜耦合进掺铒zblan增益光纤中，增益光纤一端为0°角，另一端为8°斜角，将具有石墨烯涂层的金镜贴近8°斜角的端面，整个激光腔由0°角端面和金镜构成。通过石墨烯可饱和吸收材料的特性，最终实现2.8微米的皮秒超短光纤激光脉冲输出。
该技术的缺点在于：1、该技术是基于石墨烯可饱和吸收材料作为被动锁模元件实现激光脉冲输出，其中输出激光波长为2.8微米，处于中红外中波激光，而无法满足现实实际长波中红外激光的需求，再者石墨烯可饱和吸收材料不稳定，损伤阈值低，难以承受高功率的泵浦激光，其次，该技术输出的超短脉冲激光的脉冲宽度为皮秒量级，而不能达到飞秒量级脉冲激光输出，这大大限制了其在军事上的应用。2、该技术中实现超短脉冲激光输出是基于线型腔结构，而该种结构相比于环形腔结构，激光产生阈值高，锁模脉冲难以自启动，并且输出脉冲激光稳定性相对较差，这大大限制了其实现稳定自启动超短中红外脉冲的输出。
针对此现象，本专利发明一种新型长波中红外超快脉冲激光器的新方案，即采用掺钬氟化铟光纤在3.9微米优良的激光激射能力和ti3c2二维材料的宽带可饱和吸收特性相结合的新方法来实现3.9微米超短中红外脉冲光纤激光的输出。
技术实现要素：
本发明的目的在于：解决目前大部分中红外超短脉冲激光的实现主要集中于2微米和3微米波段，而难以实现3.9微米超短长波中红外光纤激光脉冲的问题，提出了一种新型长波中红外超快脉冲激光器的方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种新型长波中红外超快脉冲激光器，包括885nmld泵浦源，885nmld泵浦源输出端设置沿激光传输方向倾斜放置且对885nm激光高透、对3.9微米激光高反的透镜，透镜之后沿激光输出方向设置聚焦器件，聚焦器件的激光输出端设置掺钬氟化铟光纤，经过透镜传输来的激光通过聚焦器件聚焦耦合进入掺钬氟化铟光纤，掺钬氟化铟光纤的两侧端面均为斜角，掺钬氟化铟光纤的激光输出端连接新型ti3c2微纳光纤，新型微纳ti3c2光纤激光输出端沿激光输出方向设置激光准直器件，激光准直器件之后沿激光输出方向设置输出耦合器件，输出耦合器件将激光反射一部分到透镜上经透镜反射回掺钬氟化铟光纤中，部分激光经耦合器件透过输出为3.9微米超快脉冲激光。
进一步，所述透镜沿激光传输方向倾斜45°放置，新型ti3c2微纳光纤激光输出方向与经过透镜的激光输出方向平行且反向，输出耦合器件采用一个位于透镜正下方且沿激光传输方向倾斜45°的输出耦合镜，输出耦合镜将60％的3.9微米激光反射回透镜从而经透镜反射进入掺钬氟化铟光纤初始端面，将40％的3.9微米激光透过输出为3.9微米超快脉冲激光。
进一步，所述激光准直器件与输出耦合器件之间设置有隔离器。
进一步，所述聚焦器件采用聚焦透镜。
进一步，所述激光准直器件采用准直镜。
进一步，所述掺钬氟化铟光纤与新型ti3c2微纳光纤采用端面直接耦合方式连接。
进一步，所述新型ti3c2微纳光纤的制备方法为：以火焰喷刷技术将氟化物光纤拉制成微纳光纤，基于热传导效应和光镊效应将新型二维材料ti3c2材料沉积到微纳光纤上，制备得到新型ti3c2光纤。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，采用885nm波段泵浦源直接激射掺钬氟化铟光纤产生3.9μm波长激光以及将ti3c2材料微纳光纤被动调制器件作为腔内可饱和吸收元件实现锁模脉冲两种方法相结合，实现稳定的3.9微米波长的超快激光脉冲输出，输出耦合器件将激光反射一部分到透镜上经透镜反射回掺钬氟化铟光纤中确保激光振荡，构成环形腔，可降低锁模阈值，易用自启动，实现皮秒至飞秒超短脉冲输出；
2、本发明中，聚焦器件采用聚焦透镜，激光准直器件采用准直镜，透镜沿激光传输方向倾斜45°放置，新型ti3c2微纳光纤激光输出方向与经过透镜的激光输出方向平行且反向，输出耦合器件采用一个位于透镜正下方且沿激光传输方向倾斜45°的输出耦合镜，形成结构紧凑的环形腔结构，可产生光束质量好、稳定性高的超短长波中红外脉冲激光，可应用商业价值极大；
3、本发明中，激光准直器件与输出耦合器件之间设置有隔离器，用于实现环形腔内信号激光的单一方向传输，防止激光后向散射对实现激光输出特性的影响；
4、本发明中，掺钬氟化铟光纤与新型ti3c2微纳光纤采用端面直接耦合方式连接，减少了传输损耗；
5、本发明中，以火焰喷刷技术将氟化物光纤拉制成微纳光纤，基于热传导效应和光镊效应将新型二维材料ti3c2材料沉积到微纳光纤上，制备得到新型ti3c2光纤，不仅在激光腔内增强了非线性效应，同时还降低了插损、提升了可饱和吸收的有效作用面积及损伤阈值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本发明新型长波中红外超快脉冲激光器的结构示意图；
图2为本发明掺钬氟化铟光纤中钬离子的能级简图；
图3为本发明背景技术中一种可产生波长为2.8微米的掺铒zblan锁模脉冲光纤激光器装置结构示意图；
图中标记：1-885nmld泵浦源，2-透镜，3-聚焦器件，4-掺钬氟化铟光纤，5-新型ti3c2微纳光纤，6-准直器件，7-隔离器，8-输出耦合器件，9-能级5i8，10-能级5i7，11-能级5i6，12-能级5i5，13-885nmld泵浦光泵浦基态粒子实现基态吸收过程(5i8→5i5)，14-3.9微米辐射激光(5i5→5i6)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
一种新型长波中红外超快脉冲激光器，如图1所示，包括885nmld泵浦源1，885nmld泵浦源1输出端设置沿激光传输方向倾斜放置且对885nm激光高透、对3.9微米激光高反的透镜2，透镜2之后沿激光输出方向设置聚焦器件3，聚焦器件3的激光输出端设置掺钬氟化铟光纤4，经过透镜传输来的激光通过聚焦器件3聚焦耦合进入掺钬氟化铟光纤4，掺钬氟化铟光纤4的两侧端面均为斜角，掺钬氟化铟光纤4的激光输出端连接新型ti3c2微纳光纤5，新型微纳ti3c2光纤5激光输出端沿激光输出方向设置激光准直器件6，激光准直器件6之后沿激光输出方向设置输出耦合器件8，输出耦合器件8将激光反射一部分到透镜2上经透镜2反射回掺钬氟化铟光纤4中，部分激光经耦合器件8透过输出为3.9微米超快脉冲激光。本发明采用885nm波段泵浦源直接激射掺钬氟化铟光纤产生3.9μm波长激光以及将ti3c2材料微纳光纤被动调制器件作为腔内可饱和吸收元件实现锁模脉冲两种方法相结合，实现稳定的3.9微米波长的超快激光脉冲输出，输出耦合器件将激光反射一部分到透镜上经透镜反射回掺钬氟化铟光纤中确保激光振荡，构成环形腔，可降低锁模阈值，易用自启动，实现皮秒至飞秒超短脉冲输出。
所述波长为885nmld泵浦源1用于产生连续激光。
所述透镜2采用二色镜或自己制作的镀了膜的透镜，沿激光传输方向倾斜放置，且对885nm激光高透，对3.9微米激光高反，用于区分885nm泵浦光束和3.9微米信号光束，倾斜角度与输出耦合器件8相匹配，885nm泵浦光经透镜2的传播方向与耦合器件8传输过来的一部分3.9nm激光经透镜2反射后的传播方向重合，都在一条光路上经聚焦器件3传输到掺钬氟化铟光纤4输出端面。耦合器件8可以采用光学镜例如二色镜的组合，进行倾斜角度配合，将一部分3.9nm激光反射给透镜2。
所述聚焦器件3采用聚焦透镜聚焦或套筒式聚焦等方式将将885nmld泵浦源1产生的泵浦光耦合进掺钬氟化铟光纤4中。
掺钬氟化铟光纤4的两侧端面均为斜角是为了避免光纤端面平角时两端产生4％的菲涅尔反射形成内部激光振荡。
所述激光准直器件6采用准直镜或用准直仪将产生的3.9微米信号激光进行光束准直。
所述掺钬氟化铟光纤4与新型ti3c2微纳光纤5采用端面直接耦合方式将3.9微米激光耦合进新型ti3c2微纳光纤5，减少了传输损耗。
进一步，所述透镜2沿激光传输方向倾斜45°放置，新型ti3c2微纳光纤5激光输出方向与经过透镜2的激光输出方向平行且反向，输出耦合器件8采用一个位于透镜2正下方且沿激光传输方向倾斜45°的输出耦合镜，输出耦合镜将60％的3.9微米激光反射回透镜2从而经透镜2反射进入掺钬氟化铟光纤4初始端面，将40％的3.9微米激光透过输出为3.9微米超快脉冲激光。
聚焦器件采用聚焦透镜，激光准直器件采用准直镜，透镜沿激光传输方向倾斜45°放置，新型ti3c2微纳光纤激光输出方向与经过二色镜的激光输出方向平行且反向，输出耦合器件采用一个位于透镜正下方且沿激光传输方向倾斜45°的输出耦合镜，形成结构紧凑的环形腔结构，可产生光束质量好、稳定性高的超短长波中红外脉冲激光，可应用商业价值极大。
进一步，所述新型ti3c2微纳光纤5的制备方法为：以火焰喷刷技术将氟化物光纤拉制成微纳光纤，基于热传导效应和光镊效应将新型二维材料ti3c2材料沉积到微纳光纤上，制备得到新型ti3c2光纤，仅在激光腔内增强了非线性效应，同时还降低了插损、提升了可饱和吸收的有效作用面积及损伤阈值。
进一步，所述激光准直器件6与输出耦合器件8之间设置有隔离器7，用于实现环形腔内信号激光的单一方向传输，防止激光后向散射对实现激光输出特性的影响。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明较佳实施例提供的一种新型长波中红外超快脉冲激光器，如图1所示，包括885nmld泵浦源1，885nmld泵浦源1输出端设置沿激光传输方向倾斜45°放置且对885nm激光高透、对3.9微米激光高反的二色镜2，二色镜2之后沿激光输出方向设置聚焦透镜3，聚焦透镜3的激光输出端设置掺钬氟化铟光纤4，经过二色镜传输来的激光通过聚焦透镜3聚焦耦合进入掺钬氟化铟光纤4，掺钬氟化铟光纤4的两侧端面均为斜角，掺钬氟化铟光纤4的激光输出端连接新型ti3c2微纳光纤5，新型ti3c2微纳光纤5激光输出方向与经过二色镜2的激光输出方向平行且反向，新型微纳ti3c2光纤5激光输出端沿激光输出方向设置准直镜6，准直镜6之后沿激光输出方向设置一个位于二色镜2正下方且沿激光传输方向倾斜45°的输出耦合镜8，输出耦合镜8将60％的3.9微米激光反射回二色镜2从而经二色镜2反射进入掺钬氟化铟光纤4初始端面，将40％的3.9微米激光透过输出为3.9微米超快脉冲激光。掺钬氟化铟光纤4与新型ti3c2微纳光纤5采用端面直接耦合方式将3.9微米激光耦合进新型ti3c2微纳光纤5。
以下结合不采用新型ti3c2微纳光纤5的3.9微米连续激光输出实现过程对3.9微米超短脉冲激光输出实现过程进行叙述：
1、3.9微米连续激光输出实现过程为：将885nmld泵浦源输出的激光1经二色镜2、聚焦透镜3耦合注入到掺钬氟化铟光纤4中，掺钬氟化铟光纤中钬离子的能级简图如图2所示，位于能级5i89上的基态粒子通过吸收885nmld泵浦光被抽运到能级5i512上，实现基态吸收过程5i8→5i513，能级5i512上的粒子不断地增加积累，当达到一定程度后实现粒子数反转，从而产生3.9微米激光14，再经准直透镜6将3.9微米激光准直，经过二色镜导出。
2、3.9微米超短脉冲激光输出实现过程为：基于1过程，在掺钬氟化铟光纤4以及准直透镜6之间插入新型ti3c2微纳光纤5，使从掺钬氟化铟光纤4端面输出的3.9微米激光直接耦合进新型ti3c2微纳光纤5中，基于被动锁模可饱和吸收元件的新型ti3c2微纳光纤5只允许3.9微米激光强的部分透过，而吸收弱的部分，这样激光在不断地循环过程中持续的使强光激光不断透过，弱光激光不断被吸收，最终实现激光脉冲的窄化，经由输出耦合镜8对3.9微米激光60％反射用以实现部分激光返回腔内确保激光振荡，40％透过将3.9微米超短长波中红外激光输出。
实施例2
本发明较佳实施例在实施例一的基础上，激光准直器件6与输出耦合器件8之间设置有隔离器7，用于实现环形腔内信号激光的单一方向传输，防止激光后向散射对实现激光输出特性的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。