CN107181159A - 全光纤被动调q脉冲光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明基于双腔耦合原理，通过带内泵浦的方式实现了一体化全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，充分利用掺杂增益光纤较宽的吸收带宽和发射带宽并且二者存在相当大交叉重叠范围特点，合理设计了谐振腔的工作波段，在掺杂增益光纤中实现了激光辐射的增益和饱和吸收双重功能，利用第一谐振腔的辐射激光泵浦第二谐振腔，通过耦合腔实现了全光纤一体化的被动调Q脉冲光纤激光器。同时还利用第二谐振腔掺杂增益光纤和第一谐振腔掺杂增益光纤纤芯芯径的不同，提高了第二谐振腔掺杂增益光纤中激光的能量密度，提升了被动饱和吸收体的漂白开关能力。本发明脉冲光纤激光器结构紧凑、性能稳定，真正实现了脉冲光纤激光器的全光纤化。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术和光纤技术领域，具体是涉及一种全光纤被动调Q脉冲光纤激光器。
背景技术
众所周知光纤激光器由于其独特的一体化集成、光束质量好、性能稳定、效率高、散热面积大、寿命长和易于量产等特点，受到了广大工业用户的广泛关注和欢迎，光纤激光器特别是脉冲光纤激光器取得了突飞猛进的发展和普及，在消费电子、新能源、生物医疗、激光微加工等领域获得了广泛的应用。
目前工业界广泛应用的脉冲光纤激光器基本上都是主动调Q光纤激光器，采用光纤耦合声光调制器件(空间声光器件)充当光学开关，接入光纤激光器谐振腔内部调制激光器的腔内损耗，实现光纤激光器的脉冲输出。严格推断此类脉冲光纤激光器不算是全光纤一体化激光器。此类空间声光器件本身衍射效率～85％左右，双光纤耦合后的效率则低至70％，透光效率进一步降低，增大了光纤谐振腔的插入损耗，影响脉冲光纤激光器的输出功率。再者由于空间声光器件的声光衍射晶体本身光学均匀性与内部产生的光栅的质量问题，导致声光器件不但影响了谐振腔损耗，还影响了腔内激光束质量。最后空间声光器件及驱动电路的稳定性也影响了光纤激光器的工作稳定性和寿命。从成本控制角度，声光器件价格高昂，也提高了脉冲光纤激光器的购买成本。为了解决声光调Q脉冲光纤激光器的问题，被动调Q技术不失是一个良好的选择方案。
传统上的10XX波段激光的被动吸收器件有Cr：YAG(掺铬镱铝石榴石)晶体、GaAs砷化镓晶体和SESAM(半导体饱和吸收体)等，但这些晶体本身就是空间分立器件，同时还存在光学均匀性或者抗光伤阈值低等缺点，因此也不适合用于光纤激光调制。最近研究人员新研发的饱和吸收光纤掺杂Sm、Tm等元素的光纤，由于性能不稳定等原因，也不适合工业化脉冲光纤激光器的需要。
发明内容
针对目前脉冲光纤激光器存在的问题，本发明基于双腔耦合原理，通过带内泵浦的方式实现了全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，具有全光纤化集成、被动调Q，结构紧凑、高效率、阈值低和输出稳定的特性。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，包括泵浦源、泵浦合束器、第一谐振腔第一反射镜、第一谐振腔第二反射镜、第二谐振腔第一反射镜、第二谐振腔第二反射镜、第一谐振腔掺杂增益光纤、第二谐振腔掺杂增益光纤和模场匹配器，所述泵浦源光纤输出端连接所述泵浦合束器的泵浦端，所述泵浦合束器的信号输出端连接所述第一谐振腔掺杂增益光纤的一端，所述第一谐振腔掺杂增益光纤的另一端连接所述第一谐振腔第二反射镜，所述泵浦合束器的信号输入端通过所述模场匹配器连接所述第二谐振腔第二反射镜的一端，所述第二谐振腔第二反射镜的另一端连接所述第二谐振腔掺杂增益光纤的一端，所述第二谐振腔掺杂增益光纤的另一端连接所述第二谐振腔第一反射镜，所述第二谐振腔第一反射镜的另一端连接所述第一谐振腔第一反射镜；所述第二谐振腔第一反射镜、第二谐振腔掺杂增益光纤和第二谐振腔第二反射镜构成第二谐振腔；所述第一谐振腔第一反射镜、所述第一谐振腔第二反射镜及两者之间的第一谐振腔掺杂增益光纤、泵浦合束器、模场匹配器、第二谐振腔第二反射镜、第二谐振腔掺杂增益光纤和第二谐振腔第一反射镜构成第一谐振腔；
泵浦源产生的泵浦光经由泵浦合束器耦合进入第一谐振腔，在第一谐振腔掺杂增益光纤中产生自发辐射，经由第一谐振腔第一反射镜和第一谐振腔第二反射镜正反馈形成第一谐振腔第一波长激光，该第一波长激光位于第二谐振腔掺杂增益光纤的吸收带内，被第二谐振腔内第二谐振腔掺杂增益光纤吸收产生自发辐射光，第二谐振腔内的自发辐射光经由第二谐振腔第一反射镜和第二谐振腔第二反射镜正反馈形成第二谐振腔的第二波长激光，第二波长激光的波长大于第一波长激光的波长；
第一谐振腔产生的第一波长激光在经过第二谐振腔的第二谐振腔掺杂增益光纤时，第二谐振腔掺杂增益光纤因饱和吸收第一波长激光被漂白，对第一谐振腔的第一波长激光形成脉冲调制，将第一谐振腔的第一波长激光演变成第一波长脉冲激光；第一谐振腔产生的第一波长脉冲激光泵浦第二谐振腔掺杂增益光纤，在第二谐振腔内形成第二波长脉冲激光输出，其中，第二谐振腔掺杂增益光纤充当第二谐振腔的增益介质和第一谐振腔激光的被动调制饱和吸收体的双重功能；
第二谐振腔输出的第二波长脉冲激光的波长比第一谐振腔第一波长脉冲激光的波长长，经由第二谐振腔的第二谐振腔第二反射镜输出的第二波长脉冲激光，经过模场匹配器及泵浦合束器后，被第一谐振腔掺杂增益光纤放大，然后从第一谐振腔第二反射镜输出。
进一步的，所述第一谐振腔第一反射镜、第一谐振腔第二反射镜、第二谐振腔第一反射镜和第二谐振腔第二反射镜均为反射型布拉格光栅。
进一步的，所述第一谐振腔第一反射镜和第一谐振腔第二反射镜为工作波长处反射率大于99％的高反光栅；所述第二谐振腔第一反射镜为工作波长处反射率大于99％的高反光栅，所述第二谐振腔第二反射镜为工作波长处反射率在10％～98％之间的反射型布拉格光栅。
进一步的，所述泵浦源为光纤耦合输出半导体激光器，其泵浦光波长范围位于780nm～2000nm之间。
进一步的，所述半导体激光器的驱动和控制通过FPGA/CPLD实施，泵浦工作方式为脉冲方式或连续方式。
进一步的，所述第一谐振腔掺杂增益光纤及第二谐振腔掺杂增益光纤均为掺镱光纤或铒镱共掺光纤或掺铥光纤的单包层或双包层或多包层有源光纤。
进一步的，所述第一谐振腔掺杂增益光纤的几何尺寸纤芯直径不小于所述第二谐振腔掺杂增益光纤的几何尺寸纤芯直径，二者纤芯的数值孔径相同或者接近。
进一步的，所述泵浦合束器为基于单模光纤或多模光纤的波分复用合束器，或者，所述泵浦合束器为由熔融拉锥工艺制作的(1+1)X1或(2+1)X1或(N+1)X1泵浦合束器。
进一步的，所述泵浦合束器的位置由介于所述模场匹配器和第一谐振腔掺杂增益光纤之间变换为介于所述第一谐振腔掺杂增益光纤和第一谐振腔第二反射镜之间，泵浦合束器输出端连接第一谐振腔掺杂增益光纤；或者，设有另一个或多个泵浦源和泵浦合束器，多个泵浦源及泵浦合束器构成第一谐振腔掺杂增益光纤的双向泵浦或串接泵浦，多个泵浦源的泵浦光波长和功率相同或不同。
进一步的，所述第一谐振腔的第一波长激光的波长为1035nm，对应的第二谐振腔的第二波长激光的波长为1064nm；或者，所述第一谐振腔的第一波长激光的波长为1535nm，对应的第二谐振腔的第二波长激光的波长为1650nm。
本发明的有益效果是：本发明基于双腔耦合原理，通过带内泵浦的方式实现了一体化全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，充分利用掺杂增益光纤较宽的吸收带宽和发射带宽并且二者存在相当大交叉重叠范围特点，合理设计了谐振腔的工作波段，在掺杂增益光纤中实现了激光辐射的增益和饱和吸收双重功能，利用第一谐振腔的辐射激光泵浦第二谐振腔，通过耦合腔实现了全光纤一体化的被动调Q脉冲光纤激光器。同时还利用第二谐振腔掺杂增益光纤和第一谐振腔掺杂增益光纤纤芯芯径的不同，提高了第二谐振腔掺杂增益光纤中激光的能量密度，提升了被动饱和吸收体的漂白开关能力。本发明脉冲光纤激光器结构紧凑、性能稳定，真正实现了脉冲光纤激光器的全光纤化。
附图说明
图1为本发明实施例1全光纤被动调Q脉冲光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例3全光纤被动调Q脉冲光纤激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例4全光纤被动调Q脉冲光纤激光器的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
实施例一
如图1所示，本实施例一为一种10xxnm全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，包括：9xxnm(915nm，920nm，940nm，950nm，980nm等)泵浦源(Pump LD)1、泵浦合束器(PBC)2、第一谐振腔第一反射镜11、第一谐振腔第二反射镜12、第二谐振腔第一反射镜21、第二谐振腔第二反射镜22、第一谐振腔掺杂增益光纤10、第二谐振腔掺杂增益光纤20和模场匹配器(MFA)30。其中，泵浦源(Pump LD)1光纤输出端连接泵浦合束器(PBC)2的泵浦端，泵浦合束器的信号输出端连接第一谐振腔掺杂增益光纤10的一端，第一谐振腔掺杂增益光纤10的另一端连接第一谐振腔第二反射镜12；泵浦合束器的信号输入端则连接模场匹配器(MFA)30，模场匹配器的另一端连接第二谐振腔第二反射镜22，第二谐振腔第二反射镜另一端连接第二谐振腔掺杂增益光纤20，第二谐振腔掺杂增益光纤的另一端连接第二谐振腔第一反射镜21，第二谐振腔第一反射镜另一端连接第一谐振腔第一反射镜11。
第一谐振腔第一反射镜11、第一谐振腔第二反射镜12及两者之间的所有器件，即第一谐振腔掺杂增益光纤10、泵浦合束器2、模场匹配器(MFA)30、第二谐振腔第二反射镜22、第二谐振腔掺杂增益光纤20和第二谐振腔第一反射镜21构成第一谐振腔。
第二谐振腔第一反射镜21、第二谐振腔掺杂增益光纤20和第二谐振腔第二反射镜22构成第二谐振腔，其中第二谐振腔第二反射镜为第二谐振腔激光输出端。
本实施例中泵浦源为光纤耦合输出半导体激光器，其工作波长视具体掺杂增益光纤的吸收带而定。泵浦光波长范围位于780nm～2000nm之间，包括9XXnm，例如915nm、940nm、950nm和980nm等。
本实施例中的半导体激光器的驱动和控制通过FPGA/CPLD实施，泵浦工作方式可以为脉冲和连续两种方式。脉冲光纤激光器的输出功率和频率由半导体激光器决定，特别是在半导体激光器脉冲工作条件下，泵浦频率和功率决定了光纤激光器的工作频率和输出功率。
本实施例中第一谐振腔掺杂增益光纤及第二谐振腔掺杂增益光纤均采用掺镱双包层光纤，其中第一谐振腔掺杂增益光纤10为Nufern 10/125掺镱双包层光纤，第二谐振腔掺杂增益光纤20为Nufern 6/125掺镱双包层光纤，其他光纤器件均采用对应匹配的无源光纤制作。
本实施例中所有反射镜均选用反射型布拉格光栅(FBG)，包括啁啾光栅和线性光栅。第一谐振腔的第一谐振腔第一反射镜11和第一谐振腔第二反射镜12为高反光栅，工作波长1035nm处反射率为99.8％；第二谐振腔的第二谐振腔第一反射镜21在第二波长激光波长1064nm的反射率99.8％，第二谐振腔第二反射镜22的反射率则为80％。
本实施例中第二波长激光的波长由第二谐振腔的第二谐振腔第一反射镜21、第二谐振腔第二反射镜22和第二谐振腔掺杂增益光纤20决定，可以选定1060nm、1064nm、1070nm、1075nm和1080nm等。但第二谐振腔激光的波长一定大于第一谐振腔激光波长。
9xxnm泵浦光经由泵浦合束器耦合进入第一谐振腔，在第一谐振腔掺杂增益光纤10中产生10xxnm自发辐射，经由第一谐振腔第一反射镜和第一谐振腔第二反射镜正反馈形成第一谐振腔1035nm振荡激光，该第一波长激光位于第二谐振腔掺杂增益光纤的吸收带内，被第二谐振腔内第二谐振腔掺杂增益光纤(掺镱增益光纤)吸收产生自发辐射光，第二谐振腔内的自发辐射光经由第二谐振腔第一反射镜和第二谐振腔第二反射镜形成正反馈产生第二波长激光1064nm。
在第一谐振腔产生的1035nm激光在经过第二谐振腔的掺杂增益介质时，第二谐振腔掺杂增益光纤因饱和吸收第一波长激光被漂白，对第一谐振腔的激光形成脉冲调制，此时第一谐振腔的激光演变成脉冲激光。第一谐振腔产生的第一波长1035nm脉冲激光泵浦第二谐振腔掺杂增益光纤，在第二谐振腔内形成第二波长1064nm脉冲激光输出，此时第二谐振腔的增益光纤充当第二谐振腔掺杂增益光纤和第一谐振腔激光的被动调制饱和吸收体的双重功能。
经由第二谐振腔第二反射镜22输出的第二波长1064nm激光，经过模场匹配器(MFA)、泵浦合束器后经过第一谐振腔掺杂增益光纤放大后从第一谐振腔第二反射镜12输出。此时第一谐振腔掺杂增益光纤10充当1064nm激光的放大器功能。
本实施例中掺杂增益光纤还可以是单包层和多包层掺镱光纤。
本实施例第一谐振腔掺杂增益光纤的几何尺寸纤芯直径10微米不小于第二谐振腔掺杂增益光纤纤芯直径6微米，二者纤芯的数值孔径相同。可提高第二谐振腔掺杂增益光纤中激光的能量密度，提升被动饱和吸收体的漂白开关能力。
当第一、第二第一谐振腔掺杂增益光纤采用相同纤芯直径的掺杂镱光纤时，两者之间的模场匹配器可以省略。
本实施例中泵浦结构为单向泵浦，附图1中泵浦合束器的位置介于模场匹配器(MFA)30和第一谐振腔掺杂增益光纤10之间，但也可以位于第一谐振腔掺杂增益光纤10和第一谐振腔反射镜HR12之间，无论哪种方向，泵浦光输出端必须连接第一谐振腔掺杂增益光纤；或者设有另一个或多个泵浦源和泵浦合束器，多个泵浦源及泵浦合束器构成第一谐振腔掺杂增益光纤的双向泵浦或串接泵浦，多个泵浦源的泵浦光波长和功率相同或不同。
实施例二
本实施例二包含实施例一中所有技术特征，其区别在于，本实施例二中第一谐振腔掺杂增益光纤及第二谐振腔掺杂增益光纤均采用铒镱共掺双包层光纤，其中第一谐振腔掺杂增益光纤10为Nufern 10/125铒镱共掺双包层光纤，第二谐振腔掺杂增益光纤20为Nufern 6/125铒镱共掺双包层光纤，且所述第一谐振腔的第一波长激光的波长为1535nm，对应的第二谐振腔的第二波长激光的波长为1650nm。
在其他实施例中，第一谐振腔掺杂增益光纤及第二谐振腔掺杂增益光纤还可以为掺铥光纤等掺杂稀土元素的单包层或双包层或多包层有源光纤。
实施例三
如图2所示，本实施例二包含实施例一中所有技术特征，其区别在于，本实施例中泵浦结构为两种泵浦方向同时存在的双向泵浦结构，设有另一个泵浦源3和另一个泵浦合束器4，两个泵浦源及泵浦合束器构成第一谐振腔掺杂增益光纤的双向泵浦，两个泵浦源的泵浦光波长和功率相同或不同。
实施例四
如图3所示，本实施例四包含实施例一中所有技术特征，其区别在于，本实施例中泵浦结构为两个泵浦源串接的泵浦结构，设有另一个泵浦源和另一个泵浦合束器，两个泵浦合束器串接构成第一谐振腔掺杂增益光纤的单向串接泵浦，两个泵浦源的泵浦光波长和功率相同或不同，串接输入可以增加输入泵浦的个数和功率，提升激光输出功率。
本发明基于双腔耦合原理，通过带内泵浦的方式实现了一体化全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，充分利用掺杂增益光纤较宽的吸收带宽和发射带宽并且二者存在相当大交叉重叠范围特点，合理设计了谐振腔的工作波段，在掺杂增益光纤中实现了激光辐射的增益和饱和吸收双重功能，利用第一谐振腔的辐射激光泵浦第二谐振腔，通过耦合腔实现了全光纤一体化的被动调Q脉冲光纤激光器。同时还利用第二谐振腔掺杂增益光纤和第一谐振腔掺杂增益光纤纤芯芯径的不同，提高了第二谐振腔掺杂增益光纤中激光的能量密度，提升了被动饱和吸收体的漂白开关能力。本发明脉冲光纤激光器结构紧凑、性能稳定，真正实现了脉冲光纤激光器的全光纤化。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：包括泵浦源(1)、泵浦合束器(2)、第一谐振腔第一反射镜(11)、第一谐振腔第二反射镜(12)、第二谐振腔第一反射镜(21)、第二谐振腔第二反射镜(22)、第一谐振腔掺杂增益光纤(10)、第二谐振腔掺杂增益光纤(20)和模场匹配器(30)，所述泵浦源光纤输出端连接所述泵浦合束器的泵浦端，所述泵浦合束器的信号输出端连接所述第一谐振腔掺杂增益光纤的一端，所述第一谐振腔掺杂增益光纤的另一端连接所述第一谐振腔第二反射镜，所述泵浦合束器的信号输入端通过所述模场匹配器(30)连接所述第二谐振腔第二反射镜的一端，所述第二谐振腔第二反射镜的另一端连接所述第二谐振腔掺杂增益光纤的一端，所述第二谐振腔掺杂增益光纤的另一端连接所述第二谐振腔第一反射镜，所述第二谐振腔第一反射镜的另一端连接所述第一谐振腔第一反射镜；所述第二谐振腔第一反射镜、第二谐振腔掺杂增益光纤和第二谐振腔第二反射镜构成第二谐振腔；所述第一谐振腔第一反射镜、所述第一谐振腔第二反射镜及两者之间的第一谐振腔掺杂增益光纤、泵浦合束器、模场匹配器、第二谐振腔第二反射镜、第二谐振腔掺杂增益光纤和第二谐振腔第一反射镜构成第一谐振腔；
泵浦源产生的泵浦光经由泵浦合束器耦合进入第一谐振腔，在第一谐振腔掺杂增益光纤中产生自发辐射，经由第一谐振腔第一反射镜和第一谐振腔第二反射镜正反馈形成第一谐振腔第一波长激光，该第一波长激光位于第二谐振腔掺杂增益光纤的吸收带内，被第二谐振腔内第二谐振腔掺杂增益光纤吸收产生自发辐射光，第二谐振腔内的自发辐射光经由第二谐振腔第一反射镜和第二谐振腔第二反射镜正反馈形成第二谐振腔的第二波长激光，第二波长激光的波长大于第一波长激光的波长；
第一谐振腔产生的第一波长激光在经过第二谐振腔的第二谐振腔掺杂增益光纤时，第二谐振腔掺杂增益光纤因饱和吸收第一波长激光被漂白，对第一谐振腔的第一波长激光形成脉冲调制，将第一谐振腔的第一波长激光演变成第一波长脉冲激光；第一谐振腔产生的第一波长脉冲激光泵浦第二谐振腔掺杂增益光纤，在第二谐振腔内形成第二波长脉冲激光输出，其中，第二谐振腔掺杂增益光纤充当第二谐振腔的增益介质和第一谐振腔激光的被动调制饱和吸收体的双重功能；
第二谐振腔输出的第二波长脉冲激光的波长比第一谐振腔第一波长脉冲激光的波长长，经由第二谐振腔的第二谐振腔第二反射镜输出的第二波长脉冲激光，经过模场匹配器及泵浦合束器后，被第一谐振腔掺杂增益光纤放大，然后从第一谐振腔第二反射镜输出。
2.根据权利要求1所述的全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一谐振腔第一反射镜、第一谐振腔第二反射镜、第二谐振腔第一反射镜和第二谐振腔第二反射镜均为反射型布拉格光栅。
3.根据权利要求2所述的全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一谐振腔第一反射镜和第一谐振腔第二反射镜为工作波长处反射率大于99％的高反光栅；所述第二谐振腔第一反射镜为工作波长处反射率大于99％的高反光栅，所述第二谐振腔第二反射镜为工作波长处反射率在10％～98％之间的反射型布拉格光栅。
4.根据权利要求1所述的全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源为光纤耦合输出半导体激光器，其泵浦光波长范围位于780nm～2000nm之间。
5.根据权利要求4所述的全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述半导体激光器的驱动和控制通过FPGA/CPLD实施，泵浦工作方式为脉冲方式或连续方式。
6.根据权利要求1所述的全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一谐振腔掺杂增益光纤及第二谐振腔掺杂增益光纤均为掺镱光纤或铒镱共掺光纤或掺铥光纤的单包层或双包层或多包层有源光纤。
7.根据权利要求1所述的全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一谐振腔掺杂增益光纤的几何尺寸纤芯直径不小于所述第二谐振腔掺杂增益光纤的几何尺寸纤芯直径，二者纤芯的数值孔径相同或者接近。
8.根据权利要求1所述的全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述泵浦合束器为基于单模光纤或多模光纤的波分复用合束器，或者，所述泵浦合束器为由熔融拉锥工艺制作的(1+1)X1或(2+1)X1或(N+1)X1泵浦合束器。
9.根据权利要求1所述的全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述泵浦合束器的位置由介于所述模场匹配器和第一谐振腔掺杂增益光纤之间变换为介于所述第一谐振腔掺杂增益光纤和第一谐振腔第二反射镜之间，泵浦合束器输出端连接第一谐振腔掺杂增益光纤；或者，设有另一个或多个泵浦源和泵浦合束器，多个泵浦源及泵浦合束器构成第一谐振腔掺杂增益光纤的双向泵浦或串接泵浦，多个泵浦源的泵浦光波长和功率相同或不同。
10.根据权利要求1所述的全光纤被动调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一谐振腔的第一波长激光的波长为1035nm，对应的第二谐振腔的第二波长激光的波长为1064nm；或者，所述第一谐振腔的第一波长激光的波长为1535nm，对应的第二谐振腔的第二波长激光的波长为1650nm。
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