CN103094828A - 基于声波的激光宽调谐方法及光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声波的激光宽调谐方法及光纤激光器，其解决了现有机械式调谐光纤激光器调谐范围较小、调谐速度慢、耦合损耗较大、输出功率和调谐效率较低、稳定性和可靠性降低以及结构复杂、成本高、不易于集成化的问题。本发明利用声波与光纤布拉格光栅(FBG)作用产生非机械式的波长调谐方式。本发明激光器输出波长的调谐不依赖于器件，声波作用于FBG的有效长度、FBG的长度以及声波诱导FBG产生反射光谱的变化是影响调谐带宽的关键参数，可获得宽的调谐范围，实验获得可调谐带宽大于100nm；调谐速度快，调谐速度大于100KHz；输出功率高；结构简单紧凑、成本低、易于集成化。

Description

基于声波的激光宽调谐方法及光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，具体涉及一种基于声波的激光宽调谐方法及光纤激光器。

背景技术

自从20世纪60年代Snitzer报道了在玻璃基质中掺激活钕离子所制成的光纤激光器问世以来，光纤激光器因其可容强泵浦，兼容性好，制作简便，抗电磁干扰，转换效率高，线宽窄，输出光束质量好，可靠性高，波长容易选择，可调谐等优点，得到了很快的发展，在光学数据存储、光学通信、传感技术、激光加工、光谱和医学应用等多种领域都有广泛地应用。

尽管光纤激光器很容易实现调谐，但现有研究都主要集中在机械式调谐方式的研究，例如在腔内加入法布里-珀罗滤波器、声光滤波器、光纤布拉格光栅(FBG)的轴向拉伸调谐、轴向压缩调谐和悬臂梁(简支粱)调谐、光纤环镜、萨格纳克(Sagnac)干涉仪、偏振器件等波长选择器件。这些调谐方式最大的局限性是采用光学元器件的插入和机械式的调谐，这些因素导致了激光器的耦合损耗较大、输出功率和调谐效率较低、调谐范围较小、调谐速度慢、稳定性和可靠性降低以及结构复杂、成本高、不易于集成化。因此阻碍了它在光通信领域和光谱分析领域的广泛应用。

发明内容

本发明提供了一种基于声波的光纤激光器，其解决了现有机械式调谐光纤激光器调谐范围较小、调谐速度慢、耦合损耗较大、输出功率和调谐效率较低、稳定性和可靠性降低以及结构复杂、成本高、不易于集成化的问题。

本发明的技术解决方案是：

基于声波的激光宽调谐方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1】将泵浦光耦合进激光器激光腔中的FBG，产生激光，激光在激光腔内产生谐振；

2】将声波耦合进激光器中的FBG中，产生可调谐的激光；声波速度为V，声波频率为F；

3】激光器输出激光的波长

z∈[0,L_eff]，

c为光在真空中的速度，η为FBG纤芯光功率效率，Δn为FBG折射率变化量，n₀为FBG纤芯的本征折射率，n为FBG折射率，R为FBG的反射率，n_eff为FBG有效折射率，L_eff为激光器的有效腔长；

4】用光谱仪检测激光器的输出波长，通过调整声波速度V，声波频率F，获得所需要的输出波长。

步骤2】将声波耦合进FBG的方法是，声波经声波换能器转换后通过粘接于FBG一端的喇叭耦合进FBG。

上述激光器是光纤掺铒激光器。

上述声波换能器的驱动电压为最大值。

基于声波的光纤激光器，包括设置于激光腔内的FBG、激光腔外的WDM、LD泵浦源，其特殊之处在于：所述激光器还包括设置在激光腔外的声波信号发生器、声波换能器、喇叭，喇叭一端与声波换能器固定连接，喇叭另一端与FBG一端固定连接，所述声波信号发生器产生的声波作用于声波换能器，经喇叭将声波耦合进FBG。

上述喇叭一端与声波换能器粘接，喇叭另一端与FBG一端粘接。

上述喇叭是圆锥形喇叭，所述圆锥形喇叭的大口端粘接于声波换能器。

上述圆锥形喇叭是硅胶圆锥形喇叭。

上述声波换能器是压电陶瓷声波换能器。

上述激光器是光纤掺铒激光器。

本发明的原理是：基于光纤布拉格光栅中声-光超晶格作用基本机理，利用声波与光纤布拉格光栅(FBG)作用产生非机械式的波长调谐方式。采用声波作用于FBG产生的相位调制，在产生的应力作用下，使得FBG的有效折射率、光栅周期发生改变，从而使得FBG反射波长发生变化。这一结果使得激光器腔长发生变化，从而达到输出波长调谐的目的。

本发明的优点在于：

（1）本发明是非机械的调谐方式，激光器输出波长的调谐不依赖于器件，声波作用于FBG的有效长度、FBG的长度以及声波诱导FBG产生反射光谱的变化是影响调谐带宽的关键参数，可获得宽的调谐范围。

（2）通过声波作用的激光器，利用掺铒光纤作为激光器增益介质，调谐范围大，实验获得可调谐带宽大于100nm；调谐速度快，调谐速度大于100KHz；输出功率高；结构简单紧凑、成本低、易于集成化。

附图说明

图1：本发明的结构示意图；

图2：本发明的基本原理图。

具体实施方式

本发明原理如下：基于光纤布拉格光栅中声-光超晶格作用基本机理，利用声波与光纤布拉格光栅(FBG)作用产生非机械式的波长调谐方式。采用声波作用于FBG产生的相位调制，在产生的应力作用下，使得FBG的有效折射率、光栅周期发生改变，从而使得FBG反射波长发生变化。这一结果使得激光器腔长发生变化，从而达到输出波长调谐的目的。

本发明的激光器的输出波长的调谐因素推导过程如下：

FBG的反射波长（也叫有效调制波长）λ_B=2n_effΛ    　　　（1）

式（1）中，n_eff为FBG有效折射率，Λ为光栅周期。

在声波作用下，光栅周期Λ=λ_AO（2）

式（2）中，λ_AO为声波波长，

又因为 ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{AO}}=\frac{V}{F}---\left(3\right)$

式（3）中，F为声波频率，V为声波速度，

将（2）（3）式代入（1）式，可以得出FBG的有效调制波长

由式（4）可见，声波频率F、声波速度V改变了FBG的反射波长（有效调制波长）λ_B。

激光器的有效腔长L_eff等于FBG的有效长度L_B与激光器中其它光学器件的厚度总和Lo之和，

即L_eff=L_B+Lo，    (5)

且 $L_B=\frac{{\mathrm{\λ}}_B\sqrt{R}}{\mathrm{\η\π\Δn}}=\frac{2n_{\mathrm{eff}}V\sqrt{R}}{\mathrm{F\η\π\Δn}}---\left(6\right)$

式（6）中，R、η以及Δn分别为FBG的反射率、纤芯光功率效率以及折射率变化量，当FBG选定后，R、η以及Δn为定值。

由式（5）（6）可见，激光器的有效腔长L_eff随FBG的反射率R、纤芯光功率效率η、折射率变化量Δn以及FBG反射波长λ_B的变化而变化，因此，不同的声波参数，产生了不同的激光器腔长，这就意味着激光器的腔长是个动态变化的量。

又因为，n为FBG折射率，Δn为折射率变化量，n₀为FBG纤芯的本征折射率，满足式(7)的关系：

$n=n_0-\mathrm{\Δn}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}z\right)=n_0-\mathrm{\Δn}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\πF}}{V}z\right),z\∈[0,L_{\mathrm{eff}}]---\left(7\right)$

z为声波作用在FBG上的长度；由式（7）可见，FBG的折射率变化量Δn受到声波频率F、声波速度V影响而产生变化。

由于激光器输出激光的波长λ满足

(8)，其中，c为光在真空中的速度，

将式（4）、（7）带入式（8）可得到激光器输出激光的波长为

$\mathrm{\λ}=\frac{c^2\mathrm{\η\π\ΔnF}}{4n_{\mathrm{eff}}V\sqrt{R}[n_0-\mathrm{\Δn}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}z\right)]},z\∈[0,L_{\mathrm{eff}}]---\left(9\right)$

由(9)式明显看到，本发明的激光器的输出波长调谐因素主要与声波的参数以及FBG的参数有关。声波的参数包括声波频率F、声波速度V；FBG的参数包括纤芯的本征折射率n₀、FBG的折射率变化量Δn、FBG折射率n、FBG纤芯光功率效率η、光栅周期Λ、FBG的反射率R和FBG有效折射率n_eff。当FBG器件选定后，纤芯的本征折射率n₀、FBG折射率n、FBG纤芯光功率效率η、FBG的反射率R和FBG有效折射率n_eff均为定值，因此只需要调节声波的参数即可实现输出波长调谐。

本发明可以使用以下具体的结构来实现激光器输出波长的快速宽调谐，基本结构如图1所示。

该激光器主要包括设置于激光腔内的FBG（光纤布拉格光栅）、设置于激光腔外的WDM（带通波分复用器）、LD泵浦源、声波信号发生器、压电陶瓷圆盘声波换能器、硅胶圆锥形喇叭等。激光器优选掺铒光纤激光器。

LD泵浦源产生泵浦光，WDM带通波分复用器将泵浦光耦合进FBG的一端；声波信号发生器驱动压电陶瓷圆盘声波换能器，硅胶圆锥形喇叭粘接到FBG的一端，压电陶瓷圆盘声波换能器激励的声波经由硅胶圆锥形喇叭耦合进FBG的一端；耦合声波的一端与耦合泵浦光的一端可以是同一端，也可以是不同端。然后利用耦合进去的声波脉冲与FBG相互作用，改变了FBG的光栅周期，使得FBG的反射波长发生变化，从而产生非机械式的波长调谐。

本发明的可调谐宽度可以通过改变FBG长度、声波作用有效长度、不同的声波宽度、幅度、频率(1MHz、20MHz、40MHz、80MHz)及功率、声波-光波之间的时间差等关键参数来实现。

本发明的可调谐速度依赖于声光脉冲间的时间差、声波脉冲的宽度、幅度及频率。当声光脉冲间的时间差缩短、或者声波脉冲宽度减小时，可调谐速度快，当声波脉冲的幅度增加或者频率增加时，可调谐速度减慢。

Claims (10)

1.基于声波的激光宽调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】将泵浦光耦合进激光器激光腔中的FBG，产生激光，激光在激光腔内产生谐振；

2】将声波耦合进激光器中的FBG中，产生可调谐的激光；声波速度为V，声波频率为F；

3】激光器输出激光的波长 $\mathrm{\λ}=\frac{c^2\mathrm{\η\π\ΔnF}}{4n_{\mathrm{eff}}V\sqrt{R}[n_0-\mathrm{\Δn}{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\πF}}{V}z\right)]},z\∈[0,L_{\mathrm{eff}}],$

c为光在真空中的速度，η为FBG纤芯光功率效率，Δn为FBG折射率变化量，n₀为FBG纤芯的本征折射率，n为FBG折射率，R为FBG的反射率，n_eff为FBG有效折射率，L_eff为激光器的有效腔长；

4】用光谱仪检测激光器的输出波长，通过调整声波速度V，声波频率F，获得所需要的输出波长。

2.根据权利要求1所述的基于声波的激光宽调谐方法，其特征在于，步骤2】将声波耦合进FBG的方法是，声波经声波换能器转换后通过粘接于FBG一端的喇叭耦合进FBG。

3.根据权利要求1或2所述的基于声波的激光宽调谐方法，其特征在于，所述激光器是光纤掺铒激光器。

4.根据权利要求3所述的基于声波的激光宽调谐方法，其特征在于，所述声波换能器的驱动电压为最大值。

5.基于声波的光纤激光器，包括设置于激光腔内的FBG、激光腔外的WDM、LD泵浦源，其特征在于：所述激光器还包括设置在激光腔外的声波信号发生器、声波换能器、喇叭，喇叭一端与声波换能器固定连接，喇叭另一端与FBG一端固定连接，所述声波信号发生器产生的声波作用于声波换能器，经喇叭将声波耦合进FBG。

6.根据权利要求5所述的基于声波的光纤激光器，其特征在于：所述喇叭一端与声波换能器粘接，喇叭另一端与FBG一端粘接。

7.根据权利要求6所述的基于声波的光纤激光器，其特征在于：所述喇叭是圆锥形喇叭，所述圆锥形喇叭的大口端粘接于声波换能器。

8.根据权利要求5所述的基于声波的光纤激光器，其特征在于：所述圆锥形喇叭是硅胶圆锥形喇叭。

9.根据权利要求5所述的基于声波的光纤激光器，其特征在于：所述声波换能器是压电陶瓷声波换能器。

10.根据权利要求5所述的基于声波的光纤激光器，其特征在于：所述激光器是光纤掺铒激光器。

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