CN103259174B - 可调谐差频thz光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可调谐差频THZ光纤激光器，光纤环形镜、双包层非掺杂光纤、双包层掺杂光纤、波分复用器的复用端依次熔接，波分复用器的泵浦端与泵浦源熔接，波分复用器的信号端与第二光纤环形镜熔接，第二光纤环形镜与输出尾纤相连；第一光纤环形镜的第2臂与准直透镜中心共线，且第一光纤环形镜第2臂出光端点位于准直透镜的前焦点，第一光功率计和第二光功率计分别连接自动频率控制电路；输出尾纤、聚焦透镜、THz差频晶体、滤波片、THz波透镜和THz波探测器依次共线排列。压电陶瓷连接射频电源。本发明的可调谐差频THZ光纤激光器不仅具有设备简单、结构紧凑、可室温运转，且具有稳定性和可靠性高、波束质量好等优点。

Description

可调谐差频THZ光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种光纤激光器，特别是一种可调谐差频THZ光纤激光器。

背景技术

太赫兹波（Terahertz Wave，THz wave），是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波（1THz=10¹²THz），其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间（30μm-3mm，所以亦有文献称其为亚毫米波），是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域。太赫兹波频段是一个非常具有科学研究价值但尚未充分研究开发的电磁辐射区域。由于物质的THz光谱包含有非常丰富的物理和化学信息，研究物质材料在这一波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义。

利用非线性光学差频方法产生THz辐射的最大优点是没有阈值，实验设备简单，结构紧凑，可室温运转。并可产生空间和时间相干性好、窄带宽、频率可连续调谐、高平均功率的THz波辐射,从而使其在分子高精细光谱、材料分析、固体物理、生物科学、食品检验、通信等研究领域都具有重要研究价值和实用意义。

差频方法产生THz波的关键技术在于如何获得功率较高、波长相近的差频抽运源(两波长相差一般不大于10nm),以及选择具有较大的二阶非线性系数、并在THz波频段内吸收系数小的非线性差频晶体。为了产生腔外差频,不仅需要这两个波长同时振荡,并且输出强度(单位时间输出的的光子数)应基本相等。在实验中,实现这两个波长同时振荡并非难事,但要使这两个波长输出功率达到接近功率输出却并非易事。

目前，差频法产生THz波的研究大都在集中在固体激光器领域，通过提取不同的分裂谱线的方法获得小波长间隔激光输出，然后利用非线性差频晶体产生腔外差频。在小波长间隔双波长激光功率控制方面主要有两种方法，其一是在腔内增加布儒斯特窗片,由于不同波长的布儒斯特角是不同的,通过调节布氏片的倾角细调两个波长的损耗，改变某波长的损耗自然可以改变该波长的输出比例；其二就是通过改变反射镜和输出镜的反射率，在调整过程中不仅要针对不同波长改变输出镜的透射率，有时还必须调整反射镜的反射率，使两波长通过腔镜获得相同的正反馈。这两种方法都比较复杂，实现起来有很大的难度，而且效果不很理想。

光纤激光器以其体积小、效率高、稳定性好、光束质量好等优点，发展十分迅速，目前在THz波激光器研究领域尚未见差频法实现太赫兹波光纤激光器的报道。

发明内容

针对目前现有小波长间隔激光器中所存在的问题，本发明的目的在于，提供一种可调谐差频THZ光纤激光器，该激光器采用光纤环形镜作为腔镜，其中一端采用耦合比为50：50的光纤环形镜作为宽谱全反射镜，另一端采用采用耦合比远离50：50的光纤环形镜作为输出镜，在光纤激光器内接入一个全光纤结构的射频调制的滤波器，当滤波器的吸收谱与有源光纤的增益谱中心重叠时，滤波器的吸收谱就形成对有源光纤的增益谱调制作用，其结果使调制后的增益谱由过去的单峰谱变为类似于驼峰状的双峰谱，如果这两个净增益谱的峰值高度相同，在宽谱反射镜的作用下，所激发的激光波长就会形成双波长输出。当控制滤波器的吸收谱，使其吸收谱展宽，所形成的驼峰状的净增益谱的双峰间隔变大，所形成的双波长间隔可调谐激光输出。同时利用耦合比为50：50光纤环形镜的第2端口对激光器两波长的输出功率进行监测，利用监测数据通过对射频电源输出频率进行反馈控制，改变插入吸收谱中心波长，使得两波长的净增益相同，实现光纤激光器双波长等功率输出控制。然后利用光学差频技术对这两个波长间隔较小、输出功率相当的激光输出进行差频，获得可调谐太赫兹波激光输出。

一种可调谐差频THZ光纤激光器，包括第一光纤环形镜、光纤固定牵拉支架、三角形振动传递器、压电陶瓷PZT、垫块、射频电源、双包层非掺杂光纤、双包层掺杂光纤、波分复用器WDM、泵浦源、第二光纤环形镜、输出尾纤、准直透镜、反射光栅、第一光功率计、第二光功率计、自动频率控制电路、聚焦透镜、THz差频晶体、滤波片、THz波透镜和THz波探测器；其中，所述光纤环形镜的第1臂、双包层非掺杂光纤、双包层掺杂光纤、波分复用器WDM的复用端首尾相连依次熔接，波分复用器WDM的泵浦端与泵浦源熔接，波分复用器WDM的信号端与第二光纤环形镜的第1臂熔接，第二光纤环形镜的第2臂与输出尾纤相连；第一光纤环形镜的第2臂与准直透镜中心共线，且第一光纤环形镜的第2臂出光端点位于准直透镜的前焦点，反射光栅倾斜45度放置在第一光纤环形镜的第2臂的出射光的准直光路上，反射光栅出射的两路光分别入射到第一光功率计和第二光功率计，第一光功率计和第二光功率计分别连接自动频率控制电路，自动频率控制电路的输出端连接射频电源；所述输出尾纤、聚焦透镜、THz差频晶体、滤波片、THz波透镜和THz波探测器依次共线排列。所述光纤固定牵拉支架包括左瓣和右瓣，所述左瓣和右瓣之间通过刚性支撑架连接，左瓣、右瓣外弧上均刻有多个平行的槽；双包层非掺杂光纤绕在光纤固定牵拉支架外部的槽中并拉紧，三角柱支架置于压电陶瓷上，压电陶瓷底部设垫块使得三角柱支架顶部的棱接触双包层非掺杂光纤；所述压电陶瓷连接射频电源。

所述左瓣、右瓣均为半圆柱、半椭圆柱或矩形带半圆柱。

所述左瓣、右瓣上相邻的槽间距为2mm～5mm，槽深等于双包层非掺杂光纤外包层半径。

所述三角柱支架的顶角以30°～60°。

所述双包层非掺杂光纤在光纤固定牵拉支架外部缠绕4圈，每圈间距2mm。

所述第一光纤环形镜耦合比为50：50；第二光纤环形镜是谐振腔的输出端，耦合比为α：（1-α），其中R为第二光纤环形镜的反射率。

所述刚性支撑架的一个侧面与左瓣、右瓣之间分别设置有微位移器。

所述双包层非掺杂光纤选择5/125μm的非掺杂双包层光纤，纤芯数值孔径为0.15，内包层数值孔径为0.46，光纤长度取3m。

所述压电陶瓷为80*15*1mm的长方片。

所述THz差频晶体采用尺寸为6mm×6mm×16mm的ZGP晶体。

本发明采用射频调谐的方式以超声振动形成周期可调的长周期光纤光栅，并采用光纤拉力调整实现激光增益与多吸收陷波方式实现光纤激光器小间隔可调谐双波长输出，又以功率反馈控制方式通过调节射频输出频率的方式实现双波长等功率输出，再经过THz差频晶体差频后生成可调谐THz波激光输出。本发明不仅具有设备简单、结构紧凑、可室温运转，且具有稳定性和可靠性高、波束质量好等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为吸收光谱测试结构示意图。

图3为带有两个微位移器的光纤固定牵拉支架的结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为带有一个微位移器的光纤固定牵拉支架的结构示意图。

图6为图5的俯视图。

图7为微位移器控制电压与THz波频率输出关系图。

以下结合附图和具体实施实例对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的可调谐差频THZ光纤激光器，包括第一光纤环形镜1、光纤固定牵拉支架2、三角形振动传递器3、压电陶瓷PZT4、垫块5、射频电源6、双包层非掺杂光纤7、双包层掺杂光纤8、波分复用器WDM9、泵浦源10、第二光纤环形镜11、输出尾纤12、准直透镜13、反射光栅14、第一光功率计15、第二光功率计16、自动频率控制电路17、聚焦透镜18、THz差频晶体19、滤波片20、THz波透镜21和THz波探测器22；其中，所述光纤环形镜1的第1臂、双包层非掺杂光纤7、双包层掺杂光纤8、波分复用器WDM9的复用端首尾相连依次熔接，波分复用器WDM9的泵浦端与泵浦源10熔接，波分复用器WDM9的信号端与第二光纤环形镜11的第1臂熔接，第二光纤环形镜11的第2臂与输出尾纤12相连；第一光纤环形镜1的第2臂与准直透镜13中心共线，且第一光纤环形镜1的第2臂出光端点位于准直透镜13的前焦点，这样第一光纤环形镜1的第2臂的出射光，也称背向监测光，被准直成直线光；反射光栅14倾斜45度放置在该准直光路上，由于背向监测光中包含两种不同波长的光，当其入射到反射光栅14后将发生色散，使得两种波长的光将沿不同路线行进，第一路也即波长为λ₁的光波入射到第一光功率计15，第二路也即波长为λ₂的光波入射到第二光功率计16，第一光功率计15和第二光功率计16分别连接自动频率控制电路17，自动频率控制电路17的输出端连接射频电源6。；所述输出尾纤12、聚焦透镜18、THz差频晶体19、滤波片20、THz波透镜21和THz波探测器22依次共线排列。

本发明的可调谐差频THZ光纤激光器从原理上分为四个部分，分别是光纤激光器主体、可调谐滤波器、等功率控制器、非线性差频部分。

一、光纤激光器主体

光纤激光器主体由谐振腔、增益光纤、泵浦部分和辅助光纤组成。

谐振腔：由第一光纤环形镜1和第二光纤环形镜11组成，其中，第一光纤环形镜1是谐振腔的输入端，其是将2×2的熔锥型宽带光纤耦合器的两输出端口光纤熔接在一起形成的无源器件，耦合比为50：50，其作用相当于全反射镜，要求反射率大于等于95%；第二光纤环形镜11是谐振腔的输出端，耦合比为α：（1-α），其中（R为输出镜的反射率），其作用相当于输出镜，其反射率的大小可根据设计需求通过耦合比进行调整。入射光由2X2熔锥型宽带光纤耦合器分束后形成沿顺时针方向和逆时针方向传输的两束光，后者较前者有90°的位相延迟，当光束环行一周后再次经耦合器分束时，输出端中来自逆时针方向贡献的光波较来自顺时针方向贡献之光波相位总延时为180°[曹雪，李新营,et al.(2009)."基于光纤环形镜的光纤激光器的优化设计."光通信技术07.]。不考虑耦合器的附加损耗，第二光纤环形镜11的耦合比为α：（1-α），当α=0.5时，输出端中两种贡献的光波将出现相消干涉，根据能量守恒原理，全部输入光能将由入射端输出，由于两个方向的光行进的介质完全相同其反射特性表现为波长无关，故而其可以作为一个宽谱全反射镜，充当光纤激光器的端镜；当α≠0.5时，相当于一个反射率为R=4α（1-α）的宽谱反射镜，其相当于本发明的光纤激光器的输出镜。由于端镜和输出镜都采用的是宽谱反射镜，当增益光纤中净增益谱出现双峰结构时，这样激光就可实现双波长激光输出。

增益光纤：即双包层掺杂光纤8，其可以采用现有的任一种具有较宽增益谱的双包层单模光纤，只要能够满足增益光纤的增益谱比可调谐滤波器的吸收谱宽，而且二者共同作用后的净增益谱呈双峰结构即可。实施时需要考虑激光器的输出模式，选择相应的纤芯尺寸和纤芯数值孔径；根据光纤对泵浦的吸收情况，确定需要选用双包层掺杂光纤8的内包层尺寸、包层吸收率、光纤长度。

辅助光纤：即双包层非掺杂光纤7，其结构尺寸须与增益光纤即双包层掺杂光纤8完全匹配，这样便于熔接且损耗较小。

泵浦部分：用于提供激光器工作所需能量，由泵浦源10和波分复用器9构成。泵浦源10采用带尾纤输出的半导体激光器，其输出波长需要满足增益光纤所要求的泵浦波长，然后根据本发明的激光器要求的输出功率大小选择相应的泵浦功率。泵浦光由泵浦源10输出，经过波分复用器9耦合进双包层掺杂光纤8的内包层，然后再从该内包层源源不断输送到双包层掺杂光纤8的纤芯中，为纤芯中的激光工作物质提供泵浦能量，激光工作物质在泵浦光的作用下激发荧光，如果此时在激光工作物质两端增加反射镜、光栅等提供一定的光反馈就可以形成激光输出，激光输出的输出波长由反射谱和增益谱共同作用的结果所决定，对于光纤光栅作为反射镜时，由于是窄谱反射，输出波长就是光纤光栅的反射波长（当然该波长必须落在增益谱内，最好在高增益区），对于宽谱反射镜，在高反射率波长区间内，最高增益波长就是最终获得的激光输出波长。当净增益谱呈现双峰结构且腔镜的反射谱为宽谱反射时，将会对双峰所对应波长提供相同的正反馈，形成双波长激光输出。

二、可调谐滤波器

参见图1-图6，可调谐滤波器包括光纤固定牵拉支架2、三角柱支架3、压电陶瓷PZT4、垫块5、射频电源6和双包层非掺杂光纤7。可调谐滤波器就是采用射频调谐的方式以超声振动在双包层非掺杂光纤7中形成周期可调的长周期光纤光栅实现激光增益谱中心陷波的方式实现光纤激光器小间隔双波长输出，双包层非掺杂光纤7既是光纤激光器光通道，也是调谐器件。所述光纤固定牵拉支架2包括左瓣27和右瓣28，所述左瓣27和右瓣28之间通过刚性支撑架29连接且两者距离（即刚性支撑架29的长度）为8cm～30cm；左瓣27、右瓣28均为外弧内平的柱体，具体可以是半圆柱、半椭圆柱或矩形带半圆柱，左瓣27、右瓣28的柱长以能满足光纤盘绕为原则，左瓣27、右瓣28外弧上均刻有多个平行的槽31，相邻的槽31间距为2mm～5mm，槽深为双包层非掺杂光纤7外包层半径，即保证双包层非掺杂光纤7放于其中可露出一半，在左瓣27、右瓣28顶部设有用于压紧固定双包层非掺杂光纤7的压条30。

可调谐滤波器所采用的滤波介质采用结构尺寸与增益光纤完全匹配的双包层非掺杂光纤7，这样便于熔接且损耗较小。将双包层非掺杂光纤7绕在光纤固定牵拉支架2的外部的槽31中并拉紧，盘绕1-8圈，然后将三角柱支架3放置在压电陶瓷PZT4上，压电陶瓷PZT4底部加垫垫块5使三角柱支架3顶部的棱接触双包层非掺杂光纤7，形成类似于古琴的琴弦及支架结构。三角柱支架3的顶角以30°～60°为佳。三角柱支架3、压电陶瓷4、垫块5构成振动产生及振动能量传递部分。压电陶瓷PZT4连接射频电源6。

参见图3、图4，所述刚性支撑架29的一个侧面与左瓣27、右瓣28之间分别设置有一个微位移器26，微位移器26的作用是通过调整自身的伸缩量来调整刚性支撑架29的侧面与左瓣27、右瓣28之间的间隔。当改变微位移器26的伸缩量，使得原本平行的左瓣27、右瓣28的同一端向外被顶出形成微“八”字型，这样就使得盘绕在光纤固定牵拉支架2的双包层非掺杂光纤7所受拉力增大，靠近微位移器26一端的拉力变化最大，改变双包层非掺杂光纤7所受拉力会改变射频调谐长周期光纤光栅的光栅周期，从而引起吸收谱的中心波长，盘绕在光纤固定牵拉支架2外的每圈光纤的吸收谱叠加的结果将会导致总吸收谱发生展宽，其结果将引起驼峰结构的净增益谱的双峰间距增大，也即引起双波长输出的波长间隔增大，形成微位移可调谐双波长激光输出。

参见图5、图6，也可以在所述刚性支撑架29的一个侧面与左瓣27或者与右瓣28之间设置微位移器26，调整微位移器26的伸缩量能够达到该侧面两端均设有微位移器26的同样效果。

在可调谐滤波器的上述结构中，缠绕在光纤固定牵拉支架2外部的双包层非掺杂光纤的圈数越多，吸收谱的深度越深，可调谐的范围也越大，调谐也更灵敏，一般可根据增益介质的增益谱的宽窄与强度、可调谐的范围及调谐灵敏度选择适当的圈数，以达到增益谱与吸收谱共同作用后，呈现宽窄可调谐双峰结构的净增益谱为原则。

在该结构中，模耦合效果与射频振动的强度和光纤直径有关，振动能量越多，耦合效率越高，光纤越细耦合效果越明显，特别是当取掉双包层非掺杂光纤7的外包层后，耦合效果明显加强，究其原因在于外包层为树脂材料，将其去掉后留下的纤芯和内包层材料均为石英玻璃，振动效果明显加强，吸收深度也增强很多，这样可以减小对射频电源6输出功率的要求。可采用热剥除或化学腐蚀的方法将光纤固定牵拉支架2的左瓣27、右瓣28之间的光纤的外包层剥除，以其获得较强的模式的耦合效果和较大的吸收深度。

在该结构中，吸收中心波长与射频频率变化量呈线性关系，其满足

λ＝λ₀+kΔf

式中λ为吸收中心波长，Δf为射频频率变化量，λ₀为测量基准波长，也就是Δf=0所对应的吸收中心波长，k为吸收中心波长随射频频率变化的斜率，其除了与光纤纤芯和内包层结构参数有关外，还和光纤的力学特性有关，k取值范围大约在-0.1～-1nm/KHz，随着射频频率的增加，吸收中心波长会发生蓝移。

三、等功率控制器

等功率控制器用来对射频电源6反馈控制实现光纤激光器双波长输出功率相等。等功率控制器包括准直透镜13、反射光栅14、第一光功率计15、第二光功率计16和自动频率控制电路17，其中，第一光纤环形镜1的第2臂与准直透镜13中心共线，并将第一光纤环形镜1的第2臂出光端点置于准直透镜13的前焦点，这样第一光纤环形镜1的第2臂的出射光，也称背向监测光，被准直成直线光，将反射光栅14倾斜45度放置在准直光路上，由于背向监测光中包含两种不同波长的光，当其入射到反射光栅14后将发生色散，使得两种波长的光将沿不同路线行进，第一路也即波长为λ₁的光波入射到第一光功率计15，第二路也即波长为λ₂的光波入射到第二光功率计16，第一光功率计15和第二光功率计16分别连接自动频率控制电路17，自动频率控制电路17的输出端连接射频电源6。

一般情况下，作为全反射镜的第一光纤环形镜1的第2臂悬空不用，虽然从理论上讲第一光纤环形镜耦合比为50：50，实际上第2臂依然有少量的激光输出，该端口输出由准直透镜13准直后送到反射光栅14，反射光栅14将两个不同波长的光分开，分别将波长为λ₁的光送到第一光功率计15、将波长为λ₂的光送到第二光功率计16，两者测得的功率送自动频率控制电路17，通过比较两光功率计测得两波长对应得输出功率，以反馈方式控制射频电源6的输出频率，稳定控制净增益谱的双峰具有相同强度，实现双波长等功率输出。

自动频率控制电路17是一个比较简单和成熟的电路，简称AFC电路，它可以是射频电源6内部的一个用于产生振荡的控制电路——电压控制震荡器，是一个频率受电压控制的振荡器频率；如果射频电源6是一个可控射频电源，AFC电路17是一个独立的部件，用于提供射频电源6的频率控制信号。

四、非线性差频部分

非线性差频部分包括聚焦透镜18、THz差频晶体19、滤波片20、THz波透镜21，所述导光尾纤12、聚焦透镜18、THz差频晶体19、滤波片20、THz波透镜21和THz波探测器22依次共线排列（如图1所示）。在光纤激光器主体部分产生的等功率小间隔双波长激光经输出尾纤12输出后，由聚焦透镜18送至THz差频晶体19，经过非线性差频效应将两个小间隔波长激光输出进行差频后生成THz波，设双波长激光波长分别为λ₁和λ₂，则差频输出波长λ_out和频率ν_out分别为：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{out}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1}$

$v_{\mathrm{out}}=c(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2})$

然后经过滤波片20将非THz波滤除，最后经THz波透镜21将差频产生的THz波输出，或者送往THz波探测器22进行检测。

聚焦透镜18选用非球面透镜或者采用平凸透镜。THz差频晶体19采用GaSe晶体和ZGP晶体。滤波片20采用THz带通滤波片。THz波透镜21的作用为整形输出。

差频方法产生THz辐射的最大优点是没有阈值，实验设备简单，结构紧凑，可室温运转。与其他方法（如光整流和光电导方法）相比，可以产生较高功率的THz波辐射，且不需要价格昂贵的泵浦装置。目前差频方法产生THz辐射技术关键有两个方面，一是获得输出功率高、波长比较接近的差频泵浦光（两波长间隔视其所在波段范围所定，一般在几到十几个nm左右），二是获得具有较大的二阶非线性系数，并在THz波范围内吸收系数小的非线性差频晶体，以及选择在此差频晶体中可满足相位匹配条件。

本发明中前述的光纤激光器主体部分、可调谐滤波器、等功率控制器已经获得了小波长间隔等功率双波长激光输出，为差频法产生THz辐射提供很好的差频泵浦光源。当光纤激光器中所选双包层掺杂光纤8为镱、钕等产生1μm附近的双波长激光输出时，采用GaSe晶体和ZnGeP₂（ZGP）晶体作为差频晶体均可获得很好的差频效果。GaSe晶体是一种负单轴晶体，透光范围较宽（0.62～20μm），具有较大的非线性系数（d₂₂=54pm/V）和较高的非线性品质因数，并且双折射效应显著，因而可以在很宽的波长范围内实现差频相位匹配。ZnGeP₂晶体是一种正单轴、黄铜矿结构晶体，具有非线性系数大，损伤阈值高（高达10J/cm²）、透明范围广（0.74～12μm，并可延伸至THz波频段）、相位匹配范围宽、机械特性和热导率良好、在THz波频段吸收系数小等特点，ZGP因其优异的非线性光学特性以及潜在的应用价值，被广泛用于产生高功率中、远红外辐射的非线性频率变换中。

本发明的可调谐差频THZ光纤激光器的工作原理如下：

当压电陶瓷4在射频电源6的驱动下，振动能量通过三角柱支架3的传递给双包层非掺杂光纤7，在该光纤中形成周期性振荡，导致双包层非掺杂光纤7纤芯折射率发生周期变化，形成长周期光纤光栅，产生以某一波长为中心的吸收谱，当该吸收谱与双包层掺杂光纤的增益谱中心重叠时，引起增益谱中心凹陷的驼峰结构，当激光器采用宽谱反射镜和输出镜时，将会产生与驼峰中心波长一致的双波长激光输出；当通过微位移器26调整光纤固定牵拉支架2上左瓣27、右瓣28之间的间隔时，会改变光纤所受拉力的大小，从而影响各圈光纤的中心吸收波长发生偏移，导致叠加吸收谱的展宽，使得双波长激光间隔加大，形成可调谐双波长激光；当第一光功率计14和第二光功率计15测量得到的双波长输出的功率P₁和P₂出现偏差时，通过功率监测结果对射频电源6进行反馈控制，当第一波长λ₁输出功率P₁>第一波长λ₂输出功率P₂时（设λ₁<λ₂），则减小射频电源6的输出频率，使陷波中心波长向短波反向移动，减小λ₁所对应的净增益谱的强度，使得两波长的输出保持相同功率，以便获得很好的差频效果。稳定控制净增益谱的双峰具有相同的强度，实现可调谐双波长等功率激光输出由导光尾纤12导出，再由聚焦透镜18送至THz差频晶体19生成THz波，经过滤波片20将非THz波滤除，最后由THz波透镜21将差频产生的THz波输出，或送往THz波探测器22进行检测。

本发明适应于所有掺杂的双包层光纤介质，针对不同的掺杂的双包层光纤介质的光纤激光器其主要差别在于：光纤激光器所选用的双包层掺杂光纤8不同，相应的泵浦源10要与之匹配，对应的射频电源6的输出频段也需要与之匹配，产生的双波长的间隔会有所差别，所选用的THz差频晶体19可能需要改变，差频后所得到的THz波的频率或波长自然会不一样。

实施例：

如图1所示，遵循本发明的上述技术方案，本实施例的可调谐差频THZ光纤激光器包括光纤激光器主体部分、可调谐滤波器、等功率控制器和非线性差频部分。

在本实施例中，以1080nm附近双波长输出作为示例，实现波长间隔从8nm～24nm连续可调，如果用这两个波长进行差频就可以获得大约2THz～6THz连续可调的亚毫米波输出，在该实施例中以掺钕光纤作为掺杂增益光纤8，其有三个增益区间，分别是1080nm、940nm和1320nm，其中以1080nm跃迁几率最大，增益谱也最强，增益谱也比较宽，从1040nm～1160nm都有较强的增益，增益最大值在1080nm，其前后沿并不对称。要实现差频THz激光输出，首先要实现双波长激光输出，为了获得良好的差频效果，还需要实现双波长等功率输出，这就要求在这两个波长点处要获得相同的净增益，具体通过两种方法实现，其一先做静态设计，在1080nm附近的吸收谱与增益谱叠加，获得相同净增益的就是要选择的静态工作点，也即设计射频电源6的射频输出频率；其二进行反馈控制，也就是根据实际输出进行动态反馈控制，根据两波长输出功率的差异来调整射频电源6的射频输出频率以改变吸收谱的中心频率，实现双波长等功率输出。

光纤激光器主体部分：

谐振腔：第一光纤环形镜1耦合比为50:50；第二光纤环形镜11耦合比为α：（1-α），其中，（R为输出镜的反射率），二者都是宽谱反射镜，其可适应于任何掺杂光纤和任何波长。制作光纤环形镜所用的非掺杂双包层光纤结构必须与增益光纤完全匹配。本实施例中选择R=20%，耦合比为94.7：5.3。

增益光纤：双包层掺杂光纤8选取5/125μm的掺钕双包层光纤，包层吸收率为1dB/m808nm，也即在808nm处包层吸收率为1dB/m，纤芯数值孔径为0.15，内包层数值孔径为0.46，光纤长度取15m。

辅助光纤：双包层非掺杂光纤7选择与双包层掺杂光纤8完全匹配的双包层非掺杂光纤，选取5/125μm的双包层非掺杂光纤，纤芯数值孔径为0.15，内包层数值孔径为0.46，光纤长度取3m。

泵浦部分：泵浦源10选择808nm的输出尾纤为100μm，最大输出功率为35W的半导体激光器。波分复用器9采用输出端与信号端均为6/125μm，泵浦端为100μm的(1+1*1)的波分复用器。

可调谐滤波器：双包层非掺杂光纤7选择与增益光纤相匹配的被动光纤，选取5/125μm的非掺杂双包层光纤，纤芯数值孔径为0.15，内包层数值孔径为0.46，光纤长度取3m。左瓣27、右瓣28均为矩形带半圆柱，左瓣27、右瓣28的柱长均为10cm，外弧直径均为4cm，矩形部分宽3cm，微位移器26采用电致伸缩微位移器，其连接有直流电源。刚性支撑架29长度10cm，刚性支撑架29的一个侧面与左瓣27、右瓣28之间分别设置有一个微位移器26（参见图3、图4），可调谐滤波器的装配过程如下：

第一步，将光纤固定牵拉支架2按图3、图4所示结构装配，微位移器26共有6块，左右各3块上下堆叠放置；尺寸为7×7×32.5mm，标称位移为45μm（也即微位移器26上所加电压0～150V驱动下的位移行程为0～45μm）。

第二步：将双包层非掺杂光纤7缠绕在光纤固定牵拉支架2的左瓣27、右瓣28外的槽31内，共缠绕5圈，标出光纤缠绕时隔段的位置，特别是缠绕的上部需要弦振的部分，然后将光纤取下，采用化学腐蚀将弦振部分光纤的外包层剥除，再按之前所做标记重新将双包层非掺杂光纤7缠绕在光纤固定牵拉支架2的左瓣27、右瓣28外的槽31内，缠绕时需保证各根光纤所受拉力相同，然后使用压条30将光纤压紧；

第三步：调节垫块高度使三角柱支架3顶部的棱顶住双包层非掺杂光纤7上，且刚好吃上力，并将其放置于靠近左瓣27的位置，这样压电陶瓷PZT4受射频电源6的驱动产生振动，振动能量通过三角形振动传递器传递给双包层非掺杂光纤7，引起双包层非掺杂光纤7的振动，振动沿光纤从左向右传递，压电陶瓷4选择80*15*1mm长方片状结构。

第四步：射频电源6的振动频率的调谐范围需要预先测量，测量方法如图2示，从双包层非掺杂光纤7一端经由透镜24注入由宽谱光源23的宽谱光信号——该光源光谱范围应该包含双包层掺杂光纤8中掺杂元素的荧光谱，在双包层非掺杂光纤7的另一端放置光谱仪25，测量并记录吸收中心在1080nm时的射频输出频率，并将该激光器的射频电源启动振动固定于该频率处，吸收谱测量时发现射频输出频率为2.5MHz时，吸收谱的吸收中心大约在1080nm处；

第五步：调节微位移器26，观察射频输出引起的振动所产生的吸收谱的变化，增加电致伸缩微位移器也即调节微位移器26的驱动电压，观察其位移变化后吸收谱的变化情况，当调节微位移器26上所加电压升高时，吸收谱逐渐变宽，λ₂和λ₁间隔加大，对输出波长产生影响。

等功率控制器：等功率控制器除了控制双峰输出功率一致以外，还有一项功能，就是在进行波长间隔调谐时，多根光纤吸收谱叠加后的吸收谱的中心波长会偏离增益谱的最大增益波长，导致两个波长的输出功率发生变化，通过等功率控制器改变射频电源6的输出频率将吸收谱的中心频率拉回，使得双波长输出具有相同的输出功率。等功率控制器采用反馈控制可随时控制增益谱与吸收谱叠加后呈现等净增益的双峰结构。

非线性差频部分：聚焦透镜18采用焦距为10cm的非球面透镜，其平面紧靠导光尾纤12；THz差频晶体19采用ZGP晶体，其中心置于聚焦透镜18的焦点位置；选用尺寸6mm×6mm×16mm，滤波片20采用中心通带为3THz，通带范围为0.3THz～15THz的THz带通滤波片，其紧靠THz差频晶体19放置；THz波透镜21采用焦距为10cm直径为3cm的平凸非球面THz透镜，其作用为整形输出，其前焦点与THz差频晶体19重合，也即与聚焦透镜18后焦点重合。

经以上完成本实施例的可调谐差频THZ光纤激光器的器件选择与测试，之后只需要将各部件按照图1所示结构进行装配，具体是将第一光纤环形镜第1臂、双包层非掺杂光纤、双包层掺杂光纤、波分复用器的复用端依次首尾相熔接，将泵浦源与波分复用器的泵浦端熔接，波分复用器的信号端与第二光纤环形镜第1臂熔接，第二光纤环形镜第2臂与输出尾纤熔接，熔接时要求纤芯对准。

通过增加电致伸缩微位移器也即本实施例中采用的低压压电陶瓷的驱动电压，会使得光纤固定牵拉支架2中的左瓣27、右瓣28靠近微位移器26一端向外张开，使靠近微位移器26一端所缠绕的光纤所受拉力增大，导致其吸收谱中心吸收波长向长波反向移动，缠绕的5圈光纤中，越靠近微位移器26的光纤拉力变化越大，吸收谱移动也最大，五圈光纤吸收谱叠加后就导致吸收谱变宽，引起净增益谱双峰间距增大，使得双波长激光输出间隔增大，两个输出波长中短波长向短波反向移动，长波长向长波反向移动。

本实施例中通过功率监测结果进行反馈控制，当第一波长λ₁输出功率P₁>第一波长λ₂输出功率P₂时（设λ₁<λ₂），则减小射频电源6的输出频率，使陷波中心波长向短波反向移动，减小λ₁所对应的净增益谱的强度，以反馈方式控制射频电源的输出频率，稳定控制净增益谱的双峰具有相同的强度，实现双波长等功率输出。

以可调谐双波长激光为泵浦源10聚焦于ZGP晶体中，进行差频即可获得可调谐THz激光，经THz透镜整形后获得2.4THz～7.2THz的连续可调太赫兹波输出。

图7为微位移器控制电压与太赫兹波输出频率关系图，随着微位移器控制电压的增大，太赫兹波输出频率逐渐增大。

Claims (10)

1.一种可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，包括第一光纤环形镜(1)、光纤固定牵拉支架(2)、三角柱支架(3)、压电陶瓷PZT(4)、垫块(5)、射频电源(6)、双包层非掺杂光纤(7)、双包层掺杂光纤(8)、波分复用器WDM(9)、泵浦源(10)、第二光纤环形镜(11)、输出尾纤(12)、准直透镜(13)、反射光栅(14)、第一光功率计(15)、第二光功率计(16)、自动频率控制电路(17)、聚焦透镜(18)、THz差频晶体(19)、滤波片(20)、THz波透镜(21)和THz波探测器(22)；其中，所述光纤环形镜(1)的第1臂、双包层非掺杂光纤(7)、双包层掺杂光纤(8)、波分复用器WDM(9)的复用端首尾相连依次熔接，波分复用器WDM(9)的泵浦端与泵浦源(10)熔接，波分复用器WDM(9)的信号端与第二光纤环形镜(11)的第1臂熔接，第二光纤环形镜(11)的第2臂与输出尾纤(12)相连；第一光纤环形镜(1)的第2臂与准直透镜(13)中心共线，且第一光纤环形镜(1)的第2臂出光端点位于准直透镜(13)的前焦点，反射光栅(14)倾斜45度放置在第一光纤环形镜(1)的第2臂的出射光的准直光路上，反射光栅(14)出射的两路光分别入射到第一光功率计(15)和第二光功率计(16)，第一光功率计(15)和第二光功率计(16)分别连接自动频率控制电路(17)，自动频率控制电路(17)的输出端连接射频电源(6)；所述输出尾纤(12)、聚焦透镜(18)、THz差频晶体(19)、滤波片(20)、THz波透镜(21)和THz波探测器(22)依次共线排列；所述光纤固定牵拉支架(2)包括左瓣(27)和右瓣(28)，所述左瓣(27)和右瓣(28)之间通过刚性支撑架(29)连接，左瓣(27)、右瓣(28)外弧上均刻有多个平行的槽(31)；双包层非掺杂光纤(7)绕在光纤固定牵拉支架(2)外部的槽(31)中并拉紧，三角柱支架(3)置于压电陶瓷(4)上，压电陶瓷(4)底部设垫块(5)使得三角柱支架(3)顶部的棱接触双包层非掺杂光纤(7)；所述压电陶瓷(4)连接射频电源(6)。

2.如权利要求1所述的可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，所述左瓣(27)、右瓣(28)均为半圆柱、半椭圆柱或矩形带半圆柱。

3.如权利要求1所述的可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，所述左瓣(27)、右瓣(28)上相邻的槽(31)间距为2mm～5mm，槽深等于双包层非掺杂光纤(7)外包层半径。

4.如权利要求1所述的可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，所述三角柱支架(3)的顶角以30°～60°。

5.如权利要求1所述的可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，所述双包层非掺杂光纤(7)在光纤固定牵拉支架(2)外部缠绕4圈，每圈间距2mm。

6.如权利要求1所述的可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤环形镜(1)耦合比为50：50；第二光纤环形镜(11)是谐振腔的输出端，耦合比为α：(1-α)，其中R为第二光纤环形镜(11)的反射率。

7.如权利要求1所述的可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，所述刚性支撑架(29)的一个侧面与左瓣(27)、右瓣(28)之间分别设置有微位移器(26)。

8.如权利要求1所述的可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，所述双包层非掺杂光纤(7)选择5/125μm的非掺杂双包层光纤，纤芯数值孔径为0.15，内包层数值孔径为0.46，长度3m。

9.如权利要求1所述的可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，所述压电陶瓷(4)为80*15*1mm的长方片。

10.如权利要求1所述的可调谐差频THZ光纤激光器，其特征在于，所述THz差频晶体(19)采用尺寸为6mm×6mm×16mm的ZGP晶体。