CN105098575A - 一种混合介质微腔全光调谐的窄带光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合介质回音壁模微腔全光频率调谐的窄带光纤激光器，该光纤激光器，包括：半导体激光泵浦源、波分复用器、增益光纤、光纤隔离器、光耦合器、偏振控制器和拉锥光纤耦合型混合介质微球腔，各个单元通过光纤耦合的方式首尾相连闭合形成光纤谐振腔。拉锥光纤耦合型混合介质微球腔作为光纤谐振腔内的选模单元，光经拉锥光纤一端耦合入微腔，在其各个端面进行全反射传输并形成回音壁共振模，经拉锥光纤另一端回到光纤谐振腔。混合介质微腔由两层及以上介质构成，即在微腔内层介质表面包裹一层或多层具有高折射率、大热光系数、高光透过率的介质薄膜。该激光器具有大波长范围全光可调谐、结构紧凑、单色性好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合介质微腔全光调谐的窄带光纤激光器系统，属于光纤激光器技术领域。
背景技术
波长可调谐的窄线宽光纤激光器因其全光纤、高相干性和调谐性、高效率、结构紧凑等优势，成为长距离光纤通信和光纤传感系统的优质光源，在军事，医疗和工业加工等领域也有着广阔的应用前景。
实现窄带激光输出，其关键在于通过合理的腔结构设计和滤波技术实现全光纤激光谐振腔内的窄带模式选择。目前，可通过厘米级线性短腔、内置窄带光纤滤波器(即：光纤光栅、可饱和吸收体等)的环形腔来获得窄带激光输出。但是，线性短腔获得的线宽极限为kHz级别，并且限制了激光器的输出功率；窄带光纤滤波器的选模带宽通常在MHz及以上。基于数十米以上长腔内的非线性效应可获得窄至kHz及以下的线宽。然而，采用长腔或者引入更多腔内选模、波长调谐器件将提高激光器频率和强度噪声产生的概率，降低了激光器系统的紧凑性和稳定性。如何基于单个滤波器，在窄带选频的同时，确保激光器的稳定性，实现大范围波长调谐、线宽为MHz及以下的激光输出成为关键问题。而本发明能够很好地解决上述问题。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出了一种混合介质微腔全光调谐的窄带光纤激光器，该光纤激光器具有波长调谐范围宽、稳定性高、单色性好、输出效率高、结构紧凑等优点。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种混合介质回音壁模微腔全光频率调谐的窄带光纤激光器，该激光器包括：半导体激光泵浦源、波分复用器、增益光纤、光纤隔离器、光耦合器、偏振控制器和拉锥光纤耦合型混合介质微球腔；所述半导体激光泵浦源的输出端与泵浦耦合器的短波长输入端相连，泵浦耦合器的输出端依次通过增益光纤、光纤隔离器以及拉锥光纤耦合型混合介质微球腔与光纤耦合器的输入端相连，最后由光纤耦合器的输出反馈端通过偏振控制器与波分复用器的长波长输入端相连。
本发明的光纤隔离器和光纤耦合器之间设有拉锥光纤耦合型混合介质微球腔，光经拉锥光纤一端耦合进入微腔，在微腔各个端面之间进行多次全反射传输后，再由拉锥光纤另一端进入光纤耦合器的输入端与光纤谐振腔耦合。
本发明的混合介质微腔形状为环形、球形、盘形或者柱形等，光以全反射方式在微腔内传输并形成具有窄带宽特性的回音壁模式共振谱；
本发明的混合介质微腔由两层及以上介质构成，即：微腔内层介质表面包裹一层或多层具有高折射率、大热光系数、高光透过率的介质薄膜，且外包层介质薄膜具有比内层介质更高的折射率和大的热光系数。
本发明的激光器中心波长的调谐是通过改变腔内泵浦光功率或腔内光耦合器的分光比来实现。
有益效果：
1、本发明采用拉锥光纤耦合型混合介质微球腔，实现了激光谐振腔内的窄带选模，即：利用微腔内回音壁模共振谱的高精细度、超窄带宽特性实现窄带激光频率选择。
2、本发明采用拉锥光纤耦合型混合介质微球腔，实现了激光谐振腔内窄带选模，微腔采用混合介质结构，以全光控制方式，即：通过调节进入微腔光功率大小，改变微腔包层介质薄膜的折射率，调节回音壁共振谱的中心波长位置，从而实现激光波长的全光调谐。
3、本发明采用环形腔结构，增益介质较长，提高了腔内增益和激光输出功率。
4、本发明采用光纤耦合的方式，构成光纤激光谐振腔，具有损耗小、结构紧凑、输出效率高，对外界环境干扰免疫力高的优点。
附图说明
图1为本发明混合介质微腔全光调谐的窄带光纤激光器的结构示意图。
图2为混合介质微腔-拉锥光纤耦合系统的截面和光场传输示意图。
图3为不同几何结构的混合介质微腔示意图。
标识说明：(a)-微球；(b)-微柱；(c)-微环；(d)-微盘。
图4为最佳耦合条件下，(即：单层介质薄膜包覆的)混合介质微球腔内回音壁模场分布图。
图5为纯介质微球与(即：单层介质薄膜包覆的)混合介质微球腔的回音壁模共振谱对比。外加高折射率(即：n＝2.3)包层后回音壁模共振谱带宽变窄、边模抑制比增加的示意图。
图6为外包层介质折射率相同，厚度不同的混合介质微球腔回音壁模共振谱对比。对于特定的折射率，存在最佳包层薄膜厚度使回音壁模共振谱带宽最窄、边模抑制比最高的示意图。
图7为具有不同包层介质薄膜折射率的混合介质微腔回音壁模共振谱对比结果示意图。
标识说明：(a)-微球腔包层介质薄膜折射率为n1；(b)-微球腔包层介质薄膜折射率为n2，n1<n2，折射率增加，回音壁模共振谱中心波长红移。
图8为微球腔-拉锥光纤耦合系统部分实物照片的示意图。
图9为实验获得的混合介质微球腔-拉锥光纤耦合系统在1550nm波长附近的透射谱测试结果的示意图。
图10为在最佳耦合条件下，改变腔内光耦合器分光比，通过全光调谐方式获得的具有不同中心波长的窄带激光光谱。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明是利用混合介质微腔内的回音壁模共振谱作为光纤激光器的窄带选模方法，并且通过拉锥光纤将混合介质微腔与光纤激光器谐振腔进行全光纤、高效耦合。在纯介质微腔外包覆大热光系数、高折射率介质薄膜以构造混合介质微腔。控制光纤谐振腔内光增益来改变耦合入微腔内的光强度，在包层介质薄膜热光效应作用下，改变混合介质微腔包层介质折射率，得到变化的回音壁模共振光谱峰值波长，实现大波长范围可调谐的窄带光纤激光选模。下面就对本发明的具体技术方案进行简要说明。
本发明的光纤激光器的基本结构如图1所示，包括：半导体激光泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、光纤隔离器4、拉锥光纤耦合型混合介质微球腔5、光耦合器6、偏振控制器7。所有器件通过光纤耦合的方式首尾相连构成光纤谐振腔。如图2所示，混合介质微腔的形状可以是球形、环形、盘形或者柱形。
如图3所示的拉锥光纤耦合型混合介质微球腔截面图。光场通过拉锥光纤的一段耦合进入混合介质微腔，由于微腔介质折射率大于空气折射率，光以全反射方式局域在微腔与空气形成的界面内传输。
如图4所示的基于时域有限差分(即：FDTD)算法获得的(即：单层介质薄膜包覆的)混合介质微球腔内回音壁模光场分布图。微球内层介质为石英、直径为34μm，球表面包层介质折射率为2.3，厚度为20nm。在最佳耦合条件下，光场大部分耦合进入微球腔内并达到共振，回音壁模式能量场大部分集中于微球的表面包层介质中。如图5所示，为纯介质微球(即：n＝1.46)和单层介质薄膜(即：n＝2.3)包覆的混合介质微球腔回音壁模共振谱对比。外加高折射率包层介质后，球腔和空气之间的介质折射率差增加，散射损耗降低，微腔Q值提高，回音壁模共振谱带宽明显变窄、边模抑制比增加，提升了微腔的窄带选模能力。
如图6所示为改变混合介质微球的包层介质厚度d，得到不同的回音壁模共振谱对比：对于耦合入微腔的特定光波长和薄膜折射率n，存在最佳薄膜厚度d使回音壁模共振谱带宽最窄、边模抑制比最高。
如图7所示为改变混合介质微球腔包层介质折射率，得到不同回音壁模共振谱对比。计算结果表明，随着包层介质薄膜折射率的增加，混合介质微球腔内回音壁模共振峰值波长向长波长方向移动。
如图8所示为微球腔-拉锥光纤耦合系统实物照片，图9为采用扫频单模激光器耦合入混合介质微腔内，通过光电探测器测试获得的微球腔-拉锥光纤耦合系统在1550nm波长附近的回音壁模共振谱，带宽达到0.01nm(即：光谱仪分辨率极限)。
基于如图1所示的光纤激光器结构图，本发明以拉锥光纤耦合型混合介质微球腔作为选模单元，改变腔内光耦合器分光比，在不同的腔内光增益条件下得到的激光光谱，如图10所示，本发明分别对应于三种峰值波长，光谱带宽小于0.01nm(即：达到光谱分析仪分辨率极限)。
Claims (6)
1.一种混合介质回音壁模微腔全光频率调谐的窄带光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：半导体激光泵浦源、波分复用器、增益光纤、光纤隔离器、光耦合器、偏振控制器和拉锥光纤耦合型混合介质微球腔；所述半导体激光泵浦源的输出端与泵浦耦合器的短波长输入端相连，泵浦耦合器的输出端依次通过增益光纤、光纤隔离器以及拉锥光纤耦合型混合介质微球腔与光纤耦合器的输入端相连，最后由光纤耦合器的输出反馈端通过偏振控制器与波分复用器的长波长输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种混合介质回音壁模微腔全光频率调谐的窄带光纤激光器，其特征在于：所述光纤隔离器和光纤耦合器之间设有拉锥光纤耦合型混合介质微球腔，光经拉锥光纤一端耦合进入微腔，在微腔各个端面之间进行多次全反射传输后，再由拉锥光纤另一端进入光纤耦合器的输入端，与光纤谐振腔的耦合。
3.根据权利要求1或2所述的一种混合介质回音壁模微腔全光频率调谐的窄带光纤激光器，其特征在于：所述混合介质微腔形状为环形、球形、盘形或者柱形等，光以全反射方式在微腔内传输并形成具有窄带宽特性的回音壁模式共振谱。
4.根据权利要求1或2所述的一种混合介质回音壁模微腔全光频率调谐的窄带光纤激光器，其特征在于：所述混合介质微腔由两层及以上介质构成，即微腔内层介质表面包裹一层或多层具有高折射率、大热光系数、高光透过率的介质薄膜，且外包层介质薄膜具有比内层介质更高的折射率和大的热光系数。
5.根据权利要求1所述的一种混合介质回音壁模微腔全光频率调谐的窄带光纤激光器，其特征在于：所述激光器的中心波长的调谐是通过改变腔内泵浦光功率或腔内光耦合器的分光比来实现。
6.根据权利要求1所述的一种混合介质回音壁模微腔全光频率调谐的窄带光纤激光器，其特征在于：所述激光器是以拉锥光纤耦合型混合介质微球腔作为选模单元。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |