CN106961066B - 一种基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器。其结构包括重叠光纤光栅、激光增益单元、分布反馈单模光纤、隔离器和重叠光纤光栅轴向应变调节装置。重叠光纤光栅的一端与激光增益单元的输入端口相接，其另一端闲置并制成斜8°角端面；激光增益单元的输出端口与分布反馈单模光纤的一端连接，分布反馈单模光纤的另一端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端作为激光输出端口。本发明将重叠光纤光栅用于随机光纤激光器上，同时利用稀土掺杂光纤增益放大或半导体光放大器，可实现稳定、低阈值、窄线宽的多波长随机激光输出，加上对重叠光纤光栅进行轴向应变可实现激光的多波长可调谐，可进一步拓展未来随机光纤激光器的应用领域。

Description

一种基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，具体地说是一种基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器。

背景技术

随机激光器不具有严格的光学谐振腔结构，其激光形成由随机增益介质中光波的多重分布散射放大。与传统激光器相比，随机激光器具有诸多优点，如辐射方向与强度分布随机、泵浦阈值低、单纵模输出等特性。随机光纤激光器（又称随机分布反馈光纤激光器）是近几年刚被提出（2010年，由Turitsyn等人在Nature Photonics期刊发表论文报道）的一种新型光纤激光器，其也不具有标准的谐振腔，结构简单、输出连续稳定、相干距离长、容易实现宽带连续调谐、成本低，且比传统随机激光器具有更好的方向性，有望在非线性光学、光纤传感、光学测量、光通信、医学等科学领域发挥极大的应用价值。

可实现随机光纤激光器的结构包括全开腔、半开腔和环形腔，且有研究表明：半开腔具有最低的激光阈值，原则上可以降为全开腔的一半。半开腔意思是采用光纤布拉格光栅（简称光纤光栅）作为谐振腔的一端腔镜，而另一端采用长距离光纤中的瑞利散射进行随机分布反馈。通过窄带光纤光栅的加入，不仅可以实现欲得到的任意波长，而且激光输出线宽可以大大减小，提升随机激光器的整体性能。由于随机光纤激光器的提出是基于普通单模光纤中的受激拉曼增益放大效应，随后的研究大都集中在基于拉曼放大的随机光纤激光器上，然而拉曼增益放大阈值普遍很高，基本上在W量级以上，故需要高功率泵浦激光器，使得成本较高。最近，基于受激布里渊散射放大效应的随机光纤激光器也被提出，其可以实现低噪声、窄线宽、较高光信噪比的激光输出，然而系统需要一台光束质量很好的布里渊泵浦激光器，同样造成随机光纤激光器造价的提升。稀土掺杂增益光纤具有增益高、带宽大等优点，且制作增益光纤放大器的技术成熟、制作成本低（例如，目前商用掺铒光纤放大器（EDFA）的价格已很低廉），如果用于制作随机光纤激光器有望大幅度降低成本，而且可以大大缩短用于产生随机反馈光纤的长度。另外，基于目前很成熟的半导体光放大技术，也有望利用同一波段的半导体光放大器（SOA）实现低成本的随机光纤激光器。

发明内容

本发明的目的就是提供一种半开腔式可调谐多波长随机光纤激光器，该激光器基于重叠光纤光栅而制成，可实现高稳定性、简单、低成本的可调谐多波长随机光纤激光输出。

本发明的目的是这样实现的：一种基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器，包括重叠光纤光栅、激光增益单元、分布反馈单模光纤、隔离器和重叠光纤光栅轴向应变调节装置；所述重叠光纤光栅通过光纤夹具或胶水固定在所述重叠光纤光栅轴向应变调节装置的上表面；

所述重叠光纤光栅的一端与所述激光增益单元的输入端口相接，所述重叠光纤光栅的另一端闲置并制成斜8°角端面，所述激光增益单元的输出端口与所述分布反馈单模光纤的一端连接，所述分布反馈单模光纤的另一端与所述隔离器的输入端连接，所述隔离器的输出端作为激光输出端口；

所述重叠光纤光栅、所述激光增益单元、所述分布反馈单模光纤和所述隔离器之间的连接均为光纤熔接机熔接连接或光纤连接器连接（简称熔接连接或连接器连接）。

所述激光增益单元的其中一个设计方案为：激光增益单元包括稀土掺杂增益光纤、波分复用器和泵浦激光光源；所述稀土掺杂增益光纤的一端作为所述激光增益单元的输入端口，所述稀土掺杂增益光纤的另一端与所述波分复用器的单光纤端口熔接连接或连接器连接，所述波分复用器的双光纤端的信号光端口作为所述激光增益单元的输出端口，所述波分复用器的双光纤端的泵浦光端口与所述泵浦激光光源的输出端熔接连接或连接器连接。

优选的，所述稀土掺杂增益光纤为掺铒增益光纤，所述泵浦激光光源为980nm半导体激光器。所述稀土掺杂增益光纤可以根据需要发射激光的波长值更换为掺镱增益光纤、掺铥增益光纤或其他可能的稀土掺杂光纤；所述泵浦激光光源可以根据所述稀土掺杂增益光纤种类的不同更换为793nm半导体激光器或其他类型激光光源；所述稀土掺杂增益光纤的长度及特性参数需要通过理论计算和实验确定。

所述激光增益单元的另一设计方案为：激光增益单元包括第一三端口环形器、第一光放大器和第二三端口环形器；所述第一三端口环形器的第2端口作为所述激光增益单元的输入端口，所述第一三端口环形器的第3端口与所述第二三端口环形器的第1端口熔接连接或连接器连接，所述第一三端口环形器的第1端口与所述第一光放大器的输出端口熔接连接或连接器连接，所述第一光放大器的输入端口与所述第二三端口环形器的第3端口熔接连接或连接器连接，所述第二三端口环形器的第2端口作为所述激光增益单元的输出端口。

优选的，所述第一光放大器为商用掺铒光纤放大器或者半导体光放大器。所述第一光放大器可以根据需要发射激光的波长值更换为掺镱光纤放大器、掺铥光纤放大器或其他可能的稀土掺杂光纤放大器或半导体光放大器。

所述激光增益单元的第三设计方案为：激光增益单元包括四端口环形器和第二光放大器；所述四端口环形器的第1端口作为所述激光增益单元的输入端口，所述四端口环形器的第2端口作为所述激光增益单元的输出端口，所述四端口环形器的第3端口与所述第二光放大器的输入端口熔接连接或连接器连接，所述第二光放大器的输出端口与所述四端口环形器的第4端口熔接连接或连接器连接。

所述第二光放大器同所述第一光放大器，可以为商用掺铒光纤放大器或者半导体光放大器，也可以根据需要发射激光的波长值更换为掺镱光纤放大器、掺铥光纤放大器或其他可能的稀土掺杂光纤放大器或半导体光放大器。

所述重叠光纤光栅可以为二重重叠光纤光栅，也可以为二重以上多重重叠光纤光栅，重叠的各个子光纤光栅的中心反射波长及各个子光纤光栅中心反射波长间隔根据欲实现的随机光纤激光器输出需要设定；重叠光纤光栅的长度为2cm，也可以根据需要制成大于或小于2cm。

所述重叠光纤光栅轴向应变调节装置为应力调节架手动调节装置或压电陶瓷控制的自动调节装置。

所述分布反馈单模光纤的长度为2km，也可以根据需要实现的输出激光特性而改变。

重叠光纤光栅是在同一光纤轴向位置写入多个具有不同反射中心波长的光纤光栅，在光谱上各个光栅具有叠加效果，反射波长互不影响，在光纤激光器领域具有很大的应用价值。将重叠光纤光栅用于随机光纤激光器上，同时利用稀土掺杂光纤增益放大或者直接利用商用EDFA或SOA，可实现稳定、低阈值、窄线宽的多波长随机光纤激光输出，加上对重叠光纤光栅进行轴向应变可实现激光的多波长可调谐，从而可大大拓展将来随机光纤激光器的应用领域。

本发明所提供的半开腔式可调谐多波长随机光纤激光器，可实现高稳定性、简单、低成本的可调谐多波长随机光纤激光输出，在非线性光学、光纤传感、光学测量、光通信、微波光子学等领域具有潜在的应用价值。

附图说明

图1是本发明所提供的基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器的结构示意图。

图2是图1中激光增益单元的一种结构示意图。

图3是图1中激光增益单元的另一种结构示意图。

图4是图1中激光增益单元的第三种结构示意图。

图5是本发明实施例1中重叠光纤光栅的透射谱和反射谱的测量结果图。

图6是本发明实施例1中基于重叠光纤光栅的半开腔双波长随机光纤激光器的光谱测量结果图。

图7是本发明实施例1中基于重叠光纤光栅的半开腔双波长随机光纤激光器输出功率随泵浦功率变化关系测量结果图。

图中：101、重叠光纤光栅，102、激光增益单元，103、分布反馈单模光纤，104、隔离器，105、重叠光纤光栅轴向应变调节装置，201、稀土掺杂增益光纤，202、波分复用器，203、泵浦激光光源，301、第一三端口环形器，302、第一光放大器，303、第二三端口环形器，401、四端口环形器，402、第二光放大器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明并不限于以下实施方式。

如图1所示，本发明所提供的基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器包括重叠光纤光栅101、激光增益单元102、分布反馈单模光纤103（即分布反馈普通单模光纤）、隔离器104和重叠光纤光栅轴向应变调节装置105。重叠光纤光栅101、激光增益单元102、分布反馈单模光纤103和隔离器104按序依次连接；重叠光纤光栅轴向应变调节装置105用于对重叠光纤光栅101的轴向应变力进行调节，重叠光纤光栅101通过光纤夹具或胶水固定在重叠光纤光栅轴向应变调节装置105的上表面。

重叠光纤光栅101的一端（可称为首端）与激光增益单元102的输入端口P1相接，重叠光纤光栅101的另一端（可称为尾端）闲置且光纤尾端制成斜8°角端面，以抑制端面反射，斜8°角端面制作使用光纤研磨机研磨或者高功率激光器切割制成。激光增益单元102的输出端口P2与分布反馈单模光纤103的一端连接，分布反馈单模光纤103的另一端与隔离器104的输入端连接，隔离器104的输出端作为激光输出端口。

重叠光纤光栅101与激光增益单元102之间、激光增益单元102与分布反馈单模光纤103之间、分布反馈单模光纤103与隔离器104之间均通过光纤熔接机熔接连接或通过光纤连接器连接（简称熔接连接或连接器连接）。

激光增益单元的其中一个设计结构如图2所示，包括稀土掺杂增益光纤201、波分复用器202和泵浦激光光源203。稀土掺杂增益光纤201的一端作为激光增益单元的输入端口P1，稀土掺杂增益光纤201的另一端与波分复用器202的单光纤端口熔接连接或连接器连接，波分复用器202的双光纤端的信号光端口作为激光增益单元的输出端口P2，波分复用器202的双光纤端的泵浦光端口与泵浦激光光源203的输出端熔接连接或连接器连接。

稀土掺杂增益光纤201例如可以为掺铒增益光纤，泵浦激光光源203可以为980nm半导体激光器。稀土掺杂增益光纤201可以根据需要发射激光的波长值更换为掺镱增益光纤、掺铥增益光纤或其他可能的稀土掺杂光纤。泵浦激光光源203可以根据稀土掺杂增益光纤201种类的不同更换为793nm半导体激光器或其他类型激光光源。稀土掺杂增益光纤201的长度及特性参数需要通过理论计算和实验确定。

激光增益单元的另一设计结构如图3所示，包括第一三端口环形器301、第一光放大器302和第二三端口环形器303。第一三端口环形器301的第2端口作为激光增益单元的输入端口P1，第一三端口环形器301的第3端口与第二三端口环形器303的第1端口熔接连接或连接器连接，第一三端口环形器301的第1端口与第一光放大器302的输出端口熔接连接或连接器连接，第一光放大器302的输入端口与第二三端口环形器303的第3端口熔接连接或连接器连接，第二三端口环形器303的第2端口作为激光增益单元的输出端口P2。

第一光放大器302为稀土掺杂光纤放大器（例如商用高质量的掺铒光纤放大器）或半导体光放大器。第一光放大器302可以根据需要发射激光的波长值更换为掺镱光纤放大器、掺铥光纤放大器、其他可能的稀土掺杂光纤放大器或半导体光放大器。

激光增益单元的第三种设计结构如图4所示，包括四端口环形器401和第二光放大器402。四端口环形器401的第1端口作为激光增益单元的输入端口P1，四端口环形器401的第2端口作为激光增益单元的输出端口P2，四端口环形器401的第3端口与第二光放大器402的输入端口熔接连接或连接器连接，第二光放大器402的输出端口与四端口环形器401的第4端口熔接连接或连接器连接。四端口环形器401的第4端口到第1端口为通光状态。

第二光放大器402同第一光放大器302一样，可以为稀土掺杂光纤放大器（例如商用高质量掺铒光纤放大器）或半导体光放大器，也可以根据需要发射激光的波长值更换为掺镱光纤放大器、掺铥光纤放大器、其他可能的稀土掺杂光纤放大器或半导体光放大器。

重叠光纤光栅101可以为二重重叠光纤光栅，也可以为二重以上多重重叠光纤光栅，使用紫外光重复曝光的相位掩膜法刻写在光敏光纤上，重叠的各个子光纤光栅的中心反射波长及各个子光纤光栅中心反射波长间隔根据欲实现的随机光纤激光器输出需要设定，重叠光纤光栅101的长度为2cm，也可以根据设计需要制成大于或小于2cm。

重叠光纤光栅轴向应变调节装置105为应力调节架手动调节装置或压电陶瓷控制的自动调节装置。使用应力调节架手动调节装置时，需要使用固定在应力调节架上的光纤夹具将重叠光纤光栅101两端夹紧后拉伸，以产生所需要的轴向应变，但不能对其进行压缩。使用压电陶瓷控制的自动调节装置时，需要将重叠光纤光栅101轴向平行粘贴于条形压电陶瓷或堆叠压电陶瓷片长度方向表面，当使用合适的电压驱动条形压电陶瓷或堆叠压电陶瓷片时可以产生所需要的轴向应变，且不但可以拉伸还可以压缩重叠光纤光栅101。根据光纤光栅的特性，重叠光纤光栅101发生轴向应变时，所有子光纤光栅的反射中心波长都会产生漂移，且偏移量与应变量存在严格的数学对应关系；通过调节重叠光纤光栅101的子光纤光栅的反射中心波长以实现多波长随机光纤激光器的波长可调谐运行。

分布反馈单模光纤103的长度为2km，也可以根据需要实现的输出激光特性而改变。

本发明所提供的基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器具有结构简单、低成本、易产品转化的优点，其输出具有多波长同时稳定激射、高功率、波长可调谐、窄线宽等特性，在非线性光学、光纤传感、光学测量、光通信、微波光子学等领域具有潜在的应用价值。

以下将通过一个具体实施例说明和演示本发明提出的基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器的运行及输出性能。

实施例1：基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器制作及运行光谱测量。

激光器的结构示意图如图1所示，但本实施例中没有设置重叠光纤光栅轴向应变调节装置105，采用的重叠光纤光栅101是反射中心波长分别为1545nm和1555nm的二重重叠光纤光栅，光栅栅区长度为2cm，采用的激光增益单元102的结构如图2所示。图5给出的是本实施例使用的反射中心波长分别为1545nm和1555nm的二重重叠光纤光栅的透射谱和反射谱，其波长间隔为10nm，反射率均>90%，反射带宽<0.1nm。使用的稀土掺杂增益光纤201为7m的掺铒光纤（Fibercore M12_980/125），泵浦激光光源203为980nm的半导体激光器（单模光纤输出，最大功率350mW），分布反馈单模光纤103为2km的SMF-28光纤。双波长随机激光器系统搭建好以后，打开泵浦激光光源203并维持输出功率80mW运行，由于重叠光纤光栅101提供的双波长反射反馈和分布反馈单模光纤103提供的分布反馈，无需对激光器系统做任何调整即可得到良好的双波长激光输出，使用光谱仪测量输出激光光谱结果如图6所示，激光输出波长分别为1545.096nm和1555.096nm，波长间隔为10nm，与重叠光纤光栅的反射中心波长具有良好的对应关系。据此可以预想到，当重叠光纤光栅的反射中心波长被调谐时，激光输出波长将表现出良好的可调谐特性。同时，由图6可知 ，双波长输出的激光信噪比均高于50dB，激光输出质量良好。图7给出的是使用激光功率计测量得到的激光器输出功率与泵浦激光输入功率的关系结果，通过对测量结果做线性拟合，可见激光器的泵浦阈值仅为17.40mW，且当泵浦功率高于阈值以后，激光器输出功率随泵浦输入功率变化具有良好的线性关系，拟合优度高达0.99964。另外，激光器的斜率效率达到10.73%，当泵浦功率为300mW时，激光输出为30.40mW，且在每一泵浦功率下，激光输出功率都表现出了良好的稳定性。通过实施例可见，本发明提出的基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器在各方面都表现出了良好的性能。

以上对本发明所提供的基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器进行了详细介绍，本文中应用了一个具体实施例对本发明的系统和方法的可行性进行了验证和阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于重叠光纤光栅的半开腔多波长随机光纤激光器，其特征是，包括重叠光纤光栅、激光增益单元、分布反馈单模光纤、隔离器和重叠光纤光栅轴向应变调节装置；所述重叠光纤光栅通过光纤夹具或胶水固定在所述重叠光纤光栅轴向应变调节装置的上表面；

所述重叠光纤光栅的一端与所述激光增益单元的输入端口相接，所述重叠光纤光栅的另一端闲置并制成斜8°角端面，所述激光增益单元的输出端口与所述分布反馈单模光纤的一端连接，所述分布反馈单模光纤的另一端与所述隔离器的输入端连接，所述隔离器的输出端作为激光输出端口；

所述重叠光纤光栅、所述激光增益单元、所述分布反馈单模光纤和所述隔离器之间的连接均为光纤熔接机熔接连接或光纤连接器连接；

所述分布反馈单模光纤为2km的SMF-28光纤；

所述重叠光纤光栅是在同一光纤轴向位置写入多个具有不同反射中心波长的光纤光栅，其具体为反射中心波长分别为1545nm和1555nm的二重重叠光纤光栅；光栅栅区长度为2cm，两中心波长反射率均>90%，反射带宽＜0.1nm；

所述重叠光纤光栅轴向应变调节装置为应力调节架手动调节装置或压电陶瓷控制的自动调节装置；

所述激光增益单元包括稀土掺杂增益光纤、波分复用器和泵浦激光光源；

所述稀土掺杂增益光纤的一端作为所述激光增益单元的输入端口，所述稀土掺杂增益光纤的另一端与所述波分复用器的单光纤端口相接，所述波分复用器的双光纤端的信号光端口作为所述激光增益单元的输出端口，所述波分复用器的双光纤端的泵浦光端口与所述泵浦激光光源的输出端相接；

所述稀土掺杂增益光纤为7m的掺铒增益光纤；

所述泵浦激光光源为980nm的半导体激光器；

打开泵浦激光光源并维持输出功率80mW运行，即可得到双波长激光输出，输出波长分别为1545 .096nm和1555 .096nm。