CN111478164B - 基于双向环形腔的自扫频光纤激光器 - Google Patents

基于双向环形腔的自扫频光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，采用了双向环形腔结构，元器件包括：保偏泵浦源、保偏波分复用器、掺杂光纤和输出耦合器，通过单模光纤连接构成双向环形腔。双向运转的激光共用一段掺杂光纤，使得掺杂光纤代替了环形腔中原有的增益介质、光纤光栅以及波长可调谐滤波器的功能，实现了简单有效的自扫频激光输出。同时能够通过调节泵浦源的功率对输出激光的扫频范围、扫频速度进行调节，实现了具有较大调谐范围的自扫频激光输出。

Description

基于双向环形腔的自扫频光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器及非线性光学领域，特别是涉及一种基于双向环形腔的自扫频激光器。
背景技术
光纤激光器中的自诱导波长线性扫描效应被视为是基础物理和应用物理的研究方向之一。基于该效应的光纤激光器在光谱上呈现出自发的、稳定的、周期性的波长调谐过程。波长自扫频光纤激光器通常主要由增益介质、光纤光栅、波长可调谐滤波器构成，三者协同作用实现波长自扫频输出，与同类型波长调谐激光器相比，其装置更加简易，器件操作更加简单。该激光器已经被应用在了光谱探测、密集波分复用等领域。
然而现有技术中的波长自扫频光纤激光器需要增益介质、光纤光栅以及波长可调滤波器等器件的协同作用，结构复杂，光学损耗较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、易于实现的基于双向环形腔的自扫频光纤激光器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，包括：保偏泵浦源、保偏波分复用器、掺杂光纤和输出耦合器；所述保偏泵浦源与所述保偏波分复用器的反射端连接，所述保偏波分复用器的共用端与所述掺杂光纤的一端连接，所述掺杂光纤的另一端与所述输出耦合器的一端连接，所述输出耦合器的另一端与所述保偏波分复用器的透射端连接，形成环形腔；所述保偏泵浦源发出的泵浦光经过所述保偏波分复用器的反射端进入所述环形腔内，对所述掺杂光纤进行泵浦；所述掺杂光纤受激发射出的光沿顺时针与逆时针方向传播；所述顺时针方向为经过所述输出耦合器后通过所述保偏波分复用器再次进入所述掺杂光纤；所述逆时针方向为通过所述保偏波分复用器进入所述输出耦合器再次进入所述掺杂光纤；所述顺时针方向的激发光与逆时针方向的激发光进入所述输出耦合器进行分光，一部分激发光沿逆时针方向进入所述掺杂光纤再次放大，另一部分激发光由所述输出耦合器输出，产生自扫频激光。
可选的，所述掺杂光纤采用激发波长为1020-1100nm的掺Yb离子光纤。
可选的，所述输出耦合器的比率为50/50或10/90。
可选的，所述保偏泵浦源、所述保偏波分复用器和所述输出耦合器的工作波长与所述掺杂光纤的激发波长一致。
可选的，所述保偏泵浦源、所述保偏波分复用器、所述掺杂光纤和所述输出耦合器通过单模光纤进行连接。
可选的，所述自扫频激光的扫频范围、扫频速度通过改变所述泵浦光的功率来进行调节；所述自扫频激光的扫频范围与所述泵浦光的功率呈二次函数关系；所述自扫频激光的扫频速度α与所述泵浦光的功率P的函数关系为：
Figure BDA0002455117830000021
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，采用了双向激光运转的环形腔结构，避免了现有技术采用单向环形腔时需要使用隔离器等具有大损耗的光学元器件，进而提高了激光器的输出效率。本发明的双向环形腔内顺时针与逆时针运转的激光共用一段掺杂光纤，使得掺杂光纤处于驻波场中，从而产生折射率变化的周期性分布，以产生动态光栅的效果，决定激光器的运转波长，实现了现有技术中谐振腔内增益器件与波长选择器件的作用，减少了器件的使用，大大简化了激光器的结构，具有良好的实用性和可操作性。另外，能够通过调节泵浦源的功率，实现对激光器的扫频范围、扫频速度等关键参数的调节，在较大调谐范围内实现了激光自扫频输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明激光器结构示意图；
图2(a)为50/50比率耦合器的激光输出波长变化；
图2(b)为50/50比率耦合器的激光输出波长；
图3(a)为50/50比率耦合器的激光扫频范围随泵浦变化；
图3(b)为50/50比率耦合器的激光扫频速度随泵浦变化；
图4为10/90比率耦合器的激光输出波长波动；
图5为10/90比率耦合器的激光1069.8nm输出波长；
符号说明：1：保偏泵浦源，2：掺杂光纤，3：保偏波分复用器，4：输出耦合器，5：APC输出跳线头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，采用环形谐振腔结构但不对谐振腔内激光的运转方向进行控制，以实现双向运转的环形谐振腔结构。使用掺杂光纤实现现有的波长自扫频光纤激光器中的增益介质、光纤光栅以及波长可调谐滤波器的组合功能，简单高效地实现了自扫频激光输出。
其中，组成双向环形腔的主要元器件包括保偏泵浦源、保偏波分复用器、输出耦合器和掺杂光纤等。
具体的，本发明中自扫频光纤激光器的工作原理为：保偏泵浦源发出泵浦光，通过保偏波分复用器进入谐振腔内对掺杂光纤进行泵浦。掺杂光纤受激发出的激发光沿顺时针与逆时针方向传播，两个方向的光经过保偏波分复用器和输出耦合器后，相向进入掺杂光纤进行放大，形成驻波场。掺杂光纤在驻波场内由于光强的不同会引起折射率周期性的变化，产生动态光栅的效果，由于掺杂光纤内反转离子的驰豫振荡，动态光栅有一定的驰豫时间，之后产生的光栅将根据激光腔内增益曲线周期变化，使得激光器的运转波长周期性变化，经输出耦合器输出自扫频激光。
其中，保偏波分复用器用于实现腔内激光双向传输。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例中提供了一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，主要包括：保偏泵浦源1、掺杂光纤2、保偏波分复用器3和输出耦合器4。所述保偏泵浦源1与所述保偏波分复用器3的反射端连接，所述保偏波分复用器3的共用端与所述掺杂光纤2的一端连接，所述掺杂光纤2的另一端与所述输出耦合器4的一端连接，所述输出耦合器4的另一端与所述保偏波分复用器3的透射端连接，形成环形腔作为激光器的谐振腔。所述保偏泵浦源1发出的泵浦光经过所述保偏波分复用器3的反射端进入环形腔内，对所述掺杂光纤2进行泵浦。所述掺杂光纤2受激发出沿顺时针与逆时针方向传播的激发光。所述顺时针方向的激发光经过所述输出耦合器4，根据所述输出耦合器4的比率进行分光，一部分光输出，另一部分光通过所述保偏波分复用器3再次进入所述掺杂光纤2进行放大。所述逆时针方向的激发光通过所述保偏波分复用器3进入所述输出耦合器4分光，再次进入所述掺杂光纤2进行放大。由于掺杂光纤2在驻波场中的动态光栅效果，使得激光器的运转波长周期性变化，在谐振腔内增益与损耗的动态调控下获得激光器的调谐输出。因此经由输出耦合器4输出的激光为波长周期性变化的激光，即形成自扫频激光输出。
需要说明的是，所述输出耦合器4还与APC输出跳线头5连接，APC输出跳线头5作为激光器的输出端。
在本实施例中采用能够产生1μm附近激发光的掺Yb光纤，所述激发光的具体范围为1020-1100nm。另外，所述保偏泵浦源、所述保偏波分复用器和所述输出耦合器的工作波长与所述掺杂光纤的激发波长一致，具体为1060±20nm。当然还可以采用其他波长和其他掺杂介质的掺杂光纤，只要能够实现本发明中掺杂光纤的作用都在本发明的保护范围内。
其中，所述保偏泵浦源、所述保偏波分复用器、所述掺杂光纤和所述输出耦合器相互之间都是通过单模光纤进行连接。
由于输出耦合器4的比率不同会导致输出的自扫频激光的波段范围变化，因此，为了实现不同波段的自扫频激光输出，本实施中选用50/50或10/90的2x2输出耦合器。图2(b)为50/50比率耦合器的激光输出波长，图5为10/90比率耦合器的激光输出波长，可以看出，不同比率的输出耦合器输出的自扫频激光的波段范围是有所差别的。
作为一种可选的实施方式，如图3(a)、(b)，本发明还可通过调节泵浦源的功率对激光器的扫频范围、扫频速度等关键参数进行调节，激光器的扫频范围与泵浦源的输出功率呈二次函数关系，激光器的扫频速度α与所述泵浦光的功率P的函数关系为：
Figure BDA0002455117830000051
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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 (6)

1.一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，其特征在于，包括：保偏泵浦源、保偏波分复用器、掺杂光纤和输出耦合器；所述保偏泵浦源与所述保偏波分复用器的反射端连接，所述保偏波分复用器的共用端与所述掺杂光纤的一端连接，所述掺杂光纤的另一端与所述输出耦合器的一端连接，所述输出耦合器的另一端与所述保偏波分复用器的透射端连接，形成环形腔；所述保偏泵浦源发出的泵浦光经过所述保偏波分复用器的反射端进入所述环形腔内，对所述掺杂光纤进行泵浦；所述掺杂光纤受激发出沿顺时针与逆时针方向传播的激发光；所述顺时针方向为经过所述输出耦合器后通过所述保偏波分复用器再次进入所述掺杂光纤；所述逆时针方向为通过所述保偏波分复用器进入所述输出耦合器再次进入所述掺杂光纤；所述顺时针方向的激发光与逆时针方向的激发光进入所述输出耦合器进行分光，一部分激发光沿逆时针方向进入所述掺杂光纤再次放大，另一部分激发光由所述输出耦合器输出，产生自扫频激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，其特征在于，所述掺杂光纤采用激发波长为1020-1100nm的掺Yb离子光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，其特征在于，所述输出耦合器的比率为50/50或10/90。
4.根据权利要求2所述的一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，其特征在于，所述保偏泵浦源、所述保偏波分复用器和所述输出耦合器的工作波长与所述掺杂光纤的激发波长一致。
5.根据权利要求1所述的一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，其特征在于，所述保偏泵浦源、所述保偏波分复用器、所述掺杂光纤和所述输出耦合器通过单模光纤进行连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于双向环形腔的自扫频光纤激光器，其特征在于，所述自扫频激光的扫频范围、扫频速度通过改变所述泵浦光的功率来进行调节；所述自扫频激光的扫频范围与所述泵浦光的功率呈二次函数关系；所述自扫频激光的扫频速度α与所述泵浦光的功率P的函数关系为：
Figure FDA0002783561630000021
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