CN111668684A - 超窄带宽滤波器及高功率单纵模窄线宽光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超窄带宽滤波器及高功率单纵模窄线宽光纤激光器，属于窄线宽激光器领域。该激光器包括泵浦光纤激光器、波分复用器、耦合器、偏振控制器、环形器、超窄带宽滤波器、单模掺铥增益光纤及光放大器。超窄带宽滤波器由一段保偏掺铥光纤和高反射光纤布拉格光栅构成，光进入保偏掺铥光纤，前进到光纤布拉格光栅，被反射的光将重新回到保偏光纤中，调节偏振态使反射光与入射光形成驻波，产生空间烧孔效应，导致保偏光纤折射率被周期性地调制，形成动态的光纤光栅。这样动态光纤光栅具有超窄带的滤波效应。本发明的高功率单纵模窄线宽光纤激光器制作简单，成本低廉，易于集成，损伤阈值高的优点，得以用于激光传感与激光医疗领域。

Description

超窄带宽滤波器及高功率单纵模窄线宽光纤激光器
技术领域
本发明涉及高功率单纵模窄线宽光纤激光器技术，特别是提供了一种超窄带宽滤波器及基于超窄带宽滤波器的高功率单纵模窄线宽全光纤激光器。
背景技术
单纵模激光因具有线宽窄、低噪音和高相干性等显著的激光特性，使其在光纤通信、激光雷达、太赫兹源、光谱成像、引力波探测和激光医疗等领域有着重要的应用。一般的激光器出射的激光虽然只有一个波长，但实际上会有多个纵模同时谐振。若是多纵模运行，那么激光的线宽由多个纵模的总和决定，导致了多纵模激光的线宽没有单纵模激光的线宽窄，相干性也降低很多。光纤激光器具有光束质量好，成本低，转换效率高，温度稳定性好，结构简单，小型化及使用方便等优点，近年来获得了快速发展。为实现光纤激光器的单纵模窄线宽激光输出，同时保证激光器的全光纤结构，需要在激光腔内引入一光纤型的窄带宽滤波器。当前所使用的几类光纤型滤波器件，均存在一定不足之处，如滤波带宽大，制作复杂，价格昂贵等。同时，为得到更高的输出功率，采用前向泵浦的光放大技术，使得能保证一定的光信噪比和线宽。
发明内容
1、发明目的。
本发明主要目的在于提供一种结构简单，制作容易，成本低廉，使用方便的光纤型超窄带宽滤波器，并将之应用于全光纤激光器，实现激光器的高功率单纵模窄线宽激光输出。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出的一种用于高功率单纵模窄线宽全光纤激光器的超窄带宽滤波器，由一段未泵浦的保偏掺铥光纤和高反射光纤布拉格光栅构成。光从保偏掺铥光纤进入后，继续前进到高反射光纤布拉格光栅，由于高反射光纤布拉格光栅对特定的波长有反射作用，被反射的光将重新回到保偏掺铥光纤中去，如此在保偏掺铥光纤中就有相向传输的光。当光功率达到一定程度时，调整输入光的偏振态，即会在保偏掺铥光纤中形成驻波，随即产生空间烧孔效应。空间烧孔导致保偏光纤折射率被周期性地调制，产生动态的光纤光栅。这样动态光纤光栅具有超窄带的滤波效应，能够有效地将多余的纵模滤出去。
更进一步，所述的保偏掺铥光纤长度为1.5m-2.5m，纤芯直径8μm-10μm，纤芯数值孔径0.15，包层为125μm。更进一步，所述的高反射光纤布拉格光栅是在石英单模光纤(光纤纤芯直径8μm-9μm，包层为125μm)上制作的，且反射率大于99％。
本发明提出了一种基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器，用于泵浦增益光纤的泵浦光纤激光器，用于将泵浦激光耦合到激光腔中的波分复用器，用于分光和输出激光的耦合器，用于调整光偏振态的偏振控制器，用于实现激光单向振荡和将光引入超窄带宽滤波器的环形器，用于筛选出一个单纵模的超窄带宽滤波器，用于产生2微米波段激光的单模掺铥增益光纤，用于防止输出激光反射回激光腔内的隔离器。
更进一步，所有器件均通过光纤熔接连接，泵浦光纤激光器，波分复用器、耦合器、偏振控制器、环形器、超窄带宽滤波器、单模掺铥增益光纤依次连接，掺铥光纤一端连接波分复用器的合束端，实现环形腔结构。其中耦合器的输出端有两路，一路作为光纤激光器的输出端，连接隔离器，另一路连接环形器的port1端。
更进一步，所述的泵浦光纤激光器为1580nm高功率泵浦光纤激光器。
更进一步，所述的波分复用器为1580/1960nm波分复用器。
本发明提供了一种包含放大器的基于超窄带宽滤波器的高功率单纵模窄线宽全光纤激光器，基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器，用于泵浦增益光纤的泵浦光纤激光器，用于将泵浦激光耦合到激光腔中的波分复用器，用于产生2微米波段光放大的单模掺铥增益光纤，用于防止输出激光反射回放大介质的隔离器。
更进一步，所有器件均通过光纤熔接连接，基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器，泵浦光纤激光器、波分复用器、单模掺铥增益光纤、隔离器依次连接，实现前向泵浦的放大结构。
更进一步，所述的泵浦光纤激光器为1580nm高功率泵浦光纤激光器。
更进一步，所述的波分复用器为1580/1960nm波分复用器。
3、本发明所产生的技术效果。
通过基于保偏掺铥光纤和高反射光纤布拉格光栅的超窄带宽滤波器，实现全光纤结构的单纵模窄线宽光纤激光器。超窄带宽滤波器带宽非常窄，能自动追踪波长，制作简单，成本低廉，易于集成，损伤阈值高。通过前向泵浦的光放大器，最终得到的激光功率大于400mW，单纵模运转，线宽达到20kHz，光信噪比大于60dB，稳定可靠。
附图说明
图1是本发明使用的超窄带宽滤波器系统图，11为保偏掺铥光纤，12为高反射光纤布拉格光栅。
图2是单纵模窄线宽光纤激光器结构示意图，包括泵浦光纤激光器21，波分复用器22，耦合器23，偏振控制器24，环形器25，超窄带宽滤波器26，单模掺铥增益光纤27，隔离器28。
图3是一种包含放大器的基于超窄带宽滤波器的高功率单纵模窄线宽全光纤激光器结构示意图，包括基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器31，泵浦光纤激光器32、波分复用器33、单模掺铥增益光纤34、隔离器35。
图4是单纵模为了检测是否单纵模运转频谱仪测到的自拍频图。
图5是单纵模窄线宽全光纤激光器的线宽检测图。
图6是单纵模窄线宽全光纤激光器在不同输出功率下的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本发明提出的一种用于高功率单纵模窄线宽全光纤激光器的超窄带宽滤波器，由一段未泵浦的保偏掺铥光纤11和高反射光纤布拉格光栅12构成。光从保偏掺铥11光纤进入后，继续前进到高反射光纤布拉格光栅12，由于高反射光纤布拉格光栅12对特定的波长有反射作用，被反射的光将重新回到保偏掺铥光纤11中去，如此在保偏掺铥光纤11中就有相向传输的光。当光功率达到一定程度时，调整输入光的偏振态，即会在保偏掺铥光纤11中形成驻波，随即产生空间烧孔效应。空间烧孔导致保偏光纤11折射率被周期性地调制，产生动态的光纤光栅。这样动态光纤光栅具有超窄带的滤波效应，能够有效地将多余的纵模滤出去。所述保偏掺铥光纤11长度为1.5m-2.5m，纤芯直径8μm-10μm，纤芯数值孔径0.15，包层为125μm。根据光纤光栅的耦合模理论，可知均匀光纤光栅FBG的反射率为:
Figure BDA0001986651610000041
所述的高反射光纤布拉格光栅是在石英单模光纤(光纤纤芯直径8μm-9μm，包层为125μm)上制作的，且反射率大于99％。
图1是本发明使用的超窄带宽滤波器系统图，11为保偏掺铥光纤和高反射光纤布拉格光栅12的输入端直接熔接在一起，保偏掺铥光纤11中显示的是驻波示意图。
实施例2
本发明提出的一种基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器，包括：用于泵浦增益光纤的泵浦光纤激光器21，用于将泵浦激光耦合到激光腔中的波分复用器22，用于分光和输出激光的耦合器23，用于调整光偏振态的偏振控制器24，用于实现激光单向振荡和将光引入超窄带宽滤波器的环形器25，用于筛选出一个单纵模的超窄带宽滤波器26，用于产生2微米波段激光的单模掺铥增益光纤27，用于防止输出激光反射回激光腔内的隔离器28。所有器件均通过光纤熔接连接，泵浦光纤激光器21，波分复用器22、耦合器23、偏振控制器24、环形器25、超窄带宽滤波器26、单模掺铥增益光纤27依次连接，掺铥光纤27一端连接波分复用器22的合束端，实现环形腔结构。其中耦合器23的输出端有两路，一路作为光纤激光器的输出端，连接隔离器28，另一路连接环形器25的输入端port1。所述的泵浦光纤激光器21为1580nm高功率泵浦光纤激光器。所述的波分复用器22为1580/1960nm波分复用器。
图2是所述的单纵模窄线宽光纤激光器结构示意图，1580nm泵浦光纤激光器21连接1580/1960nm波分复用器22的泵浦输入端，波分复用器22的信号端连接耦合器23的输入端，耦合器23的输出端有两路，一路作为激光器的输出端和隔离器28的输入端连接，另一路连接偏振控制器24的输入端，偏振控制器24的输出端连接环形器25的port1端，环形器25的port2端连接超窄带宽滤波器26的输入端，环形器25的port3端连接单模掺铥增益光纤27的一端，单模掺铥增益光纤27的另一端连接1580/1960nm波分复用器22的合束端。所有器件都通过光纤熔接连接，实现环形腔结构。
实施例3
本发明提出的一种包含放大器的基于超窄带宽滤波器的高功率单纵模窄线宽全光纤激光器，包括：基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器31，用于泵浦增益光纤的泵浦光纤激光器32，用于将泵浦激光耦合到激光腔中的波分复用器33，用于产生2微米波段光放大的单模掺铥增益光纤34，用于防止输出激光反射回放大介质的隔离器35。所有器件均通过光纤熔接连接，基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器31，泵浦光纤激光器32、波分复用器33、单模掺铥增益光纤34、隔离器35依次连接，实现前向泵浦的放大结构。所述的泵浦光纤激光器32为1580nm高功率泵浦光纤激光器。所述的波分复用器33为1580/1960nm波分复用器。
图3是所述的一种包含放大器的基于超窄带宽滤波器的高功率单纵模窄线宽全光纤激光器结构示意图，基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器31的输出端连接1580/1960nm波分复用器33的信号端，1580nm泵浦光纤激光器32连接1580/1960nm波分复用器33的泵浦输入端，1580/1960nm波分复用器33的泵浦输入端连接单模掺铥增益光纤34的一端，单模掺铥增益光纤34的另一端连接隔离器35的输入端。
图4是单纵模为了检测是否单纵模运转每隔5分钟频谱仪测到的自拍频图，整个腔长约12.3m，对应自由光谱范围16.67MHz，在100MHz的频谱范围内仅零频分量存在，没有多余的纵模运转。
图5是单纵模窄线宽全光纤激光器的线宽检测图，将得到的高功率单纵模窄线宽激光BP打进一布里渊谐振腔内，产生布里渊激光BL，测激光BP和布里渊激光BL拍频谱即可估算线宽约20kHz。
图6是单纵模窄线宽全光纤激光器在不同输出功率下的光谱图，有源光纤环形腔的传输函数为：
Figure BDA0001986651610000051
调整光放大器的泵浦功率，单纵模窄线宽激光的功率从41mW上升到441mW，光信噪比仍保持大于60dB。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于高功率单纵模窄线宽全光纤激光器的超窄带宽滤波器，其特征是：由一段未泵浦的保偏掺铥光纤和高反射光纤布拉格光栅构成，保偏光纤的一端与光耦合器熔接，另一端与高反射布拉格光栅熔接。光从保偏掺铥光纤进入后，继续前进到高反射光纤布拉格光栅，由于高反射光纤布拉格光栅对特定的波长有反射作用，被反射的光将重新回到保偏掺铥光纤中去，如此在保偏掺铥光纤中就有相向传输的光。当光功率达到一定程度时，调节偏振控制器来调整输入光的偏振态，即会在保偏掺铥光纤中形成驻波，随即产生空间烧孔效应。空间烧孔导致保偏光纤折射率被周期性地调制，产生动态的光纤光栅。这样动态光纤光栅具有超窄带的滤波效应，能够有效地将多余的纵模滤出去。
2.根据权利要求1所述用于高功率单纵模窄线宽全光纤激光器的超窄带宽滤波器，其特征是：所述保偏掺铥光纤长度为1.5m-2.5m。
3.根据权利要求1或2所述用于高功率单纵模窄线宽全光纤激光器的超窄带宽滤波器，其特征是：所述保偏掺铥光纤纤芯直径8μm-10μm，纤芯数值孔径约为0.15，包层约为125μm。
4.根据权利要求3所述用于高功率单纵模窄线宽全光纤激光器的超窄带宽滤波器，其特征是：所述的高反射光纤布拉格光栅是在石英单模光纤(光纤纤芯直径8μm-9μm，包层约为125μm)上制作的，且反射率大于99％。
5.一种基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器，其特征是：由用于泵浦增益光纤的泵浦光纤激光器，用于将泵浦激光耦合到激光腔中的波分复用器，用于分光和输出激光的耦合器，用于调整光偏振态的偏振控制器，用于实现激光单向振荡和将光引入超窄带宽滤波器的环形器，权利要求1-4的超窄带宽滤波器，用于产生2微米波段激光的单模掺铥增益光纤，用于防止输出激光反射回激光腔内的隔离器组成。所有器件均通过光纤熔接连接，泵浦光纤激光器，波分复用器、耦合器、偏振控制器、环形器、超窄带宽滤波器、单模掺铥增益光纤依次连接，掺铥光纤一端连接波分复用器的合束端，实现环形腔结构。其中耦合器的输出端有两路，一路作为光纤激光器的输出端，连接隔离器，另一路连接环形器的port1端。
6.根据权利要求5所述基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器，其特征是：1580nm泵浦光纤激光器连接1580/1960nm波分复用器的泵浦输入端，波分复用器的信号端连接耦合器的输入端，耦合器的输出端有两路，一路作为激光器的输出端和隔离器的输入端连接，另一路连接偏振控制器的输入端，偏振控制器的输出端连接环形器的port1端，环形器的port2端连接超窄带宽滤波器的输入端，环形器的port3端连接单模掺铥增益光纤的一端，单模掺铥增益光纤的另一端连接1580/1960nm波分复用器的合束端。所有器件都通过光纤熔接连接，实现环形腔结构。
7.一种包含放大器的基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤高功率激光器，其特征是：包括权利要求5-6的基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器，用于泵浦增益光纤的泵浦光纤激光器，用于将泵浦激光耦合到激光腔中的波分复用器，用于产生2微米波段光放大的单模掺铥增益光纤，用于防止输出激光反射回放大介质的隔离器。所有器件均通过光纤熔接连接，基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤激光器、泵浦光纤激光器、波分复用器、单模掺铥增益光纤、隔离器依次连接，实现前向泵浦的放大结构。
8.根据权利要求7所述的包含放大器的基于超窄带宽滤波器的单纵模窄线宽全光纤高功率激光器，其特征是：泵浦光纤激光器为1580nm高功率泵浦光纤激光器。所述的波分复用器为1580/1960nm波分复用器。
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