CN115939923A - 一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器包括泵浦激光器、光纤放大器、光隔离器、光纤耦合器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、第三光纤环形器、可调节光纤衰减器、第一受布里渊增益光纤、第二布里渊增益光纤和可调谐滤波器；本发明采用两个受激布里渊散射频移重合或交叠的光纤，在第一布里渊增益光纤中发生受激布里渊散射，其产生的斯托克斯光经过可调光纤衰减器后进一步为第二布里渊增益光纤提供斯托克斯光信号源，同时在第二布里渊增益光纤中发生瑞利散射并经由第三光纤环形器后为第一布里渊增益光纤的提供随机反馈；在该系统中实现了更高的布里渊增益，能够进一步地压缩激光线宽并最终输出超窄线宽随机激光。

Description

一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器。

背景技术

百Hz量级的超窄线宽激光器能够提供更长的相干长度，实现更高灵敏度的感知和更长距离的探测,在传感和探测领域有很大的应用价值，其广泛应用于高精度光纤传感、远程相干光通信、高分辨率雷达成像等领域,其性能直接影响传感、成像的精度以及光通信的距离，现如今，窄线宽激光器有着愈发明显的应用前景和价值。

早在1972年，受激布里渊散射技术就备受关注，受激布里渊散射是光纤中传输效率最高的非线性效应，它具有较窄的现款增益，低功率阈值和很高的转换效率，另一方面布里渊随机激光器结构较为简单，对泵浦、光纤等其余器件要求较低，随着时间的推移和技术的积累，采用布里渊随机激光器产生窄线宽激光的方式越来越备受科学家们的青睐。

目前，利用布里渊随机激光器产生窄线宽的激光的一种方式是采用布里渊增益光纤作为增益介质，瑞利散射光纤作为随机反馈，斯托克斯光在布里渊增益光纤中得到增益后在瑞利散射光纤中产生后向瑞利散射并以种子光的形式重新注入布里渊增益光纤，如此循环最终输出窄线宽激光。虽然该结构能输出稳定且低至500Hz级别的线宽，但是该结构仍有一定的不足，一方面输出光功率低，当高功率的斯托克斯光注入瑞利散射光纤后会达到布里渊阈值，产生受激布里渊散射，造成输出激光功率损失，输出激光谱线加宽，输出不稳定；另一方面，上述原因也导致了不能向布里渊增益光纤中注入更高的泵浦光功率，导致布里渊增益无法得到更进一步提高，从而导致输出激光线宽无法进一步被压缩。

因此需要研发出一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器，包括泵浦激光器、光纤放大器、光隔离器、光纤耦合器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、第三光纤环形器、可调节光纤衰减器、第一受布里渊增益光纤、第二布里渊增益光纤和可调谐光纤滤波器，泵浦激光器、光纤放大器、光隔离器和光纤耦合器依次相连；第一光纤环形器的端口一和第二光纤环形器的端口一分别与光纤耦合器两个端口相连；第一受布里渊增益光纤的两端分别与第二光纤环形器的端口二、第三光纤环形器的端口三相连；第二受布里渊增益光纤分别与第一光纤环形器的端口二和可调谐光纤滤波器的第一端相连；可调节光纤衰减器的两端分别与第二光纤环形器的端口三、第三光纤环形器的端口一相连；可调谐光纤滤波器的第二端与第三光纤环形器的端口二相连；系统总增益由第一布里渊增益光纤与第二布里渊增益光纤级联产生；其中，第二布里渊增益光纤用于对第一布里渊增益光纤中输出的斯托克斯光进行功率放大与线宽压缩，并对第一布里渊增益光纤提供随机反馈；第一布里渊增益光纤用于放大第二布里渊增益光纤随机反馈回的斯托克斯光，并进一步地为第二布里渊增益光纤放大输出提供斯托克斯光信号源。

优选地，激光器中的所有器件之间通过光纤法兰盘相连接或直接熔接成一体。

优选地，可调节光纤衰减器用于调节第二布里渊增益光纤输出的斯托克斯光功率，并避免第二布里渊增益光纤输出的斯托克斯光出现增益饱和，并保证输出激光达到最窄线宽。

优选地，第一受布里渊增益光纤和第二受布里渊增益光纤的布里渊增益谱重合或存在交叠。

优选地，可调谐光纤滤波器用于滤除泵浦光，允许通过斯托克斯光，以阻止第二受布里渊增益光纤输出的泵浦光进入第一受激布里渊增益光纤中。

优选地，泵浦激光器为窄线宽激光器，光纤放大器输出功率可调。

本发明的有益效果在于：

本申请通过两个相同布里渊散射频移的布里渊增益光纤以及双边泵的结构，在保证输出激光稳定的前提下，提升系统的布里渊增益，进一步压缩输出激光线宽，实现了超窄线宽的激光输出；另一方面，本发明的系统结构中采用可调节光纤衰减器控制注入第二布里渊增益光纤的斯托克斯光功率大小，可使激光输出达到最佳效果；最后，本发明合理利用可调光纤谐滤波器，阻挡从第二布里渊增益光纤中输出的泵浦光注入第一布里渊增益光纤中，提升了系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明混合腔型双波长光纤激光器的结构示意图；

图2为延迟自外差法测量装置的结构示意图；

图中标记：101-泵浦激光器；102-光纤放大器；103-光隔离器；104-第一光纤耦合器；105-第一光纤环形器；106-第二光纤环形器；107-第三光纤环形器；108-可调节光纤衰减器；109-第一受布里渊增益光纤；110-第二布里渊增益光纤；111-可调谐光纤滤波器；201-第二光纤耦合器；202-延时光纤；203-声光移频器；204-第三光纤耦合器；205-平衡光电探测器；206-频谱仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器，包括泵浦激光器101、光纤放大器102、光隔离器103、光纤耦合器104、第一光纤环形器105、第二光纤环形器106、第三光纤环形器107、可调节光纤衰减器108、第一受布里渊增益光纤109、第二布里渊增益光纤110和可调谐光纤滤波器111，泵浦激光器101、光纤放大器102、光隔离器103和光纤耦合器104依次相连；第一光纤环形器105的端口一和第二光纤环形器106的端口一分别与光纤耦合器104两个端口相连；第一受布里渊增益光纤109的两端分别与第二光纤环形器106的端口二、第三光纤环形器107的端口三相连；第二受布里渊增益光纤110分别与第一光纤环形器105的端口二和可调谐光纤滤波器111的第一端相连；可调节光纤衰减器108的两端分别与第二光纤环形器106的端口三、第三光纤环形器107的端口一相连；可调谐光纤滤波器111的第二端与第三光纤环形器107的端口二相连；系统总增益由第一布里渊增益光纤109与第二布里渊增益光纤110级联产生；其中，第二布里渊增益光纤110用于对第一布里渊增益光纤109中输出的斯托克斯光进行功率放大与线宽压缩，并对第一布里渊增益光纤109提供随机反馈；第一布里渊增益光纤109用于放大第二布里渊增益光纤110随机反馈回的斯托克斯光，并进一步地为第二布里渊增益光纤110放大输出提供斯托克斯光信号源。

激光器中的所有器件之间通过光纤法兰盘相连接或直接熔接成一体。

可调节光纤衰减器108用于调节第二布里渊增益光纤110输出的斯托克斯光功率，并避免第二布里渊增益光纤110输出的斯托克斯光出现增益饱和，并保证输出激光达到最窄线宽。

第一受布里渊增益光纤109和第二受布里渊增益光纤110的布里渊增益谱重合或存在交叠。

可调谐光纤滤波器111用于滤除泵浦光，允许通过斯托克斯光，以阻止第二受布里渊增益光纤110输出的泵浦光进入第一受激布里渊增益光纤109中。

泵浦激光器101为窄线宽激光器，光纤放大器102输出功率可调。

本发明的工作原理：本发明将泵浦激光依次通过光纤放大器和光隔离器，利用光纤耦合器将泵浦激光分别注入第一布里渊增益光纤和第二布里渊增益光纤中。当泵浦光通过第二光纤环形器注入第一布里渊增益光纤中，发生受激布里渊散射，产生的后向斯托克斯光通过第二光纤环形器、可调节光纤衰减器、第三光纤环形器和可调谐光纤滤波器并注入第二布里渊增益光纤中。由于第一布里渊增益光纤和第二布里渊增益光纤的布里渊散射频移相同，因此，第一布里渊增益光纤的后向斯托克斯光可作为第二布里渊增益光纤的种子光，让斯托克斯光的线宽得到进一步的压缩。另一方面，在第二布里渊增益光纤中，斯托克斯光会发生后向瑞利散射，而可调谐光纤滤波器只允许斯托克斯光通过不允许泵浦光通过，因此后向瑞利散射光会通过可调谐滤波器和第三光纤环形器并注入第一布里渊增益光纤充当第一布里渊增益光纤的种子光。如此往复并最终输出超窄线宽激光。

在本发明的系统结构中，可调节光纤衰减器的作用是控制注入第二布里渊增益光纤中的斯托克斯光功率，若注入第二布里渊增益光纤中的斯托克斯光功率过大，则会导致受激布里渊散射中心波长增益饱和从而导致谱线加宽，而注入第二布里渊增益光纤中的斯托克斯光功率过小则会导致注入的种子光并不能占据布里渊受激散射的主导地位，从而也会导致谱线加宽，因此需增加可调节光纤衰减器以获得最佳的激光输出。

在一些实施例中，第一受布里渊增益光纤109和第二受布里渊增益光纤110均为单模光纤，长度分别为10km和15km。

第一受布里渊增益光纤109和第二受布里渊增益光纤110的受激布里渊散射频移相同。

第一光纤耦合器104的耦合比为20:80。第一光纤环形器105的端口一与第一光纤耦合器104的80％光功率端口相连。第二光纤环形器106的端口一与第一光纤耦合器104的20％光功率端口相连。

泵浦激光器101是一个中心波长为1550nm、线宽为20kHz、输出功率为10mW的半导体激光器。

可调节光纤衰减器108可调节衰减范围为0.8dB～64dB。

可调谐光纤滤波器111中心波长可调范围为1525nm～1610nm，3dB可调带宽为0.03nm～3nm。

布里渊随机光纤激光器中所有的器件之间都通过FC/APC的光纤头和法兰盘连接。

本发明的工作过程为：在开始时，由泵浦激光器101产生泵浦光源后通过光纤放大器102，光隔离器103和第一光纤耦合器104，在第一光纤耦合器中分成20％功率的激光注入第一布里渊增益光纤109和80％的光功率激光注入第二布里渊增益光纤110中。在这两个光纤中会首先由于光纤中分子的热运动产生自发布里渊散射，当自发布里渊散射达到一定强度时，则会与泵浦光相干涉产生受激布里渊散射。第一布里渊增益光纤109中发生受激布里渊散射产生的斯托克斯光通过可调节光纤衰减器108和可调谐光纤滤波器111后注入第二布里渊增益光纤中，由与第一布里渊增益光纤109和第二布里渊增益光纤110的布里渊散射频移相同，因此该注入的斯托克斯光可作为布里渊增益的种子光并进一步在第二布里渊增益光纤中110得到增益，另外，在第二布里渊增益光纤中，斯托克斯光也同样会发生瑞利后向散射，瑞利后向散射光通过可调谐光纤滤波器111，滤除泵浦光后注入第一布里渊增益光纤109并作为其种子光，当斯托克斯光受到的增益等于总损耗时，该系统可输出稳定超窄线宽的激光。

在本发明的系统结构中，可调节光纤衰减器108的作用是控制注入第二布里渊增益光纤110中的斯托克斯光功率，若注入第二布里渊增益光纤110中的斯托克斯光功率过大，则会导致受激布里渊散射中心波长增益饱和从而导致谱线加宽，而注入第二布里渊增益光纤110中的斯托克斯光功率过小则会导致注入的种子光并不能占据布里渊受激散射的主导地位，从而也会导致谱线加宽，因此在实验中应调整可调节光纤衰减器108以获得最窄线宽的激光输出。

延迟自外差法测量装置的结构如图2所示，首先用99:1的第二光纤耦合器201将待测激光分为两部分，其中99％的光功率注入100km的延时光纤202，1％的光功率注入一个声光移频器203，经声光移频器的调制产生70MHz的频移，使得两路光完全不相干，后经过第三光纤耦合器204，产生两个中心频率为70MHz的拍频差分信号，然后用光电平衡探测器205获取拍频光的时域信号，并用频谱仪206来观测拍频信号的频谱，从而可观察到输出激光的频谱信息。经测量激光输出的线宽为100Hz。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器，其特征在于，包括泵浦激光器(101)、光纤放大器(102)、光隔离器(103)、光纤耦合器(104)、第一光纤环形器(105)、第二光纤环形器(106)、第三光纤环形器(107)、可调节光纤衰减器(108)、第一受布里渊增益光纤(109)、第二布里渊增益光纤(110)和可调谐光纤滤波器(111)，泵浦激光器(101)、光纤放大器(102)、光隔离器(103)和光纤耦合器(104)依次相连；第一光纤环形器(105)的端口一和第二光纤环形器(106)的端口一分别与光纤耦合器(104)两个端口相连；第一受布里渊增益光纤(109)的两端分别与第二光纤环形器(106)的端口二、第三光纤环形器(107)的端口三相连；第二受布里渊增益光纤(110)分别与第一光纤环形器(105)的端口二和可调谐光纤滤波器(111)的第一端相连；可调节光纤衰减器(108)的两端分别与第二光纤环形器(106)的端口三、第三光纤环形器(107)的端口一相连；可调谐光纤滤波器(111)的第二端与第三光纤环形器(107)的端口二相连；系统总增益由第一布里渊增益光纤(109)与第二布里渊增益光纤(110)级联产生；其中，第二布里渊增益光纤(110)用于对第一布里渊增益光纤(109)中输出的斯托克斯光进行功率放大与线宽压缩，并对第一布里渊增益光纤(109)提供随机反馈；第一布里渊增益光纤(109)用于放大第二布里渊增益光纤(110)随机反馈回的斯托克斯光，并进一步地为第二布里渊增益光纤(110)放大输出提供斯托克斯光信号源。

2.根据权利要求1所述的一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器，其特征在于，激光器中的所有器件之间通过光纤法兰盘相连接或直接熔接成一体。

3.根据权利要求1或2所述的一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器，其特征在于，可调节光纤衰减器(108)用于调节第二布里渊增益光纤(110)输出的斯托克斯光功率，并避免第二布里渊增益光纤(110)输出的斯托克斯光出现增益饱和，并保证输出激光达到最窄线宽。

4.根据权利要求1或2所述的一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器，其特征在于，第一受布里渊增益光纤(109)和第二受布里渊增益光纤(110)的布里渊增益谱重合或存在交叠。

5.根据权利要求1或2所述的一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器，其特征在于，可调谐光纤滤波器(111)用于滤除泵浦光，允许通过斯托克斯光，以阻止第二受布里渊增益光纤(110)输出的泵浦光进入第一受激布里渊增益光纤(109)中。

6.根据权利要求1或2中所述的一种双泵级联型超窄线宽布里渊随机激光器，其特征在于，泵浦激光器(101)为窄线宽激光器，光纤放大器(102)输出功率可调。

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