CN116470377A - 基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于激光技术领域，提供了基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，该激光器包括多个器件，多个器件分别为：半导体激光器，合束器、长度为2.5m的铒镱共掺双包层光纤，一个包层功率剥离器、一个光纤环形器、一段长度为3m的低掺杂保偏掺铒光纤，两支分束比20:80的2×2保偏光纤耦合器，一支偏振控制器、一支分束比为10:90的1×2保偏输出耦合器、一支高反射率光纤布拉格光栅。本发明提出基于动态光栅的多环形腔结构，双包层泵浦铒镱共掺光纤的高功率单纵模激光器，获得了线宽kHz量级、百毫瓦功率输出的单纵模激光输出，基于通过优化环形腔内参数结构，这种组合是输出功率突破W量级1550nm波段连续单频激光器的可靠方法。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器。
背景技术
1.4μm-2.1μm是“人眼安全”波段，为近红外激光的大气透过率，1.55μm波段作为常用的大气传输近红外窗口，此波段对大气的透过率较高，损耗小。
人眼在1.55μm波段的损伤阈值要比在1064nm波段的损伤阈值高出四个数量级，此外，人眼的最大允许曝光量在1.5μm波长下比2μm波段激光高十倍。
由于1.55μm波段的光纤器件相比其他波段的光纤器件已经发展成熟，所以容易实现全光纤化结构，具有结构紧凑，体积小，且便于运输等优势。但是现有的掺铒单纵模激光器存在环境稳定性弱、输出功率低等缺点。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，旨在解决现有单谐振腔光纤激光器输出单纵模激光功率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，包括多个器件，多个器件分别为：
半导体激光器，所述半导体激光器通过串联作为泵浦源；
合束器，所述合束器用于将泵浦源耦合进腔内；
铒镱共掺双包层光纤，所述铒镱共掺双包层光纤作为增益光纤为激光器提供反转粒子，其双包层结构可进行包层泵浦方式；
包层功率剥离器，所述包层功率剥离器用于过滤掉包层中未被吸收的泵浦光；
光纤环形器，所述光纤环形器被用作环形腔激光器的单向器，激光从1端口进入2端口，经过高反射光纤光栅的反射后，从环形器的3端口输出；
低掺杂保偏掺铒光纤，所述低掺杂保偏掺铒光纤处于未泵浦状态，经高反光栅和环形器的激光相向传输，到达在低掺杂光纤中形成动态光栅，起到窄带滤波作用；
保偏光纤耦合器，所述保偏光纤耦合器用于构建子环形腔和主环形腔的并联；
偏振控制器，所述偏振控制器用于调节腔内的偏振态，对单纵模稳定振荡起到调节作用；
保偏输出耦合器，90％的激光被输出谐振腔外，10％的激光继续在谐振腔内振荡放大；
高反射率光纤布拉格光栅，激光经高反光栅反射后进入腔内。
进一步的，所述铒镱共掺双包层光纤的长度为2.5m。
进一步的，所述低掺杂保偏掺铒光纤的长度为3m。
进一步的，所述保偏光纤耦合器的数量为两支，两支保偏光纤耦合器的分束比20:80。
进一步的，所述保偏输出耦合器的数量为一支，分束比为10:90。
进一步的，所述铒镱共掺双包层光纤对976nm泵浦光的吸收系数为3.47dB/m。
进一步的，所述基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器的总腔长12m，激光器中多个器件被高温胶带固定在水冷盘上，水冷机温度设为12度，对整个激光系统进行水循环冷却。
综上所述，本发明提出基于动态光栅的多环形腔结构，双包层泵浦铒镱共掺光纤的高功率单纵模激光器，获得了线宽kHz量级、百毫瓦功率输出的单纵模激光输出，基于通过优化环形腔内参数结构，这种组合是输出功率突破W量级1550nm波段连续单频激光器的可靠方法。
本发明针对单个振荡级的单纵模光纤激光器输出功率低的缺点，对激光器结构参数进行了优化，激光器采用动态光栅结合多环形腔结构，考虑到动态光栅的滤波效果和多环形腔的游标效应来增大纵模间隔，通过实验选定最优的产生动态光栅的低掺杂保偏掺铒光纤长度和最优的子环形腔光程差。最终实现了在泵浦功率4.2W时，最大输出单纵模激光功率为287mW，光光转换效率为6.8％，斜率效率为9.3％。在一小时内输出功率稳定度(标准差/平均值)为0.9％，输出波长为1550.036nm，利用延时自外差探测法测量单纵模激光的线宽为1.66kHz。此单振荡级激光器在动态光栅结合多环形腔结构的基础上，获得了百毫瓦量级的单纵模激光输出功率。此时腔内只有部分器件是保偏结构，进一步优化腔内为全保偏结构，可有效减小谐振腔损耗，在提高功率的同时防止出现跳模现象，有望实现W量级的单纵模激光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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。
图1为本发明基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器的结构图；
图2为本发明输出功率与泵浦的关系图；
图3为本发明基于动态光栅的多环形腔单纵模光纤激光器输出光谱图；
图4(a)为示波器探测到80MHz的拍频信号图；
图4(b)为频谱仪探测到80MHz的拍频频谱图；
图5为本发明最高输出功率下单纵模激光线宽测量图。
附图中：1、半导体激光器；2、合束器；3、铒镱共掺双包层光纤；4、包层功率剥离器4；5、光纤环形器；6、低掺杂保偏掺铒光纤；7、保偏光纤耦合器；8、偏振控制器；9、保偏输出耦合器；10、高反射率光纤布拉格光栅。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，在本发明实施例中，提供了基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，该激光器包括多个器件，多个器件分别为：
一个976nm半导体激光器1(LD)，一个976/1550nm的(2+1)×1的合束器2(combiner(2+1)×1)、长度为2.5m的铒镱共掺双包层光纤3(SM-EYDF,10/125)，一个包层功率剥离器4(CPS)、一个光纤环形器5(CIR),一段长度为3m的低掺杂保偏掺铒光纤6(PM-EDF)，两支分束比20:80的2×2保偏光纤耦合器7(couple1,couple2)，一支偏振控制器8(PC)、一支分束比为10:90的1×2保偏输出耦合器9(PM-OC)、一支高反射率光纤布拉格光栅10(HR-FBG)。
进一步的，在本发明实施例中，所述的一个976nm半导体激光器(LD)，通过串联作为泵浦源；
进一步的，在本发明实施例中，所述的976/1550nm的(2+1)×1的合束器(combiner(2+1)×1)，用于将泵浦源耦合进腔内；
进一步的，在本发明实施例中，所述的长度为2.5m的铒镱共掺双包层光纤(SM-EYDF,10/125)，作为增益光纤为激光器提供反转粒子，其双包层结构可进行包层泵浦方式。对976nm泵浦光的吸收系数为3.47dB/m；
进一步的，在本发明实施例中，所述的包层功率剥除器(CPS)，是利用Nufern公司的单模光纤(SM-GDF-10/130)制作而成，用于过滤掉包层中未被吸收的泵浦光；
进一步的，在本发明实施例中，所述的光纤环形器(CIR)被用作环形腔激光器的单向器，激光从1端口进入2端口，经过高反射光纤光栅的反射后，从环形器的3端口输出。
进一步的，在本发明实施例中，所述的高反射率光纤布拉格光栅(HR-FBG)，激光经高反光栅反射后进入腔内。
进一步的，在本发明实施例中，所述的长度为3m的低掺杂保偏掺铒光纤(PM-EDF)，低掺杂保偏掺铒光纤处于未泵浦状态，经高反光栅和环形器的激光相向传输，到达在低掺杂光纤中形成动态光栅，起到窄带滤波作用。
进一步的，在本发明实施例中，所述的两支分束比20:80的2×2保偏光纤耦合器(couple1,couple2)，选择20:80分光比以兼顾构建两个子环形腔和主环形腔进行并联；
进一步的，在本发明实施例中，所述的偏振控制器(FiberPolarizer)，用于调节腔内的偏振态，对单纵模稳定振荡起到调节作用。
进一步的，在本发明实施例中，所述的分束比为10:90的1×2保偏输出耦合器(PM-OC)，90％的激光被输出谐振腔外，10％的激光继续在谐振腔内振荡放大。
进一步的，在本发明实施例中，多环形腔激光器总腔长12m，激光器中各个器件被高温胶带固定在水冷盘上，水冷机温度设为12度对整个激光系统进行水循环冷却。
如图2、图3、图4(a)、图4(b)和图5所示，本发明提供的基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器在实验中，通过采用功率计、波长计、光电探测器、示波器、频谱仪、外差探测系统等去记录单纵模激光的平均输出功率、激光波长、拍频信号、拍频频谱图及1550nm激光线宽，并监测激光器运行状态，
在本发明实施例中，一个光纤环形器(CIR),一段长度为3m的低掺杂保偏掺铒光纤(PM-EDF)，与一支高反射率光纤布拉格光栅(HR-FBG)构成动态光栅，用来进行窄带滤波；两支分束比20:80的2×2保偏光纤耦合器(couple1,couple2)构建两个无源子环形腔，通过游标效应来增大纵模间隔以获得单纵模激光输出；一支偏振控制器(FiberPolarizer)用来控制腔内偏振环境，抑制其他纵模起振；一支分束比为10:90的1×2保偏输出耦合器(PM-OC)。
在本发明提供的基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器中，976nm的泵浦源经合束器接入谐振腔中，而后依次接入2.5m双包层铒镱共掺光纤、包层光剥离器、环形器、低掺杂保偏掺铒光纤、高反射光纤光栅、两支20:80的保偏耦合器被用作构建两个子环形腔并与主环形腔相连接、偏振控制器、输出耦合器10％的输出端与合束器尾纤相连接构成闭合的环形腔。
进一步的，掺杂光纤不仅可以作为激光器的增益物质使用，在合理配置调制掺杂光纤的光吸收和发射，还可以作为可饱和吸收体和其他器件组成动态诱导窄带光栅，被用于单频或窄线宽光纤激光器。
进一步的，掺铒光纤处于未泵浦的状态时，对信号光具有饱和吸收的作用，即光强越大，吸收系数越小，光强越小，吸收系数越大。在饱和吸收体中，频率相同且相向传播的两束光，由于干涉形成一个驻波场，在驻波的波腹光强最大，吸收系数最小；在波节处，光强最小，吸收系数最大。故吸收系数沿光纤轴向形成周期性调制。
进一步的，根据Kramers-Kroning关系可知，折射率随吸收系数的增大而逐渐变小，所以折射率也呈周期性变化，相当于在增益光纤中写入了窄带布拉格光栅[47,50]。光强越强，吸收系数越小，腔内损耗越小，增益越高，越容易起振，在模式竞争中更具有优势，所以自写入光栅具有自动跟踪主模的作用，即具有自动跟踪光纤光栅中心波长的作用。当饱和吸收体的反射带宽小于谐振腔的自由光范围时实现单纵模输出。
据此，PM-EDF反射谱的半极大全宽(FWHM)为：
λ＝2neffΛ；式中κ、Λ、N为FBG的耦合系数，周期以及周期个数，Lg为FBG的长度，neff为光纤的有效折射率neff＝1.46，Δn为掺铒光纤诱导的最大折射率差Δn＝2.6056×10-7，λ为布拉格光栅FBG的中心波长。
单向运行的环形腔的自由光谱范围可以表示为：式中nl为环形激光器的光学腔长。
当Δf＜Δv，理论上即可实现单纵模运转，经计算当未泵浦掺铒光纤PM-EDF长度大于2m时，动态光栅的反射带宽小于激光器的自由光谱范围。
光纤越长动态光栅的带宽越窄，越有利于选出单一纵模，但信号光的吸收损耗也会随之增大，导致激光器的输出功率与斜率效率降低，同时激光器的阈值功率也会随之提高，所以在实验中选用3m长的增益光纤作为动态光栅。
多环形腔即由多个腔长不同的环形腔组成的谐振腔，通过游标效应来增大纵模间隔以获得单纵模激光输出。对于具有单个环形腔的最简单的掺铒光纤激光器，较长的腔长通常会在较宽的Er3+增益带宽内产生大量纵模。
进一步的，结合典型反射带宽为0.11nm(～13.7GHz，1550nm)的常规光纤光栅(FBG)，可以相应减少纵模数。假设环腔长度为L，则主自由光谱范围(FSRP)为其中c是真空中的光速，n是有效折射率，设置主环的长度约为12米，FSR计算为17.1MHz，在FBG带宽内可起振大量纵模。为了获得单频激光，有效地增大的自由光谱范围，常常采用的方案是选择几个腔长相差很小的子谐振腔，将几个自由光谱为MHz量级的谐振腔复合成自由光谱为GHz的多环形腔，即可在反射带宽为0.1nm左右的光纤光栅谐振腔中有效实现单纵模振荡。其缺点是多环形腔使系统稳定性变差，在主腔中加入偏振控制器可增强系统稳定性。具有两个以上子环形腔的耦合腔谐振器的分析是相当复杂和繁琐的，为了简化用于实际指导的光纤长度选择标准，我们将以两个子环形腔为例，根据SLM操作的相长干涉条件进行分析。假设两个子环的长度分别为L1和L2，根据简化的建模结果和分析，谐振腔对L1(或L2)的单个长度没有特别的要求，这对光纤激光器的性能影响很小，因此只关注子环长度的差异。在理想条件下，当两个子腔分别处于m和m+1的顺序干涉级数时，可以同时发生相长干涉。
进一步的，两个耦合子腔的组合FSR可表示为：
有效FSR是通过缩小长度差来展宽的，激光器的发射频率位于光纤光栅的反射中心，在其3dB带宽的边缘有两个边模最终将被抑制，所以当FSRcp的大小等于光纤光栅带宽的一半时，可以近似估计最大长度差。
如果选择带宽为～13.7GHz的FBG，根据公式估算出两个子环的最大长度差为～3cm。设置两个子环L1和L2的长度分别为2.40和2.37m，分别对应85.2MHz和86.2MHz的自由光谱范围，组合在一起对应的有效FSRcp为～6.82GHz，以确保按照我们的标准进行单纵模激光操作。
综上所述，本发明针对单个振荡级的单纵模光纤激光器输出功率低的缺点，对激光器结构参数进行了优化，激光器采用动态光栅结合多环形腔结构，考虑到动态光栅的滤波效果和多环形腔的游标效应来增大纵模间隔，通过实验选定最优的产生动态光栅的低掺杂保偏掺铒光纤长度和最优的子环形腔光程差。最终实现了在泵浦功率4.2W时，最大输出单纵模激光功率为287mW，光光转换效率为6.8％，斜率效率为9.3％。在一小时内输出功率稳定度(标准差/平均值)为0.9％，输出波长为1550.036nm，利用延时自外差探测法测量单纵模激光的线宽为1.66kHz。此单振荡级激光器在动态光栅结合多环形腔结构的基础上，获得了百毫瓦量级的单纵模激光输出功率。此时腔内只有部分器件是保偏结构，进一步优化腔内为全保偏结构，可有效减小谐振腔损耗，在提高功率的同时防止出现跳模现象，有望实现W量级的单纵模激光输出。
以上各方案均只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，其特征在于，包括多个器件，多个器件分别为：
半导体激光器，所述半导体激光器通过串联作为泵浦源；
合束器，所述合束器用于将泵浦源耦合进腔内；
铒镱共掺双包层光纤，所述铒镱共掺双包层光纤作为增益光纤为激光器提供反转粒子；
包层功率剥离器，所述包层功率剥离器用于过滤掉包层中未被吸收的泵浦光；
光纤环形器，所述光纤环形器被用作环形腔激光器的单向器，激光从1端口进入2端口，经过高反射光纤光栅的反射后，从环形器的3端口输出；
低掺杂保偏掺铒光纤，所述低掺杂保偏掺铒光纤处于未泵浦状态，经高反光栅和环形器的激光相向传输，到达在低掺杂光纤中形成动态光栅；
保偏光纤耦合器，所述保偏光纤耦合器用于构建子环形腔和主环形腔的并联；
偏振控制器，所述偏振控制器用于调节腔内的偏振态；
保偏输出耦合器，90％的激光被输出谐振腔外，10％的激光继续在谐振腔内振荡放大；
高反射率光纤布拉格光栅，激光经高反光栅反射后进入腔内。
2.根据权利要求1所述的基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，其特征在于，所述铒镱共掺双包层光纤的长度为2.5m。
3.根据权利要求2所述的基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，其特征在于，所述低掺杂保偏掺铒光纤的长度为3m。
4.根据权利要求3所述的基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，其特征在于，所述保偏光纤耦合器的数量为两支，两支保偏光纤耦合器的分束比20:80。
5.根据权利要求4所述的基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，其特征在于，所述保偏输出耦合器的数量为一支，分束比为10:90。
6.根据权利要求5所述的基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，其特征在于，所述铒镱共掺双包层光纤对976nm泵浦光的吸收系数为3.47dB/m。
7.根据权利要求2-6任一所述的基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器，其特征在于，所述基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器的总腔长12m，激光器的多个器件被高温胶带固定在水冷盘上，水冷机温度设为12度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310398521.6A CN116470377A (zh) | 2023-04-14 | 2023-04-14 | 基于动态光栅的多环形腔高功率单纵模激光器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| CN116470377A true CN116470377A (zh) | 2023-07-21 |
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| CN (1) | CN116470377A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115102016A (zh) * | 2022-06-06 | 2022-09-23 | 北京交通大学 | 一种单纵模窄线宽掺铥光纤激光器 |
-
2023
- 2023-04-14 CN CN202310398521.6A patent/CN116470377A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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