CN218275502U - 一种可调谐双波长随机光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种可调谐双波长随机光纤激光器，其包括光纤反射镜、泵浦源、波分复用器、掺铒光纤和光隔离器，其进一步包括单模光纤和微空气腔，其沿光路依次设置的光纤反射镜、泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、微空气腔以及光隔离器，所述可调谐双波长随机光纤激光器为半开腔结构，在单模光纤和光隔离器之间设置微空气腔；通过改变微空气腔的长度，实现了稳定的双波长激光输出，双波长的波长间隔在2.5nm至21.6nm之间实现调谐。本实用新型的双波长随机光纤激光器，具有更低的起振阈值、高信噪比、高稳定度及相对简单的结构，有望在光通信、双波长光纤激光器、光纤传感等领域得到进一步的应用。

Description

一种可调谐双波长随机光纤激光器

技术领域

本实用新型属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种可调谐双波长随机光纤激光器。

背景技术

近年来，多波长随机光纤激光器因其在太赫兹的产生、波分复用、微波、光纤传感以及激光扫描仪等领域的广泛应用而备受关注，多波长随机光纤激光器与此同时，也得到了广泛的研究。与传统的光纤激光器相比，随机光纤激光器作为一种新型的光纤激光器，其利用光纤中的多重散射作为激光形成的反馈机制，无需界限明确的谐振腔，随机光纤激光器具有激射阈值较低、腔体设计灵活、低相干、可靠性高等优点，随机光纤激光器有望成为新一代的光纤激光器，在非线性光学、长途光通信、无散斑光成像和分布式远程光传感等领域发挥重要作用。

自从随机光纤激光的概念提出以来，随机光纤激光器中的双波长的产生已通过很多不同的方式实现，2010年Taher等人基于两个光纤布拉格光栅，在RFLs中实现了稳定的双波长输出。除了基于两个布拉格光栅外，利用光纤环形镜、光纤法布里-珀罗干涉仪、带宽可调谐滤波器的半导体光放大器，结合受激拉曼散射、受激布里渊散射和掺铒光纤的混合增益也可以产生双波长随机光纤激光器(RFLs)。2014年，Wang等人报道了一种单波长和双波长之间可切换的RFLs。2020年，Zhang等人提出了全光纤线偏振双波长随机分布反馈拉曼激光器，基于两个可调带宽的滤光片，实现了波长、线宽和功率比可调的双波长输出。然而，双波长随机光纤激光器(RFL)具有较低的阈值，仍然是该领域的一个关键问题。这个问题一直制约着该随机光纤激光器在产业上的推广应用。

实用新型内容

基于现有技术中存在的问题，本实用新型提出一种可调谐双波长随机光纤激光器，其采用半开腔结构，由泵浦源、光纤反射镜、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、微空气腔以及光隔离器构成。利用微空气腔的滤波反馈作用与单模光纤中的随机反馈相结合实现稳定的可调谐双波长输出。

依据本实用新型的技术方案，提供一种可调谐双波长随机光纤激光器，其包括光纤反射镜、泵浦源、波分复用器、掺铒光纤和光隔离器，其进一步包括单模光纤和微空气腔，其沿光路依次设置的光纤反射镜、泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、微空气腔以及光隔离器，所述可调谐双波长随机光纤激光器为半开腔结构，在单模光纤和光隔离器之间设置微空气腔。通过改变微空气腔的长度，实现了稳定的双波长激光输出，双波长的波长间隔在2.5nm至21.6nm之间实现调谐。

其中，光纤反射镜与单模光纤中的后向瑞利散射所提供的随机分布反馈构成半开腔，泵浦源经过波分复用器对作为激光增益介质的掺铒光纤进行泵浦，在单模光纤末端引入间隙形成微空气腔作为波长可调谐装置。具体地，在单模光纤末端与光隔离器尾纤之间引入间隙作为微空气腔，通过改变微空气腔的长度来实现双波长间距的调谐。

优选地，可调谐双波长随机光纤激光器的半开腔结构由光纤反射镜与提供后向瑞利散射的单模光纤构成，光纤反射镜作为点式宽带反射器件。

进一步地，泵浦源经过波分复用器对作为激光增益介质的掺铒光纤进行泵浦，使半开腔随机光纤激光器工作于1550nm波段。微空气腔由两个纤芯对齐的光纤端面构成，微空气腔的长度由光纤熔接机精确控制。

更优选地，微空气腔的滤波反馈与单模光纤随机分布反馈相结合，实现稳定的双波长激光输出。

本实用新型提供的可调谐双波长随机光纤激光器，较现有的双波长激光器相比具有如下优点：

1、本实用新型与其他激光器相比结构较为简单，在无固定谐振腔的情况下，仅通过在半开腔随机掺铒光纤激光器中加入微空气腔，使用光纤熔接机调节微空气腔的长度，使谐振腔出现模式竞争，可实现稳定的双波长激光输出。

2、本实用新型与其他激光器相比，该激光器具有更低的起振阈值、高信噪比和高稳定度及相对简单的结构，有望在光通信、光成像、光纤传感等领域得到进一步的应用。

3、本实用新型通过在半开腔随机掺铒光纤激光器中加入微空气腔实现双波长的可调谐性，无需插入其他无源器件作为滤波器或干涉仪来执行可调谐随机激光，在实现结构简单的同时减低了成本。

4、本实用新型可以作为一个单元器件，通过选择增益介质和控制微空气腔可以对激光输出波段转换，就能够获得其它波段的可调谐激光输出。

5、本实用新型可调谐双波长随机光纤激光器满足了现有双波长光纤激光器应用领域的需求，可调谐双波长随机光纤激光器输出稳定、结构简单、易于推广；具有较高的信噪比、较好的稳定性和较宽的可调谐范围。

附图说明

图1为依据本实用新型的一种可调谐双波长随机光纤激光器的结构示意图。

图2为图1中所使用的微空气腔结构示意图。

图3为依据本实用新型的一种可调谐双波长随机光纤激光器输出的光谱图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

本实用新型提供一种可调谐双波长随机光纤激光器，其为一种性能稳定、低阈值和高信噪比的可调谐双波长随机光纤激光器(RFL)，其通过在半开放腔的掺铒随机光纤激光器(RFL)中加入微空气腔，通过调节微空气腔的长度控制谐振腔模式竞争，实现波长间距可调谐的双波长随机激光输出。本实用新型中的微空气腔具有成本效益低、调节灵活以及易于制造等优势，应用于光纤激光谐振腔中，可实现激光模式调控，并产生双波长激光输出。进一步地，可调谐双波长随机光纤激光器通过改变微空气腔的长度，双波长的波长间隔可在2.5至21.6nm之间实现调谐。本实用新型的双波长随机光纤激光器，具有更低的起振阈值、高信噪比、高稳定度及相对简单的结构，有望在光通信、双波长光纤激光器、光纤传感等领域得到进一步的应用。

一种可调谐双波长随机光纤激光器包括沿光路依次设置的光纤反射镜、泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、微空气腔以及光隔离器；该可调谐双波长随机光纤激光器采用半开腔结构，由光纤反射镜与单模光纤的后向瑞利散射所提供的随机分布反馈形成；光纤反射镜在半开腔的一端提供点式宽带反射，单模光纤在腔的另一端由后向随机瑞利散射提供分布式反馈。其中泵浦源经过波分复用器耦合镜半开腔对激光增益介质掺铒光纤进行泵浦，在单模光纤末端与光隔离器尾纤之间引入空气间隙形成微空气腔作为波长滤波反馈装置；通过调节微空气腔的长度来实现波长间距可调谐的双波长激光输出。

优选地，半开腔结构由光纤反射镜作为点式宽带反射器件，与提供后向瑞利散射的单模光纤构成。光纤反射镜也可使用其它具有宽带反射的光纤反射器如光纤环形镜等。一种可调谐双波长随机光纤激光器使用掺铒光纤作为激光器的增益介质，优选工作于1550nm波段，也可选择掺杂其它稀土离子的增益光纤，如掺镱光纤、铒镱共掺光纤或掺铥光纤等作为增益光纤，实现所需其它波段的激光输出。具体地，泵浦源经过波分复用器对作为激光增益介质的掺铒光纤进行泵浦，使半开腔随机光纤激光器工作于1550nm波段。

优选地，在单模光纤末端与光隔离器尾纤之间引入间隙作为微空气腔，通过改变微空气腔的长度来实现双波长间距的调谐。微空气腔由两个纤芯对齐的光纤端面构成，一端为单模光纤的尾端，另一端为光隔离器的尾纤，光纤端面以小于1°角平角进行切割，并将两个尾纤放置于光纤熔接加上来进行纤芯的精确对准及间距的调节。通过光纤与空气界面折射率的变化，在两个光纤端面之间产生多重菲涅耳反射，使激光反馈到谐振腔中产生干涉，起到滤波作用。微空气腔的长度由光纤熔接机精确控制，也包括使用其它类型的纳米级微型管及3D位移平台和显微镜进行控制。进一步地，微空气腔的滤波反馈与单模光纤随机分布反馈相结合，实现稳定的双波长激光输出。

下面结合附图，对本实用新型的可调谐双波长随机光纤激光器的结构进行详细说明。如图1所示，一种可调谐双波长随机光纤激光器包括光纤反射镜(FRM)1、泵浦源(LD)2、波分复用器(WDM)3、掺铒光纤(EDF)4、单模光纤(SMF)5、微空气腔(MAC)6以及光隔离器(ISO)7，该可调谐双波长随机光纤激光器采用半开腔结构，由光纤反射镜与单模光纤的后向瑞利散射所提供的随机分布反馈形成；其中泵浦源经过波分复用器对作为激光增益介质的掺铒光纤进行泵浦，在单模光纤末端与隔离器尾纤之间加入间隙形成微空气腔作为波长可调谐装置；通过调节微空气腔的长度实现波长间距可调谐的双波长激光输出。优选地，泵浦源2为980nm的半导体激光器；波分复用器3为三端口波分复用器，其具有980nm端、980/1550nm端以及1550nm端；掺铒光纤4的长度为5m的光纤，其作为该随机光纤激光器的增益光纤；单模光纤5采用芯径为9μm、长度约为6km的普通商用单模光纤，以产生充足的后向瑞利散射提供激光随机分布反馈；微空气腔6由两个纤芯对齐、有缝隙的光纤端面构成，通过光纤熔接机进行同轴对齐及长度控制；光隔离器7为单模光纤隔离器，保证光的单向传输，防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。

本实用新型可调谐双波长随机光纤激光器的工作机制如下：

可调谐双波长随机光纤激光器在980nm泵浦光作用下，掺铒光纤在1550nm波段产生自发辐射，自发辐射在单模光纤的传播过程中，由于光纤本身的微观不规则性产生随机分布的瑞利散射；在泵浦源提供的增益作用下，散射的光子得到放大。后向瑞利散射在单模光纤中相当于大量随机分布的瑞利反射镜的作用，将一部分自发辐射返回到微空气腔中，与光纤反射镜形成闭合反馈回路，实现光放大；满足激光形成的条件，产生光纤随机激光的激射。在长单模光纤后加入微空气腔形成复合谐振腔。随机激光在两个纤芯对齐的光纤端面产生多重菲涅耳反射，并反馈回随机激光谐振腔中参与模式竞争。通过调节微空气腔的长度，可实现双波长间距可调谐的稳定随机激光输出。

如图2所示的微空气腔结构，微空气腔由两个纤芯对齐、有间隙的光纤端面构成，一端为芯径为9μm(微米)、长度约为6km(千米)的普通商用单模光纤、光纤端面均以小于1°角的平角进行切割，另一端为以小于1°角平角进行切割的光隔离器的尾纤。将两尾纤放于光纤熔接机中，通过光纤熔接机进行同轴对齐及两光纤端面间隙控制。两个光纤端面之间的间距调节精度约为10微米量级。

如图3所示为本实用新型可调谐双波长随机光纤激光器输出的光谱图，其为可调谐双波长随机光纤激光器在泵浦功率为329mW下的双波长激光输出，光信噪比可达40dB。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种可调谐双波长随机光纤激光器，其包括光纤反射镜、泵浦源、波分复用器、掺铒光纤和光隔离器，其特征在于：其进一步包括单模光纤和微空气腔，其沿光路依次设置的光纤反射镜(1)、泵浦源(2)、波分复用器(3)、掺铒光纤(4)、单模光纤(5)、微空气腔(6)以及光隔离器(7)，所述可调谐双波长随机光纤激光器为半开腔结构，在单模光纤(5)和光隔离器(7)之间设置微空气腔(6)

通过改变微空气腔的长度，实现了稳定的双波长激光输出，双波长的波长间隔在2.5nm至21.6nm之间实现调谐。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐双波长随机光纤激光器，其特征在于：在单模光纤(5)末端与光隔离器(7)尾纤之间引入间隙作为微空气腔(6)，通过改变微空气腔的长度来实现双波长间距的调谐。

3.根据权利要求1所述的一种可调谐双波长随机光纤激光器，其特征在于：可调谐双波长随机光纤激光器的半开腔结构由光纤反射镜(1)与提供后向瑞利散射的单模光纤(5)构成，光纤反射镜(1)作为点式宽带反射器件。

4.根据权利要求1所述的一种可调谐双波长随机光纤激光器，其特征在于：泵浦源(2)经过波分复用器(3)对作为激光增益介质的掺铒光纤(4)进行泵浦，使半开腔随机光纤激光器工作于1550nm波段。

5.根据权利要求2所述的一种可调谐双波长随机光纤激光器，其特征在于：微空气腔由两个纤芯对齐的光纤端面构成，微空气腔的长度由光纤熔接机精确控制。

6.根据权利要求2和权利要求4所述的一种可调谐双波长随机光纤激光器，其特征在于：微空气腔的滤波反馈与单模光纤随机分布反馈相结合，实现稳定的双波长激光输出。

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