CN100423385C - 一种线性谐振腔窄线宽宽可调谐光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性谐振腔窄线宽宽可调谐光纤激光器，泵浦光源输出的泵浦光经光纤波分复用器的C端进入，经光纤波分复用器的A端传输给第一掺杂光纤，第一掺杂光纤吸收泵浦光后会产生荧光，所述荧光在第一掺杂光纤中向R方向和L方向传输，其中，L方向荧光输出给法拉第反射镜，R方向荧光输出给光纤波分复用器的A端；L方向荧光在法拉第反射镜上被反射后形成与入射光偏振态正交的反射光，所述反射光和R方向荧光经第一掺杂光纤、光纤波分复用器的D端输出给法布里-泊罗可调谐滤波器，之后进入第一耦合器的A端，第一耦合器的C端与第二耦合器的A端熔接，第二耦合器的C端传输的顺时针光经偏振控制器、第二掺杂光纤后进入第二耦合器的D端；第二耦合器的D端传输的逆时针光经第二掺杂光纤、偏振控制器后进入第二耦合器的C端。从第二耦合器的C端和D端进入的激光从第二耦合器的A端输出给第一耦合器的C端，从第一耦合器的A端输出给法布里-泊罗可调谐滤波器，之后从光纤波分复用器的D端进入，从A端输出给第一掺杂光纤。重复上述振荡，激光从第一耦合器的D端输出。

Description

一种线性谐振腔窄线宽宽可调谐光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，更特别地说，是指一种能够保持激光输出频率稳定和避免空间烧孔效应的窄线宽宽可调谐光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是在光放大器的技术基础上发展起来的，与光放大器类似，它的增益介质是一段掺杂光纤，和相应器件组合成一个有源谐振腔，一般是在半导体激光的泵浦下实现激光的输出。作为一种新型的光源它具有独特的优点：光纤输出使用灵活，可以在恶劣的环境下工作，结构紧凑，能量密度高，抗电磁干扰性强，泵浦阈值低，转换效率高，可调谐范围宽，无需加散热等等，尤其可以很容易的获得光纤通信C波段的输出，并与光纤系统天然耦合。光纤激光器适用于高端测试、传感等领域。

在一些非接触，大光程差相干光纤传感测量中，由于传统光纤激光器线宽较宽，在短距离检测时体现不出来的光源相位噪声成为噪声的重要来源之一，由此导致了干涉系统信噪比的迅速降低。

由于光纤激光器典型腔长都可以达到几十米，所以纵模间隔非常窄，而整个增益区又很宽，这给选模带来了很大的困难。若只采用一般的滤波器如光纤光栅或者F-P干涉仪，激光器一般将处在不规则的多纵模运转状态。一种解决方案是缩短腔长，腔长可以缩短到亚毫米量级，从而实现单纵模输出。上述方法虽然可以获得单纵模输出，但是会降低激光输出功率，并且其调谐范围不可能太宽。

早在1845年，法拉第(M.Faraday)在实验上发现，当一束线偏振光通过非旋光性介质时，如果在介质中沿光传播方向上加一外磁场，则光通过介质后，光振动(指电矢量)的振动面转过一角度θ，这一外加磁场使介质产生旋光性的现象称为法拉第效应或磁致旋光效应。法拉第效应的简单解释是：线偏振光总可分解为左旋和右旋的两个圆偏振光，无外磁场时，介质对这两种圆偏振光具有相同的折射率和传播速度，通过L距离的介质后，对每种圆偏振光引起了相同的相位移，因此透过介质叠加后的振动面不发生偏转；当有外磁场存在时，由于磁场与物质的相互作用，改变了物质的光特性，这时介质对右旋和左旋圆偏振光表现出不同的折射率和传播速度。二者在介质中通过同样的距离后引起了不同的相位移，叠加后的振动面相对于入射光的振动面发生了旋转。法拉第效应发现后100多年，并未获得应用，直到20世纪60年代，由于激光和光电子技术的兴起，法拉第效应才找到用武之地。光纤法拉第反射镜是基于法拉第效应制作而成的光学器件。它的作用是改变入射光的偏振态，使得反射光的偏振态和入射光的偏振态相比，正好旋转了90度，因此可以避免入射光和反射光的叠加，从而避免了空间烧孔效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种线性谐振腔窄线宽可调谐光纤激光器，该窄线宽宽可调谐光纤激光器增益部分为线性谐振腔。由于法拉第反射镜的使用，有效避免了空间烧孔效应，保证了激光输出频率的长期稳定；采用在偏振控制器与耦合器之间熔接一段掺杂离子光纤，利用光在掺杂离子光纤中的饱和吸收效应诱发的自写入光纤光栅的窄带滤波特性，以及这种自写入光纤光栅反射波长的自适应特性，实现了单纵模窄线宽激光输出。

本发明一种线性谐振腔窄线宽宽可调谐光纤激光器，泵浦光源输出的泵浦光经光纤波分复用器的C端进入，经光纤波分复用器的A端传输给第一掺杂光纤，第一掺杂光纤吸收泵浦光后会产生荧光，所述荧光在第一掺杂光纤中向R方向和L方向传输，其中，L方向荧光输出给法拉第反射镜，R方向荧光输出给光纤波分复用器的A端；L方向荧光在法拉第反射镜上被反射后形成与入射光偏振态正交的反射光，所述反射光和R方向荧光经第一掺杂光纤、光纤波分复用器的D端输出给法布里-泊罗可调谐滤波器，之后进入第一耦合器的A端；由第一耦合器的D端输出激光；由第一耦合器的C端传输出的激光进行第二耦合器的A端，第二耦合器的C端传输的顺时针光经偏振控制器、第二掺杂光纤后进入第二耦合器的D端；第二耦合器的D端传输的逆时针光经第二掺杂光纤、偏振控制器后进入第二耦合器的C端；所述从第二耦合器的C端和D端进入的激光从第二耦合器的A端输出给第一耦合器的C端，从第一耦合器的A端输出给法布里-泊罗可调谐滤波器，之后从光纤波分复用器的D端进入，从A端输出给第一掺杂光纤。重复上述振荡，激光从第一耦合器的D端输出。

所述的窄线宽宽可调谐光纤激光器，其第二耦合器、偏振控制器和第二掺杂光纤共同组成一个有源光纤环形腔，起到反射镜的作用，第二掺杂光纤中产生一个瞬态的自写入光纤光栅。

所述的窄线宽宽可调谐光纤激光器，其光纤波分复用器、第一掺杂光纤、法拉第反射镜、第二耦合器、第一耦合器和法布里-泊罗可调谐滤波器形成线性谐振腔。

光纤法布里泊罗可调谐滤波器的使用使得本发明光纤激光器的激光输出波长可以连续调节100nm以上。

本发明宽可调谐光纤激光器的优点在于：(1)法拉第反射镜4的选用有效地避免了线性谐振腔中极易出现的空间烧孔效应，使得激光输出频率的稳定性极好；(2)第二耦合器5、偏振控制器6和第二掺杂光纤7共同组成一个反射镜，使得激光输出线宽可以被压缩到几千赫兹；(3)在光纤波分复用器2的D端熔接光纤法布里泊罗可调谐滤波器9，使得激光输出波长的调节范围达到100nm以上。

附图说明

图1是本发明线性谐振腔窄线宽宽可调谐光纤激光器的整体结构示意图。

图中：1.泵浦光源  2.光纤波分复用器  3.第一掺杂光纤4.法拉第反射镜  5.第二耦合器  6.偏振控制器7.第二掺杂光纤  8.第一耦合器  9.光纤法布里泊罗可调谐滤波器

具体实施方式

本发明公开了一种新型光纤激光器，用简单的结构实现了宽可调谐、单纵模窄线宽激光输出的功能。

请参见图1所示，本发明是一种线性谐振腔窄线宽宽可调谐光纤激光器，泵浦光源1熔接在光纤波分复用器2的C端上，光纤波分复用器2的A端与第一掺杂光纤3一端熔接，第一掺杂光纤3另一端与法拉第反射镜4熔接，光纤波分复用器2的D端与光纤法布里-泊罗可调谐滤波器9一端熔接，光纤法布里-泊罗可调谐滤波器9另一端与第一耦合器8的A端熔接，第一耦合器8的C端与第二耦合器5的A端熔接，第二耦合器5的C端与第二掺杂光纤7一端熔接，第二耦合器5的D端与第二掺杂光纤7另一端熔接，偏振控制器6熔接在第二掺杂光纤7上。

请参见图1所示，本发明是一种线性谐振腔窄线宽宽可调谐光纤激光器，泵浦光源1可以采用974nm半导体激光器，也可以是波长1480nm的半导体激光器；泵浦光源1输出的泵浦光经光纤波分复用器2的C端进入，经光纤波分复用器2的A端传输给第一掺杂光纤3，第一掺杂光纤3吸收泵浦光后会产生荧光，所述荧光在第一掺杂光纤3中向R方向和L方向传输，其中，L方向荧光输出给法拉第反射镜4，R方向荧光输出给光纤波分复用器2的A端；L方向荧光在法拉第反射镜4上被反射后形成与入射光偏振态正交的反射光(即激光)，所述反射光经第一掺杂光纤3、光纤波分复用器2的D端输出给光纤法布里-泊罗可调谐滤波器9；经光纤法布里-泊罗可调谐滤波器9的传输出的所述反射光进入第一耦合器8的A端，在第一耦合器8中的所述反射光(即激光)由其D端输出激光束；由第一耦合器8的C端传输出的所述反射光进入第二耦合器5的A端，由第二耦合器5的C端传输的顺时针光经偏振控制器6、第二掺杂光纤7后进入第二耦合器5的D端；第二耦合器5的D端传输的逆时针光经第二掺杂光纤7、偏振控制器6后进入第二耦合器5的C端，在第二耦合器5中的顺、逆两束光再次经A端传输给第一耦合器8的C端；从第二耦合器5的C端和D端进入的激光从第二耦合器5的A端输出给第一耦合器8的C端，从第一耦合器8的A端输出给法布里-泊罗可调谐滤波器9，之后从光纤波分复用器2的D端进入，从A端输出给第一掺杂光纤3。重复上述振荡，激光从第一耦合器8的D端输出。在本发明中，所述第二耦合器5、偏振控制器6和第二掺杂光纤7共同组成一个有源光纤环形腔，起到反射镜的作用，第二掺杂光纤7中产生一个瞬态的自写入光纤光栅。光在第二掺杂光纤7中形成一个自写入光纤光栅，第二掺杂光纤7为未泵浦光纤中掺杂离子光纤，光在第二掺杂光纤7中由于饱和吸收效应而诱发的自写入光纤光栅的窄带滤波特性，以及此自写入光纤光栅的反射波长的自适应特性实现了单纵模窄线宽激光输出。这种自写入光纤光栅起到压缩线宽和稳定单纵模激光输出频率的作用。在本发明中，光纤波分复用器2、第一掺杂光纤3、法拉第反射镜4、第二耦合器5、第一耦合器8和光纤法布里-泊罗可调谐滤波器9形成线性谐振腔，所述线性谐振腔中由于采用了法拉第反射镜4，避免了线形谐振腔中极易出现的空间烧孔效应。

第二掺杂光纤7中形成的自写入光纤光栅起作用的基本原理是：未泵浦的掺杂稀土粒子对产生的激光存在吸收作用，当两束光(由第二耦合器5、偏振控制器6和第二掺杂光纤7共同组成一个反射镜中的顺时针光、逆时针光)在第二掺杂光纤7叠加，构成驻波时，由于波腹和波节处的光强不同，产生饱和吸收现象，起到可饱和吸收体的作用(即越强的激光所具有的的吸收损耗越小，该效应有利于抑制后起振模式的竞争，因而可用于压缩运行激光的光谱宽度)。吸收饱和效应使得未泵浦掺杂光纤对信号光的吸收系数随长度周期性变化，因此形成了自写入光纤光栅。这个自写入光纤光栅能够抑制形成驻波的纵模以外的其它纵模，从而抑制了激光器的多纵模振荡。当光功率和第二掺杂光纤7长度合适时形成自写入光纤光栅，这种自写入光纤光栅的带宽很窄，因此可以起到压缩线宽和实现稳定单纵模激光输出的作用。

本发明中，第一掺杂光纤3、第二掺杂光纤7是掺杂同种元素的光纤，光纤中的掺杂离子为稀土元素，可以是掺铒，掺镱，掺钕等。

本发明利用在线性谐振腔结构和未泵浦光纤中掺杂离子的饱和吸收效应诱发的自写入光纤光栅的窄带滤波特性以及此自写入光纤光栅反射波长的自适应特性实现了单纵模窄线宽激光输出；通过在线性谐振腔中加入法拉第反射镜，使得入射到法拉第反射镜的光的偏振态和反射光的偏振态相互正交，入射光和反射光不能叠加，因此有效避免了空间烧孔效应，抑制了多纵模之间的竞争，使得输出激光为单纵模激光。

Claims (5)

1. 一种线性谐振腔窄线宽宽可调谐光纤激光器，包括泵浦光源、耦合器、波分复用器，其特征在于：泵浦光源(1)输出的泵浦光经光纤波分复用器(2)的C端进入，经光纤波分复用器(2)的A端传输给第一掺杂光纤(3)，第一掺杂光纤(3)吸收泵浦光后会产生荧光，所述荧光在第一掺杂光纤(3)中向R方向和L方向传输，其中，L方向荧光输出给法拉第反射镜(4)，R方向荧光输出给光纤波分复用器(2)的A端；L方向荧光在法拉第反射镜(4)上被反射后形成与入射光偏振态正交的反射光，所述反射光和R方向荧光经第一掺杂光纤(3)、光纤波分复用器(2)的D端输出给法布里-泊罗可调谐滤波器(9)，之后进入第一耦合器(8)的A端；由第一耦合器(8)的D端传输出激光；由第一耦合器(8)的C端传输出的激光进入第二耦合器(5)的A端，由第二耦合器(5)的C端传输的顺时针光经偏振控制器(6)、第二掺杂光纤(7)后进入第二耦合器(5)的D端；第二耦合器(5)的D端传输的逆时针光经第二掺杂光纤(7)、偏振控制器(6)后进入第二耦合器(5)的C端；所述从第二耦合器(5)的C端和D端进入的激光从第二耦合器(5)的A端输出给第一耦合器(8)的C端，并经第一耦合器(8)的A端输出给法布里-泊罗可调谐滤波器(9)，之后从光纤波分复用器(2)的D端进入，从其A端输出给第一掺杂光纤(3)。

2. 根据权利要求1所述的窄线宽宽可调谐光纤激光器，其特征在于：所述第二耦合器(5)、偏振控制器(6)和第二掺杂光纤(7)共同组成一个有源光纤环形腔，起到反射镜的作用，第二掺杂光纤(7)中产生一个瞬态的自写入光纤光栅。

3. 根据权利要求1所述的窄线宽宽可调谐光纤激光器，其特征在于：所述光纤波分复用器(2)、第一掺杂光纤(3)、法拉第反射镜(4)、第二耦合器(5)、第一耦合器(8)和法布里-泊罗可调谐滤波器(9)形成线性谐振腔。

4. 根据权利要求1所述的窄线宽宽可调谐光纤激光器，其特征在于：所述泵浦光源(1)是采用974nm的半导体激光器，或者是波长1480nm的半导体激光器。

5. 根据权利要求1所述的窄线宽宽可调谐光纤激光器，其特征在于：所述第一掺杂光纤(3)、第二掺杂光纤(7)是光纤中掺杂同一稀土元素的掺杂光纤。

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