CN101291037A - 调q的全光纤化光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于长周期光纤光栅调制器的全光纤配置的Q开关光纤激光器。长周期光纤光栅调制器是通过致动器施加应力来控制其光谱特性，其中致动器施加应力于长周期光纤光栅上的一段特定区域使其调制特定波长的光信号，并由控制器从时域上来控制施加的应力，从而对光纤激光腔的Q值进行交替调制。该光纤激光器的激光共振腔主要包括：长周期光纤光栅，一对光纤Bragg光栅和光纤增益介质。

Description

调Q的全光纤化光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别是调Q的全光纤化光纤激光器。
背景技术
光纤激光器具有输出光质量高、体积小、使用方便灵活、运行费用低等优越性能。光纤激光器可产生连续波(CW)激光辐射输出或脉冲激光辐射输出，而光纤激光器的脉冲运行可以通过Q开关技术实现。由于Q开关光纤激光器可产生高峰值功率激光脉冲和优秀的光束质量，从而使它适合于微加工、打标、科研等应用。激光Q开关可以通过在激光共振腔内插入一个光学调制器以控制激光腔内的光损耗来实现。简单来说，这个调制器的作用是一个光损耗开关。最初，腔损耗可保持在较高值(低Q因子状态)，此时，不发生激光振荡，但来自泵浦源的能量在增益介质中累积；在某一瞬间，腔损耗被突然切换到低损耗值(高Q因子状态)，使激光振荡在腔内非常迅速地建立，并生成一个高峰值功率激光脉冲。当在激光腔内由光学调制器对Q值进行高低切换时，就可以得到序列激光脉冲。
激光调Q可以采用主动或被动的方式。典型的主动式光学调制器是声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)。声光调制器通常由光学晶体制成，如二氧化碲、钼酸铅、石英晶体及熔融石英等；电光调制器通常由光学材料制成，如磷酸二氘钾KD*P、偏硼酸钡BBO、铌酸锂LiNbO3、NH4H2PO4(ADP)等。但是，AOM和EOM存在体积大、难以与芯径很小的光纤耦合等问题；此外，AOM和EOM器件也较昂贵。
一个典型的Q开关光纤激光器的配置如图1所示。其中激光腔由一对具有相同中心波长的光纤光栅(FBG)反射器15和35、一段提供光学增益的增益光纤(Gain Fiber)18和带有尾纤20耦合的光学调制器90组成。光学调制器90可以是AOM或EOM调制器。泵浦源(PumpSource)1提供了耦合到光纤激光腔中的泵浦光5激光腔以激励增益光纤18，光纤光栅(FBG)反射器提供光反馈以产生激光振荡。光学调制器90用于调制激光腔中的光损耗，以便对激光腔的Q值进行调制。最初，腔损耗保持在高损耗状态，即光学调制器处于“关”状态(相应于激光腔的低Q值状态)，此时没有光信号通过光学调制器90，不会产生激光振荡，但是来自泵浦光5的能量在增益介质18中累积。在某一瞬间，腔损耗通过光学调制器被突然切换到低损耗值，即光学调制器处于“开”状态(相应于激光腔的高Q值状态)，这时光信号可以立即通过光学调制器90，从而在腔内非常迅速地建立激光振荡，并生成一个高峰值功率激光脉冲。光纤光栅(FBG)对15和35具有相同的中心波长，并且作为窄带反射镜而提供光反馈到激光腔并将激光振荡的波长限定在光纤光栅的波长。由于光纤光栅具有很窄的反射带宽，则输出的激光具有很窄的波长光谱。当在激光腔内由光学调制器90对激光腔的Q值进行高低切换时，就可以得到序列激光脉冲。调Q的开关信号95受控于一个外部控制器96。光纤光栅对15和35中的一个具有低反射率且是部分透明的，因此所生成的激光的一部分将离开激光腔并输出激光38或42。
如图2a所示，光纤光栅是由在光纤芯中沿光纤长度方向引进周期性的微小折射率变化而形成。在光纤芯中的变化区域151及与其相邻的非变化区域152有非常小的折射率变化，其变化周期为ΛB。有几种在光纤芯中写入光纤光栅的技术，利用紫外激光照射光纤芯可以在照射区域引入折射率的变化，例如，变化区域151经紫外激光照射，但非变化区域152保持原来的状态。
光纤光栅的主要参数是中心波长λB、带宽ΔλB和反射率。满足高反射条件，称之为布拉格(Bragg)条件，其反射波长亦称之为布拉格波长。λB与光栅周期ΛB和光纤芯的有效折射率n的关系为：
λB＝2nΛB
图2b、2c和2d示出了光纤光栅的光谱特性。当具有如图2b所示的光谱分布120的宽带光110输入光纤光栅后，其反射光112(如图2a所示)具有如图2c所示的光谱分布122，其透射光111(如图2a所示)具有如图2d所示的光谱分布121。
长周期光纤光栅(LPFG)与光纤Bragg光栅(FBG)具有相似的结构，但长周期光纤光栅(LPFG)的光栅周期ΛL远长于光纤光栅的周期ΛB，通常ΛL是ΛB的200至2000倍以上。长周期光纤光栅把光纤中的基模耦合到包层模，并沿同一方向传播。激发的包层模衰减，从而在传输光谱上出现共振损耗。相比于光纤光栅，长周期光纤光栅不会产生反射光。
图3a至3c示出了长周期光纤光栅的结构和光谱传输特性。在长周期光纤光栅中，周期性的光栅结构22(如图3a所示)可利用紫外激光周期性地照射光纤芯的局部区域而实现。这与前面提到的FBG相似，照射过的局部区域251相对于区域252具有折射率改变。近年来的研究表明，长周期光纤光栅也可用高压电弧放电或二氧化碳激光沿光纤周期性地烧光纤芯而获得，但是会在烧过的局部区域引起玻璃结构的变化和轻微的几何变形。引入了机械应力的长周期光纤光栅也已被报道过，其中通过齿型板加压在光纤上而在光纤中产生周期性的应力，根据光弹性效应，折射率会在应力作用区域发生改变而在非应力作用区域不变。
当具有如图3b中的光谱分布220的宽带光210(如图3a所示)输入到长周期光纤光栅后，其透射光211(如图3a所示)具有如图3c所示的光谱分布221，其中出现有几个共振损耗峰222和223，代表了光纤中的基模与不同的包层模的耦合，但没有光反射回来。图3c中的共振损耗峰222的中心波长为λL，带宽为ΔλL。长周期光纤光栅的共振损耗是由光纤中的基模与包层模的耦合所引起，基模与包层模在波长λmL耦合的相位匹配条件可以表达为：
λmL＝(ncore-ncl m)ΛL
其中，ncore是基模的有效折射率，ncl m是第m阶包层模的有效折射率，ΛL是长周期光纤光栅的周期。由于多个包层模能满足这一条件，而每一个包层模在不同的中心波长λmL，因此长周期光纤光栅的传输光谱展示出一系列的传输损耗峰222和223(如图3c所示)。
图4a至4c显示了相移长周期光纤光栅的结构和光谱传输特性。其中，在光栅中心位置的一个光栅周期被移动了Λp，因而相移被引入到长周期光纤光栅中。例如，通过在长周期光纤光栅的中心引入π相移，此时损耗峰的位置转向为透射峰232(如图4c所示)。在这种情况下，当具有如图4b所示的光谱分布220的宽带光210(如图4a所示)输入到相移长周期光纤光栅后，其透射光211(如图4a所示)具有如图4c所示的光谱分布231。此时，波长λL能被传输透过。
图5a至5c显示了级联的长周期光纤光栅的结构和光谱传输特性。级联长周期光纤光栅是由一对长周期光纤光栅25和26串联而成，该对长周期光纤光栅的长度分别为d1和d2，并且它们之间的间距是L。当以具有如图5b所示的光谱分布220的宽带光210输入到级联长周期光纤光栅后，其透射光211具有如图5c所示的响应传输光谱241。从图5b和5c可以看出，其透射光的光谱传输响应有几个透射峰242、244和246，以及几个损耗峰245和243等。这是由于基模与包层模之间的干涉，第一个长周期光纤光栅耦合一部分基模到包层模，然后耦合模和基模沿光纤传输直至到达第二个长周期光纤光栅；在第二个长周期光纤光栅，这两种模相互作用并产生沿光谱分布的干涉图样。干涉条纹间距ΔλPL与两个长周期光纤光栅长度d1，d2及其间距L有关。当L增大时，条纹间距ΔλPL变小。对于典型的多通道滤波器方面的应用，L小于600毫米。
发明内容
本发明提供了一种调Q的全光纤化光纤激光器。在一种具体实施中，该光纤激光器至少包括一个泵浦光源、一个反射器、一段增益光纤和一个长周期光纤光栅调制器组成，其中长周期光纤光栅调制器用于调制激光腔中的Q值。
本发明提供了一种光纤激光调Q的方法。此方法将泵浦光输入到激光腔中，该激光腔由至少一个光纤光栅反射器、一段增益光纤和一个长周期光纤光栅调制器组成，其中激光腔的Q值由长周期光纤光栅调制器来调制，从而产生调Q的光纤激光。
附图说明
图1示出了一个通常的调Q光纤激光器结构。
图2a、2b、2c和2d示出了光纤光栅(FBG)的结构和光谱传输特性。
图3a、3b和3c示出了长周期光纤光栅(LPFG)的结构和光谱传输特性。
图4a、4b和4c示出了相移长周期光纤光栅的结构和光谱传输特性。
图5a、5b和5c示出了一对级联长周期光纤光栅的结构和光谱传输特性。
图6a、6b和6c示出了根据本发明的长周期光纤光栅调制器。
图6d和6e示出了根据本发明的长周期光纤光栅调制器的光谱传输特性。
图7示出了根据本发明的采用长周期光纤光栅调制器的Q开关光纤激光器的一个实施例。
图8a、8b和8c示出了根据本发明的采用相移长周期光纤光栅的调制器的一个实施例以及该调制器的光谱传输特性。
图9a示出了根据本发明的采用级联长周期光纤光栅对的调制器的一个实施例。
图9b、9c、9d和9e示出了根据本发明的采用级联长周期光纤光栅对的调制器的光谱传输特性。
图10示出了根据本发明的采用2个长周期光纤光栅调制器的Q开关光纤激光器的一个实施例。
图11a、11b和11c示出了根据本发明的采用2个长周期光纤光栅的调制器的结构。
图12示出了根据本发明的采用长周期光纤光栅调制器的Q开关光纤激光器的一个实施例，其中泵浦光从激光腔的中间耦合到激光腔中。
图13示出了根据本发明的采用长周期光纤光栅调制器的Q开关光纤激光器的一个实施例，其中该光纤激光器采用了环形激光腔，并且长周期光纤光栅调制器是放在光纤环路的外面。
图14示出了根据本发明的采用长周期光纤光栅调制器的Q开关光纤激光器的一个实施例，其中该光纤激光器采用了环形激光腔，并且长周期光纤光栅调制器是放在光纤环路的里面。
图15示出了根据本发明的采用长周期光纤光栅调制器的Q开关光纤激光器的一个实施例，其中该光纤激光器采用了环形激光腔，并且用光隔离器实现单向激光振荡。
图16示出了根据本发明的采用长周期光纤光栅调制器的Q开关光纤激光器的一个实施例，其中该光纤激光器采用了环形激光腔，并且泵浦光从激光腔的中间耦合到激光腔中。
具体实施方式
参见图6a至6c，长周期光纤光栅调制器是基于光弹性效应、通过施加一定应力到光纤上、从而引起光纤材料内折射率的变化，通过控制施加到光纤上应力的时间、区域和压力来对通过长周期光纤光栅调制器的光进行调制。如图6a所示，致动器202对长周期光纤光栅22上的一段区域253施加应力203，该应力可以通过机械、超声或其他的方法来施加。致动器202可以是由控制器206控制其调制电压205的压电致动器。在长周期光纤光栅的区域253施加应力203可引起该段材料暂时变形从而使区域253的折射率改变，进而引起长周期光纤光栅的周期结构和光谱传输特性都发生变化。折射率改变的程度取决于施加应力的强度，长周期光纤光栅的周期结构和光谱传输特性取决于：(a)施加应力的区域和强度；(b)施加应力的时期和频率。
图6b和6c是分别示出了图6a中的长周期光纤光栅调制器的截面图，显示了施加应力到长周期光纤光栅上的光纤20的不同设计。图6b中长周期光纤光栅的光纤20被放在致动器202和固定板215之间，光纤20可以用胶207固定住。图6c显示了另一设计，其中用V型槽216取代图6b中的平板215，可以增强光纤的固定和应力的分布。
图6d和6e示出了根据本发明的长周期光纤光栅调制器的光谱传输特性。当无应力作用于长周期光纤光栅时，长周期光纤光栅的透射光谱是221(如图6d所示)；此时，中心波长为λL的窄带输入信号光122被阻断，因为长周期光纤光栅的共振损耗峰222刚刚是在这个波长，这可对应于长周期光纤光栅调制器的“关”状态。这里，要求信号光的带宽比长周期光纤光栅的带宽ΔλL窄得多。当应力作用于图6a的长周期光纤光栅的区域253上时，透射光谱变为如图6e所示，其中图6d中的损耗峰222变为如图6e所示的222a；现在，窄带输入光122可以透过长周期光纤光栅，这可以对应于长周期光纤光栅调制器的“开”状态。因此，中心波长为λL的输入光122可根据加到致动器上的控制信号而进行调制。
图7示出了基于长周期光纤光栅调制器形成的全光纤配置的Q开关光纤激光器的一个实施例。在此具体实施中，激光腔采用法布里-珀罗(F-P)配置。光纤激光腔由一对具有相同中心波长λB的光纤光栅反射器15和35、增益光纤18和长周期光纤光栅调制器201组成；其中，长周期光纤光栅的损耗峰波长λL与光纤光栅的中心波长λB相匹配，光纤光栅的带宽ΔλB须比长周期光纤光栅的带宽ΔλL窄得多；要求有：ΔλB＜＜ΔλL，激光振荡的波长被限于光纤光栅的波长λB。由长周期光纤光栅调制器提供可控的光损耗来调制激光腔的Q值，而加到致动器上的调制电压205则由控制器206控制。泵浦源1耦合泵浦光5到激光腔中去泵浦增益光纤18。光纤光栅反射器15或35在其中心波长上是部分透明的，激光输出38或42可以从光纤端37或9输出。
类似的长周期光纤光栅调制器可由相移长周期光纤光栅形成，如图8a所示。这里，应力203是通过致动器202作用于相移长周期光纤光栅的相移区间，在这种情况下，图8b和8c分别示出了相移长周期光纤光栅被施加应力和不被施加应力时的透射光谱。当没有应力作用于区域253时，窄带光信号122可通过相移长周期光纤光栅232区域，它是在“开”状态；但当有应力作用于区域253时，长周期光纤光栅在波长λL有损耗峰232a，使该调制器处在“关”状态。同样，在这里要求信号光的带宽须比长周期光纤光栅的带宽ΔλL窄。
图9a示出了基于级联长周期光纤光栅调制器的一个实施例。将一对长周期光纤光栅25和26串行连接，致动器202或202b或202a分别把应力作用到长周期光纤光栅25或26上或者作用到长周期光纤光栅25和26之间的光纤227上；最初，在没有应力作用时，传输光谱显示为图9b中的241，信号光122的波长是匹配于级联长周期光纤光栅损耗峰243的波长λL1，因此该信号光122不能穿过，调制器是在“关”状态。当有应力作用于202或202b或202a中的某区域时，透射光谱变为如图9c所示；此时，由于λL1在243a是透明的，光信号122可以通过，调制器是在“开”状态。
图9d和9e显示了另一种设计。这时，在没有应力作用时，光信号122可以通过级联长周期光纤光栅，因为信号光的波长被设定匹配于图9d中244的波长λL2；而当有应力作用时，由于级联长周期光纤光栅的透射光谱变为如图9e所示，此时光信号122位于级联长周期光纤光栅光谱的损耗峰244a，光信号122被阻断。
通常来说，上面描述的任何一种长周期光纤光栅调制器都可以用来组成全光纤配置的Q开关光纤激光器。图10是采用2个长周期光纤光栅调制器201a和201b的Q开关光纤激光器的一个实施例，可以得到更好的开关消光比。长周期光纤光栅调制器结构上的设计可以将两个或更多的长周期光纤光栅装配在一起，如图11a、11b及11c所示。带有长周期光纤光栅265、275的光纤262、271被夹在致动器202和215或V型槽216之间，胶207可用于保护和固定光纤。调制电压209被加到致动器202上。图12是采用长周期光纤光栅调制器的Q开关光纤激光器的另一实施例，其中泵浦光从激光腔的中间耦合到激光腔中。泵浦光5通过泵浦耦合器4耦合到激光腔中。Q开关光纤激光器也可以采用环形激光腔配置，如图13所示。其中，激光腔包括光纤光栅反射器15，长周期光纤光栅调制器201，光纤耦合器60和增益光纤18。光纤耦合器60的两只臂62和64与增益光纤18熔接在一起以形成光纤环路，调制器201是放在光纤光栅15和光纤耦合器60之间并位于光纤环路的外面，该调制器在泵浦波长是透明的，激光从光纤耦合器63输出。图14是采用了环形激光腔的长周期光纤光栅调制器Q开关光纤激光器的另一实施例。其中，长周期光纤光栅调制器201是放在光纤环路的里面。在采用环形激光腔配置的Q开关光纤激光器中，增益光纤也可以在光纤环路外，此时光纤环路形成光纤圈反射器。图15是采用了环形激光腔的长周期光纤光栅调制器Q开关光纤激光器的又一实施例，用光隔离器70放在光纤环路里面以实现单向激光振荡。长周期光纤光栅调制器201可置于光纤环路内或外面。图16是采用了环形激光腔的长周期光纤光栅调制器Q开关光纤激光器的又一实施例，其中泵浦光通过泵浦耦合器4从激光腔的中部耦合到激光腔中。在此需说明的是，在任何采用了长周期光纤光栅调制器的Q开关光纤激光器的具体实施中，长周期光纤光栅调制器可以是基于通常的长周期光纤光栅、相移长周期光纤光栅或级联长周期光纤光栅的调制器。在光纤激光腔内，可用一个或者多个上述调制器以得到更好的开关消光比。
虽然已经通过结合当前认为是实用的例示性实施方案来描述了本发明，但应该认识到的是，本发明并不是仅仅限制于所揭示的实施方案；相反地，本发明意在覆盖包括在所附的权利要求的精神和范畴之内的不同修改和等价形式。

Claims (18)

1、一种调Q的全光纤化光纤激光器，包括：
至少一个光纤光栅反射器；
至少一个泵浦源；
至少一段增益光纤；和
至少一个长周期光纤光栅调制器，其对激光腔的Q值进行调制，从而产生调Q的光纤激光。
2、根据权利要求1所述的激光器，其中所述长周期光纤光栅调制器是通过对至少一段长周期光纤光栅中的光纤施加应力而实现调制。
3、根据权利要求1所述的激光器，其中所述光纤光栅反射器的中心波长匹配于长周期光纤光栅调制器的调制波长。
4、根据权利要求1所述的激光器，其中所述长周期光纤光栅调制器可包括至少一个相移区域。
5、根据权利要求1所述的激光器，其中所述长周期光纤光栅调制器还可包括两个或两个以上的级联长周期光纤光栅。
6、根据权利要求1所述的激光器，其中所述泵浦源将泵浦光从由所述光纤光栅反射器、所述长周期光纤光栅调制器和所述增益光纤组成的激光腔的中间注入到激光腔中。
7、根据权利要求1所述的激光器，其是包含一个光纤环路的环形激光器，其中所述长周期光纤光栅调制器是光纤环路的一部分。
8、根据权利要求1所述的激光器，其是包含一个光纤环路的环形激光器，其中所述长周期光纤光栅调制器位于光纤环路的外面。
9、根据权利要求1所述的激光器，其是包含一个光纤环路的环形激光器，其中所述泵浦源可直接将泵浦光注入光纤环路。
10、一种光纤激光调Q的方法，包括：
将泵浦光注入激光腔中，其中所述激光腔包括至少一个光纤光栅反射器，至少一段增益光纤和至少一个长周期光纤光栅调制器；以及
通过长周期光纤光栅调制器对激光腔的Q值进行调制，从而产生调Q的光纤激光。
11、根据权利要求10所述的方法，还包括：控制所述长周期光纤光栅调制器，其是通过对至少一段长周期光纤光栅中的光纤施加应力而实现调制。
12、根据权利要求10所述的方法，还包括：由至少一个光纤光栅反射器来反射光，所述光纤光栅反射器的特征在于其中心波长匹配于长周期光纤光栅调制器的调制波长。
13、根据权利要求10所述的方法，还包括：由具有至少一个相移区域的所述长周期光纤光栅调制器来切换Q值。
14、根据权利要求10所述的方法，还包括：由具有两个或两个以上的级联长周期光纤光栅的所述长周期光纤光栅调制器来切换Q值。
15、根据权利要求10所述的方法，还包括：将泵浦光从由所述光纤光栅反射器、所述长周期光纤光栅调制器和所述增益光纤组成的激光腔的中间注入激光腔中。
16、根据权利要求10所述的方法，其中所述激光器是包含一个光纤环路的环形激光器，并且该方法还包括由作为光纤环路的一部分的所述长周期光纤光栅调制器来切换Q值。
17、根据权利要求10所述的方法，其中所述激光器是包含一个光纤环路的环形激光器，并且该方法还包括由位于光纤环路外面的所述长周期光纤光栅调制器来切换Q值。
18、根据权利要求10所述的方法，其中所述激光器是包含一个光纤环路的环形激光器，并且泵浦源可直接将泵浦光注入光纤环路。
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