CN101459313B

CN101459313B - 多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器

Info

Publication number: CN101459313B
Application number: CN2008102207237A
Authority: CN
Inventors: 徐善辉; 杨中民; 张伟南; 张勤远
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2028-12-31
Also published as: CN101459313A

Abstract

本发明提供了一种多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，该单频光纤激光器包括高增益双包层二维阵列光纤、窄带光纤光栅阵列、二色镜或宽带光纤光栅阵列、泵浦光源(单模LD或多模LD或两者一起)、光纤隔离器、耦合透镜、波分复用器组成，它可以实现同时输出多路同波长或不同波长的单横模的高功率(＞100mW)、超窄线宽(KHz级)单频(单纵模)激光，并且同时输出的多路单频激光互不干扰。该发明可应用于对多个目标同时进行高精度的传感、探测和指示的军事或太空领域。

Description

多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器。

背景技术

超窄线宽单频激光器以其优异的相干性能在工业、农业、军事等领域具有广泛的应用前景，尤其在长距离、高精度传感、激光测距及指示方面显得尤为重要。要提高光纤激光的探测距离或精度，需要使用高相干性能的激光，因而要求激光具有超窄线宽的谱宽，如要求KHz量级线宽的单频光纤激光。在需要同时对多个目标进行探测、指示的太空或军事领域中，则对多波长同时输出的单频激光提出了应用需求。一般石英掺杂光纤很难实现较高功率(＞100mW)，超窄线宽(＜2KHz)的单频激光输出，而实现多波长同时输出高功率，超窄线宽的单频激光更加难以实现。

目前研究超窄线宽单频光纤激光器，采用稀土离子高掺杂的石英光纤作为激光介质，短直F-P腔结构，一般只能输出几mW单频激光，采用多组分玻璃光纤作为单频激光的增益介质，则可实现输出功率100mW以上、线宽小于2KHz的单频光纤激光，如采用2cm长的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤，实现了输出功率大于200mW、线宽小于2KHz、波长为1.5μm的单频光纤激光[J.Lightwave Technol.，2004，22：57]。

结合双包层结构、二维阵列、单位长度高增益等特性，设计并拉制出双包层二维阵列光纤，为实现多波长同时输出高功率，超窄线宽的单频激光提供了物质保障。再利用短直F-P腔及窄线宽光纤光栅的选频特征，可以实现单频激光输出。最后通过设计制作整个光纤激光链路，可最终实现多波长同时输出高功率、超窄线宽的单频光纤激光。

发明内容

本发明的目的是提供一种多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其利用阵列纤芯材料的高掺杂和高增益特性，采用短F-P腔结构，利用窄线宽光纤光栅的选频作用，在泵浦光源的持续抽运下，同时在所有阵列纤芯中产生KHz量级的超窄线宽单频激光，最终实现多波长或同一波长多路输出。

本发明的具体技术解决方案是：

一种多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，包括n个光纤隔离器1、n个单模LD2、n个波分复用器3、窄带光纤光栅阵列4、高增益双包层二维阵列光纤5、二色镜6、耦合透镜7、多模LD8；各部件的结构关系是：高增益双包层二维阵列光纤5作为激光介质，窄带光纤光栅阵列4和二色镜6组成激光腔前后腔镜，并且分别紧贴高增益双包层二维阵列光纤5的前后端，高增益双包层二维阵列光纤5、窄带光纤光栅阵列4和二色镜6组成单频光纤激光器的谐振腔；泵浦方式采用前后双向同时泵浦；前向泵浦由n个单模LD2产生的泵浦光分别经由对应的n个波分复用器3耦合至窄带光纤光栅阵列4中的各光纤光栅中，并经过窄带光纤光栅阵列4中的各光纤光栅后分别对应耦合进高增益双包层二维阵列光纤5前端的各阵列纤芯中进行泵浦；后向泵浦采用多模LD8产生多模泵浦光经由耦合透镜7耦合经由二色镜6至高增益双包层二维阵列光纤5后端的内包层中，进行包层泵浦；所述n为自然数，且n≥2。前后向泵浦光不断抽运纤芯中的稀土离子，使其达到粒子数反转，受激发射产生信号光，信号光在由窄带光纤光栅阵列4和二色镜6组成的前后腔镜反射下来回振荡，随着泵浦功率不断增强，振荡信号光突破阈值，产生激光，由于激光谐振腔的腔长短，且窄带光纤光栅阵列4中各光纤光栅的反射谱很窄，从而保证了各谐振腔能输出超窄线宽的单频激光，各路单频激光由窄带光纤光栅阵列4中各光纤光栅分别耦合输出至n个波分复用器3的各公共端，经n个波分复用器3分波后由各信号端输出各路单频激光，从而实现同时输出n路同波长或不同波长的超窄线宽单频激光，并且同时输出的多路单频激光互不干扰。

上述多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器中，所述双包层二维阵列光纤5的阵列纤芯成分为磷酸盐玻璃，其组成为：70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃，所述阵列纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体。

上述多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器中，其特征在于所述阵列纤芯的发光离子掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³。

上述多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器中，所述发光离子在双包层二维阵列光纤5的各阵列纤芯中是均匀掺杂的，且各纤芯呈二维阵列形排布。

上述多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器中，所述二维纤芯阵列形状是圆形、三角形、矩形、D型、六边形、十字星形、三角星形或六角星形。

上述多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器中，每条阵列纤芯直径小于10μm，纤芯折射率为N₁，光纤内、外包层的折射率分布为N₂和N₃，且满足关系：N_i＞N₂＞N₃，在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上的折射率阶跃变化，光纤内、外包层的横截面形状是圆形、矩形或D型。

上述多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器中，所述二色镜6用宽带光纤光栅阵列9代替，则后向泵浦光采用n个单模LD2的尾纤与宽带光纤光栅阵列9中各光纤光栅的尾纤直接熔接后耦合输入。

上述多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器中，所述激光腔是F-P结构短腔型，前腔镜是窄带光纤光栅阵列4，后腔镜是二色镜6或宽带光纤光栅阵列9，激光腔长度1～100mm，其中二色镜6或宽带光纤光栅阵列9是对泵浦光高透，透射率大于90％，而对激励信号波长高反，反射率大于95％。窄带光纤光栅阵列4则由反射谱线宽小于0.08nm的光纤光栅组成，其中心波长处的反射率在10～90％之间。每个光纤光栅反射波长可以相同也可以不同或者部分相同。

上述多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器中，所述窄带光纤光栅阵列4是根据双包层二维阵列光纤5中纤芯形状来设计和排布已刻的窄带光纤光栅，最后对窄带光纤光栅阵列4端面进行研磨抛光，以使窄带光纤光栅阵列4中各个窄带光纤光栅直接与双包层二维阵列光纤5中纤芯实现端对端耦合；窄带光纤光栅阵列4和宽带光纤光栅阵列9中各光纤光栅包层之间的空隙用环氧树脂或玻璃材料填充；对应双包层二维阵列光纤5中同一阵列纤芯的每个宽带光纤光栅与每个对应的窄带光纤光栅需匹配，即窄带光纤光栅反射中心波长需位于宽带光纤光栅或二色镜6的反射谱内。

上述多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器中，所述泵浦方式是根据权利要求8所述激光腔后腔镜的结构类型来选择配置的，后腔镜是二色镜6时，泵浦方式可以是n个单模LD2由n个波分复用器3耦合进行前向泵浦、或多模LD8由耦合透镜7耦合进行后向包层泵浦、或者前两者同时双向泵浦；后腔镜是宽带光纤光栅阵列9时，泵浦方式可以是n个单模LD2由n个波分复用器3耦合进行前向泵浦、或n个单模LD2直接与宽带光纤光栅阵列9的各尾纤耦合进行后向泵浦、或者前两者同时双向泵浦。

本发明的技术效果是：厘米量级的高增益双包层二维阵列光纤5作为激光介质，由窄带光纤光栅阵列4和二色镜6或宽带光纤光栅阵列9组成短F-P腔结构的前后腔镜，在泵浦光源的连续激励下，阵列纤芯的高掺杂稀土粒子发生反转，产生受激发射的信号光，信号光在前后腔镜作用下，多次来回振荡并得到多次放大，并最终产生激光输出。由于激光腔长也只有厘米量级，由激光的腔模原理可知，腔内的纵模间隔可达GHz，只要窄带光纤光栅反射谱足够窄，如3dB反射谱小于0.08nm，即可实现在腔长为2cm的激光腔内只存在一个单纵模，实现无跳模及模式竞争的稳定的单纵模(单频)输出。随着泵浦光功率的不断增强，单纵模激光线宽不断变窄，最后可以实现线宽达KHz量级的单频光纤激光输出。又由于双包层二维阵列光纤5结构中的纤芯阵列特性，对应于每个阵列纤芯，都可以实现产生一路窄线宽的单频激光输出。因而，最终可以实现多波长输出的超窄线宽单频光纤激光。

附图说明

图1为本发明实施例1多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器原理示意图，其中激光后腔镜使用二色镜，每路激光采用单模LD前向泵浦。

图2为本发明实施例1多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器原理示意图，其中激光后腔镜使用二色镜，采用一多模LD后向包层泵浦。

图3为本发明实施例1多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器原理示意图，其中激光后腔镜使用二色镜，双向泵浦方式，单模LD前向泵浦，多模LD后向包层泵浦。

图4为本发明实施例2多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器原理示意图，激光后腔镜使用宽带光纤光栅，每路激光采用单模LD前向泵浦。

图5为本发明实施例2多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器原理示意图，激光后腔镜使用宽带光纤光栅，每路激光采用单模LD后向泵浦。

图6为本发明实施例2多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器原理示意图，激光后腔镜使用宽带光纤光栅，每路激光采用两个单模LD前后向双泵。

图7a～图7e为图1-图6中双包层二维阵列光纤5端面的五种结构示意图。

图8a～图8e为可与图7a～图7e所示双包层二维阵列光纤5端面实现对接的窄带光纤光栅光纤阵列4或宽带光纤光栅阵列9的端面的五种结构示意图。

图中：

1—光纤隔离器，2—单模LD(半导体激光器)，3—波分复用器WDM，4—窄带光纤光栅阵列，5—双包层二维阵列光纤，6—二色镜，7—耦合透镜，8—多模LD(半导体激光器)，9—宽带光纤光栅阵列。

具体实施方式

下面结合附图和具体例子对本发明的具体实施方式作进一步说明。

实施例1

图1-3为本发明实施例1的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器原理示意图，一种高增益双包层二维阵列光纤5作为激光器的增益介质，由窄带光纤光栅阵列4和二色镜6组成短F-P腔结构的前后腔镜，窄带光纤光栅阵列4中的每个窄带光纤光栅的中心反射波长都位于激光介质的增益谱内，并且位于二色镜6的高反射谱内，反射率大于90％。泵浦光采用单模LD 2前向泵浦方式由波分复用器3的泵浦端耦合(图1)、多模LD 8后向包层泵浦经由耦合透镜7耦合(图2)、或者前两种方式同时使用的双向泵浦耦合(图3)输入到激光腔中的阵列纤芯中，其高掺杂稀土粒子发生反转，产生受激发射的信号光，信号光在前后腔镜作用下，多次来回振荡并得到多次放大，并最终产生激光输出。其中，高增益双包层二维阵列光纤5作为光纤激光器的增益介质，长度可根据器件激光输出功率大小及窄线宽光纤光栅的反射谱宽来选择，一般为0.5～10cm。其阵列纤芯掺杂高浓度的发光离子的(镧系离子、过渡金属离子中一种或几种的组合体)，稀土离子的掺杂浓度要大于1×10¹⁹ions/cm³。纤芯直径可以为1～10μm，光纤的纤芯折射率为N₁，内外包层的折射率分布为N₂和N₃，且满足关系：N₁＞N₂＞N₃，在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上折射率阶跃变化。光纤纤芯成分为磷酸盐玻璃，其组成为：70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃。稀土离子在纤芯中是均匀的高浓度掺杂，且各纤芯呈二维阵列形排布，可以是圆形、三角形、矩形、D型、六边形等任何形状，如图7a～7e所示。双包层二维阵列光纤5是通过钻孔法、管棒法制作预制棒，并在光纤拉制塔中拉制而成的。由于双包层二维阵列光纤5中每条纤芯的高掺杂及高增益特性，在单频激光输出功率大于100mW时，所需双包层二维阵列光纤的长度仅为2cm，因而，使用窄带光纤光栅阵列4和二色镜6组成短F-P腔结构，可使激光腔长小于3cm，从而，可以保证在窄带光纤光栅阵列4中各光纤光栅的反射谱线宽小于0.05nm的情况下，激光腔内只存在一个单纵模模式，且无跳模及模式竞争现象。在激光功率饱和前，随着泵浦功率的不断增强，激光线宽就会不断变窄，最后可以实现KHz量级的超窄线宽输出。每条阵列纤芯对应一路单频光纤激光，只要选择窄带光纤光栅阵列4中的各窄带光纤光栅中心反射波长是设计波长值，则可实现多波长输出的超窄线宽单频光纤激光。其中，窄带光纤光栅阵列4是根据双包层二维阵列光纤5中纤芯形状来设计和排布已刻好的窄带光纤光栅，最后需要对窄带光纤光栅阵列4端面进行研磨抛光，以使窄带光纤光栅阵列4可以直接与双包层二维阵列光纤5中纤芯实现端对端耦合，如图8a～8e所示。

泵浦源的耦合方式可根据激光腔结构来设计。泵浦源采用多个单模LD(半导体激光器)2，如图1所示，分别通过波分复用器3耦合输到窄带光纤光栅阵列4端，并通过端对端方式与双包层二维阵列光纤5中的纤芯实现耦合，从而前向泵浦各阵列纤芯中稀土离子，以使粒子数反转达到不断放大振荡光信号的目的，最终实现激光输出。泵浦源采用廉价的多模LD(半导体激光器)8，输出的泵浦光通过耦合透镜7，并经由对泵浦光高透，透射率大于90％的二色镜6耦合进双包层二维阵列光纤5的内包层，利用包层泵浦原理实现对各阵列纤芯中稀土离子的抽运，以使粒子数反转达到不断放大振荡光信号的目的，最终实现激光输出，如图2所示。泵浦方式采用双向泵浦，如图3所示，泵浦源的选择及泵浦耦合方式则是分别参照前向、后向泵浦方式。

在泵浦源的不断激励下，双包层二维阵列光纤5中各纤芯中稀土离子实现粒子数反转，受激反射的信号光在由窄带光纤光栅和二色镜6组成短F-P腔结构的前后腔镜作用下，不断振荡并得到来回多次放大，振荡信号光突破阈值后形成激光，各路腔内振荡激光分别从窄带光纤光栅耦合输出后，经由波分复用器3(图1，图3)或直接(图2)输入到各光纤隔离器1的前端，并由各光纤隔离器1输出端输出稳定的单频光纤激光，最终实现了多波长输出的超窄线宽单频光纤激光输出。

实施例2

图4-6为本发明实施例2的多波长输出的单频光纤激光器原理示意图，一种高增益双包层二维阵列光纤5作为激光器的增益介质，由窄带光纤光栅阵列4和宽带光纤光栅阵列9对组成短F-P腔结构的前后腔镜，其中窄带光纤光栅阵列4中的各窄带光纤光栅反射中心波长位于对应带光纤光栅阵列9中的各宽带光纤光栅的反射谱内。泵浦光采用单模LD 2前向泵浦方式由波分复用器3的泵浦端耦合(图4)、单模LD 2后向直接泵浦(图5)、或者前两种方式同时使用的双向泵浦耦合(图6)输入到激光腔中的阵列纤芯中，其高掺杂稀土粒子发生反转，产生受激发射的信号光，信号光在前后腔镜作用下，多次来回振荡并得到多次放大，并最终产生激光输出。其中，宽带光纤光栅阵列9与窄带光纤光栅阵列4实施方式相类似，参见实施例1中的窄带光纤光栅阵列4的实施方法，如图8a～8e所示。但是，对应双包层二维阵列光纤5中同一阵列纤芯的宽带光纤光栅与窄带光纤光栅需匹配，即窄带光纤光栅反射中心波长需位于宽带光纤光栅反射谱内，宽带光纤光栅的3dB反射线宽一般选择大于0.2nm。

实施例2中的激光介质、泵浦方式、实现原理等与实施例1中的类似。

Claims

1.一种多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于包括n个光纤隔离器(1)、n个单模LD(2)、n个波分复用器(3)、窄带光纤光栅阵列(4)、高增益双包层二维阵列光纤(5)、二色镜(6)、耦合透镜(7)、多模LD(8)；各部件的结构关系是：高增益双包层二维阵列光纤(5)作为激光介质，窄带光纤光栅阵列(4)和二色镜(6)组成激光腔前后腔镜，并且分别紧贴高增益双包层二维阵列光纤(5)的前后端，高增益双包层二维阵列光纤(5)、窄带光纤光栅阵列(4)和二色镜(6)组成单频光纤激光器的谐振腔；泵浦方式采用前后双向同时泵浦；前向泵浦由n个单模LD(2)产生的泵浦光分别经由对应的n个波分复用器(3)耦合至窄带光纤光栅阵列(4)中的各光纤光栅中，并经过窄带光纤光栅阵列(4)中的各光纤光栅后分别对应耦合进高增益双包层二维阵列光纤(5)前端的各阵列纤芯中进行泵浦；后向泵浦采用多模LD(8)产生多模泵浦光经由耦合透镜(7)耦合经由二色镜(6)至高增益双包层二维阵列光纤(5)后端的内包层中，进行包层泵浦；所述n为自然数，且n≥2。

2.如权利要求1所述的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述双包层二维阵列光纤(5)的阵列纤芯成分为磷酸盐玻璃，其组成为：70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃，所述双包层二维阵列光纤(5)的阵列纤芯掺杂高浓度的发光离子，掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体。

3.如权利要求2所述的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述发光离子在双包层二维阵列光纤(5)的各阵列纤芯中是均匀掺杂的，且各纤芯呈二维阵列形排布。

4.如权利要求3所述的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述二维纤芯阵列形状是圆形、三角形、矩形、D型、六边形、十字星形、三角星形或六角星形。

5.如权利要求4所述的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于每条阵列纤芯直径小于10μm，纤芯折射率为N₁，光纤内、外包层的折射率分布为N₂和N₃，且满足关系：N₁＞N₂＞N₃，在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上的折射率阶跃变化，光纤内、外包层的横截面形状是圆形、矩形或D型。

6.如权利要求1所述的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述二色镜(6)用宽带光纤光栅阵列(9)代替，则后向泵浦光采用n个单模LD(2)的尾纤与宽带光纤光栅阵列(9)中各光纤光栅的尾纤直接熔接后耦合输入。

7.如权利要求1所述的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述激光腔是F-P结构短腔型，前腔镜是窄带光纤光栅阵列(4)，后腔镜是二色镜(6)或宽带光纤光栅阵列(9)，激光腔长度1～100mm，其中二色镜(6)或宽带光纤光栅阵列(9)是对泵浦光高透，透射率大于90％，而对激励信号波长高反，反射率大于95％；窄带光纤光栅阵列(4)则由反射谱线宽小于0.08nm的光纤光栅组成，其中心波长处的反射率在10～90％之间。

8.如权利要求1～7任一项所述的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述窄带光纤光栅阵列(4)是根据双包层二维阵列光纤(5)中纤芯形状对已刻的窄带光纤光栅进行设计和排布而成的，最后对窄带光纤光栅阵列(4)端面进行研磨抛光，以使窄带光纤光栅阵列(4)中各个窄带光纤光栅直接与双包层二维阵列光纤(5)中纤芯实现端对端耦合；窄带光纤光栅阵列(4)和宽带光纤光栅阵列(9)中各光纤光栅包层之间的空隙用环氧树脂或玻璃材料填充；对应双包层二维阵列光纤(5)中同一阵列纤芯的每个宽带光纤光栅与每个对应的窄带光纤光栅需匹配，即窄带光纤光栅反射中心波长位于宽带光纤光栅或二色镜(6)的反射谱内。

9.如权利要求1～5任一项所述的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于所述泵浦方式是：n个单模LD(2)由n个波分复用器(3)耦合进行前向泵浦或多模LD(8)由耦合透镜(7)耦合进行后向包层泵浦或由前两种方式同时双向泵浦。

10.如权利要求6所述的多波长输出的超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于后腔镜是宽带光纤光栅阵列(9)，泵浦方式是：n个单模LD(2)由n个波分复用器(3)耦合进行前向泵浦或n个单模LD(2)直接与宽带光纤光栅阵列(9)的各尾纤耦合进行后向泵浦或者由前两种方式同时双向泵浦。