CN101483304A - 基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特点是利用相移光纤光栅和光纤光栅组成的等效法布里－珀罗腔的反射峰的窄带滤波效应，实现滤波选频。整个装置由泵浦源，波分复用器，光纤光栅，相移光纤光栅，高浓度掺杂光纤，光纤光栅组成。其中光纤光栅，相移光纤光栅，高浓度掺杂光纤，光纤光栅组成激光谐振腔。本发明可以输出大功率单频激光。

Description

基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及大功率单频光纤激光器，特别是一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型大功率单频光纤激光器，主要应用于高分辨激光光谱，激光雷达激光种子源以及大功率激光器系统的优良种子源等领域。

背景技术

随着科技的发展，高分辨激光光谱、相干通信、光纤传感、激光雷达以及大功率激光器系统等领域对激光源都提出了大功率和单频的指标。大功率单频光纤激光器具有泵浦阈值低、线宽窄、转换效率高、光束质量好、全光纤集成和环境适应性好等优点，能够满足实际应用的需求。

光纤激光器是在光放大器的技术基础上发展而来的，采用具有不同成分的掺杂光纤作为增益介质和相应的器件组合成一个有源谐振腔，由半导体激光器泵浦实现不同波段激光的输出。掺杂光纤的种类决定了输出激光的信号波长。

光纤激光器由于典型腔长都达到十几米，所以纵模间隔非常窄，而掺杂光纤的整个增益谱又很宽，这给选模带来了很大的困难。一种解决方案是缩短腔长并采用光纤光栅选模。同时使用高浓度掺杂磷酸盐玻璃光纤作为增益介质，可以获得较大功率的单频激光输出。

在先技术之一：Christine P.Spiegelberg，J.Geng，Y.Hu，et al.Compact 100mWfiber laser with 2kHz linewidth，[C]，Optical Fiber CommunicationsConference，2003，以高浓度磷酸盐玻璃光纤为增益介质，在磷酸盐玻璃光纤的两端分别熔上光纤光栅，构成直线腔分布式布拉格反射型激光器。激光器的腔长为2cm，获得波长为1535nm，功率100mW的单频激光输出。激光雷达激光种子源以及大功率激光器系统应用要求激光功率输出达瓦级，该方案的激光器输出功率还有待提高。

在先技术之二：潘政清等，“铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤激光器实现100mW单频输出”，中国激光，12期，35卷(2008)，提出以铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤为增益介质构造直线腔激光器。在磷酸盐玻璃光纤的一端熔接光纤光栅，另一端的腔镜由一高反射镜构成，反射镜对1535nm波长的反射率高于99.5％，对976nm波长的光透过率大于90％。该激光器实现了100mW单频激光输出。该结构包含体光学元件，不易调试，而且该激光功率输出不能满足实际应用的需要。

以上现有技术的缺点在于无法获得大功率单频激光输出。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器。这种光纤激光器可以输出大功率单频激光。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，以高浓度掺杂光纤为增益介质，采用相移光纤光栅和光纤光栅形成的等效法布里-珀罗腔(以下简称为等效FP腔)为滤波器选模，其具体技术方案如下：

一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特点在于：以高浓度掺杂光纤作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤的一端熔接一个光纤光栅，另一端熔接由一个相移光纤光栅和一个光纤光栅组成的等效FP腔的相移光纤光栅；泵浦源接波分复用器的λ₁端口，该波分复用器的混合端口与所述的FP腔的光纤光栅相连，所述的波分复用器的λ₂端口为激光输出端。

一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特点在于：以高浓度掺杂光纤作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤的一端熔接一个光纤光栅，另一端熔接由一个相移光纤光栅和一个光纤光栅组成的等效FP腔的相移光纤光栅；泵浦源接波分复用器的λ₁端口，该波分复用器的混合端口与所述的光纤光栅的另一端相连，所述的波分复用器的λ₂端口为激光输出端。

所述的相移光纤光栅和光纤光栅组成的等效的FP腔满足下列关系式：

$l=m\frac{\mathrm{\λ}}{2n_{\mathrm{eff}}}$

式中：l为FP腔的腔长，腔长l即所述的相移光纤光栅和光纤光栅两靠近端面之间的距离，n_eff为FP腔的折射率，λ为单频激光器的工作波长，m为任意选取的1以上的正整数。

所述的泵浦源为半导体激光器或半导体激光器组件。

本发明的特点和优点是：

1、本发明主要是基于相移光纤光栅和光纤光栅形成的等效FP腔滤波选模。相移光纤光栅和光纤光栅构成具有反射率尖峰的FP腔。该反射率尖峰的带宽比光纤光栅的带宽小，是一种滤波性能优良的反射型滤波器。

2、本发明利用相移光纤光栅和光纤光栅形成的等效FP腔作为反射型滤波器和光纤光栅组成腔长较长的直线腔激光器谐振腔的两个腔镜，可以输出大功率单频激光，线宽窄，可广泛应用于相干通信、高分辨激光光谱、光纤传感、激光雷达的激光种子源以及大功率激光器系统的优良种子源等领域。

3、本发明为全光纤结构，无需装调环境适应性好；均为无源器件，功耗低；结构简单，成本低。

附图说明

图1为本发明基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器实施例1的结构示意图

图2为本发明基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器实施例2的结构示意图

图3为两个普通不完全反射面组成的FP腔的干涉条纹示意图

图4为相移光纤光栅的反射光谱曲线示意图

图5为光纤光栅反射光谱曲线示意图

图6为相移光纤光栅和光纤光栅组成的等效FP腔的反射光谱曲线示意图

图中：1—光纤光栅  2—高浓度掺杂光纤  3—相移光纤光栅4—光纤光栅  5—波分复用器  6—泵浦源  7—激光输出端口  8—相移光纤光栅3的端面  9—光纤光栅4的端面

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器实施例1的结构示意图，由图可见，本实施例1基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，是以高浓度掺杂光纤2作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤2的一端熔接一个光纤光栅1，另一端熔接由一个相移光纤光栅3和一个光纤光栅4组成等效的FP腔；泵浦源6接波分复用器5的λ₁端口，该波分复用器5的混合端口与所述的光纤光栅4相连，所述的波分复用器5的λ₂端口为本发明激光器的激光输出端7。

我们知道，由两个光纤光栅构成谐振腔的两个腔镜的直线腔光纤激光器，为获得较大功率的输出，可以采取延长掺杂光纤的长度的办法，但这将导致谐振腔的腔长变大，激光器的纵模间隔变小。而光纤光栅的反射谱带宽比较宽，使得符合纵模条件的模式数目较大。若仍然使用由两个光纤光栅构成激光器谐振腔的两个腔镜，则激光器无法获得稳定的单频激光输出。所以腔长较长的直线腔分布布拉格反射型激光器需要选用带宽比光纤光栅的反射谱带宽更窄的反射型滤波器。

我们采用的相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的等效FP腔可以构成满足这个带宽要求的窄带反射滤波器，根据FP腔理论，由下列公式(1)和公式(2)，可以计算出两个反射率分别为R₁和R₂的普通反射镜组成的FP腔的反射率R_fp。公式(1)中φ为相位角，公式(2)中l为FP腔的腔长，n_eff为FP腔的折射率，λ为单频光纤激光器的工作波长。从而可以作出两个普通反射镜组成的FP腔的反射率R_fp随着波长的变化曲线，如图3所示。

$R_{\mathrm{fp}}=\frac{R_1+R_2-2\sqrt{R_1}\sqrt{R_2}\cos \mathrm{\φ}}{1+R_1{R}_2-2\sqrt{R_1}\sqrt{R_2}\cos \mathrm{\φ}}---\left(1\right)$

$\mathrm{\φ}=4\mathrm{\π}{n}_{\mathrm{eff}}l/\mathrm{\λ}---\left(2\right)$

由公式(1)和(2)可以推出，如果波长λ和FP腔的腔长l满足下列公式(3)的关系，则波长λ的光的FP腔反射率为0。同时由图3中可以看出，波长在λ附近的光的FP腔反射率都很小。

$l=m\frac{\mathrm{\λ}}{2n_{\mathrm{eff}}}---\left(3\right)$

式中：m为任意选取的1以上的正整数。

但如果波长为λ时，FP腔中一个反射面的反射率R₁非常小，为0，那么由公式(1)可知，FP腔的反射率R_fp变大为R₂。

图4和图5分别为相移光纤光栅3和光纤光栅4的反射光谱，相移光纤光栅3和光纤光栅4的峰值反射率分别为前文中的R₁和R₂。从图4可以看出，相移光纤光栅3的反射峰中有细小的凹陷线，即相移光纤光栅3的透射峰，它的带宽比光纤光栅要低一个量级。

对相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔来说，令相移光纤光栅3的带宽和光纤光栅4的带宽接近，且中心波长相等，都等于λ。腔长l为图1和2中所示相移光纤光栅3的端面8和光纤光栅4的端面9之间的距离。使相移光纤光栅3的透射峰波长λ和腔长l的关系满足公式(3)。则由前文的分析，对于相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔，波长在相移光纤光栅3带宽以内而且在透射窗口以外的信号光的FP腔的反射率都很小。这部分信号光波长越接近λ，相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔的反射率就越小。而对于信号光波长从相移光纤光栅3的透射窗口边缘靠近透射中心波长λ，由于R₁迅速减小到0，因而相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔的反射率R_fp迅速变大到R₂。那么由相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔的反射率就出现了尖峰。如图6所示。因为相移光纤光栅3的反射率在透射窗口迅速变小，带宽比光纤光栅要低一个量级，所以由相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔的反射率尖峰线宽很小，远比光纤光栅的带宽小，如图6所示。

由于相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔反射率带宽比光纤光栅的带宽小，可以和光纤光栅配合使用，作为腔长较长的直线腔分布式布拉格射型激光器谐振腔的两个腔镜进行滤波选模，从而产生大功率单频的激光输出。

实施例1的结构如图1所示，本实施例的制造方法是根据本发明单频光纤激光器输出功率的实际需要选取较长的高浓度掺杂光纤2，在它的一端熔接上光纤光栅1，另一端熔接相移光纤光栅3和光纤光栅4。相移光纤光栅3和光纤光栅4同时制作在一根光纤上，且须保证等效FP腔的腔长l满足公式3的值。

实施例2

实施例2的结构如图2所示，由图可见，本实施例基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特点是：以高浓度掺杂光纤2作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤2的一端熔接一个光纤光栅1，另一端熔接由一个相移光纤光栅3和一个光纤光栅4组成等效的FP腔；泵浦源6接波分复用器5的λ₁端口，该波分复用器5的混合端口与所述的光纤光栅1相连，所述的波分复用器5的λ₂端口为激光输出端7。

所述的相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的等效的FP腔满足下列关系式：

$l=m\frac{\mathrm{\λ}}{2n_{\mathrm{eff}}}$

式中：l为FP腔的腔长，腔长l即所述的相移光纤光栅3和光纤光栅4的端面8、端面9之间的距离，n_eff为FP腔的折射率，λ为信号光波长，m为1以上的正整数。

本实施例的制造方法是根据本发明单频光纤激光器输出功率的实际需要选取较长的高浓度掺杂光纤2，在它的一端熔接上光纤光栅1，另一端熔接相移光纤光栅3和光纤光栅4。相移光纤光栅3和光纤光栅4同时制作在一根光纤上，且须保证等效FP腔腔长l满足公式3的要求。将光纤光栅1的另一端熔接波分复用器5。激光器的泵浦光由半导体激光器6作为泵浦光源经过波分复用器5输入，谐振腔内产生的激光由波分复用器5的λ₂端口7输出。

综上所述，本发明激光器，用简单的结构和廉价易得的器件同时实现了大功率单频输出的功能。

Claims (4)

1、一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特征在于：以高浓度掺杂光纤(2)作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤(2)的一端熔接一个光纤光栅(1)，另一端熔接由一个相移光纤光栅(3)和一个光纤光栅(4)组成等效的FP腔的相移光纤光栅(3)；泵浦源(6)接波分复用器(5)的λ₁端口，该波分复用器(5)的混合端口与所述的光纤光栅(4)相连，该波分复用器(5)的λ₂端口为激光输出端(7)。

2、一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特征在于：以高浓度掺杂光纤(2)作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤(2)的一端熔接一个光纤光栅(1)，另一端熔接由一个相移光纤光栅(3)和一个光纤光栅(4)组成等效FP腔的相移光纤光栅(3)；泵浦源(6)接波分复用器(5)的λ₁端口，该波分复用器(5)的混合端口与所述的光纤光栅(1)相连，该波分复用器(5)的λ₂端口为激光输出端(7)。

3、根据权利要求1或2所述的基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特征在于所述的相移光纤光栅(3)和光纤光栅(4)组成的等效FP腔满足下列关系式： $l=m\frac{\mathrm{\λ}}{{2n}_{\mathrm{eff}}}$

式中：l为FP腔的腔长，腔长l即所述的相移光纤光栅(3)和光纤光栅(4)的靠近的两端面(8)、端面(9)之间的距离，n_eff为FP腔的折射率，λ为激光器的工作波长，m为任意选取的1以上的正整数。

4、根据权利要求1或2所述的基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特征在于所述的泵浦源(6)为半导体激光器或半导体激光器组件。

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