CN101859975B - 双波长可调谐掺铥光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长可调谐掺铥光纤激光器，属激光器技术领域。由泵浦源、掺铥光纤、泵浦光聚焦透镜、分色镜、激光准直透镜、两个反射式体布拉格光栅(volume Bragg grating，以下简称为VBG)和宽带介质膜高反镜组成。本发明利用两个VBG作为谐振腔端面反射元件，使两个VBG所对应的反射波长同时起振，利用体布拉格光栅反射波长随角度可调谐的特性，振荡的两个波长可分别独立在几十纳米的范围内进行调谐，其调谐范围的大小与VBG设计参数有关。本发明有益效果是：适用于高功率运行，且可进一步升级为多波长同时输出的激光器系统。

Description

双波长可调谐掺铥光纤激光器

技术领域

本发明涉及双波长可调谐光纤激光器，具体地说，是一种双波长可调谐掺铥光纤激光器。其掺铥光纤激光器双波长同时起振、且两波长间距可调谐。本发明适用于光纤、固体及其它多种类型激光器的双波长可调谐运行。

背景技术

由于在干涉彩虹全息、精密激光光谱、激光雷达、非线性频率转换、太赫兹差频产生、激光医学等多个领域有着广泛的应用，双波长激光器的研究日益受到关注。

产生双波长输出的方法很多，比如在光学谐振腔中利用棱镜或衍射光栅与高反镜组合分别形成多条不同波长的反馈通道。这类方法在染料激光器、固体激光器、以及半导体激光器中均有应用。这样的系统虽然可以产生双波长激光输出，但谐振腔结构过于复杂，元件众多，不但难于调节，而且很难获得高的输出效率。也有研究者利用光纤布拉格光栅(FBG)来获得双波长激光输出，已有多篇文献报导了该方法应用于掺Er光纤激光器获得双波长输出的实验结果。这一方法虽然简化了谐振腔设计，但由于FBG本身的特点，不适用于高功率运行，另外，利用FBG做为波长选择元件的激光器，只能通过改变FBG的温度或对其施加应力获得很小范围的波长调谐。体布拉格光栅作为波长选择元件，在固体激光器和光纤激光器中均有应用，且实现了运行波长在较大范围内的调谐。但目前报导的应用VBG的激光器均只实现了单一波长的输出。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种双波长可调谐掺铥光纤激光器；可以实现掺铥光纤激光器双波长可调谐输出。利用两个VBG同时作为谐振腔端面反射元件，可实现其所对应的双波长同时起振。该激光器结构简单、调谐容易、且适用于高功率运行。

本发明是以如下技术方案实现的：一种双波长可调谐掺铥光纤激光器，包括第一泵浦源，第一泵浦源的水平光路上依次放置有第一泵浦光聚焦透镜、第一分色镜、掺铥光纤、第二分色镜、第二泵浦光聚焦透镜、第二泵浦源；面向第一分色镜的垂直光路上放置有输出端激光准直透镜；面向第二分色镜的垂直光路上放置有反射端激光准直透镜、反射式体布拉格光栅、反射式体布拉格光栅、宽带介质膜高反射镜；第一泵浦源发出的泵浦光经第一泵浦光聚焦透镜聚焦，透过第一分色镜耦合入掺杂光纤一端，第二泵浦源发出的泵浦光经第二泵浦光聚焦透镜聚焦，透过第一分色镜耦合入掺杂光纤另一端，从掺杂光纤一端的发射光经第一分色镜反射到反射端激光准直透镜中形成平行光，入射到VBG1，VBG2中，VBG1为正反馈，VBG2与VBG1呈一倾斜角度为角度反馈，宽带介质膜高反射镜将VBG2反射到侧面的光按原光路返回，经第二分色镜反射入掺铥光纤，从掺铥光纤的另一端经第一分色镜反射，透过输出端激光准直透镜后水平输出。

本发明的有益效果是：本发明所提出的双波长可调谐激光装置设计简单、插入损耗小、效率高、适用于高功率运行，通过仔细调谐VBG的反馈，可达到双波长同时起振。且通过简单增加谐振腔端面VBG的数量，就可升级为多波长同时起振的激光器。

附图说明

图1双波长可调谐掺铥光纤激光器实验装置示意图。

图2VBG处于不同反馈角度时的双波长同时振荡光谱。

图3双波长总的输出功率与波长间隔的关系曲线。

图中：1、第一泵浦源；2、第二泵浦源；3、第一泵浦光聚焦透镜；4、第二泵浦光聚焦透镜；5、第一分色镜；6、第二分色镜；7、掺铥光纤；8、输出端激光准直透镜；9、反馈端激光准直透镜；10、第一反射式体布拉格光栅(VBG1)；11、第二反射式体布拉格光栅(VBG2)；12、宽带介质膜高反射镜。

具体实施方式

如图1所示，双波长可调谐掺铥光纤激光器由第一泵浦源1、第二泵浦源2、第一泵浦光聚焦透镜3、第二泵浦光聚焦透镜4、第一分色镜5、第二分色镜6、掺铥光纤7、输出端激光准直透镜8、反馈端激光准直透镜9、第一反射式体布拉格光栅(VBG1)10、第二反射式体布拉格光栅(VBG2)11和宽带介质膜高反射镜12组成。第一泵浦源1的水平光路上依次放置第一泵浦光聚焦透镜3、第一分色镜5、掺铥光纤7、第二分色镜6、第二泵浦光聚焦透镜4和第二泵浦源2；面向第一分色镜5的垂直光路上放置输出端激光准直透镜8；面向第二分色镜6的垂直光路上放置有反射端激光准直透镜9、反射式体布拉格光栅10、反射式体布拉格光栅11和宽带介质膜高反射镜12。两个体布拉格光栅VBG110和VBG211作为谐振腔端面反射元件，其中的介质膜反射镜12作为辅助元件来帮助实现VBG的角度调谐。对两个VBG的要求是：其所反射的波长处于掺Tm光纤激光器的发射光谱范围内。体布拉格光栅是由一种特殊组分的光热折射率玻璃制作而成，绝对衍射效率超过99％，温度稳定性高达400℃，对脉冲波及连续波激光辐照均具有较好的耐受性，且插入损耗小。这种体布拉格光栅提供窄光谱，最低达20pm，窄角度选择最小达100μrad。本发明所用的两个VBG波长分别为1989.7nm和1999.7nm，衍射效率均大于99％，光谱宽度(FWHM)分别为0.65nm和0.76nm。

第一泵浦源1、第二泵浦源1为半导体激光器，泵浦光波长为792nm。第一泵浦光聚焦透镜2、第二泵浦光聚焦透镜3的焦距为20mm，均垂直放置，平面与掺铥光纤7相对。第一分色镜5、第二分色镜6对780～803nm波长范围的光高透，对1850～2050nm波长范围的光高反；第一分色镜5的倾斜角度与水平正向成45°，第二分色镜6的倾斜角度与水平正向成135°。掺铥光纤7的纤芯直径25μm，数值孔径为0.17，内包层直径为300μm，数值孔径为0.46；光纤长度为4.8m。输出端激光准直透镜6的焦距为30mm，水平放置，平面与第一分色镜5相对。反射端激光准直透镜9的焦距为15mm，水平放置，平面与第二分色镜6相对。VBG110其入射面长、宽及厚度分别为10mm，6mm，10.89mm，反射波长为1989.7nm，半波宽度为0.65nm；VBG211的入射面长、宽及厚度分别为10mm，6mm，10.95mm，反射波长为1999.7nm，半波宽度为0.76nm；VBG110和VBG211作为谐振腔端面反射元件，可以独立调谐；水平固定VBG110，调节VBG211的角度，使波长向长波长方向移动；交换VBG110和VBG211的位置，水平固定VBG110，调节VBG211的角度，使波长向短波长方向移动。宽带介质膜高反射镜8在2μm处反射率大于99％，随VBG2(11)的角度调谐而调谐，始终使光按原光路返回。

以下叙述中，我们把波长为1999.7nm的第一反射式体布拉格光栅称为VBG1，波长1989.7nm的第二反射式体布拉格光栅称为VBG2。

当VBG1和VBG2均处于正反馈状态时，它们的反射波长分别为1999.7nm和1989.7nm，通过仔细调节两个VBG的反馈角度，可实现1989.7nm和1999.7nm双波长同时振荡输出，如图2中光谱曲线“3”所示，双波长总的输出功率水平对应于图3中的圆圈形符号所示。

实验装置中每一个VBG的反射角都可以独立的进行调谐。经实验测量，VBG1的调谐曲线在1950nm～1999.7nm波长范围内时输出功率变化比较平缓，而VBG2在1949nm-1989.7nm波长范围内输出功率也没有明显下降，当两个VBG分别继续向更短波长方向调谐时，输出功率表现出较明显的下降趋势。为了得到较大的波长差(Δλ)调谐范围，我们采取以下方式。首先，把VBG2调谐一个小的角度，并与高反镜组合成反馈回路(如图1所示)，调到功率最优后，在光路中插入VBG1，同样调节到功率最优的输出状态，进一步细调优化后，得到双波长输出的光谱如图2中“5”、“6”、“7”三条曲线所示。接着，保持VBG2正反馈，调谐VBG1的角度，重复以上实验过程，记录了两条光谱曲线如图2中“1”、“2”所示。实验中起振的两个波长的波长差调节范围为1-50nm，由于这一范围只受到VBG调节范围的限制，所以原则上，利用更加优化设计的VBG，双波长输出的波长差可以获得更宽的调谐范围。图3分别记录了以上调谐波长处的总的输出功率，本实验的最高输出功率受限于泵浦源的功率水平。

可以利用多个VBG作为谐振腔端面反射元件，使多个VBG所对应的反射波长同时起振，利用VBG的反射波长随入射角度可调谐的特性，振荡的多个波长可分别在较大范围内进行独立调谐，实现多波长掺铥光纤激光器效率高、适用于高功率运行的特点。

Claims (3)

1.一种双波长可调谐掺铥光纤激光器，包括第一泵浦源(1)，第一泵浦源(1)的水平光路上依次放置有第一泵浦光聚焦透镜(3)、第一分色镜(5)、掺铥光纤(7)、第二分色镜(6)、第二泵浦光聚焦透镜(4)、第二泵浦源(2)；面向第一分色镜(5)的垂直光路上放置有输出端激光准直透镜(8)；其特征在于：面向第二分色镜(6)的垂直光路上放置有反射端激光准直透镜(9)、第一反射式体布拉格光栅VBG1(10)、第二反射式体布拉格光栅VBG2(11)和宽带介质膜高反射镜(12)；第一泵浦源(1)发出的泵浦光经第一泵浦光聚焦透镜(3)聚焦，透过第一分色镜(5)耦合入掺杂光纤(7)一端，第二泵浦源(2)发出的泵浦光经第二泵浦光聚焦透镜(4)聚焦，透过第二分色镜(6)耦合入掺杂光纤(7)另一端，从掺杂光纤(7)一端的发射光经第二分色镜(6)反射到反射端激光准直透镜(9)中形成平行光，入射到VBG1(10)，VBG2(11)中，VBG1(10)为正反馈，VBG2(11)与VBG1(10)呈一倾斜角度为角度反馈，宽带介质膜高反射镜(12)将VBG2(11)反射到侧面的光按原光路返回，经第二分色镜(6)反射入掺铥光纤(7)，从掺铥光纤(7)的另一端经第一分色镜(5)反射，透过输出端激光准直透镜(8)后水平输出；

所述的第一泵浦光聚焦透镜(3)、第二泵浦光聚焦透镜(4)均垂直放置，平面与掺铥光纤(7)相对；

所述的第一分色镜(5)、第二分色镜(6)对780～803nm波长范围的光高透，对1850～2050nm波长范围的光高反；第一分色镜(5)的倾斜角度与水平正向成45°，第二分色镜(6)的倾斜角度与水平正向成135°；

所述的掺铥光纤(7)的纤芯直径25μm，数值孔径为0.17，内包层直径为300μm，数值孔径为0.46；光纤长度为4.8m；

所述的输出端激光准直透镜(8)的焦距为30mm，水平放置，平面与第一分色镜(5)相对；

所述的反射端激光准直透镜(9)的焦距为15mm，水平放置，平面与第二分色镜(6)相对；

所述的VBG1(10)其入射面长、宽及厚度分别为10mm，6mm，10.89mm，反射波长为1989.7nm，半波宽度为0.65nm；VBG2(11)的入射面长、宽及厚度 分别为10mm，6mm，10.95mm，反射波长为1999.7nm，半波宽度为0.76nm；VBG1(10)和VBG2(11)作为谐振腔端面反射元件，能够独立调谐；水平固定VBG1(10)，调节VBG2(11)的角度，使波长向长波长方向移动；交换VBG1(10)和VBG2(11)的位置，水平固定VBG1(10)，调节VBG2(11)的角度，使波长向短波长方向移动。

所述的第一泵浦光聚焦透镜(3)、第二泵浦光聚焦透镜(4)的焦距为20mm，均垂直放置，平面与掺铥光纤(7)相对。

2.根据权利要求1所述的双波长可调谐掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的宽带介质膜高反射镜(12)在2μm处反射率大于99％，随VBG2(11)的角度调谐而调谐，始终使光按原光路返回。

3.根据权利要求1所述的双波长可调谐掺铥光纤激光器，其特征在于，利用多个VBG作为谐振腔端面反射元件，使多个VBG所对应的反射波长同时起振，利用VBG的反射波长随入射角度可调谐的特性，振荡的多个波长可分别在较大范围内进行独立调谐。 

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