CN102437500A - 波长可调谐的随机光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了波长可调谐的随机光纤激光器系统，属于激光器件领域。该系统通过将波长可调谐的第一泵浦源激光和一系列的低能量种子源激光注入到光纤中，经过一系列的拉曼放大作用，在传输光纤中产生分布式拉曼放大光，分布式瑞利后向散射光经过拉曼放大后形成了随机激光。本发明中的随机激光器可实现波长连续可调谐。在可选择的方案中，本发明将第一泵浦源或第一种子源在第一次拉曼放大后剩余的能量反馈回光纤中并再次利用，提高了最终形成的随机激光的斜率效率。该系统还可以通过附加种子光对拉曼增益和拉曼增益谱的形状进行控制，降低激光器的阈值，提高输出功率。

Description

波长可调谐的随机光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种在光纤中的分布式瑞利散射经拉曼放大后形成激光的系统。特别地涉及通过产生可控的分布式拉曼增益而产生可调谐的随机光纤激光。与传统的光纤激光器相比，该系统没有激光谐振腔，属于新型激光器件领域。 

背景技术

在文献中Sergei K.Turitsyn，Sergey A.Babin，Atalla E.El-Taher，Paul Harper，Dmitriy V.Churkin，Sergey I.Kablukov，Juan Diego Ania-Castanon，Vassilis Karalekas and Evgenii V.Podivilov.Random distributed feedback fibre laser.Nature Photon.2010，4，231-235中介绍一种随机光纤激光器系统。在该系统中两束等功率的1455nm的泵浦光从从光纤的中点处沿相反方向耦合进光纤(光纤的总长度是83km。在光纤中传输的光子由于折射率不均匀发生相干散射，形成了分布式的瑞利散射(RS，其中少数瑞利后向散射的光子沿着光纤传输。泵浦光沿着光纤提供了分布式拉曼增益。当总增益大于总损耗时瑞利后向散射的光被放大，形成随机激光从光纤的两端射出，出射激光的波长是1550nm。 

此技术的问题和不足是： 

1.波长问题。由于系统采用的波长为1455nm的泵浦源，所以瑞利后向散射光经过一级拉曼放大后产生的随机激光波长为固定的1550nm。 

2.激光器的斜率效率问题。该系统中拉曼泵浦光经拉曼放大后剩余的光虽然有部分利用，但不是全部利用，不利于提高激光器的量子效率。 

3.拉曼增益谱的形状固定不变问题。上述系统中拉曼增益谱形状是固定的，一方面使得激光器的阈值较高，达到了1.6W，所以必须想办法降低阈值。另一方面也不利于进一步研究这种新型的随机激光的动力学特性。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述随机激光器的不足，提出了基于对级联的分布式拉曼放大的增益和增益谱形状进行控制以实现波长可调谐的随机光纤激光器的方法。采用高功率波长可调谐激光器作为泵浦源，低能量波长可 调谐激光器作为种子源，一方面可以在通信窗口内获得波长可连续调谐的随机激光，另一方面可以动态的控制拉曼增益的幅度和拉曼增益谱的形状等，对深入研究随机激光的动力学特性具有更好的灵活性和可操作性。同时，可以降低随机激光的阈值和提高激光的输出功率。还通过附加反射器，对拉曼泵浦光和一级种子光的剩余能量重复利用，提高了随机激光器的斜率效率。 

本发明的基本思想如下： 

本发明提供了一种以光纤作为增益介质的随机光纤激光器系统。采用级联的分布式拉曼放大方案，由高功率波长可调谐激光器作为第一泵浦源通过级联多级低能量的波长可调谐的种子源激光器，产生分布式拉曼放大光，光纤中产生的分布式瑞利后向散射光，经过多级拉曼放大后产生随机激光。第一种子源激光器的频率比第一泵浦源激光器的频率下移一个拉曼频移，例如13THz(设为光纤中的拉曼频移，一般与光纤种类有关，对于不同的光纤拉曼频移会有变化，第二种子源激光器的频率比第一种子源的激光频率下移13THz，以此类推，最终输出的随机激光的频率是最后一级种子源激光的频率下移13THz以后的结果。这种泵浦方法中可以通过控制泵浦光和种子光的波长，达到动态控制随机激光的波长的目的。还可以通过附加种子源，控制拉曼增益的大小和拉曼增益谱的形状，增加了系统的灵活性。还可以通过反馈拉曼作用后剩余的泵浦能量或种子光能量，提高输出随机激光的斜率效率。 

泵浦源的波长短于最终期望得到的随机激光的波长，第一泵浦源通过和一系列低能量、低成本的种子源级联作用后，发生一系列拉曼变换，最终在光纤中的分布式瑞利后向散射光经过连续拉曼频移的高能量泵浦光的拉曼放大作用，形成随机激光，从耦合器中输出。 

在进一步的实验方案中，提供了一种系统，这种系统通过在作为激光增益介质的光纤的末端加上反射器，将第一次受激拉曼放大作用后第一泵浦光或第一种子光剩余的能量反馈回光纤中，经过再次的拉曼放大作用，在光纤中产生的分布式瑞利后向散射光经过拉曼放大后产生的随机激光和之前产生的随机激光一起从耦合器中输出。这种方法提高了输出随机激光的斜率效率，使其高于30％，提高了能量利用率。 

在更进一步的实验方案中，选一个比第一种子源波长小的波长可调谐的低能量源作为附加种子源和其他各级种子源一起被发射到光纤中。这样，在 拉曼放大过程中，附加的额外种子源可以扩宽拉曼增益谱，而且，拉曼增益谱的形状可以通过改变附加的低能量种子源来动态的调节和控制。 

在上述几种特殊的实例方案中，都可以通过调谐泵浦源和种子源的波长，得到一定范围内的波长可以连续改变的随机激光。 

本发明的技术方案如下： 

WDM是波分复用器。 

在图1中，本发明提供的波长可调谐的随机光纤激光器系统，其特征在于：包括第一泵浦源1、第一种子源2、第二种子源组3、第一WDM4、第二WDM5、第三WDM6、耦合器7、光纤8；通过光纤将第一泵浦源1与第一WDM4连接，第一WDM4和第一种子源2一起与第二WDM5连接，第二WDM5和第二种子源组3一起与第三WDM6连接，第三WDM6与耦合器7连接，耦合器7与光纤8的一端连接； 

第一泵浦源1、第一种子源2、第二种子源组3都是波长工作在单模光纤通信窗口的波长可调谐激光器。第一泵浦源1的能量要比第一种子源2、第二种子源组3的能量都要高。第二种子源组3是由多台激光源组成的，其中每一台激光源的频率比前一台激光源的频率下移一个拉曼频移，并且每台激光源都通过第三WDM6耦合到光路中。 

第一种子源2的频率比第一泵浦源1的频率下移一个拉曼频移；第二种子源组3中的第一台种子源的激光频率比第一种子源2的频率下移一个拉曼频移；第二种子源组3中第三台激光源的频率比第二台激光源的频率下移一个拉曼频移；以此类推，第二种子源组3中的每一台激光源的频率都比前一台种子源的频率下移一个拉曼频移，从而保证了在光纤中分布式拉曼增益的产生。耦合器7保证了将泵浦光和种子光耦合进光纤中。所有作为第一泵浦源1、第一种子源2和第二种子源组3的可调谐激光器的波长都工作在拉曼放大区域上，波长可以同步连续调谐，并在调谐中满足拉曼放大的条件，这样可以保证可调谐随机激光的输出。 

进一步，附加选用第四WDM9、第一反射器10。其中光纤8的一端和耦合器7相连，第四WDM9连接到光纤8的另一端，第一反射器10和第四WDM9相连。通过调节第一反射器10的波长与第一泵浦光1的波长相对应，第一反射器10反射第一级拉曼放大剩余的第一泵浦光1能量反馈回光纤中再次利用，选用的第一反射器10的峰值反射波长是可变的。 

进一步，附加选用第四WDM9、第二反射器11。其中光纤8的一端和耦合器7相连，第四WDM9连接到光纤8的另一端，第二反射器11连接到第四WDM9。通过调节第二反射器11的波长与第一种子光2的波长相对应，第二反射器11反射第一级拉曼放大剩余的第一种子光2的能量反馈回光纤中再次利用，选用的第二反射器11的峰值反射波长是可变的。 

进一步，附加选用第四WDM9、第一反射器10、第二反射器11。其中光纤8的一端和耦合器7相连，第四WDM9连接到光纤8的另一端，第一反射器10和第二反射器11一起连接到第四WDM9。通过调节第一反射器10和第二反射器11的波长分别与第一泵浦光1和第一种子光2的波长相对应，第一反射器10和第二反射器11分别将第一级拉曼放大剩余的第一泵浦光1和第一种子光2能量反馈回光纤中再次利用，选用的第一反射器10和第二反射器11的峰值反射波长是可变的。 

在图3中，附加选用第五WDM12、附加种子源组13。第五WDM12连接在第三WDM6和第二种子源组3之间，附加种子源组13是连接在第五WDM12上的。附加种子源组13是由一台或多台激光器组成的，附加种子源组13选用一台波长在第一种子源2和第二种子源组3之间波长的激光器，或者选用两台或两台以上波长在第一种子源2和第二种子源组3之间波长的激光器；并且附加种子源组13中的一台或多台激光器分别直接连接在第五WDM12上或者每台激光器通过WDM连接在第五WDM12上。选用的附加种子源组13中激光源可以控制和动态调整拉曼增益谱形状和拉曼增益的强度。 

本发明中级联的泵浦源和各级种子源中每一级的频率都要比前一级的频率下移一个拉曼频移，在光纤中可形成分布式的拉曼增益，通过同步连续调谐泵浦源和各级种子源的波长，可以调谐在光纤中形成的随机激光的波长。并且通过控制附加种子源的波长和能量可以控制拉曼增益谱的形状和增益强度。方案中的反射器可以提高整个随机激光系统的斜率效率。 

本发明的有益效果主要有： 

一、本发明采用波长可调谐激光器作为泵浦源和种子源，通过同步调谐泵浦源和种子源的波长，可以实现随机激光器的波长连续可调谐。 

二、本系统通过增加反射器，可以提高随机激光系统的斜率效率，高于30％，节约能源。 

三、本系统通过附加种子源组可以扩宽拉曼增益谱，控制拉曼增益谱形状和增益强度，在一定程度上可以降低激光器的阈值，低于1.6W，提高随机激光的输出功率。拉曼增益谱的动态可控调节，有利于深入研究随机激光的动力学特性。 

附图说明

图1至图3是发明技术系统原理图。 

图中：1.第一泵浦源、2.第一种子源、3.第二种子源组、4.第一WDM(波分复用器、5.第二WDM、6.第三WDM、7.耦合器、8.光纤、9.第四WDM、10.第一反射器、11.第二反射器、12.第五WDM、13.附加种子源组。 

具体实施方式

下面结合附图1至图3对系统的具体实施方式进行详细的描述： 

本发明中的波长可调谐随机激光器系统，系统图参见图1至图3，包括第一泵浦源1、第一种子源2、第二种子源组3、第一WDM4、第二WDM5、第三WDM6、耦合器7、光纤8、第四WDM9、第一反射器10、第二反射器11、第五WDM12、附加种子源组13。 

在图1中，通过光纤将第一泵浦源1与第一WDM4连接，第一WDM4和第一种子源2一起与第二WDM5连接，第二WDM5和第二种子源组3一起与第三WDM6连接，第三WDM6与耦合器7连接，耦合器7与光纤8连接。将高功率波长可调谐激光器的第一泵浦源1和低能量波长可调谐激光器的第一种子源2和第二种子源组3一起发射到光纤8中。经过多级拉曼放大，其中第一级拉曼放大是由第一泵浦源1与第一种子源2产生的；第二级拉曼放大是由第一种子源2与第二种子源组3中频率紧邻第一种子源2的激光产生的；第三级拉曼放大是由第二种子源组3中的频率相邻的两个激光器源产生的。拉曼放大的级数是由第二种子源组中的激光器的个数决定的。每级拉曼放大都比前一级的光频率向下频移13THz，最后在光纤8中产生了分布式的拉曼放大光，分布式的瑞利后向散射光经过拉曼放大后成为随机激光从耦合器7中 输出。例如，第一泵浦源1发出的波长为1276nm的高能量激光经过第一WDM4进入到光纤中，和经第二WDM5输出的第一种子源2发出的波长为1355nm低能量种子光在光纤8中相遇并发生受激拉曼散射相互作用，经过拉曼放大后，第一泵浦源1的1276nm的部分高能量激光向下频移13THz变为1355nm的激光，与经过第三WDM6的第二种子源组3发出的波长为1455nm的低能量种子光在光纤8中相遇并发生相互作用，经过拉曼放大作用后，1355nm激光的部分能量向下频移13THz，变为1455nm的激光，在光纤8中产生的分布式瑞利后向散射光经过拉曼放大后，向下频移13THz，变为1550nm的随机激光沿着与泵浦光相反方向从光纤中通过耦合器7输出。这时如果同步调谐第一泵浦源1的1276nm激光、第一种子源1355nm激光和第二种子源1455nm激光的输出波长，并使他们分别满足级联拉曼放大的波长条件，就可以实现在1550nm附近的波长可调谐的随机激光输出。 

在图2中，通过光纤将第一泵浦源1与第一WDM4连接，第一WDM4和第一种子源2一起与第二WDM5连接，第二WDM5和第二种子源组3一起与第三WDM6连接，第三WDM6与耦合器7连接，耦合器7与光纤8的一端连接，在光纤8的另一端通过第四WDM9加了第一反射器10和第二反射器11，他们的作用是将整个系统在第一次拉曼作用后剩余的第一泵浦光1和第一种子光2的能量再反射回光纤8中，再次和第一种子源2、第二种子源组3发生拉曼放大作用，与之前产生的随机激光一起沿着光纤8从耦合器7输出，这样可以提高整个随机激光系统的斜率效率。例如，在与随机激光输出端相反的光纤8的另一端附加反射光波长为1276nm和1355nm的两块反射型光纤光栅，第一级拉曼放大作用后剩余的第一泵浦光和第二种子光的能量被两块反射光栅反馈回光纤，重新发生拉曼放大作用。因为随机激光的输出波长为1550nm，所以这两块光栅对于随机光纤激光器是不构成腔的，所以这两块光纤光栅只是起到重复利用第一泵浦光和第一种子光能量的作用。 

在图3中，通过光纤将第一泵浦源1与第一WDM4连接，第一WDM4和第一种子源2一起与第二WDM5连接，第二WDM5和第二种子源组3一起与第三WDM6连接，第三WDM6与耦合器7连接，耦合器7与光纤8连接，第三WDM6与第五WDM12连接，通过第五WDM12加了一个附加种子源组13作为额外的种子源，附加种子源组可以由多台低能量可调谐激光器组成，每台激 光器都会通过一个附加的WDM连接到光路中，它们的波长处于每一级拉曼相互作用的两个激光波长的中间，目的是为了扩宽拉曼增益谱的带宽、调控拉曼增益谱的形状和改变拉曼增益强度。例如，第一泵浦源1发出波长为1276nm的高能量光，在第一级拉曼转换中变为1355nm高能量光，第二种子源组3的波长为1455nm，附加种子源组13中的波长如果处在第二级拉曼的两个波长之间，如果为1410nm，这样在第二级拉曼转换中，1355nm的高能量的转换就在1410nm和1455nm之间被共享，可以使这两个波长达到高能量，从而扩宽了拉曼增益谱宽，并且通过控制低能量种子源的强度，可以动态的控制拉曼增益谱的形状和拉曼增益强度，在一定程度上降低了随机激光器的阈值，使其低于1.6W，并提高输出功率。 

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。 

Claims (5)

1.波长可调谐的随机光纤激光器系统，其特征在于：包括第一泵浦源(1)、第一种子源(2)、第二种子源组(3)、第一WDM(4)、第二WDM(5)、第三WDM(6)、耦合器(7)、光纤(8)；通过光纤将第一泵浦源(1)与第一WDM(4)连接，第一WDM(4)和第一种子源(2)一起与第二WDM(5)连接，第二WDM(5)和第二种子源组(3)一起与第三WDM(6)连接，第三WDM(6)与耦合器(7)连接，耦合器(7)与光纤(8)的一端连接；

第一泵浦源(1)、第一种子源(2)、第二种子源组(3)都是波长工作在单模光纤通信窗口的波长可调谐激光器；第一泵浦源(1)的能量要比第一种子源(2)、第二种子源组(3)的能量都要高；第二种子源组(3)是由多台激光源组成的，其中每一台激光源的频率比前一台激光源的频率下移一个拉曼频移，并且每台激光源都通过第三WDM(6)耦合到光路中；

第一种子源(2)的频率比第一泵浦源(1)的频率下移一个拉曼频移；第二种子源组(3)中的第一台种子源的激光频率比第一种子源(2)的频率下移一个拉曼频移；第二种子源组(3)中第三台激光源的频率比第二台激光源的频率下移一个拉曼频移；以此类推，第二种子源组(3)中的每一台激光源的频率都比前一台种子源的频率下移一个拉曼频移。

2.根据权利要求1所述的波长可调谐的随机光纤激光器系统，其特征在于：附加选用第四WDM(9)、第一反射器(10)；其中光纤(8)的一端和耦合器(7)相连，第四WDM(9)连接到光纤(8)的另一端，第一反射器(10)和第四WDM(9)相连；第一反射器(10)的波长与第一泵浦光(1)的波长相同。

3.根据权利要求1所述的波长可调谐的随机光纤激光器系统，其特征在于：附加选用第四WDM(9)、第二反射器(11)；其中光纤(8)的一端和耦合器(7)相连，第四WDM(9)连接到光纤(8)的另一端，第二反射器(11)连接到第四WDM(9)；调节第二反射器(11)的波长与第一种子光(2)的波长相同。

4.根据权利要求1所述的波长可调谐的随机光纤激光器系统，其特征在于：附加选用第四WDM(9)、第一反射器(10)、第二反射器(11)；其中光纤(8)的一端和耦合器(7)相连，第四WDM(9)连接到光纤(8)的另一端，第一反射器(10)和第二反射器(11)一起连接到第四WDM(9)；第一反射器(10)和第二反射器(11)的波长分别与第一泵浦光(1)和第一种子光(2)的波长相同。

5.根据权利要求1所述的波长可调谐的随机光纤激光器系统，其特征在于：附加选用第五WDM(12)、附加种子源组(13)；第五WDM(12)连接在第三WDM(6)和第二种子源组(3)之间，附加种子源组(13)是连接在第五WDM(12)上的；附加种子源组(13)是由一台或多台激光器组成的，附加种子源组(13)选用一台波长在第一种子源(2)和第二种子源组(3)之间波长的激光器，或者选用两台或两台以上波长在第一种子源(2)和第二种子源组(3)之间波长的激光器；并且附加种子源组(13)中的一台或多台激光器分别直接连接在第五WDM(12)上或者每台激光器通过WDM连接在第五WDM(12)上。

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