CN102707388B - 微纳光纤滤波器、光纤激光器、光纤传感装置及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳光纤滤波器、光纤激光器、光纤传感装置及制作方法。所述微纳光纤滤波器为一个呈“8”字形的微纳光纤，该微纳光纤直径在0.1~10μm之间，所绕成的“8”字形圆环的直径在1～10mm之间。光纤激光器由泵浦激光器、波分复用器、掺杂光纤、“8”字形微纳光纤滤波器和光纤布拉格光栅组成。光纤传感装置包括所述光纤激光器和装有待测介质的容器。本发明提出的激光器除了具有普通光纤激光器的体积小、线宽窄、不受电磁干扰之外，还具有结构简单、可调谐等优点。另外，由于结合了具有强倏逝场特性的微纳光纤，该激光器能更灵敏的感知外界环境参量如温度、折射率等的变化，因此具有广泛的应用前景。

Description

微纳光纤滤波器、光纤激光器、光纤传感装置及制作方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器和光纤传感技术领域，具体涉及一种基于微纳光纤的可调谐双波长光纤激光器。

背景技术

在光纤传感领域中，利用激光器产生激光来实现传感的方法被越来越广泛的使用，其原因是激光器输出具有高功率、窄线宽等优点。但普通光纤激光器在光纤传感领域的应用仍有一定的局限性，其原因是普通光纤激光器对外界环境的变化并不灵敏。

微纳光纤是指直径在微米或纳米量级的光纤，由于其较强的倏逝场特性，相比于普通光纤，微纳光纤更能够感知外界环境的变化，如温度、折射率等。正是由于微纳光纤这方面的特性，使其在光器件、光纤传感等领域受到越来越多的关注。将微纳光纤与光纤激光器结合应用于传感领域，则是近年来研究的热点，这是因为结合微纳光纤的光纤激光器同时具备了微纳光纤的高灵敏传感特性和光纤激光器的高功率、窄线宽的优点，相比于普通的光纤传感器，具有更广泛的应用前景。

目前，利用微纳光纤构建光纤激光器的方法已经有所报道。浙江大学童利民等人申请的发明专利“微光纤环形结激光器”，专利号200610050794.8，以掺杂微光纤制成环形单结谐振腔，并分别用两根锥形光纤的末端搭在环形单结谐振腔的环上作为激光器的泵浦输入端和激光输出端。该装置采用直接将有源光纤拉伸制成微纳光纤的方法，虽然能实现激光输出，但由于有源光纤拉制成微米光纤后，单位长度增益降低，很难实现较高功率的输出，不利于长距离的通信以及传感应用。同时，由于激光器的输入和输入均采用锥形光纤耦合的方式，实现工艺困难，限制了该激光器的应用环境。

发明内容

本发明所要解决的技术问题时提出了一种微纳光纤滤波器、光纤激光器、光纤传感装置及制作方法。

本发明提出的一种微纳光纤滤波器，其特征在于，所述微纳光纤滤波器为一个呈“8”字形的微纳光纤，该微纳光纤直径在0.1~10μm之间，所绕成的“8”字形圆环的直径在1~10mm之间。

本发明还提出了基于上述微纳光纤滤波器的光纤激光器，其特征在于包括：

一个泵浦激光器，用于泵浦掺杂光纤实现粒子数的反转；

一个波分复用器，用于将泵浦光耦合进入激光器谐振腔中；

一个光纤布拉格光栅，作为激光器的反射腔镜对特定波长的光提供光学反馈；

一个段掺杂光纤，其受泵浦光激励后将产生某一特定波段的自发辐射光；

一个所述微纳光纤滤波器，用于选择需要被放大的特定波长并将其反射回激光器谐振腔内；

所述波分复用器的一边分别与泵浦激光器和光纤布拉格光栅连接，光纤布拉格光栅的另一端通过掺杂光纤与“8”字形微纳光纤滤波器连接，所述波分复用器、微纳光纤滤波器、光纤布拉格光栅和掺杂光纤共同构成了该激光器的线性谐振腔。

所述微纳光纤滤波器的反射谱呈现梳状滤波特性，即具有多个反射谱形状相同、中心波长间隔相等的反射峰；所述的光纤布拉格光栅的反射带覆盖“8”字形微纳光纤滤波器的任意相邻的两个反射峰，激光器在这两个相邻的反射峰波长同时形成激射。

进而，本发明提出了一种基于所述光纤激光器的光纤传感装置，其特征在于，包括所述光纤激光器和装有待测介质的容器，所述形微纳光纤滤波器置于容器中，所述容器上设有更换容器中待测介质的出入口。

本发明还公开了所述微纳光纤滤波器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

将一段微纳光纤固定于光纤旋转器上控制扭转角度成为“8”字形，再用探针吸附微纳光纤调整“8”字形双环的直径、形状和间距。

本发明将普通光纤激光器和特殊结构的微纳光纤——“8”字形微纳光纤滤波器结合起来，提出了一种新型的激光器结构。该激光器同时具备了微纳光纤滤波器的滤波特性和光纤激光器的输出特点。激光器为双波长输出，其输出波长的位置和间隔可通过控制“8”字形微纳光纤滤波器两圆环的直径和距离来调节。同时，该装置能应用于光纤传感领域，并结合相干拍频检测技术观测双波长的拍频响应，更大幅度的提高其在传感方面的测量灵敏度。另外，该结构还具有结构简单、容易制作、成本低廉等优点。

附图说明

图1：“8”字形微纳光纤滤波器7的结构与制备方法。

图2：基于“8”字形微纳光纤滤波器7的光纤激光器结构图。

图3：“8”字形微纳光纤滤波器7与光纤布拉格光栅反射光谱图。

图4：激光器双波长输出光谱图。

图5：基于微纳光纤可调谐双波长光纤激光器的传感装置结构图。

图中，1、光纤；2、微纳光纤；3、平移台；4、光纤夹具；5光纤旋转器；6、探针；7、“8”字形微纳光纤滤波器；8、泵浦激光器；9、波分复用器；10、光纤布拉格光栅；11、掺杂光纤；a、波分复用器公共端口，b、波分复用器泵浦输入端口，c、波分复用器输出端口；12、阀门1；13、阀门2；14、待测介质；15、容器。

具体实施方式

本方案涉及一种基于微纳光纤的可调谐双波长光纤激光器及其在传感领域中的应用，下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提出一种特殊结构微纳光纤滤波器——“8”字形微纳光纤滤波器7的结构及其制作方法。该“8”字形微纳光纤滤波器7由微纳光纤2经扭转和微操作形成两个具有一定间隔的微纳光纤圆环，其结构呈“8”字形，反射谱呈现梳状滤波特性，且具有多个中心波长间隔相等的反射峰。具体结构由两个相隔一定距离的圆环组成，呈现“8”字形，其反射谱呈现梳状滤波特性。具体实施时，考虑到制作的可重复性和实际应用的需求，所述微纳光纤2的拉伸长度控制在1-10cm，微纳光纤2半径控制在1-10μm，所绕成“8”字形微纳光纤滤波器7的每个环的直径控制在1-10mm。

该“8”字形微纳光纤滤波器7的制作过程如图1所示。首先，用火焰加热拉伸法在光纤1上拉制出一段微纳光纤2。微纳光纤2的一端通过一个光纤夹具4固定在一个平移台3上，另一端固定在一个光纤旋转器5上。平移台3往靠近光纤旋转器5的方向运动一段距离，使微纳光纤2松弛，且松弛长度略大于所要搭建的“8”字形微纳光纤滤波器7的长度。然后扭转光纤旋转器5两周以上，由于受到扭转，微纳光纤2变会前后搭在一起形成两个环形，这时，利用两个探针6可以调整两个环的位置、间距和大小。待微纳光纤2达到特定结构参数后，利用光谱分析仪观察其反射谱，同时缓慢扭转光纤旋转器5调节“8”字形微纳光纤滤波器7耦合区域的长度，改善其滤波效果，使其滤波质量满足实际应用的需求。实际中，“8”字形微纳光纤滤波器7的反射谱的消光比应在5dB以上。图3给出了实际获得的“8”字形微纳光纤滤波器7的反射谱。

如图2所示，本发明提出一种新型激光器结构，其特点是将“8”字形微纳光纤滤波器7的滤波特性和光纤激光器结合起来。该激光器由光纤布拉格光栅10、掺杂光纤11以及特殊“8”字形微纳光纤滤波器7组成线性结构的光纤激光器谐振腔。泵浦激光器8和波分复用器9的b端口连接，通过波分复用器9将泵浦激光器发出的光耦合进入由光纤布拉格光栅10、掺杂光纤11和“8”字形微纳光纤滤波器7组成的激光器线性谐振腔中。光纤布拉格光栅10的一端与波分复用器的端口a连接，另一端与掺杂光纤11连接。最终，激光通过波分复用器9的端口c输出。

激光器的工作原理如下：

根据光纤干涉理论，当光通过“8”字形微纳光纤滤波器7时，将会在两个环之间发生干涉，从而使得通过该结构和被该结构反射回来的光将具有滤波特性，通过光谱仪观察，该结构的反射谱将呈现类似于法布里波罗滤波器的梳状滤波特性，如图3。图2为本发明所涉及的光纤激光器，泵浦光由泵浦激光器8产生，通过波分复用器9耦合进入激光器谐振腔后，激发腔内的掺杂光纤10产生受激辐射，而当光纤布拉格光栅10的反射谱覆盖“8”字形微纳光纤滤波器7的梳状谱的两个反射峰时，如图3所示，这两个波长的光将获得足够的增益并同时在腔内来回振荡，最终实现双波长的激光输出。图4给出了该激光器双波长输出的光谱图。

通过控制“8”字形微纳光纤滤波器7两圆环的直径和距离，可实现对输出激光的波长和双波长间隔的精确调谐。“8”字形微纳光纤滤波器7的反射峰调节方法包括如下两种：

一种方法是，在得到“8”字形微纳光纤滤波器7之后，通过机械操作改变左右两圆环直径的大小，以及两圆环之间的间距，以改变“8”字形微纳光纤滤波器7的等效腔长，从而改变光在“8”字形微纳光纤滤波器7反射峰的位置和反射峰间隔，进而改变所述激光器的输出激光的波长和双波长间隔。

另一种方法是，利用微纳光纤的倏逝场效应，可将“8”字形微纳光纤滤波器7置于介质中，改变介质的折射率或温度等，可以改变微纳光纤2中传播光场的等效折射率，从而改变光在微纳光纤2中传播时的光程大小，进而改变所述激光器的输出激光的波长和双波长间隔。

从激光光谱可以看出，激光器的激射波长为“8”字形微纳光纤滤波器7的两个相邻反射峰，而反射峰的间隔严格等于“8”字形微纳光纤滤波器7的自由光谱范围。“8”字形微纳光纤滤波器7的m级反射峰波长λ_m和用波长表示的自由光谱范围λ_FSR分别可以由下式表示：

${\mathrm{\λ}}_m=\frac{{2n}_{\mathrm{eff}}{l}_{\mathrm{eff}}}{m+1/2}$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FSR}}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{{2n}_{\mathrm{eff}}{l}_{\mathrm{eff}}}---\left(1\right)$

式中n_eff为微纳光纤2的有效折射率，l_eff为“8”字形微纳光纤滤波器7的等效腔长，m为一整数，c为真空中的光速。由于微纳光纤2的有效折射率和有效长度受外界参量影响，而从公式（1）可知，“8”字形微纳光纤滤波器7的m级反射峰波长λ_m和自由光谱范围λ_FSR受到有效折射率和有效长度之积即光程的影响。因此，通过控制“8”字形微纳光纤滤波器7的外界环境参量如温度、应变、折射率等的变化，或手动调节“8”字形微纳光纤滤波器7两环的直径大小以及环间距，即可改变光程的大小，从而调谐该激光器的激射波长和双波长间隔。

如图5所示本发明提出一种基于微纳光纤可调谐双波长光纤激光器的传感装置。将图2所示激光器的“8”字形微纳光纤滤波器7密封于装有待测介质的容器15中，容器15的上、下端各有一个阀门12，13，用于更换容器中的待测介质14。传感测量时，打开阀门12，关闭阀门13，加入待测介质14，然后关闭阀门12，待激光器输出光谱稳定后，记录此时激光器输出波形，然后改变待测介质14的特性如温度、折射率、应变等后，重复上述步骤。以此类推，记录不同待测介质14下的激光器输出光谱，即可得到激光器双波长输出对待测介质14参量变化的响应曲线。

由于微纳光纤的超强倏逝场效应，当外界环境参量如温度、折射率、应变等发生变化时，将引起“8”字形微纳光纤滤波器7中传输的光的光程发生变化，从而影响“8”字形微纳光纤滤波器7反射谱的波长位置和波长间隔发生变化，通过测量双波长输出的变化即能得到外界环境参量的变化大小。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于微纳光纤滤波器的光纤激光器，其特征在于包括：

一个泵浦激光器(8)，用于泵浦掺杂光纤实现粒子数的反转；

一个波分复用器(9)，用于将泵浦光耦合进入激光器谐振腔中；

一个光纤布拉格光栅(10)，作为激光器的反射腔镜对特定波长的光提供光学反馈；

一段掺杂光纤(11)，其受泵浦光激励后将产生某一特定波段的自发辐射光；

一个微纳光纤滤波器(7)，用于选择需要被放大的特定波长并将其反射回激光器谐振腔内；所述微纳光纤滤波器(7)为一个呈“8”字形的微纳光纤，该微纳光纤直径在0.1～10μm之间，所绕成的“8”字形圆环的直径在1～10mm之间；

所述波分复用器(9)的一边分别与泵浦激光器(8)和光纤布拉格光栅(10)连接，光纤布拉格光栅(10)的另一端通过掺杂光纤(11)与所述微纳光纤滤波器(7)连接，所述波分复用器(9)、微纳光纤滤波器(7)、光纤布拉格光栅(10)和掺杂光纤(11)共同构成了该激光器的线性谐振腔；

所述微纳光纤滤波器(7)的反射谱呈现梳状滤波特性，即具有多个反射谱形状相同、中心波长间隔相等的反射峰；所述的光纤布拉格光栅(10)的反射带覆盖所述微纳光纤滤波器(7)的任意相邻的两个反射峰，所述光纤激光器在该两个相邻的反射峰波长同时形成激射。

2.一种基于权利要求1所述光纤激光器的光纤传感装置，其特征在于，包括所述光纤激光器和装有待测介质的容器(15)，所述微纳光纤滤波器(7)置于容器(15)中，所述容器(15)上设有更换容器中待测介质的出入口。