CN103124044B - 频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器。本发明由脉冲光源、连续光源、波分复用器、高反光栅、光纤、低反光栅、滤波器组成；脉冲光源的中心频率ω_p靠近并小于所要得到的光频率ω_o，连续光源输出激光的波长可调节，一个频率ω_cw满足ω_o=ω_p+n|ω_cw-ω_p|，光纤的零色散波长小于脉冲光波长，高反光栅和低反光栅的中心波长与所得到的激光波长相等，波分复用器的与脉冲光源相连臂的中心波长等于脉冲光源的中心波长，与连续光源相连臂的中心波长等于连续光源输出光中的一个波长，滤波器的中心波长与所得到光波长相等。本发明输出的波长可调、频率间隔可调、波长调节范围大、输出波长小于泵浦波长。

Description

频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，特别涉及一种能够产生比泵浦频率更高、频率间隔可调谐的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器。

背景技术

由于激光器的发光机理不同于普通光源，故其输出的激光具有一些很突出的优异特性，即很好的方向性、高亮度以及良好的单色性和相干性。它的这些特点，在现代科学技术各个方面发挥了独特的作用，已经遍及工业、军事、通信、医学和科学研究等领域。为满足不同的需求，陆续发明了多种不同类型的激光器，包括气体激光器(如氦氖激光器，CO₂激光器等)、固体激光器(如钇铝石榴石激光器)、半导体激光器(如GaAs)等。这些激光器的输出波长都是由工作物质固有的亚稳态能级和基态能级之间关系决定的，因此，一种激光器只能产生某一种特定波长或者仅在一定的范围内可调谐。例如氦氖激光器输出波长为633nm，红宝石激光器产生694nm波长的激光，钕-钇铝石榴石激光器产生的激光波长为1064nm，而罗丹明6G激光器的输出波长调谐范围为570nm-650nm，掺Yb³⁺离子的光纤激光器输出波长可在1010nm-1160nm调谐。

随着社会的不断进步，人们对信息传输的需求以指数的速度增长。尤其近几年来，计算机通讯及数据传输的迅猛发展，特别需要上百纳米的通讯宽带来支持。而目前的商用掺铒光纤放大器的有效带宽为35nm，远满足不了实际需要的带宽。后来人们又利用光纤中的受激拉曼散射效应发明了拉曼光纤激光器。从产生机理上看，现有的拉曼光纤激光器有以下两种：

1、只借助受激拉曼散射非线性效应的拉曼光纤激光器：如申请号为200910059735.0的中国专利“中红外级联拉曼光纤激光器”(称为背景技术1)中所述，泵浦源在一段ZBLAN光纤中发生受激拉曼散射效应，产生一级或多级斯托克斯光，在光纤光栅的帮助下形成稳定的谐振，并实现激光的稳定输出；申请号为02279914.1的中国专利“用于1310纳米波段的二级串联光纤拉曼激光器”(称为背景技术2)用泵浦光源，光纤回路镜组合，光纤耦合器，作为拉曼增益介质的小芯径掺锗单模光纤构成的拉曼激光器，通过对第二级斯托克斯光的放大，输出了相对于泵浦波长频移+115nm～+125nm的激光，在泵浦光源的输出波长不变的情况下，拉曼光纤激光器不能实现输出波长的可调节。

2、借助受激拉曼散射和四波混频两种非线性效应的拉曼光纤激光器：申请号为200410009943.7的中国专利“宽带包络平坦的全光纤多波长拉曼激光器”(称为背景技术3)中利用三个波长泵浦由高非线性拉曼增益光纤、宽带波分复用耦合器、零色散高非线性光纤、光纤F-P梳状滤波器、光隔离器和宽带光纤耦合器连接形成的光纤环形腔，借助受激拉曼散射和四波混频非线性效应，在39.1nm的带宽范围内实现了50个激射波长的输出，波长间隔为0.8nm，波长调节范围～40nm。

以上拉曼光纤激光器虽然在一定范围内扩大了现有激光器产生的波长范围，但还存在两方面的缺点：

1)现有拉曼光纤激光器产生的波长都是利用受激拉曼散射产生的斯托克斯光来实现的，即得到的光波长都大于泵浦光源的波长，目前还没有出现能够实现比泵浦波长更短激光输出的拉曼光纤激光器。

2)在泵浦光波长确定的情况下，背景技术1及背景技术2中设计的拉曼光纤激光器产生的波长都不可调；背景技术3中的拉曼光纤激光器虽然可以实现输出波长的可调谐，但调谐的波长都位于一阶斯托克斯光附近，输出带宽只有几十纳米。

综上所述，迄今已有的光纤激光器不能同时做到既使得输出波长小于泵浦波长，又使得输出波长可调、波长调节范围大、输出频率间隔可调。

发明内容

本发明针对已有光纤激光器的不足之处，提出一种能够实现多种波长输出的反斯托克斯四波混频光纤激光器，能够同时满足输出波长可调、频率间隔可调、波长调节范围大、输出波长小于泵浦波长的条件。

本发明的技术方案是：本发明由脉冲光源、连续光源、波分复用器、光纤、高反光栅、低反光栅、滤波器组成。其中脉冲光源和连续光源与波分复用器的两个输入臂通过单模光纤相连，波分复用器的输出臂通过单模光纤与高反光栅相连，高反光栅与光纤连接，光纤另一端通过单模光纤与低反光栅相连，低反光栅输出端通过单模光纤与滤波器相连。

脉冲光源的中心频率ω_p(与中心波长λ_p的关系为：ω_p＝c/λ_p，其中c为光速)应尽可能靠近并小于所要得到的光频率ω_o，脉冲光源输出光的脉宽应相对较宽(>皮秒量级)，峰值功率为kW量级或kW量级以上，使其在光纤中更容易产生四波混频效应。

连续光源输出激光的波长可调节，其中一个频率ω_cw与脉冲光源的中心频率ω_p、所要得到的光频率ω_o之间应满足以下关系:

ω_o＝ω_p+n|ω_cw-ω_p|   公式一

其中，n为正整数；为了提高本发明的激光器输出功率，在连续光源(2)输出的连续光中，选择满足公式一的波长靠近脉冲光波长的连续光；连续光输出功率为mW量级。

光纤采用高非线性光纤(非线性系数γ>20W^-1km^-1)，其零色散波长应稍小于脉冲光波长，使脉冲光波长处于光纤的反常色散区并靠近零色散点。光纤的长度根据脉冲光源的峰值功率确定，使只有脉冲光泵浦情况下光纤中产生的第一阶斯托克斯光(当ω_cw<ω_p时)或第一阶反斯托克斯光(当ω_cw>ω_p时)在连续光波长附近。当脉冲光源的输出峰值功率在kW量级时，光纤的长度L满足40cm≤L≤2m。

高反光栅的中心波长与所要得到的激光波长相等，其反射率R>98％。

低反光栅的中心波长与所要得到的激光波长相等，其反射率5％≤R≤40％。

波分复用器与脉冲光源相连臂的中心波长与脉冲光源的中心波长相等，带宽为10nm，与连续光源连接臂的中心波长与连续光源输出光中的一个波长相等，带宽大于或等于连续光波长的可调节范围，其通带覆盖连续光源输出的所有波长，能够承受的最大功率为300mW。

滤波器的中心波长应与所要得到光波长相等，带宽为10nm，能够承受的最大功率为300mW。

采用本发明产生多种波长激光的方法是：脉冲光源输出高峰值功率长脉冲光，连续光源产生连续光，波分复用器将脉冲光源和连续光源的输出光同时泵浦到光纤中，由于脉冲光的中心波长处于光纤的零色散波长附近，产生四波混频效应的相位匹配条件容易满足，加上连续光的触发，容易产生级联的四波混频效应，由此出现多阶的频率上移光(即反斯托克斯光)。选择其中的任意一阶反斯托克斯光为中心波长的高反光栅和低反光栅置于光纤的两端形成谐振腔，并采用与高反光栅中心波长相等的滤波器，即可输出某一阶反斯托克斯光，选择中心波长为其它阶反斯托克斯光的高反光栅、低反光栅和滤波器，即可得到其它阶反斯托克斯光，由此实现了在一组脉冲光源和连续光源配合下的多波长输出。由公式一可以看出，本发明所涉及的光纤激光器输出光的频率间隔为|ω_cw-ω_p|，改变连续光的波长，即改变连续光与脉冲光的频率差，就能改变本发明激光器的输出频率间隔。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.由于脉冲光源输出的光波长位于光纤的零色散点附近，而且输出峰值功率较高，加上连续光源输出连续光的触发，能够产生级联的四波混频效应，而本发明正是将四波混频产生的比泵浦波长更短的反斯托克斯光放大滤波输出，所以本光纤激光器的输出光波长均小于泵浦波长。

2.由于脉冲光源、连续光源同时泵浦光纤时得到的光谱包含了多级四波混频反斯托克斯光，而且所选的高反光栅、低反光栅和滤波器的中心波长随着各阶反斯托克斯光(即所要得到的光)波长变化，使得输出的光波长可变；多级反斯托克斯光覆盖的波长范围达到上百nm，所以输出波长可调范围达到上百nm。

3.由于本发明所涉及的光纤激光器输出光频率间隔与两泵浦光(脉冲光和连续光)频率间隔决定，可以通过改变连续光的频率来改变输出光频率间隔，由此实现了输出频率间隔的可调谐。

4.本多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器结构简单，性能良好，容易与全光纤系统集成。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为光纤6端面的电子显微图；

图3为光纤6的色散曲线图；

图4为还未加高反光栅4、低反光栅5、滤波器7情况下脉冲光源和连续光源同时泵浦时光纤6中产生的光谱；图4(a)表示将连续光源输出波长调至1117nm时光纤6中产生的光谱，图4(b)表示将连续光源输出波长调至1029nm时光纤6中产生的光谱。

具体实施方式

图1是本发明的结构示意图。本发明由脉冲光源1、连续光源2、波分复用器3、高反光栅4、光纤6、低反光栅5、滤波器7组成。其中脉冲光源1和连续光源2与波分复用器3的两个输入臂通过单模光纤相连，波分复用器3的输出臂通过单模光纤与高反光栅4相连，高反光栅4与光纤6连接，光纤6另一端通过单模光纤与低反光栅5相连，低反光栅5输出端通过单模光纤与滤波器7相连。

国防科大按图1搭建了一台频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器，要求所要得到的第一组波长中包含971nm光；所要得到的第二组波长中包含964nm，具体情况是：脉冲光源1采用Teem Phononics公司的Nd:YAG调Q微晶片激光器，输出波长为1064nm，脉冲宽度为0.6ns，在重复频率为7.2kHz时的输出峰值功率为15kW，空间输出的平均功率约为65mW。连续光源2的输出波长可以可调节范围为：1020nm-1120nm，(若所要得到的光波长为971nm，根据公式(1)：ω_o＝ω_p+n|ω_cw-ω_p|计算得到的连续光波长1117nm(此时取n＝2)；若所要得到的光波长为964nm，根据公式(1)：ω_o＝ω_p+n|ω_cw-ω_p|计算得到的连续光波长1029nm(此时取n＝3)，1117nm和1029nm均在连续光源2的可调范围中)，其输出的最大功率为70mW。波分复用器3能够承受的最大功率为300mW，其与脉冲光源连接的臂中心波长为1064nm，带宽为10nm；与连续光源连接的臂中心波长为1070nm，带宽为100nm(通带覆盖范围为1020nm-1120nm)。根据脉冲光源的波长确定光纤6的零色散点必须稍小于1064nm，由此，光纤6采用长飞公司生产的光子晶体光纤，其零色散点位于1010nm(如图3所示)，非线性系数γ≈62W^-1km^-1。图2为光纤6端面的电子显微图。

例1，包含971nm的第一组光的产生：在只有脉冲光泵浦情况下，光纤长度约为50cm时得到的第一阶斯托克斯光位于1117nm附近，由此选择光纤6长度为50cm。在还未加高反光栅4、低反光栅5和滤波器7情况下，打开脉冲光源1和连续光源2，并将连续光源输出波长调至1117nm时，光纤6输出光谱图如4(a)所示，横坐标表示光波长，纵坐标表示光强度，在光纤中可以看到五阶反斯托克斯光(分别标记为AS1、AS2、AS3、AS4、AS5)。以输出971nm光为例：从图4(a)中发现，971nm对应图中的第二阶反斯托克斯光(图中标记为AS2)，在光纤6的两端加入中心波长为971nm的高反光栅4(其反射率R>98％)；和低反光栅5(反射率R＝10％)，共同组成谐振腔，通过中心波长为971nm的滤波器7(其中滤波器带宽为10nm，能够承受的最大功率为300mW)滤波，就能得到功率更高、光谱更纯的971nm激光输出。同理，选择中心波长为893nm(第四阶反斯托克斯光，图4(a)中标记为AS4)的高反光栅4、低反光栅5和滤波器7，即可得到893nm光输出。依此类推，选择中心波长为其它阶反斯托克斯光波长的高反光栅4、低反光栅5和滤波器7，即可得到其它阶反斯托克斯光。从第一阶反斯托克斯光(AS1,1016nm)到第五阶反斯托克斯光(AS5，859nm)光谱跨度157nm，光谱可调范围为157nm，频率范围为53THz，频率间隔约为13.2THz。

例2，包含964nm的第二组光的产生：在只有脉冲光泵浦情况下，光纤长度约为110cm时得到的第一阶反斯托克斯光位于1029nm附近，由此选择光纤6长度为110cm。在还未加高反光栅4、低反光栅5和滤波器7情况下，打开脉冲光源1和连续光源2，并将连续光源输出波长调至1029nm时，光纤6输出光谱图如4(b)所示，横坐标表示光波长，纵坐标表示光强度，在光纤中可以看到六阶反斯托克斯光(将输入的连续光视为第一阶，其它几阶分别标记为AS2、AS3、AS4、AS5、AS6)。从图4(b)中发现，964nm对应图中的第三阶反斯托克斯光(图中标记为AS3)，由此，在光纤6的两端加入中心波长为964nm的高反光栅4(其反射率R>98％)；和低反光栅5(反射率R＝10％)，共同组成谐振腔，通过中心波长为964nm的滤波器7(其中滤波器带宽为10nm，能够承受的最大功率为300mW)滤波，就能得到964nm激光输出。同理，选择中心波长为其它阶反斯托克斯光波长的高反光栅4、低反光栅5和滤波器7，即可得到其它阶反斯托克斯光。从第二阶反斯托克斯光(AS2)到第六阶反斯托克斯光(AS6)光谱跨度113nm，光谱可调范围为113nm，各阶反斯托克斯光频率间隔9.6THz，由此，各输出光的频率间隔为9.6THz。

因此，采用本发明，先根据所要得到的光波长选定连续光源2的输出波长，再根据连续光源2的输出波长确定光纤6的长度，在还未加高反光栅4、低反光栅5和滤波器7情况下，同时打开脉冲光源1和连续光源2，并将连续光源输出波长调至已经选定的波长，就能在光纤6中产生其它频率间隔的多阶反斯托克斯光，选择中心波长与某一阶反斯托克斯光波长相等的高反光栅4、低反光栅5和滤波器7按图(1)的连接关系连接，就能得到此阶光的输出。由以上两个例子可知：所得激光波长均小于泵浦光；在频率间隔一定的一组输出光中，可以实现输出波长的可调节，波长调节范围上百nm；而且，本发明还能实现频率间隔不同的多组激光输出。

Claims (7)

1.一种频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器，其特征在于频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器由脉冲光源(1)、连续光源(2)、波分复用器(3)、高反光栅(4)、光纤(6)、低反光栅(5)、滤波器(7)组成；其中脉冲光源(1)和连续光源(2)与波分复用器(3)的两个输入臂通过单模光纤相连，波分复用器(3)的输出臂通过单模光纤与高反光栅(4)相连，高反光栅(4)与光纤(6)连接，光纤另一端通过单模光纤与低反光栅(5)相连，低反光栅(5)输出端通过单模光纤与滤波器(7)相连：

脉冲光源(1)的中心频率ω_p靠近并小于所要得到的光频率ω_o，ω_p与中心波长λ_p的关系为：ω_p＝c/λ_p，其中c为光速；

连续光源(2)输出激光的波长可调节，其中一个频率ω_cw与ω_p、ω_o之间满足以下关系:

ω_o＝ω_p+n|ω_cw-ω_p|   公式一

其中，n为正整数；在连续光源(2)输出的连续光中，选择满足公式一的波长靠近脉冲光波长的连续光；

光纤(6)的非线性系数γ>20W^-1km^-1，其零色散波长小于脉冲光波长，使脉冲光波长处于光纤的反常色散区并靠近零色散点；光纤(6)的长度根据脉冲光源的峰值功率确定，使只有脉冲光泵浦情况下光纤中产生的第一阶斯托克斯光或第一阶反斯托克斯光在连续光波长附近；

高反光栅(4)的中心波长与所要得到的激光波长相等；

低反光栅(5)的中心波长与所要得到的激光波长相等；

波分复用器(3)与脉冲光源相连臂的中心波长与脉冲光源的中心波长相 等，带宽为10nm，与连续光源连接臂的中心波长与连续光源输出光中的一个波长相等，带宽大于或等于连续光波长的可调节范围，其通带覆盖连续光源输出的所有波长；

滤波器(7)的中心波长应与所要得到光波长相等。

2.如权利要求1所述的频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器，其特征在于所述脉冲光源(1)输出光的脉宽>皮秒量级，峰值功率为kW量级或kW量级以上。

3.如权利要求1所述的频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器，其特征在于所述连续光源(2)输出功率为mW量级。

4.如权利要求2所述的频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器，其特征在于当所述脉冲光源(1)的输出峰值功率在kW量级时，光纤(6)的长度L满足40cm≤L≤2m。

5.如权利要求1所述的频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器，其特征在于所述高反光栅(4)的反射率R>98％，低反光栅(5)的反射率5％≤R≤40％。

6.如权利要求1所述的频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器，其特征在于所述波分复用器(3)能够承受的最大功率为300mW。

7.如权利要求1所述的频率间隔可调的多波长反斯托克斯四波混频光纤激光器，其特征在于所述滤波器(7)的带宽为10nm，能够承受的最大功率为300mW。