CN103151682B - 实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器，目的是提出一种输出波长可调、输出波长小于泵浦波长的激光器。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；脉冲光源输出光的中心波长位于所要得到的光波长的n阶拉曼斯托克斯波长处，连续光源输出光的波长在脉冲光源输出光波长的一阶拉曼斯托克斯光波长处，光纤的零色散波长位于脉冲光源输出光的波长附近，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，波分复用器的输入臂工作波长分别与脉冲光源和连续光源的中心波长相等，滤波器的中心波长与所得到光波长相等。本发明结构简单，光波长可调，能够输出比泵浦波长更短的激光。

Description

实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器

技术领域

本发明属于拉曼光纤激光器领域，特别涉及一种能够产生比泵浦波长更短激光的多波长反斯托克斯拉曼光纤激光器。

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。光纤中的受激拉曼散射在室温下具有非均匀展宽增益特性，其来源于传输光纤本身的非线性效应，当一定功率的光在光纤中传输时，受激拉曼散射使产生的斯托克斯光随光纤长度不断放大，即形成拉曼增益。通常石英光纤的拉曼增益带宽达40THz。通过多级拉曼可以实现上百纳米带宽的放大。

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，迄今已有的激光器不能同时做到既使得输出波长小于泵浦波长的要求，又使得输出波长可调、宽带。

发明内容

本发明针对已有拉曼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拉曼光纤激光器，能够同时满足输出波长可调、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WDM(Wavelength Division Multiplexer)、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。

脉冲光源输出激光的中心波长应位于所要得到的光波长的n阶拉曼斯托克斯波长处，即脉冲光源输出激光的光频率ω_p与所要得到的激光频率ω_o之间满足以下关系:ω_o＝ω_p+n×Ω(n为整数，范围：1≤n≤6；Ω为光纤材料的拉曼增益峰对应的频移，如石英光纤的拉曼增益峰对应的频移为13.2THz)，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受激拉曼散射和四波混频效应。

连续光源输出光的波长在脉冲光源输出光的波长的一阶拉曼斯托克斯光波长处，即连续光源输出激光的光频率ω_cw与ω_p之间满足以下关系:ω_p＝ω_cw+Ω；其输出功率mW量级。

光纤采用高非线性光纤(非线性系数γ>20W^-1km^-1)，其零色散波长位于脉冲光源输出光的波长附近，光纤的长度根据脉冲光源的峰值功率确定，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≤3m。

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％。

波分复用器的两个输入臂工作波长分别与脉冲光源和连续光源的中心波长相等，带宽为10nm，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，脉冲光在光纤中产生受激拉曼散射，连续光使受激拉曼散射效应得到进一步增强，产生多阶斯托克斯光。由于脉冲光、连续光的中心波长均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，加上多阶斯托克斯光的存在，容易产生多阶反斯托克斯光，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。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.由于本拉曼光纤激光器输出的光波长位于脉冲光的反斯托克斯波长处，使得输出光波长均小于泵浦波长。

2.由于脉冲光、连续光同时泵浦光纤时得到的光谱包含了多级反斯托克斯光，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；对于石英光纤，相邻两阶反斯托克斯光频率间隔约为13.2THz，多级反斯托克斯光覆盖的波长范围上百nm，所以输出波长可调范围上百nm。

3.本多波长反斯托克斯拉曼光纤激光器结构简单，性能良好，填补了现有激光器输出波长覆盖面小、调节范围窄的缺口，并且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情况下单光源泵浦和两光源泵浦时光纤6中产生的光谱；图4(a)是只有脉冲光源泵浦情况下光纤6中产生的光谱，图4(b)是脉冲光源和连续光源同时泵浦情况下光纤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WDM3、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搭建了一台多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器，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1064 nm，脉冲宽度为0.6 ns，在重复频率为7.2 kHz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为中心波长位于1117nm的连续光源，其输出功率约为50mW。波分复用器3的两个输入臂中心波长分别为1064nm和1117nm，能够承受的最大功率为300mW。根据脉冲光源的波长确定光纤6的零色散点必须在1064nm附近，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。所用光纤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，只打开脉冲光源1，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，可以看出在只有脉冲光泵浦光纤6时，只有两阶斯托克斯光(分别标记为S1、S2)和四阶反斯托克斯光(分别标记为AS1、AS2、AS3、AS4)产生，而且每阶都呈包络状。再打开连续光源2，得到的光谱图如图4(b)所示。比较图4(a)、(b)发现，1117nm连续光的加入极大增强了受激拉曼散射效应，促进了高阶反斯托克斯光的产生，第5阶反斯托克斯光(标记为AS5)波长位于859nm，相对于脉冲光波长(1064nm)频移了205nm；同时拉曼边带急剧变窄，成为具有窄线宽的梳齿，为多波长窄线宽光源的产生提供了条件。以输出931nm光为例：从图4(b)中发现，931nm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931nm的高反光栅4(其反射率R>98％)和中心波长为低反光栅5(反射率R＝10％)，共同组成谐振腔，在腔中往返的931nm光作为信号并逐渐被放大，通过中心波长为931nm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，就能得到理想的窄线宽931nm激光输出。同理，选择中心波长为893nm(第4阶反斯托克斯光，图4(b)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，频率可调范围为53THz，频率间隔为13.2THz。

Claims (7)

1.一种实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器，其特征在于实现多波长输出的反斯托克斯拉曼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；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：

脉冲光源(1)输出激光的中心波长位于所要得到的光波长的n阶拉曼斯托克斯波长处，即脉冲光源(1)输出激光的光频率ω_p与所要得到的激光频率ω_o之间满足ω_o＝ω_p+n×Ω，n为正整数，Ω为光纤材料的拉曼增益峰对应的频移；

连续光源(2)输出光的波长在脉冲光源(1)输出光的波长的一阶拉曼斯托克斯光波长处，即连续光源1输出激光的光频率ω_cw与ω_p之间满足ω_p＝ω_cw+Ω；

光纤(6)的非线性系数γ>20W^-1km^-1，其零色散波长位于脉冲光源(1)输出光的波长附近，光纤(6)的长度根据脉冲光源的峰值功率确定；

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)的两个输入臂工作波长分别与脉冲光源(1)和连续光源(2)的中心波长相等；

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所述的实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器，其特征在于n满足：1≤n≤6。

3.如权利要求1所述的实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器，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。

4.如权利要求1所述的实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器，其特征在于所述连续光源(2)输出功率为mW量级。

5.如权利要求3所述的实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器，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≤3m。

6.如权利要求1所述的实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器，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％。

7.如权利要求1所述的实现多波长输出的反斯托克斯拉曼光纤激光器，其特征在于所述波分复用器(3)的带宽为10nm，能够承受的最大功率为300mW；所述滤波器(7)的带宽为10nm，能够承受的最大功率为300mW。