CN103259168A - 全光纤环形可调谐光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤环形可调谐光纤激光器，包括第一波分复用器、双包层掺杂光纤、第二波分复用器和可调谐滤波器。第一波分复用器的泵浦臂、信号注入端和合束端分别熔接泵浦源、双包层非掺杂光纤和双包层掺杂光纤；第二波分复用器信号注入端、第一分光臂和第二分光臂熔接双包层掺杂光纤、双包层非掺杂光纤和输出尾纤；可调谐滤波器包括光纤固定牵拉支架、三角柱支架、压电陶瓷、垫块、射频电源；光纤固定牵拉支架包括左瓣、右瓣；双包层非掺杂光纤绕在光纤固定牵拉支架外部的槽中并拉紧，压电陶瓷连接射频电源。本发明无插入损耗，光束质量好、输出功率高、结构紧凑、性能稳定，可实现宽范围连续调谐。

Description

全光纤环形可调谐光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种光纤激光器，特别是一种全光纤环形可调谐光纤激光器。

背景技术

光纤激光器以其体积小、效率高、稳定性好、光束质量好等优点，发展十分迅速。目前在光纤激光器中，常见的可调激光技术主要基于旋转光栅、复合环形共振、调节腔内标准具的角度、利用声光滤波器、电调液晶标准具、光纤光栅调谐、光纤环形、取样光栅及偏振控制等这些技术，要么采用非全光纤结构，要么使用的光栅对不方便调节效率低，或者调节范围比较窄，或者输出功率过小。

发明内容

针对目前现有调谐光纤激光器中所存在的问题，本发明公开一种插入很小的全光纤结构可调谐光纤激光器，其采用光纤环形腔结构，在光纤激光器内接入一个全光纤结构的射频调制的滤波器，当滤波器的吸收谱与有源光纤的增益谱发生交叠时，滤波器的吸收谱就形成对有源光纤的增益谱调制作用，其结果使调制后的增益谱中心增益波长发生移动，环形腔中激光输出波长会随增益谱的中心波长而变，实现波长调谐。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以解决：

一种全光纤环形可调谐光纤激光器，包括光纤激光器主体部分和可调谐滤波器两部分，其中：

所述光纤激光器主体部分包括泵浦源、第一波分复用器、双包层掺杂光纤、第二波分复用器和双包层非掺杂光纤、输出尾纤，其中，第一波分复用器的泵浦臂、信号注入端和合束端分别对应熔接泵浦源、双包层非掺杂光纤和双包层掺杂光纤；第二波分复用器的信号注入端、第一分光臂和第二分光臂分别对应熔接双包层掺杂光纤、双包层非掺杂光纤和输出尾纤；所述第一波分复用器、双包层掺杂光纤、第二波分复用器和双包层非掺杂光纤组成光纤环腔；

所述可调谐滤波器包括光纤固定牵拉支架、三角柱支架、压电陶瓷、垫块、射频电源和双包层非掺杂光纤；其中，所述光纤固定牵拉支架包括左瓣、右瓣，左瓣、右瓣之间通过刚性支撑架连接；左瓣、右瓣均为外弧内平的柱体；左瓣、右瓣外弧上刻多个平行的槽；

双包层非掺杂光纤绕在光纤固定牵拉支架外部的槽中并拉紧，三角柱支架置于压电陶瓷上，压电陶瓷底部加垫垫块使三角柱支架顶部的棱接触双包层非掺杂光纤；压电陶瓷连接射频电源；

所述的双包层非掺杂光纤的结构尺寸与双包层掺杂光纤匹配。

本发明还包括如下其他技术特征：

所述压电陶瓷通入射频电源时引起双包层非掺杂光纤的振动，使得双包层非掺杂光纤纤芯折射率发生周期变化形成长周期光纤光栅，产生以某一波长为中心的吸收谱，当该吸收谱与双包层掺杂光纤的增益谱交叠，射频电源的输出频率的改变使得长周期光栅吸收谱移动，从而使得增益谱中心波长的移动；所述激光器的输出波长与增益谱中心波长相吻合，从而通过射频电源7的输出频率的调整实现需要的输出波长。

所述左瓣和右瓣之间的距离为8cm～30cm。

所述左瓣、右瓣均为半圆柱、半椭圆柱或矩形带半圆柱。

所述左瓣、右瓣上相邻的槽间距为2mm～5mm，槽深等于双包层非掺杂光纤外包层半径。

所述左瓣、右瓣顶部均设有压条。

所述三角柱支架的顶角以30°～60°。

所述双包层掺杂光纤选取6/125μm的掺铥双包层光纤，该光纤的包层吸收率为1.4dB/m790nm，纤芯数值孔径为0.23，长度取10m；双包层非掺杂光纤选取6/125μm的非掺杂双包层光纤。

本发明所述全光纤环形可调谐光纤激光器，采用射频调谐的方式以超声振动形成周期可调的长周期光纤光栅实现光纤激光器波长调谐，光纤激光器采用无分立元件的全光纤结构，无插入损耗，具有光束质量好、输出功率高、结构紧凑、性能稳定可靠的优点，同时该激光器可实现很宽范围的连续调谐。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为吸收光谱测试结构示意图。

图3为光纤固定牵拉支架的结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为射频电源的射频输出频率与吸收谱中心波长的实验关系图。

以下结合附图和具体实施实例对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

参见图1，本发明的全光纤环形可调谐光纤激光器，包括光纤激光器主体部分和可调谐滤波器两部分，其中：

光纤激光器主体部分包括泵浦源1、第一波分复用器2、双包层掺杂光纤3、第二波分复用器4和双包层非掺杂光纤6、输出尾纤11，其中，第一波分复用器2的泵浦臂、信号注入端和合束端分别对应熔接泵浦源1、双包层非掺杂光纤6和双包层掺杂光纤3；第二波分复用器4的信号注入端、第一分光臂和第二分光臂分别对应熔接双包层掺杂光纤3、双包层非掺杂光纤6和输出尾纤11；所述第一波分复用器2、双包层掺杂光纤3、第二波分复用器4和双包层非掺杂光纤6依次首尾熔接组成光纤环腔。

双包层掺杂光纤3作为增益光纤，其可以采用现有的任一种具有较宽增益谱的双包层单模或多模光纤，只要所采用的可调谐滤波器的吸收谱与增益光纤的增益谱有交叠，就可以实现可调谐输出。实施时需要考虑激光器的输出模式，选择相应的纤芯尺寸和纤芯数值孔径；根据双包层掺杂光纤3对泵浦的吸收情况，确定需要选用光纤的内包层的尺寸、包层吸收率、光纤长度等。

泵浦源1和第一波分复用器2构成泵浦部分，用于提供激光器工作所需能量。泵浦源1采用带尾纤输出的半导体激光器，其输出波长需满足增益光纤所要求的泵浦波长，然后根据本发明的激光器要求的输出功率大小选择相应的泵浦功率。

第一波分复用器2用于泵浦光的耦合，采用（1+1×1）合束器，其信号光通道所用光纤需要与双包层掺杂光纤3的结构完全匹配，其泵浦臂所用光纤的结构需与泵浦源1的输出尾纤完全匹配。

第二波分复用器4采用光纤耦合器，其输出比根据需要设定，其第一输出臂和第二输出臂的输出耦合比均在10%～90%间选取。

泵浦光由泵浦源1输出，经过第一波分复用器2耦合进双包层掺杂光纤3的内包层，然后再从该内包层源源不断输送到双包层掺杂光纤3的纤芯中，为纤芯中的激光工作物质提供泵浦能量，激光工作物质在泵浦光的作用下激发荧光，形成激光振荡，这些荧光经由第二波分复用器4一部分输出到双包层非掺杂光纤6又回到双包层掺杂光纤3，提供正反馈形成受激振荡，产生激光输出，其余部分通过输出尾纤11输出。

可调谐滤波器是本发明的核心部件，请参见图1-图4，可调谐滤波器包括光纤固定牵拉支架5、三角柱支架8、压电陶瓷9、垫块10、射频电源7和双包层非掺杂光纤6；可调谐滤波器就是采用射频调谐的方式以超声振动在双包层非掺杂光纤6中形成周期可调的长周期光纤光栅实现激光增益谱中心陷波的方式实现可调谐波长激光输出，双包层非掺杂光纤6既是光纤激光器光通道，也是调谐器件。其中，所述光纤固定牵拉支架5包括左瓣51、右瓣52，左瓣51、右瓣52之间通过刚性支撑架53连接且两者距离（即刚性支撑架53的长度）为8cm～30cm；左瓣51、右瓣52均为外弧内平的柱体，具体可以是半圆柱、半椭圆柱或矩形带半圆柱，左瓣51、右瓣52的柱长以能满足光纤盘绕为原则，左瓣51、右瓣52外弧上刻多个平行的槽55，相邻的槽55间距为2mm～5mm，槽深为双包层非掺杂光纤6外包层半径，即保证双包层非掺杂光纤6放于其中可露出一半，在左瓣51、右瓣52顶部设有用于压紧固定双包层非掺杂光纤6的压条54。

可调谐滤波器的滤波介质即双包层非掺杂光纤6的结构尺寸需要与增益光纤完全匹配，这样便于熔接且损耗较小。将双包层非掺杂光纤6绕在光纤固定牵拉支架5外部的槽55中并拉紧，然后将三角柱支架8放置在压电陶瓷9之上，压电陶瓷9底部加垫垫块10使三角柱支架8顶部的棱接触非掺杂双包层单模光纤6，形成一个类似于古琴的琴弦及支架的结构。三角柱支架8的顶角以30°～60°为佳。三角柱支架8、压电陶瓷9、垫块10构成振动产生及振动能量传递部分。压电陶瓷9连接射频电源7。当射频输出引起压电陶瓷9振动时，其将会在双包层非掺杂光纤6中形成周期性振荡，导致双包层非掺杂光纤6纤芯折射率发生周期变化，当纤芯模式与内包层中的模式满足相位匹配条件时，将会发生纤芯模式与内包层模式间耦合效应，其作用相当于一个长周期光纤光栅，产生以某一波长为中心的吸收谱，该吸收谱与光栅周期相关，而光栅周期又与射频振动的频率、振动幅度有关，当振动幅度一定时，这样就可以通过调节射频电源的输出频率改变长周期光纤光栅的吸收谱，当长周期光纤光栅的吸收谱与增益光纤的增益谱发生交叠时，引起增益谱中心波长的变化，当改变射频电源7的输出频率会产生长周期光栅吸收谱的移动，从而导致增益谱中心波长的移动，可通过调节射频电源7的输出频率改变净增益谱的中心波长，引起激光输出波长的变化，实现可调谐输出激光。

在可调谐滤波器的上述结构中，缠绕在光纤固定牵拉支架5外部的非掺杂双包层单模光纤6的圈数为1-8圈，圈数越多，吸收谱的深度越深，一般可根据增益介质的增益谱的宽窄与强度选择适当的圈数，以能够达到有效调制为原则。

在该结构中，模耦合效果与射频振动的强度和光纤直径有关，振动能量越多，耦合效率越高，光纤越细耦合效果越明显，特别是当取掉非掺杂双包层光纤的外包层后，耦合效果明显加强，究其原因在于外包层为树脂材料，将其去掉后留下的纤芯和内包层材料均为石英玻璃，易于形成振动。因此，可采用热剥除或化学腐蚀的方法将光纤固定牵拉支架5的左瓣、右瓣之间的光纤的外包层剥除，使得振动效果明显加强，吸收深度也增强很多，这样可以减小对射频电源7输出功率的要求，以其获得较强的模式的耦合效果和较大的吸收深度。

在该结构中，吸收中心波长与射频频率变化量呈线性关系，其满足

λ＝λ₀+kΔf

式中λ为吸收中心波长，Δf为射频频率变化量，λ₀为测量基准波长，也就是Δf=0所对应的吸收中心波长，k为吸收中心波长随射频频率变化的斜率，其除了与光纤纤芯和内包层结构参数有关外，还和光纤的力学特性有关，k取值范围-0.1～-1nm/KHz，随着射频频率的增加，吸收中心波长会发生蓝移。

在本发明中，由于在全光纤结构的光纤激光器主体中增加了光纤固定牵拉支架5、三角形支架8、压电陶瓷PZT9、垫块10和射频电源7，其作用是在双包层非掺杂光纤6形成具有一定深度的吸收谱，形成对原始激发谱的调制，当改变射频电源7的输出频率时，就可以改变吸收谱的中心波长，改变调制后的激发谱的中心波长，在环形腔结构中，没有选频元件，激光输出波长只受净增益谱的影响，也即等于净增益谱的最高增益波长，从而实现射频调谐激光输出。

本发明适应于所有的光纤激光器，针对不同的光纤激光器其主要差别在于：光纤激光器所选用的掺杂光纤不同，相应的泵浦源要与之匹配，对应的射频电源的输出频段也需要与之匹配。

实施例：

如图1所示，遵循本发明的上述技术方案，本实施例的全光纤环形可调谐光纤激光器包括两个部分：光纤激光器主体部分和可调谐滤波器。

光纤激光器主体部分由泵浦源1、第一波分复用器2、双包层掺杂光纤3、第二波分复用器4、双包层非掺杂光纤6、输出尾纤11，这里首先要确定的是双包层掺杂光纤3，之后其他部件也将根据掺杂光纤而相继确定。

双包层掺杂光纤3：本实例中选取6/125μm的掺铥双包层光纤，包层吸收率为1.4dB/m790nm，也即在790nm处包层吸收率为1.4dB/m，纤芯数值孔径为0.23，光纤长度取10m。由于掺铥光纤有较宽的增益谱，故可实现较大的调谐范围，针对其它掺杂的光纤激光器其调谐范围的大小主要取决于激光工作物质在所掺杂光纤中的增益谱，增益谱越宽可实现调谐的范围也就越大。

泵浦源1：选择790nm的输出尾纤为100μm，最大输出功率为35W的半导体激光器。

第一波分复用器2：采用（1+1*1）合束器，其信号光通道采用6/125μm的双包层非掺杂光纤，泵浦臂采用100μm的能量光纤。

第二波分复用器4：采用光纤耦合器，第一输出臂和第二输出臂的耦合比均为90%，也即分到第一输出臂的能量为90%，分到第二输出臂的能量为10%。

可调谐滤波器包括光纤固定牵拉支架5、三角柱支架8、压电陶瓷PZT9、垫块10、射频电源7、双包层非掺杂光纤6，光纤固定牵拉支架5的槽深等于光纤半径；

为了获得更好的弦振效果，采用热剥除将振动部分光纤的外包层去掉。三角形支架、压电陶瓷PZT、垫块依次叠放，使三角形支架得顶角顶在双包层非掺杂光纤上，且刚好吃上力；

射频电源7的振动频率的调谐范围需要预先测量，其测量方法如图2所示，从双包层非掺杂光纤6一端经由透镜13注入由宽谱光源12的宽谱光信号——该光源光谱范围应该包含双包层掺杂光纤3中掺杂元素的荧光谱，在双包层非掺杂单模单模光纤6的另一端放置光谱仪14，将压电陶瓷9连接射频电源7后，测量并记录射频输出引起的振动所产生的吸收谱。将吸收谱与双包层掺杂光纤3的增益谱比较，重合部分所对应的频率就是射频电源所对应的调谐范围，射频输出功率以能够产生的吸收谱与增益谱相比拟为佳。

本实施例中，选取的双包层非掺杂光纤6与双包层掺杂光纤3结构完全匹配，即选择6/125μm的非掺杂双包层光纤，纤芯数值孔径为0.23，光纤固定牵拉支架间光纤悬空距离为1cm，双包层非掺杂光纤在支架上缠绕4圈，每圈之间留约2mm的间隙；压电陶瓷9采用尺寸为45*8*5mm长方片状；射频输出调节范围在1MHz～1.5MHz。

经以上步骤完成本发明的可调谐光纤激光器的器件选择与测试，之后将各部件按照图1所示结构进行装配，输出尾纤11为激光器的输出端。

如图5所示为本实例中射频输出频率与吸收谱中心波长的实验关系图。

Claims (8)

1.一种全光纤环形可调谐光纤激光器，其特征在于，包括光纤激光器主体部分和可调谐滤波器两部分，其中：

所述光纤激光器主体部分包括泵浦源（1）、第一波分复用器（2）、双包层掺杂光纤（3）、第二波分复用器（4）和双包层非掺杂光纤（6）、输出尾纤（11），其中，第一波分复用器（2）的泵浦臂、信号注入端和合束端分别对应熔接泵浦源（1）、双包层非掺杂光纤（6）和双包层掺杂光纤（3）；第二波分复用器（4）的信号注入端、第一分光臂和第二分光臂分别对应熔接双包层掺杂光纤（3）、双包层非掺杂光纤（6）和输出尾纤（11）；所述第一波分复用器（2）、双包层掺杂光纤（3）、第二波分复用器（4）和双包层非掺杂光纤（6）组成光纤环腔；

所述可调谐滤波器包括光纤固定牵拉支架（5）、三角柱支架（8）、压电陶瓷（9）、垫块（10）、射频电源（7）和双包层非掺杂光纤（6）；其中，所述光纤固定牵拉支架（5）包括左瓣（51）、右瓣（52），左瓣（51）、右瓣（52）之间通过刚性支撑架（53）连接；左瓣（51）、右瓣（52）均为外弧内平的柱体；左瓣（51）、右瓣（52）外弧上刻多个平行的槽（55）；

双包层非掺杂光纤（6）绕在光纤固定牵拉支架（5）外部的槽（55）中并拉紧，三角柱支架（8）置于压电陶瓷（9）上，压电陶瓷（9）底部加垫垫块（10）使三角柱支架（8）顶部的棱接触双包层非掺杂光纤（6）；压电陶瓷（9）连接射频电源（7）；

所述双包层非掺杂光纤（6）的结构尺寸与双包层掺杂光纤（3）匹配。

2.如权利要求1所述的全光纤环形可调谐光纤激光器，其特征在于，所述压电陶瓷（8）通入射频电源（7）时引起双包层非掺杂光纤（6）的振动，使得双包层非掺杂光纤（6）纤芯折射率发生周期变化形成长周期光纤光栅，产生以某一波长为中心的吸收谱，当该吸收谱与双包层掺杂光纤（3）的增益谱交叠，射频电源（6）的输出频率的改变使得长周期光栅吸收谱移动，从而使得增益谱中心波长的移动；所述激光器的输出波长与增益谱中心波长相吻合，从而通过射频电源（7）的输出频率的调整实现需要的输出波长。

3.如权利要求1所述的全光纤环形可调谐光纤激光器，其特征在于，所述左瓣（51）和右瓣（52）之间的距离为8cm～30cm。

4.如权利要求1所述的全光纤环形可调谐光纤激光器，其特征在于，所述左瓣（51）、右瓣（52）均为半圆柱、半椭圆柱或矩形带半圆柱。

5.如权利要求1所述的全光纤环形可调谐光纤激光器，其特征在于，所述左瓣（51）、右瓣（52）上相邻的槽（55）间距为2mm～5mm，槽深等于双包层非掺杂光纤（6）外包层半径。

6.如权利要求1所述的全光纤环形可调谐光纤激光器，其特征在于，所述左瓣（51）、右瓣（52）顶部均设有压条（54）。

7.如权利要求1所述的全光纤环形可调谐光纤激光器，其特征在于，所述三角柱支架（8）的顶角为30°～60°。

8.如权利要求1所述的全光纤环形可调谐光纤激光器，其特征在于，所述双包层掺杂光纤（3）选取6/125μm的掺铥双包层光纤，该光纤的包层吸收率为1.4dB/m790nm，纤芯数值孔径为0.23，长度取10m；所述双包层非掺杂光纤（6）选取6/125μm的非掺杂双包层光纤。

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