CN103427318A - 全光纤型外腔式可调谐光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，包括顺序相连的具有反射特性的外腔、波分复用器、可调谐特性的光纤光栅、增益介质及耦合器，波分复用器的另一输入端口与泵浦单元相连；泵浦单元出射的泵浦激光通过波分复用器引入增益介质使增益介质粒子数反转；可调谐特性的光纤光栅与耦合器构成激光器的谐振腔，并选择与可调谐特性的光纤光栅波长匹配的可调谐激光且由耦合器的输出端口输出。本发明采用光纤激光器，相对于半导体激光器，为单纵模或少纵模输出，良好的相干特性、模式特性以及较小的光束发散角可充分应用于远距离传感测量，并且全光纤结构耦合方式简单、结构紧凑，可满足特殊距离测量场合的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及激光器，具体地说是一种全光纤型外腔式可调谐光纤激光器。
背景技术
激光器自问世以来，被广泛地应用于光纤干涉传感、光通信网络等领域。目前，大多数光纤干涉传感系统和光通信网络系统都是基于激光器的干涉传感系统和以激光器出射的激光作为通信信号源，而激光器的线宽和可调谐特性限制了其干涉传感距离、传感的动态特性和光纤通信网络的带宽以及其动态特性，因此窄线宽可调谐激光器的研究吸引了众多研究者的关注。
常见的可调谐激光器主要有外腔激光器、注入电流调制半导体激光器。
外腔式可调谐激光器主要是基于半导体的外腔激光器，其基本结构是在外腔中插入分光元件，通过调节分光元件与腔外的反馈机构来实现激光波长的调谐。在外腔激光器中采用高锐的光学标准具来压缩激光输出带宽和相匹配的可调谐的窄带光滤波器。外腔的引入可以降低激光器阈值电流、减小其光发散角和压窄激光器的线宽。
在外腔激光器中，采用三镜腔理论模型分析其压窄线宽的机理，如图1所示。令激光器前端面7与激光器后端面8之间的长度为L0，前端面和后端面的反射系数分别为r1和r2，后端面8到外腔端面9之间的外腔长度为Lext，外腔反射系数为r3，激光介质的折射率为n，初始的光频为ν0，有外腔后的光频为ν，τin和τext分别为内腔和外腔时延，α为线宽展宽因子，C为光反馈强度，则相位条件为：
（1）
根据相位条件得出无外腔时线宽δν0，有外腔时线宽δν二者关系如下式：
由式（2）得，在有外腔时，选择合适的外腔长度和反馈强度C可以获得压窄的线宽δν。
外腔式半导体激光器获得的窄线宽可调谐激光器主要存在以下问题：1、外腔式半导体激光器中温度特性影响激光器的输出特性，需要采用额外的温度控制装置和窄带光滤波器，加大了制作难度和制作成本。2、外腔式半导体激光器与光纤系统耦合度较低，限制了其在光纤传感和光纤通信系统的应用。
注入电流调制半导体激光器是通过注入电流调谐半导体激光器的输出波长，进而实现波长调谐的目的，其主要存在以下问题：
1、由于半导体激光器注入电流的幅度受限于半导体的注入电流工作范围，从而限制了其输出波长的调谐范围，典型的电流注入型F-P型半导体激光器的调谐范围一般在0.1nm左右，造成应用范围受限；
2、电流注入型半导体激光器进行调谐时，激光器工作性能不稳定，输出功率波动严重，影响应用场合；
3、半导体激光器典型线宽范围为2nm，一般为多纵模工作，导致激光光束的单色性和相干性差，影响了其传输和传感特性，并且远距离工作时发散角较大，直接限制其应用场合和工作距离。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，该激光器工作性能稳定，应用场合广泛。
按照本发明的技术方案：一种全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，包括顺序相连的具有反射特性的外腔、波分复用器、可调谐特性的光纤光栅、增益介质及耦合器，所述波分复用器的另一输入端口与泵浦单元相连；所述泵浦单元出射的泵浦激光通过所述波分复用器引入所述增益介质使增益介质粒子数反转；所述可调谐特性的光纤光栅与所述耦合器构成激光器的线性谐振腔，并选择与所述可调谐特性的光纤光栅波长匹配的可调谐激光并由所述耦合器的输出端口输出。
所述可调谐特性的光纤光栅包括机械调节装置，所述机械调节装置包括一段固定另一段可移动的调节架，光纤光栅粘贴在可移动的调节架，通过手动对光纤光栅的拉力进行调节而获得波长的调谐。
所述可调谐特性的光纤光栅包括机械调节装置，所述机械调节装置包括压电陶瓷，光纤光栅粘贴在压电陶瓷的二端，使用信号发生器或可编程的信号发生器发生信号对压电陶瓷驱动而获得波长的调谐。
所述可调谐特性的光纤光栅包括机械调节装置，所述机械调节装置包括可编程的调节架，光纤光栅粘贴在可编程的调节架上，通过编程驱动调节架的移动而获得波长的调谐。
所述具有反射特性的外腔为耦合器二输出端融合形成的环形镜构成的外腔。
所述具有反射特性的外腔为一八度角APC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成的外腔，所述介质膜为非金属介质膜或金属介质膜。
所述具有反射特性的外腔为一平角PC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成具有一定反射率的法布里珀罗腔构成的外腔，所述介质膜为非金属介质膜或金属介质膜。
所述具有反射特性的外腔为剥除光纤涂覆层的裸光纤切割为平面的端面镀有介质膜构成的外腔，所述介质膜为非金属介质膜或金属介质膜。
按照本发明的另一种技术方案：一种全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，包括顺序相连的具有反射特性的外腔、可调谐特性的光纤光栅及耦合器，所述耦合器的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器、增益介质及单向隔离器，所述波分复用器的另一输入端口与泵浦单元相连；所述泵浦单元出射的泵浦激光通过所述波分复用器引入所述增益介质使增益介质粒子数反转；所述可调谐特性的光纤光栅选择与所述的耦合器构成激光器的环形谐振腔，并选择与所述可调谐特性的光纤光栅波长匹配的可调谐激光并由所述耦合器的输出端口输出。
按照本发明的再一种技术方案：一种全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，包括顺序相连的具有反射特性的外腔、可调谐特性的光纤光栅及环形器，所述环形器的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器、增益介质及耦合器，所述波分复用器的另一输入端口与泵浦单元相连；所述泵浦单元出射的泵浦激光通过所述波分复用器引入所述增益介质使增益介质粒子数反转；所述可调谐特性的光纤光栅选择与所述的环形器构成激光器的环形谐振腔，并选择与所述可调谐特性的光纤光栅波长匹配的可调谐激光并由所述耦合器的输出端口输出。
本发明的技术效果在于：本发明采用光纤激光器，相对于半导体激光器，为单纵模或少纵模输出，良好的相干特性、模式特性以及较小的光束发散角可充分应用于远距离传感测量，并且全光纤结构耦合方式简单、结构紧凑，可满足特殊距离测量场合的应用需求。本发明中的线性腔光纤激光器，能够实现更高的测量灵敏度，能够实现带宽更宽的测量范围，能够保证大动态范围响应高灵敏度测量；本发明中的环形腔光纤激光器能够获得较高的输出功率，能够保证对输出功率较高要求的应用。本发明对光纤传感系统和光纤通信系统有较高的耦合效率，能实现低损耗的耦合。
附图说明
图1为外腔激光器的三镜腔理论模型。
图2为本发明第一种实施例的结构示意图。
图3为本发明第二种实施例的结构示意图。
图4为本发明第三种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1-图4中，包括波分复用器1、可调谐特性的光纤光栅2、增益介质3、耦合器4、具有反射特性的外腔5、泵浦单元6、前端面7、后端面8、外腔端面9、单向隔离器10、环形器11等。
如图2所示，是本发明的第一种实施例。该实施例是一种全光纤型外腔式可调谐线性腔光纤激光器，包括顺序相连的具有反射特性的外腔5、波分复用器1、可调谐特性的光纤光栅2、增益介质3及耦合器4，波分复用器1的另一输入端口与泵浦单元6相连。
泵浦单元6用于提供激光器粒子数反转。泵浦单元6出射的泵浦激光通过波分复用器1引入增益介质3使增益介质粒子数反转；可调谐特性的光纤光栅2、增益介质3及耦合器4构成激光器的线性谐振腔，并选择与可调谐特性的光纤光栅2波长匹配的可调谐激光并由耦合器4的输出端口输出。
如图3所示，是本发明的第二种实施例。该实施例是一种全光纤型外腔式可调谐环形腔光纤激光器，包括顺序相连的具有反射特性的外腔5、可调谐特性的光纤光栅2及耦合器4，耦合器4的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器1、增益介质3及单向隔离器10，波分复用器1的另一输入端口与泵浦单元6相连。单向隔离器10的作用是保证激光器单向运转。
泵浦单元6出射的泵浦激光通过波分复用器1引入增益介质3使增益介质3粒子数反转；可调谐特性的光纤光栅2与耦合器4构成激光器的环形谐振腔，并选择与可调谐特性的光纤光栅2波长匹配的可调谐激光并由耦合器4的输出端口输出。
如图4所示，是本发明的第三种实施例。该实施例也是一种全光纤型外腔式可调谐环形腔光纤激光器，包括顺序相连的具有反射特性的外腔5、可调谐特性的光纤光栅2及环形器11，环形器11的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器1、增益介质3及耦合器4，波分复用器1的另一输入端口与泵浦单元6相连。环形器11的作用是保证激光器单向运转。
泵浦单元6出射的泵浦激光通过波分复用器1引入增益介质3使增益介质3粒子数反转；可调谐特性的光纤光栅2与环形器11构成激光器的环形谐振腔，并选择与可调谐特性的光纤光栅2波长匹配的可调谐激光并由耦合器4的输出端口输出。
本发明上述三种实施例中的可调谐特性的光纤光栅2包括机械调节装置，机械调节装置包括以下几种形式。
第一种形式的机械调节装置包括一段固定另一段可移动的调节架，光纤光栅粘贴在可移动的调节架，通过手动对光纤光栅的拉力进行调节而获得波长的调谐。
第二种形式的机械调节装置包括压电陶瓷，光纤光栅粘贴在压电陶瓷的二端，使用信号发生器或可编程的信号发生器发生信号对压电陶瓷驱动而获得波长的调谐。
第三种形式的机械调节装置包括可编程的调节架，光纤光栅粘贴在可编程的调节架上，通过编程驱动调节架的移动而获得波长的调谐。
增益介质3为掺铒光纤或铒镱共掺光纤。掺铒光纤有很宽的发射波段，能够覆盖C和L波段。铒镱共掺光纤相对于掺铒光纤有较宽的吸收带宽和较高的吸收系数，因此较短的增益介质就能达到激光器谐振条件而大大减小激光器谐振腔长度。
本发明中的具有反射特性的外腔5包括以下类型：1、具有反射特性的外腔5为耦合器二输出端融合形成的环形镜构成的外腔。2、具有反射特性的外腔5为一八度角APC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成的外腔。3、具有反射特性的外腔5为一平角PC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成具有一定反射率的法布里珀罗腔构成的外腔。4、具有反射特性的外腔5为剥除光纤涂覆层的裸光纤切割为平面的端面镀有介质膜构成的外腔。
上述的介质膜可以是石墨烯、碳化硅等非金属介质膜，也可以是金属介质膜包括金银铜铁铝锌等，所述的介质膜产生过程可以采用电镀、化学镀、脉冲激光沉积、化学气相沉积、分子束外延、溶胶凝胶、磁控溅射、氧化法、离子注入法、扩散法、电镀法、涂布法、液相生成法等镀膜方法获得。
本发明具有以下优点：
1、光纤激光器相对于半导体激光器，由于光纤的表面积大散射快，不需要额外的温度稳定控制装置。
2、光纤激光器相对于半导体激光器，对光纤传感系统和光纤通信系统有较高的耦合效率，因而能实现低损耗的耦合。
3、本发明所采用外腔式可调谐光纤激光器的调谐波长的移动范围可达几十nm甚至更高，相对注入电流调谐的半导体激光器具有更大的调谐范围。因此本发明系统应用范围相对更高。
4、本发明所采用外腔式可调谐光纤激光器的光纤激光器宽带调谐特性可保证光纤激光器调谐过程宽带平坦的高增益特性且输出功率稳定。
5、本发明所采用的外腔式可调谐光纤激光器，相对于半导体激光器，为单纵模或少纵模输出，良好的相干特性、模式特性以及较小的光束发散角可充分应用于远距离传感测量，并且全光纤结构耦合方式简单、结构紧凑，可满足特殊距离测量场合的应用需求。
Claims (10)
1.一种全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：包括顺序相连的具有反射特性的外腔（5）、波分复用器（1）、可调谐特性的光纤光栅（2）、增益介质（3）及耦合器（4），所述波分复用器（1）的另一输入端口与泵浦单元（6）相连；所述泵浦单元（6）出射的泵浦激光通过所述波分复用器（1）引入所述增益介质（3）使增益介质粒子数反转；所述可调谐特性的光纤光栅（2）与所述耦合器（4）构成激光器的线性谐振腔，并选择与所述可调谐特性的光纤光栅（2）波长匹配的可调谐激光并由所述耦合器（4）的输出端口输出。
2.按照权利要求1所述的全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：所述可调谐特性的光纤光栅（2）包括机械调节装置，所述机械调节装置包括一段固定另一段可移动的调节架，光纤光栅粘贴在可移动的调节架，通过手动对光纤光栅的拉力进行调节而获得波长的调谐。
3.按照权利要求1所述的全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：所述可调谐特性的光纤光栅（2）包括机械调节装置，所述机械调节装置包括压电陶瓷，光纤光栅粘贴在压电陶瓷的二端，使用信号发生器或可编程的信号发生器发生信号对压电陶瓷驱动而获得波长的调谐。
4.按照权利要求1所述的全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：所述可调谐特性的光纤光栅（2）包括机械调节装置，所述机械调节装置包括可编程的调节架，光纤光栅粘贴在可编程的调节架上，通过编程驱动调节架的移动而获得波长的调谐。
5.按照权利要求1所述的全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：所述具有反射特性的外腔（5）为耦合器二输出端融合形成的环形镜构成的外腔。
6.按照权利要求1所述的全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：所述具有反射特性的外腔（5）为一八度角APC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成的外腔，所述介质膜为非金属介质膜或金属介质膜。
7.按照权利要求1所述的全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：所述具有反射特性的外腔（5）为一平角PC跳线头与一陶瓷套管表面黏贴介质膜构成具有一定反射率的法布里珀罗腔构成的外腔，所述介质膜为非金属介质膜或金属介质膜。
8.按照权利要求1所述的全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：所述具有反射特性的外腔（5）为剥除光纤涂覆层的裸光纤切割为平面的端面镀有介质膜构成的外腔，所述介质膜为非金属介质膜或金属介质膜。
9.一种全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：包括顺序相连的具有反射特性的外腔（5）、可调谐特性的光纤光栅（2）及耦合器（4），所述耦合器（4）的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器（1）、增益介质（3）及单向隔离器（10），所述波分复用器（1）的另一输入端口与泵浦单元（6）相连；所述泵浦单元（6）出射的泵浦激光通过所述波分复用器（1）引入所述增益介质（3）使增益介质（3）粒子数反转；所述可调谐特性的光纤光栅（2）与所述耦合器（4）构成激光器的环形谐振腔，并选择与所述可调谐特性的光纤光栅（2）波长匹配的可调谐激光并由所述耦合器（4）的输出端口输出。
10.一种全光纤型外腔式可调谐光纤激光器，其特征是：包括顺序相连的具有反射特性的外腔（5）、可调谐特性的光纤光栅（2）及环形器（11），所述环形器（11）的两个端口之间呈环形依次连接有波分复用器（1）、增益介质（3）及耦合器（4），所述波分复用器（1）的另一输入端口与泵浦单元（6）相连；所述泵浦单元（6）出射的泵浦激光通过所述波分复用器（1）引入所述增益介质（3）使增益介质（3）粒子数反转；所述可调谐特性的光纤光栅（2）与所述环形腔（11）构成激光器的环形谐振腔，并选择与所述可调谐特性的光纤光栅（2）波长匹配的可调谐激光并由所述耦合器（4）的输出端口输出。
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