CN103457142A - 一种横模-波长相关可调全光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种横模-波长相关可调全光纤激光器，利用少模光纤光栅特殊的波长和横模对应特性，在光纤谐振腔内利用可调谐带通滤波器实现激光器谐振波长的改变，从而改变输出横模。该激光器主要包括泵浦源、增益介质、波分复用器、反射镜、可调谐带通滤波器、模式耦合部分和少模光纤光栅。本发明输出具有高模式纯度、单波长窄线宽、横模切换简便的优点。本发明没有任何空间耦合器件参与其中，结构上更加稳定，便于移动和产品化。

Description

一种横模-波长相关可调全光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别是横模可调的、涉及少模光纤光栅的光纤激光器。

背景技术

激光器的输出横模特性一直以来是激光器的一项重要特性，早年人们对激光横模的研究主要目标是近衍射极限的基模，其具有光斑小、方向性好、线偏振度好等优点，由于光纤波导的特性，光纤激光器在单横模激光器上有非常好的表现。近年来，研究表明高阶模激光尤其一阶高阶模在激光加工、光学操控和粒子加速等诸多方面都有独特优势，因此高阶模激光器的相关研究也飞速发展。但是整合这两种模式的输出技术还鲜有出现，现有的可变模场输出技术主要依赖于空间相位调制器，这种空间相位调制器存在价格高昂、要求在超净环境下工作、波长限定等方面的弊端，另外这种技术主要是空间结构的被动转换方式，便携性较差，稳定性受输入光源影响较大。

中国专利申请CN102544999A公开了一种基于少模光纤光栅的轴对称偏振光束激光器，该专利主要利用少模光纤光栅对基模的反射已达到输出具有角向或者径向对称偏振分布的激光光束，其弊端在于是输出模式固定，不能在基模和一阶模之间切换。

发明内容

本发明的技术解决问题：为了克服背景技术中所述缺陷，本发明提供一种横模-波长相关可调全光纤激光器，能够通过调节可调谐带通滤波器简便地实现一阶高级模式和基模的切换，具有结构简洁紧凑、调节简便、造价低廉、便携性好、稳定性高等方面的优点并且由于少模光纤光栅对于模式的高反作用，输出光束的模式纯度较高。

本发明技术解决方案：在本发明中使用了关键性器件少模光纤光栅，所述的少模光纤光栅是在对于布拉格波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅；它具有不同模式反射波长不同的特性。根据工作波长和少模光纤光栅反射波长的不同匹配关系，利用可调谐带通滤波器控制激光器的谐振波长，以满足以模式选择元件少模光纤光栅对特定波长的需求，实现通过控制谐振波长来控制输出的横模，即“横模-波长”相关可调特性。

所述的一种横模-波长相关可调全光纤激光器，其结构包括：泵浦源、波分复用器、增益介质、反射镜、可调谐带通滤波器、模式耦合部分和少模光纤光栅，其中：

所述泵浦源，为半导体激光器，与波分复用器相连，并向与波分复用器公共端相连的增益介质输入连续激光，激励增益介质工作产生激光；

所述波分复用器，有三个端口，一端与作为泵浦源的半导体激光器相连，公共端与增益介质相连，另一端与反射镜相连作为一个激光腔镜，泵浦源通过波分复用器向增益介质提供能量；

所述增益介质为稀土掺杂光纤，两端分别和可调谐带通滤波器及模式耦合部分相连，在泵浦源激光的激发下发生受激辐射产生激光，其模式为基模；

所述反射镜，与波分复用器相连，作为激光器的一个腔镜。其实现形式有多种，有光纤端面镀高反射膜、利用光纤塞格纳克环等；

所述可调谐带通滤波器，两端分别和增益介质及模式耦合部分相连。带通滤波器是指某一波长范围内的光能够以很小的衰减高透过率通过，而其他范围的波长分量将会很大程度的衰减，可调谐带通滤波器是指机械或者电控调节能够实现高透过率波长位置改变的带通滤波器。

所述模式耦合部分，两端分别与可调谐带通滤波器及少模光纤光栅相连，其实现形式多样：光纤耦合器、光纤错位熔接和光纤拉锥。所述模式耦合部分能够将增益介质产生的基模激光转化为基模和一阶高级模的混合模式激光。

所述少模光纤光栅，一端与模式耦合部分相连，另一端作为激光器的输出端口；所述少模光纤是指允许除了基模之外，还允许一阶高阶模式传输的光纤；所述少模光纤光栅是指在对于布拉格波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅，其特点在于基模激光与一阶高阶模激光在所述的少模光纤光栅上的反射波长不同。

所述的横模-波长相关可调激光器，其特征在于通过激光器谐振波长的调节来实现对输出激光的横模进行可控调节。激光器的谐振波长由可调谐带通滤波器控制，带通滤波器高透射率波长的光损耗最小，在增益竞争中占据优势，形成激光谐振。少模光纤光栅对于不同阶次模式反射波长不同，当激光谐振波长和少模光纤光栅的基模反射波长相同时，由稀土掺杂光纤产生的基模激光经过模式耦合部分得到的混合模式中的基模满足光栅反射条件而被反射回腔内继续谐振，而一阶高级模由于不受少模光纤光栅的限制而成为输出模式；类比的，当激光谐振波长和少模光纤光栅的一阶高级模反射波长相同时，混合模式中的一阶高级模满足光栅反射条件而被反射回腔内，而基模成为输出模式。利用可调谐带通滤波器控制激光器的谐振波长，从而控制输出激光的横模。即实现了横模-波长相关可调全光纤激光器。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明利用少模光纤光栅模式响应的特点，设计了能够实现横模-波长相关可调的光纤激光器，其优点是全光纤结构的稳定性和便携性，利用可调谐带通滤波器波长调节控制模式输出操作简便，而且少模光纤光栅保证高质量的输出光束。

（2）本发明结构简单，原理明显，不同阶次模式调谐方便。在激光加工和科学研究方面都有潜在应用。

附图说明

图1为本发明横模-波长相关可调全光纤激光器实施例的结构示意图。

具体实施方式

在叙述实施例的具体结构和内容之前，对光纤及光纤光栅模式理论进行必要的简述，尤其对于少模光纤和少模光纤光栅进行必要的解释。

所谓少模光纤是有别于只能支持基模（HE11）在其内部较小损耗传输的单模光纤，它还可以支持一些更高阶次的横模（TM01，TE01等）作为导模传输。

对于少模光纤，归一化频率（V）是一种较好的描述：

$V=\frac{2\mathrm{\πa}\·\mathrm{NA}}{\mathrm{\λ}}$

其中a为光纤纤芯半径大小；

NA为光纤数值孔径大小；

λ为传输光的波长；

当V<=2.405时，该光纤为单模光纤；当3.832>V>2.405时，光纤为少模,能够支持基模和一阶高阶模。

光纤光栅是由掺锗光纤经紫外光照射成栅形成的，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布并产生布拉格光栅效应。所述的少模光纤光栅是在对于布拉格波长为少模光纤上刻写的光栅，举例说明：当光纤光栅的布拉格波长在1050nm左右，将这样的光栅刻写在对于1050nm光波为少模光纤（V处于2.405到3.8之间）上，得到的光纤光栅就是少模光纤光栅。这种光栅不局限于举例中的波长，理论上在任何波长通过选择合适的光纤和光栅周期都可以得到相应的少模光纤光栅。这种光栅有多个反射峰，有基模反射峰，也有一阶高级模式反射峰，且反射波长不同。

本发明正是基于上面的分析，利用少模光纤光栅对不同模式的不同响应而提出的。

下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。

如图1所示，半导体泵浦源11与波分复用器12相连，并通过波分复用器12为与波分复用器公共端相连的稀土掺杂光纤14注入泵浦能量，以此激发增益介质给整个激光器提供谐振能量；反射镜13与波分复用器另一端相连，作为腔镜将能量反射回腔内用以谐振；

稀土掺杂光纤14另一端与可调谐带通滤波器15相连，滤波器的高透射波长可以在少模光纤光栅17的反射波长附近调节。所述的少模光纤是指归一化频率在2.405到3.8之间的光纤，少模光纤光栅17是指在对于反射波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅，其特征在于对基模和一阶一阶高级模反射波长不同。模式耦合部分16为两端分别和可调谐带通滤波器15和少模光纤光栅17相连，用以将稀土掺杂光纤14产生的基模激光转化为包含基模和一阶高级模的混合模式。激光器的工作波长决定了输出的横模特性。当可调谐带通滤波器15控制激光器的工作波长与少模光纤光栅的基模反射波长相同时，通过模式耦合部分所得的混合模式（基模和一阶高级模）到达少模光纤光栅17时，基模被反射回激光器腔内作为谐振模式，而一阶高级模由于没有受到少模光纤光栅的限制全部输出；当可调谐带通滤波器15控制激光器的工作波长与少模光纤光栅的一阶高阶模反射波长相同时，通过模式耦合部分所得的混合模式（基模和一阶高级模）到达少模光纤光栅17时，基模被反射回激光器腔内作为谐振模式，输出模式为基模。这样就实现了横模-波长相关可调全光纤激光器。

本发明的创新之处在于：利用少模光纤光栅模式响应的特点，设计了能够实现横模-波长相关可调的光纤激光器。其优点是全光纤结构的稳定性和便携性，利用可调谐带通滤波器波长调节控制模式输出操作简便，而且少模光纤光栅保证高质量的输出光束。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化、替换及改造。此外，不意味着本申请的范围限于说明书中描述的工艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在的或以后发现的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其与这里描述的根据本发明相应实施例所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的结果。因此，期望所附的权利要求将这样的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围。

Claims (3)

1.一种横模-波长相关可调全光纤激光器，其特征在于包括：泵浦源、波分复用器、增益介质、反射镜、可调谐带通滤波器、模式耦合部分和少模光纤光栅，其中：

所述泵浦源，为半导体激光器，与波分复用器相连，并向与波分复用器公共端相连的增益介质输入连续激光，激励增益介质工作产生激光；通过半导体激光器谐振波长的调节来实现对输出激光的横模进行可控调节；

所述波分复用器，有三个端口，一端与作为泵浦源的半导体激光器相连，公共端与增益介质相连，另一端与反射镜相连作为一个激光腔镜，泵浦源通过波分复用器向增益介质提供能量；

所述增益介质为稀土掺杂光纤，两端分别和可调谐带通滤波器及波分复用器相连，在泵浦源激光的激发下发生受激辐射产生激光，其模式为基模；

所述反射镜，与波分复用器相连，作为激光器的一个腔镜，其实现形式有多种，包括光纤断面镀高反射膜、利用光纤塞格纳克环均能够实现；

所述可调谐带通滤波器，两端分别和增益介质及模式耦合部分相连；带通滤波器是指某一波长范围内的光能够以很小的衰减高透过率通过，而其他范围的波长分量将会很大程度的衰减，可调谐带通滤波器是指机械或者电控调节能够实现高透过率波长位置改变的带通滤波器；

所述模式耦合部分，两端分别与可调谐带通滤波器及少模光纤光栅相连，其实现形式为：光纤耦合器、光纤错位熔接或光纤拉锥；所述模式耦合部分能够将增益介质产生的基模激光转化为基模和高阶模的混合模式激光；

所述少模光纤光栅，一端与模式耦合部分相连，另一端作为激光器的输出端口；所述少模光纤是指允许除了基模之外，还允许一阶高阶模式传输的光纤；所述少模光纤光栅是指在对于布拉格波长为少模光纤上刻写的布拉格光栅，基模激光与一阶高级模激光在所述的少模光纤光栅上的反射波长不同。

2.根据权利要求1所述的横模-波长相关可调激光器，其特征在于：所述激光器的谐振波长由可调谐带通滤波器控制，带通滤波器高透射率波长的光损耗最小，在增益竞争中占据优势，形成激光谐振。

3.根据权利要求1所述的横模-波长相关可调激光器，其特征在于：所述少模光纤光栅对于不同阶次模式反射波长不同，当激光谐振波长和少模光纤光栅的基模反射波长相同时，由稀土掺杂光纤产生的基模激光经过模式耦合部分得到的混合模式中的基模满足光栅反射条件而被反射回腔内继续谐振，而一阶高级模由于不受少模光纤光栅的限制而成为输出模式；当激光谐振波长和少模光纤光栅的一阶高级模反射波长相同时，混合模式中的一阶高级模满足光栅反射条件而被反射回腔内，而基模成为输出模式，利用可调谐带通滤波器控制激光器的谐振波长，从而控制输出激光的横模，即横模-波长相关可调。

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