CN103682962A - 一种基于游标效应的可调谐微光纤激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于游标效应的可调谐微光纤激光器及其制备方法。本发明的激光器包括半导体泵浦激光器（1）、有源微光纤级联谐振结构（3）和光谱分析仪（5），半导体泵浦激光器（1）发出的泵浦激光通过第一微纳光纤（2）耦合到有源微光纤级联谐振结构（3）中，有源微光纤级联谐振结构（3）产生的激光再通过第二微纳光纤（4）耦合进入光谱分析仪（5）。该发明技术中提出的微光纤激光器具有可调谐性，可以监测外界环境参量（如温度、折射率应变等）的变化，再加上体积小、结构紧凑、设计灵活等优点，可以满足固化材料监测、气体、土壤等环境污染监测、生物医疗检测等不同领域的应用需求。

Description

一种基于游标效应的可调谐微光纤激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于级联的微光纤谐振结构的可调谐激光器。

背景技术

在光纤激光器、光纤传感等领域，光纤级联环形谐振腔技术有着持续广泛的应用。其原因在于，光纤级联环形谐振腔的输出光谱是基于游标效应的原理产生的，相比于单个环形谐振腔，它具有条纹精细度高、自由光谱范围可调等优点。但由于普通光纤对外界环境的变化并不灵敏，且级联谐振腔的构建需要多个耦合器件，普通光纤制作的级联环形谐振腔在小型化、集成化光器件方面的应用仍有一定的局限性。

微纳光纤是指直径在微米或纳米量级的光纤，具有许多普通光纤无法比拟的优点。极好的柔韧性和良好的机械性能使得它可以通过微操作形成各种几何结构，且具有很小的弯曲损耗；大比例倏逝场特性使得它能与表面或附近的介质发生强耦合作用。因此，利用微纳光纤可以制作体积小、结构紧凑的环形谐振腔，它的输出光谱损耗小、条纹精细度高、对外界环境参量灵敏。再加上近年来有源微纳光纤制作技术的不断成熟，将高掺杂稀土离子微光纤与微纳光纤谐振腔相结合可以形成窄线宽、高功率、具有良好传感特性的光纤激光器，相比于普通的光纤激光器或光纤传感器，具有更广泛的应用前景。

目前，利用有源微纳光纤制作光纤激光器的技术和方法已经有所报道。浙江大学童利民等人早在2006年就发明了“微光纤环形结激光器（专利号200610050794.8）”，以掺杂微光纤制成单个环形结谐振腔，并分别用两根锥形光纤的末端搭在环形单结谐振腔的环上作为激光器的泵浦输入端和激光输出端。该装置虽然能利用环形单结谐振腔的滤波特性和有源光纤的增益特性产生激光，但由于单个环形结谐振腔的Q值特性较差，加之搭制该谐振腔所用的有源光纤较短，很难实现高光束质量、高功率的激光输出，不利于长距离的通信以及传感应用。华南理工大学杨中民等发明了“一种波长可调谐微型单模光纤激光器（专利号201310068660.9）”，利用有源微纳光纤搭制了嵌套双环微型谐振腔，并采用双向泵浦的方式对该有源嵌套双环微型谐振腔进行泵浦，实现了单模激光输出。该装置通过压电陶瓷改变锥光纤与谐振腔耦合区的参数来实验不同波长调谐输出，但由于两个微型谐振腔是嵌套的，难以独立调节它们的大小，同时该激光器不能进行激射波长数目的调谐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的有源微光纤激光器存在的问题，提供一种基于游标效应的有源微光纤激光器，该激光器利用微光纤级联谐振结构的游标效应和高掺稀土离子光纤的高增益特性产生窄线宽、高功率的激光输出，可广泛应用于传感和通信系统中。同时，级联的两个独立谐振腔使该激光器可实现激射波长数目、间隔和位置的调谐。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供一种基于游标效应的可调谐微光纤激光器，包括半导体泵浦激光器、有源微光纤级联谐振结构和光谱分析仪，半导体泵浦激光器发出的泵浦激光通过第一普通微光纤耦合到有源微光纤级联谐振结构中，利用该结构的滤波特性和有源光纤的增益特性产生激光，产生的激光再通过第二普通微光纤耦合进入光谱分析仪，检测输出的激光光谱。改变所述有源微光纤级联谐振结构的光程，得到不同激射波长数目、间隔和位置的激光输出，即可实现所述微光纤激光器的输出波长调谐。

进一步地，所述有源微光纤级联谐振结构，包括第一微光纤结型谐振腔、第二微光纤结型谐振腔和微光纤，第一微光纤结型谐振腔包括第一结耦合区域，第二微光纤结型谐振腔包括第二结耦合区域，第一微光纤结型谐振腔通过第一耦合区域与有源微光纤相连通，第二微光纤结型谐振腔通过第二耦合区域与有源微光纤相连通。

一种基于游标效应的可调谐微光纤激光器的制备方法，包括第一微纳光纤、第二微纳光纤、第一微光纤结型谐振腔、第二微光纤结型谐振腔、有源微光纤的制备过程，有源微光纤与第一微光纤结型谐振腔、第二微光纤结型谐振腔的连通过程，以及半导体泵浦激光器、第一微纳光纤、有源微光纤级联谐振结构、第二微纳光纤、光谱分析仪的互连过程。

进一步地，所述第一微纳光纤、第二微纳光纤的制备过程包括：

1）通过氢氧火焰加热法把标准通信光纤的中间拉细至微米尺度直径，得到一根微纳光纤；

2）将该微纳光纤的细端从中间截断，一侧作为第一微纳光纤保留待用，另一侧作为第二微纳光纤保留待用。

进一步地，所述第一微光纤结型谐振腔的制备过程包括：

3）通过氢氧火焰加热法把无包层的高掺杂稀土离子光纤中间拉细至微米尺度直径，得到第一有源微纳光纤；

4）将第一有源微纳光纤的细端从中间截断，形成截断端一侧的第一有源微纳光纤微纳自由端和远离截断端一侧的第一有源微纳光纤非微纳端；

5）将第一有源微纳光纤非微纳端固定在底座一侧，用第一光纤探针和第二光纤探针把第一有源微纳光纤微纳自由端绕一个或复数个结形成第一微光纤结型谐振腔，并保留一部分剩余的第一有源微纳光纤微纳自由端，打结处为第一结耦合区域。

进一步地，所述第二微光纤结型谐振腔、有源微光纤的制备过程包括：

6）按照步骤3）制备有源微纳光纤的方法制备第二有源微纳光纤、有源微光纤；

7）按照步骤4）的方法处理第二有源微纳光纤，得到第二有源微纳光纤微纳自由端、第二有源微纳光纤非微纳端；处理有源微光纤，得到有源微光纤微纳自由端、有源微光纤非微纳端；

8）按照步骤5）同样的方法制备得到第二微光纤结型谐振腔，并保留一部分剩余的第二有源微纳光纤微纳自由端；第二微光纤结型谐振腔的打结处为第二结耦合区域，将第二有源微纳光纤非微纳端固定在底座上第一有源微纳光纤非微纳端的对侧，并与第一有源微纳光纤非微纳端保持平行。

进一步地，有源微光纤与第一微光纤结型谐振腔、第二微光纤结型谐振腔的连通过程包括：

9）将有源微光纤非微纳端固定在底座上第一有源微纳光纤非微纳端的同侧，并与第一有源微纳光纤非微纳端保持平行；

10）用第一光纤探针和第二光纤探针将有源微光纤微纳自由端在第一微光纤结型谐振腔上绕一个或者复数个结，形成第一耦合区域，并剩下足够长度的有源微光纤微纳自由端，完成有源微光纤与第一微光纤结型谐振腔的连通过程；

11）将有剩余的源微光纤微纳自由端在第二微光纤谐振腔上绕一个或者复数个结，形成第二耦合区域，完成有源微光纤与第二微光纤结型谐振腔的连通过程。

进一步地，半导体泵浦激光器、第一微纳光纤、有源微光纤级联谐振结构、第二微纳光纤、光谱分析仪的互连过程包括：

12）将半导体泵浦激光器的输出端与步骤2）所得第一微纳光纤的粗端耦合连接；

13）将第一微纳光纤的细端与步骤5）所得剩余的第一有源微纳光纤微纳自由端耦合连接；

14）将步骤2）所得第二微纳光纤的粗端与光谱分析仪的输入端耦合连接；

15）将步骤8）所得剩余的第二有源微纳光纤微纳自由端与第二微纳光纤的细端耦合连接，完成基于游标效应的可调谐微光纤激光器的制备过程。

进一步地，所述制备方法还包括调整第一微光纤结型谐振腔、第二微光纤结型谐振腔的外界环境参量或腔长大小，从而调谐激光器的激射波长的数目和位置的过程。

进一步地，所述调整外界环境参量或腔长大小的过程需满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1{S}_1=(m+1/2)\mathrm{\π}\\ {\mathrm{\β}}_2{S}_2=(n+1/2)\mathrm{\π}\\ n=m+N\end{array}\right.$

其中，β₁为光在第一微光纤谐振腔（6）中的传播常数，S₁为第一微光纤谐振腔（6）的周长，β₂为光在第二微光纤谐振腔（7）中的传播常数，S₂为第二微光纤谐振腔（7）的周长，m、n均为非负整数，N为自然数。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：

其一，基于游标效应的原理，滤波光谱条纹精细度高、自由光谱范围调谐范围大，利于实现窄线宽、可调谐的激光输出。

其二，采用高掺稀土离子光纤，并将其拉至直径微米量级，不仅可提供高增益，实现激光器的全微纳化，而且对外界环境参量敏感，可满足在传感方面的应用。

其三，采用多种波长调谐技术，不仅可实现输出激光的波长个数调谐，也可实现波长位置的调谐，调谐方法易实现，适于不同的应用场合。

其四，采用有源微光纤级联谐振结构，各个耦合区域通过绕结的方式形成，系统稳定，耦合区域长度易调节。

其五，本激光器系统中除泵浦激光器和光谱分析仪外无其他光电元器件，体积小、结构紧凑，可作为传感光源与其他光纤传感系统集成，具有实际应用价值。

总之，本发明技术中提出的微光纤激光器具有可调谐性，可以监测外界环境参量（如温度、折射率应变等）的变化，再加上体积小、结构紧凑、设计灵活等优点，可以满足固化材料监测、气体、土壤等环境污染监测、生物医疗检测等不同领域的应用需求。

附图说明

图1是本发明的基于游标效应的可调谐有源微光纤激光器系统结构示意图。

图2是本发明的有源微光纤级联谐振结构示意图。

图3是本发明的有源微光纤级联谐振结构的制作方法示意图。

图4是本发明的微光纤级联谐振结构的光路示意图。

图5是本发明实施例中输出光谱的直径调谐图。

图6是本发明实施例中输出光谱的外界折射率调谐图

图中：1.半导体泵浦激光器；2.第一普通微纳光纤；3.有源微光纤级联谐振结构；4.第二普通微纳光纤5.光谱分析仪；6.第一微光纤结型谐振腔；7.第二微光纤结型谐振腔；8.有源微光纤；9.第一微光纤结型谐振腔的结耦合区域（第一结耦合区域）；10.第一微光纤结型谐振腔与有源微光纤之间的耦合区域（第一耦合区域）；11.有源微光纤与第二微光纤结型谐振腔之间的耦合区域（第二耦合区域）；12.第二微光纤结型谐振腔的结耦合区域（第二结耦合区域）；13.第一有源微纳光纤微纳自由端；14.第一有源微纳光纤非微纳端；15.底座；16.第一光纤探针17.第二光纤探针；18.第二有源微纳光纤微纳自由端；19.第二有源微纳光纤非微纳端；20.有源微光纤8的非微纳端；21.第一微光纤结型谐振腔结耦合区域的外界输入端口；22.第一微光纤结型谐振腔结耦合区域的自输入端口；23.第一微光纤结型谐振腔结耦合区域的自输出端口；24.第一微光纤结型谐振腔结耦合区域的外界输出端口；25.第一微光纤结型谐振腔上耦合区域的自输入端口26.第一微光纤结型谐振腔上耦合区域的自输出端口；27.第一微光纤结型谐振腔上耦合区域的外界输出端口；28.第二微光纤结型谐振腔结耦合区域的外界输入端口；29.第二微光纤结型谐振腔结耦合区域的自输出端口；30.第二微光纤结型谐振腔上耦合区域的外界输出端口；31.有源微光纤8的微纳自由端。

具体实施方式

下面结合附图进一步详述本发明。

本发明提供一种基于游标效应的可调谐微光纤激光器，半导体泵浦激光器1发出的泵浦激光通过第一普通微光纤2耦合到有源微光纤级联谐振结构3中，利用该结构的滤波特性和有源光纤的增益特性产生激光，产生的激光再通过第二普通微光纤4耦合进入光谱分析仪5，检测输出的激光光谱。改变所述有源微光纤级联谐振结构3的光程，得到不同激射波长数目、间隔和位置的激光输出，即可实现所述微光纤激光器的输出波长调谐。

本发明提供一种有源微光纤级联谐振结构3，由第一微光纤结型谐振腔6和第二微光纤结型谐振腔7通过微光纤8依次串联形成。其特征在于包含四个耦合区域：第一微光纤结型谐振腔6的结耦合区域9、第一微光纤结型谐振腔6与微光纤8之间的耦合区域10、微光纤8与第二微光纤结型谐振腔7之间的耦合区域11、第二微光纤结型谐振腔7的结耦合区域12，这四个耦合区域都是由微光纤绕一个或多个结的方法形成，其长度通过所绕结的个数进行控制。此外，其特征还在于全部由有源微光纤制作而成。所述有源微光纤是由高掺稀土离子光纤通过氢氧火焰加热的方法拉制成的，直径为0.1～10μm，整个结构所用有源微光纤总长度为3.5～70mm。

本发明的有源微光纤级联谐振结构3的游标效应产生机理：输入信号光经耦合区域9进入第一微光纤结型谐振腔6，并在腔内沿逆时针方向单向振荡；在耦合区域10处，一部分光会耦合进微光纤8，并随后传输至耦合区域11处，通过耦合进入第二微光纤结型谐振腔7，进入该谐振腔的光沿顺时针方向单向振荡，最后在耦合区域12处部分光耦合输出。由于相位谐振条件的制约，只有频率能同时满足两个微光纤结型谐振腔6，7的相位谐振条件的信号光才能稳定存在并输出，而频率不能同时满足两个相位谐振条件信号光会被抑制掉并无输出。据此，有源微光纤级联谐振结构3的输出光谱的自由光谱范围增大，同时光谱线宽变窄，即实现了游标效应。

本发明提供一种有源微光纤级联谐振结构3的制作方法，主要包括以下步骤：

（1）通过氢氧火焰加热法把无包层的高掺杂稀土离子光纤中间拉细至微米尺度直径，得到第一有源微纳光纤、第二有源微纳光纤和微光纤8；

（2）将第一有源微纳光纤的细端从中间截断，形成截断端一侧的微纳自由端13和远离截断端一侧的非微纳端14；

（3）将非微纳端14固定在底座15一侧，用第一光纤探针16和第二光纤探针17把微纳自由端13绕一个或复数个结形成第一微光纤结型谐振腔6，并保留一部分剩余的微纳自由端13，打结处为第一结耦合区域9；

（4）按照步骤（2）、（3）同样的方法制备得到第二微光纤结型谐振腔7，并保留一部分剩余的第二微光纤结型谐振腔7的微纳自由端18；第二微光纤结型谐振腔7的打结处为第二结耦合区域12，第二微光纤结型谐振腔7的非微纳端19固定在底座15上非微纳端14的对侧，并与第一微光纤结型谐振腔6的非微纳端14保持平行；

（5）将微光纤8的非微纳端20固定在底座15上非微纳端14的同侧，并与第一微光纤结型谐振腔6的非微纳端14保持平行；

（6）用第一光纤探针16和第二光纤探针17将微光纤8的微纳自由端在第一微光纤结型谐振腔6上绕一个或者复数个结，形成第一耦合区域10，这样就形成了整个有源微光纤级联谐振结构3。

本方案涉及一种基于游标效应的可调谐微光纤激光器，下面结合具体的实施事例对本发明作进一步说明阐释，但不限于该实施方式。

本发明中基于游标效应的可调谐微光纤激光器系统如图1所示，半导体泵浦激光器1发出的泵浦激光通过第一普通微光纤2耦合到有源微光纤级联谐振结构3（虚线框内）中，利用该结构的滤波特性和有源光纤的增益特性产生激光，产生的激光再通过第二普通微光纤4耦合进入光谱分析仪5，检测输出的激光光谱。改变所述有源微光纤级联谐振结构3的光程，可以得到不同激射波长个数、间隔和位置的激光输出，即可实现所述微光纤激光器的输出波长调谐。

本发明中有源微光纤级联谐振结构3如图2所示，该有源微光纤级联谐振结构由第一微光纤结型谐振腔6和第二微光纤结型谐振腔7通过一段微光纤8按顺序串联形成，具体实施时，考虑到制作的可重复性和实际应用的需求，所述有源微纳光纤8的拉伸长度控制在1-15cm，有源微纳光纤8的半径控制在1-8μm，两个微光纤结型谐振腔6、7的腔环直径控制在0.5-10mm。

本发明中有源微光纤级联谐振结构3的制作过程如图3所示。首先，用氢氧火焰加热拉伸法拉制第一微光纤，并从中间截断，形成微纳自由端13和非微纳端14。第一微光纤的非微纳端14固定在底座15上，微纳自由端13通过第一、第二光纤探针16、17绕两个结形成第一微光纤结型谐振腔6。然后按照上述方法制作第二微光纤结型谐振腔7和微光纤8。接着将微光纤8平行于微光纤结型谐振腔6的非微纳端14固定在底座15上，这时，用光纤探针16、17将其微纳自由端分别在微光纤结型谐振腔6、7上绕两个结，这样就形成了整个有源微光纤级联谐振结构3。

本发明中有源微光纤级联谐振结构3中的光路如图4所示，游标效应的工作机理如下：输入信号光经耦合区域9进入第一微光纤结型谐振腔6，并在腔内沿逆时针方向单向振荡；在耦合区域10处，一部分光会耦合进微光纤8，并随后传输至耦合区域11处，通过耦合进入第二微光纤结型谐振腔7，进入该谐振腔的光沿顺时针方向单向振荡，最后在耦合区域12处部分光耦合输出。由于相位谐振条件的制约，只有频率能同时满足两个微光纤结型谐振腔6、7的相位谐振条件的信号光才能稳定存在并输出，而频率不能同时满足两个相位谐振条件信号光会被抑制掉并无输出。据此，有源微光纤级联谐振结构3的输出光谱的自由光谱范围增大，同时光谱宽度变窄，即实现了游标效应。

本发明提供一种微光纤激光器单波长激射的实现方法，即首先调节第一微光纤结型谐振腔6的腔长使其自由光谱范围较大，再精细调节第二微光纤结型谐振腔7，直至有源微光纤环形谐振结构3的输出光谱在有源微光纤的增益区间只有一个谐振峰，所述微光纤激光器就可实现稳定的单波长输出。

本发明的另一种微光纤激光器多波长激射的实现方法，即当两个微光纤结型谐振腔6，7的直径均较大且比例适合时，有源微光纤级联谐振结构3的输出光谱在有源微光纤的增益区间将存在多个谐振峰，据此，所述微光纤激光器可实现稳定的多波长输出。

本发明还提供了一种微光纤激光器输出波长的调谐方法，即通过移动两个微光纤结型谐振腔6，7的微纳自由端改变其直径大小，从而改变有源微光纤级联谐振结构3的输出光谱的激射波长个数、间隔和位置，实现所述微光纤激光器的输出波长调谐。

本发明提供了另一种微光纤激光器输出波长的调谐方法，即改变两个微光纤结型谐振腔6，7周围介质的折射率，由于微光纤强倏逝场特性，引起两个微光纤结型谐振腔6，7中光场有效折射率的变化，从而改变有源微光纤级联谐振结构3的输出光谱的激射波长个数、间隔和位置，实现所述微光纤激光器的输出波长调谐。

本发明提供的多种调谐技术，不仅可实现激射波长数目的调谐，也可实现波长位置的调谐：假设信号光E₂₁从端口21输入第一微光纤谐振腔6，由传输矩阵法可以得到第一微光纤谐振腔6在端口27的输出电场强度E₂₇与在端口21的输入电场强度E₂₁的比值为：

$E_{27}/E_{21}=\frac{j\sqrt{(1-k_{s1})k_{s2}(1-r_{01})(1-r_{02})}\exp \left(j{\mathrm{\β}}_1{l}_1\right)}{1-j\sqrt{k_{s1}(1-k_{s2})(1-r_{01})(1-r_{02})}\exp \left(j{\mathrm{\β}}_1{S}_1\right)}---\left(1\right)$

其中，j为虚数单位，k_s1、r₀₁分别为耦合区域9的耦合系数和损耗系数，k_s2、r₀₂分别为耦合区域10的耦合系数和损耗系数，l₁为端口23到端口25的距离，β₁为光在第一微光纤谐振腔6中的传播常数。S₁为第一微光纤谐振腔6的周长。

同理可得，第二微光纤谐振腔7在端口30的输出电场强度E₃₀与在端口28的电场强度E₂₈的比值为：

$E_{30}/E_{27}=\frac{j\sqrt{k_{s3}(1-k_{s4})(1-r_{03})(1-r_{04})}\exp \left(j{\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)}{1-j\sqrt{(1-k_{s3})k_{s4}(1-r_{03})(1-r_{04})}\exp \left(j{\mathrm{\β}}_2{S}_2\right)}---\left(2\right)$

其中，(k_s3,r₀₃)、(k_s4,r₀₄)分别为耦合区域11、12的耦合系数和损耗系数，l₂为端口29到端口30的距离，S₂、β₂分别为第二微光纤谐振腔7的周长及光在其中的传播常数。

故有源微光纤级联谐振结构3的透射率为：

$T={|E_{30}/E_{21}|}^2={\left|\begin{array}{c}\frac{j\sqrt{k_{s3}(1-k_{s4})(1-r_{03})(1-r_{04})}\exp \left(j{\mathrm{\β}}_2{l}_2\right)}{1-j\sqrt{(1-k_{s3})k_{s4}(1-r_{03})(1-r_{04})}\exp \left(j{\mathrm{\β}}_2{S}_2\right)}\·\exp \left(j{\mathrm{\β}}_1{l}_s\right)\\ \·\frac{j\sqrt{(1-k_{s1})k_{s2}(1-r_{01})(1-r_{02})}\exp \left(j{\mathrm{\β}}_1{l}_1\right)}{1-j\sqrt{k_{s1}(1-k_{s2})(1-r_{01})(1-r_{02})}\exp \left(j{\mathrm{\β}}_1{S}_1\right)}\end{array}\right|}^2$

其中，l_s为端口27到端口28的距离。若要产生游标效应，要满足关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1{S}_1=(m+1/2)\mathrm{\π},m=\mathrm{0,1,2},......\\ {\mathrm{\β}}_2{S}_2=(n+1/2)\mathrm{\π},n=\mathrm{0,1,2},......\\ n=m+N,N=\mathrm{1,2,3},......\end{array}\right.---\left(4\right)$

即：

$\frac{{\mathrm{\β}}_1{S}_1}{{\mathrm{\β}}_2{S}_2}=\frac{m+1/2}{(m+N)+1/2}---\left(5\right)$

由公式（5）可以看出，有源微光纤级联谐振结构3的透射谱的自由光谱范围受第一微光纤谐振腔6中光的传播常数与腔长之积（β₁·S₁）和第二微光纤谐振腔7中光的传播常数与腔长之积（β₂·S₂）的影响。传播常数与模式的有效折射率成正比，而模式的有效折射率受外界环境参量的影响。因此，通过控制两个微光纤谐振腔6、7的外界环境参量如温度、应变、折射率等的变化，或手动调节两个微光纤谐振腔6、7的腔长大小，即可改变光程的大小，从而调谐激光器的激射波长的数目和位置。

实施例1：

如图5所示，采用976nm的泵浦激光器1。R1、R2分别为第一、二微光纤谐振腔6、7的环形半径，调节微光纤谐振腔6、7的环形半径对应的微光纤谐振结构3的调谐透射谱，两个微光纤谐振腔的光程比例是β₁S₁/β₂S₂＝10.5/11.5，微光纤谐振腔6的环形半径从250μm变化到500μm。图中，微光纤谐振腔6的环形直径为250μm时，在1532nm到1552nm波段只有一个峰值谐振峰；而当环形直径增至500μm，在同样波段存在三个峰值谐振峰。由此可说明，调节两个微光纤谐振腔6、7的腔长大小可调谐激光器的激射波长的数目、间隔。

实施例2：

如图6所示，改变微光纤谐振腔7的外界介质折射率，外界介质折射率n₂从1.38变化到1.4，对应的1532nm到1552nm波段内微光纤谐振结构3的谐振波长数目从三变化到四，自由光谱范围从6nm减小到5.89nm，说明改变外界折射率可调谐激光器的激射波长的数目、间隔和位置。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于游标效应的可调谐微光纤激光器，其特征在于：包括半导体泵浦激光器（1）、有源微光纤级联谐振结构（3）和光谱分析仪（5），半导体泵浦激光器（1）发出的泵浦激光通过第一微纳光纤（2）耦合到有源微光纤级联谐振结构（3）中，有源微光纤级联谐振结构（3）产生的激光再通过第二微纳光纤（4）耦合进入光谱分析仪（5）。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：有源微光纤级联谐振结构（3）包括第一微光纤结型谐振腔（6）、第二微光纤结型谐振腔（7）和有源微光纤（8），第一微光纤结型谐振腔（6）包括第一结耦合区域（9），第二微光纤结型谐振腔（7）包括第二结耦合区域（12），第一微光纤结型谐振腔（6）通过第一耦合区域（10）与有源微光纤（8）相连通，第二微光纤结型谐振腔（7）通过第二耦合区域（11）与有源微光纤（8）相连通。

3.一种基于游标效应的可调谐微光纤激光器的制备方法，其特征在于：包括第一微纳光纤（2）、第二微纳光纤（4）、第一微光纤结型谐振腔（6）、第二微光纤结型谐振腔（7）、有源微光纤（8）的制备过程，有源微光纤（8）与第一微光纤结型谐振腔（6）、第二微光纤结型谐振腔（7）的连通过程，以及半导体泵浦激光器（1）、第一微纳光纤（2）、有源微光纤级联谐振结构（3）、第二微纳光纤（4）、光谱分析仪（5）的互连过程。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一微纳光纤（2）、第二微纳光纤（4）的制备过程包括：

1）通过氢氧火焰加热法把标准通信光纤的中间拉细至微米尺度直径，得到一根微纳光纤；

2）将步骤1）所得微纳光纤的细端从中间截断，一侧作为第一微纳光纤（2）保留待用，另一侧作为第二微纳光纤（4）保留待用。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第一微光纤结型谐振腔（6）的制备过程包括：

3）通过氢氧火焰加热法把无包层的高掺杂稀土离子光纤中间拉细至微米尺度直径，得到第一有源微纳光纤；

4）将第一有源微纳光纤的细端从中间截断，形成截断端一侧的第一有源微纳光纤微纳自由端（13）和远离截断端一侧的第一有源微纳光纤非微纳端（14）；

5）将第一有源微纳光纤非微纳端（14）固定在底座（15）一侧，用第一光纤探针（16）和第二光纤探针（17）把第一有源微纳光纤微纳自由端（13）绕一个或复数个结形成第一微光纤结型谐振腔（6），并保留一部分剩余的第一有源微纳光纤微纳自由端（13），打结处为第一结耦合区域（9）。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，第二微光纤结型谐振腔（7）、有源微光纤（8）的制备过程包括：

6）按照步骤3）的制备有源微纳光纤的方法制备第二有源微纳光纤、有源微光纤（8）；

7）按照步骤4）的方法处理第二有源微纳光纤，得到第二有源微纳光纤微纳自由端（18）、第二有源微纳光纤非微纳端（19）；处理有源微光纤（8），得到有源微光纤微纳自由端（31）、有源微光纤非微纳端（20）；

8）按照步骤5）同样的方法制备得到第二微光纤结型谐振腔（7），并保留一部分剩余的第二有源微纳光纤微纳自由端（18）；第二微光纤结型谐振腔（7）的打结处为第二结耦合区域（12），将第二有源微纳光纤非微纳端（19）固定在底座（15）上第一有源微纳光纤非微纳端（14）的对侧，并与第一有源微纳光纤非微纳端（14）保持平行。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，有源微光纤（8）与第一微光纤结型谐振腔（6）、第二微光纤结型谐振腔（7）的连通过程包括：

9）将有源微光纤非微纳端（20）固定在底座（15）上第一有源微纳光纤非微纳端（14）的同侧，并与第一有源微纳光纤非微纳端（14）保持平行；

10）用第一光纤探针（16）和第二光纤探针（17）将有源微光纤微纳自由端（31）在第一微光纤结型谐振腔（6）上绕一个或者复数个结，形成第一耦合区域（10），并剩下足够长度的有源微光纤微纳自由端（31），完成有源微光纤（8）与第一微光纤结型谐振腔（6）的连通过程；

11）将剩余的有源微光纤微纳自由端（31）在第二微光纤谐振腔（7）上绕一个或者复数个结，形成第二耦合区域（11），完成有源微光纤（8）与第二微光纤结型谐振腔（7）的连通过程。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，半导体泵浦激光器（1）、第一微纳光纤（2）、有源微光纤级联谐振结构（3）、第二微纳光纤（4）、光谱分析仪（5）的互连过程包括：

12）将半导体泵浦激光器（1）的输出端与步骤2）所得第一微纳光纤（2）的粗端耦合连接；

13）将第一微纳光纤（2）的细端与步骤5）所得剩余的第一有源微纳光纤微纳自由端（13）耦合连接；

14）将步骤2）所得第二微纳光纤（4）的粗端与光谱分析仪（5）的输入端耦合连接；

15）将步骤8）所得剩余的第二有源微纳光纤微纳自由端（18）与第二微纳光纤（4）的细端耦合连接，完成基于游标效应的可调谐微光纤激光器的制备过程。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：还包括调整第一微光纤结型谐振腔（6）、第二微光纤结型谐振腔（7）的外界环境参量或腔长大小，从而调谐激光器的激射波长的数目和位置的过程。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，调整外界环境参量或腔长大小的过程需满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_1{S}_1=(m+1/2)\mathrm{\π}\\ {\mathrm{\β}}_2{S}_2=(n+1/2)\mathrm{\π}\\ n=m+N\end{array}\right.$

其中，β₁为光在第一微光纤谐振腔（6）中的传播常数，S₁为第一微光纤谐振腔（6）的周长，β₂为光在第二微光纤谐振腔（7）中的传播常数，S₂为第二微光纤谐振腔（7）的周长，m、n均为非负整数，N为自然数。

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