CN103746279B - 一种双谐振腔全光纤单频激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双谐振腔全光纤单频激光器，属于激光技术与非线性光学领域。本发明主要包括泵浦源、光纤合束器、增益光纤、反射型光纤布拉格光栅、光隔离器、全反镜、环形器、滤波器和分束器。本发明利用高掺杂稀土元素的增益光纤以及超短谐振腔结构实现单频，并采用外腔的掺杂稀土元素的增益光纤对超短谐振腔产生的单频激光进行放大，实现全光纤结构，具有高稳定性、高功率、高能量、高效率的特点。相对于传统的超短腔结构，如分布式反馈（DFB）和分布式反射（DBR），该设计结构简单、紧凑、稳定性好、输出功率高。

Description

一种双谐振腔全光纤单频激光器

技术领域

本发明公开了一种双谐振腔全光纤单频激光器，属于激光技术与非线性光学领域。

背景技术

光纤激光器由于具有体积小、成本低、光束质量好、效率高等优点，在通信、医学、生物以及雷达等领域有着广泛且重要的应用，已经成为激光器家族中的重要一员。特别是单频光纤激光器因其线宽窄、低噪声、抗电磁干扰等特性，广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感、材料技术以及高精度光谱等领域。

对于单频光纤激光器的产生主要有两种方法：超短线型腔光纤激光器和带有窄带选频器件的环形腔光纤激光器。前者主要有分布式反射(DBR)和分布式反馈(DFB)两种类型。DFB结构：将高增益有源光纤的两端连接一对光纤光栅，为了实现低噪声单频输出，增益有源光纤一般只有几个cm长。DFB结构，将谐振腔直接刻写在有源光纤上，由于有源光纤的增益比较低，所以输出功率有限，但是这种结构输出稳定性更高。环形腔单频光纤激光器：在环形腔中加入一个窄带的滤波器实现单频输出，由于这种结构中采用的有源纤长度较长，这会导致激光频率稳定性变差，容易出现跳模现象。

发明内容

对于采用超短线性腔的单频激光技术，无论是分布式反射(DBR)或分布式反馈(DFB)其中的任何一种方式，由于采用超短结构，增益光纤长度很短，输出功率会很低，为了实现高功率的输出就必须在腔外增加一个放大器，这不但使结构更复杂，而且放大过程可能会引入噪声，使得激光线宽展宽，增加频率不稳定性。对于采用环形腔的单频激光技术，由于环形腔的腔长很长，这会使得激光频率稳定性变差，而且容易出现跳模现象。本发明的目的在于提供了一种双谐振腔全光纤单频激光器，其采用一种基于掺稀土光纤和光纤布拉格光栅的方案，实现高功率单频激光器的全光纤化，无需额外的放大结构，大大降低结构的复杂性，实现高稳定性、高功率、高效率、结构紧凑的单频激光输出。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种双谐振腔全光纤单频激光器，该激光器包括泵浦及相关装置、激光谐振腔、增益光纤、激光输出装置和其它辅助装置。

整个激光谐振腔的工作原理为激光谐振腔可以为线性或者环形结构；整个激光器的谐振腔分为谐振腔Ⅰ和谐振腔Ⅱ两部分，其中谐振腔Ⅰ为激光器的外腔，谐振腔Ⅱ为激光器的内腔；谐振腔Ⅰ由线性谐振腔或者环形谐振腔组成；谐振腔Ⅱ由超短线性谐振腔组成；谐振腔Ⅰ与谐振腔Ⅱ的各对反射型光纤布拉格光栅间置有增益光纤；泵浦光首先射入谐振腔Ⅰ的增益光纤中，产生的激光进入谐振腔Ⅱ中，谐振腔Ⅰ产生的激光泵浦谐振腔Ⅱ的增益光纤，谐振腔Ⅱ产生单频激光，之后进入谐振腔Ⅰ中得到放大，最终输出高功率单频激光。

泵浦及相关装置包括泵浦源、光纤合束器或波分复用器；激光谐振腔内的反射型光纤布拉格光栅包括第一反射型光纤布拉格光栅、第二反射型光纤布拉格光栅、第三反射型光纤布拉格光栅、第四反射型光纤布拉格光栅或全反镜。

增益光纤包括增益光纤包括第一增益光纤、第二增益光纤、第三增益光纤；其中，第一增益光纤置于谐振腔Ⅱ中，第二增益光纤或第二、三增益光纤置于谐振腔Ⅰ中；激光输出装置包括光隔离器、环形器或分束器；其它辅助装置为滤波器。

当为线形谐振腔结构时，第一反射型光纤布拉格光栅、第二反射型光纤布拉格光栅以及第一增益光纤构成谐振腔Ⅱ；第三反射型光纤布拉格光栅、第四反射型光纤布拉格光栅、第二增益光纤以及第三增益光纤构成谐振腔Ⅰ；或者，谐振腔内的第二反射型光纤布拉格光栅、第三反射型光纤布拉格光栅可以由全反镜代替作为谐振腔Ⅰ和谐振腔Ⅱ的公共反射镜。

当为环形谐振腔结构时，第二增益光纤、第三反射型布拉格光纤光栅、波分复用器以及环形器或者分束器组成环形腔，即谐振腔Ⅰ；第一反射型光纤布拉格光栅、第二反射型光纤布拉格光栅以及第一增益光纤构成谐振腔Ⅱ。

泵浦源产生泵浦光，通过合束器或者波分复用器耦合进入谐振腔Ⅰ中，谐振腔Ⅰ产生的激光对谐振腔Ⅱ进行泵浦，由于谐振腔Ⅱ为超短线性谐振腔，谐振腔Ⅱ产生的稳定单频激光进入谐振腔Ⅰ，经过谐振腔Ⅰ的放大，最终实现高功率单频激光输出。

所述泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长范围为：700nm-2000nm。

所述的第一增益光纤、第二增益光纤、第三增益光纤是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱(Yb)、铒(Er)、钬(Ho)、铥(Tm)、钕(Nd)、铬(Cr)、钐(Sm)、铋(Bi)中的一种或几种。

所述的第一反射型光纤布拉格光栅、第二反射型光纤布拉格光栅、第三反射型光纤布拉格光栅、第四反射型光纤布拉格光栅和全反镜的反射率为R，其中0<R<1。

所述的泵浦方式是纤芯或包层的单端、双端泵浦。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明利用超短线性谐振腔，实现了单频激光输出，并利用外腔进行放大，实现了高功率、高稳定性的单频激光输出。

2、本发明利用外腔作为放大器，实现外腔的高腔内能量，不需要外界附加放大器，全光纤结构，设计简单，成本低廉，高能量输出。

3、本发明设计简单、结构紧凑，同时可以输出稳定性高、高功率的单频激光，易于实现产业化。

附图说明：

图1为双谐振腔全光纤单频激光器基本原理图。

图2为谐振腔为线形结构时的示意图。

图3为谐振腔为环形结构时的示意图。

图4为全反镜代替反射型光纤布拉格光栅时的示意图。

图5为实施例1双谐振腔全光纤单频激光器工作示意图。

图6为实施例2双谐振腔全光纤单频激光器工作示意图。

图7为实施例3双谐振腔全光纤单频激光器工作示意图。

图中：1、光纤合束器，2、第一增益光纤，3、第二增益光纤，5、第一反射型光纤布拉格光栅，6、第二反射型光纤布拉格光栅，7、第三反射型光纤布拉格光栅，8、第四反射型光纤布拉格光栅，9、光隔离器，10、全反镜，11、环形器，12、滤波器，14、波分复用器，15、泵浦源。

具体实施方式

下面结合图示和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-4所示，一种双谐振腔全光纤单频激光器，该激光器包括泵浦及相关装置、激光谐振腔、增益光纤、激光输出装置和其它辅助装置。

整个激光谐振腔的工作原理为，激光谐振腔可以为线性或者环形结构。整个激光器的谐振腔分为谐振腔Ⅰ和谐振腔Ⅱ两部分，其中谐振腔Ⅰ为激光器的外腔，谐振腔Ⅱ为激光器的内腔；谐振腔Ⅰ由线性谐振腔或者环形谐振腔组成；谐振腔Ⅱ由超短线性谐振腔组成；谐振腔Ⅰ与谐振腔Ⅱ的各对反射型光纤布拉格光栅间置有增益光纤；泵浦光首先射入谐振腔Ⅰ的增益光纤中，产生的激光进入谐振腔Ⅱ中，谐振腔Ⅰ产生的激光泵浦谐振腔Ⅱ的增益光纤，谐振腔Ⅱ产生单频激光，之后进入谐振腔Ⅰ中得到放大，最终输出高功率单频激光。

泵浦及相关装置包括泵浦源15、光纤合束器1或波分复用器14；激光谐振腔内的反射型光纤布拉格光栅包括第一反射型光纤布拉格光栅5、第二反射型光纤布拉格光栅6、第三反射型光纤布拉格光栅7、第四反射型光纤布拉格光栅8或全反镜10。

增益光纤包括增益光纤包括第一增益光纤2、第二增益光纤、第三增益光纤；其中，第一增益光纤2置于谐振腔Ⅱ中，第二增益光纤或第二增益光纤和第三增益光纤置于谐振腔Ⅰ中；激光输出装置包括光隔离器9、环形器11或分束器；其它辅助装置为滤波器12。

当为线形谐振腔结构时，第一反射型光纤布拉格光栅5、第二反射型光纤布拉格光栅6以及第一增益光纤2构成谐振腔Ⅱ；第三反射型光纤布拉格光栅7、第四反射型光纤布拉格光栅8、第二增益光纤3以及第三增益光纤构成谐振腔Ⅰ；或者，谐振腔内的第二反射型光纤布拉格光栅6、第三反射型光纤布拉格光栅7可以由全反镜10代替作为谐振腔Ⅰ和谐振腔Ⅱ的公共反射镜。

当为环形谐振腔结构时，第二增益光纤3、第三反射型布拉格光纤光栅7、波分复用器14以及环形器11或者分束器组成环形腔，即谐振腔Ⅰ；第一反射型光纤布拉格光栅5、第二反射型光纤布拉格光栅6以及第一增益光纤2构成谐振腔Ⅱ。

泵浦源15产生泵浦光，通过合束器1或者波分复用器14耦合进入谐振腔Ⅰ中，谐振腔Ⅰ产生的激光对谐振腔Ⅱ进行泵浦，由于谐振腔Ⅱ为超短线性谐振腔，谐振腔Ⅱ产生的稳定单频激光进入谐振腔Ⅰ，经过谐振腔Ⅰ的放大，最终实现高功率单频激光输出。

所述泵浦源15是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长范围为：700nm-2000nm。

所述的第一增益光纤2、第二增益光纤3、第三增益光纤是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱(Yb)、铒(Er)、钬(Ho)、铥(Tm)、钕(Nd)、铬(Cr)、钐(Sm)、铋(Bi)中的一种或几种。

所述的第一反射型光纤布拉格光栅5、第二反射型光纤布拉格光栅6、第三反射型光纤布拉格光栅7、第四反射型光纤布拉格光栅8和全反镜10的反射率为R，其中0<R<1。

所述的泵浦方式是纤芯或包层的单端、双端泵浦。

实施例1

如图5所示，泵浦源15选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；光纤合束器1(或波分复用器14)选用(2+1)×1泵浦信号合束器，如6/125型或20/125型；第一增益光纤2、第二增益光纤3是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺镱光纤；第一反射型光纤布拉格光栅5、第二反射型光纤布拉格光栅6、第三反射型光纤布拉格光栅7、第四反射型光纤布拉格光栅8为高反型和部分反射型光栅，反射率为R，其中0<R<1；光隔离器9选偏振无关光隔离器。

泵浦光通过光纤合束器1(或波分复用器14)的泵浦端进入到第二增益光纤3，然后通过第一增益光纤2和第一反射型光纤布拉格光栅5、第二反射型光纤布拉格光栅6到达第三反射型光纤布拉格光栅7，该反射型光纤布拉格光栅为全反型光栅，即反射率R，R≥99％，该中心波长处几乎所有的光会被反射回去，再次经过第一增益光纤2、第二增益光纤3和第一反射型光纤布拉格光栅5、第二反射型光纤布拉格光栅6，到达第四反射型光纤布拉格光栅8，该反射型光纤布拉格光栅为高反型光栅，即反射率R，R≥99％，该中心波长处几乎所有的光会被反射回去；第三反射型光纤布拉格光栅7、第四反射型光纤布拉格光栅8组成谐振腔Ⅰ；谐振腔Ⅰ产生的激光通过第一反射型光纤布拉格光栅5进入到第一增益光纤2，然后到达第二反射型光纤布拉格光栅6，第一反射型光纤布拉格光栅5、第二反射型光纤布拉格光栅6组成超短谐振腔Ⅱ，在谐振腔Ⅰ所产生的激光泵浦下输出另一波长的激光，经过光隔离器9之后输出。

实施例2

如图6所示。泵浦源15选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；光纤合束器1(或波分复用器14)选用(2+1)×1泵浦信号合束器，如6/125型或20/125型；第一增益光纤2、第二增益光纤3是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺镱光纤；第一反射型光纤布拉格光栅5、第四反射型光纤布拉格光栅8是反射型光纤布拉格光栅，可选低反型和高反型光栅，反射率为R，其中0<R<1；光隔离器9为偏振无关光隔离器，全反镜10为金镜。

泵浦光通过光纤合束器1(或波分复用器14)的泵浦端进入，通过第二增益光纤3，到达第四反射型光纤布拉格光栅8，该反射型光线布拉格光栅为高反型，即反射率R，R≥99％，该中心波长处几乎所有的光会被反射回去，经过第一增益光纤2和第一反射型光纤布拉格光栅5达到全反镜10，该全反镜10为金镜，其反射率为R，R≥99％，几乎所有的光会被反射回去，第四反射型光纤布拉格光栅8和全反镜10组成谐振腔Ⅰ。谐振腔Ⅰ产生的激光通过第一反射型光纤布拉格光栅5进入到第一增益光纤2，然后到达全反镜10，第一反射型光纤布拉格光栅5和全反镜10组成超短谐振腔Ⅱ，在谐振腔Ⅰ所产生的激光泵浦下输出另一波长的激光，经光隔离器9后输出。

实施例3

如图7所示，泵浦源15选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；光纤合束器1选用(2+1)×1泵浦信号合束器，如6/125型或20/125型；第一增益光纤2、第二增益光纤3是掺稀土光纤，可选美国Nufern公司生产的高性能掺镱光纤；第一反射型光纤布拉格光栅5、第二反射型光纤布拉格光栅6可选高反型和部分反射型光栅，反射率为R，其中0<R<1；光隔离器9可选偏振无关光隔离器；12是滤波器，可选1um波段窄带滤波器；波分复用器14可选980/1060波分复用器。

泵浦光通过光纤合束器1的泵浦端进入到第二增益光纤3，经滤波器12滤波后到达波分复用器14，980端输回腔内，1060端输出腔外，通过反射型第一、二反射型光纤布拉格光栅5、6和第一增益光纤2，经光隔离器9从光纤合束器1的信号端返回形成环形腔-谐振腔Ⅰ，第一、二反射型光纤布拉格光栅5、6组成超短谐振腔Ⅱ，在环形腔所产生的激光泵浦下输出另一波长的激光，从波分复用器的1060端输出。

Claims (3)

1.一种双谐振腔全光纤单频激光器，其特征在于：该激光器包括泵浦及相关装置、激光谐振腔、增益光纤、激光输出装置和其它辅助装置；

整个激光谐振腔的工作原理为激光谐振腔为线性或者环形结构；整个激光器的谐振腔分为谐振腔Ⅰ和谐振腔Ⅱ两部分，其中谐振腔Ⅰ为激光器的外腔，谐振腔Ⅱ为激光器的内腔；谐振腔Ⅰ由线性谐振腔或者环形谐振腔组成；谐振腔Ⅱ由超短线性谐振腔组成；谐振腔Ⅰ与谐振腔Ⅱ的各对反射型光纤布拉格光栅间置有增益光纤；泵浦光首先射入谐振腔Ⅰ的增益光纤中，产生的激光进入谐振腔Ⅱ中，谐振腔Ⅰ产生的激光泵浦谐振腔Ⅱ的增益光纤，谐振腔Ⅱ产生单频激光，之后进入谐振腔Ⅰ中得到放大，最终输出高功率单频激光；

泵浦及相关装置包括泵浦源(15)、光纤合束器(1)或泵浦源(15)、波分复用器(14)；激光谐振腔内的反射型光纤布拉格光栅包括第一反射型光纤布拉格光栅(5)、第二反射型光纤布拉格光栅(6)、第三反射型光纤布拉格光栅(7)、第四反射型光纤布拉格光栅(8)；

增益光纤包括第一增益光纤(2)、第二增益光纤(3)和第三增益光纤；其中，第一增益纤(2)置于谐振腔Ⅱ中，第二增益纤(3)或第二增益纤(3)和第三增益纤置于谐振腔Ⅰ中；激光输出装置包括光隔离器(9)、环形器(11)或光隔离器(9)、分束器；其它辅助装置为滤波器(12)；

当为线形谐振腔结构时，第一反射型光纤布拉格光栅(5)、第二反射型光纤布拉格光栅(6)以及第一增益光纤(2)构成谐振腔Ⅱ；第三反射型光纤布拉格光栅(7)、第四反射型光纤布拉格光栅(8)、第二增益光纤(3)以及第三增益光纤构成谐振腔Ⅰ；或者，谐振腔内的第二反射型光纤布拉格光栅(6)、第三反射型光纤布拉格光栅(7)能够由全反镜(10)代替作为谐振腔Ⅰ和谐振腔Ⅱ的公共反射镜；

当为环形谐振腔结构时，第二增益纤(3)、第三反射型光纤布拉格光栅(7)、波分复用器(14)以及环形器(11)或者分束器组成环形腔，即谐振腔Ⅰ；第一反射型光纤布拉格光栅(5)、第二反射型光纤布拉格光栅(6)以及第一增益光纤(2)构成谐振腔Ⅱ；

泵浦源(15)产生泵浦光，通过光纤合束器(1)或者波分复用器(14)耦合进入谐振腔Ⅰ中，谐振腔Ⅰ产生的激光对谐振腔Ⅱ进行泵浦，由于谐振腔Ⅱ为超短线性谐振腔，谐振腔Ⅱ产生的稳定单频激光进入谐振腔Ⅰ，经过谐振腔Ⅰ的放大，最终实现高功率单频激光输出；所述泵浦源(15)是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长范围为：700nm-2000nm；所述第一增益光纤(2)、第二增益光纤(3)、第三增益光纤是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱、铒、钬、铥、钕、铬、钐、铋中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的一种双谐振腔全光纤单频激光器，其特征在于：所述第一反射型光纤布拉格光栅(5)、第二反射型光纤布拉格光栅(6)、第三反射型光纤布拉格光栅(7)、第四反射型光纤布拉格光栅(8)和全反镜(10)的反射率为R，其中0<R<1。

3.根据权利要求1所述的一种双谐振腔全光纤单频激光器，其特征在于：所述泵浦源(15)的泵浦方式是纤芯或包层的单端、双端泵浦。