CN103825167B - 一种连续可调谐单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续可调谐单频光纤激光器，包括多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅、窄带光纤光栅、波分复用器、泵浦源、光隔离器和激光频率可调谐装置，所述激光频率可调谐装置由固定在单频激光谐振腔中不同位置的第一热电制冷器TEC和第二热电制冷器TEC共同组成。本发明利用基于多组分玻璃光纤的短线性谐振腔和全光纤光路结构，使得激光器能够稳定、可靠的单频运转；再利用两片精密热电制冷器TEC（双温控调谐技术）分区域、大范围调节改变腔内的温度分布，温度效应将分别导致谐振腔腔长和窄带光纤光栅反射谱的不断变化，可以实时、宽范围、连续式调谐激光器的频率，结构简单、成本低廉、重复性高。

Description

一种连续可调谐单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，尤其涉及一种用热电制冷器TEC温度控制作为频率可调谐装置的单频、连续式可调谐光纤激光器。

背景技术

可调谐单频光纤激光器是一种非常重要的激光光源，它在光纤传感、激光测距、激光测速雷达、高精度光谱等领域有着广泛的应用需求。单频光纤激光器是指激光谐振腔内以振动单一纵模（单频）的形式输出，其特征为激光光谱线宽非常窄，最高可达到10^-8nm，比一般常用的窄线宽DFB半导体激光器高出了几个数量级，此外还具有低噪声、优异相干等特点，因此引起了人们的极大关注。

当前可调谐单频激光器的研究工作集中在：使用稀土离子高掺杂石英光纤或者掺杂固态晶体作为激光的增益介质，采用短直腔、环形腔或复合腔等结构，在其光路中插入可靠性低的体光学元器件（偏振控制器、热光晶体、电光晶体或F-P标准具等）用作消除空间烧孔、维持单频运转或激光频率调节，但都存在打破全光纤化结构、掺杂稀土离子浓度无法进一步提高、谐振腔腔体较长、存在随机跳模、容易出现多纵模、输出功率较低等一些问题。即便如此，一般最高也只能输出数十mW的单频激光，而且最大难点是线宽较难做到10kHz以下、噪声较大、频率调谐范围不连续、长期稳定性较差。

用多组分玻璃光纤作为激光的增益介质，可以有效地实现线宽小于10kHz、输出功率大于100mW的单频光纤激光，与此相关的研究报道有：（1）C.Spiegelberg等人2004年在J.Lightwave Technol.上发表了用长度2cm的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤，实现了输出功率大于200mW、线宽小于2kHz、波长为1.5μm的单频光纤激光输出。（2）S.Xu等人2011年在Opt.Lett.上发表了用长度0.8cm的掺镱磷酸盐玻璃光纤，实现了输出功率大于400mW、线宽小于7kHz、波长为1.06μm的单频光纤激光输出。

与单频激光器相关的专利有：（1）山西大学在2005年申请了单频可调谐激光器的专利[公开号：CN1770574A]，采用掺钕固体晶体增益介质和电光晶体构成激光谐振腔，实现了激光频率可调谐，但是其所要求的单频激光器并未具有全光纤化、线宽较宽。（2）美国IPG公司在2011年申请了高功率单频光纤激光器的专利[公开号：US7903696B2]，采用2个超短单频谐振腔输出低功率的单频激光信号，分别经过两级光纤放大器进行激光功率放大，但是其所要求的光纤激光器并未具有频率可调谐特征。

发明内容

本发明目的是提供一种宽调谐范围、高调谐速度、双温控、连续形式可调谐单频光纤激光器。采取超短F-P型激光谐振腔结构，其分别利用多组分玻璃光纤的高增益特性、窄线宽光纤光栅的选频特性、激光频率调谐装置的调谐特性，在泵浦源提供泵浦（抽运）能量的前提下，用两片热电制冷器TEC分段进行温度控制、宽范围地分别调节单频谐振腔腔长和窄带光纤光栅的反射谱分布，不仅保障具有大范围的单纵模（单频）区间，而且在整个调谐波段具有优异的单频输出特性（一般常见的单一频率调谐技术在调谐过程中会出现跳模、多纵模，即频率调谐区间的不连续，并非真正意义上的连续式可调谐操作），从而实现高可靠性的连续调谐单频光纤激光输出。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种连续可调谐单频光纤激光器，其包括多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅、窄带光纤光栅、波分复用器、泵浦源、光隔离器和激光频率可调谐装置，所述宽带光纤光栅、多组分玻璃光纤和窄带光纤光栅一起组成单频激光谐振腔，所述激光频率可调谐装置由固定在单频激光谐振腔中不同位置的第一热电制冷器TEC和第二热电制冷器TEC共同组成；宽带光纤光栅的一端与多组分玻璃光纤的一端连接，多组分玻璃光纤的另一端与窄带光纤光栅的一端连接，窄带光纤光栅的另一端与波分复用器的公共端连接，泵浦源的尾纤与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端作为单频激光的输出端口。

进一步地，激光工作介质即多组分玻璃光纤的纤芯基质组分为磷酸盐玻璃，其组成为72P₂O₅-10Al₂O₃-10BaO-5La₂O₃-3Nd₂O₃。磷酸盐玻璃光纤作为单频激光的增益介质，其具体使用长度可以根据激光输出功率大小、线宽大小、窄带光纤光栅的反射谱等要求进行选择，一般使用长度为0.5～25cm。

进一步地，所述多组分玻璃光纤的纤芯均匀掺杂高浓度的镧系稀土发光离子、过渡金属离子、碱土金属离子、或其他金属离子中一种或多种的组合，发光离子掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³。

进一步地，所述多组分玻璃光纤的纤芯形状为圆形，纤芯直径为4～20μm，包层形状为圆形，包层外径一般为80～400μm。

进一步地，宽带光纤光栅采用双色镜代替，所述宽带光纤光栅或双色镜是对泵浦光波长高透，透射率大于80%，对激光信号光波长高反，反射率大于90%；双色镜为在腔镜的镜片表面或者在多组分玻璃光纤的一端光纤端面镀上薄膜。

进一步地，所述窄带光纤光栅对激光信号光波长部分反射，中心波长处的反射率为30～90%。

进一步地，所述泵浦源是半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器，泵浦波长范围500～2500nm，泵浦功率大于50mW；所述泵浦源的泵浦方式是前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。

进一步地，所述激光频率可调谐装置中的热电制冷器TEC采用加热电阻丝或其它精密温度调节装置代替。

进一步地，第一热电制冷器TEC固定在宽带光纤光栅和多组分玻璃光纤构成的共同侧面，第二热电制冷器TEC2固定在窄带光纤光栅的侧面的位置，第一热电制冷器TEC和第二热电制冷器TEC组合互补，温度控制精度为±0.01℃。

进一步地，所述多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅、窄带光纤光栅之间的连接方式是研磨抛光其光纤端面进行机械对接，或者通过光纤熔接机熔融连接。

进一步地，宽带光纤光栅的另一端端面被研磨抛光成斜面或者熔接一小段无芯光纤。

上述泵浦源是半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器，其泵浦波长范围500～2500nm（与多组分玻璃光纤的吸收光谱重合），其泵浦功率大于50mW。其泵浦方式是泵浦源的尾纤连接宽带光纤光栅或者双色镜（可选）进行前向泵浦；或者泵浦源发出的泵浦光经由波分复用器耦合进入窄带光纤光栅进行后向泵浦；或者由上述两种方式同时进行的双向泵浦。

上述激光频率可调谐装置中，两片热电制冷器TEC可以组合互补，基于温度效应，可以分别通过精密温度调节来改变谐振腔腔长和窄带光纤光栅的反射谱分布，继而实时、宽调谐范围、高调谐速度、连续调谐激光频率。

本发明的技术效果：将厘米量级的多组分玻璃光纤作为激光工作介质，单频激光谐振腔由多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅或者双色镜（可选）、窄带光纤光栅一起组成，其中窄带光纤光栅和宽带光纤光栅或双色镜（可选）构成短F-P腔结构的前后腔镜。在泵浦源的连续抽运下，多组分玻璃光纤纤芯中的稀土发光离子呈粒子数反转，产生受激辐射信号光，在谐振腔腔镜的反馈作用下，信号光多次来回振荡并得到多次放大，最终产生单频激光输出。由于谐振腔腔长只有厘米量级，腔内的纵模间隔可达GHz，当窄带光纤光栅的3dB反射谱窄至0.08nm，即可实现激光腔内只存在单一纵模运转。

将两片热电制冷器TEC分别固定置于激光谐振腔中的宽带光纤光栅和多组分玻璃光纤构成的共同侧面、窄带光纤光栅的侧面进行双温控，通过精密温度调节，由于温度变化引起光纤光栅的反射波长以及谐振腔腔长的变化，可以导致激光频率的变化（偏移），即可以实现输出激光频率的可调谐。尤其是双温控的频率调谐技术具有不同精度，进行分段组合互补，不仅保障具有大范围的单纵模（单频）区间，而且在整个调谐波段具有优异的单频输出特性。可以得到宽调谐范围、高调谐速度、线宽kHz量级、稳定的可调谐单频光纤激光输出。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点和显著效果：

（1）激光谐振腔使用全光纤化的光路结构设计，替代常用的块体光学晶体或微腔固态结构，使得单频光纤激光器系统更稳定，可靠性高、体积小。

（2）用两片独立的热电制冷器TEC构成双温控的频率调谐装置形式，可以获得更宽泛的温度调节范围、整个波段频率可调谐效果，而且在整个调谐波段具有优异的单频输出性能，实现真正意义上的连续式调谐操作。解决一般单一温控或者单一PZT压电陶瓷的频率调谐方式，在调谐过程中会出现跳模、多纵模，导致频率调谐区间的不连续等问题。

（3）用精密温控方式作为频率调谐技术，设计简单、成本低廉、工作稳定，有较高的实用性。可以避免一般机械式方式调谐过程中出现的调谐速度跟不上，响应较慢的问题；有效改善单频激光器系统调谐的可靠性与重复性。

（4）使用基于高增益多组分玻璃光纤的超短F-P线性谐振腔结构，比一般短直腔或环形腔等结构输出的单频激光的线宽更窄（小于10kHz）、输出功率高（大于100mW）、长期稳定性好。

附图说明

图1为典型单一温控频率调谐方式下的调谐波长范围、温度区间与模式关系的示意图。

图2为双温控频率调谐方式下的调谐波长范围、温度区间与模式关系的示意图。

图3为本发明实施例中连续可调谐单频光纤激光器原理示意图，其中激光后腔镜使用宽带光纤光栅，泵浦方式为后向泵浦。

图中：1—多组分玻璃光纤，2—宽带光纤光栅，4—窄带光纤光栅，5—第一热电制冷器TEC，6—第二热电制冷器TEC，7—波分复用器，8—泵浦源，9—光隔离器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1所示，为典型单一温控频率调谐方式下的调谐波长范围、温度区间与模式关系的示意图。可以发现采取单一温控形式进行激光频率调谐，存在多纵模或者跳模现象。例如：对于某一温度调谐点T₀开始，当线性增加或降低不同的温度值，就会出现一些组别的温度区间对应于交替间隔的模式区间。单纵模区间：[λ₁,λ₂]、[λ₃,λ₄]、[λ₅,λ₆]……，多纵模区间：[λ₂,λ₃]、[λ₄,λ₅]、[λ₆,λ₇]……。这是单一温控频率调谐方式无法克服的问题，即对于调谐波长范围来讲，存在非连续的单纵模区间，即频率调谐区间的不连续，对于某些激光频率位置，无法实现单频输出，频率调谐范围受限将会导致窄线宽单频光纤激光器的应用受到一些制约。

如图2所示，为双温控频率调谐方式下的调谐波长范围、温度区间与模式关系的示意图。首先，调节置于宽带光纤光栅和多组分玻璃光纤构成共同侧面的第一热电制冷器TEC5，此时其对应一温度调谐点T₁开始，当线性增加或降低温度到某一温度值，就会出现一单纵模区间：[λ₁′,λ₂′]；然后，再调节置于窄带光纤光栅侧面的第二热电制冷器TEC6，此时其对应一温度调谐点T₂开始，就会出现一个组别的温度区间对应于一组交替间隔的另一模式区间，单纵模区间：[λ₁″,λ₂″]，通过调节温控，能够满足λ₁″＜λ₁′，λ₂″＞λ₂′。这样不断对两片热电制冷器TEC进行精密温度调节，实时地线性增加或降低温度值，可以得到一系列单纵模区间：[λ₁′,λ₂′]、[λ₁″,λ₂″]、[λ₂′,λ₃′]、[λ₂″,λ₃″]……[λ_n-1′,λ_n′]、[λ_n-1″,λ_n″]，最后，每个相邻区间会有一些重叠区域，形成一个完整的、连续的单纵模区间[λ₁″,λ_n″]。可以发现在整个调谐波长范围之内，借助于分段双温控的频率调谐方式，可以实现完全意义上的整个波段连续可调谐的单纵模区间。

如图3所示，为本发明实施例中连续可调谐单频光纤激光器原理示意图，将掺镱磷酸盐玻璃光纤1作为激光的增益介质，由窄带光纤光栅4和宽带光纤光栅2组成短F-P腔结构的前后腔镜。波分复用器7的信号端与光隔离器9的输入端连接，光隔离器9的输出端作为单频激光的输出端口。宽带光纤光栅2对泵浦光波长的透射率和对激光信号光波长的反射率分别为99%、99%，且宽带光纤光栅2的另一端端面被研磨抛光成斜角以抑制光反射。其中窄带光纤光栅4的中心反射波长位于激光工作介质的增益谱内，其反射率为65%，且位于宽带光纤光栅4的反射谱之内。通过准确控制光纤光栅的中心波长、反射率、3dB反射谱、栅区长度等关键参数，将整个单频激光谐振腔腔长控制在2cm以下，使窄带光纤光栅4的反射谱宽小于0.08nm（纵模间隔与光纤光栅带宽接近）的情况下，便可以得到激光腔内只存在一个单纵模（单频）振荡与运转，且无跳模、模式竞争等现象出现。其中掺镱磷酸盐玻璃光纤1的纤芯主要成分为磷酸盐玻璃（组分：72P₂O₅-10Al₂O₃-10BaO-5La₂O₃-3Nd₂O₃），且纤芯中均匀掺杂高浓度的镱离子（掺杂浓度：5.0×10²⁰ions/cm³），其纤芯直径和包层直径分别为6μm、125μm。其使用长度可根据激光输出功率大小、线宽大小以及窄带光纤光栅的反射谱等进行相应选择，本例中使用长度为1.2cm。

本发明的核心是使用基于掺镱磷酸盐玻璃光纤1的短F-P线性谐振腔结构，再结合双温控的频率调谐技术对厘米量级的短激光腔长进行可调谐操作。其中泵浦方式采用后向泵浦，即泵浦源8注入泵浦光，经由波分复用器7耦合进入窄带光纤光栅4，然后输入到激光谐振腔中的掺镱磷酸盐玻璃光纤1的纤芯中，使镱离子发生粒子数反转，产生受激辐射的激光信号，信号光在前后腔镜的反馈作用下，多次来回振荡并得到有效放大，随着泵浦功率的不断增强，单频激光线宽就会不断变窄，最后可以实现单频光纤激光输出。将两片热电制冷器TEC分别固定在宽带光纤光栅和多组分玻璃光纤构成的共同侧面、窄带光纤光栅的侧面。通过精密温度调节分别集中改变谐振腔腔长和窄带光纤光栅的反射谱分布，继而实时、连续式的调谐激光频率，且具有良好的单频性能。

因此，采用双温控调谐技术代替一般单一温控或者单一PZT压电陶瓷的频率调谐方式，可以解决在某些频率调谐区间容易出现跳模、多纵模和调谐范围有限的问题，从而实现真正意义上的宽调谐范围、高调谐速度、高可靠性的连续可调谐形式的单频光纤激光输出，且结构简单、成本低廉、重复性高。

Claims (10)

1.一种连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于包括多组分玻璃光纤（1）、宽带光纤光栅（2）、窄带光纤光栅（4）、波分复用器（7）、泵浦源（8）、光隔离器（9）和激光频率可调谐装置，所述宽带光纤光栅、多组分玻璃光纤和窄带光纤光栅一起组成单频激光谐振腔，所述激光频率可调谐装置由固定在单频激光谐振腔中不同位置的第一热电制冷器TEC （5）和第二热电制冷器TEC（6）共同组成；第一热电制冷器TEC固定在宽带光纤光栅（2）和多组分玻璃光纤（1）构成的共同侧面，第二热电制冷器TEC2固定在窄带光纤光栅（4）的侧面的位置；宽带光纤光栅的一端与多组分玻璃光纤的一端连接，多组分玻璃光纤的另一端与窄带光纤光栅的一端连接，窄带光纤光栅的另一端与波分复用器的公共端连接，泵浦源的尾纤与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端作为单频激光的输出端口。

2.如权利要求1所述的连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于激光工作介质即多组分玻璃光纤（1）的纤芯基质组分为磷酸盐玻璃，其组成为72P₂O₅-10Al₂O₃-10BaO-5La₂O₃-3Nd₂O₃。

3.如权利要求1所述的连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述多组分玻璃光纤（1）的纤芯均匀掺杂高浓度的镧系稀土发光离子、过渡金属离子、碱土金属离子、或其他金属离子中一种或多种的组合，发光离子掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³。

4.如权利要求1所述的连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述多组分玻璃光纤（1）的纤芯形状为圆形，纤芯直径为4~20μm，包层形状为圆形，包层外径为80~400μm。

5.如权利要求1所述的连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于宽带光纤光栅（2）采用双色镜代替，所述宽带光纤光栅（2）或双色镜是对泵浦光波长高透，透射率大于80%，对激光信号光波长高反，反射率大于90%；双色镜为在腔镜的镜片表面或者在多组分玻璃光纤（1）的一端光纤端面镀上薄膜。

6.如权利要求1所述的连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述窄带光纤光栅（4）对激光信号光波长部分反射，中心波长处的反射率为30~90%。

7.如权利要求1所述的连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述泵浦源（8）是半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器，泵浦波长范围500～2500nm，泵浦功率大于50mW；所述泵浦源（8）的泵浦方式是前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。

8.如权利要求1所述的连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述激光频率可调谐装置中的热电制冷器TEC采用加热电阻丝或其它精密温度调节装置代替。

9.如权利要求1所述的连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于第一热电制冷器TEC （5）和第二热电制冷器TEC （6）组合互补，温度控制精度为±0.01℃。

10.如权利要求1所述的连续可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述多组分玻璃光纤（1）、宽带光纤光栅（2）、窄带光纤光栅（4）之间的连接方式是研磨抛光其光纤端面进行机械对接，或者通过光纤熔接机熔融连接。