CN103986046A - 一种窄线宽光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄线宽光纤激光器，包括：光纤振荡器和光纤放大器；所述光纤振荡器产生窄线宽种子信号，并输出给所述光纤放大器；其中：所述光纤振荡器包括：光纤振荡器泵浦装置、以及顺次连接的窄线宽高反光纤光栅、光纤振荡器增益光纤和窄线宽输出光纤光栅；所述光纤放大器包括：光纤放大器泵浦装置和光纤放大器增益光纤。本发明有效地解决了现有窄线宽光纤激光器实现难度较大的问题。本发明采用窄带光纤光栅作为振荡器的腔镜，可以有效地限定输出激光的线宽，以保证提供满足要求的输出激光。本发明采用光栅谐振腔加放大级的方式，可以较容易地实现高功率的窄线宽激光输出。本发明结构简单、稳定可靠，易于实现。

Description

一种窄线宽光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，特别是涉及一种窄线宽光纤激光器。

背景技术

光纤激光器因其具有优异的光束质量、非常高的功率和功率密度、易于冷却、高的稳定性和可靠性等多方面的优点受到人们的日益关注，并在多个领域有着广泛的应用。其中，窄线宽光纤激光器因其输出光束线宽较窄、噪声较低，故而在相干合成、光纤传感、光纤遥感、光纤通信等领域有着广泛的应用，并已成为目前光纤激光器发展的重要方向之一。

目前，窄线宽光纤激光器多通过F-P标准具、在增益光纤上刻入布拉格光栅、非相干技术、可饱和吸收体、相位调制等方式实现。但是，F-P标准具的光学表面容易与腔镜形成子腔，不利于窄线宽的激光运转。增益光纤上刻入光栅的方法对光栅的制作工艺要求较高，而且其中使用的增益光纤长度较短，很难获得高功率的窄线宽激光输出。非相干技术通过在腔内加入光学器件消除驻波场，这会增大谐振腔内的损耗从而降低激光器的效率。饱和吸收体对入射波长由自适应的特性，但是其最佳长度较难确定。相位调制的方法通过对单频种子源进行相位调制而实现谱线展宽，进而对窄线宽光束进行功率放大。这种方法可以获得高功率的激光输出，但是由于可调制的参数较多，结构更为复杂，实现起来难度较大。总之，基于现有技术的窄线宽光纤激光器实现难度较大。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种窄线宽光纤激光器，用以解决现有技术的窄线宽光纤激光器实现难度较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供一种窄线宽光纤激光器，包括：光纤振荡器和光纤放大器；所述光纤振荡器产生窄线宽种子信号，并输出给所述光纤放大器；其中：所述光纤振荡器包括：光纤振荡器泵浦装置、以及顺次连接的窄线宽高反光纤光栅、光纤振荡器增益光纤和窄线宽输出光纤光栅；所述光纤放大器包括：光纤放大器泵浦装置和光纤放大器增益光纤。

其中，所述窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的反射带宽处于0.01nm～0.5nm之间；所述窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的中心波长相同；或者所述窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅中心波长的差值的绝对值小于所述窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的反射线宽中的最小值。

其中，所述光纤振荡器和所述光纤放大器通过隔离器连接。

其中，所述光纤振荡器和所述光纤放大器通过模场适配器连接。

其中，在所述光纤振荡器的窄线宽输出光纤光栅尾端和所述光纤放大器中的光纤放大器增益光纤尾端连接泵浦泄漏器。

其中，所述光纤振荡器泵浦装置和所述光纤放大器泵浦装置都包括泵浦源和泵浦耦合装置。

其中，所述光纤振荡器泵浦装置和所述光纤放大器泵浦装置采用侧面泵浦结构。

其中，所述光纤放大器包括一个或多个放大级；其中，每个放大级都包括光纤放大器泵浦装置和光纤放大器增益光纤。

其中，所述光纤放大器的各放大级之间，通过隔离器连接；在每个放大级中，光纤放大器增益光纤尾端连接泵浦泄露器；以及最后一级放大级的输出端熔接有端帽或其他光束输出装置。

其中，所述光纤放大器中相邻两个放大级之间，通过模场适配器连接。

本发明有益效果如下：

本发明采用窄带光纤光栅作为振荡器的腔镜，可以有效地限定输出激光的线宽，以保证提供满足要求的输出激光。本发明采用光栅谐振腔加放大级的方式，可以较容易地实现高功率的窄线宽激光输出。本发明结构简单、稳定可靠，易于实现。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的窄线宽光纤激光器的结构图；

图2是根据本发明一实施例的采用一级放大的窄线宽光纤激光器的示意图；

图3是根据本发明一实施例的采用两级放大的窄线宽光纤激光器的示意图；

在图2-图3中，标号的对照为：

1：光纤振荡器，2：第一泵浦源，3：(2+1)×1侧泵耦合器，4a：窄线宽高反光纤光栅，4b：窄线宽输出光纤光栅，5：第一增益光纤，6：泵浦泄漏器，7：隔离器，8：模场适配器，9：第二泵浦源，10：(6+1)×1侧泵耦合器，11：第二增益光纤，12：端帽，13：(1+1)×1侧泵耦合器，14：第三泵浦源，15：第三增益光纤，16：第四泵浦源，17：输出端头。

具体实施方式

为了解决现有技术的窄线宽光纤激光器实现难度较大的问题，本发明提供了一种窄线宽光纤激光器，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

如图1所示，图1是根据本发明一实施例的窄线宽光纤激光器的示意图。

窄线宽激光器包括光纤振荡器和光纤放大器。

光纤振荡器包括：光纤振荡器泵浦装置、以及顺次连接的窄线宽高反光纤光栅、光纤振荡器增益光纤、窄线宽输出光纤光栅。光纤振荡器泵浦装置为增益光纤提供能量。窄线宽光纤光栅（窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅）作为光纤振荡器的腔镜，利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，从而在纤芯内形成一个窄线宽滤波器，限制输出激光的线宽。最终，光纤振荡器产生窄线宽种子信号，并输出给光纤放大器。

具体而言，光纤振荡器泵浦装置和光纤放大器泵浦装置都包括泵浦源和泵浦耦合装置。该光纤振荡器泵浦装置和光纤放大器泵浦装置可以采用前向泵浦、后向泵浦、双向泵浦等方式。图1中光纤振荡器泵浦装置和光纤放大器泵浦装置均采用前向泵浦方式。光纤振荡器增益光纤前端连接窄线宽高反光纤光栅，尾端连接窄线宽输出光纤光栅。

光纤振荡器泵浦装置采用侧面泵浦结构，以避免回光对泵浦源的损伤。其中，泵浦源可以采用半导体激光器二极管，根据采用的半导体激光器二极管的数量选择匹配的泵浦耦合器。例如，泵浦源包括1个半导体激光器二极管，则泵浦耦合器采用（1+1）×1侧泵浦耦合器；泵浦源包括2个半导体激光器二极管，则泵浦耦合器采用（2+1）×1侧泵浦耦合器；泵浦源包括6个半导体激光器二极管，则泵浦耦合器采用（6+1）×1侧泵浦耦合器。

窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的基底光纤为无源光纤。窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的反射线宽可以相同，也可以不同。窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的中心波长相同，或者，窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅中心波长的差值的绝对值小于窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的反射线宽中的最小值。若窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的反射线宽相同，则反射线宽中的最小值即是反射线宽的值。例如：窄线宽高反光纤光栅的反射线宽为a、中心波长为b；窄线宽输出光纤光栅的反射线宽为c（a≤c）、中心波长为d，那么，b=d，或者，|b-d|＜a。优选地，窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的反射线宽处于0.01nm-0.5nm之间。

光纤振荡器泵浦装置产生的激光通过窄线宽高反光纤光栅、光纤振荡器增益光纤和窄线宽输出光纤光栅，形成符合要求的窄线宽种子信号。窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的中心波长，可以通过温度控制进行调节，从而实现可变线宽的种子信号的输出。进一步地，在窄线宽输出光纤光栅之后可以连接泵浦泄漏器，例如，当光纤振荡器泵浦装置采用前向泵浦时，则在窄线宽输出光纤光栅尾端连接泵浦泄漏器。通过该泵浦泄漏器滤除光纤中残余的泵浦光。

光纤振荡器和光纤放大器通过隔离器连接。具体而言，为了防止光纤放大器的非线性效应和ASE(Amplified Spontaneous Emission，放大自发辐射)反向光对光纤振荡器造成的损坏，可以在光纤振荡器和光纤放大器之间连接隔离器。若光纤振荡器和光纤放大器所采用的增益光纤不同，在光纤振荡器和光纤放大器之间可以安装模场适配器。光纤振荡器输出的窄线宽种子信号通过隔离器和模场适配器注入光纤放大器。

光纤放大器包括光纤放大器泵浦装置和光纤放大器增益光纤。光纤放大器包括一个或多个放大级，每个放大级都包括光纤放大器泵浦装置和光纤放大器增益光纤。光纤放大器中相邻两个放大级之间通过隔离器连接，以应对放大级的非线性效应和ASE反向光。如果两个放大级之间采用的增益光纤不同，则在两个放大级之间连接模场适配器。

在光纤放大器的每个放大级中，光纤放大器泵浦装置包括泵浦源和泵浦耦合装置，用于为光纤放大器增益光纤提供能量。其中，光纤放大器泵浦装置采用侧面泵浦结构。在每个放大级的光纤放大器增益光纤尾端连接泵浦泄漏器，以滤除增益光纤中残余的泵浦光。进一步地，在最后一级放大级的输出端熔接有端帽或其他光束输出装置。

为了更清晰的说明本发明的具体实现过程，以下给出两个较佳的实施例，进一步地描述本发明的技术细节，但是，本领域技术人员应当知道，以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一：

如图2所示，图2是根据本发明一实施例的采用一级放大的窄线宽光纤激光器的示意图。

光纤振荡器1包括：第一泵浦源2、(2+1)×1侧泵耦合器3、窄线宽高反光纤光栅4a、窄线宽输出光纤光栅4b、第一增益光纤5和泵浦泄漏器6。

第一泵浦源2包括两个半导体激光器二极管。光纤振荡器1的两个窄线宽光纤光栅，即窄线宽高反光纤光栅4a和窄线宽输出光纤光栅4b，中心波长均为1064nm，反射线宽为0.1nm，这两个参数限定了光纤振荡器1输出的窄线宽种子信号的光谱宽度。光纤振荡器1的第一增益光纤5采用10/130μm掺镱双包层光纤。为了避免光纤放大器的非线性效应和ASE反向光对于光纤振荡器的损坏，在光纤振荡器1和光纤放大器之间连接有隔离器7。由于光纤放大器中的第二增益光纤为20/400μm掺镱双包层光纤，与光纤振荡器中的增益光纤不同，所以，为了实现两级的高效连接，在隔离器7之后连接有模场适配器8进行不同芯径增益光纤之间的光束耦合。因此，光纤振荡器1输出的窄线宽激光（窄线宽种子信号）经由泵浦泄漏器6进行包层光泄漏后，通过隔离器7和模场适配器8注入光纤放大器。

在本实施例中，光纤放大器只包括一个放大级（主放大级）。光纤放大器包括第二泵浦源9、(6+1)×1侧泵浦耦合器10和主放大级的第二增益光纤11。其中，第二泵浦源9包括6个半导体激光器二极管，6个半导体激光器二极管产生的激光通过(6+1)×1侧泵浦耦合器10的6个泵浦注入端注入主放大级的第二增益光纤11，以实现对窄线宽种子信号的功率放大。主放大级的第二增益光纤11采用20/400μm掺镱双包层光纤，光纤放大器的末端熔接有端帽12，作为整个窄线宽光纤激光器的输出端。

实施例二：

如图3所示，图3是根据本发明一实施例的采用两级放大的窄线宽光纤激光器的示意图。两级放大的窄线宽光纤激光器是指光纤放大器包括两个放大级，即预放大级和主放大级。

光纤振荡器1包括：第三泵浦源14、(1+1)×1侧泵浦耦合器13、窄线宽高反光纤光栅4a、窄线宽输出光纤光栅4b、第一增益光纤5和泵浦泄漏器6。第三泵浦源14包括一个半导体激光器二极管。窄线宽高反光纤光栅4a和窄线宽输出光纤光栅4b的中心波长为1064.3nm，反射线宽为0.05nm。第一增益光纤5采用10/130μm掺镱双包层光纤。光纤振荡器1输出的窄线宽激光（窄线宽种子信号）经由泵浦泄漏器6进行包层光处理后，通过隔离器7注入光纤放大器的预放大级。进一步地，由于光纤振荡器1的第一增益光纤5和预放大级采用的第三增益光纤15相同，所以，在光纤振荡器1和预放大级之间不必连接模场适配器。

光纤放大器的预放大级包括第四泵浦源16、(2+1)×1侧泵浦耦合器3、第三增益光纤15和泵浦泄漏器6。预放大级的第四泵浦源16由两个半导体激光器二极管组成。第四泵浦源16形成的激光经由(2+1)×1侧泵浦耦合器3注入预放大级的第三增益光纤15。第三增益光纤15为10/130μm的掺镱双包层光纤。

放大后的窄线宽种子信号经由泵浦泄漏器6进行泵浦光滤除。再通过隔离器7和模场适配器8注入光纤放大器的主放大级。

主放大级包括第二泵浦源9、泵浦耦合器10和第二增益光纤11。主放大级采用6个半导体激光器二极管作为第二泵浦源9、采用(6+1)×1侧泵耦合器作为泵浦耦合器10。第二泵浦源9产生的激光通过(6+1)×1侧泵耦合器10注入主放大级的第二增益光纤11，以实现对窄线宽种子信号的进一步放大。主放大级的增益光纤采用25/400μm掺镱双包层光纤，其尾端连接输出端头17，作为整个窄线宽光纤激光器的输出端。该输出端头17例如是QBH接头。

本发明采用窄带光纤光栅作为光纤振荡器的腔镜，可以有效地限定输出激光的线宽，以保证提供满足要求的输出激光。进一步地，在光纤振荡器之后设置光纤放大器，可以较容易地实现高功率的窄线宽激光输出。本发明结构简单、稳定可靠，易于实现，可广泛应用于窄线宽输出的光纤激光器中。

本发明中窄带光纤光栅的中心波长，可以通过温度控制进行调节，从而实现可变线宽的激光输出。本发明结构简单、稳定可靠，易于实现，可广泛应用于窄线宽输出的光纤激光器中。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (10)

1.一种窄线宽光纤激光器，其特征在于，包括：光纤振荡器和光纤放大器；所述光纤振荡器产生窄线宽种子信号，并输出给所述光纤放大器；其中：所述光纤振荡器包括：光纤振荡器泵浦装置、以及顺次连接的窄线宽高反光纤光栅、光纤振荡器增益光纤和窄线宽输出光纤光栅；所述光纤放大器包括：光纤放大器泵浦装置和光纤放大器增益光纤。

2.如权利要求1所述的窄线宽光纤激光器，其特征在于：

所述窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的反射带宽处于0.01nm～0.5nm之间；

所述窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的中心波长相同；或者

所述窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅中心波长的差值的绝对值小于所述窄线宽高反光纤光栅和窄线宽输出光纤光栅的反射线宽中的最小值。

3.如权利要求1所述的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤振荡器和所述光纤放大器通过隔离器连接。

4.如权利要求3所述的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤振荡器和所述光纤放大器通过模场适配器连接。

5.如权利要求1所述的窄线宽光纤激光器，其特征在于，在所述光纤振荡器的窄线宽输出光纤光栅之后和所述光纤放大器中的光纤放大器增益光纤之后连接泵浦泄漏器。

6.如权利要求5所述的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤振荡器泵浦装置和所述光纤放大器泵浦装置都包括泵浦源和泵浦耦合装置。

7.如权利要求6所述的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤振荡器泵浦装置和所述光纤放大器泵浦装置采用侧面泵浦结构。

8.如权利要求1所述的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤放大器包括一个或多个放大级；其中，每个放大级都包括光纤放大器泵浦装置和光纤放大器增益光纤。

9.如权利要求8所述的窄线宽光纤激光器，其特征在于：

所述光纤放大器的各放大级之间，通过隔离器连接；

在每个放大级中，光纤放大器增益光纤尾端连接泵浦泄露器；以及

在最后一级放大级的输出端熔接有端帽或其他光束输出装置。

10.如权利要求7或8所述的窄线宽光纤激光器，其特征在于：

所述光纤放大器中相邻两个放大级之间，通过模场适配器连接。