CN104104001A - 基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，包括：种子光源、第一光纤隔离器、第一光纤合束器、第一泵浦光、第一掺铥光纤、第二光纤隔离器、第二泵浦光、第二光纤合束器、第二掺铥光纤、第一光纤环形器、偏振控制器、单模光纤、光纤耦合器、第二光纤环形器、非一致性光纤、第三泵浦光、第三光纤合束器、第三掺铥光纤和第三光纤隔离器。本发明基于受激布里渊及环形腔产生kHz量级窄线宽激光，利用瑞利散射反馈进一步压缩线宽到Hz量级，同时实现了超窄线宽、高信噪比、高功率等应用要求。

Description

基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及2μm单频光纤激光器，尤其涉及一种基于瑞利散射反馈的2μm布里渊单频光纤激光器。本发明属于中红外激光器技术研究领域范畴，应用领域包括激光测距，激光遥感，激光成像，光电对抗，医学诊断和治疗，材料处理，光学信号处理，数据处理等领域。

背景技术

中红外激光器广泛应用于激光测距，激光遥感，激光成像，光电对抗，医学诊断和治疗，材料处理，光学信号处理，数据处理等领域。在一些领域中，需要达到高输出功率，高光束质量，超窄线宽技术，单纵模，信噪比高和频率稳定性高等要求。布里渊单频光纤激光器相对于其他种类的激光器可以在一定程度上满足上述要求，并可做成轻型，紧凑，高效器件，能够满足各个领域对技术指标的要求。

2μm布里渊单频光纤激光器已经有相关研究，利用受激布里渊散射及环形腔的的线宽压缩，输出线宽可以达到kHz量级。布里渊单频激光器具有结构简单；输出功率高且稳定，可以达到瓦特量级；信噪比高等优点。但，对于实现线宽小于kHz量级，仍然有一定挑战性。

为了获得超窄线宽、更高的信噪比、高频率稳定性，在现有的技术基础上，引入瑞利散射反馈，从而能够实现Hz量级、更高信噪比、高频率稳定性的单频激光器。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于受激瑞利散射反馈的2μm布里渊单频光纤激光器，且具有结构简单，长期稳定性好，光束质量高，整机成本较低，光学性能较好的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，特点在于其构成包括：种子光源、第一光纤隔离器、第一光纤合束器、第一泵浦光、第一掺铥光纤、第二光纤隔离器、第二泵浦光、第二光纤合束器、第二掺铥光纤、第一光纤环形器、偏振控制器、单模光纤、光纤耦合器、第二光纤环形器、非一致性光纤、第三泵浦光、第三光纤合束器、第三掺铥光纤、第三光纤隔离器，上述部件的连接关系如下：

所述的种子光源与所述的第一光纤隔离器的输入端相连，该第一光纤隔离器的输出端与所述的第一光纤合束器的信号光纤输入端相连，第一泵浦光与所述的第一光纤合束器的泵浦光纤输入端相连，该第一光纤合束器的输出端经第一掺铥光纤与所述的第二光纤隔离器的输入端相连，该第二光纤隔离器的输出端接所述的第二光纤合束器的信号光纤输入端，所述的第二泵浦光与所述的第二光纤合束器的泵浦光纤输入端相连，该第二光纤合束器的输出端经第二掺铥光纤与所述的第一光纤环形器的第一端口相连，该第一光纤环形器的第二端口经所述的偏振控制器和单模光纤接所述的光纤耦合器的第一端口，该光纤耦合器的第二端口与所述的第一光纤环形器的第三端口相连，第一光纤环形器第二端口与第三端口之间的光路构成受激布里渊激光器的环形腔，所述的光纤耦合器的第三端口与所述的第二光纤环形器的第一端口相连，该第二光纤环形器的第二端口接所述的非一致性光纤，该第二光纤环形器的第三端口与所述的第三光纤合束器的信号光纤输入端相连，所述的第三泵浦光与该第三光纤合束器的泵浦光纤输入端相连，该第三光纤合束器的输出端经第三掺铥光纤与所述的第三光纤隔离器的输入端相连，该第三光纤隔离器的输出端接所述的光纤耦合器的第四端口，所述的非一致性光纤的另一端为激光器的输出端。

所述的种子光源是带尾纤2μm DFB固体激光器，其线宽小于1MHz，输出功率为2mW,输出尾纤为Corning SM-28e。

所述的第一泵浦光、第二泵浦光和第三泵浦光的中心波长均为793±3nm,光纤芯径105/125μm，最大输出功率为12W。

所述的第一光纤隔离器的隔离度为30dB,承受功率为200mW,中心波长为2μm，带宽±10nm，插入损耗1.3dB；所述第二光纤隔离器的隔离度为50dB,承受功率为5W,中心波长为2μm，带宽±10nm，插入损耗1.3dB。

所述的第一光纤合束器、第二光纤合束器与第三光纤合束器均为(2+1)：1型，阈值功率20W，泵浦端光纤芯径105/125μm，信号端光纤芯径9/125μm,信号光损耗0.23dB，输出光纤为10/125μm。

所述的第一掺铥光纤、第二掺铥光纤与第三掺铥光纤均为双包层光纤,10/130NA＝0.15/0.46，吸收系数为3dB/m793nm，长度为4m。

所述的第一光纤环形器与第二光纤环形器的工作波长均为2μm,1→2插入损耗1.05dB,2→3插入损耗1.14dB,2→1隔离度20dB,3→2隔离度20dB，尾纤类型Corning SMF-28e。

所述的偏振控制器为thorlabs微型偏振控制器FPC020。

所述的单模光纤类型为Corning SMF-28e,长度10m。

所述的光纤耦合器的工作波长为2μm，带宽为±10nm，分光比40：60，尾纤Corning SMF-28e。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)利用两级放大器将种子光源放大到受激布里渊环形激光器阈值之上，再利用受激布里渊激光器实现了超窄线宽输出，利用瑞利散射反馈实现超窄线宽单频激光输出。

(2)实现了高功率、超窄线宽、高信噪比，频率长期稳定等应用要求。

附图说明

图1为本发明基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括种子光功率放大部分、布里渊环形腔、反馈部分组成。更具体的说，本发明由如下器件构成：

种子放大功率部分：种子光源1是DFB固体激光器，其线宽小于1MHz，尾纤熔接到第一光纤隔离器2，该第一光纤隔离器2的工作波长2μm，承受功率200mW,隔离度30dB,防止回返光对DFB固体激光器1的光学损伤。第一合束器3将种子光源1及第一泵浦光4耦合进第一掺铥光纤5，对种子光进行放大，为了减小自发辐发的影响采用两级放大，第一级为小功率放大器，第一掺铥光纤5的输出端熔接第一光纤隔离器6，该第一光纤隔离器6的承受功率为5W，隔离度为50dB。第二合束器8将第一级放大信号光和第二泵浦光7耦合进入第二掺铥光纤9。该第二掺铥光纤9的另一端连接第一光纤环形器10的第一端口。

布里渊环形腔部分：第一光纤环形器10的第二端口接偏振控制器11，偏振控制器连接Corning SMF-28e标准单模光纤12的一端，使腔长达到单频输出要求，Corning SMF-28e标准单模光纤12的另一端连接2um光纤耦合器13的第一端口，该光纤耦合器13的分光比为40：60，其第二端口连接第一光纤环形器的第三端口。

反馈部分：光纤耦合器13的第三端口为受激布里渊激光器的输出，即光纤耦合器13的第三端口(输出端)连接第二光纤环形器14的第一端口，其第二端口连接非一致光纤15，第三端口连接该第三光纤合束器17的信号光纤输入端，第三泵浦光16连接该第三光纤合束器17的泵浦光纤输入端。该第三光纤合束器17的输出端经掺铥光纤18连接第三光纤隔离器19的输入端，该第三光纤隔离器19的输出端连接光纤耦合器13的第四端口，即反馈端口。

所述的第一泵浦光、第二泵浦光和第三泵浦光的中心波长均为793±3nm,光纤芯径105/125μm，最大输出功率为12W。

所述的第一光纤隔离器的隔离度为30dB,承受功率为200mW,中心波长为2μm，带宽±10nm，插入损耗1.3dB；所述第二光纤隔离器的隔离度为50dB,承受功率为5W,中心波长为2μm，带宽±10nm，插入损耗1.3dB。

所述的第一光纤合束器、第二光纤合束器与第三光纤合束器均为(2+1)：1型，阈值功率20W，泵浦端光纤芯径105/125μm，信号端光纤芯径9/125μm,信号光损耗0.23dB，输出光纤为10/125μm。

所述的第一掺铥光纤、第二掺铥光纤与第三掺铥光纤均为双包层光纤,10/130NA＝0.15/0.46，吸收系数为3dB/m793nm，长度为4m。

所述的第一光纤环形器与第二光纤环形器的工作波长均为2μm,1→2插入损耗1.05dB,2→3插入损耗1.14dB,2→1隔离度20dB,3→2隔离度20dB，尾纤类型Corning SMF-28e。

所述的偏振控制器为thorlabs微型偏振控制器FPC020。

所述的单模光纤类型为Corning SMF-28e,长度10m。

所述的光纤耦合器的工作波长为2μm，带宽为±10nm，分光比40：60，尾纤Corning SMF-28e。

本发明的工作原理如下：

DFB固体激光器功率2mW，线宽小于1MHz经过第一级放大后为150mW,经过第二级放大后光功率可以达到5W，环形器最大承受功率为5W，因此可以通过控制泵浦功率将功率控制在5W以内，经过放大后的2μm单频光作为泵浦光通过环形器(顺时针)进入环形腔。经过理论计算，受激布里渊散射阈值在1W左右，当超过阈值后，产生与泵浦光方向相反的stokes(逆时针)光，反向的stokes光在环形腔中形成谐振，实现单频也即窄线宽输出。

布里渊激光器输出作为泵浦光经过第二环形器14的第一端口1，由第二端口输出到非一致性光纤15，产生背向瑞利散射，背向散射光与泵浦光同频率。由于瑞利散射在长波长方向增益较小，而在短波长方向增益较大，因此瑞利散射的线宽要小于泵浦光。瑞利散射第二环形器14的第二端口到第三端口后，经第三光纤合束器17、第三掺铥光纤18、第三光纤隔离器19，反馈回布里渊光纤环形腔。瑞利散射作为受激布里渊的信号光(逆时针)，继续放大，与新产生的受激布里渊信号光干涉，从而进一步压缩输出光的线宽。非一致性光纤15的另一端作为激光器的输出端。

Claims (10)

1.一种基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，特征在于其构成包括：种子光源(1)、第一光纤隔离器(2)、第一光纤合束器(3)、第一泵浦光(4)、第一掺铥光纤(5)、第二光纤隔离器(6)、第二泵浦光(7)、第二光纤合束器(8)、第二掺铥光纤(9)、第一光纤环形器(10)、偏振控制器(11)、单模光纤(12)、光纤耦合器(13)、第二光纤环形器(14)、非一致性光纤(15)、第三泵浦光(16)、第三光纤合束器(17)、第三掺铥光纤(18)、第三光纤隔离器(19)，上述部件的连接关系如下：

所述的种子光源与所述的第一光纤隔离器的输入端相连，该第一光纤隔离器的输出端与所述的第一光纤合束器的信号光纤输入端相连，第一泵浦光与所述的第一光纤合束器的泵浦光纤输入端相连，该第一光纤合束器的输出端经第一掺铥光纤与所述的第二光纤隔离器的输入端相连，该第二光纤隔离器的输出端接所述的第二光纤合束器的信号光纤输入端，所述的第二泵浦光与所述的第二光纤合束器的泵浦光纤输入端相连，该第二光纤合束器的输出端经第二掺铥光纤与所述的第一光纤环形器的第一端口相连，该第一光纤环形器的第二端口经所述的偏振控制器和单模光纤接所述的光纤耦合器的第一端口，该光纤耦合器的第二端口与所述的第一光纤环形器的第三端口相连，第一光纤环形器第二端口与第三端口之间的光路构成受激布里渊激光器的环形腔，所述的光纤耦合器的第三端口与所述的第二光纤环形器的第一端口相连，该第二光纤环形器的第二端口接所述的非一致性光纤的一端，该第二光纤环形器的第三端口与所述的第三光纤合束器的信号光纤输入端相连，所述的第三泵浦光与该第三光纤合束器的泵浦光纤输入端相连，该第三光纤合束器的输出端经第三掺铥光纤与所述的第三光纤隔离器的输入端相连，该第三光纤隔离器的输出端接所述的光纤耦合器的第四端口，所述的非一致性光纤的另一端为激光器的输出端。

2.根据权利要求1所述的基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，其特征在于所述的种子光源是带尾纤2μm DFB固体激光器，其线宽小于1MHz，输出功率为2mW,输出尾纤为Corning SM-28e。

3.根据权利要求1所述的基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，其特征在于所述的第一泵浦光、第二泵浦光和第三泵浦光的中心波长均为793±3nm,光纤芯径105/125μm，最大输出功率为12W。

4.根据权利要求1所述的基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，其特征在于所述的第一光纤隔离器的隔离度为30dB,承受功率为200mW,中心波长为2μm，带宽±10nm，插入损耗1.3dB；所述第二光纤隔离器的隔离度为50dB,承受功率为5W,中心波长为2μm，带宽±10nm，插入损耗1.3dB。

5.根据权利要求1所述的基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，其特征在于所述的第一光纤合束器、第二光纤合束器与第三光纤合束器均为(2+1)：1型，阈值功率20W，泵浦端光纤芯径105/125μm，信号端光纤芯径9/125μm,信号光损耗0.23dB，输出光纤为10/125μm。

6.根据权利要求1所述的基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，其特征在于所述的第一掺铥光纤、第二掺铥光纤与第三掺铥光纤均为双包层光纤,10/130NA＝0.15/0.46，吸收系数为3dB/m793nm，长度为4m。

7.根据权利要求1所述的基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，其特征在于所述的第一光纤环形器与第二光纤环形器的工作波长均为2μm,1→2插入损耗1.05dB,2→3插入损耗1.14dB,2→1隔离度20dB,3→2隔离度20dB，尾纤类型CorningSMF-28e。

8.根据权利要求1所述的基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，其特征在于所述的偏振控制器为thorlabs微型偏振控制器FPC020。

9.根据权利要求1所述的基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，其特征在于所述的单模光纤类型为Corning SMF-28e,长度10m。

10.根据权利要求1所述的基于瑞利散射反馈的2um布里渊单频光纤激光器，其特征在于所述的光纤耦合器的工作波长为2μm，带宽为±10nm，分光比40：60，尾纤Corning SMF-28e。