CN104466635A

CN104466635A - 一种高频率稳定性单频光纤激光器

Info

Publication number: CN104466635A
Application number: CN201410714222.XA
Authority: CN
Inventors: 徐善辉; 冯洲明; 杨中民; 赵齐来
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-11-30
Filing date: 2014-11-30
Publication date: 2015-03-25

Abstract

本发明提供了一种高频率稳定性单频光纤激光器。所述激光器包括高增益光纤、窄带布拉格光纤光栅、宽带布拉格光纤光栅、单模半导体泵浦光源、波分复用器、光纤隔离器、光耦合器、鉴频系统、电子伺服系统、PZT压电陶瓷以及自动控制温度的热沉。本发明采用激光短直腔结构，利用输出光信号作用到鉴频系统，产生的误差信号传递给电子伺服系统，驱动PZT压电陶瓷进行伸缩变化，组成闭环反馈控制，从而获得高频率稳定性单频光纤激光器。该发明可用于相干光通信、多普勒测风雷达、冷原子物理实验、引力波探测和量子光学等领域。

Description

一种高频率稳定性单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及单频光纤激光器，特别是涉及输出功率高达几十mW量级、频率稳定性为几十MHz的高频率稳定性单频光纤激光器。

背景技术

单频窄线宽光纤激光器，又称为单纵模光纤激光器，其特征为激光工作在单纵模运转状态，输出光谱线宽非常窄的，最高可达10^-9nm。窄线宽从而保证了激光具有良好的相干性，相干长度可达几百公里。窄线宽单纵模光纤激光器在高速光通信、远距离光传感、相干通信及高精度光谱分析等领域有着重要的应用。

在激光通信中，为了提高接收灵敏度，一般采用相干的外差接收方法，其激光频率稳定与否直接影响接受的质量。但对于普通自由运转的激光器，因它受到工作环境条件等影响，激光输出频率往往是不稳定的，是一个随时间变化的无规则起伏量。要使激光频率稳定，则需要稳频技术来解决。

稳频技术可分为两大类：主动稳频和被动稳频。被动稳频如稳定电源、恒温控制能提升激光器的频率稳定度；但实验表明，为获得10^-8量级以上的频率稳定度，需采用主动稳频。在主动稳频方法中，光学谐振腔稳频（如 PDH 稳频），因其对波长的普适性、短期频率稳定度好等优点，成为最受青睐的稳频方法之一。然而，光纤激光器中常用的稳频操作是通过PZT压电陶瓷作用在光纤激光器的整个谐振腔或者是作用于增益光纤。这两种方法前者缺乏对稳频操作的优化处理，对谐振腔整体进行操作也难以说明具体是对谐振腔中的哪部分起到了作用；后者的稳频精度不够理想，PZT压电陶瓷微小的步进，都会导致谐振腔长发生明显的变化，调制难度较大。

由于布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度同其实际长度和反射率有关。在布拉格光纤光栅的实际长度相同的条件下，布拉格光纤光栅反射率越高，作用在谐振腔中的有效长度越短。而常用的宽带布拉格光纤光栅的反射率一般在90%以上。经计算反射率为90%的宽带布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度L_eff等于其实际长度的0.261倍。PZT压电陶瓷作用在宽带布拉格光纤光栅时，则其有效步进长度同样只有其实际步进长度的0.261倍，提高了有效腔长变化精度。有效腔长的精细变化也会反映在输出激光的频率上。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高频率稳定性单频光纤激光器。即在短直腔结构中，结合稀土高掺杂玻璃光纤的高增益特性，布拉格光纤光栅的选频作用，从而保证了单频光纤激光器的可行性。光纤激光器的谐振腔长由三部分组成，分别是高增益光纤的长度、宽带布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度、窄带布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种高频率稳定性单频光纤激光器，其包括单模半导体激光泵浦源，波分复用器，窄带布拉格光纤光栅，高增益光纤，宽带布拉格光纤光栅，光隔离器，光耦合器，鉴频系统，电子伺服系统，PZT压电陶瓷以及自动控制温度的热沉。各部分的结构关系是：波分复用器的公共端与窄带布拉格光纤光栅的一端连接，窄带布拉格光纤光栅的另一端经高增益光纤和宽带布拉格光纤光栅连接，高增益光纤作为激光增益介质，窄带布拉格光纤光栅和宽带布拉格光纤光栅组成激光腔前后腔镜，谐振腔输出的激光信号经由波分复用器的信号端进入光隔离器，从光隔离器的输出端进入光耦合器，光耦合器的一个输出端接入鉴频系统，鉴频系统给出的信号进入电子伺服系统驱动PZT压电陶瓷工作，光耦合器的另一个输出端作为激光输出端，高增益光纤、窄带布拉格光纤光栅和宽带布拉格光纤光栅固定封装在自动温度控制的热沉中，PZT压电陶瓷固定在宽带布拉格光纤光栅侧面。

进一步优化实施地，单模半导体激光泵浦源的泵浦方式采用如下三种方式之一：

方式一：单模半导体激光泵浦源与波分复用器的泵浦输入端连接，宽带布拉格光纤光栅的尾端被研磨抛光成斜面以防止端面反射，单模半导体激光泵浦源经由波分复用器耦合进窄带布拉格光纤光栅进行后向泵浦；

方式二：单模半导体激光泵浦源直接进入宽带布拉格光纤光栅进行前向泵浦。此时波分复用器的泵浦输入端连接被研磨抛光成斜面以防止端面反射；

方式三：同时采用方式一的后向泵浦和方式二的前向泵浦，单模半导体激光泵浦源同时和波分复用器的泵浦输入端和宽带布拉格光纤光栅连接。

进一步的，所述高增益光纤为稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，其纤芯成分包括但不限于磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、氟化物玻璃等，所述高增益光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体,所述发光离子掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³，且在其纤芯中是均匀掺杂。

进一步的，所述高增益光纤的单位长度增益大于1 dB/cm，光纤长度为0.1～50cm。

进一步的，所述的窄带布拉格光纤光栅、高增益光纤和宽带布拉格光纤光栅之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合的。

进一步的，所述的PZT压电陶瓷直接用光纤胶固定在宽带布拉格光纤光栅侧面或者顶部或者底部进行频率调节。

进一步的，所述的窄带布拉格光纤光栅的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱小于0.1nm，中心波长反射率为2-99%；宽带布拉格光纤光栅的3dB反射谱大于0.1nm，且对激光输出信号波长反射率大于90%，对泵浦波长透射率大于90%。

进一步的，所述的自动温度控制的热沉由制冷器与温敏电阻组合成的温度控制系统实现。

进一步的，所述的电子伺服系统利用鉴频系统的误差信号，驱动PZT压电陶瓷进行工作。

由于布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度同其实际长度和反射率有关，在布拉格光纤光栅的实际长度相同的条件下，布拉格光纤光栅反射率越高，作用在谐振腔中的有效长度越短。宽带布拉格光纤光栅的反射率高达90%，则其作用在谐振腔中的有效长度L_eff等于其实际长度L的几分之一。

由于PZT压电陶瓷是直接用光纤胶固定在宽带布拉格光纤光栅侧面或底部或着顶部的，利用PZT压电陶瓷随着加载电压的变化而伸缩的效应，从而改变了宽带布拉格光纤光栅的实际长度,进而改变谐振腔的有效长度。固定在宽带布拉格光纤光栅上的PZT压电陶瓷随着加载电压的变化而伸缩的长度等同作用在宽带布拉格光纤光栅上。由于宽带布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效腔长L_eff是其实际长度L的几分之一，则PZT压电陶瓷的有效步进长度同样只有其实际步进长度的几分之一，从而提高了有效腔长的控制精度。由于激光器的谐振频率与谐振腔长成对应关系，谐振腔长的改变则对应谐振频率的改变。

利用输出激光信号作用到鉴频系统，鉴频系统通过内部计算得出误差信号，并将误差信号传递给电子伺服系统，电子伺服系统驱动PZT压电陶瓷进行伸缩变化，组成闭环反馈控制，使激光频率稳定在标准频率。

与现有技术相比，本发明的优点和技术效果包括：

可以将厘米量级的高增益稀土掺杂玻璃光纤作为激光的增益介质，由窄带光纤光栅和宽带光纤光栅组成谐振腔结构的前后腔镜，在单模半导体激光泵浦源的连续激励下，纤芯中的高掺杂稀土粒子发生反转，产生受激发射的信号光。光纤激光器的谐振腔长由三部分组成，分别是高增益光纤的长度、宽带布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度、窄带布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度。

由于PZT压电陶瓷是直接用光纤胶固定在宽带布拉格光纤光栅侧面的，利用PZT压电陶瓷随着加载电压的变化而伸缩的效应，从而改变了宽带布拉格光纤光栅的实际长度,进而改变谐振腔的有效长度。固定在宽带布拉格光纤光栅上的PZT压电陶瓷随着加载电压的变化而伸缩的长度等同作用在宽带布拉格光纤光栅上。由于宽带布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效腔长L_eff是其实际长度L的几分之一，则PZT压电陶瓷的有效步进长度同样只有其实际步进长度的几分之一，从而提高了有效腔长的控制精度。由于激光器的谐振频率与谐振腔长成对应关系，谐振腔长的改变则改变了谐振频率。

利用输出激光信号作用到鉴频系统，鉴频系统通过内部计算得出误差信号，并将误差信号传递给电子伺服系统，电子伺服系统驱动PZT压电陶瓷进行伸缩变化，组成闭环反馈控制，使激光频率稳定在标准频率，提供了一种高频率稳定性单频光纤激光器。

附图说明

图1为本发明实施例高频率稳定性单频光纤激光器原理示意图，其中泵浦方式为泵浦光经由波分复用器耦合进窄带布拉格光纤光栅的后向泵浦。

图2为本发明实施例高频率稳定性单频光纤激光器原理示意图，其中泵浦方式为泵浦光经直接耦合进宽带布拉格光纤光栅的前向泵浦。

图3为本发明实施例高频率稳定性单频光纤激光器原理示意图，其中泵浦方式为前述两种方式的双向泵浦。

具体实施方式

下面结合附图和具体例子对本发明的具体实施方式作进一步描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围；以下若有未特别详细说明的过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

实施例 1

如图1所示，一种高频率稳定性单频光纤激光器，包括单模半导体激光泵浦源1，波分复用器2，窄带布拉格光纤光栅3，高增益光纤4，宽带布拉格光纤光栅5，光隔离器6，光耦合器7，鉴频系统8，电子伺服系统9，PZT压电陶瓷10以及自动控制温度的热沉11。各部件的结构关系是：单模半导体激光泵浦源1与波分复用器2的泵浦输入端连接，波分复用器2的公共端与窄带布拉格光纤光栅3的一端连接，窄带布拉格光纤光栅3的另一端经高增益光纤4和宽带布拉格光纤光栅5连接，高增益光纤4作为激光增益介质，窄带布拉格光纤光栅3和宽带布拉格光纤光栅5组成激光腔前后腔镜，谐振腔输出的激光信号经由波分复用器2的信号端进入光隔离器6，从光隔离器6的输出端进入光耦合器7，光耦合器7的一个输出端接入鉴频系统8，鉴频系统给出的信号进入电子伺服系统9驱动PZT压电陶瓷10工作，光耦合器7的另一个输出端作为激光输出端，高增益光纤4、窄带布拉格光纤光栅3和宽带布拉格光纤光栅5固定封装在自动温度控制的热沉11中，PZT压电陶瓷10固定在宽带布拉格光纤光栅5侧面。

本发明的单模半导体激光泵浦源的泵浦方式采用如下三种方式之一：

方式一：如图1，单模半导体激光泵浦源与波分复用器的泵浦输入端连接，宽带布拉格光纤光栅的尾端被研磨抛光成斜面以防止端面反射，单模半导体激光泵浦源经由波分复用器耦合进窄带布拉格光纤光栅进行后向泵浦；

方式二：如图2，单模半导体激光泵浦源直接进入宽带布拉格光纤光栅进行前向泵浦。此时波分复用器的泵浦输入端连接被研磨抛光成斜面以防止端面反射；

方式三：如图3，同时采用方式一的后向泵浦和方式二的前向泵浦，单模半导体激光泵浦源同时和波分复用器的泵浦输入端和宽带布拉格光纤光栅连接。

高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤作为激光的增益介质，由窄带光纤光栅和宽带光纤光栅组成谐振腔结构的前后腔镜，在单模半导体激光泵浦源的连续激励下，纤芯中的高掺杂稀土粒子发生反转，产生受激发射的信号光。高增益光纤4与窄带布拉格光纤光栅3以及宽带布拉格光纤光栅5的连接采用熔接或端面研磨抛光对接方式。PZT压电陶瓷10直接用光纤胶固定在宽带布拉格光纤光栅5侧面进行频率调制，实现高频率稳定性单频激光输出。

由于高增益光纤4的高掺杂及高增益特性，在单频激光输出功率达与100mW时，所需的高增益光纤的长度仅为2cm。因而使用窄带布拉格光纤光栅3和宽带布拉格光纤光栅5组成短直谐振腔，可使得激光有效腔长小于3cm，从而保证了在窄带布拉格光纤光栅3的反射谱线宽小于0.05nm的情况下，激光腔内只存在一个纵模模式。

由于布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度同其实际长度和反射率有关。在布拉格光纤光栅的实际长度相同的条件下，布拉格光纤光栅反射率越高，作用在谐振腔中的有效长度越短。本例中宽带布拉格光纤光栅中心反射波长为1549.920 nm，其波长可在1525～1650nm范围内选择，3dB反射谱宽小于0.15 nm，中心波长反射率大于90%，本例中心波长反射率为99.95％。本例窄带布拉格光纤光栅中心反射波长为激光输出波长1549.920 nm，其波长可在1525～1650nm范围内选择，3dB反射谱宽小于0.1nm，本例3dB反射谱宽为0.05nm，中心波长反射率为2-99%，本例中心波长反射率为50％。

本例中窄带布拉格光纤光栅3的实际长度为10mm，作用在谐振腔中的有效长度为4.01mm，高增益光纤4的长度为20mm，宽带布拉格光纤光栅5的实际长度为10mm，宽带布拉格光纤光栅5的反射率为99.95%，经计算宽带布拉格光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度L_eff等于其实际长度L的0.111倍。本例中使用的PZT压电陶瓷在25V的加载电压作用下，产生的伸缩量为0.55um，即宽带布拉格光纤光栅实际长度L变化0.55um，则作用在谐振腔的有效长度L_eff变化0.061um，对应激光波长从1549.920nm变为1549.924nm，改变了4pm，谐振频率改变了近500MHz。

本例中鉴频系统为F-P腔（法布利波罗干涉仪），输出激光信号作用到鉴频系统，鉴频系统通过内部计算得出误差信号，并将误差信号传递给电子伺服系统，电子伺服系统驱动PZT压电陶瓷进行伸缩变化，组成闭环反馈控制，使激光频率稳定在标准频率，控制热沉11的温度，有利于进一步实现激光器的稳频工作，从而实现了本发明的一种高频率稳定性单频光纤激光器。

Claims

1.一种高频率稳定性单频光纤激光器，其特征在于包括单模半导体激光泵浦源（1），波分复用器（2），窄带布拉格光纤光栅（3），高增益光纤（4），宽带布拉格光纤光栅（5），光隔离器（6），光耦合器（7），鉴频系统（8），电子伺服系统（9），PZT压电陶瓷（10），以及自动控制温度的热沉（11）；各部件的结构关系是：波分复用器（2）的公共端与窄带布拉格光纤光栅（3）的一端连接，窄带布拉格光纤光栅（3）的另一端经高增益光纤（4）和宽带布拉格光纤光栅（5）连接，高增益光纤（4）作为激光增益介质，窄带布拉格光纤光栅（3）和宽带布拉格光纤光栅（5）组成激光腔前后腔镜，谐振腔输出的激光信号经由波分复用器（2）的信号端进入光隔离器（6），从光隔离器（6）的输出端进入光耦合器（7），光耦合器（7）的一个输出端接入鉴频系统（8），鉴频系统给出的信号进入电子伺服系统（9）驱动PZT压电陶瓷（10）工作，光耦合器（7）的另一个输出端作为激光输出端，高增益光纤（4）、窄带布拉格光纤光栅（3）和宽带布拉格光纤光栅（5）固定封装在自动温度控制的热沉（11）中，PZT压电陶瓷（10）固定在宽带布拉格光纤光栅（5）侧面或顶部或者底部。

2.根据权利要求1所述的高频率稳定性单频光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（4）为稀土掺杂玻璃光纤，其纤芯成分包括磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、氟化物玻璃中的一种以上，所述高增益光纤（4）的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体。

3.根据权利要求1所述的高频率稳定性单频光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（4）的单位长度增益大于1dB/cm，光纤长度为0.1～50cm。

4.根据权利要求1所述的高频率稳定性单频光纤激光器，其特征在于所述的窄带布拉格光纤光栅（3）、高增益光纤（4）和宽带布拉格光纤光栅（5）之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合的。

5.根据权利要求1所述的高频率稳定性单频光纤激光器，其特征在于所述的窄带布拉格光纤光栅（3）的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱小于0.1nm，中心波长反射率为2%-99%；宽带布拉格光纤光栅（5）的3dB反射谱大于0.1nm，且对激光输出信号波长反射率大于90%，对泵浦波长透射率大于90%。

6.根据权利要求1所述的高频率稳定性单频光纤激光器，其特征在于所述的自动温度控制的热沉（11）采用制冷器与温敏电阻组合成的温度控制系统。

7.根据权利要求1所述的高频率稳定性单频光纤激光器，其特征在于：电子伺服系统（9）利用鉴频系统的误差信号，驱动PZT压电陶瓷（10）进行工作。

8.根据权利要求1~7任一项所述的高频率稳定性单频光纤激光器，其特征在于单模半导体激光泵浦源的泵浦方式采用如下三种方式之一：

方式一，单模半导体激光泵浦源与波分复用器的泵浦输入端连接，宽带布拉格光纤光栅的尾端被研磨抛光成斜面以防止端面反射，单模半导体激光泵浦源经由波分复用器耦合进窄带布拉格光纤光栅进行后向泵浦；

方式二，单模半导体激光泵浦源直接进入宽带布拉格光纤光栅进行前向泵浦，此时波分复用器的泵浦输入端被研磨抛光成斜面以防止端面反射；

方式三，同时采用方式一的后向泵浦和方式二的前向泵浦，单模半导体激光泵浦源同时和波分复用器的泵浦输入端和宽带布拉格光纤光栅连接。