CN104466636A - 一种单频调q脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单频调Q脉冲光纤激光器，包括一个单模半导体泵浦激光器、保偏波分复用器、保偏光隔离器、保偏窄带光纤光栅、伸缩材料、第一温控热沉、第二温控热沉、高增益光纤和宽带光纤光栅。该光纤激光器以单模半导体激光器产生的输出激光作为泵浦光源，保偏窄带光纤光栅与宽带光纤光栅一起实现激光单一纵模的选择；通过温控热沉和伸缩材料改变窄带光纤光栅的中心波长并且稳定住激光腔的温度，可以控制腔内激光的损耗，实现单频调Q脉冲激光输出。

Description

一种单频调Q脉冲光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器，特别是涉及一种单频调Q脉冲光纤激光器。

背景技术

光纤激光器效率高、阈值低、线宽窄、可调谐、便于集成,。因此受到普遍关注。在波分复用(WDM)系统、激光测距、光传感等众多领域中更是作为最基本的光源而被广泛的使用。近几年来，各种新型光纤器件、新型结构光纤的出现。调Q 光纤激光器的研究也得到了快速的发展，推动了激光雷达、激光微加工等应用技术的发展。传统的主动或者被动调Q激光器( 声光、电光、机械转镜以及可饱和吸收体等) 都已形成可靠、成熟的技术。

对于脉冲工作形式的光纤激光器来说，可以在不太高的输出能量下获得极高的输出功率，同时保持良好的光束质量。根据其产生机理，脉冲光纤激光器可以分为:调Q光纤激光器、锁模光纤激光器和主控振荡器的功率放大器(MOPA)光纤激光器三种。锁模激光器是在激光产生的时候引入一个增益的调制信号，使得激光腔各个纵模之间产生叠加干涉效应，从而输出脉冲激光。用锁模方法产生的激光脉冲的脉冲宽度比较短(可小于100fs),但对光纤激光器的谐振腔要求较高,比如谐振腔的稳定性和谐振腔的外界条件要控制得非常好,但是锁模的脉冲的输出能量较低。MOPA光纤激光器是把一个输出良好的连续光的光纤激光器当做种子光源，然后通过对种子光进行调制产生脉冲，再把脉冲信号耦合进放大器中进行放大，从而获得能量较高，质量较好脉冲激光输出。MOPA激光器可以将脉冲质量高但能量低的种子激光多级放大,从而获得高质量的激光脉冲输出，但是MOPA光纤激光器的结构相对来说比较复杂。调Q激光器则是在光纤激光器的谐振腔内插入调制元件，通过输入调制信号调节激光腔内的损耗，实现脉冲输出。调Q的办法结构非常简单，很容易就可以获得光束质量高的脉冲激光输出。短直腔结构的单频调Q脉冲光纤激光器一直被认为是最有发展前景的类型。窄线宽单频脉冲激光在非线性频率变换、激光雷达和遥感等超高精尖端领域有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供提出一种单频调Q脉冲光纤激光器，具有新型的谐振腔结构，保偏窄带光纤光栅、高增益光纤和宽带光纤光栅构成激光器谐振腔。本发明利用温控热沉调节并稳定住保偏窄带光纤光栅的温度，通过加载一个周期性信号到伸缩材料上，周期性改变伸缩材料和保偏窄带光纤光栅的长度，从而改变激光谐振腔的腔内损耗，输出千赫兹量级的脉冲信号。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种单频调Q脉冲光纤激光器，其包括一个单模半导体泵浦激光器、保偏波分复用器、保偏光隔离器、保偏窄带光纤光栅、伸缩材料、第一温控热沉、第二温控热沉、高增益光纤和宽带光纤光栅；各部件之间的结构关系是：高增益光纤作为激光增益介质，保偏窄带光纤光栅和宽带光纤光栅组成激光腔前后腔镜，实现激光在腔内的振荡以及对输出波长的选择；保偏窄带光纤光栅紧固定在伸缩材料上，通过加载信号能改变伸缩材料和保偏窄带光纤光栅的长度，从而改变保偏窄带光纤光栅的中心波长；保偏窄带光纤光栅、高增益光纤、非保偏宽带光纤光栅组成了单频调Q脉冲光纤激光器的谐振腔；激光谐振腔放置在精密温控热沉上跟伸缩材料一起对激光谐振腔的腔内损耗进行调制，其中保偏窄带光纤光栅放置在第一温控热沉，高增益光纤和宽带光纤光栅放置在第二温控热沉上，第一温控热沉和第二温控热沉能稳定住激光谐振腔的温度，使其工作在一个比较稳定的外界条件下，输出光脉冲信号，谐振腔输出的保偏脉冲激光信号经由保偏波分复用器的信号端进入保偏光隔离器，从保偏光隔离器的输出端输出。

进一步优化的，所述高增益光纤为稀土掺杂单模玻璃光纤，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、氟化物玻璃，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。

进一步优化的，所述的保偏窄带光纤光栅、高增益光纤和宽带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。

进一步优化的，所述高增益光纤的单位长度增益大于0.2 dB/cm，光纤长度为0.5～50cm。

进一步优化的，所述伸缩材料是通过加载信号可以改变其体积的一种材料，包括但不限于电致伸缩材料、磁致伸缩材料。

进一步优化的，所述伸缩材料伸缩距离大于1μm ，第一温控热沉对窄带保偏光纤光栅中心波长的调节范围大于0.1nm。

进一步优化的，所述单频调Q脉冲光纤激光器是短直腔结构，其前腔镜是保偏窄带光纤光栅，后腔镜采用宽带光纤光栅；所述宽带光纤光栅是对泵浦光高透，透射率大于90％，而对激励信号波长高反，反射率大于95％，其3dB反射谱宽为0.1nm～10nm。

本发明利用玻璃纤芯材料的高掺杂和高增益特性，设计制作玻璃单模光纤作为激光介质材料，采用短直腔结构，利用保偏窄带光纤光栅和宽带光纤光栅的选频作用，在半导体泵浦激光源的持续抽运下，高增益光纤受激发射激光。根据光纤布拉格光栅的中心波长受到温度、应力影响和伸缩材料的体积受到外加信号影响的特性，利用窄带保偏光纤光栅处温控热沉和伸缩材料对激光腔进行调制。首先在温控热沉对保偏窄带光纤光栅的温度调节下，改变其中心波长。当伸缩材料上面没有加载信号的时候，保偏窄带光纤光栅的中心波长跟宽带光栅的反射谱失配，从宽带光纤光栅反射的激光在保偏窄带光纤光栅处不能反射，激光不能在谐振腔里面起振，没有光输出。当伸缩材料上加载了适当的信号的时候，保偏窄带光纤光栅的中心波长跟宽带光纤光栅的反射谱匹配。从宽带光纤光栅反射的激光可以在保偏窄带光纤光栅处反射，激光能在谐振腔里形成振荡，输出激光。因此，当加载一个周期性信号在伸缩材料上面的时候，就可以得到调Q巨脉冲。本发明激光器输出脉冲平均输出功率达十几毫瓦量级、脉冲重复频率可以达到千赫兹量级，脉宽达到纳秒量级。

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单模光纤作为激光的增益介质，由保偏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，利用光纤布拉格光栅的中心波长受到温度和应力影响的特性，先通过第一温控热沉调节保偏窄带光纤光栅的温度，使得保偏窄带光纤光栅中心波长和宽带光纤光栅反射谱失配，激光没办法起振。再根据伸缩材料的体积受到加载信号影响的特性，通过加载信号到伸缩材料上，改变伸缩材料和紧紧固定在伸缩材料上面的保偏窄带光纤光栅的长度，从而改变保偏窄带光纤光栅的中心波长，使得保偏窄带光纤光栅中心波长跟宽带光纤光栅反射谱匹配，发出激光。当给伸缩材料加载一个周期信号的时候，就可以实现谐振腔的高损耗和低损耗的快速切换，输出光脉冲。

附图说明

图1 为本发明一种单频调Q脉冲光纤激光器的原理示意图。

图2 为实施方式中通过加载电压在电致伸缩材料上对保偏窄带光纤光栅中心波长的影响效果图。

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，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。

如图1所示，包括一个单模半导体泵浦激光器1、保偏波分复用器3、保偏光隔离器2、保偏窄带光纤光栅5、伸缩材料4、第一温控热沉8、第二温控热沉9、高增益光纤6和宽带光纤光栅7，各部件之间的结构关系是：高增益光纤作为激光增益介质，保偏窄带光纤光栅和宽带光纤光栅组成激光腔前后腔镜，实现激光在腔内的振荡以及对输出波长的选择。保偏窄带光纤光栅的两端固定在压电陶瓷上，通过加载适当的电压可以改变窄带光纤光栅的长度，改变保偏窄带光纤光栅反射谱的中心波长（如图2）。保偏窄带光纤光栅、高增益光纤、宽带光纤光栅组成了单频调Q脉冲光纤激光器的谐振腔，利用光纤布拉格光栅的中心波长受到温度、应力影响和压电陶瓷的体积受到施加电压影响的特性，激光谐振腔放置在精密的第一温控热沉上跟压电陶瓷（即伸缩材料）一起对激光谐振腔的腔内损耗进行调制，输出光脉冲信号，谐振腔输出的脉冲激光信号经由保偏波分复用器的信号端进入保偏光隔离器，从保偏光隔离器的输出端输出。

实施例1

本例的保偏窄带光纤光栅5耦合输出光栅的慢轴（快轴）中心反射波长为激光输出波长1083.12 nm， 3dB反射谱宽小于0.15 nm，中心波长反射率为10～95%，本例中心波长反射率为60％。宽带光纤光栅7中心反射波长为激光输出波长1083.12 nm， 3dB反射谱宽小于0.5 nm，本例中心波长反射率大于99.95％。保偏窄带光纤光栅5与宽带光纤光栅7组成一个具有纵模选择及滤波作用的功能模块。根据压电陶瓷收到加载电压影响的特性，通过在压电陶瓷4上施加合适的电压，可以调节保偏窄带光纤光栅5的长度，改变保偏窄带光纤光栅5的中心波长，进而对激光谐振腔的损耗进行调制，最后可以实现百赫兹量级线宽和千赫兹量级重复频率的单频脉冲激光输出。只要选择保偏窄带光纤光栅5中的耦合输出光栅的慢轴（或快轴）中心反射波长是设计激光波长值，则可实现所需波长的单频脉冲激光。其中，保偏窄带光纤光栅5和高增益光纤6采用熔接或端面对接方式连接；高增益光纤6与宽带光纤光栅7之间采用光纤端面研磨抛光与腔镜紧密对接方式连接；保偏窄带光纤光栅5紧密固定在压电陶瓷4表面上。

泵浦方式采用后向泵浦，由单模半导体泵浦激光器1产生泵浦光经由保偏波分复用器3的泵浦端输入，经由保偏窄带光纤光栅5耦合到高增益光纤6的纤芯中，进行纤芯泵浦。泵浦光不断抽运纤芯中的稀土例子，使其达到粒子数反转，受激发射产生信号光，利用光纤布拉格光栅的中心波长受到温度和应力影响的特性，第一温控热沉8对保偏窄带光纤光栅进行温度调节，使得保偏窄带光纤光栅5的中心波长跟宽带光栅7的反射谱失配，当压电陶瓷4上面没有加载电压信号的时候，保偏窄带光纤光栅5的中心波长没有改变，跟宽带光纤光栅7的反射谱失配，从宽带光纤光栅7反射的激光在保偏窄带光纤光栅5处不能反射，激光不能在谐振腔里面起振，没有光输出。当压电陶瓷即伸缩材料4上加载了适当的电压的时候，保偏窄带光纤光栅5的中心波长跟宽带光纤光栅7的反射谱匹配。从宽带光纤光栅7反射的激光可以在保偏窄带光纤光栅5处反射，激光能在谐振腔里形成振荡，输出激光。因此，当加载一个周期性电压信号在压电陶瓷即伸缩材料4上面的时候，可以得到调Q脉冲。

最后，脉冲激光经由保偏窄带光纤光栅5中的耦合输出光栅输出，再次经由保偏波分复用器3的信号端分波输入到保偏隔离器2的输入端，并由保偏隔离器2隔离反射或残留的泵浦光后输出稳定的、单一纵模的激光。控制第一温控热沉8和第二温控热沉9的温度，有利于进一步实现激光器的稳定工作，最终实现输出波长为1083.12 nm的超窄线宽调Q脉冲激光输出。

Claims (7)

1.一种单频调Q脉冲光纤激光器，其特征在于包括一个单模半导体泵浦激光器(1)、保偏波分复用器(3)、保偏光隔离器(2)、保偏窄带光纤光栅(5)、伸缩材料(4)、第一温控热沉(8)、第二温控热沉（9）、高增益光纤(6)和宽带光纤光栅(7)；各部件之间的结构关系是：高增益光纤(6)作为激光增益介质，保偏窄带光纤光栅(5)和宽带光纤光栅(7)组成激光腔前后腔镜，实现激光在腔内的振荡以及对输出波长的选择；保偏窄带光纤光栅（5）紧固定在伸缩材料（4）上，通过加载信号能改变伸缩材料（4）和保偏窄带光纤光栅（5）的长度，从而改变保偏窄带光纤光栅（5）的中心波长；保偏窄带光纤光栅（5）、高增益光纤（6）、非保偏宽带光纤光栅（7）组成了单频调Q脉冲光纤激光器的谐振腔；激光谐振腔放置在精密温控热沉上跟伸缩材料（4）一起对激光谐振腔的腔内损耗进行调制，其中保偏窄带光纤光栅（5）放置在第一温控热沉(8)，高增益光纤(6)和宽带光纤光栅(7)放置在第二温控热沉（9）上，第一温控热沉(8)和第二温控热沉（9）能稳定住激光谐振腔的温度；由单模半导体泵浦激光器（1）产生泵浦光经由保偏波分复用器（3）的泵浦端输入，再经由保偏窄带光纤光栅（5）耦合到高增益光纤（6）的纤芯中，进行纤芯泵浦；谐振腔输出的保偏脉冲激光信号经由保偏波分复用器（3）的信号端进入保偏光隔离器（2），从保偏光隔离器（2）的输出端输出。

2.根据权利要求1所述的一种单频调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（6）为稀土掺杂单模玻璃光纤，高增益光纤（6）的纤芯成分包含有磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、氟化物玻璃中的一种以上，所述高增益光纤（6）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。

3.根据权利要求1所述的一种单频调Q脉冲光纤激光器，其特征在于所述的保偏窄带光纤光栅（5）、高增益光纤（6）和宽带光纤光栅（7）之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过熔接耦合的。

4.根据权利要求1所述的一种单频调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（6）的单位长度增益大于0.2 dB/cm，光纤长度为0.5～50cm。

5.根据权利要求1所述的一种单频调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述伸缩材料是通过加载信号能改变其体积的一种材料，包括电致伸缩材料或磁致伸缩材料。

6.根据权利要求1所述的一种单频调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：所述伸缩材料在外加信号作用下伸缩距离大于1                                                ，第一温控热沉（8）对保偏窄带光纤光栅中心波长的调节范围大于0.1nm。

7.根据权利要求1所述的一种单频调Q脉冲光纤激光器，其特征在于：该单频调Q脉冲光纤激光器是短直腔结构，其前腔镜是保偏窄带光纤光栅（5），后腔镜为宽带光纤光栅（7）；所述宽带光纤光栅（7）是对泵浦光高透，透射率大于90％，而对激励信号波长高反，反射率大于95％，其3dB反射谱宽为0.1nm～10nm。