CN105261921A - 一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器,属于激光技术与非线性光学领域。本发明主要包括泵浦源、光纤合束器、波分复用器、增益光纤、反射型光纤布拉格光栅、光隔离器、全反镜、环形器、滤波器和分束器。本发明利用高掺杂稀土元素的增益光纤作为增益介质以及采用超短谐振腔作为F-P腔实现单频，全光纤结构，高稳定性、窄线宽、高能量以及高效率的特点。相对于传统的超短腔结构，如分布式反馈(DFB)和分布式反射(DBR)，该设计结构简单、紧凑、稳定性好、窄线宽。

Description

一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器

技术领域

本发明公开了一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器,属于激光技术与非线性光学领域。

背景技术

光纤激光器由于具有体积小、成本低、光束质量好、效率高等优点，在通信、医学、生物以及雷达等领域有着广泛且重要的应用，已经成为激光器家族中的重要一员。特别是单频光纤激光器因其线宽窄、低噪声、抗电磁干扰等特性，广泛应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感、材料技术以及高精度光谱等领域。

对于单频光纤激光器的产生主要有两种方法：超短线型腔光纤激光器和带有窄带选频器件的环形腔光纤激光器。前者主要有分布式反射(DBR)和分布式反馈(DFB)两种类型。DFB结构：将高增益有源光纤的两端连接一对光纤光栅，为了实现低噪声单频输出，增益有源光纤一般只有几个cm长。DFB结构：将谐振腔直接刻写在有源光纤上，由于有源光纤的增益比较低，所以输出功率有限，但是这种结构输出稳定性更高。环形腔单频光纤激光器：在环形腔中加入一个窄带的滤波器实现单频输出，由于这种结构中采用的有源纤长度较长，这会导致激光频率稳定性变差，容易出现跳模现象。

发明内容

对于采用超短线性腔的单频激光技术，无论是分布式反射(DBR)或分布式反馈(DFB)其中的任何一种方式，由于采用超短结构，增益光纤长度要求很短，这对于增益光纤的掺杂要求很高，限制不同波长的单频激光输出，而且输出功率很低，为了实现高功率的单频输出，就必须摆脱增益光纤短的限制，但是对于采用长增益光纤的环形腔方案，增益光纤过长很难保证稳定的单频输出，容易出现跳模现象。本发明采用一种基于掺稀土光纤和光纤布拉格光栅的短谐振腔方案，实现单频激光器的全光纤化、高稳定性、高效率、窄线宽、结构紧凑的单频激光输出。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器主要泵浦及相关装置、激光谐振腔、增益光纤、激光输出装置和其它辅助装置组成。

激光谐振腔可以为线性或者环形结构；整个激光器的谐振腔分为谐振腔Ⅰ和谐振腔Ⅱ两部分，其中谐振腔Ⅰ为激光器的外腔，谐振腔Ⅱ为激光器的内腔；谐振腔Ⅰ由线性谐振腔或者环形谐振腔组成；谐振腔Ⅱ为由两个光纤布拉格光栅组成具有滤波作用的F-P腔，两个光纤布拉格光栅中间有一段双掺杂光纤；在谐振腔Ⅰ与谐振腔Ⅱ之间可布置有增益光纤或光纤合束器或波分复合器装置；泵浦光首先射入谐振腔II的双掺杂光纤中，再进入谐振腔I,谐振腔I产生的激光进入谐振腔II中，通过谐振腔Ⅱ的滤波作用，将滤波后的光反馈回谐振腔Ⅰ中再进行振荡，最终在短谐振腔中实现稳定的窄线宽单频输出。

泵浦及相关装置包括泵浦源、光纤合束器或波分复用器；激光谐振腔包括反射型光纤布拉格光栅包括第一反射型光纤布拉格光栅、第二反射型光纤布拉格光栅、第三反射型光纤布拉格光栅或全反镜。

谐振腔内的光纤包括双掺杂光纤、增益光纤；双掺杂光纤置于谐振腔II中，增益光纤置于谐振腔I中；激光输出装置包括光隔离器、环形器或分束器；其它辅助装置为滤波器。

谐振腔为线形结构时，第一反射型光纤布拉格光栅、双掺杂光纤和第二反射型光纤布拉格光栅构成谐振腔Ⅱ；第三反射型光纤布拉格光栅、增益光纤以及第一增益光纤构成谐振腔Ⅰ；或者，谐振腔内的第三反射型光纤布拉格光栅可以由全反镜代替作为谐振腔I的反射镜。

谐振腔为环形结构时，增益光纤、第三反射型布拉格光纤光栅、波分复用器以及环形器或者分束器组成环形腔，即谐振腔Ⅰ；第一反射型光纤布拉格光栅、双掺杂光纤和第二反射型光纤布拉格光栅构成谐振腔Ⅱ。

泵浦源产生泵浦光，通过光纤合束器或者波分复用器耦合进入谐振腔II中，在进入谐振腔I中，谐振腔Ⅰ产生的激光再进入谐振腔Ⅱ，由于谐振腔Ⅱ具有滤波的作用，通过谐振腔Ⅱ滤波后的光再反馈回谐振腔Ⅰ，经过谐振腔Ⅰ的振荡，双掺杂光纤对激光进行放大、反馈、噪声抑制，最终实现短腔窄线宽单频激光输出。

所述泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长λ的范围为700nm≤λ≤2000nm。

所述增益光纤是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱(Yb)、铒(Er)、钬(Ho)、铥(Tm)、钕(Nd)、铬(Cr)、钐(Sm)、铋(Bi)中的一种或几种。双掺杂光纤是掺有两种稀土元素的光纤或光子晶体光纤。

所述的第一反射型光纤布拉格光栅、第二反射型光纤布拉格光栅、第三反射型光纤布拉格光栅和全反镜的反射率为R，其中0<R<1。

所述泵浦方式是纤芯或包层的单端泵浦。

所述光纤合束器是(2+1)x1或(6+1)合束器。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明利用超短线性谐振腔，对外腔的激光进行选模，并将光反馈回外腔作为种子光，实现了高稳定性的窄线宽单频激光输出。

2、本发明利用外腔产生激光，内腔对腔内的激光进行选择并提供滤波、反馈、放大和噪声抑制，这种设计可以摆脱增益光纤长度的限制，实现不同波长，高功率，稳定的单频激光输出。

3、本发明设计简单、结构紧凑，同时可以输出稳定性高的窄线宽单频激光，易于实现产业化。

附图说明

图1为短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器基本原理图。

图2为谐振腔为线形结构时的示意图。

图3为谐振腔为环形结构时的示意图。

图4为全反镜代替反射型光纤布拉格光栅时的示意图。

图5为实施例1短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器工作示意图。

图6为实施例2短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器工作示意图。

图7为实施例3短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器工作示意图。

图中：1、泵浦源，2、光纤合束器，3、第一反射型光纤布拉格光栅，4、双掺杂光纤，5、第二反射型光纤布拉格光栅，6、增益光纤，7、第三反射型光纤布拉格光栅，8、光隔离器，9、全反镜10、波分复用器，11、环形器，12、滤波器，13、分束器。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。

如图1-4所示，一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器，该激光器包括泵浦及相关装置、激光谐振腔、增益光纤、激光输出装置和其它辅助装置。

激光谐振腔可以为线性或者环形结构；整个激光器的谐振腔分为谐振腔Ⅰ和谐振腔Ⅱ两部分，其中谐振腔Ⅰ为激光器的外腔，谐振腔Ⅱ为激光器的内腔；谐振腔Ⅰ由线性谐振腔或者环形谐振腔组成；谐振腔Ⅱ为由两个光纤布拉格光栅组成具有滤波作用的F-P腔，两个光纤布拉格光栅中间有一段双掺杂光纤；在谐振腔Ⅰ与谐振腔Ⅱ之间可布置有增益光纤或光纤合束器或波分复合器装置；泵浦光首先射入谐振腔II的双掺杂光纤中，再进入谐振腔I中，增益光纤产生的激光进入谐振腔II中，通过谐振腔Ⅱ的滤波作用，将滤波后的光反馈回谐振腔Ⅰ中再进行振荡，双掺杂光纤对激光进行放大、反馈和噪声抑制，最终在短谐振腔中实现稳定的窄线宽单频输出。

泵浦及相关装置包括泵浦源1，光纤合束器2或波分复用器10；激光谐振腔包括反射型光纤布拉格光栅包括第一反射型光纤布拉格光栅3、第二反射型光纤布拉格光栅5、第三反射型光纤布拉格光栅7或全反镜9。

谐振腔内的光纤包括双掺杂光纤4、增益光纤6；双掺杂光纤4置于谐振腔II中，增益光纤6置于谐振腔Ⅰ中；激光输出装置包括光隔离器8、环形器11或分束器13；其它辅助装置为滤波器12。

谐振腔为线形结构时，第一反射型光纤布拉格光栅3、双掺杂光纤4和第二反射型光纤布拉格光栅5构成谐振腔Ⅱ；第三反射型光纤布拉格光栅7、增益光纤6、第一反射型光纤布拉格光栅3构成谐振腔Ⅰ；或者，谐振腔内的第三反射型光纤布拉格光栅7可以由全反镜9代替作为谐振腔I的反射镜。

谐振腔为环形结构时，增益光纤6、第三反射型布拉格光纤光栅7、波分复用器10以及环形器11或者分束器13组成环形腔，即谐振腔Ⅰ；第一反射型光纤布拉格光栅3、双掺杂光纤4和第二反射型光纤布拉格光栅5构成谐振腔Ⅱ。

泵浦源1产生泵浦光，通过光纤合束器2或者波分复用器10耦合进入谐振腔II中，再进入谐振腔I中，谐振腔Ⅰ产生的激光再进入谐振腔Ⅱ，由于谐振腔Ⅱ具有滤波作用，通过谐振腔Ⅱ滤波后的光再反馈回谐振腔Ⅰ，经过谐振腔Ⅰ的振荡，双掺杂光纤4对激光进行放大、反馈和噪声抑制，最终实现短腔窄线宽单频激光输出。

所述泵浦源1是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长λ的范围为700nm≤λ≤2000nm。

所述增益光纤6掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱(Yb)、铒(Er)、钬(Ho)、铥(Tm)、钕(Nd)、铬(Cr)、钐(Sm)、铋(Bi)中的一种或几种。双掺杂光纤4是掺有两种稀土元素的光纤或光子晶体光纤。

所述的第一反射型光纤布拉格光栅3、第二反射型光纤布拉格光栅5、第三反射型光纤布拉格光栅7和全反镜9的反射率为R，其中0<R<1。

所述泵浦方式是纤芯或包层的单端泵浦。

所述光纤合束器2是(2+1)x1或(6+1)合束器。

实施例1

如图5所示。图中泵浦源1选用中心波长为980nm的半导体激光二极管；光纤合束器2(或波分复用器14)选用(2+1)×1泵浦信号合束器，如6/125型或20/125型；增益光纤6是掺稀土光纤，可选用美国n-light公司生产的高性能掺铒光纤；双掺杂光纤4是美国Nufern公司生产的铒镱共掺光纤；第一反射型光纤布拉格光栅3、第二反射型光纤布拉格光栅5、第三反射型光纤布拉格光栅7是反射型光纤布拉格光栅，能选高反型和部分反射型光栅，反射率为R，其中0<R<1；光隔离器8为偏振无关光隔离器。

泵浦光通过光纤合束器2(或波分复用器10)的泵浦端进入到增益光纤6，然后通过第三反射型光纤布拉格光栅7，反射回来的激光经过第二反射型光纤布拉格光栅5，双掺杂光纤4和第一反射型光纤布拉格光栅3，第三反射型光纤布拉格光栅7，该反射型光纤布拉格光栅为高反型光栅，即反射率R，R≥99％，该中心波长处几乎所有的光会被反射回去，第三反射型光纤布拉格光栅7、第一反射型光纤布拉格光栅3组成谐振腔Ⅰ；谐振腔Ⅰ产生的激光通过第二反射型光纤布拉格光栅5、双掺杂光纤4和第一反射型光纤布拉格光栅3组成超短谐振腔Ⅱ，对谐振腔Ⅰ所产生的激光进行滤波，双掺杂光纤4对激光进行放大、反馈和噪声抑制，形成窄线宽单频激光，经过光隔离器8之后输出。

实施例2

如图6所示，图中泵浦源1选用中心波长为980nm的半导体激光二极管；光纤合束器2(或波分复用器10)，可以选用(2+1)×1泵浦信号合束器，如6/125型或20/125型；选用美国n-light公司生产的高性能掺铒光纤；双掺杂光纤是美国Nufern公司生产的铒镱共掺光纤；第一反射型光纤布拉格光栅3、第二反射型光纤布拉格光栅5、第三反射型光纤布拉格光栅7是反射型光纤布拉格光栅，可选高反型和部分反射型光栅，反射率为R，其中0<R<1；光隔离器8为偏振无关光隔离器；全反镜9为金镜。

泵浦光通过光纤合束器2(或波分复用器10)的泵浦端进入，通过增益光纤6，到达全反镜9，该全反镜为金镜，其反射率为R，R≥99％，几乎所有的光会被反射回去，第一反射型光纤布拉格光栅3和全反镜9组成谐振腔Ⅰ。谐振腔Ⅰ产生的激光通过第二反射型光纤布拉格光栅5、双掺杂光纤4，然后到达第一反射型光纤布拉格光栅3，第二反射型光纤布拉格光栅5、双掺杂光纤4和第一反射型光纤布拉格光栅3组成超短谐振腔Ⅱ，对谐振腔Ⅰ所产生的激光进行滤波，双掺杂光纤4对激光进行放大、反馈和噪声抑制，形成窄线宽单频激光，经过光隔离器8之后输出。

实施例3

如图7所示，泵浦源1选用中心波长为980nm的半导体激光二极管；光纤合束器2选用(2+1)×1泵浦合束器，如6/125型或20/125型；增益光纤6是掺稀土光纤，可选美国n-light公司生产的掺铒光纤；第一反射型光纤布拉格光栅3、第二反射型光纤布拉格光栅5、第三反射型光纤布拉格光栅7是反射型光纤布拉格光栅，可选高反型和部分反射型光栅，反射率为R，其中0<R<1；光隔离器9选为偏振无关光隔离器；滤波器12选为1.5um波段窄带滤波器；波分复用器10选为980/1550波分复用器。。

泵浦光通过光纤合束器2的泵浦端进入到增益光纤6，经滤波器12滤波后到达第二反射型光纤布拉格光栅5、双掺杂光纤4和第一反射型光纤布拉格光栅3，再到达波分复用器10，1550端输出腔外，980端输回腔内，经光隔离器8从光纤合束器2返回形成环形谐振腔I，第一反射型光纤布拉格光栅3、第二反射型光纤布拉格光栅5和双掺杂光纤4组成超短谐振腔II，对谐振腔I进行滤波，双掺杂光纤4对激光进行放大、反馈和噪声抑制，形成窄线宽单频激光，经波分复用器10的1550端输出。

Claims (5)

1.一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器，其特征在于：该激光器包括泵浦及相关装置、激光谐振腔、增益光纤、激光输出装置和其它辅助装置；

激光谐振腔可以为线性或者环形结构；整个激光器的谐振腔分为谐振腔Ⅰ和谐振腔Ⅱ两部分，其中谐振腔Ⅰ为激光器的外腔，谐振腔Ⅱ为激光器的内腔；谐振腔Ⅰ由线性谐振腔或者环形谐振腔组成；谐振腔Ⅱ为由两个光纤布拉格光栅组成具有滤波作用的F-P腔，两个光纤布拉格光栅中间有一段双掺杂光纤；在谐振腔Ⅰ与谐振腔Ⅱ之间可布置有增益光纤或光纤合束器或波分复合器装置；泵浦光首先射入谐振腔II的双掺杂光纤中，再进入谐振腔I中，产生的激光进入谐振腔Ⅱ中，通过谐振腔Ⅱ的滤波作用，将滤波后的光反馈回谐振腔Ⅰ中再进行振荡，双掺杂光纤对激光进行放大、反馈和噪声抑制，最终在谐振腔中实现稳定的窄线宽单频输出；

泵浦及相关装置包括泵浦源(1)，光纤合束器(2)或波分复用器(10)；激光谐振腔包括反射型光纤布拉格光栅包括第一反射型光纤布拉格光栅(3)、第二反射型光纤布拉格光栅(5)、第三反射型光纤布拉格光栅(7)或全反镜(9)；

谐振腔内的光纤包括双掺杂光纤(4)置于谐振腔II中，增益光纤(6)置于谐振腔I中；激光输出装置包括光隔离器(8)、环形器(11)或分束器(13)；其它辅助装置为滤波器(12)；

谐振腔为线形结构时，第一反射型光纤布拉格光栅(3)、双掺杂光纤(4)和第二反射型光纤布拉格光栅(5)构成谐振腔Ⅱ；第三反射型光纤布拉格光栅(7)、增益光纤(6)以及第一反射型光纤布拉格光栅(3)构成谐振腔Ⅰ；或者，第三反射型光纤布拉格光栅(7)由全反镜(9)代替构成谐振腔Ⅰ；

谐振腔为环形结构时，增益光纤(6)、第三反射型布拉格光纤光栅(7)、波分复用器(10)以及环形器(11)或者分束器(13)组成环形腔，即谐振腔Ⅰ；第一反射型光纤布拉格光栅(3)、双掺杂光纤(4)和第二反射型光纤布拉格光栅(5)构成谐振腔Ⅱ；

泵浦源(1)产生泵浦光，通过光纤合束器(2)或者波分复用器(10)耦合进入谐振腔II中，再进入谐振腔I中，谐振腔Ⅰ产生的激光再进入谐振腔Ⅱ，由于谐振腔Ⅱ具有滤波的作用，通过谐振腔Ⅱ滤波后的光再反馈回谐振腔Ⅰ，经过谐振腔Ⅰ的振荡，双掺杂光纤对激光进行放大、反馈和噪声抑制，最终实现短腔窄线宽单频激光输出。

2.一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长λ的范围为700nm≤λ≤2000nm。

3.一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器，其特征在于：所述增益光纤(6)、是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱、铒、钬、铥、钕、铬、钐、铋中的一种或几种；双掺杂光纤(4)是掺有两种稀土元素的光纤或光子晶体光纤。

4.一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器，其特征在于：所述的第一反射型光纤布拉格光栅(3)、第二反射型光纤布拉格光栅(5)、第三反射型光纤布拉格光栅(7)和全反镜(9)的反射率为R，其中0<R<1。

5.一种短谐振腔全光纤窄线宽单频激光器，其特征在于：所述泵浦方式是纤芯或包层的单端泵浦。