CN105514773A - 一种双波长光纤激光器及其工作方法 - Google Patents

一种双波长光纤激光器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双波长光纤激光器及其工作方法，所述双波长光纤激光器包括：包括激光器、波分复用器、增益光纤、光隔离器、环行器、第一滤波器、第二滤波器及可变光衰减器，所述波分复用器、增益光纤、光隔离器、环行器、第一滤波器和第二滤波器及可变光衰减器构成了环形腔；所述激光器输出的泵浦光源经过波分复用器耦合进增益光纤，由增益光纤产生的自发辐射的小信号光经过光隔离器、环行器、第一滤波器和第二滤波器及可变光衰减器后由波分复用器再次耦合进增益光纤实现自发辐射放大，此循环实现了一次激光振荡过程。

Description

一种双波长光纤激光器及其工作方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种双波长光纤激光器及其工作方法。
背景技术
双波长激光器在光通讯、光计算、非线性频率变换、军事对抗、环境监测、激光遥感和雷达等领域都有重要应用。双波长环形激光器在光纤通信、光纤无线通信(ROF)、光纤传感、微波光子学、光学测量、太赫兹辐射等领域有着广泛的应用前景，引发许多人进行了深入研究。2009年，南开大学的Wang博士在LaserPhys.杂志上报道了基于级联光纤布喇格光栅的高效双波长掺镱光纤线性腔激光器，他们获得了波长差将近10nm(对应1.25THz)、斜效率为63.9％的双波长激光源，虽然双波长功率差控制得比较好，但仍然存在0.6dB的差距。2011年香港理工大学的He博士在J.Lightw.Technol.杂志上报道了将Sagnac干涉仪和光纤光栅组合在一个系统中的技术方案，通过偏振控制调节和啁啾光纤布喇格光栅的调节，实现了从9.8GHz(1560.42nm，1560.50nm双波长)到14GHz频率范围内的微波信号的可调谐操作。但该方案过多的依赖偏振控制，功率稳定性仍是一个非常大的问题。2012年，韩国汉阳大学的R.K.Kim等人在IEEEPhoton.Lett.杂志上报道了一种可以产生光拍频率的稳定、宽调谐、单纵模的双波长掺铒光纤激光器，波长差可以从3.46nm调节到13.2nm，对应着0.43至1.66THz频率范围。为了使双波长输出功率相等，他们提出了一种非线性偏振转动效应技术。
总之，上述方法或实现方案复杂，或输出光功率不稳定，或双波长功率差较大。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明实施例期望提供一种双波长光纤激光器及其工作方法，能具有输出功率稳定、双波长功率差小、波长漂移小的特点。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种双波长光纤激光器，包括：
激光器(1)，用于产生泵浦光源；
波分复用器(2)，其a端连接至激光器(1)的输出端；
增益光纤(3)，其第一端连接至波分复用器(2)的b端，用于在泵浦激光作用下产生增益激光；
光隔离器(4)，其输入端连接至增益光纤(3)的第二端，用于确保光波的单向传播，避免激光器(1)由于光反馈而导致的损坏；
环行器(5)，为三端口环行器，其d端连接至光隔离器(4)的输出端，其f端作为双波长激光输出端口；
第一滤波器(6)，其第一端连接至环形器(5)的e端，用于反射滤波出来的第一波长光至环行器(5)并从环形器(5)的f端输出，透射其他波长的光；
第二滤波器(7)，其第一端连接至第一滤波器(6)的第二端，用于反射滤波出来的第二波长光至环行器(5)并从环形器(5)的f端输出，透射其他波长的光；
可变光衰减器(8)，其第一端连接至第二滤波器(7)的第二端，其第二端连接至波分复用器(2)的c端，与所述波分复用器(2)、增益光纤(3)、光隔离器(4)、环行器(5)、第一滤波器(6)和第二滤波器(7)构成环形腔；可变光衰减器(8)用于调节腔损耗与增益的关系。
进一步的，上述双波长光纤激光器还包括：
光隔离器(9)，位于可变光衰减器(8)和波分复用器(2)的c端之间，其输入端连接至所述可变光衰减器(8)的第二端，其输出端连接至所述波分复用器(2)的c端，用于确保光路中光波的单向传播，以便形成单向环形腔结构。
上述方案中，所述激光器(1)包括：
工作波长在可见光、近红外、红外波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。
上述方案中，所述增益光纤(3)为掺铒光纤。
上述方案中，所述第一滤波器(6)和第二滤波器(7)为窄带滤波器，其中，第一滤波器(6)滤波的中心波长与第二滤波器(7)滤波的中心波长由滤波器中心滤波频率决定，当滤波器的中心滤波频率发生变化时，输出的波长也会发生变化，因而该光纤激光器可实现双波长可调谐功能。
上述方案中，所述可变光衰减器(8)为光场幅值衰减器。
上述方案中，所述所述第一滤波器(6)和第二滤波器(7)：
为光纤布喇格光栅或者光学薄膜。
上述方案中，所述激光器(1)还包括：
冷却模块，用于实现热电冷却技术，稳定泵浦功率。
本发明实施例还提供一种双波长光纤激光器的工作方法，该方法包括：
激光器输出的泵浦光源经过波分复用器耦合进增益光纤，由增益光纤产生的自发辐射的小信号光经过光隔离器、环行器、第一滤波器和第二滤波器及可变光衰减器后由波分复用器再次耦合进增益光纤实现自发辐射放大，此循环实现了一次激光振荡过程；
所述波分复用器、增益光纤、光隔离器、环行器、第一滤波器和第二滤波器及可变光衰减器构成了环形腔；
所述环行器为三端口环行器，其第一端口连接光隔离器，第二端口连接第一滤波器和第二滤波器，第三端口作为双波长激光输出端口，滤波出来的光被反射回环行器的第三端口，其他频率的光则透过滤波器后继续反馈振荡。
本发明实施例所提供的双波长光纤激光器及其工作方法具有以下有益效果：
(1)价格更加低廉，本方案中所用的光纤有源和无源器件都非常容易从市面上获得，且价格低廉，因而可极大地降低产品成本；
(2)体积更加紧凑，本方案所用器件数量少，且器件本身的体积较小、重量较轻，使得本方案提供的双波长光纤激光器也具有体积小、重量轻的特点；
(3)光路更加简单，在本方案提供的双波长光纤激光器中，只有可变光衰减器为可动光学元件，其它部分均可采用光纤连接，固定或更换光路非常简单；
(4)输出功率更稳定、双波长功率差更小、波长漂移更小，由于采用了泵浦光源冷却技术和可变光衰减器调节增益模式技术，从而有效地保证了输出功率稳定性、同时保证了双波长功率差极小和波长漂移较小的优势。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双波长光纤激光器的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例和技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种双波长光纤激光器。图1为本发明实施例提供的双波长光纤激光器的结构示意图，如图1所示，本实施例双波长光纤激光器包括：
激光器1，用于产生泵浦光源；在一些实施例中，为了确保泵浦功率稳定，该激光器1包括冷却模块，该冷却模块用于实现热电冷却技术，稳定泵浦功率；
波分复用器2，其a端连接至激光器1的输出端；
增益光纤3，其第一端连接至波分复用器2的b端，用于在泵浦激光作用下产生增益激光；
光隔离器4，其输入端连接至增益光纤3的第二端，用于确保光波的单向传播，避免激光器1由于光反馈而导致的损坏；
环行器5，为三端口环行器，其d端连接至光隔离器4的输出端，其f端作为双波长激光输出端口；
第一滤波器6，其第一端连接至环形器5的e端，用于反射滤波出来的第一波长光至环行器5并从环形器5的f端输出，透射其他波长的光；
第二滤波器7，其第一端连接至第一滤波器6的第二端，用于反射滤波出来的第二波长光至环行器5并从环形器5的f端输出，透射其他波长的光；
可变光衰减器8，其第一端连接至第二滤波器7的第二端，其第二端连接至波分复用器2的c端，与所述波分复用器2、增益光纤3、光隔离器4、环行器5、第一滤波器6和第二滤波器7构成环形腔；可变光衰减器8用于调节腔损耗与增益的关系。
继续参考图1，为了更好的保护光路安全性，上述双波长光纤激光器还可包括：
光隔离器9，位于可变光衰减器8和波分复用器2的c端之间，其输入端连接至所述可变光衰减器8的第二端，其输出端连接至所述波分复用器2的c端，用于确保光路中光波的单向传播，以便形成单向环形腔结构。
具体的，上述双波长光纤激光器中，激光器1可以是工作波长在可见光、近红外、红外波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器；特别的，激光器1可以是工作波长在500nm-2000nm波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器；增益光纤3为掺铒光纤，其工作带宽主要表现为自发辐射带宽，同时对自发辐射的光子实现放大功能；第一滤波器6和第二滤波器7：为光纤布喇格光栅或者光学薄膜，其中，第一滤波器6滤波的中心波长与第二滤波器7滤波的中心波长由滤波器中心滤波频率决定，当滤波器的中心滤波频率发生变化时，输出的波长也会发生变化，因而该光纤激光器可实现双波长可调谐功能；可变光衰减器8为光场幅值衰减器，可以改变腔损耗与增益的关系，当腔损耗大于增益时高增益的模式将会被抑制，而低增益的模式在竞争中会处于优势，因此自发辐射的低增益模式的光获得了放大。
实施例1
参考图1，在实施例1中，激光器1选用980nm的发光二极管来充当泵浦光源，该激光器1中包含冷却模块，该激光器1在25℃时的工作波长为980nm，输出功率为20mW，连续工作模式，当环境温度升高时，对应的冷却模块的电流会增大，进而保证了输出功率的稳定性。波分复用器2为三端口器件，工作波长覆盖了整个C-band(1528nm～1610nm)，插入损耗较小，大约为0.3dB。所选用的增益光纤3为掺铒光纤，工作带宽为82nm，覆盖了整个C-band。所选用的光隔离器4为响应C-band波长的光学元件，其隔离度为64dB。所选用的环行器5的工作波长范围覆盖了整个C-band，一方面将光耦合到第一滤波器6和第二滤波器7，另外一方面将第一滤波器6和第二滤波器7反射回来的光输出环形腔。所选用的第一滤波器6和第二滤波器7为光纤布喇格光栅，它们的滤波带宽均为100pm，其中，第一滤波器6的中心波长为1549.488nm，第二滤波器7的中心波长为1560.180nm，光纤布喇格光栅反射被滤波出来的光、透射其他频率的光。所选用的可变光衰减器8为光场幅度衰减器，响应工作波段为C-band，通过不断的调节衰减程度，直至通过示波器看到稳定的输出波形，即可确认激光振荡模式得到了较好的控制。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明双波长光纤激光器有了清楚的认识。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：光纤布喇格光栅可替换为光学薄膜；而不论滤波器选用光纤布喇格光栅或者光学薄膜，其中心波长都可根据实际应用需要而变化；而变化滤波器中心波长的方式，既可以是通过更换不同型号的滤波器来实现，也可以通过可调谐光纤滤波器来实现的。
本发明实施例1的双波长光纤激光器具有以下突出的优点：
(1)价格更加低廉。该方案中所用的光纤有源和无源器件都非常容易从市面上获得，而且所用器件数量极少，这些器件的价格也便宜，因而极大地降低了产品成本。
(2)体积更加紧凑。基于可变光衰减器的高性能窄带双波长激光器利用市售有源和无源器件组装后的体积不超过40×10×35cm3，重量不超过1kg。
(3)光路更加简单。在整个装置中，只有可变光衰减器为可动光学元件，其它部分均用光纤连接，且容易更换和固定光路非常简单。
(4)输出功率更稳定、双波长功率差更小、波长漂移更小。由于采用两项技术，即泵浦光源冷却技术和可变光衰减器调节增益模式技术，从而有效地保证了输出功率稳定性、同时保证了双波长功率差极小和波长漂移较小的优势。
本发明还提供一种双波长光纤激光器的工作方法，包括：
激光器输出的泵浦光源经过波分复用器耦合进增益光纤，由增益光纤产生的自发辐射的小信号光经过光隔离器、环行器、第一滤波器和第二滤波器及可变光衰减器后由波分复用器再次耦合进增益光纤实现自发辐射放大，此循环实现了一次激光振荡过程；
所述波分复用器、增益光纤、光隔离器、环行器、第一滤波器和第二滤波器及可变光衰减器构成了环形腔；
所述环行器为三端口环行器，其第一端口连接光隔离器，第二端口连接第一滤波器和第二滤波器，第三端口作为双波长激光输出端口，滤波出来的光被反射回环行器的第三端口，其他频率的光则透过滤波器后继续反馈振荡。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双波长光纤激光器，其特征在于，包括：
激光器(1)，用于产生泵浦光源；
波分复用器(2)，其a端连接至激光器(1)的输出端；
增益光纤(3)，其第一端连接至波分复用器(2)的b端，用于在泵浦激光作用下产生增益激光；
光隔离器(4)，其输入端连接至增益光纤(3)的第二端，用于确保光波的单向传播，避免激光器(1)由于光反馈而导致的损坏；
环行器(5)，为三端口环行器，其d端连接至光隔离器(4)的输出端，其f端作为双波长激光输出端口；
第一滤波器(6)，其第一端连接至环形器(5)的e端，用于反射滤波出来的第一波长光至环行器(5)并从环形器(5)的f端输出，透射其他波长的光；
第二滤波器(7)，其第一端连接至第一滤波器(6)的第二端，用于反射滤波出来的第二波长光至环行器(5)并从环形器(5)的f端输出，透射其他波长的光；
可变光衰减器(8)，其第一端连接至第二滤波器(7)的第二端，其第二端连接至波分复用器(2)的c端，与所述波分复用器(2)、增益光纤(3)、光隔离器(4)、环行器(5)、第一滤波器(6)和第二滤波器(7)构成环形腔；可变光衰减器(8)用于调节腔损耗与增益的关系。
2.根据权利要求1所述的双波长光纤激光器，其特征在于，所述双波长光纤激光器还包括：
光隔离器(9)，位于可变光衰减器(8)和波分复用器(2)的c端之间，其输入端连接至所述可变光衰减器(8)的第二端，其输出端连接至所述波分复用器(2)的c端，用于确保光路中光波的单向传播，以便形成单向环形腔结构。
3.根据权利要求1所述的双波长光纤激光器，其特征在于，所述激光器(1)包括：
工作波长在可见光、近红外、红外波段内的半导体激光器、气体激光器、固体激光器或光纤激光器。
4.根据权利要求1所述的双波长光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(3)为掺铒光纤。
5.根据权利要求1所述的双波长光纤激光器，其特征在于，所述第一滤波器(6)和第二滤波器(7)为窄带滤波器，其中，第一滤波器(6)滤波的中心波长与第二滤波器(7)滤波的中心波长由滤波器中心滤波频率决定，当滤波器的中心滤波频率发生变化时，输出的波长也会发生变化，因而该光纤激光器可实现双波长可调谐功能。
6.根据权利要求1所述的双波长光纤激光器，其特征在于，所述可变光衰减器(8)为光场幅值衰减器。
7.根据权利要求1所述的双波长光纤激光器，其特征在于，所述所述第一滤波器(6)和第二滤波器(7)：
为光纤布喇格光栅或者光学薄膜。
8.根据权利要求1所述的双波长光纤激光器，其特征在于，所述激光器(1)还包括：
冷却模块，用于实现热电冷却技术，稳定泵浦功率。
9.一种双波长光纤激光器的工作方法，其特征在于，所述方法包括：
激光器输出的泵浦光源经过波分复用器耦合进增益光纤，由增益光纤产生的自发辐射的小信号光经过光隔离器、环行器、第一滤波器和第二滤波器及可变光衰减器后由波分复用器再次耦合进增益光纤实现自发辐射放大，此循环实现了一次激光振荡过程；
所述波分复用器、增益光纤、光隔离器、环行器、第一滤波器和第二滤波器及可变光衰减器构成了环形腔；
所述环行器为三端口环行器，其第一端口连接光隔离器，第二端口连接第一滤波器和第二滤波器，第三端口作为双波长激光输出端口，滤波出来的光被反射回环行器的第三端口，其他频率的光则透过滤波器后继续反馈振荡。
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