CN105514774A - 纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器 - Google Patents

纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，目的是解决信号光波长在2μm波段光纤激光器激光阈值高的问题。本发明由抽运源、增益介质、谐振腔构成，抽运源接谐振腔，增益介质位于谐振腔中，谐振腔为线形腔结构或环形腔结构。若谐振腔为线形腔结构，抽运源由790nm波段多模抽运源、1.5μm波段单模抽运源和抽运-信号合束器组成，谐振腔由两个反射型光纤布拉格光栅组成；若谐振腔为环形腔结构，抽运源比线性腔结构时多一个波分复用器，谐振腔由光纤耦合器、光纤环行器和一个反射型光纤布拉格光栅组成；增益介质为掺铥双包层光纤或铥钬共掺双包层光纤。本发明可降低2μm波段光纤激光器的激光阈值，有效抑制ASE的产生。

Description

纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器
技术领域
本发明公开了一种纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，属于激光技术领域。
背景技术
以掺铥光纤作为增益介质的2μm波段光纤激光器在激光雷达、远程探测、生物医学以及作为Ho：YAG(掺钬钇铝石榴石)固体激光器和光学参量振荡器的抽运源实现中红外波段激光输出等方面有重要应用价值，应用前景广泛。而且，所用器件目前均有商品化的光纤器件，系统易于全光纤化，结构简单、稳定性高。
铥离子(Tm3+)有多个吸收峰，因此掺铥光纤激光器在抽运波长方面有多个可选方案，通常的抽运波长分别位于790nm波段，1.06μm波段和1.5μm波段，且尤以790nm波段抽运和1.5μm波段抽运最为常见。现有的2μm波段光纤激光器的抽运方式为单一的抽运方式，即包层抽运(通常对应790nm波段多模抽运)或纤芯抽运(通常对应1.5μm波段单模抽运)。包层抽运方案通常借助于大功率的790nm多模激光二极管，可获得高的输出功率，同时借助高掺杂光纤中铥离子的交叉弛豫效应获得高的光-光转换效率(参见JACKSONSD,SABELLAA,LANCASTERDG.ApplicationandDevelopmentofHigh-PowerandHighlyEfficientSilica-BasedFiberLasersOperatingat2μm[J].SelectedTopicsinQuantumElectronics,IEEEJournal,2007,13(3):567-72.(Jackson等，2μm高功率高效率石英基光纤激光器的应用与发展，量子电子学主题选，IEEE期刊，2007年，第13卷，第3号))，但包层抽运决定了掺杂光纤对抽运光的吸收效率较低(通常在3～4dB/m)。尤其是当目标波长较短(在1.9μm以下)时，除目标波长偏离铥离子增益谱中心导致增益系数较小之外，掺杂光纤对目标波长的再吸收损耗严重(参见AGGERSD,POVLSENJH.Emissionandabsorptioncrosssectionofthuliumdopedsilicafibers[J].OptExpress,2006,14(1):50-7.(AggerSD,PovlsenJH，掺铥石英光纤的发射截面和吸收截面，光学快讯，2006年，第14卷，第1号))，上述因素共同导致了包层抽运激光器的激光阈值高：2008年Bennets等报道了最大输出功率为110W的790nm包层抽运的1908nm掺铥光纤激光器，其激光阈值约为10W(参见BENNETTSS,HEMMINGA,DAVIDSONA,etal.110W790nmpumped1908nmthuliumfibrelaser；proceedingsoftheOpto-ElectronicsandCommunicationsConference,2008andthe2008AustralianConferenceonOpticalFibreTechnologyOECC/ACOFT2008Jointconferenceofthe,F7-10July2008[C].(BennettsS等，110瓦790纳米抽运的1908纳米掺铥光纤激光器，2008年澳大利亚光纤激光器技术会议))；2014年胡震岳等报道了最大输出功率为227W的790nm包层抽运的1908nm掺铥光纤激光器，其激光阈值为12W(参见HUZ-Y,YANP,XIAOQ-R,etal.227-Woutputall-fiberizedTm-dopedfiberlaserat1908nm[J].ChinesePhysicsB,2014,23(10):104206.(HuZ-Y等，227W1908nm全光纤掺铥光纤激光器，中国物理B，2014年，第10卷))。在激光阈值高的同时，增益粒子的自发辐射将得到放大，放大的自发辐射(ASE)将使输出激光光谱劣化。在纤芯抽运方案中，由于抽运光在纤芯中传输，掺杂光纤对抽运光的吸收效率高，激光阈值低。Yamamoto等报道的1.57μm纤芯抽运的1.9μm掺铥光纤激光器，其激光阈值为95mW(参见YAMAMOTOT,MIYAJIMAY,KOMUKAIT.1.9μmTm-dopedsilicafibrelaserpumpedat1.57μm[J].Electronicsletters,1994,30(3):220-1.(YamamotoT等，1.57μm抽运的1.9μm掺铥光纤激光器，电子学快报，1994年，第30卷，第3号))。但由于目前1.5μm波段单模激光器输出功率有限，单纯的纤芯抽运方案对于2μm掺铥光纤激光器的功率提升优势不明显。上述Yamamoto等人报道的1.57μm纤芯抽运的1.9μm掺铥光纤激光器，其最高输出功率仅为127mW，仅能满足低功率条件的应用，无法输出高功率激光，实用性远远低于790nm包层抽运的同类光纤激光器。因而，在保持790nm包层抽运的2μm掺铥光纤激光器高的输出功率和光-光转换效率的同时，降低790nm包层抽运的2μm掺铥光纤激光器的激光阈值有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是信号光波长在2μm波段尤其是小于1.9μm的790nm包层抽运的掺铥光纤激光器激光阈值高的问题。本发明提出一种纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，在保持了现有的790nm包层抽运的掺铥光纤激光器输出功率和光-光转换效率优势的前提下，利用1.5μm波段单模抽运源纤芯抽运的高吸收效率和低激光阈值等特点，降低790nm波段多模抽运源包层抽运的2μm波段(尤其是小于1.9μm的波段)光纤激光器的激光阈值，同时有效抑制放大的自发辐射(ASE)的产生，抑制输出激光光谱的劣化。
本发明的技术方案如下：
一种纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，由抽运源、增益介质、谐振腔构成。抽运源接谐振腔，增益介质位于谐振腔中。谐振腔为线形腔结构或环形腔结构。
抽运源的结构因谐振腔的构型不同而略有不同。当谐振腔为线形腔结构时，抽运源由790nm波段多模抽运源、1.5μm波段单模抽运源和抽运-信号合束器组成。790nm波段多模抽运源接抽运-信号合束器的抽运端；1.5μm波段单模抽运源接抽运-信号合束器的信号端；抽运-信号合束器的输出端接谐振腔。790nm波段多模抽运源为790nm波段多模激光二极管，输出尾纤为多模光纤。1.5μm波段单模抽运源为1.5μm波段单模光纤激光器或单模半导体激光器，输出尾纤为单模光纤。抽运-信号合束器的抽运端的输入尾纤为多模光纤，供790nm波段多模抽运源包层抽运；抽运-信号合束器的信号端的输入尾纤为单模光纤，供单模的1.5μm波段单模抽运源纤芯抽运；抽运-信号合束器的输出尾纤为双包层光纤，其纤芯中传输1.5μm波段的单模抽运光，包层中传输790nm波段的多模抽运光。
当谐振腔为环形腔结构时，抽运源由790nm波段多模抽运源、1.5μm波段单模抽运源、抽运-信号合束器和波分复用器组成。790nm波段多模抽运源接抽运-信号合束器的抽运端；1.5μm波段单模抽运源接波分复用器的第一输入端；波分复用器的第二输入端接谐振腔；波分复用器的输出端接抽运-信号合束器的信号端；抽运-信号合束器的输出端接增益介质。790nm波段多模抽运源为790nm波段多模激光二极管，输出尾纤为多模光纤。1.5μm波段单模抽运源为1.5μm波段单模光纤激光器或单模半导体激光器，输出尾纤为单模光纤。抽运-信号合束器的抽运端的输入尾纤为多模光纤，供790nm波段多模抽运源包层抽运；抽运-信号合束器的信号端的输入尾纤为单模光纤，传输1.5μm波段的单模抽运光以及2μm波段的信号光；抽运-信号合束器的输出尾纤为双包层光纤，其纤芯中传输1.5μm波段的单模抽运光以及2μm波段的信号光，包层中传输790nm波段的多模抽运光。波分复用器的第一输入端的尾纤为单模光纤，供1.5μm波段单模抽运源纤芯抽运，光纤波分复用器的第二输入端的尾纤为单模光纤，传输2μm波段的信号光；光纤波分复用器的输出端为单模光纤，传输1.5μm波段的单模抽运光以及2μm波段的信号光。
增益介质为掺杂光纤。掺杂光纤位于谐振腔中。掺杂光纤为掺铥双包层光纤或铥钬共掺双包层光纤。掺杂光纤的内包层传输790nm波段多模抽运源提供的多模抽运光；掺杂光纤的纤芯吸收内包层传输的多模抽运光(多模抽运光在经过掺杂光纤的纤芯时被吸收)，传输和吸收由1.5μm波段单模抽运源提供的单模抽运光，以及传输和放大2μm波段的信号光。
当谐振腔为线形腔结构时，谐振腔由第一反射型光纤布拉格光栅和第二反射型光纤布拉格光栅组成。第一反射型光纤布拉格光栅的输入端接抽运-信号合束器的输出端，第一反射型光纤布拉格光栅的输出端接掺杂光纤的第一端；第二反射型光纤布拉格光栅的输入端接掺杂光纤的第二端，第二反射型光纤布拉格光栅的输出端作为整个光纤激光器的输出端。第一反射型光纤布拉格光栅和第二反射型光纤布拉格光栅均采用工作波长为1803nm到2101nm间的各个波长的反射型光纤布拉格光栅，且第一反射型光纤布拉格光栅和第二反射型光纤布拉格光栅按照相同波长成对使用，因此第一反射型光纤布拉格光栅的工作波长就是本发明最终输出的信号光波长；第一反射型光纤布拉格光栅在工作波长的反射率要求大于90％，第二反射型光纤布拉格光栅作为激光输出耦合器在工作波长的反射率要求小于40％。由于第一反射型光纤布拉格光栅、掺杂光纤、第二反射型光纤布拉格光栅是线形连接，因此本谐振腔为线形腔结构。线形腔结构的优点是结构简单。
当谐振腔为线形腔时，本发明的工作过程为：1.5μm波段单模抽运源产生1.5μm波段单模抽运光，抽运-信号合束器和第一反射型光纤布拉格光栅将1.5μm波段单模抽运光耦合进掺杂光纤的纤芯中，纤芯以全反射的形式传输并吸收1.5μm波段单模抽运光(即纤芯抽运)，一定量基态的铥离子由于受激吸收被激发至激光上能级，产生2μm波段的自发辐射，但由于自发辐射的光子在谐振腔中来回往返一次的损耗大于增益，因此上述自发辐射并不能得到持续放大，激光器并未达到激光阈值，因而不能输出激光；790nm波段多模抽运源产生790nm波段多模抽运光，抽运-信号合束器和第一反射型光纤布拉格光栅将790nm波段多模抽运光耦合进掺杂光纤的包层中，包层以全反射的形式传输790nm波段多模抽运光，纤芯吸收在包层中传输并穿过纤芯的790nm波段多模抽运光(即包层抽运)；上述纤芯抽运和包层抽运两种抽运共同作用，使铥离子在上下两个激光能级上出现粒子数反转，即处于激光上能级的粒子数大于处于激光下能级的粒子数，2μm波段自发辐射进一步增强，自发辐射中特定模式的光子被第一反射型光纤布拉格光栅全部反射，被第二光纤布拉格光栅部分反射，在谐振腔中来回往返并得到不断的放大(即，经过谐振腔不断的选择性反馈)，最终达到稳定状态，形成稳定的2μm波段激光，从第二光纤布拉格光栅的输出端输出。
当谐振腔为环形腔结构时，谐振腔由光纤耦合器、光纤环行器和第一反射型光纤布拉格光栅组成。光纤耦合器的输入端接波分复用器的第二输入端，光纤耦合器的第一输出端接光纤环行器的输入端，光纤耦合器的第二输出端闲置，作为整个激光器的输出端。光纤环行器的公共端接第一反射型光纤布拉格光栅，光纤环行器的输出端接掺杂光纤的第一端。掺杂光纤的第二端接抽运-信号合束器的输出端。抽运-信号合束器的信号端接波分复用器的输出端，波分复用器的第二输入端接光纤耦合器的输入端。光纤耦合器的工作波长为2μm波段，光纤耦合器的输入端、第一输出端和第二输出端的尾纤均为单模光纤。光纤耦合器的作用在于将谐振腔中激光的一部分耦合出腔外，实现激光的输出。光纤环行器的工作方向为输入端→公共端、公共端→输出端，方向不可逆。第一反射型光纤布拉格光栅也采用工作波长为1803nm到2101nm间的各个波长的反射型光纤布拉格光栅，且在工作波长的反射率要求大于90％。光纤环行器的工作波长应与第一反射型光纤布拉格光栅的工作波长一致，光纤环行器与第一反射型光纤布拉格光栅组合的作用在于保持激光器的单向运转，并实现波长的选择性反馈。由于光纤耦合器、光纤环行器、掺杂光纤、抽运-信号合束器以及波分复用器依次首尾相接形成环形，因此本谐振腔为环形结构。
当谐振腔为环形腔时，本发明的工作过程为：1.5μm波段单模抽运源产生1.5μm波段单模抽运光，波分复用器和抽运-信号合束器将1.5μm波段单模抽运光耦合进掺杂光纤的第二端的纤芯中，纤芯以全反射的形式传输并强烈吸收1.5μm波段单模抽运光(即纤芯抽运)，至掺杂光纤的第一端将1.5μm波段单模抽运光吸收完毕(残余的极少量1.5μm波段单模抽运光在继续传输至光纤环行器时，由于光纤环行器不支持此方向光的传输，因此被损耗掉)，一定量基态的铥离子由于受激吸收被激发至激光上能级，产生2μm波段的自发辐射，但由于光子在谐振腔中沿环形单向运转一周的损耗大于增益，因此上述自发辐射并不能得到持续放大，激光器并未达到激光阈值，因而不能输出激光；790nm波段多模抽运源产生790nm波段多模抽运光，抽运-信号合束器将790nm波段多模抽运光耦合进掺杂光纤的包层中，掺杂光纤的包层以全反射的形式传输790nm波段多模抽运光，掺杂光纤的纤芯吸收在包层中传输并穿过纤芯的790nm波段多模抽运光(即包层抽运)，并在掺杂光纤的第二端将残余的少量790nm波段多模抽运光损耗尽(残余的少量790nm波段多模抽运光在继续传输至光纤环行器的输出端尾纤时，由于光纤环行器的输出端尾纤为单模光纤，因此在掺杂光纤的包层中传输的790nm波段多模抽运光被损耗掉)；上述纤芯抽运和包层抽运两种抽运共同作用，使铥离子在上下两个激光能级上出现粒子数反转，即处于激光上能级的粒子数大于处于激光下能级的粒子数，2μm波段自发辐射进一步增强，自发辐射中特定模式的光子在谐振腔中沿环路传输(传输方向为掺杂光纤→抽运-信号合束器→波分复用器→光纤耦合器→光纤环行器→第一反射型光纤布拉格光栅→光纤环行器→掺杂光纤；其中，经过光纤环行器时，传输方向为光纤环行器的输入端→光纤环行器的公共端→第一反射型光纤布拉格光栅→光纤环行器的公共端→光纤环行器的输出端；经过光纤耦合器时，一定比例的光经光纤耦合器的第二输出端输出到谐振腔外，其余的光经光纤耦合器的第一输出端进入光纤环行器的输入端，在腔内继续传输，形成环路)，且每传输一周的增益大于损耗，因此2μm波段自发辐射得到不断的选择性放大(即，经过谐振腔不断的选择性正反馈)，最终达到稳定状态，形成稳定的2μm波段激光输出。与线形腔结构相比，由于环形腔结构为全封闭的波导结构，因此可以提高激光器工作的稳定性。
与现有的790nm包层抽运的掺铥光纤激光器相比，在保持了现有的790nm包层抽运的掺铥光纤激光器输出功率和光-光转换效率优势的前提下，采用本发明可以达到以下技术效果：
1.利用1.5μm波段单模抽运源纤芯抽运的高吸收效率、低激光阈值等特点，降低790nm波段多模抽运源包层抽运的2μm波段掺铥光纤激光器的激光阈值，尤其是降低信号光波长小于1.9μm的掺铥光纤激光器的激光阈值。
2.本发明可以有效抑制2μm波段掺铥光纤激光器，尤其是信号光波长小于1.9μm的掺铥光纤激光器中的放大的自发辐射(ASE)的产生，抑制输出激光光谱的劣化。
附图说明
图1是本发明当谐振腔3为线形腔结构时的基本结构示意图。
图2是本发明当谐振腔3为线形腔结构时，790nm多模激光二极管包层抽运产生2μm波段激光(1803nm/1907nm/2101nm)的激光阈值随1550nm单模激光纤芯抽运功率的变化图。
图3是与图2相对应的输出光光谱。
图4是本发明当谐振腔3为环形腔结构时的基本结构示意图。
图5是本发明当谐振腔3为环形腔结构时，790nm多模激光二极管包层抽运产生2μm波段激光(1803nm/1907nm/2101nm)的激光阈值随1550nm单模激光纤芯抽运功率的变化图。
图6是与图5相对应的输出光光谱。
具体实施方案
实施例1
本发明当谐振腔3为线形腔结构时的实施例如图1所示，本发明由抽运源1、增益介质2、谐振腔3构成。抽运源1接谐振腔3，增益介质2位于谐振腔3中。
抽运源1由790nm波段多模抽运源11、1.5μm波段单模抽运源12和抽运-信号合束器13组成。790nm波段多模抽运源11接抽运-信号合束器13的抽运端；1.5μm波段单模抽运源12接抽运-信号合束器13的信号端；抽运-信号合束器13的输出端接谐振腔3。790nm波段多模抽运源11为790nm波段多模激光二极管，输出尾纤为多模光纤。1.5μm波段单模抽运源12为1.5μm波段单模光纤激光器或单模半导体激光器，输出尾纤为单模光纤。抽运-信号合束器13的抽运端的输入尾纤为多模光纤，供790nm波段多模抽运源11包层抽运；抽运-信号合束器13的信号端的输入尾纤为单模光纤，供单模的1.5μm波段单模抽运源12纤芯抽运；抽运-信号合束器13的输出尾纤为双包层光纤，其纤芯中传输1.5μm波段的单模抽运光，包层中传输790nm波段的多模抽运光。
增益介质2为掺杂光纤21。掺杂光纤21为掺铥双包层光纤或铥钬共掺双包层光纤。掺杂光纤21的内包层传输790nm波段多模抽运源11提供的多模抽运光；掺杂光纤21的纤芯吸收内包层传输的多模抽运光，传输和吸收由1.5μm波段单模抽运源12提供的单模抽运光，以及传输和放大2μm波段的信号光。
谐振腔3由第一反射型光纤布拉格光栅31和第二反射型光纤布拉格光栅32组成。第一反射型光纤布拉格光栅31的输入端接抽运-信号合束器13的输出端，第一反射型光纤布拉格光栅31的输出端接掺杂光纤21的第一端；第二反射型光纤布拉格光栅32的输入端接掺杂光纤21的第二端，第二反射型光纤布拉格光栅32的输出端作为整个光纤激光器的输出端。第一反射型光纤布拉格光栅31和第二反射型光纤布拉格光栅32均采用工作波长为1803nm/1907nm/2101nm的反射型光纤布拉格光栅，且第一反射型光纤布拉格光栅31和第二反射型光纤布拉格光栅32按照相同波长成对使用；第一反射型光纤布拉格光栅31在工作波长的反射率要求大于90％，第二反射型光纤布拉格光栅32作为激光输出耦合器在工作波长的反射率要求小于40％。由图1可见，第一反射型光纤布拉格光栅31、掺杂光纤21、第二反射型光纤布拉格光栅32是线形连接，因此本谐振腔为线形腔结构。线形腔结构的优点是结构简单。
图2为图1结构的激光器(信号光波长分别为1803nm/1907nm/2101nm)的2μm波段激光阈值随1.5μm波段单模抽运源功率的变化图。横坐标为1.5μm波段单模抽运源功率，纵坐标为790nm多模激光二极管抽运产生2μm波段激光的激光阈值。当横坐标为0时，对应的纵坐标值即为仅由790nm多模激光包层抽运的情形。由图2可见，1.5μm波段单模抽运光纤芯抽运的加入可以明显降低2μm波段激光的激光阈值。下面以反射型光纤布拉格光栅的工作波长为1907nm为例(即，当本发明的输出激光波长在1907nm的情形)描述曲线的含义。当横坐标为0时，对应的纵坐标即为仅有790nm包层抽运的激光阈值，即1907nm激光阈值约为5.1W。随着1550nm单模激光纤芯抽运功率的增加(即，在纤芯-包层共抽运的方式下)，790nm多模激光包层抽运的1907nm掺铥光纤激光器的激光阈值快速下降，比如当1550nm激光纤芯抽运的功率达到0.6W时，1907nm掺铥光纤激光器的激光阈值就已降到4.2W，激光阈值降低了0.9W，表明本发明的激光阈值比现有的仅有790nm包层抽运的掺铥光纤激光器的激光阈值有明显下降；激光阈值分两段线性下降，且左段斜率的绝对值大于右段斜率的绝对值，表明左段与右段相比，1550nm纤芯抽运对于790nm多模激光包层抽运产生1907nm激光的激光阈值的降低效果更明显。因此，采用在实际使用时应使纤芯-包层共抽运激光器工作在左段的右端点处，即可以以较小的1550nm激光器纤芯抽运的功率代价获得最大地降低790nm波段多模激光包层抽运的2μm波段掺铥光纤激光器的激光阈值的效果。
图3是与图2的曲线对应的输出光的光谱图，3(a)(b)(c)分别为本发明工作在1803nm/1907nm/2101nm时的输出光谱。横坐标为输出光波长，纵坐标为对数形式的光谱分量之间的相对强度。由图3(b)可知，输出光谱中的残余1550nm单模抽运光强度比1907nm信号光弱45dB～50dB左右，可以忽略；经过第二反射型光纤布拉格光栅32输出端的抽运滤除，790nm的多模抽运光已无残余；在1920nm至2000nm范围内存在少量放大的自发辐射(ASE)成分，强度比信号光弱50dB左右，可知ASE基本被抑制，可将ASE成分忽略。
实施例2
本发明当谐振腔3为环形腔结构时的实施例如图4所示，本发明由抽运源1、增益介质2、谐振腔3构成。抽运源1接谐振腔3，增益介质2位于谐振腔3中。
抽运源1由790nm波段多模抽运源11、1.5μm波段单模抽运源12、抽运-信号合束器13和波分复用器14组成。790nm波段多模抽运源11接抽运-信号合束器13的抽运端；1.5μm波段单模抽运源12接波分复用器14的第一输入端；波分复用器14的第二输入端接谐振腔3；波分复用器14的输出端接抽运-信号合束器13的信号端；抽运-信号合束器13的输出端接增益介质2。790nm波段多模抽运源11为790nm波段多模激光二极管，输出尾纤为多模光纤。1.5μm波段单模抽运源12为1.5μm波段单模光纤激光器或单模半导体激光器，输出尾纤为单模光纤。抽运-信号合束器13的抽运端的输入尾纤为多模光纤，供790nm波段多模抽运源11包层抽运；抽运-信号合束器13的信号端的输入尾纤为单模光纤，传输1.5μm波段的单模抽运光以及2μm波段的信号光；抽运-信号合束器13的输出尾纤为双包层光纤，其纤芯中传输1.5μm波段的单模抽运光以及2μm波段的信号光，包层中传输790nm波段的多模抽运光。波分复用器14的第一输入端的尾纤为单模光纤，供1.5μm波段单模抽运源12纤芯抽运，光纤波分复用器14的第二输入端的尾纤为单模光纤，传输2μm波段的信号光；光纤波分复用器14的输出端为单模光纤，传输1.5μm波段的单模抽运光以及2μm波段的信号光。
增益介质2与图1中的一样，为掺杂光纤21。掺杂光纤21为掺铥双包层光纤或铥钬共掺双包层光纤。掺杂光纤21的内包层传输790nm波段多模抽运源11提供的多模抽运光；掺杂光纤21的纤芯吸收内包层传输的多模抽运光，传输和吸收由1.5μm波段单模抽运源12提供的单模抽运光，以及传输和放大2μm波段的信号光。
谐振腔3由光纤耦合器33、光纤环行器34和第一反射型光纤布拉格光栅31组成。光纤耦合器33的输入端接波分复用器14的第二输入端，光纤耦合器33的第一输出端接光纤环行器34的输入端，光纤耦合器33的第二输出端闲置，作为整个激光器的输出端。光纤环行器34的公共端接第一反射型光纤布拉格光栅31，光纤环行器34的输出端接掺杂光纤21的第一端。掺杂光纤21的第二端接抽运-信号合束器13的输出端。抽运-信号合束器13的信号端接波分复用器14的输出端，波分复用器14的第二输入端接光纤耦合器33的输入端。光纤耦合器33的工作波长为2μm波段，光纤耦合器33的输入端、第一输出端和第二输出端的尾纤均为单模光纤。光纤耦合器33的作用在于将谐振腔3中激光的一部分耦合出腔外，实现激光的输出。光纤环行器34的工作方向为输入端→公共端、公共端→输出端，方向不可逆。第一反射型光纤布拉格光栅31采用工作波长为1803nm/1907nm/2101nm的反射型光纤布拉格光栅，且在工作波长的反射率要求大于90％。光纤环行器34的工作波长应与第一反射型光纤布拉格光栅31的工作波长一致，光纤环行器34与第一反射型光纤布拉格光栅31组合的作用在于保持激光器的单向运转，并实现波长的选择性反馈。由于光纤耦合器33、光纤环行器34、掺杂光纤21、抽运-信号合束器13以及波分复用器14依次首尾相接形成环形，因此本谐振腔为环形结构。本实例中，由波分复用器14实现1.5μm波段单模抽运光的纤芯抽运，由抽运-信号合束器13实现790nm波段多模抽运光的包层抽运，由光纤耦合器33实现激光的导出，由光纤环行器34和第一反射型光纤布拉格光栅31实现波长选择，同时实现激光器的单向运转。本方案将图1中的线形腔换为环形腔，利用光纤环行器34和光纤光栅实现激光器的单向运转和波长选择。与线形腔结构相比，由于环形腔结构为全封闭的波导结构，因此可以提高激光器工作的稳定性。
图5为图4结构的激光器(信号光波长分别为1803nm/1907nm/2101nm)的2μm波段激光阈值随1.5μm波段单模抽运源功率的变化图。横坐标为1.5μm波段单模抽运源功率，纵坐标为790nm多模激光二极管抽运产生2μm波段激光的激光阈值。其现象与图2基本一致，此处不再赘述。
图6是与图5的曲线对应的输出光的光谱图，3(a)(b)(c)分别为本发明工作在1803nm/1907nm/2101nm时的输出光谱。横坐标为波长，纵坐标为对数形式的光谱分量之间的相对强度。其现象与图3基本一致，此处不再赘述。

Claims (8)

1.一种纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，其特征在于：纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器由抽运源(1)、增益介质(2)、谐振腔(3)构成；抽运源(1)接谐振腔(3)，增益介质(2)位于谐振腔(3)中，谐振腔(3)为线形腔结构或环形腔结构。
2.如权利要求1所述的纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，其特征在于当谐振腔(3)为线形腔结构时，抽运源(1)由790nm波段多模抽运源(11)、1.5μm波段单模抽运源(12)和抽运-信号合束器(13)组成；790nm波段多模抽运源(11)接抽运-信号合束器(13)的抽运端；1.5μm波段单模抽运源(12)接抽运-信号合束器(13)的信号端；抽运-信号合束器(13)的输出端接谐振腔(3)；790nm波段多模抽运源(11)为790nm波段多模激光二极管，输出尾纤为多模光纤；1.5μm波段单模抽运源(12)为1.5μm波段单模光纤激光器或单模半导体激光器，输出尾纤为单模光纤；抽运-信号合束器(13)的抽运端的输入尾纤为多模光纤，供790nm波段多模抽运源(11)包层抽运；抽运-信号合束器(13)的信号端的输入尾纤为单模光纤，供单模的1.5μm波段单模抽运源(12)纤芯抽运；抽运-信号合束器(13)的输出尾纤为双包层光纤，其纤芯中传输1.5μm波段的单模抽运光，包层中传输790nm波段的多模抽运光。
3.如权利要求1所述的纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，其特征在于当谐振腔(3)为环形腔结构时，抽运源(1)由790nm波段多模抽运源(11)、1.5μm波段单模抽运源(12)、抽运-信号合束器(13)和波分复用器(14)组成；790nm波段多模抽运源(11)接抽运-信号合束器(13)的抽运端；1.5μm波段单模抽运源(12)接波分复用器(14)的第一输入端；波分复用器(14)的第二输入端接谐振腔(3)；波分复用器(14)的输出端接抽运-信号合束器(13)的信号端；抽运-信号合束器(13)的输出端接增益介质(2)；790nm波段多模抽运源(11)为790nm波段多模激光二极管，输出尾纤为多模光纤；1.5μm波段单模抽运源(12)为1.5μm波段单模光纤激光器或单模半导体激光器，输出尾纤为单模光纤；抽运-信号合束器(13)的抽运端的输入尾纤为多模光纤，供790nm波段多模抽运源(11)包层抽运；抽运-信号合束器(13)的信号端的输入尾纤为单模光纤，传输1.5μm波段的单模抽运光以及2μm波段的信号光；抽运-信号合束器(13)的输出尾纤为双包层光纤，其纤芯中传输1.5μm波段的单模抽运光以及2μm波段的信号光，包层中传输790nm波段的多模抽运光；波分复用器(14)的第一输入端的尾纤为单模光纤，供1.5μm波段单模抽运源(12)纤芯抽运，光纤波分复用器(14)的第二输入端的尾纤为单模光纤，传输2μm波段的信号光；光纤波分复用器(14)的输出端为单模光纤，传输1.5μm波段的单模抽运光以及2μm波段的信号光。
4.如权利要求1所述的纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，其特征在于增益介质(2)为掺杂光纤(21)，掺杂光纤(21)位于谐振腔(3)中，掺杂光纤(21)为掺铥双包层光纤或铥钬共掺双包层光纤；掺杂光纤(21)的内包层传输多模抽运光，掺杂光纤(21)的纤芯吸收内包层传输的多模抽运光，并传输和吸收单模抽运光，且传输和放大2μm波段的信号光。
5.如权利要求2所述的纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，其特征在于当谐振腔(3)为线形腔结构时，谐振腔(3)由第一反射型光纤布拉格光栅(31)和第二反射型光纤布拉格光栅(32)组成；第一反射型光纤布拉格光栅(31)的输入端接抽运-信号合束器(13)的输出端，第一反射型光纤布拉格光栅(31)的输出端接掺杂光纤(21)的第一端；第二反射型光纤布拉格光栅(32)的输入端接掺杂光纤(21)的第二端，第二反射型光纤布拉格光栅(32)的输出端作为整个光纤激光器的输出端；第一反射型光纤布拉格光栅(31)和第二反射型光纤布拉格光栅(32)均采用工作波长为1803nm到2101nm间的各个波长的反射型光纤布拉格光栅，且第一反射型光纤布拉格光栅(31)和第二反射型光纤布拉格光栅(32)按照相同波长成对使用。
6.如权利要求5所述的纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，其特征在于第一反射型光纤布拉格光栅(31)在工作波长的反射率要求大于90％，第二反射型光纤布拉格光栅(32)作为激光输出耦合器在工作波长的反射率要求小于40％。
7.如权利要求3所述的纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，其特征在于当谐振腔(3)为环形腔结构时，谐振腔(3)由光纤耦合器(33)、光纤环行器(34)和第一反射型光纤布拉格光栅(31)组成；光纤耦合器(33)的输入端接波分复用器(14)的第二输入端，光纤耦合器(33)的第一输出端接光纤环行器(34)的输入端，光纤耦合器(33)的第二输出端闲置，作为整个激光器的输出端；光纤环行器(34)的公共端接第一反射型光纤布拉格光栅(31)，光纤环行器(34)的输出端接掺杂光纤(21)的第一端；掺杂光纤(21)的第二端接抽运-信号合束器(13)的输出端；抽运-信号合束器(13)的信号端接波分复用器(14)的输出端，波分复用器(14)的第二输入端接光纤耦合器(33)的输入端；光纤耦合器(33)的工作波长为2μm波段，光纤耦合器(33)的输入端、第一输出端和第二输出端的尾纤均为单模光纤；光纤耦合器(33)将谐振腔(3)中激光的一部分耦合出腔外，实现激光的输出；第一反射型光纤布拉格光栅(31)也采用工作波长为1803nm到2101nm间的各个波长的反射型光纤布拉格光栅；光纤环行器(34)的工作波长与第一反射型光纤布拉格光栅(31)的工作波长一致，光纤环行器(34)与第一反射型光纤布拉格光栅(31)组合以保持激光器的单向运转，并实现波长的选择性反馈。
8.如权利要求7所述的纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器，其特征在于第一反射型光纤布拉格光栅(31)在工作波长的反射率要求大于90％。
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