CN106532417A - 一种基于环形腔形式的dbr超窄线宽激光器 - Google Patents

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Abstract

一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，属于光纤传感技术领域，包括激光器本体，所述的激光器本体的结构由泵浦激光器、波分复用器、相移光纤光栅、掺铒光纤、分光器、压电陶瓷和半导体温控模块组成；所述的泵浦激光器、波分复用器、相移光纤光栅、掺铒光纤和分光器依次首尾相连，构成环形腔，所述的相移光纤光栅固定在压电陶瓷上，所述的压电陶瓷固定在半导体温控模块上。环形腔激光器结构简单，且通过环形腔的设计及优化，能够进一步压缩激光器输出光束的线宽；同时通过半导体温控模块与压电陶瓷的结合，可以更好地控制及稳定激光器输出波长，复合腔结构的激光器输出模式稳定，功率高，噪声低。

Description

一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器。
背景技术
自从20世纪70年代末光纤传感器诞生以来，便由于其具有的防火、防爆、精度高、损耗低、体积小、重量轻、寿命长、性价比高、复用性好、响应速度快、抗电磁干扰、频带范围宽、动态范围大、易与光纤传输系统组成遥测网络等优点而被广泛地应用于各行各业。随着对其研究的不断深入，光纤传感器势必会对科学研究、国民生产、日常生活等诸多领域产生深远影响。
超窄线宽光纤激光器在光纤温度应力传感器、水听器、光控雷达相控阵天线等光相干探测领域都有广泛的应用。其中光纤温度应力传感器已经广泛应用在长距离油气管道防泄漏预警监测；地质结构健康监测；电缆火情监测(电缆夹层、隧道、桥架、竖井等)；油罐火情监测；井下温度监测；石油开采作业区、站场、阀室、石化工厂、油库区、仓储等区域周界防入侵监测等各个方面，有着广泛的市场应用前景，但是现有的激光器温控特性差，不适应所有的应用环境，最主要的是遇到线宽过宽时无法使用。
发明内容
本发明提供一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，解决了激光器在应用过程中遇到的线宽过宽或能量过低的问题，同时其更精确的温控特性，提高了激光器在不同环境下的应用可靠性。本发明的目的是采用相移光纤光栅加环形腔结构制作线宽更窄、能量更高的超窄线宽激光器。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，包括激光器本体，所述的激光器本体包括复合腔，所述的复合腔包括线性腔和环形腔；所述的线性腔包括泵浦激光器、波分复用器、光纤光栅、分光器、压电陶瓷和半导体温控模块组成，所述的泵浦激光器、波分复用器、光纤光栅和分光器依次相连，所述的相移光纤光栅固定在压电陶瓷上，所述的压电陶瓷固定在半导体温控模块上；所述的环形腔包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、FP滤波器、分光器上述器件依次首尾相连，构成环形腔。
所述的掺铒光纤进行增益补偿结构。
采用FP滤波器构成环形腔结构。
一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，包括激光器本体，所述的激光器本体的结构由泵浦激光器、波分复用器、相移光纤光栅、掺铒光纤、分光器、压电陶瓷和半导体温控模块组成；所述的泵浦激光器、波分复用器、相移光纤光栅、掺铒光纤和分光器依次相连，构成环形腔，所述的相移光纤光栅固定在压电陶瓷上，所述的压电陶瓷固定在半导体温控模块上。
采用半导体温控及压电陶瓷结构，控制光源中心波长及稳定度。
本发明的有益效果为：
1、环形腔激光器结构简单，且通过环形腔的设计及优化，能够进一步压缩激光器输出光束的线宽；同时通过半导体温控模块与压电陶瓷的结合，可以更好地控制及稳定激光器输出波长，复合腔结构的激光器输出模式稳定，功率高，噪声低。
2、利用上述方法制作的超窄线宽激光器，解决了激光器在应用过程中遇到的线宽过宽或能量过低的问题，同时其更精确的温控特性，提高了激光器在不同环境下的应用可靠性。此结构简单，造价低廉。本发明采用环形腔取代传统的线型腔，提高了激光器的输出线宽和输出能量等指标，进一步拓宽了其应用范围。
附图说明
图1是本发明复合腔光路结构示意图。
图2是本发明环形腔光路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步描述：一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，包括激光器本体，所述的激光器本体包括复合腔，所述的复合腔包括线性腔和环形腔；包括激光器本体，所述的激光器本体包括复合腔，所述的复合腔包括线性腔和环形腔；所述的线性腔包括泵浦激光器、波分复用器、光纤光栅、分光器、压电陶瓷和半导体温控模块组成，所述的泵浦激光器、波分复用器、光纤光栅和分光器依次相连，所述的相移光纤光栅固定在压电陶瓷上，所述的压电陶瓷固定在半导体温控模块上；所述的环形腔包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、FP滤波器、分光器上述器件依次首尾相连，构成环形腔。所述的掺铒光纤进行增益补偿结构。采用FP滤波器构成环形腔结构，激光光束由该腔分光器输出；线性腔的相移光纤光栅固定在压电陶瓷上，再将压电陶瓷固定在半导体温控模块上，其中，相移光纤光栅用于产生窄线宽光束，泵浦激光器通过波分复用器用来做相移光纤光栅的泵浦光源；掺铒光纤与FP滤波器一起，构成复合腔中的环形腔，用于补偿环路中激光光束的损耗，以便使激光光束能够在环形腔中满足激光形成条件，发生振荡。复合腔结构的激光器输出模式稳定，功率高，噪声低。
一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，包括激光器本体，所述的激光器本体的结构由泵浦激光器、波分复用器、相移光纤光栅、掺铒光纤、分光器、压电陶瓷和半导体温控模块组成；所述的泵浦激光器、波分复用器、相移光纤光栅、掺铒光纤和分光器依次相连，构成环形腔，所述的相移光纤光栅固定在压电陶瓷上，所述的压电陶瓷固定在半导体温控模块上。采用半导体温控及压电陶瓷结构，控制光源中心波长及稳定度，最终激光束由分光器输出。其中，所述的压电陶瓷与半导体温控模块一起作为相移光纤光栅的波长控制及稳定单元，所述的相移光纤光栅用于产生窄线宽光束，泵浦激光器通过波分复用器用来做相移光纤光栅的泵浦光源，掺铒光纤用于补偿环路中激光光束的损耗，以便使激光光束能够在环形腔中满足激光形成条件，发生振荡。此种激光器结构简单，且通过环形腔的设计，能够进一步压缩激光器输出光束的线宽，以满足各领域的应用需求。
上述激光器结构的使用方法，包括以下过程：
利用遮挡法或者是二次曝光法或者是移动光纤法配合相位模板制作相移光纤光栅。通过在光栅中引入一定的相位突变，可以实现窄线宽激光光束的输出。具体过程如下，将相位掩膜板固定在掩膜板支架上，并在掩膜板支架上安装了高精度的压电陶瓷驱动器，通过计算机控制压电陶瓷驱动器达到精确控制相位掩膜板的移动量。当紫外光扫描时，在所需引入相移的位置将相位掩膜板移动一个特定的距离，接着继续扫描光纤光栅，这样在两段光纤光栅之间就产生一个相位突变。这些方法能够通过一次曝光成栅，在制作上很简单，无需任何遮挡物及手动调整，而且是完全通过计算机自动控制，保证了光栅的制作精度和重复性，因而具有很强的实用性。
利用环形腔结构来实现线宽的压缩。对于环形腔结构，将相移光纤光栅、波分复用器、掺铒光纤、分光器上述器件依次相连，构成环形腔，激光束由分光器小分束比一端输出。其中相移光纤光栅由高反和低反射端，低反射端应与分光器输出方向一致，为保证环形腔内的光束振荡满足增益大于损耗条件，在腔中加入掺铒光纤，其中铒纤的增益为10dB，方案中相移光纤光栅的高反和低反射端的反射率可以达到90％与30％，当光束在环形腔中第一次从相移光纤光栅的低反射端出射后，经过分光器带来20％的损耗，余下的光再经过铒纤进入相移光纤光栅的高反射端，此时损耗约达到90％，这就要求铒纤的增益大于10dB，以满足激光振荡条件。因此可以选择增益为10dB，的铒纤，长度为9m。对于复合腔结构，激光器光路结构由线型腔的相移光纤光栅(PSG)发出激光光束，再进入由波分复用器(WDM)、掺铒光纤(EDF)、FP滤波器、分光器(1X2)依次相连构成的环形腔中，通过增益、放大、滤波，形成激光光束，并由该腔分光器输出。
利用电路控制驱动激光器、驱动TEC芯片和为PZT提供调制波形。
驱动激光器实现对泵浦激光器提供恒流驱动和控制激光器内部温度；泵浦激光器是内部是一块尺寸仅为几百微米的芯片发出激光，芯片工作时需要提供一个恒定的电流和一个稳定的环境温度，因此电路部分采用横流电路和温度控制电路两部分组成。驱动TEC芯片也是一个温度控制电路，其主要的目的是为了保持光栅的工作温度在一个恒定的温度点，因此通过控制温度，可以保持光栅出来的激光波长不会发生较大的变化，由于TEC可以将温度变化控制在0.1℃以内，而光栅的温度系数(相对于波长)为0.01nm/℃，因此通过TEC控制温度以后，波长的变化量级非常小，可以控制在1pm以内。其电路原理可以参照上述温控电路。通过温控电路控制TEC后，经过实验测试，公司生产的超窄线宽激光器的长期波长频率漂移可以控制在100MHz(0.8pm)以内，短期波长频率漂移可以控制在20MHz(0.16pm)以内。PZT为压电陶瓷，在其上面加上电压，就会产生一定的位移变化，将光栅放置于PZT上，通过PZT的位移变化，可以实现光栅中心波长的偏置，因此在PZT上加一个变化的电压，就能够对激光器的波长进行调制。在实际的工艺过程中，PZT需要和光栅一起封装在隔振外壳的内部，以达到光栅整体的稳定性效果。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，包括激光器本体，其特征在于：所述的激光器本体包括复合腔，所述的复合腔包括线性腔和环形腔；所述的线性腔包括泵浦激光器、波分复用器、光纤光栅、分光器、压电陶瓷和半导体温控模块组成，所述的泵浦激光器、波分复用器、光纤光栅和分光器依次相连，所述的相移光纤光栅固定在压电陶瓷上，所述的压电陶瓷固定在半导体温控模块上；所述的环形腔包括泵浦激光器、波分复用器、掺铒光纤、FP滤波器、分光器上述器件依次首尾相连，构成环形腔。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，其特征在于：所述的掺铒光纤进行增益补偿结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，其特征在于：采用FP滤波器构成环形腔结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，其特征在于：包括激光器本体，其特征在于：所述的激光器本体的结构由泵浦激光器、波分复用器、相移光纤光栅、掺铒光纤、分光器、压电陶瓷和半导体温控模块组成；所述的泵浦激光器、波分复用器、相移光纤光栅、掺铒光纤和分光器依次相连，构成环形腔，所述的相移光纤光栅固定在压电陶瓷上，所述的压电陶瓷固定在半导体温控模块上。
5.根据权利要求4所述的一种基于环形腔形式的DBR超窄线宽激光器，其特征在于：采用半导体温控及压电陶瓷结构，控制光源中心波长及稳定度。
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