CN106998030B - 一种半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器。其结构包括重叠光纤光栅、稀土掺杂增益光纤、波分复用器、泵浦激光光源、光纤在线起偏器、保偏光纤环、保偏光纤隔离器和重叠光纤光栅轴向应变调节装置；重叠光纤光栅、稀土掺杂增益光纤、波分复用器、光纤在线起偏器、保偏光纤环和保偏光纤隔离器依序相接，波分复用器的双光纤端的泵浦光端与泵浦激光光源的输出端连接，保偏光纤隔离器的输出端作为激光输出端口。本发明结合使用重叠光纤光栅和保偏光纤随机分布反馈实现多波长随机光纤激光器，相比单模光纤随机分布反馈机制，可以得到抗外界干扰能力更强的多波长随机激光输出，实现其在对随机光纤激光源有更高性能需求领域的应用。

Description

一种半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，具体地说是一种半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器。

背景技术

随机激光器不具有严格的光学谐振腔结构，其激光形成由随机增益介质中光波的多重分布散射放大。与传统激光器相比，随机激光器具有诸多优点，如辐射方向与强度分布随机、泵浦阈值低、窄线宽输出等特性。随机光纤激光器（又称随机分布反馈光纤激光器）是近几年刚被提出（2010年，由Turitsyn等人在Nature Photonics期刊发表论文报道）的一种新型光纤激光器，其也不具有标准的谐振腔，结构简单、输出连续稳定、相干距离长、容易实现宽带连续调谐、成本低，且比传统随机激光器具有更好的方向性，有望在非线性光学、光纤传感、光学测量、光通信、医学等科学领域发挥极大的应用价值。

可实现随机光纤激光器的结构包括全开腔、半开腔和环形腔，且有研究表明：半开腔具有最低的激光阈值，原则上可以降为全开腔的一半。半开腔意思是采用光纤布拉格光栅（简称光纤光栅）作为谐振腔的一端腔镜，而另一端采用长距离光纤中的瑞利散射进行随机分布反馈。通过窄带光纤光栅的加入，不仅可以实现欲得到的任意波长，而且激光输出线宽可以大大减小，提升随机激光器的整体性能。由于随机光纤激光器的提出是基于普通单模光纤中的受激拉曼增益放大效应，随后的研究大都集中在基于拉曼放大的随机光纤激光器上，然而拉曼增益放大阈值普遍很高，基本上在W量级以上，故需要高功率泵浦激光器，使得成本较高。最近，基于受激布里渊散射放大效应的随机光纤激光器也被提出，其可以实现低噪声、窄线宽、较高光信噪比的激光输出，然而系统需要一台光束质量很好的布里渊泵浦激光器，同样造成随机光纤激光器造价的提升，而且系统体积较大。稀土掺杂增益光纤具有增益高、带宽大等优点，且制作成本很低，如果用于制作随机光纤激光器有望大幅度降低成本，而且可以大大缩短用于产生随机反馈光纤的长度。

目前，基于掺铒光纤放大的随机光纤激光器已有一些报道和少数专利申请。然而，使用大长度的普通单模光纤作为随机分布反馈光纤，其抗外界干扰影响的能力还不够强，尤其是外界扰动引起的光纤内偏振态的变化，会引起输出激光的频率、功率的波动。

发明内容

本发明的目的就是提供一种半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器，通过引入重叠光纤光栅选择波长和使用高质量的保偏光纤环做随机分布反馈，可实现具有强抗外界干扰能力的高稳定性线偏振及超窄线宽输出的多波长随机光纤激光输出，这在非线性光学、光纤传感、光学测量、光通信、微波光子学等领域具有潜在的应用价值。

本发明的目的是这样实现的：一种半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器，包括重叠光纤光栅、稀土掺杂增益光纤、波分复用器、泵浦激光光源、光纤在线起偏器、保偏光纤环、保偏光纤隔离器和重叠光纤光栅轴向应变调节装置；所述重叠光纤光栅通过光纤夹具或胶水固定在所述重叠光纤光栅轴向应变调节装置的上表面；

所述重叠光纤光栅的一端与所述稀土掺杂增益光纤的一端连接，所述重叠光纤光栅的另一端闲置并制成斜8°角端面，所述稀土掺杂增益光纤的另一端与所述波分复用器的单光纤端连接，所述波分复用器的双光纤端的泵浦光端与所述泵浦激光光源的输出端连接，所述波分复用器的双光纤端的信号光端与所述光纤在线起偏器的输入端连接，所述光纤在线起偏器的输出端与所述保偏光纤环的一端连接，所述保偏光纤环的另一端与所述保偏光纤隔离器的输入端连接，所述保偏光纤隔离器的输出端作为激光输出端口；

所述重叠光纤光栅、所述稀土掺杂增益光纤、所述波分复用器、所述泵浦激光光源以及所述光纤在线起偏器的输入端之间的连接均为单模光纤熔接机熔接连接或光纤连接器连接；所述光纤在线起偏器的输出端、所述保偏光纤环以及所述保偏光纤隔离器之间的连接均为保偏光纤熔接机熔接连接。

所述重叠光纤光栅可以为二重重叠光纤光栅，也可以为二重以上多重重叠光纤光栅；重叠的各个子光纤光栅均为均匀光纤布拉格光栅，且使用紫外光重复曝光的相位掩膜法刻写在光敏光纤上；各个子光纤光栅的中心反射波长及其相互之间的间隔根据欲实现的随机光纤激光器输出需要设定。

所述稀土掺杂增益光纤的长度需要根据其掺杂浓度的不同进行选择，所述稀土掺杂增益光纤可以为掺铒增益光纤或铒镱共掺增益光纤；所述泵浦激光光源为980nm半导体激光器。

所述光纤在线起偏器的输入端光纤类型为普通单模光纤，所述光纤在线起偏器的输出端为熊猫保偏光纤；所述保偏光纤环由长度大于1km的熊猫保偏光纤通过光纤绕环机绕制而成；所述保偏光纤环的绕制光纤也可以为其他类型的保偏光纤；所述保偏光纤隔离器的输入端、输出端均为熊猫保偏光纤。

所述重叠光纤光栅轴向应变调节装置为应力调节架手动调节装置或压电陶瓷控制的自动调节装置。

重叠光纤光栅是在同一光纤轴向位置写入多个具有不同反射中心波长的光纤光栅，在光谱上各个光栅具有叠加效果，反射波长互不影响，在光纤激光器领域具有很大的应用价值。将重叠光纤光栅用于稀土掺杂随机光纤激光器上，可实现稳定、低阈值、窄线宽的多波长随机光纤激光输出。

本发明结合使用重叠光纤光栅和保偏光纤随机分布反馈实现多波长随机光纤激光器，可以得到抗外界干扰能力更强的多波长随机激光输出，实现其在对随机光纤激光源有更高性能需求领域的应用。

附图说明

图1是本发明所提供的半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器的结构示意图。

图2是本发明实施例1中二重重叠光纤光栅的透射谱和反射谱的测量结果图。

图3是本发明实施例1中保偏光纤环的偏振串扰随光纤长度分布测量结果图。

图4是本发明实施例1中激光输出光谱测量结果图。

图5是本发明实施例1中激光输出单频特性与线宽特性测量结果图。

图6是本发明实施例1中激光输出偏振特性测量结果图。

图7是本发明实施例1中激光输出功率随泵浦功率变化关系测量结果图。

图中：101、重叠光纤光栅，102、稀土掺杂增益光纤，103、波分复用器，104、泵浦激光光源，105、光纤在线起偏器，106、保偏光纤环，107、保偏光纤隔离器，108、重叠光纤光栅轴向应变调节装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明并不限于以下实施方式。

如图1所示，本发明所提供的半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器包括重叠光纤光栅101、稀土掺杂增益光纤102、波分复用器103、泵浦激光光源104、光纤在线起偏器105、保偏光纤环106、保偏光纤隔离器107和重叠光纤光栅轴向应变调节装置108。重叠光纤光栅轴向应变调节装置108用于对重叠光纤光栅101的轴向应变力进行调节，重叠光纤光栅101通过光纤夹具或胶水固定在重叠光纤光栅轴向应变调节装置108的上表面。

重叠光纤光栅101的一端（可称为首端）与稀土掺杂增益光纤102的一端连接，重叠光纤光栅的另一端101（可称为尾端）闲置且光纤尾端制成斜8°角端面，以抑制端面反射，斜8°角端面制作使用光纤研磨机研磨或者高功率激光器切割制成。稀土掺杂增益光纤102的另一端与波分复用器103的单光纤端连接，波分复用器103的双光纤端的泵浦光端与泵浦激光光源104的输出端连接，波分复用器103的双光纤端的信号光端与光纤在线起偏器105的输入端连接，光纤在线起偏器105的输出端与保偏光纤环106的一端连接，保偏光纤环106的另一端与保偏光纤隔离器107的输入端连接，保偏光纤隔离器107的输出端作为激光输出端口。

重叠光纤光栅101与稀土掺杂增益光纤102之间、稀土掺杂增益光纤102与波分复用器103之间、波分复用器103与泵浦激光光源104之间、波分复用器103与光纤在线起偏器105之间的连接均为单模光纤熔接机熔接连接或光纤连接器连接。光纤在线起偏器105与保偏光纤环106之间、保偏光纤环106与保偏光纤隔离器107之间的连接均为保偏光纤熔接机熔接连接。

重叠光纤光栅101可以为二重重叠光纤光栅，也可以为二重以上多重重叠光纤光栅，重叠的各个子光纤光栅均为均匀光纤布拉格光栅且使用紫外光重复曝光的相位掩膜法刻写在光敏光纤上，重叠的各个子光纤光栅的中心反射波长及各个子光纤光栅中心反射波长间隔根据欲实现的随机光纤激光器输出需要设定，重叠光纤光栅的长度一般为2cm，也可以根据需要制成大于或小于2cm。

稀土掺杂增益光纤102可以为掺铒增益光纤或铒镱共掺增益光纤，稀土掺杂增益光纤102的长度可根据其掺杂浓度的不同进行选择。泵浦激光光源104为980nm半导体激光器，其输出功率根据实际需要选择。

光纤在线起偏器105的输入端光纤类型为单模光纤，而其输出端光纤类型为熊猫保偏光纤。保偏光纤环106是由长度大于1km的熊猫保偏光纤通过光纤绕环机绕制而成，绕制过程中需要保证较小的分布式偏振串扰，以保持保偏光纤良好的偏振保持能力和偏振消光比。保偏光纤环106的绕制光纤也可以为其他类型的保偏光纤。保偏光纤隔离器107的输入端和输出端均为熊猫保偏光纤；

重叠光纤光栅轴向应变调节装置108为应力调节架手动调节装置或压电陶瓷控制的自动调节装置；使用应力调节架手动调节装置时，需要使用固定在应力调节架上的光纤夹具将重叠光纤光栅101两端夹紧后拉伸，以产生所需要的轴向应变，但不能对其进行压缩；使用压电陶瓷控制的自动调节装置时，需要将重叠光纤光栅101轴向平行粘贴于条形压电陶瓷或堆叠压电陶瓷片长度方向表面，当使用合适的电压驱动条形压电陶瓷或堆叠压电陶瓷片时可以产生所需要的轴向应变，且不但可以拉伸还可以压缩重叠光纤光栅101。根据光纤光栅的特性，重叠光纤光栅101发生轴向应变时，所有子光纤光栅的反射中心波长都会产生漂移，且偏移量与应变量存在严格的数学对应关系；通过调节重叠光纤光栅101的子光纤光栅的反射中心波长以实现多波长随机光纤激光器的波长可调谐运行。

以下将通过一个具体实施例说明和演示本发明提出的半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器的运行及输出性能。

实施例1：半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器的实验验证。

激光器的结构示意图如图1所示，本实施例所使用的重叠光纤光栅101为二重重叠光纤光栅，光栅栅区长度为2cm，其反射中心波长分别为1545nm和1555nm。图2给出的是本实施例中使用的反射中心波长分别为1545nm和1555nm的二重重叠光纤光栅的透射谱和反射谱，其波长间隔为10nm，两中心波长反射率均>90%，反射带宽均<0.1nm。本实施例中稀土掺杂增益光纤102为7m的掺铒增益光纤（Fibercore M12_980/125），泵浦激光光源104为980nm的半导体激光器（单模光纤输出，最大功率350mW），波分复用器103为980/1550nm光纤波分复用器。光纤在线起偏器105的输入端光纤为单模光纤，输出端光纤为熊猫保偏光纤A（纤芯直径/包层直径/涂覆层直径：9/125/250μm）。保偏光纤环106是由长度为1.25km的另一种熊猫保偏光纤B（纤芯直径/包层直径/涂覆层直径：6/80/165μm）绕制而成，此光纤的纤芯较小，可以使用较小的长度得到较强的分布瑞利散射反馈；保偏光纤环106的内径为63.78mm、外径为82.8mm；光纤环偏振串扰沿着光纤长度分布的测量结果如图3所示，除了在光纤环测试时用到的输入连接器（Input Connector）与输出连接器（Output Connector）处有两个大的串扰峰外，其余地方的串扰量都很小，且测得光纤环的偏振消光比为21.83dB；此光纤环可以保证输入线偏振光具有较好的偏振保持能力，而且光纤环自身具有很强的抗外界环境干扰能力。保偏光纤隔离器107两端均为熊猫保偏光纤A，其输入端与保偏光纤环106连接，其输出端为保偏光纤跳线头，用于测量。实验中涉及到光纤连接的，单模光纤之间用单模光纤熔接机熔接连接，保偏光纤之间用保偏光纤熔接机熔接连接。

激光器系统搭建好以后，打开泵浦激光光源104并维持输出功率120mW运行，由于重叠光纤光栅101提供的双波长反射反馈和分布反馈保偏光纤环103提供的分布反馈，无需对激光器系统做任何调整即可得到良好的双波长激光输出，且使用光谱仪测量输出激光光谱结果如图4所示。激光输出波长分别为1545.096nm和1555.104nm，与重叠光纤光栅的反射中心波长具有良好的对应关系，据此可以预想到，当重叠光纤光栅的反射中心波长被调谐时，激光输出波长将表现出良好的可调谐特性。同时由图4可知 ，双波长输出的激光信噪比均高于50dB，激光输出质量良好。图5给出的是激光单频与线宽特性测量结果，由于使用延迟自外差法测量系统（光纤延迟线长度为100km、移频器移频量为200MHz），除了在200MHz处有明显的拍频信号外，没有其他明显的拍频信号，可知激光具有较好的单频运转特性，通过对200MHz处拍频信号进行洛仑兹曲线拟合，可得信号的-20dB频宽为6.7kHz，即双波长激光的输出线宽仅为335Hz。虽然没有对单个波长处激光线宽进行测量，但是以上实验结果足以证明每个波长处激光的线宽均小于335Hz，表现出了良好的超窄线宽输出特性。图6给出的是使用偏振分析仪测量的激光输出的偏振特性，可见邦加球上偏振态的轨迹点基本上处于赤道附近，而且测量偏振度（DOP）接近100%，表现出了良好的线偏振输出特性。图7给出的是使用激光功率计测量得到的激光器输出功率随泵浦激光输入功率的关系结果，通过对测量结果做线性拟合，可见激光器的泵浦阈值仅为18.96mW，且当泵浦功率高于阈值以后，激光器输出功率随泵浦输入功率变化具有良好的线性关系，拟合优度高达0.99942；另外，激光器的斜率效率达到7.51%，当泵浦功率为300mW时，激光输出为21.11mW，且在每一泵浦功率下，激光输出功率都表现出了良好的稳定性。通过本实施例可见，本发明提出的多波长随机光纤激光器在各方面都表现出了良好的输出性能。

以上对本发明所提供的半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器进行详细介绍，本文中应用了一个具体实施例对本发明的系统和方法的可行性进行了验证和阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器，其特征是，包括重叠光纤光栅、稀土掺杂增益光纤、波分复用器、泵浦激光光源、光纤在线起偏器、保偏光纤环、保偏光纤隔离器和重叠光纤光栅轴向应变调节装置；所述重叠光纤光栅通过光纤夹具或胶水固定在所述重叠光纤光栅轴向应变调节装置的上表面；

所述重叠光纤光栅的一端与所述稀土掺杂增益光纤的一端连接，所述重叠光纤光栅的另一端闲置并制成斜8°角端面，所述稀土掺杂增益光纤的另一端与所述波分复用器的单光纤端连接，所述波分复用器的双光纤端的泵浦光端与所述泵浦激光光源的输出端连接，所述波分复用器的双光纤端的信号光端与所述光纤在线起偏器的输入端连接，所述光纤在线起偏器的输出端与所述保偏光纤环的一端连接，所述保偏光纤环的另一端与所述保偏光纤隔离器的输入端连接，所述保偏光纤隔离器的输出端作为激光输出端口；

所述重叠光纤光栅、所述稀土掺杂增益光纤、所述波分复用器、所述泵浦激光光源以及所述光纤在线起偏器的输入端之间的连接均为单模光纤熔接机熔接连接或光纤连接器连接；所述光纤在线起偏器的输出端、所述保偏光纤环以及所述保偏光纤隔离器之间的连接均为保偏光纤熔接机熔接连接；

所述重叠光纤光栅为二重重叠光纤光栅，光栅栅区长度为2cm，其反射中心波长分别为1545nm和1555nm，两中心波长反射率均>90%，反射带宽均＜0.1nm；

所述重叠光纤光栅中重叠的各个子光纤光栅为均匀光纤布拉格光栅且使用紫外光重复曝光的相位掩膜法刻写在光敏光纤上；

所述光纤在线起偏器的输入端为单模光纤，所述光纤在线起偏器的输出端为熊猫保偏光纤；

所述保偏光纤隔离器的输入端和输出端均为熊猫保偏光纤；

所述稀土掺杂增益光纤为掺铒增益光纤；

所述泵浦激光光源为980nm半导体激光器；

所述波分复用器为980/1550nm光纤波分复用器；

所述光纤在线起偏器的输入端光纤为单模光纤，输出端光纤为熊猫保偏光纤A；所述保偏光纤环是由长度为1.25km的另一种熊猫保偏光纤B通过光纤绕环机绕制而成；熊猫保偏光纤A的纤芯直径/包层直径/涂覆层直径分别为：9/125/250μm；熊猫保偏光纤B的纤芯直径/包层直径/涂覆层直径分别为：6/80/165μm；所述保偏光纤环的内径为63.78mm、外径为82 .8mm；

所述保偏光纤隔离器两端均为熊猫保偏光纤A，其输入端与保偏光纤环连接，其输出端为保偏光纤跳线头；

打开泵浦激光光源并维持输出功率120mW运行，即可得到双波长激光输出。

2.根据权利要求1所述的半开腔式线偏振及超窄线宽多波长随机光纤激光器，其特征是，所述重叠光纤光栅轴向应变调节装置为应力调节架手动调节装置或压电陶瓷控制的自动调节装置。