CN107332102A - 基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器 - Google Patents

基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，用于解决现有窄线宽光纤激光器存在的激光线宽较宽的技术问题，包括泵浦源以及依次连接成环形结构的第一光纤波分复用器、第一掺杂光纤、第一光纤隔离器、第二光纤波分复用器、偏振控制器、滤波器、第一光纤耦合器和第二光纤隔离器，其中滤波器采用相位差光纤光栅和平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器两级级联结构，相位差光纤光栅包括两个光纤光栅串联形成法布里‑珀罗结构，用于粗略选择泵浦激光的纵向模式，平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器包括三个马赫增德尔滤波器，实现对粗略选择纵向模式后的泵浦激光进行纵模选择。本发明实现了超窄线宽和高稳定性激光输出。

Description

基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，特别涉及一种基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，可以应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感、材料技术以及高精度光谱等领域。
背景技术
激光器按工作物质主要分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和其他激光器，其他激光器中包括染料激光器、准分子激光器、化学激光器、自由电子激光器和光纤激光器，激光产生的基本思想是受激辐射的光放大，激光器基本结构包括泵浦源、工作物质和谐振腔，泵浦光源是形成粒子数反转的外部条件，工作物质是实现粒子数反转的内在因素，谐振腔提供选模和反馈作用。
其中，光纤激光器因其线宽窄、低噪声、抗电磁干扰、增益区长、能量密度高等优点受到广泛使用。现有光纤激光器中，按腔形结构可以分为线形腔和环形腔结构，其中线形腔可以通过使用重掺杂的掺杂光纤等作为增益介质，通过缩短腔长的方法保证大的纵模间隔，获得单纵模输出，但增益介质的线宽通常都比较宽，要实现单模输出，则要腔长非常短，这对光纤掺杂要求很高，而且输出功率低。对于环形腔结构，泵浦光经波分复用器耦合进环形腔内，经过掺杂光纤增益从而产生反转粒子，大量反转粒子发生受激辐射过程，受激辐射产生光，其中部分光又经耦合器再次进入环形腔内，如此反复，受激辐射出的光在环形腔内多次进行增益放大，有效利用了泵浦功功率。
针对环形腔结构的光纤激光器通常包括掺杂光纤、波分复用器、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器以及滤波器件，在光纤纤芯中掺入稀土离子，泵浦光通过光纤时，纤芯中的稀土离子吸收泵浦光，跃迁到上能级，产生粒子数反转，反转后的粒子在自发辐射光子或者特别注入的光子诱导下以受激辐射跃迁到激光下能级，同时发射出与诱导光子相同的光子，这样的过程雪崩般发生并产生激光，通过滤波器件对激光进行滤波，发射出线宽较窄激光。窄线宽激光器广泛应用精细测量领域，比如在激光外差探测系统中，激光线宽越窄则外差探测时系统分辨能力较好，以及在量子储存实验中，激光线宽越窄，则保真度越好，储存时间越长，再比如在光刻过程中，较宽的激光线宽会导致空间像对比度降低。目前为获得光纤激光器窄线宽的激光输出，国内外常用的技术主要集中在优化腔形结构，使用光纤光栅或光学梳状滤波器等滤波器件，运用饱和吸收体等来实现窄线宽激光输出。但存在以下问题：
在环形腔中加入一个窄带的滤波器实现窄线宽输出，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。同时，其它环形腔光纤激光器不能实现窄线宽要求主要是由于其中滤波器滤波功能不能满足窄线宽选择要求，因此造成环形腔光纤激光器输出线宽较宽。比如潘洪刚等，在《红外与激光工程》2014年第43卷第12期，发表了名称为“基于级联多模布拉格光栅和高精细度滤波器的可调谐双波长窄线宽掺铒光纤激光器”的文章，其中采用了级联多模光纤布拉格光栅作为第一级滤波器和光纤耦合器及掺铒光纤组成的精细滤波器作为第二级滤波器，得到了中心波长为1552.9nm和1553.3nm、线宽为0.05nm的激光输出，换算成频率宽度则为6.22GHz，线宽较宽。再比如申请公布号为CN 103208725 A，名称为“一种双向互易单纵模光纤环形腔激光器”的专利申请，公开了一种一种双向互易单纵模光纤环形腔激光器，其中采用窄带滤波器和精细滤波器进行了滤波，得到了中心波长1549.922nm、线宽为0.015nm的激光输出，换算成频率宽度则为1.87GHz，线宽较宽。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，用于解决现有光纤激光器存在的激光线宽较宽的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，包括泵浦源以及依次连接成环形结构的第一光纤波分复用器、第一掺杂光纤、第一光纤隔离器、第二光纤波分复用器、偏振控制器、滤波器、第一光纤耦合器和第二光纤隔离器，其中：
所述泵浦源，用于提供泵浦激光；
所述第一波分复用器，用于将泵浦激光耦合进第一掺杂光纤；
所述第一掺杂光纤，用于对泵浦激光进行增益；
所述第一光纤隔离器，用于对增益后的泵浦激光在激光系统空腔中向后传播的反射和散射光进行隔离；
所述第二波分复用器，用于对第一光纤隔离器未完全隔离的泵浦激光进行分离；
所述偏振控制器，用于对增益后的泵浦激光偏振方向进行控制；
所述第一光纤耦合器，用于通过一个输出端将滤波后的激光耦合进第二光纤隔离器中，通过另一个输出端将滤波后的激光输出；
所述第二光纤隔离器，用于对滤波后的激光在激光系统空腔中向后传播的反射和散射光进行隔离；
所述滤波器，采用相位差光纤光栅和平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器两级级联结构，所述相位差光纤光栅，包括两个光纤光栅串联形成法布里-珀罗结构，用于粗略选择泵浦激光的纵向模式；所述平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器，包括第一马赫增德尔滤波器、第二马赫增德尔滤波器和第三马赫增德尔滤波器，用于通过对三个马赫增德尔滤波器的梳状透射谱的相互叠加，实现对粗略选择纵向模式后的泵浦激光进行纵模选择，其中：
第一马赫增德尔滤波器，包括依次连接的第二光纤耦合器、环形器组件与第三光纤耦合器；
第二马赫增德尔滤波器，包括依次连接的第二光纤耦合器、环形器组件与第四光纤耦合器；
第三马赫增德尔滤波器，包括依次连接的第三光纤耦合器、环形器组件与第四光纤耦合器；
其中，环形器组件由并联的第一环形器和第二环形器组成；
所述第三光纤耦合器连接有饱和吸收体，该饱和吸收体由相互连接的第二掺杂光纤和光纤布拉格光栅构成，用于抑制粗略选择后的泵浦激光纵向模式跳变，并对粗略选择后的泵浦激光纵向模式进行选择。
由泵浦源发出泵浦激光，经过第一波分复用器耦合进光纤激光器的环形腔中，增益光纤对泵浦激光进行增益，再经第一光纤隔离器对增益后的泵浦激光在激光系统空腔中向后传播的反射和散射光进行隔离，然后通过第二波分复用器对第一光纤隔离器未完全隔离的泵浦激光进行分离，同时将增益后的泵浦激光传输到偏振控制器，偏振控制器对增益后的泵浦激光偏振方向进行控制并将其传输进滤波器中相位差光纤光栅进行粗略选择增益后的泵浦激光的纵向模式，接着进入第二光纤耦合器并分为两路经第一环形器和第二环形器并联组成的环形器组件传输进第三光纤耦合器和第四光纤耦合器，则由依次连接的第二光纤耦合器、环形器组件与第三光纤耦合器组成第一马赫增德尔滤波器并形成一个光学梳状谱对增益后的泵浦激光进行模式选择，同时依次连接的第二光纤耦合器、环形器组件与第四光纤耦合器组成第二马赫增德尔滤波器并形成一个光学梳状谱对增益后的泵浦激光进行模式选择，同时经第三光纤耦合器传输到由相互连接的第二掺杂光纤和光纤布拉格光栅构成的饱和吸收体，抑制了粗略选择后的泵浦激光纵向模式跳变，并对粗略选择后的泵浦激光纵向模式进行选择，同时将经饱和吸收体选择后的激光传输回第三光纤耦合器，随后经第三光纤耦合器并分为两路经两路经第一环形器和第二环形器并联组成的环形器组件传输进第四光纤耦合器，则由依次连接的第三光纤耦合器、环形器组件与第四光纤耦合器组成第三马赫增德尔滤波器并形成一个光学梳状谱对增益后的泵浦激光进行模式选择，至此三个马赫增德尔滤波器形成三个光学梳状谱都共同对增益后的泵浦激光进行模式选择，实现了窄带滤波，最终进入1×2的80:20的第四光纤耦合器，通过另一个20％输出端将滤波后的激光输出，通过另一个80％输出端将滤波后的激光耦合进第二光纤隔离器中，滤波后的激光经第二光纤耦合器对在激光系统空腔中向后传播的反射和散射光进行隔离后传输进第一波分复用器回到环形腔中，如此循环，实现超窄线宽和高稳定性激光输出。
上述基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，所述相位差光纤光栅，其两个光纤光栅的间隙小于一个布拉格波长。
上述基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，所述相位差光纤光栅和光纤布拉格光栅，其反射率为R∈(0,1)。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明的滤波器采用了相位差光纤光栅和平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器两级级联结构，其中相位差光纤光栅采用两个光纤光栅形成法布里-珀罗结构的相位差光纤光栅，只允许6到8个纵模起振，具有更好的纵模选择效果，平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器具有三个光学梳状谱，实现了超窄带滤波，与现有技术相比，有效降低了激光线宽的宽度，且制备方法简单，成本低。
2、本发明由于在平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器中的第三光纤耦合器上连接有饱和吸收体，可以抑制环形激光器由于环形腔掺杂光纤长度过长引起的模式跳变，实现了激光高稳定性输出。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明相位差光纤光栅的结构示意图；
图3是本发明激光纵模选择流程示意图；
图4是本发明无模式选择激光输出光谱图；
图5是本发明激光输出光谱图；
图6是本发明激光输出偏振极化图；
图7是本发明延迟自外差法测量线宽结果图；
图8是本发明激光稳定输出图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，应当理解，此处所描述具体事例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
参照图1，基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，包括泵浦源以及依次连接成环形结构的第一光纤波分复用器、第一掺杂光纤、第一光纤隔离器、第二光纤波分复用器、偏振控制器、滤波器、第一光纤耦合器和第二光纤隔离器，其中：
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，用于提供泵浦激光，半导体激光器具有泵浦效率高、寿命长热光畸变小、光束质量好、可靠性强、重量轻和结构简单的优点，这里采用400mW功率的半导体激光器产生980nm激光；
所述第一波分复用器，是波长为980/1550nm的双通道波分复用器，用于将980nm的激光耦合进第一掺杂光纤；
所述第一掺杂光纤，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)、饵(Er)、钬(Ho)、铥(Tm)、钐(Nd)、铬(Cr)、杉(Sm)、铋(Bi)中的一种或几种，这里采用饵掺杂光纤，饵掺杂光纤具有成本较低、工艺比较成熟的优点。第一掺铒光纤长为6m，在980nm波长处吸收为7dB/m，用于对980nm的激光进行增益；
所述第一光纤隔离器，中心波长1530nm，用于对增益后的泵浦激光在激光系统空腔中向后传播的反射和散射光进行隔离；
所述第二波分复用器，用于对第一光纤隔离器未完全隔离的泵浦激光进行分离；
所述偏振控制器，用于对增益后的泵浦激光偏振方向进行控制；
所述滤波器，采用相位差光纤光栅和平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器两级级联结构，所述相位差光纤光栅，如图2所示，包括两个光纤光栅串联形成法布里-珀罗结构，其中两个光纤光栅分别具有分布反馈结构，并且反射率都是99％，用于粗略选择泵浦激光的纵向模式，在1530nm附近选择出多个纵模；所述平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器，包括第一马赫增德尔滤波器、第二马赫增德尔滤波器和第三马赫增德尔滤波器，三个马赫增德尔滤波器臂长差依次为0.6m、0.35m和0.25m，三个马赫增德尔滤波器对应的透射光谱的自由光谱范围依次是345M、591M和827M，用于通过对三个马赫增德尔滤波器的梳状透射谱的相互叠加，实现对粗略选择纵向模式后的泵浦激光进行纵模选择，上述滤波器纵模选择示意图如图3所示，其中：
第一马赫增德尔滤波器，包括依次连接的第二光纤耦合器、环形器组件与第三光纤耦合器；
第二马赫增德尔滤波器，包括依次连接的第二光纤耦合器、环形器组件与第四光纤耦合器；
第三马赫增德尔滤波器，包括依次连接的第三光纤耦合器、环形器组件与第四光纤耦合器；
其中，环形器组件由并联的第一环形器和第二环形器组成；
以上的3个光纤耦合器都为1×2的50:50的3dB耦合器，
所述第三光纤耦合器连接有可饱和吸收体，该可饱和吸收体由相互连接的第二掺杂光纤和光纤布拉格光栅构成，第二掺杂光纤为0.5m长未泵浦的摻铒光纤，光纤布拉格光栅的带宽为0.03nm、反射率为99％，用于抑制粗略选择后的泵浦激光纵向模式跳变，并对粗略选择后的泵浦激光纵向模式进行选择。
所述第一光纤耦合器，是1×2的80:20的光纤耦合器，用于通过一个80％输出端将滤波后的激光耦合进第二光纤隔离器中，通过另一个20％输出端将滤波后的激光输出，其中未进行滤波器模式选择的激光纵模输出如图4所示，可以看出未进行模式选择时，有多个纵模起振。通过光电光谱仪测得输出光谱图如图5所示，可以看出经滤波器模式选择后只有一个纵模起振，滤波效果明显，通过极化分析仪测得输出极化程度如图6所示，可以看出输出激光偏振方向只有一个，极化程度高。为了测量环形激光器的超窄线宽，使用延迟自外差法，延迟光纤为20公里长，对应于103μs的延迟时间，由声光调制器器产生50MHz的频移，外差信号由放大宽度为3GHz的光检测器检测。外差信号由带宽为3GHz的光检测器检测，其中3dB带宽小于2.5kHz(半高全宽)，表示大约1.2kHz的激光线宽，如图7所示。同时将整个激光系统封装在我们的光学减震器上的隔离箱中，以避免光纤布拉格光栅的中心波长变化。其中，输出功率稳定性小于0.05％，泵功率效率约为15％，当泵浦从50mw增加到400mw，输出功率线性增加。整个激光器两个小时后稳定输出光谱图如图8所示，主波长功率变化小于0.2dB，稳定性很高。
所述第二光纤隔离器，用于对滤波后的激光在激光系统空腔中向后传播的反射和散射光进行隔离；
上述的基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，所述相位差光纤光栅，其两个光纤光栅的间隙小于一个布拉格波长。
上述的基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，所述相位差光纤光栅和光纤布拉格光栅，其反射率为R∈(0,1)。

Claims (3)

1.一种基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，包括泵浦源以及依次连接成环形结构的第一光纤波分复用器、第一掺杂光纤、第一光纤隔离器、第二光纤波分复用器、偏振控制器、滤波器、第一光纤耦合器和第二光纤隔离器，其中：
所述泵浦源，用于提供泵浦激光；
所述第一波分复用器，用于将泵浦激光耦合进第一掺杂光纤；
所述第一掺杂光纤，用于对泵浦激光进行增益；
所述第一光纤隔离器，用于对增益后的泵浦激光在激光系统空腔中向后传播的反射和散射光进行隔离；
所述第二波分复用器，用于对第一光纤隔离器未完全隔离的泵浦激光进行分离；
所述偏振控制器，用于对增益后的泵浦激光偏振方向进行控制；
所述第一光纤耦合器，用于通过一个输出端将滤波后的激光耦合进第二光纤隔离器中，通过另一个输出端将滤波后的激光输出；
所述第二光纤隔离器，用于对滤波后的激光在激光系统空腔中向后传播的反射和散射光进行隔离；
其特征在于：所述滤波器，采用相位差光纤光栅和平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器两级级联结构，所述相位差光纤光栅，包括两个光纤光栅串联形成法布里-珀罗结构，用于粗略选择泵浦激光的纵向模式；所述平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器，包括第一马赫增德尔滤波器、第二马赫增德尔滤波器和第三马赫增德尔滤波器，用于通过对三个马赫增德尔滤波器的梳状透射谱的相互叠加，实现对粗略选择纵向模式后的泵浦激光进行纵模选择，其中：
第一马赫增德尔滤波器，包括依次连接的第二光纤耦合器、环形器组件与第三光纤耦合器；
第二马赫增德尔滤波器，包括依次连接的第二光纤耦合器、环形器组件和第四光纤耦合器；
第三马赫增德尔滤波器，包括依次连接的第三光纤耦合器、环形器组件和第四光纤耦合器；
其中，环形器组件由并联的第一环形器和第二环形器组成；
所述第三光纤耦合器连接有饱和吸收体，该饱和吸收体由相互连接的第二掺杂光纤和光纤布拉格光栅构成，用于抑制粗略选择后的泵浦激光纵向模式跳变，并对粗略选择后的泵浦激光纵向模式进行选择。
2.根据权利要求1所述的基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，其特征在于，所述相位差光纤光栅，其两个光纤光栅的间隙小于一个布拉格波长。
3.根据权利要求1所述的基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，其特征在于，所述相位差光纤光栅和光纤布拉格光栅，其反射率为R∈(0,1)。
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