CN108493752B - 一种实现光纤激光器波长调谐的方法与可调谐光纤激光器 - Google Patents

一种实现光纤激光器波长调谐的方法与可调谐光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实现光纤激光器波长调谐的方法，以及波长可调谐的光纤激光器，在稀土掺杂光纤激光器的谐振腔内引入一对偏心的陶瓷插芯光纤接头，并对其中一个陶瓷插芯施加损耗调节装置以旋转陶瓷套筒中的陶瓷插芯光纤接头，改变两个陶瓷插芯光纤接头之间的激光耦合效率，从而调节激光谐振腔内的损耗，最终达到改变输出激光波长的目的。本发明能产生波长连续可调的激光，适用性广，不局限于某个特定的激光波长或某种特定的稀土掺杂增益光纤，并且不改变光纤激光器谐振腔本身的结构，因此有利于实现结构紧凑、操作简单、成本低廉的波长可调谐的光纤激光器。

Description

一种实现光纤激光器波长调谐的方法与可调谐光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，更具体地说，涉及一种实现光纤激光器波长调谐的方法，以及一种波长可调谐的光纤激光器。
背景技术
可调谐激光器是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。尤其是波长可调谐的光纤激光器，因为其具有结构紧凑、成本低、稳定性好等优点，在波分复用系统、分布式光纤传感系统、微波光子技术等方面具有很好的应用价值。因此，实现波长稳定可调谐的光纤激光输出具有重要意义。
大多数可调谐激光器都使用具有宽的荧光谱线的工作物质，而构成激光器的谐振腔只在很窄的波长范围内才有很低的损耗。因此，实现激光波长调谐的原理大致有三种，第一种是通过旋转光栅角度来选择衍射波长，从而改变谐振腔低损耗波长，实现激光波长的调谐。第二种是通过改变某些外界参数(如电场、磁场、温度等)使光带通滤波器的滤波波长发生变化，并将之插入激光谐振腔中实现激光波长的调谐。第三种是利用非线性效应(如非线性光学、受激喇曼散射、光二倍频，光参量振荡)实现波长的变换和调谐。
目前，国内外针对可调谐光纤激光器相关领域开展了多年的研究，并取得了一定的研究成果，如利用M-Z滤波、Sagnac结构、光子晶体光纤、级联光纤光栅、光纤非线性效应等技术手段均能够实现波长可调谐的激光输出。然而，大多数报道的波长可调谐光纤激光器都需要在激光器的谐振腔中加入各种调谐激光波长的光学器件或结构，从而使激光器原有的结构复杂化，并且导致激光系统成本增加，工作稳定性降低。另外，传统的激光波长调谐器件一般只能工作在固定的波段范围，不具有普适性，从而在实际应用中受到了一定的局限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够在不改变光纤激光器谐振腔本身结构的基础上产生波长连续可调激光的方法，以及一种波长可调谐的光纤激光器。相对于只能工作在特定激光波段的传统激光波长调谐技术，本发明提出的新方法可以在任意波段内实现光纤激光器波长的连续调谐。
本发明的技术方案如下：
一种实现光纤激光器波长调谐的方法，通过相对旋转来调节一对偏心光纤接头连接处的耦合效率，改变谐振腔的损耗水平，进而改变谐振腔内稀土离子掺杂光纤的增益峰值波长，使输出激光波长发生相应程度的改变，实现光纤激光器波长的调谐。
作为优选，在腔内光纤的任意位置处设置一对偏心的陶瓷插芯光纤接头，陶瓷插芯光纤接头之间通过套筒对接，使光路接通；通过使两个陶瓷插芯光纤接头之间发生相对旋转，改变陶瓷插芯光纤接头内的光纤纤芯的重合程度，进而改变激光经过陶瓷插芯光纤接头连接处的耦合效率，调节谐振腔内的损耗水平。
作为优选，当谐振腔的损耗水平变大，腔内光纤中包含的增益光纤中的激光重吸收作用变弱，则输出的激光波长变短；当谐振腔的损耗水平变小，增益光纤中的激光重吸收作用变强，则输出的激光波长变长。
作为优选，激光器的谐振腔具有宽波段反馈特性，提供的反馈覆盖增益光纤掺杂的稀土离子的增益带范围。
作为优选，陶瓷插芯光纤接头设置有损耗调节装置，用于旋转陶瓷插芯光纤接头，调节两个陶瓷插芯光纤接头内的光纤纤芯的重合程度。
一种波长可调谐的光纤激光器，基于所述的实现光纤激光器波长调谐的方法，包括激光泵浦源、谐振腔、稀土掺杂离子的增益光纤；谐振腔内光纤的任意位置处设置一对偏心的陶瓷插芯光纤接头，陶瓷插芯光纤接头之间通过套筒接通光路。
作为优选，陶瓷插芯光纤接头设置有损耗调节装置，损耗调节装置为用于旋转陶瓷插芯光纤接头的器件。
作为优选，光纤激光器的谐振腔是线形腔、环形腔、折叠腔或“8”字形腔，并且具有宽波段反馈特性。
作为优选，如果谐振腔为线形腔，则谐振腔的输入镜与输出镜为包括光纤端面反射镜、光纤环形镜、镀膜玻片的宽带反射器件，并覆盖增益光纤中掺杂的稀土离子的增益带范围。
作为优选，激光器所使用的增益光纤是掺杂任意稀土离子于任意基质材料而具有光学增益的光纤，并且激光器工作在相应激光波长。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的实现光纤激光器波长调谐的方法，以及波长可调谐的光纤激光器，在稀土掺杂光纤激光器的谐振腔内引入一对偏心的陶瓷插芯光纤接头，并对其中一个陶瓷插芯施加损耗调节装置以旋转陶瓷套筒中的陶瓷插芯光纤接头，改变两个陶瓷插芯光纤接头之间的激光耦合效率，从而调节激光谐振腔内的损耗，最终达到改变输出激光波长的目的。本发明能产生波长连续可调的激光，适用性广，不局限于某个特定的激光波长或某种特定的稀土掺杂增益光纤，并且不改变光纤激光器谐振腔本身的结构，因此有利于实现结构紧凑、操作简单、成本低廉的波长可调谐的光纤激光器。
本发明所述的实现光纤激光器波长调谐的方法，关键在于旋转陶瓷套筒中的陶瓷插芯光纤接头来改变两个光纤接头之间的激光耦合效率，从而调节谐振腔内的损耗水平。当谐振腔的损耗发生改变，谐振腔内的激光强度也会随之改变，进而对谐振腔内的稀土离子掺杂的增益光纤中的激光重吸收作用产生影响，激光重吸收作用在一定程度上决定了输出激光波长的长短。基于此，可以通过调节谐振腔损耗来实现输出激光波长的调谐。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是光纤纤芯重合的示意图；
图3是具体实施例中激光波长调谐的光谱数据图；
图中：10是激光泵浦源，11是输入镜，12是腔内光纤，13是陶瓷插芯光纤接头，14是陶瓷套筒，15是输出镜，16是损耗调节装置。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明提供了一种用于实现光纤激光器波长调谐的全新技术思路，能够产生波长连续可调的激光，适用性广，不局限于某个特定的激光波长或某种特定的稀土掺杂增益光纤，并且不改变光纤激光器谐振腔本身的结构，进而有利于实现结构紧凑、操作简单、成本低廉的波长可调谐的光纤激光器。
本发明所述的实现光纤激光器波长调谐的方法，通过相对旋转来调节一对偏心光纤接头连接处的耦合效率，改变谐振腔内的损耗水平，进而改变谐振腔内的稀土离子掺杂增益光纤的增益峰值波长，使输出激光波长发生相应程度的改变，实现光纤激光器波长的调谐。当谐振腔的损耗水平变大，谐振腔内的激光强度变小，增益光纤中的激光重吸收作用变弱，则输出的激光波长变短；当谐振腔的损耗水平变小，谐振腔内的激光强度变大，增益光纤中的激光重吸收作用变强，则输出的激光波长变长。基于此，可以通过调节谐振腔损耗来实现输出激光波长的调谐。
本发明改变谐振腔内的损耗水平的方法为，在激光谐振腔内光纤12的任意位置处设置一对偏心的陶瓷插芯光纤接头13，陶瓷插芯光纤接头13之间通过陶瓷套筒对接，使光路接通；通过使两个陶瓷插芯光纤接头13之间发生相对旋转，改变陶瓷插芯光纤接头13内的光纤纤芯的重合程度，进而改变激光经过陶瓷插芯光纤接头13连接处的耦合效率，调节谐振腔内的损耗水平。激光器的谐振腔应具有宽波段反馈特性，提供的反馈能覆盖增益光纤掺杂的稀土离子的增益带范围。
如图1、图2所示，本实施例中，在腔内光纤12中设置一对偏心的陶瓷插芯光纤接头13，即该处的光纤在陶瓷插芯光纤接头13内呈偏心的状态。陶瓷插芯光纤接头13之间通过陶瓷套筒14对接，使光路接通。
由于陶瓷插芯光纤接头13内的光纤纤芯是偏心的，则本实施例中，将陶瓷插芯光纤接头13安装在损耗调节装置16上，通过损耗调节装置16使陶瓷插芯光纤接头13发生相对旋转，改变陶瓷插芯光纤接头13内的光纤纤芯的径向距离，进而改变光纤纤芯的重合程度；即可改变两个陶瓷插芯光纤接头13之间激光的耦合效率，从而改变谐振腔内的损耗水平，谐振腔内的损耗水平的改变会影响稀土掺杂增益光纤中激光重吸收作用的强度。激光重吸收作用的强度发生变化后，输出激光的波长也将改变，从而达到光纤激光器波长调谐的目的。本实施例采用本发明提出的新方法实现了运转在3微米波段的波长连续可调的掺钬光纤激光器。
基于所述的方法，本发明还提供一种波长可调谐的光纤激光器，如图1、图2所示，包括激光泵浦源10、谐振腔、稀土掺杂离子的增益光纤；谐振腔内光纤12的任意位置处设置一对偏心的陶瓷插芯光纤接头13，陶瓷插芯光纤接头13之间通过套筒接通光路。
本实施例中，泵浦光由激光泵浦源10产生，激光泵浦源10是工作于1.15微米波段的激光器。
光纤激光器的谐振腔可以是线形腔、环形腔、折叠腔、“8”字形腔等任何一种类型，并且应具有宽波段反馈特性。如果谐振腔为线形腔，则谐振腔的输入镜11与输出镜15是包括光纤端面反射镜、光纤环形镜、镀膜玻片等在内的宽带反射器件，并能覆盖增益光纤中掺杂的稀土离子的增益带范围。
本实施例中，激光器产生的1.15微米泵浦光经过谐振腔的输入镜11进入腔内光纤12，输入镜11可以是包括光纤端面反射镜、光纤环形镜、镀膜玻片等在内的任何对波长为1.15微米的泵浦光具有高透过率、对腔内产生的3微米激光具有高反射率的宽带反射器件，本实施例中采用的是光纤端面反射镜。
腔内光纤12中包含的增益光纤可以是掺杂任意稀土离子(如Yb3+，Pr3+，Er3+，Tm3+，Ho3+，Dy3+等)于任意基质材料(如石英、氟化物、硫化物、碲化物等)而具有光学增益的光纤，并且激光器工作在相应激光波长。由于需要实现波长可调谐，通常使用宽带增益型的掺杂离子，如Ho3+，Er3+等。
本实施例中，使用的增益光纤是掺杂了Ho3+的氟化物光纤。增益光纤在泵浦光的激励下产生激光，激光在输入镜11与输出镜15之间不断反射，从而在谐振腔内形成振荡，这个过程中，激光需要反复通过安装在谐振腔内光纤12上的陶瓷插芯光纤接头13。输出镜15可以是包括光纤端面反射镜、光纤环形镜、镀膜玻片等在内的任何对腔内产生的3微米激光具有部分反射率的宽带反射器件，本实施例中采用的是光纤端面反射镜。
本实施例中，陶瓷插芯光纤接头13位于在增益光纤与输出端面镜尾纤的连接处。陶瓷插芯光纤接头13原则上可以在谐振腔内光纤12的任意位置引入，只要二者在谐振腔内即可。
本实施例中，将陶瓷插芯光纤接头13插入同一个陶瓷套筒14，陶瓷套筒14的内径与陶瓷插芯光纤接头13的外径匹配，并能有效固定陶瓷插芯光纤接头13的相对位置。当陶瓷插芯光纤接头13在陶瓷套筒14内对接，二者中包含的光纤端面足够接近并且足够重合的时候，谐振腔内的激光就能以一定的效率从其中一个陶瓷插芯光纤接头13耦合进入另一个。同时，耦合效率影响着谐振腔内的损耗水平。如前所述，使用的陶瓷插芯光纤接头13都是偏心的，因此，陶瓷插芯光纤接头13之间不同的相对角度对应了两者内部光纤纤芯之间不同的径向距离，光纤纤芯之间径向距离不同，纤芯的重合程度就不同，谐振腔内激光的耦合效率和谐振腔损耗也就不同。通过改变光纤接头13处的激光耦合效率来调节谐振腔损耗。
陶瓷插芯光纤接头13设置有损耗调节装置16，损耗调节装置16为用于旋转陶瓷插芯光纤接头的器件，即可以是任何能够使陶瓷插芯光纤接头13在陶瓷套筒14中发生微小角度旋转的装置，如旋转位移台等。原则上，损耗调节装置16可以与陶瓷插芯光纤接头13二者中的任意一个机械连接。由于使用的陶瓷插芯光纤接头13都是偏心的，因此可以通过损耗调节装置16旋转陶瓷插芯光纤接头13，来精确调整两者中光纤纤芯之间的径向距离与重合程度，改变激光经过二者连接处时的耦合效率，起到调节谐振腔内损耗水平的作用。谐振腔内损耗水平的改变将会影响增益光纤中重吸收作用的强度，从而使输出激光波长发生一定程度的改变，即可实现光纤激光器波长的调谐。本实施例以人手作为损耗调节装置16，采用手动旋转的方式来调节陶瓷插芯光纤接头13之间的耦合效率，改变激光谐振腔内的损耗，并实现了掺钬光纤激光器在3微米波段的波长调谐。本实施例中，最终获得的激光波长调谐光谱如图3所示。
本实施例中的相关数据证明了本发明所提出的用于光纤激光器波长调谐的新方法具有切实有效的可行性。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种实现光纤激光器波长调谐的方法，其特征在于，通过相对旋转来调节一对偏心光纤接头连接处的耦合效率，改变谐振腔的损耗水平，进而改变谐振腔内稀土离子掺杂光纤的增益峰值波长，使输出激光波长发生相应程度的改变，实现光纤激光器波长的调谐。
2.根据权利要求1所述的实现光纤激光器波长调谐的方法，其特征在于，在腔内光纤的任意位置处设置一对偏心的陶瓷插芯光纤接头，陶瓷插芯光纤接头之间通过套筒对接，使光路接通；通过使两个陶瓷插芯光纤接头之间发生相对旋转，改变陶瓷插芯光纤接头内的光纤纤芯的重合程度，进而改变激光经过陶瓷插芯光纤接头连接处的耦合效率，调节谐振腔内的损耗水平。
3.根据权利要求1所述的实现光纤激光器波长调谐的方法，其特征在于，当谐振腔的损耗水平变大，腔内光纤中包含的增益光纤中的激光重吸收作用变弱，则输出的激光波长变短；当谐振腔的损耗水平变小，增益光纤中的激光重吸收作用变强，则输出的激光波长变长。
4.根据权利要求2所述的实现光纤激光器波长调谐的方法，其特征在于，激光器的谐振腔具有宽波段反馈特性，提供的反馈覆盖增益光纤掺杂的稀土离子的增益带范围。
5.根据权利要求2所述的实现光纤激光器波长调谐的方法，其特征在于，陶瓷插芯光纤接头设置有损耗调节装置，用于旋转陶瓷插芯光纤接头，调节两个陶瓷插芯光纤接头内的光纤纤芯的重合程度。
6.一种波长可调谐的光纤激光器，其特征在于，基于权利要求1至5任一项所述的实现光纤激光器波长调谐的方法，包括激光泵浦源、谐振腔、稀土掺杂离子的增益光纤；谐振腔内光纤的任意位置处设置一对偏心的陶瓷插芯光纤接头，陶瓷插芯光纤接头之间通过套筒接通光路。
7.根据权利要求6所述的波长可调谐的光纤激光器，其特征在于，陶瓷插芯光纤接头设置有损耗调节装置，损耗调节装置为用于旋转陶瓷插芯光纤接头的器件。
8.根据权利要求6所述的波长可调谐的光纤激光器，其特征在于，光纤激光器的谐振腔是线形腔、环形腔、折叠腔或“8”字形腔，并且具有宽波段反馈特性。
9.根据权利要求8所述的波长可调谐的光纤激光器，其特征在于，如果谐振腔为线形腔，则谐振腔的输入镜与输出镜为包括光纤端面反射镜、光纤环形镜、镀膜玻片的宽带反射器件，并覆盖增益光纤中掺杂的稀土离子的增益带范围。
10.根据权利要求6所述的波长可调谐的光纤激光器，其特征在于，激光器所使用的增益光纤是掺杂任意稀土离子于任意基质材料而具有光学增益的光纤，并且激光器工作在相应激光波长。
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