CN108539566A - 一种双波长全光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双波长全光纤激光器，包括激光腔、泵浦激光、激光腔输入端光纤、以及激光腔输出端光纤，以所述激光腔输入端光纤所在为前端，激光腔内依顺序设置由光纤相连接的第一光纤布拉格光栅反射器、有源光纤和第二光纤布拉格光栅反射器；所述第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器均由光纤布拉格光栅的三阶与二阶谐波反射实现1.06微米光波段和1.55微米光波段的双波长光反馈，且所述光纤布拉格光栅都为IIa型光栅；所述双波长全光纤激光器从激光腔输出端光纤同时输出1.06微米和1.55微米波段激光。本发明的双波长全光纤激光器结构紧凑、成本低、制作效率高，且实现方法简单。

Description

一种双波长全光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光领域，特别是一种具有可以实现在1.06微米和1.55微米光波段同时实现激光输出的双波长全光纤激光器。
背景技术
多波长光纤激光器凭借着其多个波长激光输出、窄线宽、高信噪比以及全光纤结构，在波分复用系统、光纤传感、光学仪器系统检测、高分辨光谱学以及微波光子学等领域具有较大的发展前景，近年来得到了持续的关注。通常来讲，多波长光纤激光器有两个必备条件：1)光纤提供的增益可以同时覆盖所设计的多个波长；2)在光纤结构中具有相应的波长选择器件或者结构。
不同波长的激光具有不同的特点与应用。例如：1.06微米光波段激光被广泛应用于激光加工、相干光测量(如：LIGO引力波天文台)，同时由于其位于第二生物组织学近红外窗口，在生物医学诊疗领域具有极其重要的应用价值。1.55微米波段激光，由于其位于光通信领域的常规低损耗波段(C波段)，是光纤通信网络的主干信号源，而且其对于皮肤病治疗有着显著的意义。因此，光纤激光器如果具备在1.06微米以及1.55微米跨波段同时输出的能力，将会在通信、传感测量以及生物医疗领域发挥重要的作用。
为了实现上述功能，来自芬兰坦佩雷理工大学的M.Ruso等人，采用级联一段50厘米的掺铒光纤和一段70厘米的掺镱光纤完成双波段增益，同时结合两个具有不同反射波长的半导体可饱和吸收镜，分别对上述两个波段光反馈，实现了发射于1.06/1.55微米的双波长锁模激光器(Optics Letters,29,2246,2004)。这种方法的增益光纤和波长选择/反馈器件各自独立，对激光器的一体性、紧凑型和可集成性提出了挑战。
铒镱共掺有源光纤的出现，为增益光纤的一体化带来了便利。结合铒镱共掺有源光纤，法国CNRS的J.Boullet等人利用对应于分立式的两个空间反射镜(Optics Express,14,3936,2006)，马来西亚马来亚大学的Z.Jusoh等人采取两个不同周期的级联光纤布拉格光栅(Ukrainian Journal of Physical Optics,15,118,2014),中国深圳大学C.Guo等人采用两个不同环形腔结构(IEEE Photonics Journal,9,1502609,2017)，分别实现了1.06/1.55微米双波长全光纤激光器。
然而，上述报道依旧需要两个相互独立的光反馈结构来实现谐振与波长选择，而且所需有源光纤的长度都在1米以上，难以满足进一步缩小激光器尺寸、简化制作过程以及降低成本的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种具有制作简单、结构紧凑的双波长全光纤激光器，以此实现1.06微米和1.55微米波段激光同时输出。
为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：
一种双波长全光纤激光器，包括激光腔、泵浦激光、激光腔输入端光纤、以及激光腔输出端光纤，以所述激光腔输入端光纤所在为前端，激光腔内依顺序设置由光纤相连接的第一光纤布拉格光栅反射器、有源光纤和第二光纤布拉格光栅反射器；第一和第二光纤布拉格光栅反射器用于构成光反馈谐振腔；所述有源光纤用于提供双波长的增益；
所述泵浦激光通过激光腔输入光纤输入激光腔内,实现对有源光纤的泵浦,达到对1.06微米波段和1.55微米波段的双波段光增益，所述第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器构成光谐振腔，实现对双波段的增益光反馈，最后通过激光腔输出端光纤，完成1.06微米波段激光和1.55微米波段激光的同时输出；所述第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器均由光纤布拉格光栅的三阶与二阶谐波反射实现1.06微米光波段和1.55微米光波段的双波长光反馈，且所述光纤布拉格光栅都为IIa型光栅。
作为优选的技术方案，所述第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器均是采用准分子激光器结合相位掩膜板法写制，对所述有源光纤直接进行曝光，实现周期性折射率调制；所述准分子激光器采用193纳米紫外准分子激光器；所述相位掩膜板，其周期为C+L波段光栅所设计，通过改变相位掩膜板的周期来实现光栅反射波长的调谐。
作为优选的技术方案，所述第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器写制于光纤上，用于写制布拉格光栅的光纤长度为3-25毫米，纤芯直径必须小于3微米，纤芯锗离子含量大于10％。
作为优选的技术方案，所述有源光纤采用铒镱共掺光纤，即纤芯同时掺杂镱离子和铒离子，为1.06微米和1.55微米波段同时提供增益。
作为优选的技术方案，所述有源光纤的纤芯与包层的直径要与第一、第二光纤布拉格光栅反射器相匹配，且所述有源光纤的长度为8-20厘米。
作为优选的技术方案，所述泵浦激光的输出波段为铒镱离子的共同的吸收波段。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
(1)本发明所采用的光纤布拉格光栅反射器，通过自身二阶和三阶谐波反射，一次单个反射器便可以同时为1.06微米和1.55微米波段提供高效地光反馈能力。
(2)本发明所采用的光纤布拉格光栅反射器的双波长谐振反射都为IIa型，具有高稳定性和极端环境耐受力。
(3)本发明所采用的光纤布拉格光栅反射器仅通过C波段相位掩膜版一次制作便可以完成，制作效率高，实现方法简单。
(4)本发明的1.06/1.55微米双波长全光纤激光器，利用单一泵浦，而且可以将增益光纤长度压缩至10厘米以下，从而实现结构紧凑、降低成本的目的。
附图说明
图1是本实施例的双波长全光纤激光器的结构示意图，附图标记：1-激光腔；2a-第一光纤布拉格光栅反射器；2b-第二光纤布拉格光栅反射器；3-有源光纤；4-泵浦激光；5-激光腔输入端光纤；6-激光腔输出端光纤；7-1.06微米波段激光；8-1.55微米波段激光。
图2是本实施例中，同时具备双波段反射的光纤布拉格光栅在193nm准分子激光结合C波段相位掩膜板进行写制过程中，光栅传输光谱典型生长衍化形式。
图3是本实施例中的光纤布拉格光栅的特征传输谱线，以及其作为反射器所构成的分布布拉格反馈式光纤激光器的双波长激光输出谱线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限于本发明。
实施例
如图1所示，一种双波长全光纤激光器，包括激光腔1、泵浦激光4、激光腔输入端光纤5、以及激光腔输出端光纤6，以所述激光腔输入光纤6所在为前端，激光腔1内依次设置由光纤相连接的第一光纤布拉格光栅反射器2a、有源光纤3和第二光纤布拉格光栅反射器2b；所述双波长全光纤激光器从激光腔输出端光纤6同时输出1.06微米波段激光7和1.55微米波段激光8；
在本实施中，所述泵浦激光4的波长为980纳米，为铒镱离子的共同泵浦吸收波段，只要满足铒镱离子共同泵浦吸收波段都适用于本实施例；
所述有源光纤3采用铒镱共掺光纤，即纤芯同时掺杂镱离子和铒离子，为1.06微米和1.55微米波段同时提供增益；此外，所述有源光纤3的纤芯与包层的直径要与两个光纤布拉格光栅反射器相匹配，且所述有源光纤的长度为8-20厘米；
在本实施例中，两个光纤布拉格光栅反射器2a和2b都本征具有三阶与二阶谐波强反射，可以同时实现对1.06微米和1.55微米波段双波段光反馈，且传输谱线相同，波长匹配，每个光栅在上述双波段的反射都大于96％；2a和2b对4所发出的泵浦激光无损耗透射；
所述两个光纤布拉格光栅反射器写制于光纤之上，所述光纤的参数为：长度为3-25毫米，纤芯为2微米，包层为125微米，纤芯的锗离子掺杂浓度为10％及以上；只要纤芯小于3微米，且满足纤芯的锗离子掺杂浓度的光纤都适用于本实施例。
所述两个光纤布拉格光栅反射器的制作方法是：均采用准分子激光器结合相位掩膜板，对所述有源光纤直接进行曝光，实现周期性折射率调制；
所述准分子激光器采用193纳米紫外准分子激光器，准分子激光的重复频率设置为200赫兹，激光单位能量为120毫焦耳/平方厘米，避免额外的光纤载氢等增敏手段实现直接刻写，同时可以提供较大的空间Talbot长度；
所述相位掩膜板，其周期为C+L波段光栅所设计，可以通过改变相位掩膜板的周期来实现光栅反射波长的调谐。
本实施例的双波长全光纤激光器的工作原理：泵浦激光通过激光腔输入光纤输入激光腔内,实现对有源光纤的泵浦,达到对1.06微米波段和1.55微米波段的双波段光增益，而第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器构成光谐振腔，实现对上述双波段的增益光反馈，最后通过激光腔输出端光纤，完成1.06微米波段激光和1.55微米波段激光的同时输出。
如图2所示，所述两个光纤布拉格光栅发射器的光纤布拉格光栅在制作过程中典型的传输光谱生长衍化特征，衍化方向从下至上，途中每个曲线中的数字为曝光时间，为“10秒”至“210秒”。首先，二阶谐波反射信号，即1.55微米波段反射峰以I型光栅特征生长，达到10秒时，光栅达到饱和，反射率约为3.5分贝，随后光栅开始衰退，次生反射峰开始从光谱上显现出来，位于初生光栅短波长方向，随着原始初生光栅的不断消退，在长波长方向会出现一个新的反射峰，为“45秒”谱线所示。新的长波长反射峰型光栅，反射率不断增大的同时反射波长向短波方向漂移，体现折射率负变化，即IIa型生长特征，而次生反射峰反射率继续增强并向长波方向移动或波长恒定，最终与不断波长蓝移的新长波长反射峰相叠加，为“90秒”谱线所示。随后，相叠加的1.55微米波段反射峰不断增长并蓝移，体现为IIa型生长特征，最终其反射率可达到30分贝以上(99.9％)。在1.55微米波段反射峰生长衍化过程中，三阶谐波反射信号，即1.06微米波段反射峰反射率始终增长并不断蓝移，体现为IIa型生长特征，最终其反射率可达到20分贝以上(99％)。此实施例所述的光纤布拉格光栅由于其具备三阶与二阶谐波高反射，可以达到在1.06微米和1.55微米波段双波段同时反馈的目的。
如图3所示为所述两个光纤布拉格光栅发射器的光纤布拉格光栅的传输光谱，以及所对应的分布布拉格反馈双波长激光器的输出光谱。所述两个光纤布拉格光栅发射器的的光纤布拉格光栅为图3中的光栅1时：光栅1采用的相位掩膜版周期为1067nm，其三阶与二阶谐波反射率分别为15分贝(96.8％)和25分贝(99.6％),反射波长分别为：1046nm和1550nm。所采用的铒镱共掺光纤长度为15厘米，所实现双波长激光(激光1)的输出功率为：-6.4dBm以及-38.5dBm，输出波长分别为为1046nm和1550nm。
所述两个光纤布拉格光栅发射器的光纤布拉格光栅为图3中的光栅2时：光栅2采用的相位掩膜版周期为1057nm，三阶与二阶谐波反射率分别为15分贝(96.8％)和25分贝(99.6％),反射波长分别为：1036.5nm和1536nm，由于其反射波长分别位于镱离子和铒离子的高增益窗口，因此，仅采用8cm铒镱共掺光纤，便可以实现双波长激光(激光2)的输出，输出功率为：-2.3dBm以及-23dBm，输出波长分别为为1036.5nm和1536nm。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (6)

1.一种双波长全光纤激光器，包括激光腔、泵浦激光、激光腔输入端光纤、以及激光腔输出端光纤，其特征在于，以所述激光腔输入端光纤所在为前端，激光腔内依顺序设置由光纤相连接的第一光纤布拉格光栅反射器、有源光纤和第二光纤布拉格光栅反射器；第一和第二光纤布拉格光栅反射器用于构成光反馈谐振腔；所述有源光纤用于提供双波长的增益；
所述泵浦激光通过激光腔输入光纤输入激光腔内,实现对有源光纤的泵浦,达到对1.06微米波段和1.55微米波段的双波段光增益，所述第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器构成光谐振腔，实现对双波段的增益光反馈，最后通过激光腔输出端光纤，完成1.06微米波段激光和1.55微米波段激光的同时输出；所述第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器均由光纤布拉格光栅的三阶与二阶谐波反射实现1.06微米光波段和1.55微米光波段的双波长光反馈，且所述光纤布拉格光栅都为IIa型光栅。
2.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器均是采用准分子激光器结合相位掩膜板法写制，对所述有源光纤直接进行曝光，实现周期性折射率调制；所述准分子激光器采用193纳米紫外准分子激光器；所述相位掩膜板，其周期为C+L波段光栅所设计，通过改变相位掩膜板的周期来实现光栅反射波长的调谐。
3.根据权利要求2所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅反射器和第二光纤布拉格光栅反射器写制于光纤上，用于写制布拉格光栅的光纤长度为3-25毫米，纤芯直径必须小于3微米，纤芯锗离子含量大于10％。
4.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述有源光纤采用铒镱共掺光纤，即纤芯同时掺杂镱离子和铒离子，为1.06微米和1.55微米波段同时提供增益。
5.根据权利要求4所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述有源光纤的纤芯与包层的直径要与第一、第二光纤布拉格光栅反射器相匹配，且所述有源光纤的长度为8-20厘米。
6.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述泵浦激光的输出波段为铒镱离子的共同的吸收波段。
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