CN108808432A - 一种基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器及其工作方法 - Google Patents

一种基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器及其工作方法。本发明所述激光器包括沿光路设置的泵浦激光器、波分复用器、YAG‑SiO2掺杂光纤、第一光纤环形器、偏振控制器、第二光纤环形器、YAG‑SiO2光纤、可变光衰减器和法拉第旋转镜；所述第一光纤环形器还连接有高反射率光纤布拉格光栅；所述第二光纤环形器的输出端还连接有光纤耦合器，光纤耦合器的一个输出端与波分复用器连接，光纤耦合器的另一个输出端为整个激光器的输出端；所述波分复用器、YAG‑SiO2掺杂光纤、第一光纤环形器、偏振控制器、第二光纤环形器和光纤耦合器共同构成环形腔。

Description

一种基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器及其工作方法，属于光纤激光器的技术领域。
背景技术
高功率窄线宽单频光纤激光器可以在实现高输出功率的同时，保证激光具有良好的时间、空间相干性，噪声低，结构紧凑，光束质量好等优点，在工业生产、科学研究及国防等均有着重要的应用。例如，高功率窄线宽单频光纤激光器可应用于光束合成、激光雷达、引力波探测、光纤通信、非线性频率转换、光电对抗等领域。
在高功率单频光纤激光器的产生过程中，由于具有光纤的纤芯面积小、长度长的特点，使得激光在光纤中放大时容易产生受激布里渊散射等非线性效应，其产生的斯托克斯光容易对激光器元件产生损伤，因而极大影响了激光器的输出功率。利用受激瑞利反向散射作为线宽压窄机制可以将单纵模光纤激光器的线宽压缩到1kHz以下。而在高功率的光纤激光器中，受激布里渊增益因子比受激瑞利散射的增益因子大两个数量级，且受激瑞利散射的增益带宽较小，因而极易被掩埋在增益带宽较宽的受激布里渊散射增益谱中。因此，要实现高功率窄线宽单频光纤激光器需要有效提高光纤的受激布里渊散射散射阈值。
目前提高光纤的受激布里渊阈值，常采用的方法为在光纤上进行分段拉锥，减小增益光纤长度等。例如中国专利，公开号CN105958314A公开的单纵模窄线宽布里渊激光器就是利用拉锥的级联形成受激瑞利散射，从而实现对激光器线宽的压缩。分段拉锥的方法不仅制作工艺复杂，而且经过拉锥后的非均匀光纤稳定性下降，传输损耗增大。为了累积受激瑞利散射通常会使用百米量级的非均匀光纤，这极大地限制了激光器的性能。
而减小增益光纤长度的方法，虽然可以降低阈值，但是由于目前常用的石英基质增益光纤受限于稀土离子的浓度淬灭效应，其掺杂浓度水平无法进一步提升,因而泵浦吸收系数普遍偏低,减小增益光纤的长度也会减小激光的转换效率，影响其输出功率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器。
本发明还提供一种上述高功率窄线宽光纤激光器的工作方法。
本发明的技术方案为：
一种基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，包括沿光路设置的泵浦激光器、波分复用器、YAG-SiO2掺杂光纤、第一光纤环形器、偏振控制器、第二光纤环形器、YAG-SiO2光纤、可变光衰减器和法拉第旋转镜；所述第一光纤环形器还连接有高反射率光纤布拉格光栅；所述第二光纤环形器的输出端还连接有光纤耦合器，光纤耦合器的一个输出端与波分复用器连接，光纤耦合器的另一个输出端为整个激光器的输出端；所述波分复用器、YAG-SiO2掺杂光纤、第一光纤环形器、偏振控制器、第二光纤环形器和光纤耦合器共同构成环形腔。
根据发明优选的，所述YAG-SiO2掺杂光纤的纤芯为SiO2与稀土离子掺杂的钇铝石榴石YAG混合构成；掺杂的稀土离子为Yb3+、Cr3+、Er3+、Tm3+中任意一种或Er3+/Yb3+共掺杂离子；稀土离子在纤芯中为均匀掺杂，稀土离子掺杂浓度大于1×1020ions/cm3；所述YAG-SiO2光纤的纤芯为钇铝石榴石YAG和SiO2混合构成。SiO2与稀土离子掺杂的钇铝石榴石YAG混合比例大于90％；SiO2与钇铝石榴石YAG的混合比例也大于90％。
根据发明优选的，所述YAG-SiO2掺杂光纤与第一光纤环形器的第一端口连接；高反射率光纤布拉格光栅与第一光纤环形器的第二端口连接；所述偏振控制器与第一光纤环形器的第三端口连接；所述偏振控制器与第二光纤环形器的第一端口连接，所述YAG-SiO2光纤与第二光纤环形器的第二端口连接，所述光纤耦合器与第二光纤环形器的第三端口连接。
进一步优选的，所述第一光纤环形器与第二光纤环形器的工作波长均为1μm；第二光纤环形器第一端口到第二端口插入损耗为1.02dB；第二光纤环形器第二端口到第三端口插入损耗为1.16dB；第二光纤环形器第二端口到第一端口隔离度为20dB；第二光纤环形器第三端口到第二端口隔离度为20dB。
根据本发明优选的，高反射率布拉格光纤光栅3dB带宽为0.2nm，反射率为95％以上。
根据本发明优选的，所述YAG-SiO2掺杂光纤长度为1m，所述YAG-SiO2光纤的长度为200m；YAG-SiO2掺杂光纤和YAG-SiO2光纤的光纤芯径均为105μm。
根据本发明优选的，所述光纤耦合器的工作波长为1μm，分光比为10:90。
根据本发明优选的，所述第二光纤环形器的尾纤类型和光纤耦合器的尾纤类型均为康宁SMF-28e。
根据本发明优选的，所述高反射率光纤布拉格光栅连接有用于控制其温度的温度控制器。
根据本发明优选的，所述泵浦激光器为单模半导体激光器，输出泵浦光的中心波长为976nm。
根据本发明优选的，所述高反射率光纤布拉格光栅、YAG-SiO2掺杂光纤、YAG-SiO2光纤和各个组件之间的单模光纤之间通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合,或者通过光纤熔接机熔接耦合。
一种上述高功率窄线宽光纤激光器的工作方法，包括步骤如下：
1)泵浦激光器发出泵浦光，泵浦光激发YAG-SiO2光纤产生受激瑞利散射光；泵浦光和受激瑞利散射光在同一环形光路中传播；
2)第二光纤环形器第二端口的泵浦光经过YAG-SiO2光纤后被法拉第旋转镜反射，为受激瑞利散射光提供泵浦；
3)YAG-SiO2光纤中的受激瑞利散射光通过第二光纤环形器的第三端口耦合回环形腔；其中，可变光衰减器对反射回来的泵浦光具有较高损耗，确保瑞利后向散射信号不被泵浦所掩埋；
4)受激瑞利散射光再次经法拉第旋转镜反射后再次回到环形腔；受激瑞利散射光在回环形腔经过数次往返后从被泵浦的YAG-SiO2掺杂光纤获得增益，从而变成起振纵模并从光纤耦合器输出。受激瑞利散射光在回环形腔的往返次数可能为几百次几千次，以受激瑞利散射光从小信号放大为激光为目的。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，采用YAG-SiO2掺杂光纤作为激光增益介质,一方面,其吸收截面和发射截面在1μm波段与商用石英基质的增益光纤存在明显不同；所述YAG-SiO2掺杂光纤的发射截面大于石英基质的增益光纤一个数量级，由激光增益的计算公式G＝σ21·Δn，(其中σ21为发射截面，Δn为反转粒子数)可知，发射截面越大其增益越高，因而采用YAG-SiO2掺杂光纤作为激光增益介质更适合于激光功率放大；另一方面,由于高的稀土离子掺杂浓度,晶体光纤的单位长度增益系数可达石英光纤的数十倍,使用厘米量级的短光纤就可以实现理想的放大效果，避免了非线性效应发生，实现高信噪比、光束质量良好、功率稳定的1μm波段高功率单频光纤激光输出；整个激光器结构紧凑,简单可靠；
2、本发明所述基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，采用YAG-SiO2光纤作为高受激布里渊散射阈值光纤，不经过拉锥处理即可实现提高光纤中的受激布里渊散射阈值的目的，有效避免因光纤拉锥所产生的稳定性及传输损耗问题，并且受激布里渊增益因子低于普通商业光纤100倍以上；
3、本发明利用YAG晶体拉制成的YAG-SiO2光纤，增加了光纤中的Al2O3浓度，降低了受激布里渊增益因子，避免受激瑞利散射光掩埋在受激布里渊散射光中，从而利用受激瑞利散射反馈实现超窄线宽单频激光输出；并且本发明使用的YAG-SiO2光纤其传输损耗和稳定性都明显优于经拉锥处理过的石英光纤；
4、本发明所述YAG-SiO2掺杂光纤引入的YAG可以降低稀土离子的浓度淬灭效应，可以实现较高浓度的稀土离子掺杂，使增益光纤在较短长度时就可以提供较高的增益系数，在光纤长度较短的情况下实现单频激光的有效放大，有效的抑制布里渊散射，提高受激布里渊散射散射阈值的同时又不影响其输出效率，利于实现单频激光的高功率输出；
5、本发明所述基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，实现了高功率、超窄线宽、高信噪比,频率长期稳定等应用要求。
附图说明
图1为本发明基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器的原理示意图；
其中：1、泵浦激光器；2、波分复用器；3、YAG-SiO2掺杂光纤；4、第一光纤环形器；5、高反射率光纤布拉格光栅；6、温度控制器；7、偏振控制器；8、第二光纤环形器；9、YAG-SiO2光纤；10、可变光衰减器；11、法拉第旋转镜；12、光纤耦合器。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1所示。
一种基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，包括沿光路设置的泵浦激光器1、波分复用器2、YAG-SiO2掺杂光纤3、第一光纤环形器4、偏振控制器7、第二光纤环形器8、YAG-SiO2光纤9、可变光衰减器10和法拉第旋转镜11；所述第一光纤环形器4还连接有高反射率光纤布拉格光栅5；所述第二光纤环形器8的输出端还连接有光纤耦合器12，光纤耦合器12的一个输出端与波分复用器2连接，光纤耦合器12的另一个输出端为整个激光器的输出端；所述波分复用器2、YAG-SiO2掺杂光纤3、第一光纤环形器4、偏振控制器7、第二光纤环形器8和光纤耦合器12共同构成环形腔。所述偏振控制器7为索雷博微型偏振控制器FPC020。
所述YAG-SiO2掺杂光纤3长度为1m，所述YAG-SiO2光纤9的长度为200m；YAG-SiO2掺杂光纤3和YAG-SiO2光纤9的光纤芯径均为105μm。
所述第二光纤环形器8的尾纤类型和光纤耦合器12的尾纤类型均为康宁SMF-28e。所述高反射率光纤布拉格光栅5连接有用于控制其温度的温度控制器6。所述温度控制器6为艾克思科技TEC-10A。所述泵浦激光器1为单模半导体激光器，输出泵浦光的中心波长为976nm。
所述高反射率光纤布拉格光栅5、YAG-SiO2掺杂光纤3、YAG-SiO2光纤9和各个组件之间的单模光纤之间通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合。
所述YAG-SiO2掺杂光纤3的纤芯为SiO2与稀土离子掺杂的钇铝石榴石YAG混合构成；掺杂的稀土离子为Yb3+；稀土离子在纤芯中为均匀掺杂，稀土离子掺杂为2×1020ions/cm3；所述YAG-SiO2光纤9的纤芯为钇铝石榴石YAG和SiO2混合构成。所述YAG-SiO2光纤9由YAG晶体结合熔融石英套管，通过石墨炉拉制而成，在拉制过程中，YAG芯熔化并被限制在熔融石英套管内。二氧化硅从包层套管溶解进入纤芯中有效地稀释氧化钇和氧化铝(和稀土)浓度并促进钇铝硅酸盐玻璃芯的形成。具体实现方法采用文献“Optical Materials,2012,34(8):1294-1298.”中公开的光纤制备方法。
YAG-SiO2掺杂光纤3和YAG-SiO2光纤9均通过管棒法制作预制棒,并在光纤拉丝塔中高温拉制而成，其中，YAG-SiO2掺杂光纤3的纤芯成分为掺镱钇铝石榴石晶体和SiO2，包层成分为SiO2，将高增益晶体光纤作为激光增益介质,泵浦吸收系数比同类型商用石英光纤高出10倍以上。YAG-SiO2光纤9的纤芯成分为钇铝石榴石晶体和SiO2，包层成分为SiO2，大大提高了光纤中的Al2O3含量(浓度达到55mol％以上)，从而减小了受激布里渊散射增益因子，其典型值为3.1×10-13m W-1，几乎为商业石英光纤受激布里渊散射增益因子的百分之一(Nature Photonics 6.9(2012):627.)。
经过测试，本实施例YAG-SiO2光纤9在1μm波段损耗小于0.1dB/m，而拉锥石英光纤损耗为10dB/m。证明本实施例中的YAG-SiO2光纤9传输损耗和稳定性都明显优于经拉锥处理过的石英光纤。
实施例2
如实施例1所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，进一步的，所述YAG-SiO2掺杂光纤3与第一光纤环形器4的第一端口连接；高反射率光纤布拉格光栅5与第一光纤环形器4的第二端口连接；所述偏振控制器7与第一光纤环形器4的第三端口连接；所述偏振控制器7与第二光纤环形器8的第一端口连接，所述YAG-SiO2光纤9与第二光纤环形器8的第二端口连接，所述光纤耦合器12与第二光纤环形器8的第三端口连接。
所述第一光纤环形器4与第二光纤环形器8的工作波长均为1μm；第二光纤环形器8第一端口到第二端口插入损耗为1.02dB；第二光纤环形器8第二端口到第三端口插入损耗为1.16dB；第二光纤环形器8第二端口到第一端口隔离度为20dB；第二光纤环形器8第三端口到第二端口隔离度为20dB。
实施例3
如实施例1所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，进一步的，高反射率布拉格光纤光栅5的3dB带宽为0.2nm，反射率为97％。
实施例4
如实施例1所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，进一步的，所述光纤耦合器12的工作波长为1μm，分光比为10:90。
实施例5
一种如实施例2所述高功率窄线宽光纤激光器的工作方法，包括步骤如下：
1)泵浦激光器1发出泵浦光，泵浦光激发YAG-SiO2光纤9产生受激瑞利散射光；泵浦光和受激瑞利散射光在同一环形光路中传播；
2)第二光纤环形器8第二端口的泵浦光经过YAG-SiO2光纤9后被法拉第旋转镜11反射，为受激瑞利散射光提供泵浦；
3)YAG-SiO2光纤9中的受激瑞利散射光通过第二光纤环形器8的第三端口耦合回环形腔；其中，可变光衰减器10对反射回来的泵浦光具有较高损耗，确保瑞利后向散射信号不被泵浦所掩埋；
4)受激瑞利散射光再次经法拉第旋转镜11反射后再次回到环形腔；受激瑞利散射光在回环形腔经过900往返后从被泵浦的YAG-SiO2掺杂光纤3获得增益，从而变成起振纵模并从光纤耦合器12输出。受激瑞利散射光在回环形腔的往返次数可能为几百次几千次，以受激瑞利散射光从小信号放大为激光为目的。

Claims (9)

1.一种基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，其特征在于，包括沿光路设置的泵浦激光器、波分复用器、YAG-SiO2掺杂光纤、第一光纤环形器、偏振控制器、第二光纤环形器、YAG-SiO2光纤、可变光衰减器和法拉第旋转镜；所述第一光纤环形器还连接有高反射率光纤布拉格光栅；所述第二光纤环形器的输出端还连接有光纤耦合器，光纤耦合器的一个输出端与波分复用器连接，光纤耦合器的另一个输出端为整个激光器的输出端；所述波分复用器、YAG-SiO2掺杂光纤、第一光纤环形器、偏振控制器、第二光纤环形器和光纤耦合器共同构成环形腔。
2.根据权利要求1所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述YAG-SiO2掺杂光纤的纤芯为SiO2与稀土离子掺杂的钇铝石榴石YAG混合构成；掺杂的稀土离子为Yb3+、Cr3+、Er3+、Tm3+中任意一种或Er3+/Yb3+共掺杂离子；稀土离子在纤芯中为均匀掺杂，稀土离子掺杂浓度大于1×1020ions/cm3；所述YAG-SiO2光纤的纤芯为钇铝石榴石YAG和SiO2混合构成。
3.根据权利要求1所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述YAG-SiO2掺杂光纤与第一光纤环形器的第一端口连接；高反射率光纤布拉格光栅与第一光纤环形器的第二端口连接；所述偏振控制器与第一光纤环形器的第三端口连接；所述偏振控制器与第二光纤环形器的第一端口连接，所述YAG-SiO2光纤与第二光纤环形器的第二端口连接，所述光纤耦合器与第二光纤环形器的第三端口连接。
4.根据权利要求3所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤环形器与第二光纤环形器的工作波长均为1μm；第二光纤环形器第一端口到第二端口插入损耗为1.02dB；第二光纤环形器第二端口到第三端口插入损耗为1.16dB；第二光纤环形器第二端口到第一端口隔离度为20dB；第二光纤环形器第三端口到第二端口隔离度为20dB。
5.根据权利要求1所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，其特征在于，高反射率布拉格光纤光栅3dB带宽为0.2nm，反射率为95％以上。
6.根据权利要求1所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述YAG-SiO2掺杂光纤长度为1m，所述YAG-SiO2光纤的长度为200m；YAG-SiO2掺杂光纤和YAG-SiO2光纤的光纤芯径均为105μm。
7.根据权利要求1所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器的工作波长为1μm，分光比为10:90。
8.根据权利要求1所述的基于瑞利散射的高功率窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述泵浦激光器为单模半导体激光器，输出泵浦光的中心波长为976nm。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述高功率窄线宽光纤激光器的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)泵浦激光器发出泵浦光，泵浦光激发YAG-SiO2光纤产生受激瑞利散射光；泵浦光和受激瑞利散射光在同一环形光路中传播；
2)第二光纤环形器第二端口的泵浦光经过YAG-SiO2光纤后被法拉第旋转镜反射，为受激瑞利散射光提供泵浦；
3)YAG-SiO2光纤中的受激瑞利散射光通过第二光纤环形器的第三端口耦合回环形腔；
4)受激瑞利散射光再次经法拉第旋转镜反射后再次回到环形腔；受激瑞利散射光在回环形腔经过数次往返后从被泵浦的YAG-SiO2掺杂光纤获得增益，从而变成起振纵模并从光纤耦合器输出。
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