CN108899752A - 一种基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器及其工作方法。本发明所述激光器，相比常规单频光纤激光器，该激光器的增益光纤为晶体光纤，其纤芯部分由稀土离子掺杂的YAG晶体构成，具有较高的稀土离子掺杂浓度，能够提供更高的增益系数；晶体光纤的包层部分为熔融石英，YAG晶体或蓝宝石晶体，有利于提高光纤散热性能。

Description

一种基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种基于晶体光纤的绿光单频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
单频光纤激光器具有工作阈值低，转化效率高，光束质量好，结构紧凑等优点在光纤传感、激光雷达/测距/遥感、相干光通信、激光光谱学、气体吸收测量等领域有不可替代的作用。特别在某些重要应用中，如水下通信，光学数据存储，彩色显示，医学诊断和原子/分子光谱学等，低噪声绿光单频激光器具有重要的应用价值。
增益光纤是单频光纤激光器的核心器件，其掺杂浓度，热导率等参数直接影响上述单频激光器性能。目前用做单频光纤激光器的增益光纤主要为稀土掺杂的石英玻璃光纤和稀土掺杂的磷酸盐光纤。其中石英光纤的导热系数为0.33W·m-1K-1，而磷酸盐光纤的导热系数更低，仅为0.2W·m-1K-1。低导热系数不利于激光器的散热，会对激光谐振腔区域热稳定性带来不利影响，导致激光器发生跳模、线宽不稳定等现象出现。
此外，超短线性腔是单频激光器常用的结构,该结构要求增益光纤长度很短,通常为几个厘米。在如此短的腔内要实现有效激光输出，需要增益光纤的掺杂浓度较高。目前常用的石英基质增益光纤受限于稀土离子的掺杂浓度水平，激光增益普遍偏低,意味着在较短的谐振腔内要实现有效的激光输出，需要较大的泵浦功率，这对激光的低噪声和稳定性均带来不利影响。而磷酸盐光纤尽管可以提升增益，但如上所述，磷酸盐光纤的热性能不如石英光纤，且磷酸盐光纤的机械性能较差，不易实现高强度熔接，谐振腔可靠性差，不利于单频激光的稳定输出，难以适应苛刻的工作环境。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器。
本发明提供一种上述基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器的工作方法。
发明概述：
本发明提供一种基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，相比常规单频光纤激光器，该激光器的增益光纤为晶体光纤，其纤芯部分由稀土离子掺杂的YAG晶体构成，具有较高的稀土离子掺杂浓度，能够提供更高的增益系数；晶体光纤的包层部分为熔融石英，YAG晶体或蓝宝石晶体，有利于提高光纤散热性能。
本发明的技术方案为：
一种基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，包括沿光路依次设置的泵浦激光器、波分复用器、低反射率窄带宽光纤布拉格光栅、晶体光纤和高反射率宽带光纤布拉格光栅；波分复用器的输出端口还依次连接有半导体光放大器、保偏带通滤波器和LiNbO3波导；晶体光纤作为激光增益介质；所述低反射率窄带光纤布拉格光栅和高反射率宽带光纤布拉格光栅构成线型腔结构，低反射率窄带光纤布拉格光栅为前腔镜，高反射率宽带光纤布拉格光栅为后腔镜。线型腔结构使得激光的各相邻纵模间隔变大，便于有窄带光纤光栅选出单一纵模模式；结构简单；功率、噪声等方面表现的更加稳定。
根据本发明优选的，所述泵浦激光器与波分复用器的输入端连接；所述低反射率窄带宽光纤布拉格光栅与波分复用器的公共端连接。
根据本发明优选的，所述LiNbO3波导为周期极化的MgO掺杂LiNbO3波导；所述周期极化的MgO掺杂LiNbO3波导长度为8mm，铌酸锂晶体极化周期为5μm，准相位匹配温度为30～40℃。
根据本发明优选的，所述LiNbO3波导的尾纤类型为pm46-hp，尾纤连接有斜切的FC/APC型光学连接器。斜切设置的FC/APC型光学连接器防止光信号回到激光器中。
根据本发明优选的，所述晶体光纤的纤芯为掺稀土离子的钇铝石榴石晶体，稀土离子在纤芯中为均匀掺杂,掺杂浓度为5wt.％～20wt.％，或者稀土离子掺杂浓度大于1×1020ions/cm3；晶体光纤的光纤包层为熔融石英、YAG晶体或蓝宝石晶体。
进一步优选的，所述晶体光纤的纤芯掺杂离子为Yb3+、Cr3+、Er3+或Tm3+。
进一步优选的，所述钇铝石榴石晶体还掺杂有Ge的YAG，掺杂浓度为0.01wt.％。通过掺杂Ge调节折射率，使芯层和包层折射率更接近，构造大芯径的单模光纤。
根据本发明优选的，所述晶体光纤的长度为0.5cm～10cm。具体光纤长度根据激光输出功率大小、线宽大小、窄带光纤光栅的反射谱等要求进行选择。
根据本发明优选的，所述泵浦激光器为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器；泵浦激光器的泵浦波长为976nm，泵浦功率大于100mW，泵浦方式为前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。
根据本发明优选的，所述高反射率宽带光纤布拉格光栅、晶体光纤和低反射率窄带宽光纤布拉格光栅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。
根据本发明优选的，所述低反射率窄带光纤布拉格光栅对输出激光信号反射率为30％～95％，中心波长为1550.2nm，3dB带宽为3～4GHz；所述高反射率宽带光纤布拉格光栅对泵浦光的透射率大于90％，对激励信号波长的反射率大于99％。
一种上述基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器的工作方法，包括以下步骤：
1)泵浦激光器产生泵浦光经由波分复用器的泵浦端输入,经由低反射率窄带宽光纤布拉格光栅到晶体光纤；
2)泵浦光在晶体光纤的纤芯中进行纤芯泵浦，产生单频激光从波分复用器的输出端口输出；
3)单频激光信号通过半导体光放大器进行光功率放大；
4)保偏带通滤波器滤掉激光信号中经半导体放大器产生的自发辐射放大信号并保持激光信号以单一偏振态输出；
5)经放大后的单一偏振态的激光信号作为基频光输入，经过LiNbO3波导倍频转化为窄线宽单频绿光激光信号从尾纤输出。其中，保证基频光的单一偏振态可以提高倍频转化效率。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器利用高增益晶体光纤作为激光增益介质，该晶体光纤同时具有高增益、高热导率和良好机械性能的优点；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,使用厘米量级长度的短光纤就可以实现理想的激光转换效率；同时利用晶体光纤高热导率系数，改善光纤散热性能，有效抑制由于温度影响而产生的跳模和线宽不稳定现象；
具体来看，晶体光纤纤芯部分由掺稀土离子(Yb、Nd等)的晶体构成，其稀土离子掺杂浓度不会受到石英光纤中普遍存在的浓度猝灭效应的限制，因而其单位长度增益系数可达石英光纤的数十倍；
晶体光纤的包层部分为纯YAG或蓝宝石晶体，其导热系数约为14W·m-1K-1，其数值远远高于石英基质的增益光纤，因此可以显著提高光纤散热性能；
2、本发明所述基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，采用基于晶体光纤和光纤布拉格光栅的超短线型腔方案,设计简单、结构紧凑,可实现高稳定性、高转换效率、窄线宽的单频激光输出。
附图说明
图1为本发明所述基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器的原理示意图；
图2为本发明所述晶体光纤的结构示意图；
其中：1、泵浦激光器；2、波分复用器；3、低反射率窄带光纤布拉格光栅；4、晶体光纤；5、高反射率宽带光纤布拉格光栅；6、半导体光放大器；7、保偏带通滤波器；8、LiNbO3波导；51、光纤包层；52、纤芯。
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、图2所示。
一种基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，包括沿光路依次设置的泵浦激光器1、波分复用器2、低反射率窄带宽光纤布拉格光栅3、晶体光纤4和高反射率宽带光纤布拉格光栅5；波分复用器2的输出端口还依次连接有半导体光放大器6、保偏带通滤波器7和LiNbO3波导8；晶体光纤4作为激光增益介质；所述低反射率窄带光纤布拉格光栅3和高反射率宽带光纤布拉格光栅5构成线型腔结构，低反射率窄带光纤布拉格光栅3为前腔镜，高反射率宽带光纤布拉格光栅5为后腔镜。线型腔结构使得激光的各相邻纵模间隔变大，便于有窄带光纤光栅选出单一纵模模式；结构简单；功率、噪声等方面表现的更加稳定。所述半导体光放大器型号为索雷博BOA1137P，光信号经放大后偏振消光比大于20dB。
所述LiNbO3波导为周期极化的MgO掺杂LiNbO3波导(MgO的掺杂浓度为5mol％)；所述周期极化的MgO掺杂LiNbO3波导长度为8mm，铌酸锂晶体极化周期为5μm，准相位匹配温度为40℃。
所述晶体光纤4的纤芯为掺稀土离子的钇铝石榴石晶体，稀土离子在纤芯52中为均匀掺杂,掺杂浓度为10wt.％，晶体光纤4的光纤包层51为熔融石英晶体。所述晶体光纤4的纤芯掺杂离子为Yb3+。
本实例中光纤直径125μm，芯径9μm，长度2.5cm；本实例采用晶体光纤作为激光增益介质,一方面,其稀土离子掺杂浓度高于商用石英光纤；另一方面,由于包层采用热导系数远高于传统光纤所用的石英基质的YAG晶体，保证其机械性能的同时有效改善了光纤的散热性能。
所述泵浦激光器1与波分复用器2的输入端连接；所述低反射率窄带宽光纤布拉格光栅3与波分复用器2的公共端连接。
将实施例1中晶体光纤光纤的导热率和增益系数进行检测并与传统激光增益介质对比结果如下：
导热率：钇铝石榴石晶体光纤 14W·m-1K-1
石英光纤 0.33W·m-1K-1
磷酸盐光纤 0.16～0.2W·m-1K-1
增益系数：钇铝石榴石晶体光纤 5dB/m
掺铒石英光纤(EDFA) 0.45dB/m
从上述对比数据可知，实施例1所述可调谐单频激光器提供更高的增益系数的同时又效提高光纤热导率系数，从而改善光纤散热性能有效抑制由于温度影响而产生的跳模和线宽不稳定现象。
实施例2
如实施例1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，进一步的，所述LiNbO3波导8的尾纤类型为pm46-hp，尾纤连接有斜切的FC/APC型光学连接器。斜切设置的FC/APC型光学连接器防止光信号回到激光器中。
实施例3
如实施例1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，进一步的，所述钇铝石榴石晶体还掺杂有Ge的YAG，掺杂浓度为0.01wt.％。通过掺杂Ge调节折射率，使芯层和包层折射率更接近，构造大芯径的单模光纤。
实施例4
如实施例1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，进一步的，所述泵浦激光器1为半导体激光器；泵浦激光器1的泵浦波长为976nm，泵浦功率大于100mW，泵浦方式为双向泵浦。
实施例5
如实施例1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，进一步的，所述高反射率宽带光纤布拉格光栅5、晶体光纤4和低反射率窄带宽光纤布拉格光栅3之间通过研磨抛光各自的光纤端面后通过光纤熔接机熔接耦合。
实施例6
如实施例1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，进一步的，所述低反射率窄带光纤布拉格光栅对输出激光信号反射率为50％，中心波长为1550.2nm，3dB带宽为4GHz；所述高反射率宽带光纤布拉格光栅对泵浦光的透射率大于90％，对激励信号波长的反射率大于99％。
实施例7
如实施例1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，所不同的是，所述稀土离子掺杂浓度为2×1020ions/cm3。
实施例8
一种如实施例1-7所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器的工作方法，包括以下步骤：
1)泵浦激光器1产生泵浦光经由波分复用器2的泵浦端输入,经由低反射率窄带宽光纤布拉格光栅3到晶体光纤4；
2)泵浦光在晶体光纤4的纤芯52中进行纤芯泵浦，产生单频激光从波分复用器2的输出端口输出；
3)单频激光信号通过半导体光放大器6进行光功率放大；
4)保偏带通滤波器7滤掉激光信号中经半导体放大器6产生的自发辐射放大信号并保持激光信号以单一偏振态输出；
5)经放大后的单一偏振态的激光信号作为基频光输入，经过LiNbO3波导8倍频转化为窄线宽单频绿光激光信号从尾纤输出。其中，保证基频光的单一偏振态可以提高倍频转化效率。

Claims (10)

1.一种基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，其特征在于，包括沿光路依次设置的泵浦激光器、波分复用器、低反射率窄带宽光纤布拉格光栅、晶体光纤和高反射率宽带光纤布拉格光栅；波分复用器的输出端口还依次连接有半导体光放大器、保偏带通滤波器和LiNbO3波导；晶体光纤作为激光增益介质；所述低反射率窄带光纤布拉格光栅和高反射率宽带光纤布拉格光栅构成线型腔结构，低反射率窄带光纤布拉格光栅为前腔镜，高反射率宽带光纤布拉格光栅为后腔镜。
2.根据权利要求1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，其特征在于，所述LiNbO3波导为周期极化的MgO掺杂LiNbO3波导；所述周期极化的MgO掺杂LiNbO3波导长度为8mm，铌酸锂晶体极化周期为5μm，准相位匹配温度为30～40℃。
3.根据权利要求1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，其特征在于，所述LiNbO3波导的尾纤类型为pm46-hp，尾纤连接有斜切的FC/APC型光学连接器。
4.根据权利要求1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，其特征在于，所述晶体光纤的纤芯为掺稀土离子的钇铝石榴石晶体，稀土离子在纤芯中为均匀掺杂,掺杂浓度为5wt.％～20wt.％，或者稀土离子掺杂浓度大于1×1020ions/cm3；晶体光纤的光纤包层为熔融石英、YAG晶体或蓝宝石晶体。
5.根据权利要求4所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，其特征在于，所述晶体光纤的纤芯掺杂离子为Yb3+、Cr3+、Er3+或Tm3+。
6.根据权利要求4所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，其特征在于，所述钇铝石榴石晶体还掺杂有Ge的YAG，掺杂浓度为0.01wt.％。
7.根据权利要求1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，其特征在于，所述晶体光纤的长度为0.5cm～10cm；所述泵浦激光器为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器；泵浦激光器的泵浦波长为976nm，泵浦功率大于100mW，泵浦方式为前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦。
8.根据权利要求1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，其特征在于，所述高反射率宽带光纤布拉格光栅、晶体光纤和低反射率窄带宽光纤布拉格光栅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。
9.根据权利要求1所述的基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器，其特征在于，所述低反射率窄带光纤布拉格光栅对输出激光信号反射率为30％～95％，中心波长为1550.2nm，3dB带宽为3～4GHz；所述高反射率宽带光纤布拉格光栅对泵浦光的透射率大于90％，对激励信号波长的反射率大于99％。
10.一种如权利要求1-9任意一项所述基于晶体光纤的绿光单频光纤激光器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)泵浦激光器产生泵浦光经由波分复用器的泵浦端输入,经由低反射率窄带宽光纤布拉格光栅到晶体光纤；
2)泵浦光在晶体光纤的纤芯中进行纤芯泵浦，产生单频激光从波分复用器的输出端口输出；
3)单频激光信号通过半导体光放大器进行光功率放大；
4)保偏带通滤波器滤掉激光信号中经半导体放大器产生的自发辐射放大信号并保持激光信号以单一偏振态输出；
5)经放大后的单一偏振态的激光信号作为基频光输入，经过LiNbO3波导倍频转化为窄线宽单频绿光激光信号从尾纤输出。
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