CN109149330A - 一种2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其包括单频激光谐振短腔、谐振腔温度控制模块、波分复用器、同带泵浦源、泵浦源强度噪声抑制模块和光隔离器。本发明用工作波长与激光信号波长相差较小的激光器作为同带泵浦源，利用强度噪声抑制模块对泵浦源进行噪声抑制，再用低噪声泵浦源用来泵浦2μm单频激光谐振短腔。最终从谐振腔内输出低噪声、窄线宽、工作波段2μm的单频光纤激光。本发明提供的激光器具有全光纤化结构、噪声性能优异、激光线宽极窄、转换效率高、结构简单等优点，可用于大气测量、激光雷达、生物医学、以及作为光学参量振荡器（OPO）的泵浦源实现3~5µm波段激光输出等方面。

Description

一种2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种2μm波段、低噪声、窄线宽的单频光纤激光器。
背景技术
2μm波段(主要集中在1.7～2.1μm)单频光纤激光器具有单一纵模输出形式，并且具有光谱线宽窄、相干性好、噪声低、结构紧凑等优点，在高分辨率光谱学、激光雷达、大气测量、生物医学、光学参量振荡器(OPO)泵浦源等领域有着一定的应用价值。然而，一些应用场合也要求单频激光具有低噪声和极窄线宽等性能，例如差分吸收雷达就要求考虑所探测的物质分子吸收带的宽度极窄，而相干多普勒测风雷达基于相干探测方式，则对激光线宽和噪声有着更加严格的要求。
目前2μm波段单频光纤激光器一般采用分布式布拉格反射(DBR)和分布式反馈(DFB)等线形短腔结构，以及环形腔结构。其针对单频激光谐振腔有两种常见泵浦方式：1.5μm光纤激光器(集中在1550～1570nm)泵浦和793nm半导体激光器泵浦。对于采用1.5μm光纤激光器同带泵浦方式而言，虽然具有较高的泵浦功率和泵浦亮度，但是此处的泵浦吸收系数较低、转换效率不高，较难实现高效泵浦和高功率输出。而利用793nm半导体激光器则局限于单模泵浦功率水平(百毫瓦量级)，无法直接从谐振腔内实现高的输出功率。因而，上述两种泵浦方式的激光转换效率都不高，并且存在明显的量子亏损(泵浦波长与激光信号波长相差较大)，因而导致热效应较大，使得激光谐振腔内的温度升高，进而影响2μm波段单频光纤激光器的频率噪声。
另外，所用泵浦源的强度噪声对输出单频光纤激光的噪声也有一定贡献。对于线形短腔结构的单频光纤激光器而言，其强度噪声来源于泵浦源的功率起伏，单频光纤激光器与泵浦源之间的强度噪声关系为：RIN＝RINP+20log(P/(P–Pth))。其中RIN为单频光纤激光器的强度噪声，RINP为泵浦源的强度噪声，P为泵浦功率，Pth为阈值泵浦功率。通过有效抑制泵浦源的强度噪声，进而可以获得低噪声的单频光纤激光输出。而且，单频光纤激光器的频率噪声正相关于泵浦源的强度噪声，通过抑制泵浦源的强度噪声也可以以一种间接的方式来降低输出单频光纤激光的频率噪声。
相关专利有：(1)2006年，天津欧泰激光科技有限公司申请了一种同带泵浦掺铥石英光纤的2微米单频激光的专利[公开号：CN 104158072A]，通过利用1570nm激光器同带泵浦掺铥石英光纤，从而获得2μm单频激光输出。(2)2017年，中国人民解放军国防科学技术大学申请了一种基于同带泵浦技术的复合腔结构光纤振荡器的专利[公开号：CN106711747A]，通过利用1010～1030nm波段掺镱光纤激光器同带泵浦复合腔结构光纤振荡器，从而获得高功率、高效率的光纤激光输出。但是上述两项专利均未考虑同带泵浦波长的优化选择问题和泵浦源强度噪声对输出单频激光噪声的影响，也未能实现极低噪声和极窄线宽输出特性，这在一定程度上限制了其应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器。2μm波段单频激光谐振腔采用线形短腔结构，一方面利用同带泵浦方案，即利用波长范围为1600～2100nm的泵浦光对谐振腔进行泵浦。通过选择合适泵浦波长，其与激光信号波长的差值可以做到较小，从而尽量降低能量转换过程中的量子亏损，避免激光谐振短腔中由热效应引入的热噪声，从而降低了单频光纤激光器的频率噪声；另一方面利用抑制强度噪声之后的低噪声泵浦源对2μm波段单频激光谐振短腔进行泵浦抽运，由于改善了泵浦源的功率波动，可以进一步降低单频光纤激光器的频率噪声和强度噪声；最终可以实现极低噪声、极窄线宽的单频光纤激光输出。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其包括：宽带光纤布拉格光栅、高掺杂增益光纤、窄带光纤布拉格光栅、谐振腔温度控制模块、波分复用器、同带泵浦源、第一光隔离器、泵浦源强度噪声抑制模块、第二光隔离器。其中，宽带光纤布拉格光栅、高掺杂增益光纤和窄带光纤布拉格光栅依次连接构成DBR单频激光谐振短腔，并置于谐振腔温度控制模块中进行精确温度控制。同带泵浦源经过第一光隔离器之后，通过强度噪声抑制模块对泵浦源的强度噪声进行有效抑制，抑制噪声之后的泵浦光通过波分复用器的泵浦端口对单频激光谐振短腔进行泵浦，其中波分复用器的公共端与窄带光纤布拉格光栅相连接，波分复用器的信号端与第二光隔离器的输入端相连接，第二光隔离器的输出端作为激光输出端口，并最终输出低噪声、窄线宽的2μm波段单频光纤激光。
进一步地，所述的宽带光纤布拉格光栅、高掺杂增益光纤和窄带光纤布拉格光栅之间是通过对接或者熔接方式进行连接而成的。
进一步地，所述的高掺杂增益光纤为纤芯均匀单掺Tm3+、单掺Ho3+或者Tm3+/Ho3+共掺稀土发光离子，其光纤基质材料包括但不限于锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃或氟化物玻璃。
进一步地，所述的宽带光纤布拉格光栅的中心波长范围为1700～2150nm，3dB反射带宽小于0.5nm；对泵浦波长透射率大于70％，对激光信号波长反射率大于85％。
进一步地，所述的窄带光纤布拉格光栅的中心波长范围为1700～2150nm，3dB反射带宽小于0.2nm；对激光信号波长反射率大于10％。
进一步地，所述的同带泵浦源为包括但不限于半导体激光器、固体激光器、光纤激光器等，其工作波长范围为1600～2100nm，其尾纤为光纤耦合输出方式。
进一步地，所述的泵浦源强度噪声抑制模块包括但不限于半导体光放大器、光纤放大器、光电负反馈等方式构成，或者其不同组合方式构成，其目的为对同带泵浦源的强度噪声进行有效抑制。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：短长度(如0.5-3厘米)高掺杂增益光纤作为激光工作介质，宽带光纤布拉格光栅和窄带光纤布拉格光栅分别作为前后腔镜，三者一起构成DBR结构形式的2μm波段单频激光谐振短腔。在同带泵浦源对谐振短腔的持续抽运下，高掺杂增益光纤纤芯中的稀土离子发生粒子数反转，产生受激辐射信号光；在一对光纤布拉格光栅(前后腔镜)的反馈作用下，信号光多次来回振荡并得到多次放大；由于谐振腔腔长较短(只有几厘米，腔内的相邻纵模间隔可达GHz量级)，当窄带光纤布拉格光栅的3dB反射谱窄至0.1nm左右时，即可实现谐振短腔内只存在一个单纵模(单频)运转。由于选择工作波长与激光信号波长相差较小的泵浦源进行同带泵浦，可以降低能量转换过程中的量子亏损，进而降低单频激光谐振短腔中由热效应引起的热噪声，避免了谐振腔内温度的随机扰动，从而降低了单频光纤激光器的频率噪声。再者，通过对泵浦源强度噪声进行有效抑制，然后对单频激光谐振短腔进行泵浦抽运，低强度噪声泵浦源可以进一步降低单频光纤激光器的频率噪声和强度噪声。因此，在具有低量子亏损效应、噪声抑制功能的同带泵浦源的泵浦抽运下，最终能够实现低噪声、窄线宽等性能优异的2μm波段单频光纤激光输出。
附图说明
图1为本发明提供的基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器的结构示意图。
图中：1—宽带光纤布拉格光栅，2—高掺杂增益光纤，3—窄带光纤布拉格光栅，4—谐振腔温度控制模块，5—波分复用器，6—同带泵浦源，7—第一光隔离器，8—泵浦源强度噪声抑制模块，9—第二光隔离器。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例子对本发明作进一步描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
如图1，本发明提供的基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其包括，宽带光纤布拉格光栅1、高掺杂增益光纤2、窄带光纤布拉格光栅3、谐振腔温度控制模块4、波分复用器5、同带泵浦源6、第一光隔离器7、泵浦源强度噪声抑制模块8、第二光隔离器9。各部件之间的结构关系为：宽带光纤布拉格光栅1、高掺杂增益光纤2和窄带光纤布拉格光栅3依次连接构成DBR单频激光谐振短腔，并置于谐振腔温度控制模块4中进行精确温度控制。同带泵浦源6经过第一光隔离器7之后，通过强度噪声抑制模块8对泵浦源的强度噪声进行有效抑制，抑制噪声之后的泵浦光通过波分复用器5的泵浦端口完成对单频激光谐振短腔的泵浦作用，其中波分复用器5的公共端与窄带光纤布拉格光栅3相连接，波分复用器5的信号端与第二光隔离器9的输入端相连接，最后2μm波段单频光纤激光经过光第二光隔离器9的输出端输出。
本例中所使用的激光工作介质为高掺杂Tm3+锗酸盐玻璃光纤(掺杂离子浓度可大于1mol％)，其使用长度为2cm。宽带光纤布拉格光栅的工作中心波长为2000nm，3dB反射带宽为0.35nm；对泵浦波长透射率为99.9％，对激光信号波长反射率为99.5％。窄带光纤布拉格光栅的工作中心波长为2000nm，3dB反射带宽为0.08nm；对激光信号波长反射率为70％。由增益光纤和一对光纤布拉格光栅共同组成2μm波段DBR单频激光谐振短腔。将谐振腔置于特殊定制的金属槽中，并用TEC制冷器模块对整个谐振腔进行精确温度控制，控制精度±0.1℃。同时选择工作波长为1900nm的掺Tm3+光纤激光器作为同带泵浦源，其输出功率为1W，带尾纤方式输出。由于半导体光放大器工作在饱和状态下的非线性放大效应可以抑制输入激光的噪声，通过半导体光放大器抑制1900nm掺Tm3+光纤激光器(同带泵浦源)的相对强度噪声至–145dB/Hz(在0.1～50MHz频率区域)，从而获得一个低量子亏损、低强度噪声的同带泵浦源。之后泵浦激光通过一个1900/2000nm的波分复用器完成对DBR单频激光谐振短腔的泵浦抽运作用，最终可以获得工作波长2000nm、相对强度噪声值小于–150dB/Hz(在>5MHz高频区)、线宽几百赫兹的低噪声窄线宽单频光纤激光输出。

Claims (7)

1.一种基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其特征在于包括：宽带光纤布拉格光栅（1）、高掺杂增益光纤（2）、窄带光纤布拉格光栅（3）、谐振腔温度控制模块（4）、波分复用器（5）、同带泵浦源（6）、第一光隔离器（7）、泵浦源强度噪声抑制模块（8）、第二光隔离器（9）；各部件的结构关系是：宽带光纤布拉格光栅（1）、高掺杂增益光纤（2）和窄带光纤布拉格光栅（3）依次连接构成2μm波段单频激光谐振短腔，并置于谐振腔温度控制模块（4）中进行精确温度控制；同带泵浦源（6）经过第一光隔离器（7）之后，再通过强度噪声抑制模块（8）对泵浦源的强度噪声进行有效抑制，抑制噪声后的泵浦光通过波分复用器（5）的泵浦端口进入到单频激光谐振短腔中完成泵浦抽运过程；波分复用器（5）的公共端和信号端分别与窄带光纤布拉格光栅（3）、第二光隔离器（9）的输入端相连接，最终2μm波段单频光纤激光经过第二光隔离器（9）的输出端输出。
2.如权利要求1所述的基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述宽带光纤布拉格光栅（1）、高掺杂增益光纤（2）和窄带光纤布拉格光栅（3）之间是通过对接或者熔接方式连接而成。
3.如权利要求1所述的基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述高掺杂增益光纤（2）为纤芯均匀单掺Tm3+、单掺Ho3+或者Tm3+/Ho3+共掺，其光纤基质材料为锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃或氟化物玻璃。
4.如权利要求1所述的基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述宽带光纤布拉格光栅（1）的中心波长范围为1700～2150nm，3dB反射带宽小于0.5nm；其对泵浦波长透射率大于70%，对激光信号波长反射率大于85%。
5.如权利要求1所述的基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述窄带光纤布拉格光栅（3）的中心波长范围为1700～2150nm，3dB反射带宽小于0.2nm；对激光信号波长反射率大于10%。
6.如权利要求1所述的基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述同带泵浦源（6）为半导体激光器、固体激光器或光纤激光器，其泵浦波长范围为1600～2100nm，其尾纤为光纤耦合输出方式。
7.如权利要求1所述的基于噪声抑制同带泵浦源的2μm波段低噪声窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源强度噪声抑制模块（8）采用半导体光放大器、光纤放大器或光电负反馈方式中的一种或两种实现对同带泵浦源的强度噪声进行抑制。
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