CN109149343A - 一种线宽可控光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种线宽可控光纤激光器，该激光器包括：多个单频光纤激光器单元和一个合波器，其中每个单频光纤激光器单元由宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带光纤光栅、PZT精密压电陶瓷、谐振腔温控模块、波分复用器、泵浦激光器、光隔离器。本发明基于多个独立的线性短腔结构单频光纤激光器单元，可对每个单元的温控模块控制与短谐振腔进行调节；同时利用PZT精密压电陶瓷对窄带光纤光栅的光栅周期进行调节，最后将每个分立的单频光纤激光再合束成为一束，可以实现线宽在0.1~500GHz范围内可控的光纤激光输出。本发明具有线宽灵活可控、线宽调节精度高、噪声低等优点，可用于光波分复用系统、相干合成、光谱合成、高功率窄线宽光纤激光放大等方面。

Description

一种线宽可控光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种高调谐精度、线宽灵活可控的光纤激光器。
背景技术
窄线宽单频光纤激光器因输出激光具有线宽窄、噪声低、结构紧凑等优点，在相干合成、激光雷达、光谱合成和非线性频率转换等领域得到了广泛应用。然而，不同的应用需求对激光器线宽的要求不尽相同。尤其是在高能激光方面，则需要通过展宽激光线宽来抑制受激布里渊散射（SBS），以实现更高功率规模的激光输出。由于在窄线宽单频光纤激光功率放大过程中，激光线宽较窄、以及双包层光纤相对有限的纤芯尺寸和较长的作用长度，容易受到非线性效应的影响，使得SBS成为了限制窄线宽光纤激光功率提升的主要因素之一。
目前抑制SBS的方法有多种，比如设计大模场面积增益光纤、对增益光纤施加沿轴向的温度或应力梯度、减小增益光纤使用长度等，但这些方法自身存在的缺点也限制了其实际应用。基于多波长种子源和对单频激光种子源进行相位调制方式是实现窄线宽光纤激光功率放大的一种可选途径。对于多波长光纤激光功率放大而言，由于信号光包含有多个不同波长（频率）的激光信号成分，各成分之间存在一定的波长间隔，信号光功率将分布在多个成分上，因而每个成分的谱功率密度较低，能够有效的提高SBS阈值。
相关专利有：（1）2011年，杭州电子科技大学申请了一种窄线宽可调谐的多波长光纤激光器的专利[公开号：CN 202260110U]，通过利用半导体光放大器的非线性偏转效应产生窄线宽的多波长光纤激光器。（2）2014年，北京交通大学申请了一种波长可调谐的多波长光纤激光器的专利[公开号：CN 204315907U]，通过利用缠绕有单模光纤的柱状压电陶瓷抑制模式竞争，再结合保偏光纤进行波长选择的方式实现多波长可调谐。但是上述两项专利其输出激光的线宽控制精度不高、结构较复杂。
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，提供一种线宽可控光纤激光器。优选合适波长（频率）间隔的多个单频激光短谐振腔，然后采用合波结构来实现光纤激光器的线宽可控。其线宽可控技术包括以下：首先，利用温控模块精确控制单频激光短谐振腔的工作温度，实现对每个单频激光谐振腔输出中心波长（频率）在较大范围内可调谐；其次，结合PZT精密压电陶瓷的电致伸缩效应对窄带光纤光栅的光栅周期进行调节，可以在小范围内精确调谐单频激光谐振腔的输出中心波长（频率）；最后，从每个分立的单频激光短谐振腔输出具有一定波长（频率）差的单频光纤激光，将上述多个单频光纤激光器单元再经过合波方式合成为一束激光，获得线宽从0.1~500GHz范围内可控的光纤激光。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种线宽可控光纤激光器，其包括：多个单频光纤激光器单元和一个合波器。每个单频光纤激光器单元由宽带光纤光栅、窄带光纤光栅、高增益光纤、PZT精密压电陶瓷、谐振腔温控模块、波分复用器、泵浦激光器、光隔离器构成。其中，宽带光纤光栅、窄带光纤光栅和高增益光纤依次连接构成单频激光短谐振腔；窄带光纤光栅与PZT精密压电陶瓷紧密固定在一起，并与波分复用器的公共端连接；单频激光短谐振腔置于谐振腔温控模块中进行精确温度控制。波分复用器的泵浦端与泵浦激光器的尾纤连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接；上述元器件共同组成一个单频光纤激光器单元，各个分立的单频光纤激光器单元输出具有一定波长（频率）差的单频激光，最后通过合波器合成一束激光并输出。
进一步地，所述的宽带光纤光栅、高增益光纤和窄带光纤光栅之间是通过对接或者熔接方式连接，一起构成单频激光短谐振腔。
进一步地，所述的高增益光纤为纤芯均匀掺杂高浓度Yb3+、Er3+、Tm3+等稀土发光离子，或者Cr2+、Fe2+、Ni2+等过渡金属离子；其光纤使用长度为厘米量级厘米量级。
进一步地，所述的用于合束的单频光纤激光器单元数量为n个（n≥1）。
进一步地，所述的PZT精密压电陶瓷用光学胶紧贴，并且固定在窄带光纤光栅一端的侧面。
进一步地，所述的谐振腔温控模块控制精度为0.1℃左右，单独对单频激光短谐振腔中窄带光纤光栅、宽带光纤光栅或者单频激光短谐振腔整体进行温控，从而实现对激光器输出中心波长（频率）的精确调谐。
进一步地，所述的合波器包括但不限于波分复用器、光分路器、光纤合束器等，其端口类型为n×1，n为激光输入端口数（n≥1），其将n个具有不同波长（频率）差的单频光纤激光器单元进行合波在一起。
进一步地，所述的线宽可控光纤激光器根据单频激光短谐振腔输出激光的工作波长（频率）的具体要求，对PZT精密压电陶瓷施加相应大小的直流偏置电压，或者改变单频激光短谐振腔的工作温度，以及两者结合的方式对单个单频激光短谐振腔输出的单频激光中心波长（频率）进行实时、有效调节。
进一步地，所述的线宽可控光纤激光器根据线宽调节的具体要求，结合每个单频光纤激光器单元的自身工作波长（频率），选择多个激光器单元中的不同个数或者调谐单个激光器单元的中心波长（频率），然后进行排列组合，再利用合波的方式实现线宽可控操作。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：通过使用多个短线性腔结构的单频光纤激光器单元，首先选择每个单频激光短谐振腔的宽带与窄带光纤光栅的中心波长，然后确定各个单频激光短谐振腔之间的工作波长（频率）间隔大小，再结合具体的线宽调节范围和要求，利用谐振腔温控模块精确控制单频激光短谐振腔的工作温度，使得单频激光谐振腔输出波长（频率）发生漂移，从而在较大范围内改变各个单频激光短谐振腔单元工作波长（频率）。同时，为了实现较高的线宽调谐精度，在使用温度调谐的基础上，进一步结合PZT压电陶瓷的方式，对固定在窄带光纤光栅上的PZT精密压电陶瓷施加合适的偏置电压信号改变窄带光纤光栅周期，实现各单频激光短谐振腔单元工作波长（频率）的高精度调谐。并且，对多个单频激光谐振腔单元中的不同个数进行排列组合。将各个单频激光短谐振腔输出具有一定波长（频率）差的单频光纤激光再合成一束输出，最终实现输出的激光在保持原有各单频激光谐振腔的低噪声、结构紧凑等特点之外，还具有线宽灵活可控、调节范围大、精度高等优点。
附图说明
图1为本发明提供的一种线宽可控光纤激光器的结构示意图。
图中：11—宽带光纤光栅；12—窄带光纤光栅；13—高增益光纤；14—PZT精密压电陶瓷；15—谐振腔温控模块；16—波分复用器；17—泵浦激光器；18—光隔离器；9—合波器。
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，本发明提供的线宽可控光纤激光器，其包括宽带光纤光栅11、窄带光纤光栅12、高增益光纤13、精密压电陶瓷14、谐振腔温控模块15、波分复用器16、泵浦激光器17、光隔离器18、合波器9。各部件之间的连接为：宽带光纤光栅11、窄带光纤光栅12和高增益光纤13依次连接组成单频激光谐振短腔，窄带光纤光栅12与PZT精密压电陶瓷14紧密固定在一起，并与波分复用器16的公共端连接，单频激光短谐振腔置于谐振腔温控模块15中进行精确温度控制。波分复用器16的泵浦端与泵浦激光器17的尾纤连接，波分复用器16的信号端与光隔离器18的输入端连接，上述元器件共同组成一个单频光纤激光器单元1，最后n个（n≥1）分立的单频光纤激光器单元输出的单频光纤激光，再通过合波器9合成一束激光并输出。
本例中所用于线宽可控的单频光纤激光器单元数量为3个，3个短谐振腔所使用的激光工作介质为高掺杂Yb3+磷酸盐玻璃光纤（掺杂离子浓度可大于1mol%），其使用长度为2cm；其宽带光纤光栅的工作中心波长分别为1064.05nm、1064.1nm、1064.15nm，三者的3dB反射带宽均为0.35nm，对激光信号波长的反射率均为99.9%；窄带光纤光栅的工作中心波长分别为1064.05nm、1064.1nm、1064.15nm，三者的3dB反射带宽均为0.08nm；对激光信号波长反射率均为70%。3对两两相互匹配的光纤光栅分别和3段掺Yb3+磷酸盐玻璃光纤连接，组成3个分布式布拉格反射（DBR）型单频激光谐振短腔。3只PZT压电陶瓷使用紫外固化胶分别固定在3只窄带光纤光栅的侧面，将3个单频激光短谐振腔分别置于特殊定制的铜槽中，并用TEC制冷器温控模块对整个单频激光短谐振腔进行精确温度控制，控制精度为0.1°C。选择工作波长为980nm的单模半导体激光器作为泵浦激光器，泵浦激光通过980/1064nm的波分复用器后向泵浦单频激光短谐振腔，产生的单频光纤激光经1064nm光隔离器输出。在获得稳定单频激光输出后，通过精度为0.1℃的温控模块对单频激光短谐振腔进行温度调节与控制，实现每个单频激光短谐振腔输出波长在1~200pm范围内的调谐；并结合对PZT压电陶瓷施加偏置电压信号，调节与控制窄带光纤光栅，进一步实现每个单频激光短谐振腔输出波长在0.01~10pm范围内的精密调谐。同样类似的操作分别作用于3个单频激光短谐振腔。选择3个单频激光谐振腔单元同时工作，将3个单频激光短谐振腔输出的单频光纤激光通过一个反向工作的光分路器（3×1端口类型）进行合波之后输出。最终可以获得相对强度噪声值小于–140dB/Hz、线宽调谐~30GHz的光纤激光输出。

Claims (9)

1.一种线宽可控光纤激光器，其特征在于包括：合波器（9）和n个单频光纤激光器单元；其中每个单频光纤激光器单元包含宽带光纤光栅（11）、窄带光纤光栅（12）、高增益光纤（13）、PZT精密压电陶瓷（14）、谐振腔温控模块（15）、波分复用器（16）、泵浦激光器（17）和光隔离器（18）；宽带光纤光栅（11）、窄带光纤光栅（12）和高增益光纤（13）依次连接组成单频激光短谐振腔；窄带光纤光栅（12）与精密压电陶瓷（14）固定在一起，并与波分复用器（16）的公共端连接；单频激光谐振短腔置于谐振腔温控模块（15）中进行精确温度控制；波分复用器（16）的泵浦端与泵浦激光器（17）的尾纤连接，波分复用器（16）的信号端与光隔离器（18）的输入端连接；光隔离器（18）的输出端与合波器（9）的输入端连接，多个单频光纤激光器单元输出具有一定波长（频率）差的单频激光，最后通过合波器（9）合成一束并输出。
2.如权利要求1所述的线宽可控光纤激光器，其特征在于：所述的宽带光纤光栅（11）、高增益光纤（13）和窄带光纤光栅（12）之间是通过对接或者熔接方式连接。
3.如权利要求1所述的线宽可控光纤激光器，其特征在于：所述的高增益光纤（13）为纤芯均匀掺杂高浓度Yb3+、Er3+、Tm3+稀土发光离子，或者Cr2+、Fe2+、Ni2+过渡金属离子，使用长度为厘米量级。
4.如权利要求1所述的线宽可控光纤激光器，其特征在于：所述的用于合束的单频光纤激光器单元（1）的数量为n个，n≥1。
5.如权利要求1所述的线宽可控光纤激光器，其特征在于：所述的PZT精密压电陶瓷（14）用光学胶紧贴固定在窄带光纤布拉格光栅一端的侧面。
6.如权利要求1所述的线宽可控光纤激光器，其特征在于：所述的谐振腔温控模块（15）控制精度0.1℃，能独立对单频激光短谐振腔中窄带光纤光栅、宽带光纤光栅或者单频激光短谐振腔整体进行温控。
7.如权利要求1所述的线宽可控光纤激光器，其特征在于：所述的合波器（9）采用波分复用器、光分路器或光纤合束器，其端口类型为n×1，n为激光输入端口数，n≥1，其将n个具有不同波长或频率差的单频光纤激光器单元进行合波在一起，并经其输出端输出。
8.如权利要求1所述的线宽可控光纤激光器，其特征在于：根据单频激光短谐振腔输出激光的工作波长或频率要求，对PZT精密压电陶瓷（14）施加相应大小的直流偏置电压，或者改变单频激光短谐振腔的工作温度，以及两者结合的方式对单个单频激光短谐振腔输出的单频激光中心波长或频率进行调谐。
9.如权利要求1所述的线宽可控光纤激光器，其特征在于：根据线宽调节的具体要求，结合每个单频光纤激光器单元的自身工作波长或频率，通过选择多个激光器单元中的不同数量，或者通过调谐单个激光器单元的中心波长或频率，然后进行排列组合，再利用合波的方式实现线宽可控。
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