CN109286122A - 多波段可调谐单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波段可调谐单频光纤激光器。该多波段可调谐单频光纤激光器包括泵浦源、谐振腔和隔离器，其中谐振腔由宽带光纤光栅、超宽带高增益光纤、阵列波导光栅以及窄带光纤光栅等依次设置组成超短线形腔，从宽带光纤光栅一端将泵浦光耦合进谐振腔，产生激光振荡，最后经隔离器输出单频激光。通过程序可调节阵列波导光栅来实现不同波段之间的切换，通过压电陶瓷或温控调节窄带光纤光栅的中心波长来实现同一波段内不同波长的可调谐，最终可实现1450nm～2150nm波段内连续可调谐单频激光输出，线宽小于500Hz，有望应用于相干光合束、生物医学以及光谱学等领域。

Description

多波段可调谐单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种多波段可调谐单频光纤激光器。

背景技术

单频窄线宽光纤激光器的输出光谱线宽非常窄，比现有光通信网络中密集波分复用信号光源的线宽要窄5-6个数量级，且相干特性极好，在超高精度和超远距离探测方面有着巨大的应用前景。而应用在相干光合束、激光雷达、生物医学以及光谱学等领域的光纤激光器要求光谱线宽极窄，并且要求多波段可调谐。因此，研发一种多波段可调谐超窄线宽单频光纤激光器对满足上述领域的应用要求至关重要。

产生波长可调谐的单频光纤激光技术有很多，如通过应力或者温度改变光纤光栅的中心波长实现单频激光波长可调谐、未泵浦掺杂光纤可饱和吸收体和级联滤波器件等，但这些方法实现可调谐单频激光普遍存在调谐范围窄、器件损耗大、成本高等缺点，参见“光学学报,2019,39(01):0114001；IEEE Photonics Technology Letter,2001,13(11):1167-1169；Optics Letters,2004,29(14):1677-1679”。

发明内容

基于此，有必要提供一种器件损耗小、线宽窄、结构紧凑的多波段可调谐单频光纤激光器。

一种多波段可调谐单频光纤激光器，包括泵浦源、谐振腔和隔离器；所述泵浦源发出的泵浦光进入所述谐振腔产生激光振荡，从所述隔离器输出激光；所述谐振腔是由宽带光纤光栅、超宽带高增益光纤、阵列波导光栅以及窄带光纤光栅依次设置构成的超短线形腔；所述光纤激光器能够实现1450nm～2150nm波段内连续可调谐单频激光输出，线宽小于500Hz。

在其中一个实施例中，所述泵浦源为980nm半导体激光器。

在其中一个实施例中，所述宽带光纤光栅的反射率大于99.9％，工作带宽150THz±1％，工作范围是1450nm～2150nm。

在其中一个实施例中，所述超宽带高增益光纤是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯由多组对称分布的扇形结构构成，多组扇形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子包括Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺，发光中心分别位于纤芯中的不同扇形结构区域，且纤芯的各部分共掺有敏化稀土离子Yb³⁺，各稀土离子掺杂浓度均大于5wt％。

在其中一个实施例中，所述超宽带高增益光纤的增益范围是1450nm～2150nm，增益系数大于1dB/cm。

在其中一个实施例中，所述阵列波导光栅的可调谐工作范围是1450nm～2150nm。

在其中一个实施例中，所述窄带光纤光栅的反射率为50～70％，工作带宽小于3GHz，可调谐工作范围是1450nm～2150nm。

在其中一个实施例中，所述窄带光纤光栅、所述阵列波导光栅和/或所述隔离器为保偏光纤器件。

在其中一个实施例中，通过程序调节阵列波导光栅实现不同波段之间的切换，通过压电陶瓷或温控调节窄带光栅实现同一波段内不同波长的可调谐。

目前，线形腔和环形腔都可以实现单频激光输出。其中，线形腔结构简单，且便于对其进行温控管理，从而更容易实现超低噪声、超窄线宽、频率稳定的单频激光输出，是单频光纤激光器领域研究的重点。要实现单频激光，必须对激光器的纵模进行筛选，实现单纵模激光输出。本发明经过研究发现，对于线形腔，要求其腔长足够小，使纵模间隔增大，这样可以易于进行单一纵模的选择，并且当增益光纤具有大的增益系数时可以更容易达到激光阈值。

基于此，本发明开发一种多波段可调谐单频光纤激光器，其包括泵浦源、谐振腔和隔离器，其中谐振腔由宽带光纤光栅、超宽带高增益光纤、阵列波导光栅(AWG)以及窄带光纤光栅依次设置组成超短线形腔，从宽带光纤光栅一端将泵浦光耦合进谐振腔，产生激光振荡，最后经隔离器输出单频激光。通过程序可调节阵列波导光栅来实现不同波段之间的切换，还可以通过压电陶瓷(PZT)或温控调节窄带光纤光栅的中心波长来实现同一波段内不同波长的可调谐，最终可实现1450nm～2150nm波段内连续可调谐单频光纤激光输出，线宽小于500Hz，有望应用于相干光合束、生物医学以及光谱学等领域。

本发明的多波段可调谐单频光纤激光器调谐范围宽、线宽窄、器件损耗小、成本低，且结构简单、紧凑，最终输出激光噪声低、信噪比高、稳定性好。

附图说明

图1为本发明一实施例的多波段可调谐单频光纤激光器的结构示意图；

图2为图1中超宽带高增益光纤的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种多波段可调谐单频光纤激光器10，其包括泵浦源100、谐振腔200和隔离器300。泵浦源100发出的泵浦光进入谐振腔200产生激光振荡，从隔离器300输出激光；谐振腔200是由宽带光纤光栅210、超宽带高增益光纤220、阵列波导光栅230、以及窄带光纤光栅240依次设置构成的超短线形腔。宽带光纤光栅210是谐振腔的前腔镜，超宽带高增益光纤220是增益介质，阵列波导光栅230是选频器件，窄带光纤光栅240是谐振腔的后腔镜。

在一个具体示例中，泵浦源100为980nm商用的半导体激光器。

优选的，本实施例所述的宽带光纤光栅210的反射率大于99.9％，工作带宽150THz±1％，工作范围是1450nm～2150nm。

超宽带高增益光纤220是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层。其中，纤芯由多组对称分布的扇形结构构成，多组扇形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子包括Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺，发光中心分别位于纤芯中的不同扇形结构区域，且纤芯的各部分共掺有敏化稀土离子Yb³⁺，各稀土离子掺杂浓度均大于5wt％。进一步，该超宽带高增益光纤220的增益范围是1450nm～2150nm，增益系数大于1dB/cm。

在一个具体的示例中，超宽带高增益光纤220的端面如图2所示，其包括纤芯，以及包覆于所述纤芯表面的包层224。所述纤芯由三组呈对称的扇形设置的稀土离子掺杂区域221、稀土离子掺杂区域222、稀土离子掺杂区域223组成。其中稀土离子掺杂区域221为Er³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域222为Tm³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域223为Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，包层224为未掺稀土离子的多组分锗酸盐玻璃；Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Yb³⁺掺杂浓度均＞5wt％。

所述超宽带高增益光纤220可采用管棒法制备，步骤如下：

a、玻璃熔制：采用传统的熔融-退火的方法分别熔制Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺和Ho³⁺/Yb^{3 +}掺杂的大块纤芯玻璃以及大块包层玻璃；

b、包层玻璃加工：将熔制的包层玻璃通过机械加工成设计尺寸的玻璃管，然后采用物理和化学方法抛光内、外表面，得到包层224；

c、复合结构芯棒制备：分别将Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的大块纤芯玻璃通过机械加工成预设尺寸的玻璃圆柱，然后采用物理和/或化学方法抛光表面，分别将Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的玻璃圆柱拉制成玻璃细棒，即一次拉丝得到纤芯玻璃细棒；随后采用机械或激光将纤芯玻璃细棒分别加工成设计的扇形结构，再组装成复合结构纤芯棒，即依次形成稀土离子掺杂区域221、稀土离子掺杂区域222或稀土离子掺杂区域223，其中步骤b和步骤c中包层和各纤芯尺寸根据单模光纤设计要求确定；

d、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图2所示增益光纤。

此外，所述超宽带高增益光纤220还可采用3D打印方法制备，步骤如下：

a、复合结构芯棒制备：按照设计配方和尺寸，采用3D打印方法分别制备扇形结构的纤芯，按设计组装成复合结构纤芯棒，形成稀土离子掺杂区域221、稀土离子掺杂区域222和稀土离子掺杂区域223；采用3D打印方法制备包层224；

b、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图2所示的增益光纤。

图2所示的超宽带高增益光纤220可用于构建光纤激光器实现可调谐激光输出，如构建上述多波段可调谐单频光纤激光器10，通过控制光场极大值位于不同的稀土离子掺杂区域，从而激发不同的稀土离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；通过温度或应力控制装置，可以调节复合结构增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现1450nm～2150nm范围内特定波段内输出激光的波长可调谐。

优选的，本实施例的阵列波导光栅230的可调谐工作范围是1450nm～2150nm。

进一步优选的，窄带光纤光栅240的反射率为50％，工作带宽小于3GHz，可调谐工作范围是1450nm～2150nm。

更进一步优选的，窄带光纤光栅240、阵列波导光栅230和/或隔离器300为保偏光纤器件。通过程序调节阵列波导光栅230来实现不同波段之间的切换，通过压电陶瓷或温控调节窄带光纤光栅240的中心波长来实现同一波段内不同波长的可调谐，最终经隔离器300输出的激光，可实现在1450nm～2150nm波段内连续可调谐，线宽小于500Hz，且激光噪声低、线宽窄、信噪比高。

有该多波段可调谐单频光纤激光器10调谐范围宽、线宽窄、器件损耗小、成本低，且结构简单、紧凑，最终输出激光噪声低、信噪比高、稳定性好。可应用于相干光合束制作、激光雷达定位、非疾病诊断或治疗目的的生物医学检测、或光学检测等领域。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种多波段可调谐单频光纤激光器，其特征在于，包括泵浦源、谐振腔和隔离器；所述泵浦源发出的泵浦光进入所述谐振腔产生激光振荡，从所述隔离器输出激光；所述谐振腔是由宽带光纤光栅、超宽带高增益光纤、阵列波导光栅以及窄带光纤光栅依次设置构成的超短线形腔；所述光纤激光器能够实现1450nm～2150nm波段内连续可调谐单频激光输出，线宽小于500Hz。

2.如权利要求1所述的多波段可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为980nm半导体激光器。

3.如权利要求1所述的多波段可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述宽带光纤光栅的反射率大于99.9％，工作带宽150THz±1％，工作范围是1450nm～2150nm。

4.如权利要求3所述的多波段可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述超宽带高增益光纤是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯由多组对称分布的扇形结构构成，多组扇形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子包括Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺，发光中心分别位于纤芯中的不同扇形结构区域，且纤芯的各部分共掺有敏化稀土离子Yb³⁺，各稀土离子掺杂浓度均大于5wt％。

5.如权利要求4所述的多波段可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述超宽带高增益光纤的增益范围是1450nm～2150nm，增益系数大于1dB/cm。

6.如权利要求5所述的多波段可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述阵列波导光栅的可调谐工作范围是1450nm～2150nm。

7.如权利要求6所述的多波段可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述窄带光纤光栅的反射率为50～70％，工作带宽小于3GHz，可调谐工作范围是1450nm～2150nm。

8.如权利要求1～7中任一项所述的多波段可调谐单频激光器，其特征在于，所述窄带光纤光栅、所述阵列波导光栅和/或所述隔离器为保偏光纤器件。

9.根据权利要求1所述的一种多波段可调谐单频光纤激光器，其特征在于，通过程序调节阵列波导光栅实现不同波段之间的切换，通过压电陶瓷或温控调节窄带光栅实现同一波段内不同波长的可调谐。