CN109616858A - 基于飞秒激光直写fbg阵列的掺铒光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，包括传感光纤，传感光纤上设有波分复用器、C波段掺饵光纤、L波段掺饵光纤、偏振控制器、光纤环形器、耦合器、泵浦源、光谱仪、FBG阵列、宽带反射镜；其中，FBG阵列通过飞秒激光直写单模光纤制得，单模光纤的纤芯刻写有三个并列的FBG光栅，且三个FBG光栅长度相等、反射波长不同。本发明采用飞秒激光透过光纤保护层在不除去涂层的单模光纤中直写周期分别为538nm、542nm和547nm且并列设置的光纤布拉格光栅作为选频器件，结合C波段和L波段掺铒光纤、泵浦源、偏振控制器及宽带全反镜构成线形腔光纤激光器，实现了波长可切换的单波长及双波长激光输出，且抑制了激光光谱中的边模，提高了波长稳定性。

Description

基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器。
背景技术
波长可调谐的窄线宽光纤激光器具有结构紧凑、低损耗、波长灵活可调谐、高信噪比、激光线宽窄等特点，其中掺铒光纤激光器覆盖C+L波段，能够广泛应用于光通信、激光雷达、生物医学、光谱分析等领域。因此，开展不同波段的波长可调谐光纤激光器方面的研究，实现高稳定性的光纤激光输出已经成为本领域的研究热点。
目前，国内外针对波长可切换掺铒光纤激光器的研究已经取得了很大的进展，设计采用级联光纤光栅（Fiber Bragg grating, FBG）、保偏光纤光栅、光子晶体光纤、高双折射光纤、Sagnac环、光纤Fabry-Perot滤波器、光纤Mach-Zehnder滤波器等光纤光学器件都能够实现波长灵活可切换的窄线宽激光输出。以上技术虽然可以实现多波长可调谐光纤激光输出，但是系统中通常采用特种光纤，或是在腔内接入外部调制结构，增加了系统的复杂程度。
另外，选频器件的性能与输出激光的光谱特性密切相关。而布拉格光纤光栅作为一种选频器件已经广泛应用于光纤激光器的设计与制作，目前，通常采用紫外曝光方式在去除保护层的光纤中制备FBG，之后通过再涂覆技术对栅区进行保护，但是这种方法制作的布拉格光栅作为选频器件导致输出激光波长稳定性差。
近年来，采用飞秒激光制备FBG已经成为光纤传感领域的研究热点之一，通过该方法制备FBG具有强度较高及耐高温的特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，实现了波长可切换的单波长及双波长激光输出，能够抑制激光光谱中的边模，提高波长稳定性。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，包括传感光纤，传感光纤上设有波分复用器、C波段掺饵光纤、L波段掺饵光纤、偏振控制器、光纤环形器、耦合器、泵浦源、光谱仪、FBG阵列；其中，波分复用器、C波段掺饵光纤、L波段掺饵光纤、偏振控制器、光纤环形器、耦合器依次连接形成环形腔状结构；泵浦源与波分复用器的输入端连接，提供光源；光谱仪与耦合器的输出端连接，用于对激光输出光谱进行采集；FBG阵列与光纤环形器的输出端连接，作为选频器件；FBG阵列通过飞秒激光直写单模光纤制得，单模光纤的纤芯刻写有三个并列的FBG光栅，且三个FBG光栅长度相等、反射波长不同。
进一步的，所述FBG阵列输出端熔接有宽带反射镜，宽带反射镜的端面渡有金属膜。
进一步的，所述耦合器采用分光比为10:90的耦合器，其10%输出端与所述光谱仪连接。
进一步的，所述泵浦源为976nm二极管。
进一步的，所述波分复用器的工作波长为976/1550nm。
进一步的，所述C波段掺铒光纤长度为3m，所述L波段掺铒光纤长度为10m。
进一步的，所述传感光纤尺寸为9/125μm。
一种所述FBG阵列的制作方法为：
步骤1）将不去除涂层的单模光纤固定于三维移动平台上；
步骤2）通过调节平台将飞秒激光经反射镜反射后进入加工镜，经加工镜放大后聚焦在所述单模光纤的纤芯位置；所述飞秒激光波长为800nm，重频参数为1 kHz，脉冲宽度为35fs；所述加工镜为63倍浸油物镜，折射率匹配液为1.45；
步骤3）制作刻写周期为542nm的第一FBG光栅，在第一FBG光栅的一侧制作刻写周期为538nm的第二FBG光栅，在第一FBG光栅的另一侧制作刻写周期为547nm的第三FBG光栅，第一FBG光栅、第二FBG光栅、第三FBG光栅相互平行且长度均为3000μm，得到FBG阵列。
进一步的，所述第一FBG光栅、第二FBG光栅和第三FBG光栅的反射波长分别为1569.6nm 、1555.5nm和1583.8nm。
进一步的，所述步骤1）中，单模光纤一端连接光纤环形器的输出端，光纤环形器的输入端连接有ASE-C+L波段光源，光纤环形器的发射端连接有光谱仪；刻写过程中，ASE-C+L波段光源发出的光经环形器耦合后进入单模光纤，而后光谱分析仪采集各FBG光栅的反射谱数据，用于实时监测各FBG光栅的光谱特性。
本发明的有益效果是：本发明提供一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，该激光器采用飞秒激光透过光纤保护层在不除去涂层的单模光纤中直写周期分别为538nm、542nm和547nm且并列设置的光纤布拉格光栅作为选频器件，选用C波段L波段掺铒光纤组合作为激光器增益介质，结合泵浦源、偏振控制器及宽带全反镜构成线形腔光纤激光器，实现了波长可切换的单波长及双波长激光输出，同时，抑制了激光光谱中的边模，提高了波长稳定性。另外，无需采用特种光纤，或是在腔内接入外部调制结构，避免增加系统的复杂程度。
附图说明
图1为本发明基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明FBG阵列结构示意图；
图3为本发明FBG阵列刻写过程中刻写周期为542nm时采集到的光栅反射谱图；
图4为本发明激光器在泵浦功率为100mW时激光光谱图；
图5a为本发明激光器在泵浦功率为100mW时通过调节偏振控制器得到的1583.2nm单波长激光光谱图；
图5b为本发明激光器在泵浦功率为100mW时通过调节偏振控制器得到的1569nm单波长激光光谱图；
图5c为本发明激光器在泵浦功率为100mW时通过调节偏振控制器得到的1555.4nm单波长激光光谱图；
图6为本发明激光器在泵浦功率为100mW时通过调节偏振控制器得到的1569nm和1583.2nm双波长激光光谱图；
图7为本发明激光器在泵浦功率为100mW时通过调节偏振控制器得到的1555.4nm和1569nm双波长激光光谱图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，包括传感光纤1，传感光纤1上设有波分复用器2、C波段掺饵光纤3、L波段掺饵光纤4、偏振控制器5、光纤环形器6、耦合器7、泵浦源8、光谱仪9、FBG阵列10；其中，波分复用器2、C波段掺饵光纤3、L波段掺饵光纤4、偏振控制器5、光纤环形器6、耦合器7依次连接形成环形腔状结构；泵浦源8与波分复用器2的输入端连接，提供光源；光谱仪9与耦合器7的输出端连接，用于对激光输出光谱进行采集，耦合器7采用分光比为10:90的耦合器，其10%输出端与所述光谱仪9连接；FBG阵列10与光纤环形器6的输出端连接，作为选频器件；FBG阵列10通过飞秒激光直写单模光纤制得，单模光纤的纤芯刻写有三个并列的FBG光栅，且三个FBG光栅长度相等、反射波长不同；FBG阵列10的输出端还熔接有宽带反射镜11，宽带反射镜11端面渡有金属膜。
一种所述FBG阵列的制作方法为：
步骤1）将不去除涂层的单模光纤固定于三维移动平台上；
步骤2）通过调节平台将飞秒激光经反射镜反射后进入加工镜，经加工镜放大后聚焦在所述单模光纤的纤芯位置；所述飞秒激光波长为800nm，重频参数为1 kHz，脉冲宽度为35fs；所述加工镜为63倍浸油物镜，折射率匹配液为1.45；
步骤3）制作刻写周期为542nm的第一FBG光栅，在第一FBG光栅的一侧制作刻写周期为538nm的第二FBG光栅，在第一FBG光栅的另一侧制作刻写周期为547nm的第三FBG光栅，第一FBG光栅、第二FBG光栅、第三FBG光栅相互平行且长度均为3000μm，得到FBG阵列。所述第一FBG光栅、第二FBG光栅和第三FBG光栅的反射波长分别为1569.6nm 、1555.5nm和1583.8nm。
所述步骤1）中，单模光纤一端连接光纤环形器的输出端，光纤环形器的输入端连接有ASE-C+L波段光源，光纤环形器的发射端连接有光谱仪；刻写过程中，ASE-C+L波段光源发出的光经环形器耦合后进入单模光纤，而后光谱分析仪采集各FBG光栅的反射谱数据，用于实时监测各FBG光栅的光谱特性。
将通过上述方法制作的FBG阵列作为激光器的选频单元，按照如图1所示结构搭建激光器。其中，采用976nm二极管作为泵浦源3，波分复用器2工作波长为976/1550nm，C波段掺铒光纤4长度为3m，L波段掺铒光纤5长度为10m，传感光纤1尺寸为9/125μm，光谱仪采集分辨率为0.02nm。
激光器工作阈值为35mW时，首先产生波长为1569.02nm的单波长激光，提高泵浦功率为100mW时，1569.02nm单波长激光稳定输出，此时对该波长激光光谱特性进行采集分析，如图4所示，输出激光边模抑制较好，激光3dB线宽为0.05nm。
保持泵浦功率100mW，通过调节偏振控制器6改变谐振腔内增益损耗，能够分别实现1583.2nm，1569nm以及1555.4nm单波长激光可切换输出，其光谱如图5a、5b、5c所示，输出激光的边模抑制比均大于35dB，激光3dB线宽小于0.05nm。
在泵浦功率为100mW条件下，通过调节偏振控制器6能够在C波段及L波段实现双波长激光可切换输出。实验中，分别对双波长激光的光谱特性及稳定性进行测试与分析。当1569nm和1583.2nm双波长激光同时，输出时采集到的光谱如图6所示；通过调节偏振控制器6，激光器还能够实现1555.4nm和1569nm双波长激光同时输出，其光谱如图7所示，激光信噪比大于35dB。
通过通过上述测试分析，验证了基于飞秒激光直写制备FBG阵列实现单波长及双波长可切换激光输出的可行性和有效性，该方法抑制了激光光谱中的边模，提高了波长稳定性。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。

Claims (10)

1.一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，包括传感光纤，传感光纤上设有波分复用器、C波段掺饵光纤、L波段掺饵光纤、偏振控制器、光纤环形器、耦合器、泵浦源、光谱仪、FBG阵列；其中，波分复用器、C波段掺饵光纤、L波段掺饵光纤、偏振控制器、光纤环形器、耦合器依次连接形成环形腔状结构；泵浦源与波分复用器的输入端连接，提供光源；光谱仪与耦合器的输出端连接，用于对激光输出光谱进行采集；FBG阵列与光纤环形器的输出端连接，作为选频器件；FBG阵列通过飞秒激光直写单模光纤制得，单模光纤的纤芯刻写有三个并列的FBG光栅，且三个FBG光栅长度相等、反射波长不同。
2.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述FBG阵列输出端熔接有宽带反射镜，宽带反射镜的端面渡有金属膜。
3.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述耦合器采用分光比为10:90的耦合器，其10%输出端与所述光谱仪连接。
4.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为976nm二极管。
5.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述波分复用器的工作波长为976/1550nm。
6.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述C波段掺铒光纤长度为3m，所述L波段掺铒光纤长度为10m。
7.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述传感光纤尺寸为9/125μm。
8.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述所述FBG阵列的制作方法为：
步骤1）将不去除涂层的单模光纤固定于三维移动平台上；
步骤2）通过调节平台将飞秒激光经反射镜反射后进入加工镜，经加工镜放大后聚焦在所述单模光纤的纤芯位置；所述飞秒激光波长为800nm，重频参数为1 kHz，脉冲宽度为35fs；所述加工镜为63倍浸油物镜，折射率匹配液为1.45；
步骤3）制作刻写周期为542nm的第一FBG光栅，在第一FBG光栅的一侧制作刻写周期为538nm的第二FBG光栅，在第一FBG光栅的另一侧制作刻写周期为547nm的第三FBG光栅，第一FBG光栅、第二FBG光栅、第三FBG光栅相互平行且长度均为3000μm，得到FBG阵列。
9.如权利要求8所述的一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述第一FBG光栅、第二FBG光栅和第三FBG光栅的反射波长分别为1569.6nm 、1555.5nm和1583.8nm。
10.如权利要求8所述的一种基于飞秒激光直写FBG阵列的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述步骤1）中，单模光纤一端连接光纤环形器的输出端，光纤环形器的输入端连接有ASE-C+L波段光源，光纤环形器的发射端连接有光谱仪；刻写过程中，ASE-C+L波段光源发出的光经环形器耦合后进入单模光纤，而后光谱分析仪采集各FBG光栅的反射谱数据，用于实时监测各FBG光栅的光谱特性。
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