CN110867718B - 一种宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，包括两个激光发射装置、合波器、偏振控制器和非线性光纤；可调谐单频激光种子源产生单频光纤激光，光纤放大器将所述单频光纤激光的功率放大，合波器将功率放大后的两束单频光纤激光合束为一束激光，偏振控制器调整合束后激光的偏振态，非线性光纤用来控制输出激光的线宽。通过调节注入到非线性光纤中的两路激光光束的功率比值，从而改变非线性光纤中的增益，实现输出激光线宽的进一步可控，最终实现的窄线宽光纤激光具有线宽灵活可控、调节范围大、线宽调节精度高等优点，本发明提供的窄线宽光纤激光器可应用于光波分复用系统、相干合成、光谱合成、引力波探测等方面。

Description

一种宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种线宽调节范围大、调节精度高的窄线宽光纤激光器。
背景技术
大功率窄线宽光纤激光器在功率水平和线宽特性方面表现出独特优势，成为国内外研究与应用的热点。尤其是激光雷达、相干合成、光谱合成、引力波探测、非线性频率转换等应用场合，要求窄线宽光纤激光具有较大功率或能量、特定工作波长、线偏振输出等特性。为了解决上述问题，采用种子源主振荡功率放大(MOPA)技术方案，基于低功率窄线宽激光器作为种子源，使用稀土离子掺杂光纤放大器进行功率放大，可以获得大功率窄线宽光纤激光输出。
由于其信号激光线宽较窄(通常kHz或MHz量级)、以及双包层增益光纤相对有限的纤芯尺寸和较长的作用长度，使得窄线宽光纤激光在功率放大过程中极易受到受激布里渊散射(SBS)效应的影响，SBS成为限制窄线宽光纤激光功率提升的主要因素之一。因此，一般需要通过展宽信号激光的线宽来抑制SBS，以实现更高功率规模的窄线宽光纤激光输出。目前通过线宽展宽的途径来抑制SBS，其主要方法有：利用调制器对单频种子源输出信号激光进行相位或频率调制以及通过噪声注入等方式，对单频种子源的信号激光线宽进行展宽，然后注入多级光纤放大器进行逐级的功率放大。但是该展宽方式中线宽控制与调节范围受到调制器硬件的限制和缺乏灵活性，且系统损耗较大、成本高。
相关专利(申请)有：(1)2018年，华南理工大学申请了一种线宽可控光纤激光器的专利(申请)[公开号：CN 109149343A]，通过n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，然后合成为一束激光，最后得到线宽可控的光纤激光输出。但是该专利(申请)工作单元较多、成本高，且控制较复杂。(2)2018年，中国人民解放军国防科技大学申请了一种多路不同频点激光同步相位调制光谱展宽装置及方法的专利(申请)[公开号：CN 108572469A]，将多路不同频点的合束激光通过相位调制器展宽线宽后，再利用分波器，将线宽展宽后的多个不同中心频率的窄线宽激光分离出来，最后得到一种可提供多路不同频点的单频激光器。但是该专利(申请)其输出激光相干性不高或线宽不可控。
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，提供一种宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器。本发明首先基于宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带光纤光栅组成单频激光谐振短腔，从而实现两个独立控制的单频激光种子源单元，并且输出单频光纤激光；两束单频激光分别经光纤放大器提升其功率强度至满足后续产生非线性参量增益的要求，再通过合波器合束为一束光波，将混合了两路光频的光波通过偏振控制器，进而调节进入非线性光纤的激光偏振态，最后进入非线性光纤通过四波混频效应来产生新的频率，从而得到四个光频接近的光波。由其光谱包络可近似高斯分布及其带宽较窄，故此可得到经光谱展宽的窄线宽光纤激光输出。
接着，利用PZT压电陶瓷的电致伸缩效应对窄带光纤光栅施加侧向应力，致使其光栅周期受到调节，可以在小范围内高精度调谐单频激光谐振短腔的输出中心波长(频率)；同时，利用温控模块改变短谐振腔的工作温度，致使其腔长或窄带光纤光栅的光栅周期受到调节，可以在宽范围内调谐单频激光谐振短腔的输出中心波长(频率)；从而实现两路单频激光种子源单元输出中心波长(频率)的可调谐，再通过同向、反向或相向调谐与控制两路单频激光中心波长(频率)进行，从而灵活改变四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制输出激光线宽。其中同向和相向调谐可实现线宽调节的高精度的要求，反向调谐可实现线宽调节的大范围的要求。再者，通过调节注入到非线性光纤中的两路激光光束的功率比值，从而改变非线性光纤中的增益，实现输出激光线宽的进一步可控。最终实现线宽可控范围为0.1～500GHz、线宽调节精度为1MHz的窄线宽光纤激光输出。
本发明的目的至少是通过以下技术方案之一实现的。
本发明提供了包括两个激光发射装置、合波器、偏振控制器和非线性光纤；两个激光发射装置并联连接后依次和合波器、偏振控制器和非线性光纤串联连接；所述激光发射装置包括可调谐单频激光种子源和光纤放大器；可调谐单频激光种子源产生单频光纤激光，光纤放大器将所述单频光纤激光的功率放大，合波器将功率放大后的两束单频光纤激光合束为一束激光，偏振控制器调整合束后激光的偏振态，非线性光纤用来控制输出激光的线宽。
优选地，所述可调谐单频激光种子源包括宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带光纤光栅、PZT压电陶瓷、温控模块、波分复用器、单模泵源和光隔离器；宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带光纤光栅依次相连接组成单频激光谐振短腔；PZT压电陶瓷固定在窄带光纤光栅的侧面；窄带光纤光栅的一端与高增益光纤连接，另一端与波分复用器的公共端连接；单频激光谐振短腔置于温控模块中进行温度控制；波分复用器的泵浦端与单模泵源的尾纤连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接。
优选地，所述光纤放大器包括：多模泵源、合束器、双包层增益光纤、包层光滤除器、高功率光隔离器；合束器的输入端与光隔离器的输出端连接；合束器的泵浦端与多模泵源的尾纤连接，合束器的公共端与双包层增益光纤的一端连接，双包层增益光纤的另一端与高功率光隔离器的输入端连接，同时在该连接点设置包层光滤除器；第一光纤放大器中高功率光隔离器的输出端和第二光纤放大器中高功率光隔离器的输出端分别与合波器的两个输入端连接，合波器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与非线性光纤的一端连接，非线性光纤的另一端作为窄线宽光纤激光输出端口。
优选地，宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带光纤光栅之间的连接方式为对接或者熔接。
优选地，高增益光纤的纤芯均匀掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中的一种以上，掺杂浓度大于1×1019ions/cm3；所述的高增益光纤的单位长度增益大于1dB/cm，其光纤有效长度为厘米量级。
优选地，所述PZT压电陶瓷用光学胶紧贴或环氧树脂固定于窄带光纤光栅的侧面，并对窄带光纤光栅施加应力。
优选地，所述温控模块为TEC制冷器温控模块；温控模块的控制精度为0.1℃，可以独立对单频激光谐振短腔中窄带光纤光栅、宽带光纤光栅或者单频激光谐振短腔整体进行温控。
优选地，高增益光纤为掺Yb3+磷酸盐玻璃光纤；单模泵源为单模半导体激光器；组成的单频激光谐振短腔为分布式布拉格反射型。
优选地，所述合波器为光纤耦合器、合束器、波分复用器中的一种，其端口类型为2×1。
优选地，所述的非线性光纤为产生四波混频效应的非线性介质，非线性光纤为光子晶体光纤、石英基质高非线性光纤、掺重金属离子氧化物玻璃光纤、硫属化物玻璃光纤中的一种；非线性光纤在双波长可调谐单频种子源的输出光波长处色散值为-50ps/(nm·km)～50ps/(nm·km)；非线性光纤的非线性系数大于1(W·km)-1。
优选地，所述的窄线宽光纤激光器根据线宽调节的具体要求，对PZT精密压电陶瓷施加相应大小的直流偏置电压；或者通过温控模块改变短谐振腔的工作温度，以及两者结合的方式分别对两个可调谐单频激光种子源输出的单频激光中心波长(频率)进行同向、反向或相向调谐与控制，从而改变四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制输出激光线宽。
优选地，所述的窄线宽光纤激光器根据线宽调节的具体要求，对两个光纤放大器的输出功率比值进行改变与控制，从而改变非线性光纤中的增益来调节输出激光线宽。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：
(1)通过使用短线性腔结构的两个独立控制的单频激光种子源单元，选择每个短谐振腔的宽带光纤光栅与窄带光纤光栅的中心波长，确定短谐振腔的自身工作波长(频率)大小；
(2)利用温控模块改变短谐振腔的工作温度，致使其腔长或窄带光纤光栅的光栅周期受到调节，可以在宽范围内调谐单频激光谐振短腔的输出中心波长(频率)；
(3)利用PZT压电陶瓷的电致伸缩效应对窄带光纤光栅施加侧向应力，致使其光栅周期受到调节，也可以在小范围内高精度调谐单频激光谐振短腔的输出中心波长(频率)；两者结合，从而实现两路单频激光种子源单元输出中心波长(频率)的宽范围、高精度可调谐；
(4)将上述两个可调谐单频激光种子源输出具有一定波长(频率)差的单频光纤激光再合成一束进入非线性光纤，进而达到四波混频。进一步再通过同向、反向或相向调谐与控制两路单频激光中心波长(频率)进行，从而灵活改变四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制输出激光线宽。其中同向和相向调谐可实现线宽调节的高精度的要求，反向调谐可实现线宽调节的大范围的要求；
(5)通过调节注入到非线性光纤中的两路激光光束的功率比值，从而改变非线性光纤中的增益，实现输出激光线宽的进一步可控，最终实现的窄线宽光纤激光具有线宽灵活可控、调节范围大、线宽调节精度高等优点，本发明提供的窄线宽光纤激光器可应用于光波分复用系统、相干合成、光谱合成、引力波探测等方面。
附图说明
图1为本发明实施例中一种宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器的结构示意图；
附图中：1-可调谐单频激光种子源；2-光纤放大器；11-宽带光纤光栅；12-高增益光纤；13-窄带光纤光栅；14-PZT压电陶瓷；15-温控模块；16-波分复用器；17-单模泵源；18-光隔离器；21-多模泵源；22-合束器；23-双包层增益光纤；24-包层光滤除器；25-高功率光隔离器；5-合波器；6-偏振控制器；7-非线性光纤；8-激光发射装置。
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。
一种宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，包括两个激光发射装置8、合波器5、偏振控制器6和非线性光纤7；两个激光发射装置8并联连接后依次和合波器5、偏振控制器6和非线性光纤7串联连接；所述激光发射装置8包括可调谐单频激光种子源1和光纤放大器2；可调谐单频激光种子源1产生单频光纤激光，光纤放大器2将所述单频光纤激光的功率放大，合波器5将功率放大后的两束单频光纤激光合束为一束激光，偏振控制器6调整合束后激光的偏振态，非线性光纤7用来控制输出激光的线宽。
所述可调谐单频激光种子源1包括宽带光纤光栅11、高增益光纤12、窄带光纤光栅13、PZT压电陶瓷14、温控模块15、波分复用器16、单模泵源17和光隔离器18；宽带光纤光栅11、高增益光纤12、窄带光纤光栅13依次相连接组成单频激光谐振短腔；PZT压电陶瓷14固定在窄带光纤光栅13的侧面；窄带光纤光栅13的一端与高增益光纤12连接，另一端与波分复用器16的公共端连接；单频激光谐振短腔置于温控模块15中进行温度控制；波分复用器16的泵浦端与单模泵源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。
所述光纤放大器2包括：多模泵源21、合束器22、双包层增益光纤23、包层光滤除器24、高功率光隔离器25；合束器22的输入端与光隔离器18的输出端连接；合束器22的泵浦端与多模泵源21的尾纤连接，合束器22的公共端与双包层增益光纤23的一端连接，双包层增益光纤23的另一端与高功率光隔离器25的输入端连接，同时在该连接点设置包层光滤除器24；第一光纤放大器中高功率光隔离器25的输出端和第二光纤放大器中高功率光隔离器25的输出端分别与合波器5的两个输入端连接，合波器5的输出端与偏振控制器6的输入端连接，偏振控制器6的输出端与非线性光纤7的一端连接，非线性光纤7的另一端作为窄线宽光纤激光输出端口。
宽带光纤光栅11、高增益光纤12、窄带光纤光栅13之间的连接方式为熔接。高增益光纤12为掺Yb3+磷酸盐玻璃光纤，其核心区Yb3+掺杂浓度为15.2wt％，其单位长度增益为5.7dB/cm，其有效使用长度为1.7cm；宽带光纤光栅11的工作中心波长分别为1064.50nm、1064.46nm，两者的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13的工作中心波长分别为1064.46nm、1064.45nm，两者的3dB反射带宽均为0.08nm，对激光信号波长反射率均为75％。组成的单频激光谐振短腔为分布式布拉格反射型。
所述的PZT压电陶瓷14用环氧树脂固定于窄带光纤光栅13的侧面，并对窄带光纤光栅13施加应力。
所述温控模块15为TEC制冷器温控模块；温控模块15的控制精度为0.1℃，对单频激光谐振短腔整体进行温控。
单模泵源17为976nm单模半导体激光器；组成的单频激光谐振短腔为分布式布拉格反射型。单模泵源17发射的泵浦激光通过976/1064nm波分复用器16耦合进入单频激光谐振短腔，对单频激光谐振短腔进行后向泵浦，产生的单频光纤激光经1064nm光隔离器18输出。
所述合波器5为2×1端口类型的光纤耦合器。所述的非线性光纤7为产生四波混频效应的非线性介质，非线性光纤7为光子晶体光纤，其纤芯直径为4.5μm、零色散波长点为1064nm。
两个单频激光种子源产生的两束单频激光经长度2m的掺Yb3+双包层石英光纤(纤芯直径5μm、内包层直径125μm、数值孔径0.08NA)进行功率放大至10W，然后将放大后的两束激光经光纤耦合器合束为一束光，将其经偏振控制器调整偏振态之后，再将激光输入到光子晶体光纤中直至出现四波混频效应，由四波混频产生新的频率，使得输出激光的线宽展宽。同时，根据线宽调节的具体要求，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，在小范围内高精度(MHz量级)调谐单频激光谐振短腔的输出中心波长(频率)；然后利用温控模块改变单频激光谐振短腔的工作温度，致使其腔长或窄带光纤光栅的光栅周期受到调节，在宽范围内(GHz量级)调谐单频激光谐振短腔的输出中心波长(频率)；进一步再通过同向、反向或相向调谐与控制两路单频激光中心波长(频率)进行，从而灵活改变四波混频效应中四个相近光波的频移量来控制输出激光线宽。再者，通过调节注入到非线性光纤中的两路激光光束的功率比值，实现输出激光线宽的进一步可控。最终实现线宽可控范围为0.1～500GHz、线宽调节精度为1MHz的窄线宽光纤激光输出。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，包括两个激光发射装置、合波器、偏振控制器和非线性光纤；两个激光发射装置并联连接后依次和合波器、偏振控制器、非线性光纤串联连接；所述激光发射装置包括可调谐单频激光种子源和光纤放大器；可调谐单频激光种子源产生单频光纤激光，光纤放大器将所述单频光纤激光的功率放大，合波器将功率放大后的两束单频光纤激光合束为一束激光，偏振控制器调整合束后激光的偏振态，非线性光纤用来控制输出激光的线宽；两束单频激光分别经光纤放大器提升其功率强度至满足后续产生非线性参量增益的要求，再通过合波器合束为一束光波，将混合了两路光频的光波通过偏振控制器，进而调节进入非线性光纤的激光偏振态，最后进入非线性光纤通过四波混频效应来产生新的频率，从而得到四个光频接近的光波。
2.根据权利要求1所述的宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述可调谐单频激光种子源包括宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带光纤光栅、PZT压电陶瓷、温控模块、波分复用器、单模泵源和光隔离器；宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带光纤光栅依次相连接组成单频激光谐振短腔；PZT压电陶瓷固定在窄带光纤光栅的侧面；窄带光纤光栅的一端与高增益光纤连接，另一端与波分复用器的公共端连接；单频激光谐振短腔置于温控模块中进行温度控制；波分复用器的泵浦端与单模泵源的尾纤连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤放大器包括多模泵源、合束器、双包层增益光纤、包层光滤除器、高功率光隔离器；合束器的输入端与光隔离器的输出端连接；合束器的泵浦端与多模泵源的尾纤连接，合束器的公共端与双包层增益光纤的一端连接，双包层增益光纤的另一端与高功率光隔离器的输入端连接，同时在该连接点设置包层光滤除器；第一光纤放大器中高功率光隔离器的输出端和第二光纤放大器中高功率光隔离器的输出端分别与合波器的两个输入端连接，合波器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与非线性光纤的一端连接，非线性光纤的另一端作为窄线宽光纤激光输出端口。
4.根据权利要求2所述的宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，宽带光纤光栅、高增益光纤、窄带光纤光栅之间的连接方式为对接或者熔接。
5.根据权利要求2所述的宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，高增益光纤的纤芯均匀掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中的一种以上，掺杂浓度大于1×1019 ions/cm3；所述的高增益光纤的单位长度增益大于1dB/cm，其光纤有效长度为厘米量级。
6.根据权利要求2所述的宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述的PZT压电陶瓷用光学胶紧贴或环氧树脂固定于窄带光纤光栅的侧面，并对窄带光纤光栅施加应力。
7.根据权利要求2所述的宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述温控模块为TEC制冷器温控模块；温控模块的控制精度为0.1℃，可以独立对单频激光谐振短腔中窄带光纤光栅、宽带光纤光栅或者单频激光谐振短腔整体进行温控。
8.根据权利要求2所述的宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，高增益光纤为掺Yb3+磷酸盐玻璃光纤；单模泵源为单模半导体激光器；组成的单频激光谐振短腔为分布式布拉格反射型。
9.根据权利要求1所述的宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述合波器为光纤耦合器、合束器、波分复用器中的一种，其端口类型为2×1。
10.根据权利要求1所述的宽范围高精度线宽可调的窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述非线性光纤为产生四波混频效应的非线性介质，非线性光纤为光子晶体光纤、石英基质高非线性光纤、掺重金属离子氧化物玻璃光纤、硫属化物玻璃光纤中的一种；非线性光纤在双波长可调谐单频种子源的输出光波长处色散值为-50 ps/（nm·km）~50 ps/(nm·km）；非线性光纤的非线性系数大于1 （W·km）-1。
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