CN112186481A - 一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，属于光纤激光器技术领域，包括掺镱随机光纤激光器，用于产生掺镱光纤随机激光作为级联拉曼随机激光泵浦；掺镱随机光纤激光器包括顺次连接的泵浦光源、泵浦合束器、掺镱光纤、单模光纤，以及与泵浦合束器信号端连接的第一窄带式反射镜。本发明泵浦光源泵浦由窄带点式反射镜、掺镱光纤、单模光纤共同构成的掺镱随机光纤激光器产生掺镱光纤随机激光，其进一步作为拉曼光源的泵浦，实现随机激光输出。由于采用频谱无模式的掺镱光纤随机激光泵浦，本发明提出的随机光纤激光拉曼泵浦光源时域波动性及相对强度噪声显著低于传统拉曼光纤激光器。

Description

一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源。
背景技术
传统的拉曼光纤激光器由泵浦源、谐振腔及增益光纤构成，其输出波长及频谱纵模间隔由谐振腔决定，可作为分布式拉曼放大技术的泵浦源，已广泛应用于光纤通信及光纤传感领域。然而，由于拉曼光纤激光器的频谱模式竞争，其激射激光输出时域稳定性受限，作为长距离光纤通信及光纤传感系统的分布式拉曼放大泵浦源时，其相对强度噪声会转移至信号光，导致系统性能降低，无法输出窄带低噪声、时域稳定性强的拉曼泵浦光。
不同于传统的拉曼光纤激光器，随机光纤激光器利用光纤中的拉曼增益及分布式瑞利后向散射反馈实现激光激射，具有无固定谐振腔、频谱无模式、结构简单、输出波长调节灵活、低空间相干性等优点。然而，现有基于随机光纤激光的拉曼泵浦光源多采用基于固定谐振腔的掺镱光纤激光器泵浦单模光纤实现，其频谱具有对应掺镱光纤激光器腔长的谐振峰，仍然存在频谱模式竞争造成的激光强度输出波动较大、时域稳定性差的问题；其次，由于传统掺镱光纤激光器普遍存在自脉冲、自锁模等输出强度波动较大的现象，导致其产生较大的相对强度噪声，进而导致输出的拉曼泵浦光时域稳定性较差。再者，其通过宽带反射镜为单模光纤中产生的各阶斯托克斯光提供点式反馈，难以实现窄带激光激射。如专利号为CN106299988A、专利名称为“一种级联输出光纤拉曼随机激光器”的发明专利，其掺镱光纤激光器包括泵浦源、掺镱光纤，以及由一对高、低反射率光纤光栅构成的谐振腔进而产生光纤激光，然而由于谐振腔的存在，导致其输出的激光的频谱上存在对应腔长的周期性频率间隔，相对强度噪声大，时域稳定性差。进一步地，由于该技术方案中泵浦合束器输出端直接连接宽带反射镜，即使在该现有发明专利技术方案的基础上去掉低反射率光纤光栅，由于宽带反射镜和单模光纤中的后向瑞利散射共同作用，会在掺镱光纤增益波长范围内产生的多波长激光，而多波长激光的增益竞争也会导致时域稳定性降低；更进一步地，其激光器包括顺次连接的泵浦模块、泵浦合束器、掺镱光纤激光器和单模光纤，泵浦合束器的信号端连接有宽带反射镜，通过该宽带反射镜为单模光纤中产生的各阶斯托克斯光提供点式反馈，无法实现窄带激光激射。综上，该现有技术方案仍然无法输出窄带低噪声、时域稳定性强的拉曼泵浦光。
发明内容
本发明的目的在于克服现有激光器输出激光频谱模式竞争激烈、相对强度噪声大、时域稳定性差的问题，提供一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，包括掺镱随机光纤激光器，用于产生掺镱光纤随机激光作为级联窄带拉曼随机激光泵浦；所述掺镱随机光纤激光器包括顺次连接的泵浦光源、泵浦合束器、掺镱光纤、单模光纤，以及与泵浦合束器信号端连接的第一窄带式反射镜。
作为一选项，掺镱随机光纤激光器输出端连接有多个不同中心波长的第二窄带式反射镜。
作为一选项，所述第二窄带式反射镜的中心波长分别对应各级拉曼斯托克斯光波长。
作为一选项，所述第一窄带式反射镜和/或第二窄带式反射镜尾端的端面反射率小于10-5。
作为一选项，所述第一窄带式反射镜的中心波长范围为1040nm-1090nm。
作为一选项，所述泵浦光源的中心波长为915nm或976nm。
作为一选项，所述掺镱光纤为双包层掺镱光纤。
作为一选项，所述单模光纤长度范围为100m-200km。
作为一选项，所述单模光纤尾端具体为斜端面。
作为一选项，所述窄带随机光纤激光拉曼泵浦光源的输出波长通过调整第一窄带式反射镜的工作波长或单模光纤的长度进行调节；窄带随机光纤激光拉曼泵浦光源的输出功率通过调整泵浦光源的输出功率，或单模光纤的长度进行调节。
需要进一步说明的是，上述各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
(1)本发明提出的随机光纤激光拉曼泵浦光源采用掺镱光纤随机激光作为泵浦。其中，泵浦光源泵浦由窄带点式反射镜、掺镱光纤、单模光纤共同构成的掺镱随机光纤激光器产生掺镱光纤随机激光，其进一步作为拉曼光源的泵浦，实现随机激光输出。由于采用频谱无模式的掺镱光纤随机激光泵浦，本发明提出的随机光纤激光拉曼泵浦光源时域波动性及相对强度噪声显著低于传统拉曼光纤激光器。
(2)本发明掺镱随机光纤激光器输出端连接有多个不同中心波长的第二窄带式反射镜，用于为各阶随机光纤激光提供前向反馈，结合单模光纤中的随机瑞利分布反馈及拉曼增益，可实现高稳定、频谱无模式的窄带低噪声拉曼泵浦，无需使用多级主振荡功率放大系统即可实现高功率拉曼激光输出，输出功率及激光波长灵活可调，可望替代长距离光传输系统中的传统拉曼泵浦，提高系统性能。
(3)本发明第一窄带式反射镜的中心波长范围为1040nm-1090nm，通过改变该窄带点式反射镜的中心波长调节输出拉曼泵浦光的波长。
(4)本发明第一、第二窄带式反射镜尾端的端面反射率小于10-5，用于分离掺镱光纤增益波长范围内其他波长光，实现单波长稳定掺镱光纤随机激光输出。
(5)本发明单模光纤长度范围为100m-200km，通过改变单模光纤的长度调节输出拉曼泵浦光的波长及功率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例1的系统框图；
图2为本发明实施例1的各阶窄带拉曼泵浦光源在单模光纤中的功率分布仿真图；
图3为本发明实施例1的各阶窄带拉曼泵浦光源的输出功率仿真图。
图中：泵浦光源1、泵浦合束器2、掺镱光纤3、单模光纤4、窄带点式反射镜模块5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
如图1所示，在实施例1中，一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，包括掺镱随机光纤激光器，用于产生掺镱光纤随机激光作为级联窄带拉曼随机激光泵浦；掺镱随机光纤激光器包括顺次连接的泵浦光源1、泵浦合束器2、掺镱光纤3、单模光纤4，以及与泵浦合束器2信号端连接的第一窄带式反射镜，结构简单紧凑，利用单模光纤4中极微弱的后向瑞利散射光作为反馈，产生的掺镱光纤随机激光无固定谐振腔，即无固定谐振腔长对应的频谱周期性间隔，具有频谱无模式，时域稳定性较高的特点，将该频谱无模式的掺镱光纤随机激光作为拉曼光源的泵浦，其泵浦产生的基于随机光纤激光的拉曼泵浦光源频谱同样无纵模，具有良好的时域稳定性，更适用于低噪声、高性能长距离光纤通信及光纤传感系统中。具体地，泵浦光源1的输出端与泵浦合束器2的泵浦端连接，泵浦合束器2的输出端与掺镱光纤3的一端连接，掺镱光纤3的另一端与单模光纤4的一端连接，泵浦合束器2的信号端与第一窄带式反射镜的一端连接。
进一步地，掺镱随机光纤激光器输出端连接有多个不同中心波长的第二窄带式反射镜，即泵浦合束器2的信号端与第二窄带式反射镜的一端连接，用于为各阶窄带随机光纤激光提供前向反馈，结合单模光纤中的随机瑞利分布反馈及拉曼增益，可实现高稳定、频谱无模式的窄带低噪声拉曼泵浦，无需使用多级主振荡功率放大系统即可实现高功率拉曼激光输出，输出功率及激光波长灵活可调，可望替代长距离光传输系统中的传统拉曼泵浦，提高系统性能。
进一步地，第二窄带式反射镜的中心波长分别对应各级拉曼斯托克斯光波长，进而为各阶随机光纤激光提供前向反馈，实现窄带低噪声级联拉曼光源输出。作为一实施例，第二窄带式反射镜的中心波长分别为1145nm、1210nm、1280nm及1365nm，为长波长级联拉曼激光激射提供反馈条件。
进一步地，第一窄带式反射镜和第二窄带式反射镜构成窄带式反射镜模块5，其中，第二窄带式反射镜和/或第一窄带式反射镜尾端的端面反射率小于10-5。作为一实施例，窄带式反射镜模块5尾端的端面反射率小于10-5，用于分离掺镱光纤增益波长范围内其他波长光，实现单波长稳定掺镱光纤随机激光输出。
进一步地，第一窄带式反射镜中心波长范围为1040nm-1090nm，通过改变该窄带点式反射镜的中心波长调节输出拉曼泵浦光的波长。作为一具体实施例，该窄带点式反射镜具体为光纤布拉格光栅(FBG)，其中心波长1090nm，反射率为99.5％，为掺镱光纤随机激光提供前端点式反馈。
进一步地，泵浦光源1的中心波长为915nm或976nm，输出功率不限。作为一具体实施例，泵浦光源1的中心波长为976nm，输出功率具体为15W，通过改变泵浦光源1的输出功率调节输出拉曼泵浦光的输出功率。
进一步地，掺镱光纤3为双包层掺镱光纤3，以承受高功率激光，其长度范围为1m-50m，作为一具体实施例掺镱光纤3长度为5m。更为具体地，窄带式反射镜模块5的尾端被切割为斜8°，以减少该端口的菲涅尔反射，保证掺镱光纤3随机激光的单波长稳定输出。
进一步地，单模光纤4长度范围为100m-200km，通过改变单模光纤4的长度调节输出拉曼泵浦光的波长及功率。作为一具体实施例，单模光纤4的长度为5km。
进一步地，单模光纤4尾端具体为斜端面，反射率<10-5，作为拉曼泵浦光的输出口，输出稳定的窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光。
进一步地，本发明窄带随机光纤激光拉曼泵浦光源的输出波长(随机光纤激光拉曼泵浦光的波长)可通过调整第一窄带式反射镜的工作波长或单模光纤4的长度进行调节；本发明窄带随机光纤激光拉曼泵浦光源的输出功率可通过调整泵浦光源1的输出功率，或单模光纤4的长度进行调节。
为更好理解本发明技术方案，现根据上述具体实施例说明稳定的低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光具体输出过程：
本发明窄带随机光纤激光的稳定拉曼泵浦光源中，中心波长为976nm的泵浦光源1输出泵浦光，通过一个泵浦合束器2注入到5m长的双包层掺镱光纤3及5km长的单模光纤4中，单模光纤4为掺镱光纤随机激光提供随机瑞利分布反馈；窄带点式反射镜模块5中第一窄带式反射镜中心波长为1090nm，反射率为99.5％，为掺镱光纤随机激光提供前端点式反馈，产生的1090nm单波长掺镱光纤随机激光进而作为拉曼光源的泵浦注入单模光纤4。多个第二窄带式反射镜的中心波长分别为1145nm、1210nm、1280nm及1365nm，用于为级联窄带高阶随机光纤激光的产生提供前端反馈，结合单模光纤4中的随机瑞利分布反馈及拉曼增益，从单模光纤4输出稳定的窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光，各阶窄带随机光纤激光在5km单模光纤中的功率分布如图2所示，各阶窄带随机光纤激光尾端输出功率如图3所示。
本发明提出的窄带随机光纤激光拉曼泵浦光源可应用于光纤通信或光纤传感系统，具有更好的时域稳定性，可作为长距离光纤通信和传感系统中分布式拉曼放大的低噪声泵浦源。
实施例2
本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，将泵浦光源1的功率降低至8W时，可以实现1280nm的窄带拉曼泵浦光输出。
实施例3
本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，将单模光纤4的长度降低至3km时，可以实现功率更高的1210nm窄带拉曼泵浦光输出。
实施例4
本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，将窄带式反射镜模块5中的第二窄带式点式反射镜中心波长调整至1064nm，将第一窄带式点式反射镜中心波长调整至1115nm及1175nm，可以实现波长为1115nm、1175nm窄带拉曼泵浦光输出。需要说明的是，波长为1115nm、1175nm的拉曼泵浦光分别对应1064nm掺镱随机光纤激光的一阶拉曼斯托克斯光波长及二阶斯托克斯光波长。
以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：包括掺镱随机光纤激光器，用于产生掺镱光纤随机激光作为级联窄带拉曼随机激光泵浦；所述掺镱随机光纤激光器包括顺次连接的泵浦光源(1)、泵浦合束器(2)、掺镱光纤(3)、单模光纤(4)，以及与泵浦合束器(2)信号端连接的第一窄带式反射镜。
2.根据权利要求1所述的一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：所述掺镱随机光纤激光器输出端连接有多个不同中心波长的第二窄带式反射镜。
3.根据权利要求2所述的一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：所述第二窄带式反射镜的中心波长分别对应各级拉曼斯托克斯光波长。
4.根据权利要求2所述的一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：所述第一窄带式反射镜和/或第二窄带式反射镜尾端的端面反射率小于10-5。
5.根据权利要求1所述的一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：所述第一窄带式反射镜的中心波长范围为1040nm-1090nm。
6.根据权利要求1所述的一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：所述泵浦光源(1)的中心波长为915nm或976nm。
7.根据权利要求1所述的一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：所述掺镱光纤(3)为双包层掺镱光纤。
8.根据权利要求1所述的一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：所述单模光纤(4)长度范围为100m-200km。
9.根据权利要求1所述的一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：所述单模光纤(4)尾端具体为斜端面。
10.根据权利要求1所述的一种窄带低噪声随机光纤激光拉曼泵浦光源，其特征在于：所述窄带随机光纤激光拉曼泵浦光源的输出波长通过调整第一窄带式反射镜的工作波长或单模光纤(4)的长度进行调节；窄带随机光纤激光拉曼泵浦光源的输出功率通过调整泵浦光源(1)的输出功率，或单模光纤(4)的长度进行调节。
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