CN112260045A - 一种短直腔自调q单频脉冲光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器。所述激光器包括单模半导体泵浦激光器、单频激光谐振腔、保偏波分复用器、保偏光隔离器。该光纤激光器以单模半导体泵浦激光器作为泵浦源，单频激光谐振腔中高掺杂浓度增益光纤同时作为激光工作介质和调Q元件，其短腔长能实现谐振腔内激光单纵模运转，同时利用纤芯掺杂离子的可饱和吸收作用，实现腔内自调Q，输出线偏振单频脉冲光纤激光。本发明具有结构简单紧凑、系统稳定性高等特点，可广泛应用在二次谐波产生、光时域反射计、激光测距仪、光纤分布式传感系统、激光雷达等领域。

Description

一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器。
背景技术
单频光纤激光器凭借着紧凑的全光纤结构、良好的光束质量、kHz量级的激光线宽等优势，在光纤通讯、光纤传感、多普勒激光雷达、相干光束合成、非线性频率转换和高精度光谱测量等研究领域具有重要的使用价值和广阔的应用前景。作为在单频光纤激光器中实现脉冲输出的主要方法之一，调Q脉冲单频光纤激光器具有结构简单紧凑、系统稳定性高等特点，目前主要应用在二次谐波产生、光时域反射计、激光测距仪、光纤分布式传感系统、激光雷达等领域。
根据对谐振腔损耗的影响方式，可以将调Q方法分为主动调Q和被动调Q。主动调Q是通过外部驱动源控制谐振腔损耗，常见的方法有声光调Q、电光调Q等。主动调Q的优点是可以通过调节外部驱动源来控制需要的脉冲参数，缺点是结构相对复杂，价格昂贵，调Q器件的插入损耗相对较大。被动调Q中的谐振腔损耗则取决于腔内激光光强，常见的有可饱和吸收体调Q和利用受激拉曼散射、受激布里渊散射等其它非线性效应进行调Q。被动调Q的优点是结构简单可靠，不需要外置的驱动源以及昂贵的有源光器件，缺点是对脉冲参数的控制具有局限性，输出脉冲稳定性较差，振幅抖动和时间抖动较大，输出功率较低。
利用某些具有对强度较弱的光吸收系数大，对强度较大的光吸收系数小，甚至不吸收的可饱和吸收体(SA)可以对激光器的谐振腔进行调制，产生脉冲激光。目前可供选择的可饱和吸收体材料众多、种类广泛，包括半导体可饱和吸收镜、掺杂离子晶体、碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物、黑磷等。但是这些可饱和吸收体材料具有本身制备工艺复杂，价格昂贵，使用寿命短等缺点，这些缺点限制了SA的大规模应用。
自调Q作为一种独特的被动调Q方式，使用增益光纤同时作为激光工作介质和可饱和吸收体，无需在腔内插入额外的可饱和吸收体器件，可以实现全光纤化结构，且结构更加简单紧凑，系统稳定性较高。
相关的专利有：(1)2013年，中国科学院上海光学精密机械研究所申请了连续/自调Q运转的全光纤激光器的专利[公开号：CN 104092093A]，该专利通过调节低反射率光纤布拉格光栅的中心波长，从而使全光纤激光器实现连续运转或者自调Q运转；但该专利通过一个外部装置改变低反射率光纤布拉格光栅的中心波长来实现调Q，整体结构较为复杂，系统稳定性较差，无法实现单频激光输出。(2)2017年，山东大学申请了一种全光纤被动调Q脉冲光纤激光器的专利[公开号：CN 207038915U]，该专利利用第一谐振腔的辐射激光泵浦第二谐振腔，通过耦合腔实现被动调Q脉冲激光输出；但该专利使用双谐振腔结构，结构较复杂，且无法实现单频激光输出。(3)2019年，华南理工大学申请了一种多波长单频调Q光纤激光器的专利[公开号：CN 109659802A]，该专利通过可饱和吸收体和保偏多波长窄带光纤光栅实现重复频率可调的多波长脉冲光纤激光输出；但该专利在谐振腔插入额外的可饱和吸收体作为被动调Q器件，结构较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于公开了一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，使用高掺杂浓度增益光纤同时作为激光工作介质和调Q元件，谐振腔中不含任何其它主动或被动调Q器件，当纤芯内掺杂离子达到一定的浓度时，离子间的平均距离减小，加强了离子间的相互作用力，形成离子对，离子对内部的能量转换过程限制了粒子数反转，增强了对信号光的吸收，其综合作用表现出可饱和吸收效应，当泵浦功率较高时(满足一定阈值条件)，在激光激励起振的同时实现腔内自调Q脉冲。同时，由于使用的增益光纤长度较短，其短腔长可以保证谐振腔内激光处于单一纵模运转，最终输出线偏振单频脉冲光纤激光。该发明具有结构简单紧凑、系统稳定性高、成本低等特点。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，包括单模半导体泵浦激光器、单频激光谐振腔、保偏波分复用器、保偏光隔离器；
其中，单频激光谐振腔的一端与单模半导体泵浦激光器的尾纤相连接，单频激光谐振腔的另一端与保偏波分复用器的公共端相连接，保偏波分复用器的信号端与保偏光隔离器的输入端相连接，保偏光隔离器的输出端作为最终激光的输出端口，保偏波分复用器的泵浦端用作残留泵浦光的滤除端口。
进一步地，所述单频激光谐振腔为分布布拉格反射(DBR)型或分布反馈(DFB)型短直腔结构；
所述单频激光谐振腔为分布布拉格反射(DBR)型短直腔结构时，具体由宽带布拉格光纤光栅、高掺杂浓度增益光纤与窄带保偏布拉格光纤光栅构成，高掺杂浓度增益光纤的一端与宽带布拉格光纤光栅连接，高掺杂浓度增益光纤的另一端与窄带保偏布拉格光纤光栅连接；
所述单频激光谐振腔为分布反馈(DFB)型短直腔结构时，具体由高掺杂浓度增益光纤与刻写在高掺杂浓度增益光纤上的π相移光纤光栅构成。
进一步地，所述宽带布拉格光纤光栅、窄带保偏布拉格光纤以及光栅π相移光纤光栅的中心波长范围为可见光、1.0μm、1.5μm或2.0μm波段。
进一步地，所述高掺杂浓度增益光纤同时作为激光工作介质和调Q元件，单频激光谐振腔内不含任何其它主动或被动调Q器件。
进一步地，所述高掺杂浓度增益光纤为单模玻璃光纤，其纤芯玻璃组分包括磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、氟化物玻璃、石英玻璃中的一种或多种。
进一步地，所述高掺杂浓度增益光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，发光离子为镧系离子或过渡金属离子中的一种，发光离子的掺杂浓度大于5×1019ions/cm3，且发光离子在纤芯中是均匀、单一掺杂。
进一步地，所述高掺杂浓度增益光纤为小芯径尺寸的光纤，纤芯直径范围为4-8μm；高掺杂浓度增益光纤的使用长度范围为0.1-10cm。
进一步地，所述单频激光谐振腔为分布布拉格反射(DBR)型短直腔结构时，宽带布拉格光纤光栅的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱大于0.1nm，对激光输出信号波长反射率大于90％，对泵浦波长透射率大于90％；窄带保偏布拉格光纤光栅的3dB反射谱小于0.1nm，中心波长对激光输出信号的反射率范围为40-90％。
进一步地，所述单频激光谐振腔为分布反馈(DFB)型短直腔结构时，π相移光纤光栅的π相移点位于光栅的中间位置，π相移光纤光栅长度范围为0.5-10cm，反射率为40％～90％，透射峰带宽为1-20pm。
进一步地，所述单模半导体泵浦激光器为连续工作方式，无需外加调制。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：
谐振腔内增益光纤同时作为激光工作介质和调Q元件，其短腔长能实现谐振腔内激光单纵模运转，激光器中不含任何其它主动或被动调Q器件，利用纤芯中掺杂离子的增益功能和可饱和吸收作用，在谐振腔中产生激光的同时实现自调Q，输出线偏振单频脉冲光纤激光。本发明具有结构简单紧凑、系统稳定性高等特点。
附图说明
图1为本发明提供的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器的结构示意图。
图2a为本发明实施例1中所输出单频脉冲激光的脉冲宽度随泵浦电流变化图。
图2b为本发明实施例1中所输出单频脉冲激光的重复频率随泵浦电流变化图。
图2c为本发明实施例1中泵浦电流为200mA条件下所输出单频脉冲激光的脉冲序列图。
具体实施方式
下面结合附图和具体例子对本发明的具体实施方式作进一步的描述，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，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
如图1所示，一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，包括单模半导体泵浦激光器1、单频激光谐振腔2、保偏波分复用器3、保偏光隔离器4；
其中，单频激光谐振腔2的一端与单模半导体泵浦激光器1的尾纤相连接，单频激光谐振腔2的另一端与保偏波分复用器3的公共端相连接，保偏波分复用器3的信号端与保偏光隔离器4的输入端相连接，保偏光隔离器4的输出端作为最终激光的输出端口，保偏波分复用器3的泵浦端用作残留泵浦光的滤除端口。
实施例1：
本实施例中，采用长度2.2cm、纤芯直径5μm、掺杂浓度2×1020ions/cm3的单掺铒光纤作为分布布拉格反射(DBR)型激光谐振腔的增益介质，宽带布拉格光纤光栅和窄带保偏布拉格光纤光栅作为激光短直谐振腔的前后腔镜，所用的宽带布拉格光纤光栅中心波长为1549.6nm，中心波长反射率大于99.9％，3dB反射谱带宽小于0.5nm；窄带保偏布拉格光纤光栅中心波长为1549.6nm，中心波长反射率为60％，3dB反射谱带宽小于0.1nm；光纤光栅和增益光纤以熔接的方式连接在一起，激光谐振腔的有效腔长为3.1cm。采用974nm的单模半导体激光器以前向泵浦的方式对激光谐振腔进行泵浦，使用980/1550nm的保偏波分复用器滤除残留泵浦光，在输出端熔接中心波长为1550nm的保偏光隔离器防止返回光对谐振腔造成影响。
当泵浦电流达到150mA，可以观察到稳定的单频脉冲激光输出，输出的脉冲激光平均功率为0.23mW。泵浦电流从200mA提高到800mA时，始终保持单频脉冲激光输出，中心波长为1549.64nm，输出平均功率从0.52mW提高到4.11mW，单脉冲能量从2.96nJ提高到10.19nJ，脉冲宽度从500ns降低到160ns，重复频率从175kHz提高到403kHz。脉冲宽度和重复频率随泵浦电流变化如图2a和图2b所示，脉冲宽度和重复频率变化趋势为典型调Q光纤激光器特征。
在泵浦电流为200mA时，激光输出功率为0.52mW，重复频率为175kHz，单脉冲间隔为5.7μs。脉冲序列如图2c所示，从图中可以看出，输出脉冲形状为高斯型，输出脉冲稳定性较好，振幅抖动和时间抖动较小。
实施例2：
本实施例中，采用高掺杂浓度增益光纤与刻写在高掺杂浓度增益光纤上的π相移光纤光栅构成分布反馈(DFB)型短直腔结构。使用的高掺杂浓度增益光纤为长度2.2cm、纤芯直径5μm、掺杂浓度2×1020ions/cm3的单掺铒光纤，刻写的π相移光纤光栅长度约为1.5cm，中心波长为1549.7nm，透射峰带宽约为2.1pm。采用974nm的单模半导体激光器以前向泵浦的方式对激光谐振腔进行泵浦，使用980/1550nm的保偏波分复用器滤除残留泵浦光，在输出端熔接中心波长为1550nm的保偏光隔离器防止返回光对谐振腔造成影响。
当泵浦电流达到350mA，可以观察到稳定的单频脉冲激光输出，输出的脉冲激光平均功率为0.55mW。泵浦电流从400mA提高到900mA时，始终保持单频脉冲激光输出，中心波长为1549.75nm，输出平均功率从2.70mW提高到11.75mW，单脉冲能量从10.69nJ提高到24.77nJ，脉冲宽度从280ns降低到146ns，重复频率从253kHz提高到474kHz。
因此，基于上述方式，最终可以实现自调Q工作方式、单一纵模运转、线偏振的脉冲光纤激光输出，且该发明具有结构简单、装置紧凑、系统稳定性高等特点。

Claims (10)

1.一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于，包括单模半导体泵浦激光器(1)、单频激光谐振腔(2)、保偏波分复用器(3)、保偏光隔离器(4)；
其中，单频激光谐振腔(2)的一端与单模半导体泵浦激光器(1)的尾纤相连接，单频激光谐振腔(2)的另一端与保偏波分复用器(3)的公共端相连接，保偏波分复用器(3)的信号端与保偏光隔离器(4)的输入端相连接，保偏光隔离器(4)的输出端作为最终激光的输出端口，保偏波分复用器(3)的泵浦端用作残留泵浦光的滤除端口。
2.根据权利要求1所述的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述单频激光谐振腔(2)为分布布拉格反射(DBR)型或分布反馈(DFB)型短直腔结构；
所述单频激光谐振腔(2)为分布布拉格反射(DBR)型短直腔结构时，具体由宽带布拉格光纤光栅、高掺杂浓度增益光纤与窄带保偏布拉格光纤光栅构成，高掺杂浓度增益光纤的一端与宽带布拉格光纤光栅连接，高掺杂浓度增益光纤的另一端与窄带保偏布拉格光纤光栅连接；
所述单频激光谐振腔(2)为分布反馈(DFB)型短直腔结构时，具体由高掺杂浓度增益光纤与刻写在高掺杂浓度增益光纤上的π相移光纤光栅构成。
3.根据权利要求1所述的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述宽带布拉格光纤光栅、窄带保偏布拉格光纤以及光栅π相移光纤光栅的中心波长范围为可见光、1.0μm、1.5μm或2.0μm波段。
4.根据权利要求2所述的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述高掺杂浓度增益光纤同时作为激光工作介质和调Q元件，单频激光谐振腔(2)内不含任何其它主动或被动调Q器件。
5.根据权利要求2所述的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述高掺杂浓度增益光纤为单模玻璃光纤，其纤芯玻璃组分包括磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、氟化物玻璃、石英玻璃中的一种或多种。
6.根据权利要求2所述的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述高掺杂浓度增益光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，发光离子为镧系离子或过渡金属离子中的一种，发光离子的掺杂浓度大于5×1019ions/cm3，且发光离子在纤芯中是均匀、单一掺杂。
7.根据权利要求2所述的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述高掺杂浓度增益光纤为小芯径尺寸的光纤，纤芯直径范围为4-8μm；高掺杂浓度增益光纤的使用长度范围为0.1-10cm。
8.根据权利要求2所述的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述单频激光谐振腔(2)为分布布拉格反射(DBR)型短直腔结构时，宽带布拉格光纤光栅的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱大于0.1nm，对激光输出信号波长反射率大于90％，对泵浦波长透射率大于90％；窄带保偏布拉格光纤光栅的3dB反射谱小于0.1nm，中心波长对激光输出信号的反射率范围为40-90％。
9.根据权利要求2所述的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述单频激光谐振腔(2)为分布反馈(DFB)型短直腔结构时，π相移光纤光栅的π相移点位于光栅的中间位置，π相移光纤光栅长度范围为0.5-10cm，反射率为40％～90％，透射峰带宽为1-20pm。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种短直腔自调Q单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述单模半导体泵浦激光器(1)为连续工作方式，无需外加调制。
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Application publication date: 20210122

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