CN112636139A - 一种飞秒激光直写芯包复合fbg掺铒光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种基于飞秒激光直写制备芯包复合FBG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。采用飞秒激光透过光纤保护层在纤芯和包层直写的方法在聚酰亚胺涂覆层光纤中实现周期为541nm的复合光纤布拉格光栅刻写，栅区长度3000μm作为选频器件的光栅阵列反射波长分别为1562.85nm、1564.52nm；选用长度为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，能够实现波长可切换激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及光纤器件领域，特别涉及一种飞秒激光直写芯包复合FBG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。综上所述，通过采用以上技术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。
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，具有输出激光线宽窄、高信噪比、稳定性好等特点；同时其具有体积小、抗电磁干扰、工作寿命较长等特点，也是一种重要光纤传感器件。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；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。本发明研究并设计了基于飞秒激光透过光纤保护层直写的方法制备FBG阵列，并设计将FBG作为选频器件搭建线形腔结构的掺铒光纤激光器，对激光器的产生原理和设计结构进行了分析和实验，最终在C+L波段实现了稳定的波长可切换窄线宽激光输出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种飞秒激光直写芯包复合FBG掺铒光纤激光器，通过选用长度为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，能够实现波长可切换激光输出，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种飞秒激光直写芯包复合FBG掺铒光纤激光器，包括波分复用器、布拉格光纤光栅、第一光纤环形器和光耦合器；其中，所述波分复用器和所述第一光纤环形器第一端之间连接有掺铒光纤，所述波分复用器另一端连接有泵浦源，所述第一光纤环形器第二端连接有所述布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅另一端连接有宽带反射镜，所述光耦合器和所述第一光纤环形器第三端连接有偏振控制器，所述光耦合器另一端连接有第一光谱分析仪。
优选的，所述宽带反射镜和所述布拉格光纤光栅通过熔接的方式连接。
优选的，所述第一光纤环形器和所述布拉格光纤光栅间形成谐振腔。
本发明还提供一种飞秒激光复合FBG刻写方法，所述方法包括以下步骤：步骤a、将细芯光纤放置在三维移动平台上，并移动所述三维移动平台将细芯光纤移动到合适位置；步骤b、打开飞秒激光，光束依次经过遮挡板、反射镜和油镜聚焦到所述细芯光纤上，通过在第二包层和第二纤芯同时刻写光纤光栅；步骤c、刻写过程中通过电荷藕合器件图像传感器对光纤刻写过程进行实时监测；步骤d、刻写过程中，单模光纤与所述细芯光纤串联，C+L波段ASE光源依次经过第二光纤环形器、所述单模光纤和所述细芯光纤，所述第二光纤环形器一端连接第二光谱分析仪对布拉格光纤光栅光谱特性进行监测。
优选地，采用所述刻写方法可以分别刻写出包层布拉格光纤光栅和纤芯布拉格光纤光栅，其中，所述包层布拉格光纤光栅反射波长为1562.85nm，所述纤芯布拉格光纤光栅反射波长为1564.52nm。
优选的，光纤光栅的反射或透射波长光谱取决于光栅周期和纤芯有效折射率，光纤光栅方程为：λ＝2neffΛ；其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯有效折射率。
优选的，所述包层布拉格光纤光栅和所述纤芯布拉格光纤光栅反射覆盖涉及C波段及L波段。
优选的，所述飞秒激光光源波长为800nm，频率为1kHz，脉冲宽度为35fs。
优选的，所述油镜放大倍率为63倍，折射率匹配液值为1.45。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明选用长度为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，能够实现波长可切换激光输出；
2、本发明研究并设计了基于飞秒激光透过光纤保护层直写的方法制备FBG阵列，并设计将FBG作为选频器件搭建线形腔结构的掺铒光纤激光器，对激光器的产生原理和设计结构进行了分析和实验，最终在C+L波段实现了稳定的波长可切换窄线宽激光输出；
3、本发明通过对所设计C+L波段掺铒激光器的输出光谱特性、激光线宽和波长稳定性进行测试和分析，验证了基于飞秒激光直写制备复合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。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明掺铒光纤激光器原理结构示意图；
图2示意性示出了本发明飞秒激光直写FBG方法示意图；
图3示意性示出了本发明飞秒激光直写FBG原理结构示意图；
图4示意性示出了本发明FBG反射光谱示意图；
图5示意性示出了本发明C+L波段掺铒激光器的输出光谱示意图。
图中：
1、泵浦源 2、波分复用器
3、掺铒光纤 4、第一光纤环形器
5、布拉格光纤光栅 6、宽带反射镜
7、偏振控制器 8、光耦合器
9、第一光谱分析仪 10、飞秒激光
11、遮挡板 12、电荷藕合器件图像传感器
13、反射镜 14、油镜
15、C+L波段ASE光源 16、第二光纤环形器
17、单模光纤 18、第二光谱分析仪
19、三维移动平台 20、细芯光纤
21、第一纤芯 22、第一包层
23、第二包层 24、第二纤芯
25、聚酰亚胺涂覆层 26、包层布拉格光纤光栅
27、纤芯布拉格光纤光栅
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本发明设计一种基于飞秒激光直写制备芯包复合FBG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。采用飞秒激光透过光纤保护层在纤芯和包层直写的方法在聚酰亚胺涂覆层25光纤中实现周期为541nm的复合光纤布拉格光栅刻写，栅区长度3000μm作为选频器件的光栅阵列反射波长分别为1562.85nm、1564.52nm，其中反射波长为1562.85nm的光栅为包层光纤布拉格光栅26，反射波长为1564.52nm的光栅为纤芯光纤布拉格光栅27；选用长度为掺铒光纤3组合作为激光器增益介质，结合泵浦源1、偏振控制器7及宽带全反镜6构成线形腔光纤激光器，能够实现波长可切换激光输出。
掺铒光纤激光器系统原理如图1所示。泵浦源1发射泵浦光由波分复用器2(Wavelength division multiplexer，WDM)耦合进入掺铒光纤3(erbium-doped fiber,EDF)，第一光纤环形器4(circulator)和布拉格光纤光栅5(FBG)构成的谐振腔。反射波长不同的FBG进行级联作为激光器的选频器件，宽带反射镜6(Broadband reflection mirror,BRM)与布拉格光纤光栅5(FBG)串进行熔接提高激光器的工作效率；偏振控制器7(Polarization controller,PC)用于调节激光器偏振态；第一光谱分析仪9(OSA)与光耦合器8输出端连接对激光输出光谱进行采集。
本发明采用飞秒激光直写方法实现复合FBG制作，其加工系统原理如图2所示，飞秒激光10光源发出波长800nm的激光经过反射镜13后进入油镜14，再经过放大倍率63倍的油镜14后聚焦在细芯光纤(Thincore fiber，TCF)20的第二纤芯24上，通过在第二纤芯24和第二包层23上同时刻写光纤光栅，能够实现复合光纤光栅制备；采用电荷藕合器件图像传感器(CCD)对光纤刻写过程进行实时监测，光开关用于控制激光输出。在刻写过程中为了对FBG光谱特性进行监测，设计将C+L波段ASE光源15经过第二光纤环行器16(Circulator)后耦合进入刻写的单模光纤17(Single mode fiber，SMF)，另一端与第二光谱分析仪18相连接对FBG反射谱数据进行采集。
设计采用飞秒激光透过聚酰亚胺涂层15(polyimide coating)表面聚焦至纤芯方法刻写FBG串，其原理如图3所示，纤芯布拉格光纤光栅27(FBG1)、包层布拉格光纤光栅26(FBG2)刻写栅区长度相同。光纤光栅的反射或透射波长光谱取决于光栅周期和纤芯有效折射率，光纤光栅方程如公式1所示：其中Λ为光栅周期，neff为纤芯有效折射率。因此，通过设计不同的光栅周期能够实现不同反射波长FBG的刻写：λ＝2neffΛ
基于如图2和图3所示的结构搭建了飞秒激光复合FBG刻写系统，飞秒激光10重频1kHz，脉冲宽度35fs，待加工光纤为聚酰亚胺涂覆层25光纤(SM1500(9/125)，Fiber CoreCo.)，加工镜为Olympus公司生产的63倍浸油物镜14，折射率匹配液值为1.45。实验中将不去除聚酰亚胺涂层25的光纤固定在三维移动平台19上，并通过调节三维移动平台19将现飞秒激光10聚焦在第二纤芯24位置。设计制作刻写周期分别为541nm的一阶FBG，光栅栅区长度均为3000μm，并且栅区之间紧密连接，实验中通过对光斑大小进行优化实现了反射波长分别为1562.85nm、1564.52nm的FBG制作，FBG反射波长覆盖C波段及L波段。采集到的光栅反射谱如图4所示。
接下来，将FBG阵列作为选频单元，按照如图1所示结构搭建掺铒光纤激光器。采用976nm二极管(Oclaro Co.)作为泵浦源1，波分复用器2(WDM)工作波长为976/1550nm，掺铒光纤3(EDF)，光耦合器8，波分复用器2(WDM)，以及偏振控制器7(PC)均由Lightcomm公司生产；宽带反射镜6端面镀有金属膜，用于提高激光器工作效率；实验中所采用的光纤器件尾纤尺寸为9/125μm。当超过激光器阈值时，产生1564.66nm激光输出，通过调节偏振控制器7(PC)能够实现1562.87nm单波长激光可切换输出。输出激光3dB线宽0.05nm，如图5所示。通过对所设计C+L波段掺铒激光器的输出光谱特性、激光线宽和波长稳定性进行测试和分析，验证了基于飞秒激光直写制备复合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。
本发明的有益效果是：本发明选用长度为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，能够实现波长可切换激光输出；本发明研究并设计了基于飞秒激光透过光纤保护层直写的方法制备FBG阵列，并设计将FBG作为选频器件搭建线形腔结构的掺铒光纤激光器，对激光器的产生原理和设计结构进行了分析和实验，最终在C+L波段实现了稳定的波长可切换窄线宽激光输出；本发明通过对所设计C+L波段掺铒激光器的输出光谱特性、激光线宽和波长稳定性进行测试和分析，验证了基于飞秒激光直写制备复合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。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (9)
1.一种飞秒激光直写芯包复合FBG掺铒光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：波分复用器、布拉格光纤光栅、第一光纤环形器和光耦合器；
其中，所述波分复用器和所述第一光纤环形器第一端之间连接有掺铒光纤，所述波分复用器另一端连接有泵浦源，所述第一光纤环形器第二端连接有所述布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅另一端连接有宽带反射镜，所述光耦合器和所述第一光纤环形器第三端连接有偏振控制器，所述光耦合器另一端连接有第一光谱分析仪。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述宽带反射镜和所述布拉格光纤光栅通过熔接的方式连接。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一光纤环形器和所述布拉格光纤光栅间形成谐振腔。
4.一种飞秒激光复合FBG刻写方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a、将细芯光纤放置在三维移动平台上，并移动所述三维移动平台将细芯光纤移动到合适位置；
步骤b、打开飞秒激光，光束依次经过遮挡板、反射镜和油镜聚焦到所述细芯光纤上，通过在第二包层和第二纤芯同时刻写光纤光栅；
步骤c、刻写过程中通过电荷藕合器件图像传感器对光纤刻写过程进行实时监测；
步骤d、刻写过程中，单模光纤与所述细芯光纤串联，C+L波段ASE光源依次经过第二光纤环形器、所述单模光纤和所述细芯光纤，所述第二光纤环形器一端连接第二光谱分析仪对布拉格光纤光栅光谱特性进行监测。
5.根据权利要求4所述的刻写方法，其特征在于，采用所述刻写方法可以分别刻写出包层布拉格光纤光栅和纤芯布拉格光纤光栅，其中，所述包层布拉格光纤光栅反射波长为1562.85nm，所述纤芯布拉格光纤光栅反射波长为1564.52nm。
6.根据权利要求4所述的刻写方法，其特征在于，光纤光栅的反射或透射波长光谱取决于光栅周期和纤芯有效折射率，光纤光栅方程为：
λ＝2neffΛ
其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯有效折射率。
7.根据权利要求4所述的刻写方法，其特征在于，所述包层布拉格光纤光栅和所述纤芯布拉格光纤光栅反射覆盖涉及C波段及L波段。
8.根据权利要求4所述的刻写方法，其特征在于，所述飞秒激光光源波长为800nm，频率为1kHz，脉冲宽度为35fs。
9.根据权利要求4所述的刻写方法，其特征在于，所述油镜放大倍率为63倍，折射率匹配液值为1.45。
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