CN113346340B - 一种基于光纤随机光栅的单频随机dbr光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，属于光纤激光器技术领域，包括泵浦光源、反射端镜、增益光纤、输出端镜、波分复用器、光纤隔离器、半导体制冷器，泵浦光经反射端镜耦合进入增益光纤内，利用反射端镜选择出光纤随机光栅中的某个特定的超窄带反射峰用于纵模选择，使得光纤激光器能够在某个特定的超窄带反射峰处实现单峰激射，从而输出单频激光；激光器产生的单频激光被耦合到波分复用器后经光纤隔离器输出；半导体制冷器用于确保激光器不受环境温度变化的影响，提高了单频激光的稳定性。本发明的激光器具有结构简单、关键器件的加工参数要求低以及能够降低制作成本等特点，并且易于实现。

Description

一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器。
背景技术
单频光纤激光器具有窄线宽、极长的相干长度，低噪声等特点。目前，由于单频光纤激光器这些特点使得它获得了广泛的应用，包括相干激光雷达系统能够帮助实现高精度的成像以及实现对速度和距离等物理量的探测。此外，单频光纤激光器也在资源勘探系统、冷原子物理研究、气体的泄漏检测、管道的监控、光谱学以及空间通信等领域发挥着重要的作用。
目前，实现单频光纤激光器的技术路线大致可以分为三类：一类是在长腔光纤激光器中结合超窄带滤波器以实现单纵模的运转，从而获得单频激光输出，然而这一技术路线意味着激光器往往需要采用较多的光学器件，不利于激光器的小型化以及集成，并且这种方案也往往面临着易受环境温度的影响而发生纵模跳变；另外两类分别是在分布式反馈(DFB)光纤激光器以及分布布拉格反射(DBR)光纤激光器中实现单频输出，这两类激光器得益于均采用短的腔长能够使得激光器具有大的纵模间隔，大大降低了纵模选择的难度，使得激光器能够更加容易实现稳定的单频运转，并且也有利于整个激光器系统的小型化和集成。其中，DFB光纤激光器需要在高掺杂增益光纤上制作高质量的相移光纤光栅来确保激光器获得单频输出，然而现有的工艺水平制作这样的高质量的光栅是非常困难的；DBR光纤激光器的一大优势在于能够实现更高的功率输出，现有的DBR光纤激光器都需要采用超窄带输出端镜以确保能够保证单纵模运转，并且超窄带输出端镜往往采用超窄带的光纤布拉格光栅，由于需要确保高的加工精度才能够获得超窄带的反射谱，这大大增加了制作单频DBR光纤激光器的难度，并且激光腔的长度也因此受到限制，进而限制了其潜在的功率提升。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，能够极大地降低制作超窄带输出端镜的技术难度，进而降低制作DBR光纤激光器的技术难度以及成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，包括：泵浦光源、反射端镜、增益光纤、输出端镜和波分复用器，所述输出端镜为光纤随机光栅；
所述泵浦光源连接于所述反射端镜的一端；所述反射端镜的另一端连接于所述增益光纤的一端；所述增益光纤的另一端连接于所述输出端镜的一端；所述输出端镜的另一端连接于所述波分复用器的公共端；
所述泵浦光源用于产生泵浦光，所述泵浦光通过所述反射端镜耦合进入所述增益光纤进行放大，放大后的激光进入所述输出端镜；所述输出端镜的反射谱中存在一反射峰能够被所述反射端镜选择，使得所述光纤激光器能够在所述一反射峰处实现单峰激射，从而输出单频激光。
优选地，所述输出端镜为沿光纤轴向随机分布的子光栅构成的光纤随机光栅，所述子光栅为布拉格光栅。
优选地，所述光纤随机光栅的制作方法具体为：将光纤置于电动位移平台上，利用刻写光源刻写出一个子光栅后再将光纤沿轴向移动一段距离，并刻写下一个子光栅，刻写完每个子光栅后监测光纤随机光栅的反射谱，直至观察到所述反射谱中至少存在一反射峰能够被所述反射端镜选择出后停止刻写。
优选地，所述光纤随机光栅相邻子光栅之间的距离是随机的。
优选地，所述反射端镜为高反射率的光纤布拉格光栅，其反射率大于90％，其带宽不大于0.25nm。
优选地，所述增益光纤为掺铒光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤、掺铥光纤或掺钬光纤。
优选地，所述光纤激光器还包括：光纤隔离器，所述光纤隔离器的输入端连接于所述波分复用器的激光输出端，用于消除由所述输出端镜输出激光的寄生反馈以提高激光输出的稳定性。
优选地，所述光纤激光器还包括：半导体制冷器，所述反射端镜、增益光纤和输出端镜置于所述半导体制冷器上，以使所述光纤激光腔的温度恒定。
优选地，所述半导体制冷器数量为两个，分别对所述反射端镜和输出端镜的波长进行调谐，以实现反射端镜的峰波长和输出端镜激射区峰波长的匹配。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明中泵浦光经反射端镜耦合进入增益光纤内，利用反射端镜选择出光纤随机光栅中的某个特定的超窄带反射峰用于纵模选择，使得光纤激光器能够在某个特定的超窄带反射峰处实现单峰激射，从而输出单频激光。由于光纤随机光栅低的加工精度，能够大大降低激光器的窄带输出端镜制作成本，并且制作简单、易于实现，进而使得本发明提供的光纤激光器结构简单、成本低、易于封装。
2、本发明提供的光纤激光器相较于现有的单频DBR光纤激光器，由于采用光纤随机光栅充当超窄带输出端镜，能够制作更长的腔和更窄的窄带输出端镜，从而降低了对增益光纤的增益系数的要求，进而能够降低增益光纤的成本。
附图说明
图1是本发明的基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器的结构示意图；
图2中(a)是本发明的光纤随机光栅和高反光栅的反射谱图；
图2中(b)是本发明的光纤随机光栅和高反光栅的反射谱局部放大图；
图3是本发明的光纤随机光栅和高反光栅的透射谱图；
图4是通过扫描法布里-珀罗干涉仪测量的本发明的激光器的纵模特性；
图5是本发明的激光器的光谱图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：泵浦光源11；反射端镜12；增益光纤13；输出端镜14；波分复用器15；光纤隔离器16；半导体制冷器17。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出了一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，包括泵浦光源11、反射端镜12、增益光纤13、输出端镜14、波分复用器15、光纤隔离器16和半导体制冷器17，其中，反射端镜12为高反光栅，即具有高反射率的光纤布拉格光栅，增益光纤13为高掺杂增益光纤，输出端镜14为光纤随机光栅。
光纤激光器中各部件的连接关系为：泵浦光源11的输出端连接于反射端镜12的一端，反射端镜12的另一端连接于增益光纤13的一端，增益光纤13的另一端连接输出端镜14的一端，输出端镜14的另一端连接于所述波分复用器15的公共端，波分复用器15的激光输出端连接于光纤隔离器16的输入端。
进一步地，光纤随机光栅的长度略大于高掺杂掺铒光纤长度，同时满足具备某个特定的反射峰可以被高反射率的光纤布拉格光栅选择出；波分复用器15用于分离剩余泵浦光和激光；光纤隔离器16用于避免光纤端面的反射，提高激光器的稳定性，并且输出端作为本发明激光器的输出端口；半导体制冷器17用于控制激光器的温度的恒定，调谐高反光栅和光纤随机光栅的波长，避免环境温度变化对激光器的影响。
进一步地，光纤随机光栅的制作方法具体为：
(1)将一段光纤固定于电动位移平台上，利用飞秒激光直写法制作出一个子光栅，这里的子光栅为布拉格光栅；
(2)再沿光纤沿轴向方向移动一段随机大小距离的长度，并再刻写一个子光栅，同时监测光纤随机光栅的反射谱；
(3)重复步骤(2)，直到光纤随机光栅反射谱具备某个特定的反射峰可以被高反射率的光纤布拉格光栅选择出来；其中，在满足高反光栅3dB带宽内光纤随机光栅的最高反射峰波长的总反射率(指的峰波长对应的随机光纤光栅的反射峰的反射率和对应的高反光栅的反射率的和)和其他反射峰波长的总反射率的差值大于预先设定的阈值后，高反光栅可以将最高反射峰选择出来。
本发明的工作原理为：
光纤随机光栅是由光纤轴向随机分布的子光栅构成，随着子光栅数目的增加，光纤随机光栅中所有反射峰的反射率之间的相对差值是随机变化的，因而有一定的概率使得刻写的光纤随机光栅得到的具备某个特定的反射峰可以被高反光栅选择出的反射谱；而在刻写过程中，光纤随机光栅的反射峰的带宽将随着光纤随机光栅的长度的增加而减小。利用具备某个特定的反射峰可以被高反光栅选择出的光纤随机光栅充当窄带输出镜，选择长度略小于光纤随机光栅的增益光纤，以及高反光栅等器件构建随机分布布拉格反射光纤激光器。高反光栅被用于使激光器在光纤随机光栅中的某个特定反射峰处实现单峰的激射，得益于这个特定的反射峰的窄带宽能够在本发明的激光器中实现单纵模的滤波，从而确保激光器取得稳定的单频激射。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，采用的光纤随机光栅是由若干个在光纤轴向上随机分布的子光栅构成，这里的子光栅是布拉格光栅并且邻近子光栅的无光栅区的长度数值是随机大小的，所述的子光栅的参数(长度，周期，数目)由实际情况确定；在同一个光纤随机光栅中的所有子光栅的参数可以是相同的或者不同；光纤随机光栅的长度决定了高掺杂增益光纤的长度，光纤随机光栅的长度略大于高掺杂掺铒光纤长度；激光激射处的光纤随机光栅的反射峰的反射率约为50％；考虑到光纤随机光栅是利用飞秒激光直写法制作的，在短波长的泵浦光处存在较大的包层模耦合损耗，而采用相位掩模板制作的高反光栅则不存在这个问题，因此为了提高泵浦光的耦合到激光腔内的效率，本发明的激光器的泵浦光采用从高反光栅处耦合进入高掺杂增益光纤中的。考虑到单频光纤激光器容易受到环境温度的影响，为提高本发明的激光器的稳定性，因此需要将整个激光器处在温度能够精确控制的恒温状态。此外，使用两个半导体制冷器能够分别对高反光栅和光纤随机光栅的波长进行调谐，最终使得两者处在最佳波长下。
首先需要对光纤随机光栅进行制作，制作方法具体如下：
a.将用于刻写光纤随机光栅的光纤固定于电动移动平台上，使刻写激光光束的入射方向垂直于光纤的轴向，并同时聚集于所述光纤的纤芯中；
b.刻写光源曝光一定的时间使得在光纤中刻写子光栅，这里的子光栅是布拉格光栅；
c.半导体宽带可调谐激光器的测试光经过一个光纤环形器到达子光栅，一部分的反射光被反射回光纤环形器再从另外一个端口输入到半导体宽带可调谐激光器的测试端口，从而实现对光纤随机光栅的反射谱的在线监测；
d.在离该子光栅的一个随机长度的位置，再次曝光刻写一个子光栅，同时观察子光栅刻写后的反射谱；
e.重复步骤d，而当光纤随机光栅中的子光栅刻写的位置不在显微镜的观察视野内，则通过手动将刻有光纤随机光栅的光纤朝位移平台移动相反方向移动，使得光纤随机光栅的末端大致回到加工起点的位置继续进行子光栅的刻写，直到最终获得的光纤随机光栅的反射谱具备某个特定的反射峰可以被高反光栅选择出；其中，在满足高反光栅3dB带宽内光纤随机光栅的最高反射峰波长的总反射率(指的峰波长对应的随机光纤光栅的反射峰的反射率和对应的高反光栅的反射率的和)和其他反射峰波长的总反射率的差值大于预先设定的阈值后，高反光栅可以将最高反射峰选择出来，意味着随机光纤光栅的制作完成，并记录下光纤随机光栅制作完成的反射谱和透射谱。
进一步，将高反光栅的末端一侧切割后和切割的高掺杂掺铒光纤进行熔接，再在离熔接点略小于光纤随机光栅长度处对高掺杂掺铒光纤进行切割，并与制作好的光纤随机光栅的末端一侧切割后进行熔接在一起。泵浦源的尾纤和刻有高反光栅的尾纤进行熔接，刻有光纤随机光栅的尾纤和波分复用器的公共端进行熔接，波分复用器的激光输出端同光纤隔离器的输入端进行熔接。
上述本实施例中的光纤为普通单模光纤，所述子光栅的刻写方法采用的是飞秒激光直写法，所制作的光纤随机光栅由11个长度为1mm的子光栅构成，所有邻近子光栅的距离随机地分布在15mm之内，光纤随机光栅的总长度约为76mm，制作的光纤随机光栅的光谱如图2中(a)和图3所示，本实施例中我们最终确定在光纤随机光栅波长为1550.45nm的反射峰处激射，该反射峰的反射率为61.3％，3dB带宽为0.013nm。利用紫外光相位掩模板法制作的高反光栅被用于选择出该反射峰，从而确保激光器能够在该峰处实现单峰激射，如图2中(b)所示，并且所述高反光栅的反射率为95％，3dB带宽0.25nm，中心波长为1550.46nm，相应的光谱也被展示在了图2中(a)和图3中。
本实施例中基于上述光纤随机光栅光纤，构建的随机分布布拉格反射光纤激光器如图1所示，包括一个泵浦光源，所述泵浦光源输出的泵浦光通过所述窄带反射端镜后，最终被高掺杂掺铒光纤吸收。窄带反射端镜和超窄带输出端镜分别由高反光栅和光纤随机光栅构成；所述高掺杂掺铒光纤为6.5cm长的高掺杂掺铒光纤，光纤型号为LIEKKI公司的Er110-4-125。未被所述高掺杂掺铒光纤所吸收的泵浦光和产生的单频激光被耦合到所述波分复用器，所述波分复用器能够对剩余泵浦光和产生的激光进行分离，所述光纤隔离器用于避免光纤端面的反射，提高单频激光器的稳定性，并且所述光纤隔离器输出端作为激光的输出端口。
更进一步的说明，通过扫描法布里-珀罗干涉仪测量的本发明的激光器的纵模式特性如图4所示，实线表示激光信号(灰色)，虚线表示扫描电压(黑色)，表明了本发明的激光器工作在单频状态。本发明的激光器的光谱图如图5所示，中心波长为1550.45nm，与光纤随机光栅设计的激射区对应的反射峰的峰波长一致，光谱的光学信噪比约为66dB。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，其特征在于，包括：泵浦光源(11)、反射端镜(12)、增益光纤(13)、输出端镜(14)和波分复用器(15)，所述输出端镜(14)为光纤随机光栅；
所述泵浦光源(11)连接于所述反射端镜(12)的一端；所述反射端镜(12)的另一端连接于所述增益光纤(13)的一端；所述增益光纤(13)的另一端连接于所述输出端镜(14)的一端；所述输出端镜(14)的另一端连接于所述波分复用器(15)的公共端；
所述泵浦光源(11)用于产生泵浦光，所述泵浦光通过所述反射端镜(12)耦合进入所述增益光纤(13)进行放大，放大后的激光进入所述输出端镜(14)；所述输出端镜(14)的反射谱中存在一反射峰能够被所述反射端镜(12)选择，使得所述光纤激光器能够在所述一反射峰处实现单峰激射，从而输出单频激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，其特征在于，所述输出端镜(14)为沿光纤轴向随机分布的子光栅构成的光纤随机光栅，所述子光栅为布拉格光栅。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，其特征在于，所述光纤随机光栅的制作方法具体为：将光纤置于电动位移平台上，利用刻写光源刻写出一个子光栅后再将光纤沿轴向移动一段距离，并刻写下一个子光栅，刻写完每个子光栅后监测光纤随机光栅的反射谱，直至观察到所述反射谱中至少存在一反射峰能够被所述反射端镜(12)选择出后停止刻写。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，其特征在于，所述光纤随机光栅相邻子光栅之间的距离是随机的。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，所述反射端镜(12)为高反射率的光纤布拉格光栅，其反射率大于90％，其带宽不大于0.25nm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(13)为掺铒光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤、掺铥光纤或掺钬光纤。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器还包括：光纤隔离器(16)，所述光纤隔离器(16)的输入端连接于所述波分复用器(15)的激光输出端，用于消除由所述输出端镜(14)输出激光的寄生反馈以提高激光输出的稳定性。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器还包括：半导体制冷器(17)，所述反射端镜(12)、增益光纤(13)和输出端镜(14)置于所述半导体制冷器(17)中，以使所述光纤激光器的温度恒定。
9.根据权利要求8所述的一种基于光纤随机光栅的单频随机DBR光纤激光器，其特征在于，所述半导体制冷器(17)数量为两个，分别对所述反射端镜(12)和输出端镜(14)的波长进行调谐。
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