CN113410736A - 一种可调谐单频脉冲光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调谐单频脉冲光纤激光器，所述激光器包括高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤、低反射率啁啾光纤光栅、泵浦激光器、光波分复用器、光环形器、可调谐光滤波器组件、调Q元器件和光耦合器；所述光纤激光器是复合腔结构，其中由高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤和低反射率啁啾光纤光栅共同构成线型腔部分；由光环形器、可调谐光滤波器组件、调Q元器件和光耦合器共同构成环形腔部分。该光纤激光器结合复合腔的结构优势，具有波长调谐范围大、脉冲参数易于控制、光束质量好、相干性高等优点，可应用于雷达系统、医药、光谱学、传感、太赫兹生成、非线性频率转换等领域。

Description

一种可调谐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，具体涉及一种宽调谐范围、单频、脉冲输出形式的光纤激光器。
背景技术
脉冲单频光纤激光器具有良好的光束质量和高的相干性等优点，在雷达系统、医药、光谱学、传感、太赫兹生成、非线性频率转换等领域有较大的需求。对于以脉冲形式工作的单频激光器而言，即在谐振腔中插入调Q元器件，通过输入调制信号调节激光谐振腔的损耗来实现脉冲输出。常用的调制方式有主动调Q和被动调Q。主动调Q的优势在于脉冲重复频率和脉冲宽度可以独立调节，但是需要复杂的电子控制设备；被动调Q的优势在于调Q元件体积小、灵活性好，但是对脉冲的控制具有局限性，不能独立控制每个脉冲参数。
然而，一些应用场合要求脉冲单频光纤激光器的工作波长大范围可调，即对其调谐性能提出了强烈要求。例如，在雷达系统方面，将波长调谐至气体的吸收峰值对应的波长，可以产生显著的反射信号，从而得到气体的具体含量；在医学方面，可调谐单频脉冲光纤激光器可用于光声成像技术，在不同的波长条件下，通过光学方法生成组织的高空间分辨率图像；在光谱学方面，当激光波长被调谐到与样品的红外振动吸收峰相匹配时，样品在一定时间内发热，产生光热诱导共振，从而确定样品的光谱特征。目前，可调谐单频脉冲激光光源主要通过环形腔内插入可调谐元器件来实现可调谐操作，但存在容易跳模和输出功率不稳定的现象。另外，可调谐滤波器件难以应用在结构紧凑的线型单频谐振腔中，尽管采用加载应力或调节温度的方式可以使得线型谐振腔的中心波长发生改变，但此种调谐方法只能实现窄范围的波长调谐，通常小于2nm。
现有相关专利有：(1)2014年，中国电子科技集团公司第二十六研究所申请了一种MOPA结构的声光调Q脉冲光纤激光器，通过控制腔内的光纤声光调制器，实现了重复频率连续可调的脉冲激光输出[公开号：CN103944056]，但是该专利并非单频脉冲激光输出，且没有实现波长调谐；(2)2014年，中国科学院上海光学精密机械研究所申请了一种1.6μm波段脉冲型单频线偏振激光器，将1.5μm波段的脉冲进行泵浦，同时注入1.6μm保偏单频种子脉冲，通过放大实现了1.6μm保偏单频脉冲输出(公开号：CN103944056)，但是该专利并非全光纤结构，且没有实现波长调谐。相关论文有：(1)2011年，Y M Chang等人利用超快可变光衰减器作为Q开关插入到谐振腔中，通过对光衰减器加入调制信号，获得了最小脉宽为86ns的单频脉冲输出(Opt.Express,2011,19:26911)，但是并没有实现波长调谐；(2)2018年，X Xu等人通过RbTiOPO4标准具和压电陶瓷的同步调节进行粗调频和细调频，实现了频率调谐范围为14GHz的1064nm单频激光输出(Appl.Opt.,2018,57:2287)，但是其激光输出的调谐能力有限，无法实现更大的调谐范围。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，公开了一种波长可调谐的单频脉冲光纤激光器，首先通过高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤和低反射率啁啾光纤光栅构成线型腔部分；然后通过光环形器、可调谐光滤波器组件、调Q元器件和光耦合器共同构成环形腔部分；通过自注入锁定方式，将线型腔和环形腔组合为复合腔结构，一起实现全光纤化、单纵模、宽调谐范围、脉冲输出形式的光纤激光输出。
为了达到上述目的，本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种可调谐单频脉冲光纤激光器，包括高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤、低反射率啁啾光纤光栅、泵浦激光器、光波分复用器、光环形器、可调谐光滤波器组件、调Q元器件和光耦合器。各部件之间的结构关系是：高反射率啁啾光纤光栅的一端、高增益光纤的两端和低反射率啁啾光纤光栅的一端，三者依次紧密对接耦合；其中高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤和低反射率啁啾光纤光栅共同构成激光器的短线型谐振腔，低反射率啁啾光纤光栅的另一端与光波分复用器的公共端相连接，泵浦激光器与光波分复用器的泵浦端相连接，光波分复用器的信号端与光环形器的a端口相连接，光环形器的b端口和可调谐光滤波器组件的输入端相连接，可调谐光滤波器组件的输出端和调Q元器件的输入端相连接，调Q元器件的输出端和耦合器的输入端相连接，耦合器的小输出端口与光环形器的c端口相连接，耦合器的大输出端口作为激光的最终输出端口。
进一步优化的，所述光纤激光器是复合腔结构，由高反射率啁啾光纤光栅、高增益光纤和低反射率啁啾光纤光栅共同构成线型腔部分；由光环形器、可调谐光滤波器组件、调Q元器件和光耦合器共同构成环形腔部分。
进一步优化的，所述高反射率啁啾光纤光栅是对泵浦光波长高透，其透射率大于95％；而对信号光波长高反，其反射率大于97％，其反射谱3dB带宽为1～60nm；低反射率啁啾光纤光栅是对信号光波长低反，其反射率为5～90％，其反射谱3dB带宽为1～60nm。
进一步优化的，所述可调谐光滤波器组件是通过一定自由光谱范围和带宽来实现选择通过或者阻止光路系统中特定的波长；其自由光谱范围为0.5～300nm，3dB带宽小于0.1nm。
进一步优化的，所述可调谐光滤波器组件包括但不限于可调谐声光滤波器、可调谐电光滤波器、可调谐微机电系统或可调谐热光滤波器，也不限于其中一个或者多个可调谐光滤波器的组合形式。
进一步优化的，所述调Q元器件是指在光纤激光器的谐振腔内插入调制元件，通过输入调制信号调节腔内的损耗，实现脉冲输出。
进一步优化的，所述调Q元器件在结构上包括声光调制器、电光调制器、压电陶瓷、机械转镜或可饱和吸收体等形式，可以是其中一个或者多个调Q元器件的组合形式；在调Q方式上包括主动调Q或被动调Q等方式。
进一步优化的，所述光耦合器的小输出端口和大输出端口的分光比为1/99～50/50，具体大小根据实验中的实际反馈情况或转换效率决定。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
本发明可以将厘米量级的高增益光纤作为激光的增益介质，由低反射率啁啾光纤光栅和高反射率啁啾光纤光栅共同构成谐振腔结构的前后腔镜，在泵浦光的持续抽运下形成激光振荡。首先谐振腔输出的宽谱线激光通过光环形器的a端口，经b端口进入到环形腔中，然后光滤波器组件与光纤光栅对一起构成选模(纵模选择)装置，通过可调谐光滤波器组件进行波长选择，输出啁啾光纤光栅带宽范围内的任一单纵模(单频)激光信号；接着通过调Q元器件，对单频激光进行强度调制，进而输出单频脉冲激光；然后一部分单频脉冲激光通过光环形器的c端口，经a端口注入回到谐振腔中，通过谐振腔振荡增强，激光信号通过光环形器的a端口重新进入到环形腔中，另一部分单频脉冲激光通过光耦合器的大端口最终输出，从而实现可调谐、单频、脉冲运转形式的光纤激光输出。该光纤激光器基于复合腔的结构优势，性能优异；其波长调谐范围为0～40nm，脉冲宽度为1ns～1ms，脉冲重复频率为1kHz～1GHz，且具有光束质量好、相干性高等优点，可应用于雷达系统、医药、光谱学、传感、太赫兹生成、非线性频率转换等领域。
附图说明
图1为本发明一种可调谐单频脉冲光纤激光器的原理示意图。
图中：1-高反射率啁啾光纤光栅，2-高增益光纤，3-低反射率啁啾光纤光栅，4-单模泵浦激光器，5-光波分复用器，6-光环形器，7-可调谐光滤波器，8-调Q元器件，9-光耦合器。
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1，一种可调谐单频脉冲光纤激光器，包括高反射率啁啾光纤光栅1、高增益光纤2、低反射率啁啾光纤光栅3、泵浦激光器4、光波分复用器5、光环形器6、可调谐光滤波器7、调Q元器件8、光耦合器9。各部件之间的结构关系是：高反射率啁啾光纤光栅1的一端、高增益光纤2的两端和低反射率啁啾光纤光栅3的一端，三者依次紧密对接耦合，其中高反射率啁啾光纤光栅1、高增益光纤2和低反射率啁啾光纤光栅3共同构成激光器的短线型谐振腔，低反射率啁啾光纤光栅3的另一端与光波分复用器5的公共端相连接，泵浦激光器4与光波分复用器5的泵浦端相连接，光波分复用器5的信号端与光环形器6的a端口相连接，光环形器6的b端口和可调谐光滤波器组件7的输入端相连接，可调谐光滤波器组件7的输出端和调Q元器件8的输入端相连接，调Q元器件8的输出端和光耦合器9的输入端相连接，光耦合器9的小输出端口与光环形器6的c端口相连接，光耦合器9的大输出端口作为激光的最终输出端口。
本例的高反射率啁啾光纤光栅1的工作波长为1525～1565nm，其反射谱3dB带宽为40nm，其中心波长反射率为99.9％。本例的低反射率啁啾光纤光栅3的工作波长为1525～1565nm，其反射谱3dB带宽为40nm，其中心波长反射率为60％。高反射率啁啾光纤光栅1和低反射率啁啾光纤光栅3组成一个具有宽谱线范围选择及滤波作用的功能模块。其中，高反射率啁啾光纤光栅1的一端、高增益光纤2的两端和低反射率啁啾光纤光栅3的一端，三者依次紧密对接耦合。本例使用的可调谐光滤波器组件7为法布里-帕罗腔可调谐滤波器，其自由光谱范围达到70nm，3dB带宽为0.02nm，工作波长范围为1520～1570nm。本例使用的调Q元器件8为声光调制器，工作波长范围为1520～1570nm，可承受峰值功率1kW。
在这里以其中一个中心波长1560.5nm作为例子。在该光纤激光器中，泵浦方式采用后向泵浦，由单模泵浦激光器4产生泵浦光经由光波分复用器5的泵浦端输入，经由低反射率啁啾光纤光栅3进入到高增益光纤2的纤芯中，进行纤芯泵浦。泵浦光持续抽运纤芯中的增益粒子形成粒子数反转，通过受激辐射过程形成宽谱线激光信号。谐振腔输出的宽谱线激光通过光环形器6的a端口，经b端口进入到环形腔中，然后经过控制法布里-帕罗腔可调谐滤波器7的工作电压，改变其腔长，在与光纤光栅对一起构成选模(纵模选择)装置条件下，选出1560.5nm的单纵模(单频)激光信号。接着通过调节声光调制器8的输入信号，在腔内引入一定的周期性损耗。在一个周期内，当腔内具有很高的损耗时，腔内增益小于损耗，不能产生激光振荡；当腔内的损耗降低时，腔内增益大于损耗，产生激光振荡，从而实现强度调制，输出1560.5nm的单频脉冲激光。输出的1560.5nm脉冲光经过5:95的光耦合器9后，5％的脉冲光通过光环形器6的c端口，经a端口注入回到谐振腔中，经过谐振腔振荡增强后通过光环形器的a端口重新进入到环形腔中，而95％的脉冲光从光耦合器9的大输出端口输出。即得到1560.5nm的单频脉冲激光，其脉宽为20ns、脉冲重复频率为100kHz、激光线宽为5kHz。
然后，通过改变法布里-帕罗腔可调谐滤波器7的工作电压，改变其腔长，从而改变其通过波长(工作波长1520～1570nm内任意选择，诸如：1550.0nm、1550.5nm、1551.2nm、1565.4nm等)，实现可调谐的脉冲激光输出；再与光纤光栅对(工作波长1525～1565nm内)匹配一起进行选模(单一纵模选择)，实现脉冲激光的单纵模(单频)输出；最后得到工作波长1525～1565nm之间可调谐、单频、脉冲形式的光纤激光输出，其调谐范围达到40nm、脉宽<1ms、脉冲重复频率<1GHz、激光线宽<10kHz。
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)

1.一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于包括：高反射率啁啾光纤光栅(1)、高增益光纤(2)、低反射率啁啾光纤光栅(3)、泵浦激光器(4)、光波分复用器(5)、光环形器(6)、可调谐光滤波器组件(7)、调Q元器件(8)和光耦合器(9)；高反射率啁啾光纤光栅(1)、高增益光纤(2)和低反射率啁啾光纤光栅(3)依次紧密对接耦合，其中高反射率啁啾光纤光栅(1)、高增益光纤(2)和低反射率啁啾光纤光栅(3)共同构成激光器的短线型谐振腔，低反射率啁啾光纤光栅(3)还与光波分复用器(5)的公共端相连接，泵浦激光器(4)与光波分复用器(5)的泵浦端相连接，光波分复用器(5)的信号端与光环形器(6)的a端口相连接，光环形器(6)的b端口和可调谐光滤波器组件(7)的输入端相连接，可调谐光滤波器组件(7)的输出端和调Q元器件(8)的输入端相连接，调Q元器件(8)的输出端和光耦合器(9)的输入端相连接，光耦合器(9)的小输出端口与光环形器(6)的c端口相连接，光耦合器(9)的大输出端口作为激光的最终输出端口。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述光纤激光器是复合腔结构，其中由高反射率啁啾光纤光栅(1)、高增益光纤(2)和低反射率啁啾光纤光栅(3)共同构成线型腔部分；由光环形器(6)、可调谐光滤波器组件(7)、调Q元器件(8)和光耦合器(9)共同构成环形腔部分。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述高反射率啁啾光纤光栅(1)对泵浦光波长高透，透射率大于95％；而对信号光波长高反，反射率大于97％，反射谱3dB带宽为1～60nm。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于：低反射率啁啾光纤光栅(3)是对信号光波长低反，反射率为5～90％，反射谱3dB带宽为1～60nm。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述可调谐光滤波器组件(7)的自由光谱范围为0.5～300nm，3dB带宽小于0.1nm。
6.根据权利要求1所述的一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述可调谐光滤波器组件(7)选自可调谐声光滤波器、可调谐电光滤波器、可调谐微机电系统或可调谐热光滤波器中一种以上。
7.根据权利要求1所述的一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述调Q元器件(8)选自声光调制器、电光调制器、压电陶瓷、机械转f可饱和吸收体中一个或者多个的组合形式。
8.根据权利要求1所述的一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述调Q元器件(8)的调制方式为主动调Q或被动调Q。
9.根据权利要求1所述的一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述光耦合器(9)的小输出端口和大输出端口的分光比为1/99～50/50。
10.根据权利要求1～9任一项所述的一种可调谐单频脉冲光纤激光器，其特征在于：所述激光器的波长调谐范围为0～40nm，脉冲宽度为1ns～1ms，脉冲重复频率为1kHz～1GHz。
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