CN113410740B - 线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器 - Google Patents

线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，包括：拉曼增益光纤、依次连接的泵浦源、波分复用器、低反射光纤光栅、相移光纤光栅和高反射光纤光栅，所述波分复用器的泵浦端与泵浦源连接，所述波分复用器的公共端与低反射光纤光栅连接，所述波分复用器的信号端为激光输出端口。本发明的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器结构简单成本低，能有效增加线型复合腔的有效腔长，降低对长相移光纤光栅需要，且所用的拉曼增益光纤可达到米级，进而降低了拉曼阈值，提高了激光转化效率。本发明采用的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器不易跳模，频率稳定，克服了普通线型腔单频拉曼光纤激光器跳模、频率不稳定等问题。

Description

线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体涉及一种线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器。
背景技术
单频光纤激光器以其线宽窄、噪声低、稳定性好、全光纤化等优点，在激光雷达、非线性光学频率转换、引力波探测和相干合成等方面具有广泛的应用。基于稀土离子掺杂增益的单频激光器的激光波长范围受到所使用的掺杂离子的限制，难于满足一些领域对激光波长的特殊需求。此外，高浓度的稀土离子将会产生浓度淬灭导致泵浦能量转移效率低和过度的热负载，使得单频光纤激光器输出功率不稳定。而基于拉曼增益的单频光纤激光器，采用同样的结构，只改变泵浦源的波长，即可突破稀土离子光纤发射带宽的限制，产生任意波长的激光。同时，已有研究表明基于拉曼增益的单频光纤激光器具有热负载低的优点。
现有单频拉曼光纤激光器中往往仅依赖相移光纤光栅进行选频和产生拉曼激光，因此在整个拉曼单频光纤激光器系统中，相移光纤光栅是系统中最重要的元件。由于拉曼增益比稀土离子增益小，为了保证足够的拉曼增益激发拉曼激光，需使用长度较长的相移光纤光栅来激发拉曼波长，若相移光纤光栅长度不足，将会导致系统出现出光效率低、阈值高的问题。理论仿真表明(Perlin,V.E,Winful,H.G.(2001).Distributed feedback fiberraman laser.Quantum Electronics IEEE Journal of,37(1),38-47.)，单频拉曼光纤激光器产生拉曼激光的效率与相移光纤光栅长度有关，相移光纤光栅长度越长，产生拉曼激光的阈值越低、出光效率越高。当相移光纤光栅长度为米量级，效率可达到30％-60％。已报道的单频拉曼光纤激光器实验结构(Loranger S,Karpov V,Schinn G W,KashyapR.single-frequency low-threshold linearly polarized DFB Raman fiber lasers[J].Optics Letters.2017,42(19):3864)如图1所示。其中1为泵浦源，2为波分复用器，4为相移光纤光栅，6为拉曼增益光纤。受实际光栅刻制技术的限制，该系统中所使用的相移光纤光栅长度仅为30厘米，远小于理论仿真的最佳相移光纤光栅长度，导致了出光效率限制在8％左右。
目前，已报导的文献中使用的相移光纤光栅长度通常在12～30厘米，而一般的商用相移光纤光栅刻写长度在4～6厘米，因此现有的相移光纤光栅刻制长度最长为30厘米，且光栅刻制系统复杂，长相移光纤光栅刻制困难，难于获取，导致拉曼单频激光器实现困难。且现有的单频拉曼光纤激光器容易受外界环境、温度和机械振动等影响发生跳模，影响频率稳定性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，包括：拉曼增益光纤、依次连接的泵浦源、波分复用器、低反射光纤光栅、相移光纤光栅和高反射光纤光栅，所述波分复用器的泵浦端与泵浦源连接，所述波分复用器的公共端与低反射光纤光栅连接，所述波分复用器的信号端为激光输出端口。
上述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，优选地，所述低反射光纤光栅、相移光纤光栅和高反射光纤光栅依次刻写在同一条拉曼增益光纤上构成线型复合腔，或所述低反射光纤光栅、相移光纤光栅和高反射光纤光栅分别刻写在三条拉曼增益光纤上并依次连接构成线型复合腔。
上述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，优选地，所述泵浦源为光纤化激光器；所述光纤激光器为稀土掺杂光纤激光器或拉曼光纤激光器。
上述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，优选地，所述拉曼增益光纤的基质材料为石英、磷酸盐、硅酸盐、碲酸盐、氟化物或硫化物。
上述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，优选地，所述相移光纤光栅为分布反馈式光纤光栅；所述相移光纤光栅的中心工作波长λp满足关系式：
Figure BDA0003122391120000021
其中，c表示光速，λs为泵浦源的波长，Δν为拉曼增益光纤提供的拉曼增益峰值对应的频移量。
上述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，优选地，所述的低反射光纤光栅和高反射光纤光栅的工作波长范围覆盖相移光纤光栅的工作波长；
所述高反射光纤光栅的反射率大于所述低反射光纤光栅的反射率。
上述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，优选地，所述的波分复用器工作波长范围覆盖泵浦源、低反射光纤光栅、高反射光纤光栅和相移光纤光栅的工作波长。
上述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，优选地，所述线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器为线偏振光输出或者非线偏振光输出
本发明所产生的有益效果为：
本发明的方案采用线型复合腔结构实现单频拉曼光纤激光器，使用的器件均可在市面上获取，具有结构简单成本低的优点，本发明使用的相移光纤光栅长度无需达到十几甚至是数十厘米，商用的相移光纤光栅长度即可满足要求；本发明有效增加了线型复合腔结构的有效腔长，降低了对长相移光纤光栅的需要，且线型复合腔结构中所用的拉曼增益光纤可达到米级，进而降低了拉曼阈值，提高了激光转化效率。本发明采用的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器不易跳模，频率稳定，克服了普通线型腔单频拉曼光纤激光器跳模、频率不稳定等问题。
附图说明
图1为现有典型的单频拉曼光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器的结构示意图。
附图标记：
1、泵浦源；2、波分复用器；3、低反射光纤光栅；4、相移光纤光栅；5、高反射光纤光栅；6、拉曼增益光纤。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
图2为本发明一种线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器的结构示意图，由图2可见，本发明包括泵浦源1、波分复用器2、低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4、高反射光纤光栅5和拉曼增益光纤6，所述泵浦源1、波分复用器2、低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5依次连接，且所述波分复用器2的泵浦端与泵浦源1连接，所述波分复用器2的公共端与低反射光纤光栅3连接，所述波分复用器2的信号端为激光输出端口。本发明中，拉曼增益光纤6可以是单模也可以是多模。本方案的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器由波分复用器2的信号端输出信号。
所述低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5依次刻写在同一条拉曼增益光纤6上构成线型复合腔，或所述低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5分别刻写在三条拉曼增益光纤6上并依次连接构成线型复合腔。若低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5刻制在同一根拉曼增益光纤6上，则波分复用器2的公共端与低反射光纤光栅3连接。若低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5分别刻制在三根拉曼增益光纤6上，则波分复用器2的公共端与低反射光纤光栅3连接，低反射光纤光栅3的另一端与相移光纤光栅4连接，相移光纤光栅4的另一端和高反射光纤光栅5连接。优选地，当所述低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5分别刻写在三条拉曼增益光纤6上时，三条拉曼增益光纤6的材质和性能参数优选一致。
所述高反射光纤光栅5的反射率大于所述低反射光纤光栅3的反射率。
所述泵浦源1为光纤化激光器；所述光纤激光器为稀土掺杂光纤激光器、稀土掺杂单频光纤激光器、拉曼光纤激光器或单频拉曼光纤激光器。
所述的拉曼增益光纤6为低布里渊散射光纤，或在光纤上施加应力梯度分布或温度梯度分布以抑制布里渊散射；当所述拉曼放大增益光纤6为低布里渊散射光纤时，所述拉曼增益光纤6的基质材料为石英、磷酸盐、硅酸盐、碲酸盐、氟化物或硫化物。
所述相移光纤光栅4为分布反馈式光纤光栅；所述相移光纤光栅4的中心工作波长λp满足关系式：
Figure BDA0003122391120000041
其中，c表示光速，λs为泵浦源1的波长，Δν为拉曼增益光纤6提供的拉曼增益峰值对应的频移量。
所述的低反射光纤光栅3和高反射光纤光栅5的中心工作波长和相移光纤光栅4的中心工作波长λp相同。
所述的波分复用器2工作波长范围覆盖泵浦源1、低反射光纤光栅3、高反射光纤光栅5和相移光纤光栅4的工作波长。
所述线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器为线偏振光输出或者非线偏振光输出。在线偏振光输出时，泵浦源1为线偏振型光纤激光器，波分复用器2为保偏型器件，拉曼增益光纤6为保偏型光纤，低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5均为刻制在保偏拉曼增益光纤6上的器件，全保偏结构系统能够保证激光输出不受其他因素影响从而保持线偏振状态。在非线偏振光输出时，泵浦源1、波分复用器2、低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4、高反射光纤光栅5和拉曼增益光纤6中至少有一个部分为非保偏型器件。
一种本发明的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，其具体实施包括以下步骤：
第一步：根据所需要获取的单频拉曼激光波长，选用合适的泵浦源1和拉曼增益介质6。
第二步：选择中心工作波长为所需要获取的单频拉曼激光的相移光纤光栅4，选择工作波长覆盖相移光纤光栅4的低反射光纤光栅3和高反射光纤光栅5；低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5均刻制在拉曼增益光纤6上；选择工作波长覆盖泵浦源1和低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4、高反射光纤光栅5的波分复用器2。
第三步：将波分复用器2的泵浦端与泵浦源1连接；若低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5刻制在同一根拉曼增益光纤6上，则波分复用器2的公共端与低反射光纤光栅3连接。若低反射光纤光栅3、相移光纤光栅4和高反射光纤光栅5分别刻制在三根拉曼增益光纤6上，则波分复用器2的公共端与低反射光纤光栅3连接，低反射光纤光栅3的另一端与相移光纤光栅4连接，相移光纤光栅4的另一端和高反射光纤光栅5连接；波分复用器2的信号端作为光纤激光器输出端口。
第四步：开启泵浦源1，光纤激光器实现单频拉曼激光输出。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，其特征在于，包括：拉曼增益光纤(6)、依次连接的泵浦源(1)、波分复用器(2)、低反射光纤光栅(3)、相移光纤光栅(4)和高反射光纤光栅(5)，所述波分复用器(2)的泵浦端与泵浦源(1)连接，所述波分复用器(2)的公共端与低反射光纤光栅(3)连接，所述波分复用器(2)的信号端为激光输出端口；
所述低反射光纤光栅(3)、相移光纤光栅(4)和高反射光纤光栅(5)依次刻写在同一条拉曼增益光纤(6)上构成线型复合腔，或所述低反射光纤光栅(3)、相移光纤光栅(4)和高反射光纤光栅(5)分别刻写在三条拉曼增益光纤(6)上并依次连接构成线型复合腔；
所述拉曼增益光纤(6)的基质材料为石英、磷酸盐、硅酸盐、碲酸盐、氟化物或硫化物。
2.如权利要求1所述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)为光纤化激光器；所述光纤激光器为稀土掺杂光纤激光器或拉曼光纤激光器。
3.如权利要求1所述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，其特征在于，所述相移光纤光栅(4)为分布反馈式光纤光栅；所述相移光纤光栅(4)的中心工作波长λp满足关系式：
Figure FDA0003857036270000011
其中，c表示光速，λs为泵浦源(1)的波长，Δν为拉曼增益光纤(6)提供的拉曼增益峰值对应的频移量。
4.如权利要求1所述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，其特征在于，所述的低反射光纤光栅(3)和高反射光纤光栅(5)的工作波长范围覆盖相移光纤光栅(4)的工作波长；
所述高反射光纤光栅(5)的反射率大于所述低反射光纤光栅(3)的反射率。
5.如权利要求1所述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，其特征在于，所述的波分复用器(2)工作波长范围覆盖泵浦源(1)、低反射光纤光栅(3)、高反射光纤光栅(5)和相移光纤光栅(4)的工作波长。
6.如权利要求1所述的线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器，其特征在于，所述线型复合腔结构单频拉曼光纤激光器为线偏振光输出或者非线偏振光输出。
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