CN113572005A - 一种基于光纤环形器的多功能光纤器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，具有如光谱可调谐带通滤波、端面反射、泵浦注入、光纤预放大器、超短脉冲时域展宽、温度或应力测量等多功能，该器件包含主体为光纤环形器，可选附件为反馈器件、泵浦二极管、增益光纤等。本发明通过改变连接到光纤环形器端口2的附件来实现不同的功能，如光谱可调谐带通滤波、端面反射、泵浦注入、激光功率放大、温度或应力测量等。本发明具有全光纤结构且结构紧凑，具有功能多样性和可拓展性等优点，可广泛应用于超快光学领域中光谱可调谐带通滤波、脉冲时域展宽或光纤传感领域中应力或温度的测量。

Description

一种基于光纤环形器的多功能光纤器件
技术领域
本发明属于光纤器件技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于光纤环形器的多功能光纤器件。
背景技术
目前纳秒光纤激光器由于全光纤结构带来的高可靠性、稳定性和光束质量在材料加工和非线性频率转换领域得到了大量应用，具有巨大的学术和经济价值。
通常的纳秒光纤激光系统多采用主振荡功率放大结构，从毫瓦量级的种子激光开始放大，激光功率放大初期要使得激光获得高增益，在此过程中很容易造成自发辐射放大，自发辐射放大光谱较宽，需要对这些杂散光进行光谱滤除，种子光与放大器、放大器与放大器之间需要光纤隔离器来避免后向反射光对前级激光系统的影响，同时由于各光纤器件，如光纤带通滤波器、光纤隔离器等器件的尾纤以及激光在常规光纤放大器中的增益光纤处单通放大，导致整个光纤激光系统从种子光至最后一级光纤放大器的光纤总长度过长进而导致如受激拉曼散射等非线性效应，造成激光功率向长波长进行转移，降低激光的转换效率，阻碍激光功率的进一步提升。
发明内容
为了解决光纤激光系统中结构冗余造成的非线性效应等限制激光功率提升的问题，本发明提出了一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，以光纤环形器为(1)主体，可选附件，如反馈器件(2)、增益光纤(4)、泵浦二极管(3)等，光纤环形器(1)为单向光纤器件，激光从端口1输入则从端口2输出，从端口2输入则从端口3输出，在光纤环形器(1)端口2连接各附件以实现不同的功能，如光谱可调谐带通滤波、端面反射、泵浦注入、光纤放大器、时域脉冲展宽、应力或温度测量等功能。
所述的光谱可调谐带通滤波是通过具有窄带反射特性的反馈器件(2)连接在光纤环形器(1)端口2对宽谱激光的选择性反射实现的。
所述的端面反射是通过具有窄带反射特性的反馈器件(2)连接在光纤环形器(1)端口2对波长匹配的窄谱激光的反射实现的。
所述的光纤放大器是通过光纤环形器(1)端口2与增益光纤(4)、反馈器件(2)、泵浦二极管(3)顺次连接，反馈器件(2)对泵浦光透射后被增益光纤(4)吸收，激光从端口2输出后通过增益光纤(4)实现第一次功率放大，到达反馈器件(2)处被反射，再次通过增益光纤(4)实现第二次放大，随后从端口2输入从端口3输出。
所述的时域脉冲展宽是通过光纤环形器(1)端口2与啁啾光纤光栅连接，超短脉冲中不同波长激光在啁啾光纤光栅不同位置反射来实现时域上的展宽。
所述的应力或温度测量是通过光纤环形器(1)端口2与反馈器件连接，反馈器件的周期性折射率结构对应力和温度敏感，通过测量输入激光与输出激光中心波长的差异，来实现应力或温度的测量。
本发明提出一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，光纤环形器(1)为主体，可选附件为反馈器件(2)、增益光纤(4)、泵浦二极管(3)，可通过不同附件与光纤环形器(1)端口2的连接以实现不同的功能，如端面反射、光谱可调谐滤波、光纤放大器，其优点在于，可以在同一端口更换不同附件实现不同功能，避免系统冗余；可以缩短超短脉冲放大过程中光纤总体长度，避免光纤中的非线性效应，使得激光功率进一步提升。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1表示光纤环形器和各可选附件，主体为光纤环形器(1)，可选附件包括反馈器件(2)、泵浦二极管(3)、增益光纤(4)。
图2表示光纤环形器端口2与反馈器件进行连接，对于处于反射频段内的窄谱激光可以实现端面反射功能。
图3表示光纤环形器端口2与反馈器件传感器连接，可实现应力或温度测量。
图4表示光纤环形器端口2与反馈器件进行连接，对于宽谱激光可以实现光谱可调谐带通滤波功能。
图5表示光纤环形器端口2与啁啾光纤光栅进行连接，对于飞秒脉冲可实现时域脉冲展宽功能。
图6表示光纤环形器端口2与增益光纤、反馈器件、泵浦二极管顺次连接，实现激光的双通放大。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，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，本发明主体为光纤环形器(1)，可选附件包括反馈器件(2)、增益光纤(4)、泵浦二极管(3)等，光纤环形器(1)为三端口，包括端口1、端口2和端口3，激光从端口1输入则从端口2输出，从端口2输入则从端口3输出，通过不同光纤器件与光纤环形器(1)端口2的连接实现不同的功能，如光谱可调谐带通滤波、端面反射、光纤放大器、超短脉冲时域展宽、应力或温度测量等功能。
实施实例1
结合图2，利用光纤环形器(101)的特点，激光从端口1输入则从端口2输出，从端口2输入则从端口3输出，利用对窄谱反射的反馈器件(102)，如中心波长1064nm，反射谱带宽1nm，将该反馈器件(102)与光纤环形器(101)端口2通过光纤熔接机熔接在一起，当有中心波长为1064nm，谱宽小于1nm的激光(103)从光纤环形器(101)端口1输入，则激光从端口2输出，到达反馈器件处经反馈器件(102)反射，再次从光纤环形器(101)端口2输入，则从端口3输出激光(104)，实现光纤反射镜的效果，同时具有光纤隔离器的功能。
实施实例2
结合图3，利用实例1相同的结构，在光纤环形器(201)端口2熔接具有温度传感或应力传感的反馈器件(202)，从光纤环形器(201)端口1输入已标定过中心波长(204)的激光(203)，此处203为光谱，则从端口2输出，到达反馈器件(202)处，当外界温度或应力发生变化时，会导致反馈器件(202)有效折射率和光栅周期发生变化，进而导致反射激光波长(205)相对于原中心波长(206)发生变化，激光被反射后再次从光纤环形器(201)端口2输入，继而从端口3输出，通过对返回激光中心波长的重新标定，通过反馈器件(202)与温度、应力的对应关系进而获得外界温度和应力的变化值。
实施实例3
结合图4，利用实例1相同的结构，在光纤环形器(301)端口2熔接反馈器件(302)，该反馈器件(302)对窄谱进行反射，如中心波长1064nm，反射谱带宽1nm，当有宽谱激光(303)从光纤环形器(301)端口1输入时，则从端口2输出，到达反馈器件(302)处，该反馈器件(302)只对位于反射带宽内的光谱(307)进行反射，对其他波长的激光(304)进行透射，特别的，当输入激光有自发辐射谱时，如1030nm激光，该自发辐射光谱会从反馈器件处透射，至此反馈器件实现光谱滤波的功能。当对反馈器件(302)施加轴向应力或进行温度控制时，反射波长(308)相对于原来的反射波长(307)发生偏移，此时透射光谱为305，即反射光谱308和透射光谱305相对应，或者反射波长(310)相对于原来的反射光谱(309)带宽发生变化，此时透射光谱为306，即反射光谱310和透射光谱306相对应。图4中307和309为同一光谱，分别与308、310光谱做对照，对比光谱中心波长与带宽的变化。
实施实例4
结合图5，利用实例1相同的结构，在光纤环形器(401)端口2熔接啁啾光纤光栅(402)，在光纤环形器(401)端口1输入具有宽光谱的超短脉冲(403)，如飞秒激光，且中心波长在1um附近，当飞秒激光到达反馈器件(402)时，长波长光谱与短波长光谱在啁啾光纤光栅不同位置被反射，从而使得飞秒激光不同光谱在时域上产生延迟，脉宽变宽(404)，激光被反射后再次从端口2输入，继而从端口3输出，实现超短脉冲展宽的功能。
实施实例5
结合图6，利用光纤环形器(501)的特点，在端口2依次与增益光纤(503)、反馈器件(502)、泵浦二极管(504)熔接，泵浦二极管(504)出射激光从反馈器件(502)处透射，随后到达增益光纤(503)处，泵浦光可使得增益光纤(503)实现粒子数反转，当信号激光(505)从光纤环形器(501)端口1输入，则从端口2输出，到达增益光纤(503)处实现第一次放大，到达反馈器件(502)处，由于信号激光光谱处于反馈器件(502)的反射带宽内，则被反馈器件(502)反射回增益光纤(503)，被增益光纤(503)第二次放大(506)，再次从端口2输入，继而从光纤环形器(501)端口3输出。若从端口1输入激光同时包含自发辐射光谱，则同实例3一样具有光谱滤波的功能，至此实例5可同时具有光纤放大器及光谱滤波的功能。
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 (10)

1.一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，以光纤环形器(1)作为主体，还包括可选器件：反馈器件(2)、泵浦二极管(3)、增益光纤(4)，通过各可选器件与光纤环形器的连接实现多功能的光纤器件。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，激光从光纤环形器端口1输入从端口2输出，从端口2输入则从端口3输出，不能反向。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，反馈器件(2)是通过周期性改变光纤纤芯折射率从而对特定波长激光进行反射，其他波长激光透射，且该周期性对于温度或应力敏感。
4.如权利要求3所述一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，反馈器件(2)与光纤环形器(1)端口2连接在一起，激光从端口1输入经端口2输出，对于窄谱激光，反馈器件(2)对其反射，进而再次从端口2输入从端口3输出。
5.如权利要求3所述一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，反馈器件(2)与光纤环形器(1)端口2连接在一起，激光从端口1输入经端口2输出，对于宽谱激光，反馈器件(2)对特定波长反射，其他波长透射，被反射激光进而再次从端口2输入从端口3输出，完成光谱滤波功能；
通过对反馈器件(2)进行轴向应力控制或温度控制，进而可以调节反射激光中心波长、反射带宽等参数，实现光谱可调谐带通滤波功能。
6.如权利要求3所述一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，反馈器件(2)与光纤环形器(1)端口2连接在一起，激光从端口1输入经端口2输出，当反馈器件(2)处温度或轴向应力发生变化时，激光被反馈器件(2)反射后的中心波长发生变化，再次从端口2输入从端口3输出，完成温度或应力测量。
7.如权利要求3所述一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，反馈器件(2)与光纤环形器(1)端口2连接在一起，激光从端口1输入经端口2输出，当输入激光为具有宽光谱的飞秒激光时，不同波长的激光在反馈器件(2)的反射位置不同，再次从端口2输入从端口3输出，造成时域上的脉冲展宽。
8.如权利要求1所述一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，增益光纤(4)纤芯中掺杂稀土离子，对吸收谱覆盖范围内激光进行吸收，可对其发射谱覆盖范围内激光在有泵浦光时进行功率放大。
9.如权利要求1所述一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，泵浦二极管(3)在通电情况下可输出特定波长激光。
10.如权利要求1、3、8或9所述一种基于光纤环形器的多功能光纤器件，其特征在于，光纤环形器(1)端口2与增益光纤(4)、反馈器件(2)、泵浦二极管(3)顺次连接在一起，反馈器件(2)对泵浦光透射，进而泵浦光被增益光纤(4)吸收，激光从光纤环形器(1)端口1输入从端口2输出，经过增益光纤(4)放大后到达反馈器件(2)处，反馈器件(2)对激光进行反射，激光再次被增益光纤(4)放大，随后从端口2输入从端口3输出。
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