CN113872029A - 一种双波长单频分布反馈光纤激光器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光信号技术领域，具体涉及一种双波长单频分布反馈光纤激光器及系统，其中一种双波长单频分布反馈光纤激光器包括：一泵浦光源单元，用以形成一泵浦信号，所述波分复用器根据所述泵浦信号形成所述光信号，铒镱共掺光纤，预置有带相移的光纤布拉格光栅，为相移光栅，铒镱共掺光纤用以接收一光信号，于所述光信号被传输至相移光栅处，所述相移光栅基于所述光信号于第一波段、第二波段形成一激光振荡并输出第一波段单频激光信号和第二波段单频激光信号。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种双波长单频分布反馈光纤激光器及系统。
背景技术
单频激光凭借其单频特性以及光谱纯度高，激光线宽窄等优点在量子光学、冷原子物理、高功率激光系统、激光探测、激光雷达和相干通信等领域有着重要应用价值。而在某些应用领域，如气体探测、激光干涉仪等往往还同时需要两路不同波长的单频激光，这便对激光光源提出了更高的要求。
实现双波长单频激光最简单的方法便是将两个单频激光中输出的单频激光合并到同一路光路中，但这种方式需要两台激光器，极大程度上增加了系统的体积和复杂程度，影响使用体验。而在同一个单频激光器同时实现两个波长的单频激光输出往往有在激光谐振腔内加入额外滤波器件和对输出的单频激光进行非线性变换两种方式：其中在腔内加入额外滤波器件一般只能实现波长间隔较小的双波长单频激光输出，且额外滤波器件的加入还会影响单频激光的稳定性；另外一种常见的获得双波长单频激光的方式是将单频激光器输出的激光分为两路，并对其中一路进行非线性频率变换处理，从而获得两路波长不同的单频激光输出，这种方式可以获得稳定的双波长单频激光，但由于需要加入非线性频率变换模块，会使得整个系统体积较大，结构复杂，且易受外界环境影响。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本申请提供一种双波长单频分布反馈光纤激光器及系统，旨在提供线宽窄、双波长激光信号，具体地：
一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其中，包括：
一泵浦光源单元，用以形成一泵浦光信号，
铒镱共掺光纤，预置有带相移的光纤布拉格光栅，可提供分布反馈，为相移光栅，铒镱共掺光纤用以接收一泵浦光信号，于所述泵浦光信号被传输至相移光栅处，所述相移光栅基于所述泵浦光信号于第一波段、第二波段形成激光振荡并输出第一波段单频激光信号和第二波段单频激光信号。
优选地，上述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其中，所述泵浦光信号波长范围为800nm～1080nm。
优选地，上述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其中，所述第一波段为1.5-1.65um，所述第二波段为1-1.18um。
优选地，上述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其中，还包括隔离单元，所述隔离单元由宽谱隔离器形成，或者由第一隔离装置和第二隔离装置形成；
所述宽谱隔离器，设置于所述第一波段单频激光信号和/或所述第二波段单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述波分复用器输出的所述第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号并输出；或者，
波分复用装置，设置于所述第一波段单频激光信号和所述第二波段单频激光信号光路轨迹上，用于将两个单频激光信号分到两路光纤中；
第一隔离装置，设置于所述第一波段单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述波分复用器输出的所述第一波段单频激光信号并输出；
第二隔离装置，设置于所述第二波段单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述波分复用器输出的所述第二波段单频激光信号并输出。
优选地，上述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其中，还包括，
波分复用器，设置于第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号输出光路轨迹上，用以将接收的泵浦光信号耦合至相移光栅，或者接收所述第一波段单频激光信号、第二波段单频激光信号和剩余泵浦光信号的混合信号，将两个单频激光信号与剩余泵浦光信号分到两路光纤中。
另一方面，本申请再提供一种高功率双波段光纤激光系统，其中，包括上述任一项所述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，还包括光纤放大单元，连接所述双波长单频分布反馈光纤激光器的输出端，用以接收的所述第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号做放大处理。
优选地，上述的一种高功率双波段光纤激光系统，其中，所述光纤放大单元由光纤放大模块形成，光纤放大模块，连接双波长单频分布反馈光纤激光器的输出端，所述光纤放大模块用以对所述第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号做放大处理以形成第一单频激光放大信号和/或第二单频激光放大信号；
优选地，上述的一种高功率双波段光纤激光系统，其中，所述光纤放大单元由第一光纤放大器、第二光纤放大器形成；
第一光纤放大器，用以接所第一波段单频激光信号，并对所述第一波段单频激光信号做放大处理以形成第一单频激光放大信号；
第二光纤放大器，用以接所第二波段单频激光信号，并对所述第二波段单频激光信号做放大处理以形成第二单频激光放大信号。
优选地，上述的一种高功率双波段光纤激光系统，其中，还包括，
非线性频率变换模块，连接所述光纤放大单元，用以接收所述第一单频激光放大信号和/或第二单频激光放大信号，并对所述第一单频激光放大信号和/或第二单频激光放大信号变换处理以形成所述第一单频激光变换放大信号和/或第二单频激光变换放大信号。
优选地，上述的一种高功率双波段光纤激光系统，其中，所述变换处理为N倍频、和频、差频、先和频后N倍频中至少一种。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：
双波长单频激光在同一个激光器中产生，可在同一路光纤中传输，同一个光纤放大模块中放大，并最终在同一路光纤中进入到非线性频率变换模块进行频率变换，极大程度降低的成本和系统体积，有效提升了使用效率。基于铒镱共掺光纤可在1μm波段和1.5μm波段同时提供增益的特点，分布反馈单频光纤激光器输出激光单频性好，不易跳模，线宽窄、输出波长可调谐等优点，突破性地在两个波段同时实现单频激光直接输出。基于光纤放大单元的高功率输出能力，最终输出的单频激光功率可达数百瓦。
整个系统除了非线性频率变换模块以外为全光纤结构，具有结构紧凑，效率高且不易受到环境干扰等优点，能够有效抵御外界环境温度和振动的影响，具有极佳的稳定性，且非线性频率变换也可在波导中进行，此时整个单频激光系统具有最佳抗干扰能力和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种双波长单频分布反馈光纤激光器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的第二波段单频激光信号的于π相移光栅形成的透射谱效果图；
图3为本发明实施例提供的第一波段单频激光信号的于1.5π相移光栅形成的透射谱效果图；
图4为本发明实施例提供的一种双波长单频分布反馈光纤激光器结构示意图；
图5为本发明实施例提供的双波长单频分布反馈光纤激光器的输出激光光谱实测图；
图6为本发明实施例一种双波长单频分布反馈光纤激光系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其中，包括：
一泵浦光源单元2，用以形成一泵浦2信号，进一步地，所述泵浦光信号波长范围为800nm～1080nm。
铒镱共掺光纤，预置有相移光栅1，铒镱共掺光纤用以接收一泵浦光信号，于所述泵浦光信号被传输至相移光栅处，所述相移光栅基于所述泵浦光信号于第一波段、第二波段形成一激光振荡并输出第一波段单频激光信号和第二波段单频激光信号，所述第一波段为 1.5-1.65um，所述第二波段为1-1.18um。
相移光栅是通过在光纤纤芯中引入折射率周期性调制的方式形成的，光栅所反射的波长由纤芯中折射率调制的周期和光纤的折射率决定，即满足λ＝2neffΛ(其中λ为激光波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ为纤芯中折射率调制的周期)的光通过光栅时便会被分布式反射，在相邻的折射率调制周期被反射的光的相位差为2π，可实现相干相长，当折射率调制周期足够多时便可实现对光的有效反射。
示意性地，当第一波段单频激光信号或第二波段单频激光信号在每M个调制周期间隔下的反射光相位差正好为2π的整数倍时，该波长同样可以得到反射，其中M为大于等于1的整数，M越大，相同光栅长度下该波长的光得到的反射越小。铒镱共掺光纤中相移光栅上的纤芯折射率调制周期匹配第一波段光信号时，相移光栅对第二波段光信号同样由反射作用，此时对于第二波段光来说，在每隔两个纤芯折射率调制周期反射的光的相位差为6π，可满足相干相长条件。相移光栅中产生的第一波段激光和第二波段激光的波长关系满足：λ1n1＝1.5*λ2n2，其中λ1为第一波段激光波长，n1为第一波段激光在光纤中的折射率，λ2为第二波段激光波长，n2为第二波段激光在光纤中的折射率，
相移光栅中引入一定的相移以形成具有一定宽度的透射峰，带来窄带滤波效应，当引入的相移为(2N+P)π，当N为大于等于0的整数、P取值1时，透射峰位于光栅反射谱的正中间；当N为大于等于0的整数，0<P<1时，透射峰为光栅反射谱的正中间的短波侧；当 N为大于等于0的整数，1<P<2时，透射峰为光栅反射谱的正中间的长波侧。
例如，当第一波段单频激光信号的相移为Xπ，且X≥0时，相移光栅第二波段单频激光信号的相移为1.5*Xπ。
当铒镱共掺的增益光纤其铒离子和镱离子的掺杂浓度足够大，泵浦光功率足够高，相移光纤布拉格光栅的长度和折射率调制深度足够大时便可以在光栅中对1um波段和1.5um波段同时实现增益大于损耗，再结合相移引入的滤波效应，便可在这两个波段同时实现单频激光输出。
如图2所示为第二波段单频激光信号(例如波长1560nm的激光信号)于π相移光栅形成的透射谱效果图，如图3所示，为第一波段单频激光信号于所述相移光栅形成的透射谱效果图，此时所述相移光栅在第二波段提供的相移为1.5π。
作为进一步优选实施方案，上述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其中，还包括隔离单元3，所述隔离单元由宽谱隔离器形成，或者由波分复用装置、第一隔离装置和第二隔离装置形成；
所述宽谱隔离器，设置于所述第一波段单频激光信号和/或所述第二波段单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述波分复用器输出的所述第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号并输出；或者，
波分复用装置，设置于所述第一波段单频激光信号和所述第二波段单频激光信号光路轨迹上，用于将两个单频激光信号分到两路光纤中；
第一隔离装置，设置于所述第一波段单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述第一波段单频激光信号并输出；
第二隔离装置，设置于所述第二波段单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述第二波段单频激光信号并输出。
其中，所述第一隔离装置和第二隔离装置均可由波分复用装置形成，例如第一隔离装置为1um的波分复用装置，第二隔离装置为 1.5um的波分复用装置。
如图4所示，作为进一步优选实施方案，上述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其中，还包括，
波分复用器4，设置于第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号输出光路轨迹上，用以将接收的光信号耦合至相移光栅，或者接收所述第一波段单频激光信号、第二波段单频激光信号和剩余泵浦光信号的混合信号，将两个单频激光信号与剩余泵浦光信号分到两路光纤中。
如图5所示，为双波长单频分布反馈光纤激光器的输出激光光谱实测图。
实施例二
如图6所示，本申请再提供一种高功率双波段光纤激光系统，其中，包括上述任一项所述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器20，还包括光纤放大单元21，连接所述双波长单频分布反馈光纤激光器的输出端，用以接收的所述第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号做放大处理。
作为进一步优选实施方案，所述光纤放大单元由光纤放大模块形成，光纤放大模块，连接双波长单频分布反馈光纤激光器的输出端，所述光纤放大模块用以对所述第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号做放大处理以形成第一单频激光放大信号和/或第二单频激光放大信号；所述光纤放大模块可以是基于铒镱共掺光纤的双波长光纤放大器，一个双波长光纤放大器中同时实现1μm和1.5μm 的单频激光放大。
优选地，上述的一种高功率双波段光纤激光系统，其中，所述光纤放大单元由第一光纤放大器、第二光纤放大器形成；
第一光纤放大器，用以接所第一波段单频激光信号，并对所述第一波段单频激光信号做放大处理以形成第一单频激光放大信号；
第二光纤放大器，用以接所第二波段单频激光信号，并对所述第二波段单频激光信号做放大处理以形成第二单频激光放大信号。
两路光纤放大器分别对1μm单频激光和1.5μm单频激光进行功率放大。
作为优选实施方案，上述的一种高功率双波段光纤激光系统，其中，还包括，
非线性频率变换模块22，连接所述光纤放大单元，用以接收所述第一单频激光放大信号和/或第二单频激光放大信号，并对所述第一单频激光放大信号和/或第二单频激光放大信号变换处理以形成所述第一单频激光变换放大信号和/或第二单频激光变换放大信号。其中，所述变换处理为N倍频、和频、差频、先和频后N倍频中至少一种。
所述非线性频率变换模块可以将输入的两个不同波长的单频激光分别独立进行非线性频率变换，也可以相互作用进行非线性频率变换，旨在形成预定波段的激光信号。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其特征在于，包括：
一泵浦光源单元，用以形成一泵浦光信号。
铒镱共掺光纤，预置有带相移的光纤布拉格光栅，可提供分布反馈，为相移光栅，铒镱共掺光纤用以接收一泵浦光信号，于所述泵浦光信号被传输至相移光栅处，所述相移光栅基于所述泵浦光信号于第一波段、第二波段形成激光振荡并输出第一波段单频激光信号和第二波段单频激光信号。
2.根据权利要求1所述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其特征在于，所述光信号波长范围为800nm～1080nm。
3.根据权利要求1所述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其特征在于，所述第一波段为1.5-1.65um，所述第二波段为1-1.18um。
4.根据权利要求1所述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其特征在于，还包括隔离单元，所述隔离单元由宽谱隔离器形成，或者由波分复用装置、第一隔离装置和第二隔离装置形成；
所述宽谱隔离器，设置于所述第一波段单频激光信号和/或所述第二波段单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述波分复用器输出的所述第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号并输出；或者，
波分复用装置，设置于所述第一波段单频激光信号和所述第二波段单频激光信号光路轨迹上，用于将两个单频激光信号分到两路光纤中；
第一隔离装置，设置于所述第一波段单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述第一波段单频激光信号并输出；
第二隔离装置，设置于所述第二波段单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述第二波段单频激光信号并输出。
5.根据权利要求1所述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，其特征在于，还包括，
波分复用器，设置于第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号输出光路轨迹上，用以将接收的所述泵浦光信号耦合至相移光栅，或者接收所述第一波段单频激光信号、第二波段单频激光信号和剩余泵浦光信号的混合信号，将两个单频激光信号与剩余泵浦光信号分到两路光纤中。
6.一种高功率双波段光纤激光系统，其特征在于，包括权利要求1～5任一项所述的一种双波长单频分布反馈光纤激光器，还包括光纤放大单元，连接所述双波长单频分布反馈光纤激光器的输出端，用以接收所述第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号做放大处理。
7.根据权利要求6所述的一种高功率双波段光纤激光系统，其特征在于，所述光纤放大单元由光纤放大模块形成，光纤放大模块，连接双波长单频分布反馈光纤激光器的输出端，所述光纤放大模块用以对所述第一波段单频激光信号和/或第二波段单频激光信号做放大处理以形成第一单频激光放大信号和/或第二单频激光放大信号。
8.根据权利要求6所述的一种高功率双波段光纤激光系统，其特征在于，所述光纤放大单元由第一光纤放大器、第二光纤放大器形成；
第一光纤放大器，用以接收第一波段单频激光信号，并对所述第一波段单频激光信号做放大处理以形成第一单频激光放大信号；
第二光纤放大器，用以接收第二波段单频激光信号，并对所述第二波段单频激光信号做放大处理以形成第二单频激光放大信号。
9.根据权利要求6所述的一种高功率双波段光纤激光系统，其特征在于，还包括，
非线性频率变换模块，连接所述光纤放大单元，用以接收所述第一单频激光放大信号和/或第二单频激光放大信号，并对所述第一单频激光放大信号和/或第二单频激光放大信号变换处理以形成所述第一单频激光变换放大信号和/或第二单频激光变换放大信号。
10.根据权利要求9所述的一种高功率双波段光纤激光系统，其特征在于，所述变换处理为N倍频、和频、差频、先和频后N倍频中至少一种。
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