CN114204387A - 一种宽带可调谐中红外光纤随机激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，包括泵浦源、光纤环镜、合束器、中红外增益光纤和反馈增强光纤组件，所述泵浦源、所述合束器、所述中红外增益光纤和所述反馈增强光纤组件依次连接；所述光纤环镜与所述合束器连接，用于为中红外随机激光的产生提供点式反馈和波长选择；所述反馈增强光纤组件用于提供随机分布式光学反馈。本申请中公开的宽带可调谐中红外光纤随机激光器通过设置反馈增强光纤组件来增加激光经过中红外增益光纤时的随机光学反馈，减少采用长光纤结构中中红外光波的传输损耗，有利于产生稳定输出的中红外光纤随机激光。

Description

一种宽带可调谐中红外光纤随机激光器

技术领域

本发明涉及光纤随机激光器技术领域，特别是涉及一种宽带可调谐中红外光纤随机激光器。

背景技术

目前，光纤激光器的应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业、制造业、激光雕刻等等，在传统的光纤激光器的基础上光纤随机激光器是研发人员研发的新型产品，光纤随机激光器有异于传统光纤激光器，无需任何谐振腔，被认为是光纤激光器领域的一大突破。另外，由于在国防、医疗、工业以及科研工作等领域的重要应用，中红外波段激光已成为国内外激光技术领域的研究热点之一，中红外激光对应大气传输透明窗口，并覆盖众多分子吸收峰，在军事、医疗、遥感、光谱学等领域具有重要应用；所以，利用光纤激光器产生中红外激光自然成为具有未来市场前景的研究方向，中红外光纤激光器作为一种特殊的固态激光器，具有光束质量好、效率高、结构紧凑等优势。

但是，现有的光纤随机激光器多为近红外波段光纤随机激光器，而少有中红外波段光纤随机激光器，因为在现有的硅基光纤中红外光波存在极高的传输损耗，随机激射阈值较高，以及随机散射反馈不充分带来的时域非连续波运转等问题，导致光纤随机激光器无法产生时域稳定的中红外随机激光。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种宽带可调谐中红外光纤随机激光器，旨在解决中红外光波在光纤中传输时的缺陷导致中红外光纤随机激光器无法产生稳定的中红外随机激光的问题。

本发明的技术方案如下：

一种宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，包括泵浦源、光纤环镜、合束器、中红外增益光纤和反馈增强光纤组件，所述泵浦源、所述合束器、所述中红外增益光纤和所述反馈增强光纤组件依次连接；所述光纤环镜与所述合束器连接，用于为中红外随机激光的产生提供点式反馈和波长选择；所述反馈增强光纤组件用于提供随机分布式光学反馈。

所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，所述反馈增强光纤组件包括无源光纤和散射反馈增强结构；所述散射反馈增强结构包括多个微结构光栅，多个所述微结构光栅间隔分布在所述无源光纤上。

所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，所述无源光纤包括包层和纤芯，所述微结构光栅设置在所述纤芯上，所述包层包裹在所述纤芯和所述微结构光栅上。

所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，所述微结构光栅通过紫外曝光技术或者飞秒激光技术写入至所述纤芯上。

所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，所述无源光纤的长度小于或等于5米，所述微结构光栅的数量大于或者等于1000个；和/或，所述微结构光栅随机分布在所述无源光纤上，且相邻两个所述微结构光栅之间的间距为2至8毫米。

所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，所述散射反馈增强结构设于所述无源光纤背离所述中红外增益光纤的一端。

所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，所述光纤环镜包括光纤耦合器和波长可调谐带通滤波器，所述光纤耦合器一端与所述合束器连接，另一端与所述波长可调谐带通滤波器连接，所述波长可调谐带通滤波器用于调节随机激光的宽带波长，以及提供点式反馈。

所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，所述光纤耦合器的分光比为50:50。

所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，所述光纤耦合器上设有一个第一出射端口和两个第二出射端口，所述第一出射端口与所述合束器对接；两个所述第二出射端口分别与所述波长可调谐带通滤波器的入射端和出射端对接。

所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，所述泵浦源为半导体激光泵浦源；和/或，所述中红外增益光纤为掺铥光纤或者掺钬光纤中的一种。

与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：

本申请中公开的宽带可调谐中红外光纤随机激光器在中红外增益光纤上连接反馈增强光纤组件来增加激光的随机光学反馈，工作过程中，泵浦源产生预设波长的连续泵浦光，进入合束器，再进入中红外增益光纤，中红外增益光纤获得泵浦产生的2微米波段的中红外增益信号，并注入到反馈增强光纤组件中，通过光纤环镜和反馈增强光纤组件之间充分的随机光学散射反馈使宽带可调谐中红外光纤随机激光器的出光端输出高效的中红外随机激光，缩短宽带可调谐中红外光纤随机激光器的总体长度，从而减少中红外光波的传输损耗，有利于产生稳定输出的中红外随机激光。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中宽带可调谐中红外光纤随机激光器的结构示意图；

图2为本发明中反馈增强光纤组件的结构示意图。

其中，100、泵浦源；200、光纤环镜；210、光纤耦合器；220、波长可调谐带通滤波器；300、合束器；400、中红外增益光纤；500、反馈增强光纤组件；510、无源光纤；511、包层；512、纤芯；520、散射反馈增强结构；521、微结构光栅。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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。

现有技术中，近红外波段光纤随机激光器的工作通常是利用单模光纤中随机瑞利散射提供光学反馈，瑞利散射是一种光学现象，属于散射的一种情况，又称“分子散射”；当气体粒子尺度远小于入射光波长时(小于波长的十分之一)，其各方向上的散射光强度是不一样的，这种现象称为瑞利散射。瑞利散射能力与光波波长的四次方成反比，波长愈短的电磁波，散射愈强烈，中红外光波由于其长波长特性，其瑞利散射系数相较于近红外光波较小，所以导致中红外光在传统的光学随机激光器中产生的随机散射反馈不充分，在硅基单模光纤中具有极高的传输损耗，所以传统的光纤随机激光器无法产生稳定的中红外随机激光。

如图1所示，本发明申请的一实施例中，公开了一种宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，包括泵浦源100、光纤环镜200、合束器300、中红外增益光纤400和反馈增强光纤组件500，所述泵浦源100、所述合束器300、所述中红外增益光纤400和所述反馈增强光纤组件500依次连接；所述光纤环镜200与所述合束器300连接，用于为中红外随机激光的产生提供点式反馈和波长选择；所述反馈增强光纤组件500用于提供随机分布式光学反馈。

本申请中公开的宽带可调谐中红外光纤随机激光器在中红外增益光纤400上连接反馈增强光纤组件500来增加激光的随机光学反馈，工作过程中，泵浦源100产生预设波长的连续泵浦光，进入合束器300，再进入中红外增益光纤400，中红外增益光纤400获得泵浦产生的2微米波段的中红外增益信号，并注入到反馈增强光纤组件500中，通过光纤环镜200和反馈增强光纤组件500之间充分的随机光学散射反馈使宽带可调谐中红外光纤随机激光器的出光端输出高效的中红外随机激光，缩短宽带可调谐中红外光纤随机激光器的总体长度，从而减少中红外光波的传输损耗，有利于产生稳定输出的中红外随机激光。

具体的，作为本实施例的一种实现方式，公开了所述泵浦源100为半导体激光泵浦源100；所述中红外增益光纤400为掺铥光纤或者掺钬光纤中的一种。

具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述光纤环镜200包括光纤耦合器210和波长可调谐带通滤波器220，本实施例中可采用分光比为50:50的光纤耦合器210，所述光纤耦合器210一端与所述合束器300连接，另一端与所述波长可调谐带通滤波器220连接，所述波长可调谐带通滤波器220用于调节随机激光的宽带波长，以及提供点式反馈。产生激光的过程中，激光经过可调谐带通滤波器滤波之后再进入中红外增益光纤400，使得产生的激光的宽带波长得以调节，并且增加了随机激光的点式反馈；也就是说，通过在光纤耦合器210上对接波长可调谐带通滤波器220，同时配合反馈增强光纤组件500，实现了产生宽带波长可调谐的中红外随机激光。

具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述光纤耦合器210上设有一个第一出射端口(附图中未示出)和两个第二出射端口(附图中未示出)，所述第一出射端口与所述合束器300对接；两个所述第二出射端口分别与所述波长可调谐带通滤波器220的入射端和出射端对接。

如图2所示，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述反馈增强光纤组件500包括无源光纤510和散射反馈增强结构520；所述散射反馈增强结构520包括多个微结构光栅521，多个所述微结构光栅521间隔分布在所述无源光纤510上。在无源光纤510中写入多个微结构光栅521之后，传输到无源光纤510内的中红外激光通过微结构光栅521时增加光学反馈，从而使中红外光波在传输的时候不在具有时域非连续波运转的缺陷，可以稳定地输出连续波，从而提高中红外激光的输出稳定性，提高激光射出的功率和效率。

具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述无源光纤510包括包层511和纤芯512，所述微结构光栅521设置在所述纤芯512上，所述包层511包裹在所述纤芯512和所述微结构光栅521上。纤芯512用于传输中红外波段的激光，所以将微结构光栅521设置在纤芯512上，垂直于纤芯512的轴向方向间隔排列，使得纤芯512中通过的激光都需要穿过微结构光栅521才能射出，增加了所有激光的光学反馈。

具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述微结构光栅521通过紫外曝光技术或者飞秒激光技术写入至所述纤芯512上。通过紫外曝光技术或者飞秒激光技术对纤芯512进行处理，使纤芯512的局部折射率突变形成微结构光栅521，定位准确，操作方便，方便形成间距较小的多个微结构光栅521。

具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述无源光纤510的长度小于或等于5米，所述微结构光栅521的数量大于或者等于1000个；多个所述微结构光栅521采用随机分布的方式设置在所述纤芯512上，相邻两个所述微结构光栅521之间的间距为2至8毫米。首先，因为设置多个微结构光栅521后增加了无源光纤510上对激光的光学反馈效果，所以相较于没有设置微结构光栅521的无源光纤510，本实施例中公开的无源光纤510的长度只需要设置5米或者5米以下，相比仅采用瑞利散射的光学反馈机制，该结构极大降低获得足够随机光学反馈所需的无源光纤510的长度，从而降低中红外光的传输损耗，并缩短宽带可调谐中红外光纤随机激光器的整体长度。

其次，无源光纤510上的激光光学反馈强度由微结构光栅521的分布密度决定，根据实际制造时无源光纤510的长度，单个微结构光栅521的反射率和插入损耗调整微结构光栅521的总数量，进而平衡散射反馈增强结构520整体的散射反馈功率；微结构光栅521的数量不宜太少，容易导致光栅排布的随机性不足，不利于获得稳定输出的中红外随机激光；当然微结构光栅521的数量也不宜太多，太多会增加中红外增益光纤400上的插入损耗，可能降低宽带可调谐中红外光纤随机激光器在输出端的输出功率。

再其次，相对于等间距的分布，随机分布的微结构光栅521可以实现在无源光纤510内充分地完成随机光学反馈，具备宽带反馈特性，从而使得经过无源光纤510的中红外激光可以更好地避免时域非连续性的问题，增加中红外激光射出的随机性；通过波长可调谐带通滤波器220与多个微结构光栅521的组合实现增益带宽内可产生任意波长的中红外光纤随机激光，同时，获得足够的随机散射反馈累积后，克服产生中红外光波的时域间隔的问题，降低宽带可调谐中红外光纤随机激光器整体的传输损耗。

具体的，作为本实施例的另一种实现方式，公开了泵浦源100为半导体激光泵浦源100，与合束器300的泵浦段对接；光纤耦合器210的分光比为50:50，双口端连接波长可调谐带通滤波器220，单口端则与合束器300的信号段连接；另外，合束器300的公共端连接双包层511掺铥光纤，在双包层511掺铥光纤远离合束器300的一端设置多个随机分布的微结构光栅521，选用双包层511掺铥光纤的长度为5米，设置1000个微结构光栅521，相邻微结构光栅521的间隔在2至8毫米的范围内随机选择，每个微结构光栅521提供0.01％的反射率，由于光子局域化及相干增强效应，使多个微结构光栅521组成的散射反馈增强结构520整体可以提供约50％左右的光反馈，相较于同等长度的传统单模光纤中的瑞利散射反馈强度，具有明显提升。本实施方式中的波长可调谐带通滤波器220可以调谐带宽，从而使中红外增益光纤400可以输出得到2微米波段的中红外随机激光，经过散射反馈增强结构520的时候对2微米波段激光提供宽谱反馈，从而降低中红外随机激光传输过程中的损耗，有利于提高激光器的输出功率和工作效率。

如图1所示，作为本实施例的另一种实现方式，公开了所述散射反馈增强结构520设于所述无源光纤510背离所述中红外增益光纤400的一端。将散射反馈增强结构520设置在无源光纤510的输出端，使激光经过散射反馈增强结构520增强反馈之后立即从输出端输出，避免在无源光纤510中传输更远的距离，减少不必要的传输损耗。

综上所述，本申请公开了一种宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其中，包括泵浦源100、光纤环镜200、合束器300、中红外增益光纤400和反馈增强光纤组件500，所述泵浦源100、所述合束器300、所述中红外增益光纤400和所述反馈增强光纤组件500依次连接；所述光纤环镜200与所述合束器300连接，用于为中红外随机激光的产生提供点式反馈和波长选择；所述反馈增强光纤组件500用于提供随机分布式光学反馈。本申请中公开的宽带可调谐中红外光纤随机激光器在中红外增益光纤400上连接反馈增强光纤组件500来增加激光的随机光学反馈，工作过程中，泵浦源100产生预设波长的连续泵浦光，进入合束器300，再进入中红外增益光纤400，中红外增益光纤400获得泵浦产生的2微米波段的中红外增益信号，并注入到反馈增强光纤组件500中，通过光纤环镜200和反馈增强光纤组件500之间充分的随机光学散射反馈使宽带可调谐中红外光纤随机激光器的出光端输出高效的中红外随机激光，缩短宽带可调谐中红外光纤随机激光器的总体长度，从而减少中红外光波的传输损耗，有利于产生稳定输出的中红外随机激光。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

需要说明的是，本发明以中红外光纤随机激光器为例对本发明的具体结构及工作原理进行介绍，但本发明的应用并不以中红外光纤随机激光器为限，也可以应用到其它类似工件的生产和使用中。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，包括泵浦源、光纤环镜、合束器、中红外增益光纤和反馈增强光纤组件，所述泵浦源、所述合束器、所述中红外增益光纤和所述反馈增强光纤组件依次连接；所述光纤环镜与所述合束器连接，用于为中红外随机激光的产生提供点式反馈和波长选择；

其中，所述反馈增强光纤组件用于提供随机分布式光学反馈。

2.根据权利要求1所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，所述反馈增强光纤组件包括无源光纤和散射反馈增强结构；所述散射反馈增强结构包括多个微结构光栅，多个所述微结构光栅间隔分布在所述无源光纤上。

3.根据权利要求2所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，所述无源光纤包括包层和纤芯，所述微结构光栅设置在所述纤芯上，所述包层包裹在所述纤芯和所述微结构光栅上。

4.根据权利要求3所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，所述微结构光栅通过紫外曝光技术或者飞秒激光技术写入至所述纤芯上。

5.根据权利要求2所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，所述无源光纤的长度小于或等于5米，所述微结构光栅的数量大于或者等于1000个；和/或，

所述微结构光栅随机分布在所述无源光纤上，且相邻两个所述微结构光栅之间的间距为2至8毫米。

6.根据权利要求2所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，所述散射反馈增强结构设于所述无源光纤背离所述中红外增益光纤的一端。

7.根据权利要求1所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，所述光纤环镜包括光纤耦合器和波长可调谐带通滤波器，所述光纤耦合器一端与所述合束器连接，另一端与所述波长可调谐带通滤波器连接，所述波长可调谐带通滤波器用于调节随机激光的宽带波长，以及提供点式反馈。

8.根据权利要求7所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，所述光纤耦合器的分光比为50:50。

9.根据权利要求7所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，所述光纤耦合器上设有一个第一出射端口和两个第二出射端口，所述第一出射端口与所述合束器对接；两个所述第二出射端口分别与所述波长可调谐带通滤波器的入射端和出射端对接。

10.根据权利要求1所述的宽带可调谐中红外光纤随机激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光泵浦源；和/或，

所述中红外增益光纤为掺铥光纤或者掺钬光纤中的一种。

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