CN114284845A - 一种单频分布反馈光纤单元激光装置及其波长调谐方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单频分布反馈光纤单元激光装置及其波长调谐方法，其中一种单频分布反馈光纤单元激光装置，包括单频分布反馈光纤单元，所述单频分布反馈光纤单元包含一光栅区域；调谐单元，设置于所述光栅区域，所述调谐单元工作的状态下，所述调谐单元控制所述光栅区域的工作状态以调整输出激光信号波长。本发明通过控制调谐单元来实现改变单频分布反馈光纤单元激光装置中光栅区域中的相移单元大小，以便于调谐单元控制所述光栅区域的工作状态以调整输出激光信号波长。该方法未引入如可调谐滤波器的额外调制器件，使得可调谐激光装置结构紧凑，而且无需对整个激光器进行控制或调制。解决了现有技术中的需要添加可调谐滤波器件和控制或调制区域大的缺点，同时本发明的技术操作起来十分简单，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种单频分布反馈光纤单元激光装置及其波长调谐方法。
背景技术
可调谐单频光纤激光装置是一种具有重大研究和应用价值的激光光源，它凭借其波长可调谐且单频激光相干性好、光谱纯度高和线宽窄等优点在冷原子物理、光纤传感、激光探测、激光雷达、高精度光谱技术等领域有着广泛的应用需求。单频激光装置是指能实现单纵模激光输出的激光装置。一般在光纤激光装置、半导体激光装置和固体激光装置中都可以实现单频激光输出，其中单频光纤激光装置因具有输出激光线宽窄，可达kHz量级，结构紧凑和抗环境干扰能力强等优点而受到了广泛应用。在众多类型的单频光纤激光装置中，分布反馈光纤激光装置采用直接将光纤布拉格光栅写在增益光纤上的技术，可以在极短的长度下实现激光输出，再通过在光栅中引入相移的方式实现滤波，最终实现稳定高效的单频激光输出，具有不易跳模、稳定性好等优点。
目前现有技术中的可调谐单频光纤激光装置，一般以往实现波长调谐通常为在激光腔内加入可调谐滤波器件，或对整个激光器进行温度控制或拉伸实现，但这不仅增大激光装置系统的复杂性，而且由于腔结构参数也随之变化，常伴随激光功率和噪声等参数的变化，给数据分析带来干扰。同时也增大成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在实现波长调谐时的缺点，而提出的一种单频分布反馈光纤单元激光装置及其波长调谐方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种单频分布反馈光纤单元激光装置，包括：单频分布反馈光纤单元，所述单频分布反馈光纤单元包含一光栅区域，所述光栅区域中包含相移区；
调谐单元，设置于所述光栅区域所对应的相移区，所述调谐单元于外部控制信号的作用下调整所述调谐单元当前的控制状态，所述相移区于所述调谐单元作用下形成不同的激光信号波长输出。
可选的，所述调谐单元由至少一个温控装置形成，所述温控装置与所述光栅区域中的相移单元匹配，所述温控装置的控制端接收外部控制信号。
可选的，所述温控装置为微型半导体制冷片或微型加热片。
可选的，所述调谐单元还包括基板，所述基板的一侧与所述光栅区域中的相移单元固定连接，于所述基板的另一侧连接一温控装置。
可选的，所述调谐单元由压电陶瓷单元形成，所述压电陶瓷单元与所述光栅区域中的相移单元固定连接。
可选的，所述光栅区域为折射率周期性调制形成的布拉格光栅。
一种基于单频分布反馈光纤单元激光装置的激光调谐方法，采用上述中所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置的单频反馈式光纤，所述光栅区域包含至少一个相移单元，所述相移单元与所述调谐单元相连；于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，通过所述调谐单元对所述相移单元的折射率和/或相移状态处理，根据所述基础激光信号形成预定的激光信号输出。
可选的，所述调谐单元为压电陶瓷、或为温控装置、或为温控组件与基板的组合。
可选的，于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，对所述相移单元的折射率和/或相移状态处理，根据所述基础激光信号形成预定的激光信号输出具体包括：于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，对所述调谐单元中的压电陶瓷上的相移单元施加电压处理以形成所述预定激光信号输出。
可选的，于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，对所述相移单元的折射率和/或相移状态处理，根据所述基础激光信号形成预定的激光信号输出具体包括：于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，对所述调谐单元中的温控装置和/或基板上的相移单元加热处理处理以形成所述预定激光信号输出。
本发明的有益效果为：
本发明通过控制调谐单元来实现改变单频分布反馈光纤单元激光装置中光栅区域中的相移单元大小，以便于调谐单元控制所述光栅区域的工作状态以调整输出激光信号波长。该方法未引入如可调谐滤波器的额外调制器件，也无需对整个激光器进行温度控制或拉伸，使得可调谐激光装置结构紧凑。解决了现有技术中的需要添加可调谐滤波器件或需要对整个激光器进行温度控制或拉伸的缺点，同时本发明的技术操作起来十分简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明在实施例一中所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置的波长调谐方法的示意图；
图2为本发明在实施例一中1560nm分布反馈光纤激光装置在不同总相移下的波长调谐情况效果图；
图3为本发明在实施例二中所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置的波长调谐方法的示意图；
图4为本发明在实施例三中所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置的波长调谐方法的示意图。
图中标记如下所示：
1、光栅区域；2、相移单元；3、温控装置；4、基板；5、压电陶瓷。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
参照图1，本发明所提供的一种单频分布反馈光纤单元激光装置，基于当在光栅区域1中的引入相移单元2形成相移光纤布拉格光栅，便可以在光栅区域1中引入一个具有一定宽度的透射峰，带来窄带滤波效应，此时在由写在增益光纤上的相移光纤布拉格光栅形成的光纤激光装置便可以实现单频激光输出，输出激光的波长即为相移区域的透射峰的中心波长。位于光栅的不同位置，当引入的相移单元2中累计的相移和为(2N+1)π，其中N为大于等于0的整数时，透射峰位于光栅区域1反射谱的正中间；当引入的累计相移和为(2N+P)π，其中N为大于等于0的整数，0<P<1时，透射峰为光栅1反射谱的正中间的短波侧；当引入的累计相移和为(2N+P)π，其中N为大于等于0的整数，1<P<2时，透射峰为光栅区域1反射谱的正中间的长波侧。所以在保持光栅区域1整体稳定的前提下通过改变光栅区域1中的相移单元2大小便可以实现透射峰位置的调节，从而实现单频激光波长的调谐。如图1所示，从左到右分别为光栅1内引入的相移单元2为0.5π、π和1.5π时光栅区域1反射谱的效果图，反射谱中间的凹陷即为光栅区域1中引入相移单元2所形成的透射峰。基于上述原理，通过调节写在增益光纤上的光栅区域1中的相移单元2大小便可以实现输出的单频激光波长的调谐。
具体的，本发明基于上述原理，所提供的激光装置包括：单频分布反馈光纤单元，所述单频分布反馈光纤单元包含一光栅区域1；调谐单元，设置于所述光栅区域1，所述调谐单元工作的状态下，所述调谐单元控制所述光栅区域1的工作状态以调整输出激光信号波长。所述光栅区域1为折射率周期性调制形成的布拉格光栅。本实施例中，通过在光纤纤芯里引入折射率周期性调制形成的布拉格光栅，同时，在所述布拉格光栅中引入至少一个相移区域形成相移光纤布拉格光栅，让所述相移光纤布拉格光栅具有一定宽度的透射峰，也即在所述光栅区域1中形成相移单元2。为了保证了相移单元2的激光输出效果，将引入有多个相移单元2的布拉格光栅中写入增益光纤，同时将相移单元2与调谐单元相连接，以便于所述调谐单元控制所述相移单元2中的相移区域大小，实现对不同波长的激光进行调谐。具体的，所述增益光纤可以是稀土元素提供增益的增益光纤，掺杂元素有掺杂有镱、铒、铥、钬、铋、钕等；也可以是由拉曼散射，布里渊散射，光参量过程等非线性效应提供增益的高非线性光纤。
如图2所示，通过技术方案，根据相移光纤布拉格光栅的传输矩阵法计算得到的1560nm分布反馈光纤激光装置在不同总相移下的波长调谐情况效果图。当总相移为π时，单频激光的波长为1560.00nm，当相移单元的相移距离小于π时，激光波长向短波方向调谐，当相移单元的相移距离大于π时，激光波长向长波方向调谐。当相移单元的相移距离在0.1π至1.9π变化时，可以实现波长调谐范围总共约0.18nm。
在本实施例中，所述光栅区域1中的相移单元2设置为一个或一个以上，且所述相移单元2均与所述调谐单元相连，以便于所述调谐单元控制所述相移单元2中的相移大小，实现对激光波长的调谐。
在本实施例中，所述调谐单元由至少一个温控装置3形成，所述温控装置3与所述光栅区域1中的相移单元2相互匹配，以便于温控装置3对相移单元2进行影响。本实施例中，优选的，所述调谐单元为温控装置33，所述温控装置33为微型半导体制冷片或微型加热片。通过温控装置33中的微型半导体制冷片或者微型加热片作用，可以通过温控装置33精确控温，使得调节写在增益光纤上的光栅区域1中的相移单元2大小，从而直接让光栅区域1中的相移单元2直接受热或受冷发生相移单元2的相移大小变化，从而控制实现的温度调谐带宽，从而实现单频激光波长调谐。
实施例二
参阅图3，本实施例中，所述调谐单元包括温控装置3和基板4，所述光栅区域1中的相移单元2位于所述基板4一侧，所述基板4的另一侧连接一温控装置3。通过基板4受热或受冷，通过调节基板4温度来改变基板44长度，同时拉伸光栅区域1的相移单元2，进而实现光栅区域1中相移单元2中相移大小的变化，实现单频激光波长的调谐。当采用的基板4材料的热膨胀系数较大时可以实现在相同温度调节范围下比上述单纯的温度调谐更大的波长调节范围。而当采用温度补偿的基板4对相移单元2进行封装，即用不同材质组合制作基板4，使得基板4的热膨胀性质正好可以补偿光纤中由于温度变化导致的形变和折射率变化时，可以让激光波长具有更佳的稳定性。也即调节写在增益光纤上的光栅区域1中的相移单元2的相移大小，可以将光栅区域1中相移单元2所在区域固定在具有较高热膨胀系数的基板4上，即对相移单元2进行封装。在本实施例中，通过温控装置3对基板4进行精确控温，基板4受热或受冷而热胀冷缩，继而控制在基板4上的增益光纤中的光栅区域1中的相移单元2相移大小，实现精确控温，以达到对相移单元2的相移大小进行精确控制。
在本实施例中，所述基板4的材质可以选用热胀冷缩系数高的材料，以便于更好的实现通过基板4的热胀冷缩来达到控制相移大小的精确控制。
实施例三
本实施例中，所述调谐单元由压电陶瓷5单元形成，所述压电陶瓷5单元与所述光栅区域1中的相移单元2固定连接。在本实施例中，通过设置压电陶瓷5单元，利用压电陶瓷5单元上的正压电效应，调节写在增益光纤上的光栅区域1中的相移单元2大小，可以通过调节光栅区域1中相移单元2所在区域固定在压电陶瓷5单元上，利用压电陶瓷5长度随所加电压变化而变化的特点来拉伸光栅区域1实现相移单元2相移大小的变化，从而实现单频激光波长的调谐。同样由于光栅区域1中相移单元2的长度较小，所以仅采用拉伸长度较小的压电陶瓷5单元便可以实现较大的相移单元2相移变化，从而可以突破压电陶瓷5单元电容大小的限制实现更大带宽的单频激光波长调谐。
一种基于单频分布反馈光纤单元激光装置的激光调谐方法，采用上述中所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置的单频反馈式光纤，所述光栅区域1包含至少一个相移单元2，所述相移单元2与所述调谐单元相连；于所述相移单元2接收有基础激光信号的状态下，通过所述调谐单元对所述相移单元2的折射率和/或相移状态处理，根据所述基础激光信号形成预定的激光信号输出。
参照图2-4，所述调谐单元为压电陶瓷5单元、或为温控装置3、或为温控组件与基板4的组合。其中，所述调谐单元为三种情况下的单一呈现，也即所述调谐单元为压电陶瓷5、或为温控装置3、或为温控组件与基板4这三种组合的单一使用。
基于实施例三中的调谐单元，也即调谐单元为压电陶瓷5。所述相移单元2接收有基础激光信号的状态下，对所述相移单元2的折射率和/或相移状态处理，根据所述基础激光信号形成预定的激光信号输出具体包括：于所述相移单元2接收有基础激光信号的状态下，对所述调谐单元中的压电陶瓷5上的相移单元2施加电压处理以形成所述预定激光信号输出。
基于实施例一和实施例二中的调谐单元，也即调谐单元为温控装置3和/或基板4。于所述相移单元2接收有基础激光信号的状态下，对所述相移单元2的折射率和/或相移状态处理，根据所述基础激光信号形成预定的激光信号输出具体包括：于所述相移单元2接收有基础激光信号的状态下，对所述调谐单元中的温控装置3和/或基板4上的相移单元2加热处理处理以形成所述预定激光信号输出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单频分布反馈光纤单元激光装置，其特征在于，包括：
单频分布反馈光纤单元，所述单频分布反馈光纤单元包含一光栅区域，所述光栅区域中包含相移区；
调谐单元，设置于所述光栅区域所对应的相移区，所述调谐单元于外部控制信号的作用下调整所述调谐单元当前的控制状态，所述相移区于所述调谐单元作用下形成不同的激光信号波长输出。
2.根据权利要求1所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置，其特征在于，所述调谐单元由至少一个温控装置形成，所述温控装置与所述光栅区域中的相移单元匹配，所述温控装置的控制端接收外部控制信号。
3.根据权利要求2所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置，其特征在于，所述温控装置为微型半导体制冷片或微型加热片。
4.根据权利要求1或2中所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置，其特征在于，所述调谐单元还包括基板，所述基板的一侧与所述光栅区域中的相移单元固定连接，于所述基板的另一侧连接一温控装置。
5.根据权利要求1所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置，其特征在于，所述调谐单元由压电陶瓷单元形成，所述压电陶瓷单元与所述光栅区域中的相移单元固定连接。
6.根据权利要求1中任一项所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置，其特征在于，所述光栅区域为折射率周期性调制形成的布拉格光栅。
7.一种基于单频分布反馈光纤单元激光装置的激光调谐方法，采用权利要求6中所述的一种单频分布反馈光纤单元激光装置的单频反馈式光纤，其特征在于，
所述光栅区域包含至少一个相移单元，所述相移单元与所述调谐单元相连；
于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，通过所述调谐单元对所述相移单元的折射率和/或相移状态处理；
根据所述基础激光信号形成预定的激光信号输出。
8.根据权利要求7所述的一种基于单频分布反馈光纤单元激光装置的激光调谐方法，其特征在于，所述调谐单元为压电陶瓷、或为温控装置、或为温控组件与基板的组合。
9.根据权利要求8所述的一种基于单频分布反馈光纤单元激光装置的激光调谐方法，其特征在于，于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，对所述相移单元的折射率和/或相移状态处理，根据所述基础激光信号形成预定的激光信号输出具体包括：
于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，对所述调谐单元中的压电陶瓷上的相移单元施加电压处理以形成所述预定激光信号输出。
10.根据权利要求8所述的一种基于单频分布反馈光纤单元激光装置的激光调谐方法，其特征在于：于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，对所述相移单元的折射率和/或相移状态处理，根据所述基础激光信号形成预定的激光信号输出具体包括：
于所述相移单元接收有基础激光信号的状态下，对所述调谐单元中的温控装置和/或基板上的相移单元加热处理处理以形成所述预定激光信号输出。
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