CN114300920A - 一种基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器 - Google Patents

一种基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器，属于光纤激光器技术领域，包括泵浦光源、反射端镜、波分复用器、拉曼增益光纤和输出端镜，所述输出端镜为超低反射率的光纤布拉格光栅；所述反射端镜连接于所述波分复用器的反射端；所述泵浦光源连接于所述波分复用器的输入端；所述拉曼增益光纤的一端连接于所述波分复用器的公共端；所述拉曼增益光纤的另一端连接于所述超低反射率的光纤布拉格光栅。本发明的激光器能够降低激光在反射端镜处的损耗，提高了激光的转化效率和输出功率；同时具有高的时域稳定性及极低的相干性。并且结构简单，性能优越，能够扩展激光器在工业加工、通信、传感、照明、雷达等方面的应用。

Description

一种基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器。
背景技术
光纤激光器具有方向性好，效率高，结构紧凑，便于热管理，光束质量好等优点，因此目前被广泛应用于光纤通信，光传感，工业加工，激光雷达等诸多领域。相较于稀土掺杂的光纤激光器只能够工作在某些特定的波长窗口，拉曼光纤激光器仅通过改变泵浦波长便能够实现在整个光纤的透明窗口均产生激光输出，并且同时具有自发背景噪声低、无光子暗化等优点。
目前，实现拉曼光纤激光器按照在激光输出端的反馈类型主要分为两类：
(1)输出端镜采用反射率约为10％的低反光栅提供反馈，通过和拉曼增益光纤另一端的高反光栅构成法布里-珀罗谐振腔结构。这类拉曼光纤激光器的优势在于低阈值，窄带光谱，以及高的光学信噪比。然而，由于激光腔中背向传输的激光在传播过程中会发生展宽，那么背向传输的激光就可能从高反光栅的反射谱的带外泄露。这种光谱泄露可能会影响泵浦光源的运转，严重时甚至损坏泵浦光源。光谱泄露也同样会造成高反光栅的有效反射率大大降低，进而使得激光的转化效率下降，并限制这类高功率的拉曼光纤激光器的功率提升。虽然可以采用更大宽带的高反光栅缓解光谱泄露，然而能够承受高功率的宽带高反光栅难以实现较高的反射率。总之，在高功率下确保高的有效反射率的高反光栅是这一方案的高功率的拉曼光纤激光器面临的主要困难。此外，目前尚未报道在这类拉曼光纤激光器中实现低相对强度噪声的高功率激光。
(2)输出端镜采用瑞利散射提供分布式的随机反馈，这类高功率的拉曼光纤激光器通常称为光纤随机拉曼激光器，为提高效率和方向性以及降低阈值，这类激光器通常采用半开放腔的结构，即一端是长光纤，而另一端采用高反光栅。这类拉曼光纤激光器在高功率下具有非常好的时域稳定性，因而具有低的相对强度噪声，这得益于采用的瑞利散射提供的随机反馈能够使得模式发生重叠以及使用了低相对强度噪声的泵浦光源。并且，这类激光器的光谱是无模式的，因而具有非常低的相干性。相较于基于10％左右的低反光栅构建的拉曼光纤激光器，基于瑞利散射的拉曼光纤激光器往往在高功率下能够实现更高的效率。然而，由于光纤中的瑞利散射非常微弱以及波长不敏感，这使得这类基于瑞利散射的拉曼光纤激光器具有较高的阈值，低的光学信噪比，大的光谱带宽等缺点。此外，这类激光器在阈值附近由于受激布里渊散射和瑞利散射的共同作用造成采用这一方案构建的激光器处在极不稳定的自调Q的运转状态，并且在光谱中也有非常多的不稳定的窄带峰。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器，其目的在于降低拉曼激光器在反射端镜处激光的损耗。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器，包括：泵浦光源、反射端镜、波分复用器、拉曼增益光纤和输出端镜；其中，所述输出端镜为超低反射率的光纤布拉格光栅；
所述反射端镜连接于所述波分复用器的反射端；所述泵浦光源连接于所述波分复用器的输入端；所述拉曼增益光纤的一端连接于所述波分复用器的公共端；所述拉曼增益光纤的另一端连接于所述超低反射率的光纤布拉格光栅。
进一步地，所述超低反射率的光纤布拉格光栅的反射率≤1％。
进一步地，所述泵浦光源为相对强度噪声小于-100dB/Hz的低相对强度噪声光源。
进一步地，所述反射端镜和所述超低反射率的光纤布拉格光栅的中心波长位于所述拉曼增益光纤的反常色散区。
进一步地，所述反射端镜为有效反射率大于50％的光纤布拉格光栅。
进一步地，所述超低反射率的光纤布拉格光栅的一端具有倾斜切割的激光输出端口。
进一步地，所述泵浦光源输出的泵浦光功率大于5W。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出的拉曼光纤激光器通过采用超低反射率的光纤布拉格光栅作为输出端镜，相较于基于反射率约为10％的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器，在高的泵浦激光下，可以降低激光腔内正向传输激光在输出端镜处的反射率，从而降低了激光腔内背向传输的激光功率，进而降低入射到反射端镜处的激光功率，最终降低了背向激光在反射端镜处的损耗，相应的提高了激光的转化效率及拉曼激光器的输出最大功率。
(2)本发明的基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器，相比于基于瑞利散射的拉曼光纤激光器，采用的超低反射率的光纤布拉格光栅的波长选择性并且能够提供更强的反馈，因而能够实现更窄的光谱带宽，更低的阈值，以及更高的转化效率。
(3)作为优选，本发明的泵浦光源为相对强度噪声小于-100dB/Hz的低相对强度噪声光源，能够避免泵浦光强度噪声传递给拉曼光纤激光，并同时结合反射端镜和超低反射率的光纤布拉格光栅中心波长位于拉曼增益光纤的反常色散区，可以使激光器的激射波长位于拉曼增益光纤的反常色散区，使得激光器在高功率下能够实现无分立纵模的激射，因而具有极低的相对强度噪声，高的时域稳定性，以及极低的相干性。
(4)本发明由于采用超低反射率的光纤布拉格光栅作为输出端镜，降低了背向激光在反射端镜处的损耗，因此，在相同条件下，可以采用更低的有效反射率的光纤布拉格光栅作为反射端镜，依然能够使激光器实现较高的转化效率。
(5)作为优选，本发明的超低反射率的光纤布拉格光栅具有倾斜切割的激光输出端口，可以消除输出端口的寄生反馈。
总而言之，本发明的基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器，能够降低激光在反射端镜处的损耗，提升输出激光的效率。且超低反射率的光纤布拉格光栅插入损耗小、制作简单，易于实现，性能优越。本发明的激光器能够扩展拉曼光纤激光器在工业加工、通信、传感、照明、雷达等方面的应用。
附图说明
图1是本发明的基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的拉曼光纤激光器采用不同反射率的输出端镜对应的输出功率；
图3(a)是本发明实施例提供的拉曼光纤激光器的输出功率随泵浦功率的演化曲线；
图3(b)是本发明实施例提供的拉曼光纤激光器的输出光谱；
图4(a)是本发明实施例提供的拉曼光纤激光器在最大激光功率下的时域强度图；
图4(b)是本发明实施例提供的拉曼光纤激光器在最大激光功率下的相对强度噪声；
图5是本发明实施例提供的拉曼光纤激光器在不同有效反射率的反射端镜和不同泵浦功率下对应的最大转化效率示意图；
图6(a)是本发明实施例提供的拉曼光纤激光器在特定泵浦功率下，实现输出最大转化效率时对应的最佳输出端镜的有效反射率示意图；
图6(b)是本发明实施例提供的拉曼光纤激光器在特定泵浦功率下，实现输出最大转化效率时对应的最佳增益光纤长度示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11-泵浦光源；12-反射端镜；13-波分复用器；14-拉曼增益光纤；15-输出端镜；16-输出端口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，本发明提出了一种基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器，包括泵浦光源11、反射端镜12、波分复用器13、拉曼增益光纤14和输出端镜15。
反射端镜12为光纤布拉格光栅，并且在最大泵浦功率下的有效反射率大于50％。输出端镜15为超低反射率光栅，即具有超低反射率的光纤布拉格光栅。
本发明的激光器连接结构如图1所示，泵浦光源11的输出端连接于波分复用器13的输入端，波分复用器13的反射端连接于反射端镜12，波分复用器13的公共端连接于拉曼增益光纤14的一端，拉曼增益光纤14的另一端连接输出端镜15，输出端镜15的一侧设有激光器的输出端口16，输出端口16为倾斜切割，用于消除输出端口的寄生反馈。其中，输出端镜15为超低反射率的光纤布拉格光栅。
泵浦光源11用于产生泵浦光，泵浦光通过波分复用器13耦合进入拉曼增益光纤14对其进行激励，拉曼增益光纤14用于受激产生拉曼增益效应并对光路中的泵浦光增益放大；由于反射端镜12和输出端镜15的反馈作用，光将在拉曼增益光纤14中进行放大，随着泵浦功率的增加从而形成激光输出。其中，泵浦光源可以通过波分复用器或者泵浦合束器等器件耦合进激光腔中，也可以直接从反射端镜处耦合进激光腔中。
由于输出端镜15为超低反射率的光纤布拉格光栅，超低反射率的光纤布拉格光栅的超低反射率特性使得输出端镜15相比瑞利散射具有更强的反馈作用。
进一步地，泵浦光源为一种具有低相对强度噪声的窄带自发辐射源，其相对强度噪声小于-100dB/Hz，能够大大缓解泵浦光的强度噪声对拉曼光纤激光时域稳定性的影响。本发明中的反射端镜和超低反射率的光纤布拉格光栅中心波长位于拉曼增益光纤的反常色散区，使得本发明的激光器的激射波长位于拉曼增益光纤的反常色散区，反常色散区中的调制不稳定性效应会破坏激光的相干性，使得拉曼激光转变为极低相干性的光源，激光的射频谱的拍频峰会随着激光功率的增加而逐渐降低，并最终实现无分立纵模的激射谱，因而，本发明的激光器是无分立纵模激光器。相比现有的多纵模激光器相对强度噪声源于分立纵模的拍频峰，本发明的激光器由于没有分立的纵模，因而具有低的相对强度噪声以及高的时域稳定性。
本发明的工作原理为：
现有的拉曼光纤激光器存在着严重的光谱展宽效应，在高功率时背向传输的拉曼激光的光谱宽度大于光纤布拉格光栅充当的反射端镜的反射带宽,这会造成激光从反射端镜反射峰的带外泄露而损耗，并且高反光栅处的激光损耗会随着激光功率增加而加剧。为降低拉曼激光器在反射端镜处激光的损耗，本发明通过采用超低反射率的光纤布拉格光栅替代传统的10％左右的低反光栅作为输出端镜，超低反射率的光纤布拉格光栅的超低反射率的特性可以大大降低激光腔内正向传输激光在输出端镜处的反射率，从而能够降低激光腔内背向传输的激光功率，进而降低入射到反射端镜处的激光功率，因而降低了背向激光在反射端镜处的损耗，相应的提升了输出激光的效率。
同时，由于采用超低反射率的光纤布拉格光栅作为输出端镜，降低了入射到反射端镜处的激光功率，进而能够降低背向激光在反射端镜处的损耗，因此，在相同条件下，可以采用更低的有效反射率的反射端镜，实现相对较低的激光损耗。作为优选，本发明的反射端镜为有效反射率大于50％的光纤布拉格光栅。
虽然降低输出端镜的反射率时，拉曼光纤激光器就需要采用更长的拉曼增益光纤，带来一定额外的损耗。但是对于高功率的拉曼光纤激光器而言使用的增益光纤长度较短以及拉曼增益光纤通常具有较低的损耗系数，因而额外增加的光纤所带来的额外损耗是非常小的。本发明中的泵浦光功率大于5W。
总之，采用超低反射率的光纤布拉格光栅作为光纤拉曼激光器的输出端镜，能够使得本发明的激光器实现非常高的效率。并且对于采用低的有效反射率的光纤布拉格光栅充当反射端镜的高功率拉曼光纤激光器也能够使得激光器实现非常高的效率。
激光的激射波长位于拉曼增益光纤的反常色散区，反常色散区特有的非线性效应——调制不稳定性效应会破坏激光的相干性，并引起纵模展宽，邻近纵模就可能在某个激光功率以上最终重叠在一起，此时本发明中的激光器将不再像传统激光器那样具有分立的纵模，其光谱就如同自发辐射光源一样。由于多纵模激光器中分立纵模之间的拍频会使激光具有大的相对强度噪声，并且在时域强度上表现为低的稳定性，而本发明的激光器由于在高功率时没有分立的纵模使得激光的射频谱中不会出现拍频，因而本发明的拉曼光纤激光器具有极低的相对强度噪声，并因而具有高的时域稳定性。
由于拉曼光纤激光器泵浦光的强度噪声会传递给激光，为获得低相对强度噪声的高时域稳定的激光，本发明采用了低相对强度噪声的泵浦光源，能够大大缓解泵浦光源强度噪声对本发明激光器的时域稳定性产生的影响。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例中基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器如1所示，包括一个泵浦光源11，泵浦光源11输出的泵浦光通过波分复用器13达到拉曼增益光纤14，拉曼增益光纤14为普通的通信单模光纤；输出端镜15的输出端口作为激光器的输出端口16，该端口为倾斜切割，用于避免寄生反馈；反射端镜12和输出端镜15用于为激光器提供反馈。
更进一步的说明，激光器的泵浦光源11采用的是主振荡功率放大方案，种子光为一个窄带的掺铒自发辐射源，并借助一个掺铒光纤放大器对种子光进行功率放大，因而具有低的相对强度噪声。泵浦光经过波分复用器13后注入到激光腔内，最大注入功率为10.3W。考虑到波分复用器13的插入损耗等因素，本发明的激光器采用的光纤布拉格光栅充当的反射端镜能够提供的有效反射率约为70％，3dB带宽约为15nm。
实验对比了采用不同拉曼增益光纤长度以及不同反射率的输出端镜激光器的输出功率，采用的拉曼增益光纤的长度分别为：1.6km，2.1km，2.6km，3.1km，输出端镜的反射率分别为：-40dB，-32.8dB，-27dB,-22.4dB,-20.1dB,-16.6dB,-14dB,-9.9dB。其中，反射率不超过20dB的输出端镜对应的为超低反射率的光纤布拉格光栅，作为输出端镜的光栅带宽均约为1nm。
图2展示了相应的实验结果和理论计算结果，可以看出，本发明的实验测量结果与理论仿真结果具有高度一致性。同时，实验表明当本发明的激光器采用2.6km的拉曼增益光纤以及反射率为-27dB的超低反射率的光纤布拉格光栅时，能够在注入泵浦功率为10.3W，反射端镜提供的有效反射率为70％时，实现最高的激光输出功率，此时输出端镜在最大泵浦功率下能够提供的有效反射率为-30.96dB。激光实现的最大输出功率为8.42W，相应的激光转化效率高达81.5％，并且在最大功率处的斜效率高达91.5％。对比实验结果和理论仿真，共同表明了相较于常规的约10％反射率的低反光栅作为输出端镜或者不采用超低反射率的光纤布拉格光栅而仅依靠光纤中瑞利散射提供反馈相比，采用超低反射率的光纤布拉格光栅作为输出端镜能够实现较高的激光输出功率，尤其是，本实施例中，采用-27dB的超低反射率的光纤布拉格光栅作为输出端镜能够实现更高的激光输出功率。
图2中采用的计算公式为经典的功率平衡模型，如下：
Figure BDA0003445611310000091
Figure BDA0003445611310000092
其中，Pp为泵浦光源的功率，
Figure BDA0003445611310000093
为激光功率，正负号代表传播方向，fp和fs分别代表泵浦光和激光的频率，h为普朗克常数，Δf表示自发拉曼辐射的带宽，取10nm，gR和ε分别代表拉曼增益光纤的拉曼增益系数和瑞利散射系数，αp，αs分别表示泵浦光和激光的损耗系数。计算时采用的边界条件为：
Pp(0)＝Pin
Figure BDA0003445611310000094
Figure BDA0003445611310000095
这里，Pin为注入到激光腔内的泵浦功率，Reff-left和Reff-right分别表示反射端镜和输出端镜的有效反射率，L为拉曼增益光纤的长度。激光腔镜的有效反射率定义为反射激光功率与入射激光功率的比例。
本实施例中测量了本发明中的激光器在能够实现最大输出功率的条件下，即采用2.6km拉曼增益光纤长度以及-27dB的超低反射率的光纤布拉格光栅时，输出功率曲线和输出光谱分别如图3(a)和图3(b)所示,其中，泵浦光功率分别为3.59W，4.04W，4.93W，10.3W。本发明中的激光器在最大输出功率下的光谱带宽为1.78nm，激射谱的光学信噪约为57dB。阈值附近的窄带单峰的激射谱表明，本发明中的激光器中的超低反射率的光纤布拉格光栅能够抑制受激布里渊激射，因而本发明中的激光器相较于基于瑞利散射的随机拉曼光纤激光器而言在阈值附近具有更高的稳定性。通过100MHz带宽的示波器测量了本发明中的激光器在最大输出激光功率下的时域强度，如图4(a)所示，可以看出，本发明中的激光器具有极高的时域稳定性，强度波动的标准差仅为1.52％。本发明中的激光器在最大输出激光功率下的相对强度噪声如图4(b)所示，本发明中的激光器具有极低的相对强度噪声，表明输出激光具有高的时域稳定性，在5MHz范围内，本发明中的激光器的相对强度噪声从-143dB/Hz快速下降到-160dB/Hz,并在10MHz以上频率的相对强度噪声约为-165dB/Hz。无拍频的激光射频谱同时也表明本发明激光器具有极低的相干性。
本实施例中，进一步地基于本发明的超低反射率的光纤布拉格光栅作为输出端镜以及上述公式在理论上计算了在不同泵浦功率以及在不同有效反射率的反射端镜的情况下，本发明中的激光器能够实现的最大光学转化效率，如图5所示，泵浦光的功率分别为10.3W、20.0W及50.0W。从图中可以看出，在更高的泵浦功率下，本发明中的激光器由于采用的拉曼增益光纤更短，能够减少泵浦光和激光的损耗，因而能够实现更高的光学转化效率，且激光器在泵浦功率为50W时，只要高反光栅在最大有效反射率大于50％的条件下均可以实现约为90％的超高光学转化效率。图6(a)和图6(b)分别展示了本发明中的激光器在特定泵浦功率下，反射端镜为不同有效反射率的光纤光栅下能够实现最大转化对应的最佳输出端镜有效反射率和最佳的拉曼增益光纤长度。从图中可以看出，本发明的激光器中的反射端镜在较低的有效反射率的情况下，采用超低反射率的光纤布拉格光栅依然能够使得激光器保持较高的激光转化效率。即本发明的基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器能够进一步的降低反射端镜的有效反射率。
本发明的激光器是一种高功率、高效率、低相对强度噪声的拉曼光纤激光器。
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 (7)

1.一种基于超低反射率的光纤布拉格光栅的拉曼光纤激光器，其特征在于，包括：泵浦光源(11)、反射端镜(12)、波分复用器(13)、拉曼增益光纤(14)和输出端镜(15)；其中，所述输出端镜(15)为超低反射率的光纤布拉格光栅；
所述反射端镜(12)连接于所述波分复用器(13)的反射端；所述泵浦光源(11)连接于所述波分复用器(13)的输入端；所述拉曼增益光纤(14)的一端连接于所述波分复用器(13)的公共端；所述拉曼增益光纤(14)的另一端连接于所述超低反射率的光纤布拉格光栅。
2.根据权利要求1所述的拉曼光纤激光器，其特征在于，所述超低反射率的光纤布拉格光栅的反射率≤1％。
3.根据权利要求2所述的拉曼光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光源为相对强度噪声小于-100dB/Hz的低相对强度噪声光源。
4.根据权利要求1-3任一项所述的拉曼光纤激光器，其特征在于，所述反射端镜和所述超低反射率的光纤布拉格光栅的中心波长位于所述拉曼增益光纤的反常色散区。
5.根据权利要求4所述的拉曼光纤激光器，其特征在于，所述反射端镜为有效反射率大于50％的光纤布拉格光栅。
6.根据权利要求5所述的拉曼光纤激光器，其特征在于，所述超低反射率的光纤布拉格光栅的一端具有倾斜切割的激光输出端口。
7.根据权利要求5或6所述的拉曼光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光源输出的泵浦光功率大于5W。
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