CN114552343B - 一种全光纤单频脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光纤单频脉冲激光器，所述激光器利用在复合腔结构内引入对激光波长具有吸收特性的有源光纤作为可饱和吸收体，实现超窄带滤波及全光纤被动调Q，获得单频脉冲全光纤激光振荡器。本发明在加强谐振腔的选频能力、降低单频激光对复合腔腔长的严苛要求、提升激光单纵模运转稳定性的同时，引入周期性变化的腔损耗，实现全光纤被动调Q，获得单频脉冲全光纤激光振荡器，克服了现有单频脉冲光纤激光器所存在的工作波长有限、激光功率水平较低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种全光纤单频脉冲激光器。
背景技术
单频脉冲光纤激光器凭借其窄线宽、高光束质量以及高系统集成度、免维护等优势在相干雷达、激光遥感以及非线性光学频率变换等领域具有重要的应用需求。单频脉冲激光的产生方式主要可分为外调制和内调制两种。外调制方式可通过电脉冲信号驱动单频半导体激光器、光脉冲泵浦短腔单频光纤激光器的增益开关技术，以及利用声光或电光等主动调Q器件实现单频激光由连续波运转变为脉冲运转。但是这几种外调制方式均存在一定的缺点，一方面，单频半导体激光器输出功率较低，能够实现的激光波长有限；增益开关方式可实现全光纤结构单频脉冲激光，但激光功率水平仍严重受限于短腔结构的激光增益；而声光和电光调Q器件虽然可实现光纤尾纤输出，但分别存在插入损耗大、价格昂贵等缺点，且成熟的商用器件覆盖波段十分有限，上述因素均限制了单频脉冲光纤激光器的实际应用。
相比于外调制方式，单频光纤激光脉冲的内调制技术发展较为缓慢。其中，基于压制双折射效应周期性调制激光腔内损耗的方式得到最为广泛的应用，但该技术依赖于对光纤施加周期性机械应力，容易导致激光长期工作下光纤本身的机械损伤，且激光脉冲的调制效果对所施加应力较为敏感，造成该技术方案的环境稳定性较差。
参考文献：
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发明内容
本发明提供了一种全光纤单频脉冲激光器，本发明利用在复合腔结构内引入在激光波长处具有吸收特性的有源光纤作为可饱和吸收体，在加强谐振腔的选频能力、提升激光单纵模运转稳定性的同时，引入周期性变化的腔损耗，实现全光纤被动调Q，获得单频脉冲全光纤激光振荡器，克服了现有单频脉冲光纤激光器所存在的工作波长有限、激光功率水平较低等问题，详见下文描述：
一种全光纤单频脉冲激光器，所述激光器利用在复合腔结构内引入对激光波长具有吸收特性的有源光纤作为可饱和吸收体，实现超窄带滤波及全光纤被动调Q，获得单频脉冲全光纤激光振荡器。
其中，所述复合腔结构包括：第一高反射率光纤光栅、第一有源光纤和第一低反射率光纤光栅构成第一谐振腔，第一高反射率光纤光栅和第二低反射率光纤光栅构成第二谐振腔；
利用第一谐振腔和第二谐振腔的不同腔长度增加激光器的纵模间距，利用第二有源光纤与第二低反射率光纤光栅构成超窄带滤波器，以获得稳定的单纵模激光运转。
进一步地，所述复合腔结构包括：第一高反射率光纤光栅、第一有源光纤和第一低反射率光纤光栅构成第一谐振腔；第一高反射率光纤光栅和第二低反射率光纤光栅构成第二谐振腔；
第三低反射率光纤光栅、第二有源光纤和第二高反射率光纤光栅构成第三谐振腔；
利用第一谐振腔和第二谐振腔的不同腔长度增加激光器的纵模间距，利用第二有源光纤与第二低反射率光纤光栅构成超窄带滤波器，以获得稳定的单纵模激光运转。
其中，所述第一有源光纤为高掺杂浓度增益光纤，或通过增加有源纤长度获得高功率单频激光输出。
进一步地，所述第二有源光纤和第二低反射率光纤光栅组合在第二有源光纤内形成针对信号光的驻波结构具有窄带滤波特性，保证激光单纵模运转稳定性；
所述第二有源光纤作为可饱和吸收体，在谐振腔内引入周期性损耗，构成全光纤被动调Q器件，实现单频激光脉冲运转。
进一步地，所述第三谐振腔在增强所述第二有源光纤饱和吸收特性，拓展单频激光脉冲运转功率范围的同时，通过改变所述第二有源光纤的长度、所述第三低反射率光纤光栅的反射率，实现对单频激光脉冲参数的进一步调控。
进一步地，所述第一有源光纤和第二有源光纤中掺杂的稀土离子为：
镱、铒、铥、钕、钬、铋、镝、铽中的一种或多种的组合，输出波段覆盖可见光、近红外、中红外波段；所述第二有源光纤在所述第一有源光纤形成激光的波长处具有吸收特性。
优选地，所述第一有源光纤和第二有源光纤为单模玻璃光纤。
其中，所述激光器中的泵浦源为连续工作模式，无需外加调制。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明利用对激光具有吸收特性的有源光纤，一方面实现对复合腔结构单频激光器的进一步选频，避免了单频激光运转对复合腔腔长的严苛要求，提高了单纵模运转的稳定性；另一方面，基于其饱和吸收效应作为全光纤被动调Q器件，实现单频光纤激光脉冲运转；
2、本发明通过选取在激光波长具有吸收特性的不同种类稀土掺杂光纤，可实现从可见光到中红外波段的全光纤单频脉冲激光器，克服了传统单频脉冲光纤激光外腔调制技术对工作波长的限制；
3、本发明相比于压制双折射的内腔调制技术，避免了对激光系统的机械损伤，保证了单频脉冲光纤激光器的长期工作稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的一种全光纤脉冲单频激光器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种全光纤单频脉冲激光器的另一结构示意图。
附图1中，各标号所代表的部件列表如下：
1：泵浦源； 2：第一波分复用器；
3：第一高反射率光纤光栅； 4：掺铒光纤；
5：第一低反射率光纤光栅； 6：第二波分复用器；
7：掺铥光纤； 8：第二低反射率光纤光栅。
附图2中，各标号所代表的部件列表如下：
1：泵浦源； 2：第一波分复用器；
3：第一高反射率光纤光栅； 4：掺铒光纤；
5：第一低反射率光纤光栅； 6：第二波分复用器；
7：第三低反射率光纤光栅； 8：掺铥光纤；
9：第二高反射率光纤光栅； 10：第二低反射率光纤光栅。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了一种全光纤单频脉冲激光器，该激光器包括：泵浦源1、第一波分复用器2、第一高反射率光纤光栅3、掺铒光纤4、第一低反射率光纤光栅5、第二波分复用器6、掺铥光纤7、第二低反射率光纤光栅8。
其中，泵浦源1为单模光纤耦合的半导体激光器，中心波长为980nm；第一波分复用器2为980nm/1550nm波分复用器；第一高反射率光纤光栅3的中心波长为1550nm，反射率为>99％，反射带宽为0.3nm；掺铒光纤4在980nm处吸收系数为100dB/m，长度为2.5cm；第一低反射率光纤光栅5的中心波长为1550nm，反射率为60％，反射带宽为0.05nm；第二波分复用器6为980nm/1550nm滤波型波分复用器；掺铥光纤7在1550nm处吸收系数为20dB/m，光纤长度为0.25m；第二低反射率光纤光栅8的中心波长为1550nm，反射率为60％，反射带宽为0.1nm。
泵浦源1发出的980nm泵浦光经第一波分复用器2耦合进激光谐振腔内掺铒光纤4，第一高反射率光纤光栅3、掺铒光纤4和第一低反射率光纤光栅5构成第一谐振腔，可获得1550nm单纵模激光；第一高反射率光纤光栅3和第二低反射率光纤光栅8构成第二谐振腔，由于第一谐振腔和第二谐振腔具有不同腔长，即不同的纵模间距，从而利用其复合腔结构增大激光器纵模间距，提高激光单纵模运转稳定性。1550nm单频激光在第二低反射率光纤光栅8的反射作用下，在掺铥光纤7内形成驻波光场分布，能够进一步滤波选频，实现1550nm窄线宽、单频激光；同时，利用掺铥光纤7对1550nm激光的饱和吸收特性实现单频激光脉冲运转。
其中，上述第一谐振腔不局限于厘米量级短腔结构。
综上所述，本发明实施例的优势在于，复合腔结构能够初步实现单纵模激光运转，有源光纤驻波光栅滤波结构结合复合腔结构进一步抑制其他纵模起振，显著提高单纵模激光稳定性；稀土掺杂光纤对信号光所具有的饱和吸收特性可实现全光纤被动调Q，获得单频脉冲激光输出。全光纤化单频激光系统结构紧凑、稳定性高，脉冲实现机制成本低且不受工作波长限制，应用优势明显。
实施例2
本发明实施例提供了一种全光纤单频脉冲激光器，该激光器包括：泵浦源1、第一波分复用器2、第一高反射率光纤光栅3、掺铒光纤4、第一低反射率光纤光栅5、第二波分复用器6、第三低反射率光纤光栅7、掺铥光纤8、第二高反射率光纤光栅9和第二低反射率光纤光栅10。
其中，泵浦源1为单模光纤耦合的半导体激光器，中心波长为980nm；第一波分复用器2为980nm/1550nm滤波型波分复用器；第一高反射率光纤光栅3的中心波长为1550nm，反射率为>99％，反射带宽为0.3nm；掺铒光纤4在980nm处吸收系数为40dB/m，长度为0.5m；第一低反射率光纤光栅5的中心波长为1550nm，反射率为50％，反射带宽为0.1nm；第二波分复用器6为980nm/1550nm滤波型波分复用器；第三低反射率光纤光栅7的中心波长为1950nm，反射率为60％，反射带宽为0.3nm；掺铥光纤8在1550nm处吸收系数为12dB/m，光纤长度为1m；第二高反射率光纤光栅9的中心波长为1950nm，反射率为>99％，反射带宽为0.3nm；第二低反射率光纤光栅10的中心波长为1550nm，反射率为60％，反射带宽为0.1nm。
泵浦源1发出的980nm泵浦光经第一波分复用器2耦合进激光谐振腔内掺铒光纤4，第一高反射率光纤光栅3、掺铒光纤4和第一低反射率光纤光栅5构成第一谐振腔；第一高反射率光纤光栅3和第二低反射率光纤光栅10构成第二谐振腔，由于第一谐振腔和第二谐振腔具有不同腔长，即不同的纵模间距，从而利用其复合腔结构增大激光器纵模间距，结合光纤光栅滤波效果，获得单纵模激光运转。
1550nm单频激光在第二低反射率光纤光栅10的反射作用下，在掺铥光纤8内形成驻波光场分布，能够进一步滤波选频，实现1550nm窄线宽、单频激光；同时，利用掺铥光纤8对1550nm激光的饱和吸收特性实现1550nm单频激光器脉冲运转。
此外，第三低反射率光纤光栅7、掺铥光纤8和第二高反射率光纤光栅9所构成第三谐振腔能够增强对1550nm单频激光的吸收作用，降低1550nm激光饱和吸收阈值，从而拓展了1550nm单频激光脉冲的工作范围。
综上所述，本发明实施例的优势在于，通过第三谐振腔的引入降低信号光饱和吸收阈值，扩展单频激光脉冲工作范围；且第三谐振腔的光纤光栅反射率及有源光纤长度、吸收系数等均可调整以优化单频激光脉冲参数，单频脉冲激光工作条件较为宽松，系统在不同波段普适性好，具有显著的应用价值。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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 (4)
1.一种全光纤单频脉冲激光器，其特征在于，所述激光器利用在复合腔结构内引入对激光波长具有吸收系数为12到20 dB/m的第二有源光纤作为可饱和吸收体，实现超窄带滤波及全光纤被动调Q双重功能，获得单频脉冲全光纤激光振荡器；
所述复合腔结构包括：第一高反射率光纤光栅、第一有源光纤和第一低反射率光纤光栅构成第一谐振腔，第一高反射率光纤光栅和第二低反射率光纤光栅构成第二谐振腔；
利用第一谐振腔和第二谐振腔的不同腔长度增加激光器的纵模间距；
所述第二有源光纤作为可饱和吸收体，一方面与第二低反射率光纤光栅组合，在第二有源光纤内形成对信号光具有窄带滤波特性的驻波结构，实现激光器的单频运转；另一方面，在谐振腔内引入周期性损耗，构成全光纤被动调Q器件，实现单频激光脉冲运转。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤单频脉冲激光器，其特征在于，所述第一有源光纤为高掺杂浓度增益光纤，或通过增加有源纤长度获得高功率单频激光输出。
3.根据权利要求2所述的一种全光纤单频脉冲激光器，其特征在于，所述第一有源光纤和第二有源光纤中掺杂的稀土离子为：
镱、铒、铥、钕、钬、铋、镝、铽中的一种或多种的组合，输出波段覆盖可见光、近红外、中红外波段；所述第二有源光纤在所述第一有源光纤形成激光的波长处吸收系数大于10 dB/m。
4.根据权利要求2所述的一种全光纤单频脉冲激光器，其特征在于，所述第一有源光纤和第二有源光纤为单模玻璃光纤。
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