CN114927927A - 一种单频窄线宽调q激光器 - Google Patents
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Abstract
一种单频窄线宽调Q激光器，具体是基于回音壁模式微腔及SESAM(反射式半导体可饱和吸收镜)的单频窄线宽调Q激光器，作为一个不含光滤波器的光纤环路，由单模半导体激光器对增益介质进行泵浦；由SESAM实现激光的自起振和对激光脉冲的整形；由具有高Q值的回音壁模式微球腔和锥形光纤组成的耦合系统作为选模滤波结构实现窄带滤波功能，通过回音壁模式微腔进行窄带模式选择，从而得到单频窄线宽激光输出，结构简单。通过调整偏振控制器可以和改变微腔的位置实现对单频窄线宽激光的中心波长等参数的调谐；通过改变回音壁模式微腔的直径可实现单频窄线宽激光中心波长和激光线宽的调谐。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，具体涉及一种基于回音壁模式微腔及SESAM的单频窄线宽调Q激光器。
背景技术
调Q激光器在光纤分布式传感系统、激光测距等应用中有很好的应用前景，激光器调Q 技术研究向着全光纤、窄线宽、窄脉宽、高能量的方向发展。非光纤型的调Q方式包括声光 Q开关、电光Q开关、可饱和吸收体等，具有插入损耗大、与光纤之间光耦合效率低等缺点；全光纤调Q方式包括Sagnac环调Q、布拉格光纤光栅调Q、光纤型可饱和吸收体调Q等。根据调Q的方式主要分为主动调Q和被动调Q。主动调Q是利用人为的某些物理效应来控制谐振腔的损耗，从而达到Q值的突变，但通常含有使激光器结构变得复杂的调制器件。被动调Q一般在腔内加入对激光波长有一吸收峰的可饱和吸收元件，利用可饱和吸收体的吸收系数随光强的增大而减小至饱和，通过吸收损耗随光强的改变来实现腔内Q值的突变，与主动调Q激光器相比，被动调Q光纤激光器具有设计紧凑，简单和灵活的吸引人的优点。半导体可饱和吸收镜(SESAM)或Cr2+:ZnSe晶体常作为可饱和吸收体用于被动调Q，但在激光腔中需要附加的光学组件，例如透镜、反射镜、环形器等，这会导致更大的插入损耗和更复杂的设计。与其他基于可饱和吸收体的调Q激光器相比，基于SESAM的被动调Q技术是实现Q开关操作的一种更简单，更快速的方法。
基于SESAM的调Q激光的原理为，当脉冲经过SESAM时，脉冲中心的能量高，SESAM对能量高的部分吸收率低，透射率高；脉冲边缘的能量低，SESAM对能量低的部分吸收率高、透射率低。因此，脉冲信号经过SESAM之后，脉冲的宽度变窄，经过在环形腔内不断的循环，最终输出激光。但是这种方法输出的激光，很难实现窄线宽激光器，输出激光的线宽与SESAM的调制深度相关，调制深度越大，其输出激光的线宽越窄。如果要获得窄线宽激光，需要结合回音壁模式微球腔和锥形光纤组成的耦合系统作为选模滤波结构实现窄带宽的特点。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种单频窄线宽调Q激光器。
本发明的技术方案是：一种单频窄线宽调Q激光器，包括单模半导体激光器、偏振无关型集成光学器件、增益光纤、环形器、SESAM、单模光纤、偏振控制器、锥形光纤及回音壁模式微腔；其中，
所述单模半导体激光器作为系统的泵浦源，为增益光纤提供泵浦；
所述偏振无关型集成光学器件集成了波分复用器、耦合器和偏振无关型隔离器，所述单模半导体激光器接入所述偏振无关型集成光学器件的pump端口，由所述偏振无关型集成光学器件的common端口依次连接所述增益光纤、环形器、SESAM、单模光纤、偏振控制器、锥形光纤后再接入所述偏振无关型集成光学器件的signal端口形成环路；所述波分复用器用于将泵浦光和腔内激光合成一束；所述耦合器将激光按照比例分成两束，一束用于光路循环，另一部分光由所述偏振无关型集成光学器件的tap端口输出；所述偏振无关型隔离器保证光在腔内单向传播；所述锥形光纤用于与回音壁模式微腔的耦合，光经过锥形光纤的锥区时以倏逝波的形式进行近场耦合。
进一步地，所述偏振控制器具体为嵌入式偏振控制器。
进一步地，所述环形器为三端口光纤环形器。
进一步地，所述SESAM为反射式半导体可饱和吸收镜。
进一步地，所述增益光纤为稀土离子掺杂光纤。
进一步地，所述回音壁模式微腔的形状可以是微盘腔、微球腔、微瓶腔等，材料具体为二氧化硅。
进一步地，所述锥形光纤是由单模光纤拉制成的，两个锥形区之前是连通的；
进一步地，所述单模光纤为G.652标准单模光纤。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于回音壁模式微腔及SESAM的单频窄线宽调Q 激光器，是一个不含光滤波器的光纤环路，由单模半导体激光器对增益介质进行泵浦；由具有高Q值的回音壁模式微球腔和锥形光纤组成的耦合系统作为选模滤波结构实现窄带滤波功能，通过回音壁模式微腔进行窄带模式选择，从而得到单频窄线宽激光输出，结构简单；通过调整偏振控制器可以和改变SESAM位置实现对单频窄线宽激光的中心波长等参数的调谐。通过改变回音壁模式微腔的直径可实现单频窄线宽激光中心波长的调谐。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只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。
如图1所示，本发明采用的基于回音壁模式微腔及SESAM的单频窄线宽调Q激光器是一个不含光滤波器的光纤环路，包括单模半导体激光器、偏振无关型集成光学器件、增益光纤、环形器、SESAM、单模光纤、偏振控制器、锥形光纤及回音壁模式微腔。
其中，单模半导体激光器，作为系统的泵浦源，为增益光纤提供泵浦。
所述偏振无关型集成光学器件集成了波分复用器、耦合器和偏振无关型隔离器；所述单模半导体激光器接入所述偏振无关型集成光学器件的pump端口，由所述偏振无关型集成光学器件的common端口依次连接所述增益光纤、环形器、SESAM、单模光纤、偏振控制器、锥形光纤后再接入所述偏振无关型集成光学器件的signal端口形成环路；波分复用器用于将泵浦光和腔内激光合成一束；耦合器将激光按照比例分成两束，一束用于光路循环，一束用于tap端口输出；偏振无关型隔离器保证光在腔内单向传播。
锥形光纤用于与回音壁模式微腔的耦合，光经过锥形光纤的锥区时以倏逝波的形式进行近场耦合，倏逝波的光场与微腔回音壁模式的光场有一定的重叠，满足相位匹配时光会在回音壁模式微腔内形成稳定的谐振，从而实现选模作用。
环形器用于将SESAM连接至谐振腔中，并且将输入激光和输出激光相分离。输入激光由环形器1端口进入，在环形器2端口出射并进入Sesam中，然后被Sesam反射回去，再由环形器2端口进入环形器，输出激光由环形器3端口发出。
SESAM将引入非线性效应，对脉冲光谱进行整形。并且实现整个系统的自起振，稳定激光波长。
增益光纤将泵浦光放大至所需的波长窗口。
单模光纤，对环路非线性效应进行补偿，连接增益光纤和锥形光纤。
这里的单模半导体激光器是波长稳定的、输出功率高的激光器，用于提供功率可调的泵浦光，与SESAM和偏振控制器共同实现对腔内光强的调节，其泵浦功率由根据本发明实现的单频窄线宽调Q激光器的综合性能需要而设定，泵浦功率越高，调Q脉冲的周期越短，重复频率越高，单脉冲能量越高，可用于实现不同脉冲参数的调Q输出。
这里的偏振无关型集成光学器件中的波分复用器的波长选择及耦合器的分光比由根据本发明实现的单频窄线宽调Q激光器的综合性能需要而设定。例如当增益光纤为掺铒光纤时，需使用980nm/1550nm的波分复用器。耦合器的不同分光比会导致环形腔内参与循环的光功率不同，若较少的激光参与循环形成环路，会导致腔内增益不够，无法起振，所以一般使更多的光继续参与腔内激光产生，少部分的光输出。
这里的偏振无关型集成光学器件中的偏振无关型隔离器保证光在腔内单向传播。
在本实施例中，偏振控制器具体为嵌入式偏振控制器，可以将其直接插入光纤系统，在无需切断系统的情况下控制光纤中传输光的偏振态，不会改变腔长。
在本实施例中，SESAM为反射式半导体可饱和吸收镜，实现激光的自起振和激光脉冲的整形，其中SESAM的调制深度为16％，弛豫时间为2ps。当脉冲经过SESAM时，脉冲中心的能量高，SESAM对能量高的部分吸收率低，透射率高；脉冲边缘的能量低，SESAM对能量低的部分吸收率高、透射率低。因此，脉冲信号经过SESAM之后，脉冲的宽度变窄，经过在环形腔内不断的循环，最终输出激光。
在本实施例中，增益光纤应具有较高的掺杂浓度，以便使用较短的长度达到较高吸收作用，保证较短的腔长，便于回音壁模式微腔进行选模，其长度由根据实现的单频窄线宽调Q 激光器的综合性能需要而设定。长度涉及到腔内的增益和色散问题，会对激光输出状态造成影响，可以根据实际情况进行具体分析。
在本实施例中，增益光纤为稀土离子掺杂光纤，具体可以为掺铒光纤、掺铥光纤、掺镱光纤、混合掺杂光纤等，由本发明实现的单频窄线宽调Q激光器的波长决定。例如掺铒光纤用于产生1530～1610nm范围的光，掺铥光纤适用于1660～2000nm范围的光的产生。
这里的回音壁模式微腔的形状可以是微盘腔、微球腔、微瓶腔等，材料可以是二氧化硅等，只要满足Q值达到106以上，拥有较高的Q值，可以对应更好的选模效果。
调Q激光的中心波长与所述回音壁模式微腔的直径有关，其直径由根据本发明实现的单频窄线宽调Q激光器的波长要求而设定，在回音壁模式微腔中，符合谐振条件的光满足： mλ＝nL＝πD，其中，m为角动量模式数，λ为波长，n为有效折射率，L为腔的周长，D为微腔直径，通过调谐所述回音壁模式微腔的直径可实现调Q激光输出波长的改变。
微腔可采用瓶口腔、微泡腔这类腔直径容易选择的微腔，在不更换微腔的前提下通过调整与所述锥形光纤的耦合位置来控制谐振的波长，实现不同波长的调Q激光输出；
回音壁模式微腔与所述锥形光纤组成的耦合系统可以是封装完成的，以便于减少环境如声波振动、温度等的影响。
锥形光纤是由普通单模光纤拉制成的，两个锥形区之前是连通的。
这里，可以将所述器件的光纤熔接，保证结构的全光纤化，减小不必要的损耗。
单模光纤为G.652标准单模光纤，其长度由根据本发明实现的单频窄线宽调Q激光器的综合性能需要而设定。
为了使本发明的技术方案、优点及目的更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅仅用于解释本发明并不用于限定本发明。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种单频窄线宽调Q激光器，包括单模半导体激光器、偏振无关型集成光学器件、增益光纤、环形器、SESAM、单模光纤、偏振控制器、锥形光纤及回音壁模式微腔；其中，
所述单模半导体激光器作为系统的泵浦源，为增益光纤提供泵浦；
所述偏振无关型集成光学器件集成了波分复用器、耦合器和偏振无关型隔离器，所述单模半导体激光器接入所述偏振无关型集成光学器件的pump端口，由所述偏振无关型集成光学器件的common端口依次连接所述增益光纤、环形器、SESAM、单模光纤、偏振控制器、锥形光纤后再接入所述偏振无关型集成光学器件的signal端口形成环路；所述波分复用器用于将泵浦光和腔内激光合成一束；所述耦合器将激光按照比例分成两束，一束用于光路循环，另一部分光由所述偏振无关型集成光学器件的tap端口输出，所述偏振无关型隔离器同时作为起偏器和检偏器；
所述锥形光纤用于与回音壁模式微腔的耦合，光经过锥形光纤的锥区时以倏逝波的形式进行近场耦合。
2.根据权利要求1所述的一种单频窄线宽调Q激光器，其特征在于，所述环形器为三端口光纤环形器。
3.根据权利要求1所述的一种单频窄线宽调Q激光器，其特征在于，所述SESAM为反射式半导体可饱和吸收镜。
4.根据权利要求1所述的一种单频窄线宽调Q激光器，其特征在于，所述偏振控制器具体为嵌入式偏振控制器。
5.根据权利要求1所述的一种单频窄线宽调Q激光器，其特征在于，所述增益光纤为稀土离子掺杂光纤。
6.根据权利要求1所述的一种单频窄线宽调Q激光器，其特征在于，所述回音壁模式微腔的形状是微盘腔或微球腔或微瓶腔。
7.根据权利要求1所述的一种单频窄线宽调Q激光器，其特征在于，所述锥形光纤是由单模光纤拉制成的，两个锥形区之前是连通的。
8.根据权利要求1所述的一种单频窄线宽调Q激光器，其特征在于，所述单模光纤为G.652标准单模光纤。
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