CN115051231A - 一种基于pmn-pt薄膜的可调谐单频光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于PMN‑PT薄膜的可调谐单频光纤激光器，包括第一光纤光栅、增益光纤、第二光纤光栅、PMN‑PT薄膜、光波分复用器、泵浦光源、隔离器；第一光纤光栅、增益光纤和第二光纤光栅形成激光谐振腔；PMN‑PT薄膜包覆第一光纤光栅、增益光纤和第二光纤光栅中的至少一个的光纤表面；并且在PMN‑PT薄膜上镀有电极，作为实现输出波长可调谐功能的主要器件。利用PMN‑PT材料本身优异的压电特性，通过对其施加电压调整光纤光栅的工作波长，从而实现对激光器输出波长的大范围调谐。其结构简单紧凑，简化了组装上的工艺流程，降低了激光器的封装要求，同时可以保证良好的调谐性能，可以广泛应用于波分复用系统，激光雷达，气体检测等领域。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光器技术领域，尤其涉及一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器。
背景技术
可调谐单频光纤激光器因其结构紧凑，噪声低，窄线宽等优势，被广泛应用于光通信网络，激光雷达，气体光谱分析等领域。
随着技术的日益更新，对于激光器的调谐范围以及调谐速度等方面也提出了更高的要求。以往的可调谐光纤激光器的调谐方式主要集中在温度调谐和基于PZT压电陶瓷的电学调谐两种。基于温度调谐的方式虽然调谐范围广，但是调谐速度较慢，并且受限于温控装置的精度问题，调谐精度不高；基于PZT压电陶瓷的调谐方式调谐速度快，但是调谐范围较小，并且由于使用中需要通过点胶的方式将压电陶瓷与整个腔体连结起来，而压电陶瓷的谐振频率与其有效质量成负相关关系，因此连结后会大幅度降低压电陶瓷的谐振频率，从而降低激光器的调谐速度。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器，利用PMN-PT薄膜的电致伸缩，将该材料以薄膜的形式沉积在光纤上，并使其电致伸缩方向与光纤轴向一致，在保持原有的调谐性能的同时，摆脱传统使用PZT压电陶瓷时所需要的封装工艺，简化可调谐激光器的生产工艺。同时，由于PMN-PT薄膜材料本身质量较轻以及封装元件的减少，可以有效提高激光器的调谐频率上限，从而获得更高的调制速度。
本发明实施例提供了一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器，包括第一光纤光栅、增益光纤、第二光纤光栅、PMN-PT薄膜、光波分复用器、泵浦光源、隔离器；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅分别与所述增益光纤的两端连接，共同形成激光谐振腔；其中，所述增益光纤作为所述激光谐振腔的增益介质，所述第一光纤光栅的反射率大于所述第二光纤光栅的反射率；
所述PMN-PT薄膜覆盖所述第一光纤光栅、所述增益光纤和第二光纤光栅中至少一个的光纤表面，所述PMN-PT薄膜包括第一电极和第二电极，当对所述第一电极和所述第二电极施加电压时，所述PMN-PT薄膜发生电致伸缩，带动其包覆的器件发生形变，改变所述激光谐振腔的谐振波长，实现单频光纤激光器的激光波长可调谐；
所述泵浦光源通过光波分复用器向所述激光谐振腔进行泵浦光注入，所述激光谐振腔产生的激光依次经过所述波分复用器和所述隔离器输出。
可选的，沿所述第二光纤光栅的光纤轴向方形，所述第一电极和所述第二电极分别位于所述PMN-PT薄膜的端面。
可选的，所述PMN-PT薄膜的电致伸缩方向平行于所述第二光纤光栅的光纤轴向。
可选的，所述PMN-PT薄膜的厚度大于100nm。
可选的，所述第一电极和所述第二电极的材料包括金属或者ITO。
可选的，所述第一光纤光栅、增益光纤和所述第二光纤光栅之间通过对接或者熔接方式连接，所述激光谐振腔的腔长为厘米量级。
可选的，所述增益光纤的纤芯均匀掺杂稀土发光离子，或者过渡金属离子；
所述增益光纤的长度为厘米量级。
可选的，所述泵浦光源包括单模半导体激光器或者光纤激光器；
所述的泵浦光源的输出光功率大于50mW，且其输出光波长与所述增益光纤的吸收峰匹配。
可选的，所述第一光纤光栅的反射率为α1，所述第二光纤光栅的反射率为α2，其中，α1＞99.9％，55％＜α2＜65％。
可选的，所述第一光纤光栅的3dB反射带宽为β1，所述第二光纤光栅的3dB反射带宽为β2，其中，β1≥500pm，β2≤60pm。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：通过将宽带光纤光栅、增益光纤和窄带光纤光栅之间，用对接或者熔接方式组成布拉格反射式的激光谐振腔。在泵浦光源的作用下，线性短腔的结构使得激光器输出单频激光。随后，利用PMN-PT材料取代原有的PZT压电陶瓷，并以薄膜的形式附着于宽带光纤光栅、增益光纤和窄带光纤光栅至少一个的光纤表面上。由于PMN-PT更高的介电常数和简化的封装工艺，在相同的工作条件下，基于PMN-PT薄膜的光纤激光器比传统的基于PZT压电陶瓷和温度控制的光纤激光器具备更高的调谐范围以及调谐速度，有利于提高可调谐光纤激光器在各个领域的应用性能。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器；
图2为本发明提供的另一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器；
图3为本发明提供的另一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器；
图4为本发明提供的另一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器；
图5为本发明提供的另一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器。
图1-图5中：1-第一光纤光栅、2-增益光纤、3-第二光纤光栅、4-PMN-PT薄膜、5-光波分复用器、6-泵浦光源、7-隔离器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
本发明实施例提供了一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器，图1为本发明提供的一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器；图2为本发明提供的另一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器；图3为本发明提供的另一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器；图4为本发明提供的另一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器；图5为本发明提供的另一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器。结合图1-图5所示，可调谐单频光纤激光器包括第一光纤光栅1、增益光纤2、第二光纤光栅3、PMN-PT薄膜4、光波分复用器5、泵浦光源6、隔离器7；第一光纤光栅1和第二光纤光栅3分别与增益光纤2的两端连接，共同形成激光谐振腔10；其中，增益光纤2作为激光谐振腔10的增益介质，第一光纤光栅1的反射率大于第二光纤光栅3的反射率；PMN-PT薄膜4包覆第一光纤光栅1、增益光纤2和第二光纤光栅3中的至少一个的光纤表面；PMN-PT薄膜4包括第一电极41和第二电极42，当对第一电极41和第二电极42施加电压时，PMN-PT薄膜4发生电致伸缩，带动其包覆的器件发生形变，改变激光谐振腔10的谐振波长，实现单频光纤激光器的激光波长可调谐；泵浦光源6通过光波分复用器5向激光谐振腔10进行泵浦光注入，激光谐振腔10产生的激光依次经过波分复用器和隔离器7输出。
具体的，结合图1-图5所示，第一光纤光栅1和第二光纤光栅3分别与增益光纤2的两端连接，第一光纤光栅1、增益光纤2和第二光纤光栅3共同形成激光谐振腔10，如形成布拉格反射式的激光谐振腔。铌镁酸铅-钛酸铅(Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate,PMN-PT)薄膜4的主要成分为铌镁酸铅-钛酸铅，分子式为(PbMg0.33Nb0.67)1-x：(PbTiO3)x，具有较高的介电常数；可以采用激光沉积的方式，以单层膜的形式紧紧附着在第一光纤光栅1、增益光纤2和第二光纤光栅3中的至少一个的光纤表面，其制备工艺简单易实现。PMN-PT材料具备比普通压电材料更优异的压电特性，其压电常数d33一般可以达到1800pC/N～2400pC/N。其中，压电常数(Piezoelectric Constant)是压电体把机械能转变为电能或把电能转变为机械能的转换系数，它反映压电材料弹性(机械)性能与介电性能之间的耦合关系，对其施加电场时，该材料会沿着电场方向产生形变，一般压电材料的压电常数越高，压电性能越好。
结合图1所示，第二光纤光栅3为激光输出端，可以在第光纤光栅3的光纤表面包覆PMN-PT薄膜4，在PMN-PT薄膜4上分别设置第一电极41和第二电极42。对第一电极41和第二电极42施加调制电压，PMN-PT薄膜4受到电场作用发生电致伸缩，PMN-PT薄膜4的伸缩会带动第二光纤光栅3发生形变，由于第二光纤光栅3的反射波长与其光栅周期，即纤芯折射率在轴向上的分布变化相关，当第二光纤光栅3发生轴向形变时，对应的光栅周期也会发生变化，从而改变第二光纤光栅3的反射波长。通过调制第一电极41和第二电极42之间的电场，当PMN-PT薄膜4发生连续电致伸缩，带动第二光纤光栅3发生轴向连续形变，对应的光栅周期也会发生连续变化，可实现激光谐振腔10内的谐振波长连续可调，最终实现单频光纤激光器的激光波长在工作范围内连续可调谐输出。
结合图3-图4所示，可以在增益光纤2的光纤表面和/或在第一光纤光栅3的侧壁包覆PMN-PT薄膜4，在PMN-PT薄膜4上分别设置第一电极41和第二电极42。对第一电极41和第二电极42施加调制电压，PMN-PT薄膜4受到电场作用发生电致伸缩，PMN-PT薄膜4的伸缩会带动增益光纤2和/或第一光纤光栅3发生形变，对应的激光谐振腔10的腔长L也会发生变化，从而改变激光谐振腔10输出的谐振波长。通过调制第一电极41和第二电极42之间的电场，当PMN-PT薄膜4发生连续电致伸缩，可以带动增益光纤2和/或第一光纤光栅3连续形变，使得激光谐振腔10的腔长L连续变化，可实现激光谐振腔10内的谐振波长连续可调，最终实现单频光纤激光器的激光波长在工作范围内连续可调谐输出。
结合图5所示，还可以在第一光纤光栅1、增益光纤2和第二光纤光栅3的光纤表面均包覆PMN-PT薄膜4，在PMN-PT薄膜4上分别设置第一电极41和第二电极42。对第一电极41和第二电极42施加调制电压，PMN-PT薄膜4受到电场作用发生电致伸缩，PMN-PT薄膜4的伸缩会带动第一光纤光栅1、增益光纤2和第一光纤光栅3发生形变，此时，激光谐振腔10的腔长L和第二光纤光栅3对应的光栅周期均会发生变化，共同改变激光谐振腔10输出的谐振波长。通过调制第一电极41和第二电极42之间的电场，当PMN-PT薄膜4发生连续电致伸缩，带动激光谐振腔10的腔长L和第二光纤光栅3对应的光栅周期均连续形变，使得激光谐振腔10的腔长L连续变化，可实现激光谐振腔10内的谐振波长连续可调，最终实现单频光纤激光器的激光波长在工作范围内连续可调谐输出。
泵浦光源6通过光波分复用器5向激光谐振腔10进行泵浦光注入，泵浦光激励增益光纤2，激光谐振腔10产生的激光通过波分复用器5的信号端输出，并且经过光纤隔离器7保证激光的定向输出。其中，隔离器7采用光纤隔离器，其输入端与波分复用器5的信号端连接，光纤隔离器可以避免端面反射的激光返回谐振腔中影响其性能。
在相同的工作条件下，相较于传统的基于PZT压电陶瓷和温度控制的光纤激光器，在激光谐振腔10上加以PMN-PT薄膜的方式，PMN-PT薄膜材料本身质量较轻以及且其采用沉积薄膜的封装方式，其封装方式简单、封装元件较少，降低了激光谐振腔制备难度，可以有效提高单频光纤激光器的调谐频率上限，具备更高的调谐范围以及更高的调谐速度，如，调谐范围可以达到30～50pm，调谐速度可以达到1-10kHz，有利于提高可调谐光纤激光器在各个领域的应用性能。
综上，本发明实施例提供的可调谐单频光纤激光器，在其激光谐振腔的至少部分光纤表面包覆PMN-PT薄膜，通过对PMN-PT薄膜的两端施加电场，利用PMN-PT薄膜发生电致伸缩效应，带动PMN-PT薄膜包覆的侧壁发生形变，改变激光谐振腔的谐振波长，实现单频光纤激光器的激光波长可调谐，采用PMN-PT薄膜结构，其封装方式简单、封装元件较少，同时可以有效提高单频光纤激光器的调谐频率上限，具备更高的调谐范围以及更高的调谐速度，有利于提高可调谐光纤激光器在各个领域的应用性能。
可选的，结合图1-图5所示，第一电极41和第二电极42分别位于PMN-PT薄膜4的两个端面。
具体的，在PMN-PT薄膜4的两个端面顶点处分别设置第一电极41和第二电极42，可以最大程度利用PMN-PT薄膜4的形变量，使其带动其包覆的器件发生形变，提高现激光谐振腔10的谐振波长调制精度。
进一步，结合图1所示，根据单频光纤激光器的激光谐振腔10输出激光波长的具体要求，改变第一电极41和第二电极42之间的电场，如对PMN-PT薄膜4的两个端面施加相应大小的直流偏置电压进行调谐；如采用高频脉冲电压调制，可提高PMN-PT薄膜4的形变量速率，带动第二光纤光栅3发生形变，进一步提高现激光谐振腔10谐振波长的调制速率。
可选的，结合图1-图5所示，PMN-PT薄膜4的厚度大于100nm。
可选的，如图1所示，PMN-PT薄膜4包覆第二光纤光栅的光纤表面，PMN-PT薄膜4的电致伸缩方向平行于第二光纤光栅3的光纤轴向。
具体的，如图1所示，将PMN-PT材料以薄膜的形式沉积在第二光纤光3上，设置PMN-PT薄膜4的厚度在nm(纳米)量级，且其厚度大于100nm，可以摒弃传统使用PZT压电陶瓷时所需要的封装工艺，简化可调谐光纤激光器的生产工艺；同时，在PMN-PT薄膜4生长时控制为特定的晶面取向，使得PMN-PT薄膜4的电致伸缩方向平行于第二光纤光栅3的光纤轴向方向，通过该结构设置，PMN-PT薄膜4受到电场作用会沿第二光纤光栅3的光纤轴向发生电致伸缩，可最大利用PMN-PT薄膜4的伸缩特性，精确改变第二光纤光栅3对应的光栅周期，提高激光谐振腔10谐振波长的调制速率和调制精度。
可选的，结合图1-图5所示，第一电极41和第二电极42的材料包括金属或者ITO。
具体的，第一电极41和第二电极42可以采用导电性较好的金属材料，如Au、Ag、Cu、Ni、Pt、Pd、Al、Mo、W和Ti中的至少一种等金属导电材料，或者氧化铟锡(ITO)、铟镓锌氧化物(IGZO)、GZO、IZO(InZnO)、AZO(AlZnO)等透明导电材料。
可选的，结合图1-图5所示，第一光纤光栅1、增益光纤2和第二光纤光栅3之间采用对接或者熔接方式连接，激光谐振腔10的腔长为厘米量级。
具体的，将第一光纤光栅1、增益光纤2和第二光纤光栅3之间采用对接或者熔接方式组成布拉格反射式的激光谐振腔10，可以减少激光传输的损耗；同时设置激光谐振腔10的腔长为厘米量级，形成线性短腔结构，在泵浦光源6的作用下，该谐振腔结构可以输出单频激光，实现了可调谐单频光纤激光器的单频激光输出。
可选的，结合图1-图5所示，第一光纤光栅1的3dB反射带宽为β1，第二光纤光栅3的3dB反射带宽为β2，其中，β1≥500pm，β2≤60pm。设置第一光纤光栅1为宽带光纤光栅，第二光纤光栅3为窄带光纤光栅。
其中，3dB带宽指幅值等于最大值的二分之根号二倍时对应的频带宽度幅值的平方即为功率，平方后变为1/2倍，在对数坐标中就是-3dB的位置，也就是半功率点，对应的带宽就是功率在减少至其一半以前的频带宽度，表示在该带宽内集中了一半的功率。
可选的，结合图1-图5所示，增益光纤2的纤芯均匀掺杂稀土发光离子，或者过渡金属离子；增益光纤2的长度为厘米量级。
具体的，增益光纤2为高增益光纤，其纤芯可以均匀掺杂高浓度Yb3+、Er3+、Tm3+等稀土发光离子，或者Cr2+、Fe2+、Ni2+等过渡金属离子，根据单频光纤激光器的激光谐振腔10输出激光波长的具体要求，以及激光谐振腔10的腔长，设置增益光纤2的长度为厘米量级，提高增益光纤的增益值。
可选的，结合图1-图5所示，泵浦光源6包括单模半导体激光器或者光纤激光器；泵浦光源6的输出光功率大于50mW，且其输出光波长与增益光纤2的吸收峰匹配。
具体的，据单频光纤激光器的激光谐振腔10输出激光波长的具体要求，选用合适输出光功率的泵浦光源6，以保证单频光纤激光器的激光波长可调谐、大功率激光输出。
可选的，结合图1-图5所示，第一光纤光栅1的反射率为α1，第二光纤光栅3的反射率为α2，其中，α1＞99.9％，55％＜α2＜65％。
具体的，通过合理设置第一光纤光栅1和第二光纤光栅3的反射率，可以提高激光谐振腔10内泵浦光以及产生的激光利用率，增大激光输出功率。
下面列举一个基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器的具体的实施例。
在本实施例中，继续参照图1所示，基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器包括：第一光纤光栅1、增益光纤2、第二光纤光栅3、镀有一对金属电极的PMN-PT薄膜4、光波分复用器5、泵浦光源6、隔离器7。
反射率光纤光栅1、增益光纤2和第二光纤光栅3以熔接的方式组成了激光器的激光谐振腔10，其中，第一光纤光栅1的反射中心波长为1064nm，3dB反射带宽为500pm，反射率大于99.9％；第二光纤光栅3的反射中心波长为1064nm，3dB反射带宽为60pm，反射率约为60％；高增益光纤2为掺镱石英光纤，整个激光谐振腔10的物理长度L为4cm，可以实现单频激光输出。激光沉积的方式，在第二光纤光栅3光纤表面沉积一层厚度为1.5um的PMN-PT薄膜4，在PMN-PT薄膜4的两端分别镀上ITO电极。
选用工作波长为980nm的单模激光二极管作为泵浦光源6，泵浦光源6通过980/1064nm波分复用器5后以泵浦的方式向激光谐振腔10内注入100mW的泵浦光S1，可以产生20mW、1064nm波长的输出激光S2，输出激光S2经工作波长为1064nm的光纤隔离器7隔离输出，通过一个信号发生器以及一个电压放大器产生调制信号施加到PMN-PT薄膜4电极上，PMN-PT薄膜4发生连续电致伸缩，带动第二光纤光栅3发生轴向连续形变，对应的光栅周期也会发生连续变化，便可以对可调谐单频光纤激光器的输出激光S2的波长进行快速调谐。
本发明提供的基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器，包括：一对工作波长匹配的布拉格光纤光栅，增益光纤，波分复用器，泵浦光源，隔离器，其中输出端光纤光栅上附着一层PMN-PT薄膜，并且薄膜上镀有电极，作为实现输出波长可调谐功能的主要器件。利用PMN-PT材料本身优异的压电特性，通过对其施加电压调整光纤光栅的工作波长，从而实现对激光器输出波长的大范围调谐。其结构简单紧凑，简化了组装上的工艺流程，降低了激光器的封装要求，同时可以保证良好的调谐性能，可以广泛应用于波分复用系统，激光雷达，气体检测等领域。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互组合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种基于PMN-PT薄膜的可调谐单频光纤激光器，其特征在于包括：包括第一光纤光栅、增益光纤、第二光纤光栅、PMN-PT薄膜、光波分复用器、泵浦光源、隔离器；所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅分别与所述增益光纤的两端连接，共同形成激光谐振腔；其中，所述增益光纤作为所述激光谐振腔的增益介质，所述第一光纤光栅的反射率大于所述第二光纤光栅的反射率；
所述PMN-PT薄膜包覆所述第一光纤光栅、所述增益光纤和所述第二光纤光栅中的至少一个的光纤表面；所述PMN-PT薄膜包括第一电极和第二电极，当对所述第一电极和所述第二电极施加电压时，所述PMN-PT薄膜发生电致伸缩，带动其包覆的器件发生形变，改变所述激光谐振腔的谐振波长，实现单频光纤激光器的激光波长可调谐；
所述泵浦光源通过光波分复用器向所述激光谐振腔进行泵浦光注入，所述激光谐振腔产生的激光依次经过所述波分复用器和所述隔离器输出。
2.根据权利要求1所述的可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极分别位于所述PMN-PT薄膜的两个端面。
3.根据权利要求1所述的可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述PMN-PT薄膜包覆所述第二光纤光栅的光纤表面，所述PMN-PT薄膜的电致伸缩方向平行于所述第二光纤光栅的光纤轴向。
4.根据权利要求1所述的可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述PMN-PT薄膜的厚度大于100nm。
5.根据权利要求1所述的可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材料包括金属或者ITO。
6.根据权利要求1所述的可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤光栅、增益光纤和所述第二光纤光栅之间通过对接或者熔接方式连接；所述激光谐振腔的腔长为厘米量级。
7.根据权利要求1所述的可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤的纤芯均匀掺杂稀土发光离子，或者过渡金属离子；
所述增益光纤的长度为厘米量级。
8.根据权利要求1所述的可调谐单频光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光源包括单模半导体激光器或者光纤激光器；
所述泵浦光源的输出光功率大于50mW，且其输出光波长与所述增益光纤的吸收峰匹配。
9.根据权利要求1所述的可调谐单频光纤激光器，所述第一光纤光栅的反射率为α1，所述第二光纤光栅的反射率为α2，
其中，α1＞99.9％，55％＜α2＜65％。
10.根据权利要求1所述的可调谐单频光纤激光器，所述第一光纤光栅的3dB反射带宽为β1，所述第二光纤光栅的3dB反射带宽为β2，
其中，β1≥500pm，β2≤60pm。
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