CN115296132A - 一种高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统 - Google Patents

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CN115296132A CN202211223988.9A CN202211223988A CN115296132A CN 115296132 A CN115296132 A CN 115296132A CN 202211223988 A CN202211223988 A CN 202211223988A CN 115296132 A CN115296132 A CN 115296132A
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Abstract

本发明提供一种高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，包括泵浦光纤激光器和顺次光路连接的多级环形腔拉曼激光器，每一级环形腔拉曼激光器对应一个泵浦循环模块，每一级环形腔拉曼激光器和对应的泵浦循环模块构成一个回路。泵浦光纤激光器，用于产生泵浦拉曼激光器的泵浦激光；第k1级环形腔拉曼激光器，用于产生k1阶拉曼激光；第k1级泵浦循环模块，用于分离残余泵浦光，经过偏振旋转后再次利用；第k2级环形腔拉曼激光器，用于产生k2阶拉曼激光，k2=k1+1。本发明采用了多级环形腔拉曼激光器，产生的拉曼光的光谱纯度和光谱线宽显著低于传统光纤拉曼激光器，提高了泵浦激光利用效率。

Description

一种高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，更具体地，涉及一种高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统。
背景技术
相比于传统的固体激光器，光纤激光器在紧凑性、可靠性和灵活性方面具有许多显着优势。特别是连续泵浦全光纤拉曼激光器，其光谱能够扩展至1-2μm内的任意波长，是一种灵活高效的光纤光源。拉曼光纤激光器也被证明具有许多吸引人的能力，例如多波长输出、产生超短脉冲和宽带调谐能力。当前拉曼光纤激光器在光纤传感、光纤通信、材料加工等各个领域都有广泛应用。然而，使用驻波腔结构的拉曼光纤激光器其输出光谱纯度不高，携带多个波长的拉曼激光，为后续使用造成不变，并且拉曼激光放大器总体的泵浦激光使用效率偏低，因此，如何找到一种提高光谱纯度，并能重复利用泵浦激光的方法，就成为业内亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统包括泵浦光纤激光器和顺次光路连接的多级环形腔拉曼激光器，每一级环形腔拉曼激光器对应一个泵浦循环模块，每一级环形腔拉曼激光器和对应的泵浦循环模块构成一个回路；
所述泵浦光纤激光器，用于产生泵浦激光，且将所述泵浦激光输入第一级环形腔拉曼激光器中；
第k1级环形腔拉曼激光器，用于产生k1阶拉曼激光；
第k1级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第k1级环形腔拉曼激光器；
第k2级环形腔拉曼激光器，用于以所述第k1级环形腔拉曼激光器输出的k1阶拉曼激光作为泵浦光，产生k2阶拉曼激光；
第k2级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第k2级环形腔拉曼激光器直至第n级环形腔拉曼激光器输出第n阶拉曼激光，k1＜n，且k1和n均为正整数，k2=k1+1。在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述n根据所需拉曼激光器输出波长的要求确定。
可选的，所述拉曼光产生系统包括泵浦光纤激光器、第一级环形腔拉曼激光器、第一泵浦循环模块、第二级环形腔拉曼激光器和第二泵浦循环模块，所述泵浦光纤激光器的输出端与第一级环形腔拉曼激光器的输入端连接，所述第一级环形腔拉曼激光器的输出端与所述第二级环形腔拉曼激光器的输入端连接，所述第一级环形腔拉曼激光器和所述第一泵浦循环模块形成第一回路，所述第二环形腔拉曼激光器和所述第二泵浦循环模块形成第二回路；
所述泵浦光纤激光器，用于产生泵浦激光，且将所述泵浦激光输入第一级环形腔拉曼激光器中；
第一级环形腔拉曼激光器，用于产生一阶拉曼激光；
第一级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第一级环形腔拉曼激光器；
第二级环形腔拉曼激光器，用于以所述第一级环形腔拉曼激光器输出的一阶拉曼激光作为泵浦光，产生二阶拉曼激光；
第二级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第二级环形腔拉曼激光器。
可选的，所述泵浦光纤激光器为连续光光纤激光器。
可选的，每一级所述环形腔拉曼激光器将入射的泵浦激光通过拉曼效应转换为对应的斯托克斯光。
可选的，每一级所述环形腔拉曼激光器包括光纤隔离器、第一波分复用器、掺磷拉曼光纤、光纤耦合器、光纤滤波器以及第二波分复用器；
所述光纤隔离器的输入端与所述泵浦光纤激光器的输出端连接，其输出端与所述第一波分复用器的短波输入接口连接，用于防止反射回来的反向斯托克斯光耦合到泵浦光纤激光器中；
所述第一波分复用器的公共端与所述掺磷拉曼光纤的一端熔接，所述掺磷拉曼光纤的另一端与所述光纤耦合器的输入端连接，所述光纤耦合器的高分光比输出端与所述第二波分复用器的公共端连接，所述光纤耦合器的低分光比输出端与所述光纤滤波器的输入端连接，所述光纤滤波器的输出端与所述第一波分复用器的长波输入端连接；
所述光纤耦合器的高分光比输出端输出的残余泵浦光和拉曼激光通过所述第二波分复用器分开，提高拉曼激光系统的光谱纯度。
可选的，所述光纤滤波器，用于限制对应环形腔拉曼激光器内拉曼激光的线宽，所述光纤滤波器为光纤光栅和环形器的组合，或者为光纤法布里-珀罗腔，或者为膜片滤波器。
可选的，每一个泵浦循环模块包括偏振合束器和偏振旋转器；
所述泵浦光纤激光器输出的短波泵浦光输入所述偏振合束器，偏振方向沿保偏光纤慢轴，所述第二波分复用器按照波长将长波泵浦光和少量残余的短波泵浦光分开，少量残余的短波泵浦光经过所述偏振旋转器进行偏振态旋转变成沿保偏光纤快轴传输，注入所述偏振合束器的快轴输入端，经由所述偏振合束器将泵浦光纤激光器输出的短波泵浦光和所述少量残余的短波泵浦光进行合束，再次进入对应的环形腔拉曼激光器中。
本发明提供的一种高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，采用了多级环形腔拉曼激光器，产生的拉曼光的光谱纯度高、光谱线宽显著低于传统光纤拉曼激光器，提高了泵浦激光利用效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统的结构示意图；
图2为环形腔拉曼激光器的结构示意图；
图3为泵浦循环模块的结构示意图。
附图中，各标号所代表的名称为：
101、泵浦光纤激光器，102、第一环形腔拉曼激光器，103、第二环形腔拉曼激光器，104、第一泵浦循环模块，105、第二泵浦循环模块；
201、光纤隔离器，202、第一波分复用器，203、掺磷拉曼光纤，204、光纤耦合器，205、光纤滤波器，206、第二波分复用器；
301、泵浦光纤激光器，302、第一偏振合束器，309、第一偏振旋转器，104、第一泵浦循环模块，303、第一光纤隔离器，304第一波分复用器，305、第一掺磷拉曼光纤，306、第一光纤耦合器，307、第一光纤滤波器，308、第二波分复用器；309、第二偏振旋转器，310、第二偏振合束器，311、第二光纤隔离器，312、第三波分复用器，313、第二掺磷拉曼光纤，314、第二光纤耦合器，315、第二光纤滤波器，316、第四波分复用器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，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。
本发明提供了一种高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，可用于产生光谱纯度高、光谱线宽窄的拉曼激光。该拉曼激光产生系统包括泵浦光纤激光器和顺次光路连接的多级环形腔拉曼激光器，每一级环形腔拉曼激光器对应一个泵浦循环模块，每一级环形腔拉曼激光器和对应的泵浦循环模块构成一个回路。
其中，泵浦光纤激光器，用于产生泵浦激光，且将所述泵浦激光输入第一级环形腔拉曼激光器中；第k1级环形腔拉曼激光器，用于产生k1阶拉曼激光；第k1级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第k1级环形腔拉曼激光器；第k2级环形腔拉曼激光器，用于以所述第k1级环形腔拉曼激光器输出的k1阶拉曼激光作为泵浦光，产生k2阶拉曼激光；第k2级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第k2级环形腔拉曼激光器直至第n级环形腔拉曼激光器输出第n阶拉曼激光，k1＜n，且k1和n均为正整数，k2=k1+1。其中，环形腔拉曼激光器的级数可根据具体所需拉曼激光器输出波长的要求来确定。
可参见图1，图1中的拉曼光产生系统包括两级环形腔拉曼激光器，拉曼光产生系统主要包括泵浦光纤激光器101、第一级环形腔拉曼激光器102、第一泵浦循环模块104、第二级环形腔拉曼激光器103和第二泵浦循环模块105，所述泵浦光纤激光器101的输出端与第一级环形腔拉曼激光器102的输入端连接，所述第一级环形腔拉曼激光器102的输出端与所述第二级环形腔拉曼激光器103的输入端连接，所述第一级环形腔拉曼激光器102和所述第一泵浦循环模块104形成第一回路，所述第二环形腔拉曼激光器103和所述第二泵浦循环模块105形成第二回路。
所述泵浦光纤激光器101，用于产生泵浦激光，且将所述泵浦激光输入第一级环形腔拉曼激光器102中；第一级环形腔拉曼激光器102，用于产生一阶拉曼激光；第一级泵浦循环模块104，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第一级环形腔拉曼激光器102；第二级环形腔拉曼激光器103，用于以所述第一级环形腔拉曼激光器102输出的一阶拉曼激光作为泵浦光，产生二阶拉曼激光；第二级泵浦循环模块105，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第二级环形腔拉曼激光器103。
其中，泵浦光纤激光器101为连续光光纤激光器，可根据应用需求选择不同的激光器。环形腔拉曼激光器的结构为环形状，环形腔拉曼激光器将入射的泵浦激光通过拉曼效应转换为对应的斯托克斯光。
本发明中，窄带宽环形腔拉曼激光器是获得稳定的、高光谱纯度的拉曼激光的关键，因此对拉曼激光产生系统中环形腔拉曼激光器的结构设计做详细描述，以更清楚地表达本发明的思想。如图2所示，环形腔拉曼激光器包括光纤隔离器201、第一波分复用器202、掺磷拉曼光纤203、光纤耦合器205、光纤滤波器205以及第二波分复用器206。
所述光纤隔离器201的输入端与所述泵浦光纤激光器101的输出端连接，其输出端与所述第一波分复用器202的短波输入接口连接，用于防止反射回来的反向斯托克斯光耦合到泵浦光纤激光器101中；所述第一波分复用器202的公共端与所述掺磷拉曼光纤203的一端熔接，所述掺磷拉曼光纤203的另一端与所述光纤耦合器204的输入端连接，所述光纤耦合器204的高分光比输出端与所述第二波分复用器206的公共端连接，所述光纤耦合器204的低分光比输出端与所述光纤滤波器205的输入端连接，所述光纤滤波器205的输出端与所述第一波分复用器202的长波输入端连接；所述光纤耦合器204的高分光比输出端输出的残余泵浦光和拉曼激光通过所述第二波分复用器206分开，提高拉曼激光系统的光谱纯度。
其中，所述光纤滤波器205，用于限制对应环形腔拉曼激光器内拉曼激光的线宽，所述光纤滤波器205为光纤光栅和环形器的组合，或者为光纤法布里-珀罗腔，或者为膜片滤波器。
需要说明的是，将环形腔拉曼激光器设计为图2的结构，根据图2的连接方式，拉曼激光在光纤器件构成的环形腔内传输，在负反馈作用下形成稳定振荡。光纤耦合器204的高分光比端输出的残余泵浦光和拉曼激光通过第二波分复用器206分开，从而提高了拉曼激光系统的光谱纯度，由于窄光纤滤波器的存在，只有单级次斯托克斯光可以形成谐振，输出端不含其他级次的斯托克斯光。
其中，每一个泵浦循环模块包括偏振合束器和偏振旋转器（图2中未示出）；泵浦光纤激光器101输出的短波泵浦光输入所述偏振合束器，偏振方向沿保偏光纤慢轴，所述第二波分复用器206按照波长将长波泵浦光和少量残余的短波泵浦光分开，少量残余的短波泵浦光经过所述偏振旋转器进行偏振态旋转变成沿保偏光纤快轴传输，注入所述偏振合束器的快轴输入端，经由所述偏振合束器将泵浦光纤激光器101输出的短波泵浦光和所述少量残余的短波泵浦光进行合束，再次进入对应的环形腔拉曼激光器中。
本发明以产生1480nm拉曼激光为例，详细介绍一种高纯度保偏光纤拉曼激光产生系统的结构示意图，如图3，该拉曼光产生系统包括泵浦光纤激光器301、第一偏振合束器302和第一偏振旋转器309组成的第一泵浦循环模块104；第一光纤隔离器303、第一波分复用器304、第一掺磷拉曼光纤305、第一光纤耦合器306、第一光纤滤波器307以及第二波分复用器308组成的第一环形腔拉曼激光器102；第二偏振合束器310和第二偏振旋转器317组成的第二泵浦循环模块105；第二光纤隔离器311、第三波分复用器312、第二掺磷拉曼光纤313、第二光纤耦合器314、第二光纤滤波器315以及第四波分复用器316组成的第二环形腔拉曼激光器103。
泵浦光纤激光器301输出的1070nm的激光与第一泵浦循环模块104中的第一偏振合束器302连接，偏振方向沿保偏光纤慢轴；随后经过第一光纤隔离器303，防止反射回来的反向斯托克斯光耦合到泵浦激光器中；第一光纤隔离器303与第一波分复用器304的1070nm接口连接；第一波分复用器304的公共端与第一掺磷拉曼光纤305直接熔接；第一掺磷拉曼光纤305的另一端与第一光纤耦合器306的输入端连接，输出端为分光比为70%，与第二波分复用器308的公共端连接；分光比30%端口与第一光纤滤波器307的输入端连接。同时第一光纤滤波器307的输出端与第一波分复用器304的1242nm端口连接。产生的1242nm光和少量残余的1070nm泵浦光通过第二波分复用器308按照波长分开，其中残余泵浦光经过第一偏振旋转器309偏振态旋转90°变成沿保偏光纤快轴传输，重新注入第一偏振合束器302的快轴输入端，再次进入第一环形腔拉曼激光器102中。第一环形腔拉曼激光器102产生的1242nm拉曼激光作为第二环形腔拉曼激光器103的泵浦光，沿保偏光纤慢轴耦合进入第二偏振合束器310中；随后经过第二光纤隔离器311，防止反射回来的反向斯托克斯光耦合到泵浦光纤激光器101中；第二光纤隔离器310与第三波分复用器312的1242nm接口连接；第三波分复用器312的公共端与第二掺磷拉曼光纤313直接熔接；第二掺磷拉曼光纤313的另一端与第二光纤耦合器314的输入端连接，输出端为分光比为70%，与第四波分复用器316的公共端连接；分光比30%端口与第二光纤滤波器315的输入端连接；同时第二光纤滤波器315的输出端与第三波分复用器312的1480nm端口连接。产生的1480nm光和少量残余的1242nm泵浦光通过第四波分复用器316按照波长分开，其中残余泵浦光经过第二偏振旋转器317偏振态旋转90°变成沿保偏光纤快轴传输，重新注入第二偏振合束器310的快轴输入端，再次进入第二环形腔拉曼激光器103中。第二波分复用器316的长波输出端输出高光谱纯度的拉曼激光。
本发明实施例提供的一种高纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，可以级联环形结构保偏光纤拉曼激光器的方式，提高输出拉曼激光的光谱纯度，并利用保偏光纤不同轴向传输的特点，采用偏振泵浦提高了泵浦光转换效率。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，其特征在于，包括泵浦光纤激光器和顺次光路连接的多级环形腔拉曼激光器，每一级环形腔拉曼激光器对应一个泵浦循环模块，每一级环形腔拉曼激光器和对应的泵浦循环模块构成一个回路；
所述泵浦光纤激光器，用于产生泵浦激光，且将所述泵浦激光输入第一级环形腔拉曼激光器中；
第k1级环形腔拉曼激光器，用于产生k1阶拉曼激光；
第k1级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第k1级环形腔拉曼激光器；
第k2级环形腔拉曼激光器，用于以所述第k1级环形腔拉曼激光器输出的k1阶拉曼激光作为泵浦光，产生k2阶拉曼激光；
第k2级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第k2级环形腔拉曼激光器直至第n级环形腔拉曼激光器输出第n阶拉曼激光，k1＜n，且k1和n均为正整数，k2=k1+1。
2.根据权利要求1所述的拉曼激光产生系统，其特征在于，所述n根据所需拉曼激光器输出波长的要求确定。
3.根据权利要求1所述的拉曼光产生系统，其特征在于，所述拉曼光产生系统包括泵浦光纤激光器、第一级环形腔拉曼激光器、第一泵浦循环模块、第二级环形腔拉曼激光器和第二泵浦循环模块，所述泵浦光纤激光器的输出端与第一级环形腔拉曼激光器的输入端连接，所述第一级环形腔拉曼激光器的输出端与所述第二级环形腔拉曼激光器的输入端连接，所述第一级环形腔拉曼激光器和所述第一泵浦循环模块形成第一回路，所述第二环形腔拉曼激光器和所述第二泵浦循环模块形成第二回路；
所述泵浦光纤激光器，用于产生泵浦激光，且将所述泵浦激光输入第一级环形腔拉曼激光器中；
第一级环形腔拉曼激光器，用于产生一阶拉曼激光；
第一级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第一级环形腔拉曼激光器；
第二级环形腔拉曼激光器，用于以所述第一级环形腔拉曼激光器输出的一阶拉曼激光作为泵浦光，产生二阶拉曼激光；
第二级泵浦循环模块，用于分离对应的残余泵浦光，并经过偏振旋转后再次注入所述第二级环形腔拉曼激光器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，其特征在于，所述泵浦光纤激光器为连续光光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，其特征在于，每一级所述环形腔拉曼激光器将入射的泵浦激光通过拉曼效应转换为对应的斯托克斯光。
6.根据权利要求1所述的高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，其特征在于，每一级所述环形腔拉曼激光器包括光纤隔离器、第一波分复用器、掺磷拉曼光纤、光纤耦合器、光纤滤波器以及第二波分复用器；
所述光纤隔离器的输入端与所述泵浦光纤激光器的输出端连接，其输出端与所述第一波分复用器的短波输入接口连接，用于防止反射回来的反向斯托克斯光耦合到泵浦光纤激光器中；
所述第一波分复用器的公共端与所述掺磷拉曼光纤的一端熔接，所述掺磷拉曼光纤的另一端与所述光纤耦合器的输入端连接，所述光纤耦合器的高分光比输出端与所述第二波分复用器的公共端连接，所述光纤耦合器的低分光比输出端与所述光纤滤波器的输入端连接，所述光纤滤波器的输出端与所述第一波分复用器的长波输入端连接；
所述光纤耦合器的高分光比输出端输出的残余泵浦光和拉曼激光通过所述第二波分复用器分开，提高拉曼激光系统的光谱纯度。
7.根据权利要求6所述的高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，其特征在于，所述光纤滤波器，用于限制对应环形腔拉曼激光器内拉曼激光的线宽，所述光纤滤波器为光纤光栅和环形器的组合，或者为光纤法布里-珀罗腔，或者为膜片滤波器。
8.根据权利要求6所述的高光谱纯度保偏光纤拉曼激光产生系统，其特征在于，每一个泵浦循环模块包括偏振合束器和偏振旋转器；
所述泵浦光纤激光器输出的短波泵浦光输入所述偏振合束器，偏振方向沿保偏光纤慢轴，所述第二波分复用器按照波长将长波泵浦光和少量残余的短波泵浦光分开，少量残余的短波泵浦光经过所述偏振旋转器进行偏振态旋转变成沿保偏光纤快轴传输，注入所述偏振合束器的快轴输入端，经由所述偏振合束器将泵浦光纤激光器输出的短波泵浦光和所述少量残余的短波泵浦光进行合束，再次进入对应的环形腔拉曼激光器中。
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