CN115360574A - 一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器，属于光纤通信、光纤器件及仪器仪表技术领域。包括793纳米包层泵浦、793纳米/2000纳米包层泵浦合束器、掺铥光纤、光纤环形器、均匀光纤光栅、法布里‑珀罗光纤光栅、3dB光纤耦合器一、3dB光纤耦合器二、3dB光纤耦合器三、挤压式偏振控制器、90比10光纤耦合器,本发明使用的双环复合子环腔成功拓展了激光器的有效纵模间隔，达到了超窄带滤波效果，具有杰出的单纵模选模能力和线宽压窄作用。通过改变光纤激光器腔内激光的偏振态和对激光器结构的优化设计，结合光纤光栅组合的滤波功能，可以实现单纵模激光的稳定运行。

Description

一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器，属于光纤通信、光纤器件及仪器仪表技术领域。

背景技术

激光自20世纪60年代面世以来，因其高定向性、高相干性和高亮度等特点被广泛的应用在通信、医疗、农业、工业和国防等领域。随着C波段光纤激光技术的日益成熟，拓宽激光波长，发展近红外波段激光技术的需求越来越迫切，其中，研制利用掺铥光纤、掺钬光纤实现2μm波段激光激射是未来光通信技术发展的重要方向。

单频光纤激光是光纤激光技术领域正在快速发展的重要分支，具有超窄光谱线宽、超长想干度等特征，在光纤传感、相干激光雷达、大功率相干合成、相干光通信、光原子钟、引力波探测等领域具有重要应用价值。近年来针对单频光纤激光产生进行的技术研究主要集中在高增益光纤拉制、激光器谐振腔设计两方面，尤其是谐振腔的优化设计可以极大的提升输出激光的噪声性能、线宽性能、稳定性能等。常用的谐振腔优化方式有缩短激光腔长、级联多环子环腔等。

目前许多近红外波段掺铥光纤激光器不能稳定输出单一纵模的激光，只能利用光纤光栅构建分布式布拉格反射激光器、分布反馈激光器，通过极大的缩短激光器腔长，从而达到扩大激光纵模，以实现激光腔内单纵模选择并稳定输出的效果。但与此同时，较短长度的增益光纤也限制了光纤激光器的输出功率，光学特性难以提高。与此同时，现有的工艺很难制作出两只完全相同的窄带光纤光栅，这一缺陷同样限制了分布式布拉格反射激光器、分布反馈激光器的输出功率。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器。

一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器，包括793纳米包层泵浦、793纳米/2000纳米包层泵浦合束器、掺铥光纤、光纤环形器、均匀光纤光栅、法布里-珀罗光纤光栅、3dB光纤耦合器一、3dB光纤耦合器二、3dB光纤耦合器三、挤压式偏振控制器、90比10光纤耦合器,793纳米包层泵浦源与793纳米/2000纳米包层泵浦合束器的一端相连，793纳米/2000纳米包层泵浦合束器的另一端通过第一光纤管道与掺铥光纤的一端相连，掺铥光纤的另一端通过第二光纤管道与光纤环形器的1端口相连，光纤环形器的2端口通过第三光纤管道与均匀光纤光栅相连，光纤环形器的3端口通过第四光纤管道与法布里-珀罗光纤光栅相连，法布里-珀罗光纤光栅的另一端通过第五光纤管道与3dB光纤耦合器一相连，3dB光纤耦合器一的一端通过第六光纤管道与3dB光纤耦合器二的一端相连，3dB光纤耦合器二的另一端通过第七光纤管道与3dB光纤耦合器三的一端相连，3dB光纤耦合器三的一端通过第八光纤管道与3dB光纤耦合器一的一端相连，3dB光纤耦合器三的一端通过第九光纤管道与3dB光纤耦合器二的一端相连，3dB光纤耦合器一的一端通过第十光纤管道与挤压式偏振控制器的一端相连，挤压式偏振控制器的另一端通过第十一光纤管道与90比10光纤耦合器的一端相连，90比10光纤耦合器的另一端第十二光纤管道作为整个光纤激光器的输出端口，793纳米/2000纳米包层泵浦合束器的一端通过第十三光纤管道与90比10光纤耦合器的一端相连，90比10光纤耦合器的第十四光纤管道端口作为整个激光器的输出端口。

本发明的优点是使用的双环复合子环腔成功拓展了激光器的有效纵模间隔，达到了超窄带滤波效果，具有杰出的单纵模选模能力和线宽压窄作用。通过改变光纤激光器腔内激光的偏振态和对激光器结构的优化设计，结合光纤光栅组合的滤波功能，可以实现单纵模激光的稳定运行。将在光纤非线性、光学测量、分布式光纤传感等领域发挥重要作用。

本发明具有的效果如下：使用均匀光纤光栅与法布里-珀罗光纤光栅作为粗选滤波器，3dB光纤耦合器一、3dB光纤耦合器二、3dB光纤耦合器三构成超窄带宽滤波器，并使用挤压式偏振控制器调节激光腔内偏振烧孔效应，以获得稳定输出的单纵模光纤激光。

本发明输出激光的单纵模运行是由激光器腔长、法布里-珀罗光纤光栅和双环复合子腔的腔长共同决定的，腔内损耗是由双环复合子腔的透射率决定的，线宽是由均匀光纤光栅、法布里-珀罗光纤光栅、双环复合子腔共同决定的，输出激光的功率波动是由挤压式偏振控制器决定的。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明的结构图。

图2a为本发明的之一输出激光光谱图。

图2b为本发明的之二输出激光光谱图。

图3为本发明的单波长单纵模输出纵模拍频图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

为便于对实施例的理解，下面将结合做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对实施例的限定。

实施例1：如图1、图2a、图2b及图3所示，一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器，包括793纳米包层泵浦01、793纳米/2000纳米包层泵浦合束器02、掺铥光纤03、光纤环形器04、均匀光纤光栅05、法布里-珀罗光纤光栅06、3dB光纤耦合器一07、3dB光纤耦合器二08、3dB光纤耦合器三09、挤压式偏振控制器10、90比10光纤耦合器11。

793纳米包层泵浦源01与793纳米/2000纳米包层泵浦合束器02的一端相连，793纳米/2000纳米包层泵浦合束器02的另一端通过第一光纤管道021与掺铥光纤03的一端相连，掺铥光纤03的另一端通过第二光纤管道031与光纤环形器04的1端口相连，光纤环形器04的2端口通过第三光纤管道041与均匀光纤光栅05相连，光纤环形器04的3端口通过第四光纤管道042与法布里-珀罗光纤光栅06相连，法布里-珀罗光纤光栅06的另一端通过第五光纤管道061与3dB光纤耦合器一07相连，3dB光纤耦合器一07的一端通过第六光纤管道071与3dB光纤耦合器二08的一端相连，3dB光纤耦合器二08的另一端通过第七光纤管道081与3dB光纤耦合器三09的一端相连，3dB光纤耦合器三09的一端通过第八光纤管道091与3dB光纤耦合器一07的一端相连，3dB光纤耦合器三09的一端通过第九光纤管道092与3dB光纤耦合器二08的一端相连，3dB光纤耦合器一07的一端通过第十光纤管道072与挤压式偏振控制器10的一端相连，挤压式偏振控制器10的另一端通过第十一光纤管道101与90比10光纤耦合器11的一端相连，90比10光纤耦合器11的另一端第十二光纤管道111作为整个光纤激光器的输出端口，793纳米/2000纳米包层泵浦合束器02的一端通过第十三光纤管道022与90比10光纤耦合器11的一端相连，将整个光纤激光器连接成环形腔回路，同时90比10光纤耦合器11的第十四光纤管道111端口作为整个激光器的输出端口。

优化设计环形子腔的腔长和光纤耦合器耦合比等结构参数以获得最佳的单纵模选模效果。

光纤激光器的主环腔为：793纳米/2000纳米包层泵浦合束器02、第一光纤管道021、掺铥光纤03、第二光纤管道031、光纤环形器04、第四光纤管道042、法布里-珀罗光纤光栅06、3dB光纤耦合器一07、第十光纤管道072、挤压式偏振控制器10、第十一光纤管道101、90比10光纤耦合器11及第十三光纤管道022组成的主环腔，光纤激光器的主环腔长为12.46m，计算所得纵模间隔为16.4MHz。环型腔光纤激光器纵模间隔计算公式：Δ＝c/nL，Δ为纵模间隔，c为真空中的光速3×10⁸m/s，n为单模光纤的有效折射率1.468。

如图2a所示，本发明的输出激光光谱图，调节挤压式偏振控制器后，激光器单波长运行的输出光谱。

如图2b所示，本发明的输出激光光谱图，一小时内单波长输出稳定性测试光谱，测试时间间隔为6分钟。

图3为本发明的单波长单纵模输出纵模拍频图。图3为扫描范围100MHz的激光器拍频结果。在扫描范围内，没有任何明显的拍频信号被捕捉到，说明激光器运行在稳定的单纵模状态。

子环腔可拆解为两个光纤环形腔(第一环形腔及第二环形腔)，第六光纤管道071、3dB光纤耦合器一07、第八光纤管道091、3dB光纤耦合器三09、第七光纤管道081及3dB光纤耦合器二08组成第一环形腔，第七光纤管道081、3dB光纤耦合器二08、第九光纤管道092及3dB光纤耦合器三09组成第二环形腔，

第六光纤管道071的长度为0.5m，第七光纤管道081的长度为0.5m，第八光纤管道091的长度为0.5m，第九光纤管道092的长度为0.94m。3dB光纤耦合器07的分光比为50：50，3dB光纤耦合器08的分光比为50：50，3dB光纤耦合器09的分光比为50：50。

本发明使用均匀光纤光栅、法布里-珀罗光纤光栅构成粗滤波光栅组合；3dB光纤耦合器一、3dB光纤耦合器二、3dB光纤耦合器三构成双环复合子环腔，利用游标效应扩大激光器纵模间隔并压窄激光线宽；挤压式偏振控制器可以调节激光腔内的偏振烧孔效应，实现输出激光的稳定激射。

本发明采用了均匀光纤光栅05和法布里-珀罗光纤光栅06组合，优化了滤波器的滤波带宽，有助于获得更窄线宽的稳定单波长激光输出。在腔内加入挤压式偏振控制器10，利用偏振烧孔效应获得更稳定的激光输出。

如上，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器，其特征在于,包括793纳米包层泵浦、793纳米/2000纳米包层泵浦合束器、掺铥光纤、光纤环形器、均匀光纤光栅、法布里-珀罗光纤光栅、3dB光纤耦合器一、3dB光纤耦合器二、3dB光纤耦合器三、挤压式偏振控制器、90比10光纤耦合器,793纳米包层泵浦源与793纳米/2000纳米包层泵浦合束器的一端相连，793纳米/2000纳米包层泵浦合束器的另一端通过第一光纤管道与掺铥光纤的一端相连，掺铥光纤的另一端通过第二光纤管道与光纤环形器的1端口相连，光纤环形器的2端口通过第三光纤管道与均匀光纤光栅相连，光纤环形器的3端口通过第四光纤管道与法布里-珀罗光纤光栅相连，法布里-珀罗光纤光栅的另一端通过第五光纤管道与3dB光纤耦合器一相连，3dB光纤耦合器一的一端通过第六光纤管道与3dB光纤耦合器二的一端相连，3dB光纤耦合器二的另一端通过第七光纤管道与3dB光纤耦合器三的一端相连，3dB光纤耦合器三的一端通过第八光纤管道与3dB光纤耦合器一的一端相连，3dB光纤耦合器三的一端通过第九光纤管道与3dB光纤耦合器二的一端相连，3dB光纤耦合器一的一端通过第十光纤管道与挤压式偏振控制器的一端相连，挤压式偏振控制器的另一端通过第十一光纤管道与90比10光纤耦合器的一端相连，90比10光纤耦合器的另一端第十二光纤管道作为整个光纤激光器的输出端口，793纳米/2000纳米包层泵浦合束器的一端通过第十三光纤管道与90比10光纤耦合器的一端相连，90比10光纤耦合器的第十四光纤管道端口作为整个激光器的输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器，其特征在于,793纳米/2000纳米包层泵浦合束器、第一光纤管道、掺铥光纤、第二光纤管道、光纤环形器、第四光纤管道、法布里-珀罗光纤光栅、3dB光纤耦合器一、第十光纤管道、挤压式偏振控制器、第十一光纤管道、90比10光纤耦合器及第十三光纤管道组成的主环腔，光纤激光器的主环腔长为12.46m，计算所得纵模间隔为16.4MHz，环型腔光纤激光器纵模间隔计算公式：Δ＝c/nL，Δ为纵模间隔，c为真空中的光速3×10⁸m/s，n为单模光纤的有效折射率1.468。

3.根据权利要求2所述的一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器，其特征在于,子环腔拆解为第一环形腔及第二环形腔，第六光纤管道、3dB光纤耦合器一、第八光纤管道、3dB光纤耦合器三、第七光纤管道及3dB光纤耦合器二组成第一环形腔，第七光纤管道、3dB光纤耦合器二、第九光纤管道及3dB光纤耦合器三组成第二环形腔。

4.根据权利要求1所述的一种基于双环复合子腔的超窄线宽单纵模掺铥光纤激光器，其特征在于,第六光纤管道的长度为0.5m，第七光纤管道的长度为0.5m，第八光纤管道的长度为0.5m，第九光纤管道的长度为0.94m，3dB光纤耦合器的分光比为50：50，3dB光纤耦合器的分光比为50：50，3dB光纤耦合器的分光比为50：50。

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