CN115776035A - 稳频随机光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种稳频随机光纤激光器，包括：双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)，第一随机布拉格光栅阵列(8)和谐振模块(A)；其中，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)包括串联的三个光栅，串联的三个光栅构成双腔，双腔对随机模式进行抑制，通过调节三个光栅的反射率和间距改变双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)的随机模式抑制特性；谐振模块(A)用于和第一随机布拉格光栅阵列(8)协同作用，对随机激光进行反馈和放大；双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)位于谐振模块(A)之内或者之外。本公开的稳频随机光纤激光器可以有效抑制随机模式之间的干扰和增益竞争效应，提高了随机光纤激光器输出频率和光谱的稳定性。

Description

稳频随机光纤激光器

技术领域

本公开涉及随机激光器技术领域，尤其涉及一种稳频随机光纤激光器。

背景技术

随机光纤激光器作为一种重要的新型光源可用于非线性光学、光通信和光传感等领域。基于反馈方式的不同随机光纤激光器可分为非相干反馈随机光纤激光器和相干反馈随机光纤激光器。其中，相干反馈随机光纤激光器则是利用单模光纤或掺杂光纤中的光纤布拉格光栅阵列或相移光栅阵列形成随机谐振腔，当光子局域化长度小于随机反馈介质的长度时，满足光子局域化条件，从而将光子局域在腔内产生相干光放大，输出具有模式的随机激光。现有技术中的相干反馈随机光纤激光具有较低的工作阈值，但由于存在随机模式竞争或谐振腔热效应，其输出光谱和频率通常表现为随时间变化的随机模式。也就是说，其输出光谱和频率稳定性相对较低。

在许多高精度相干型的应用领域中，由于激光器输出激光频率的不稳定性，使得窄线宽光纤激光器在这方面的应用并不理想。通过采用具有较大带宽的滤波器，仍然会使较多随机模式返回谐振腔内进行增益竞争，导致激射频率的稳定性仍然较差。以及采用公里量级的单模光纤提供激射增益，如此冗长结构对外界环境中的温度、振动等很敏感，限制了其频率稳定性的进一步提高。再有，将光纤布拉格光栅阵列或相移光栅阵列直接刻写在掺杂光纤上，其随机反馈和增益同时发生于同一段掺杂光纤上，增益产生的热量引起随机谐振腔强热效应，使随机激光器的输出频率发生漂移，导致输出的激射光谱和频率不稳定。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于现有的技术问题，本公开提供一种稳频随机光纤激光器，用于至少部分解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供一种稳频随机光纤激光器，包括：双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6，第一随机布拉格光栅阵列8和谐振模块A；其中，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6包括串联的三个光栅，串联的三个光栅构成双腔，双腔对随机模式进行抑制，通过调节三个光栅的反射率和间距改变双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6的随机模式抑制特性；谐振模块A用于和第一随机布拉格光栅阵列8协同作用，对随机激光进行反馈和放大；双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6位于谐振模块A之内或者之外。

可选地，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6包括：第一光栅610，第二光栅620和第三光栅630；其中，第二光栅620位于第一光栅610和第三光栅630之间，第一光栅610和第三光栅630的反射率相同，第二光栅620的反射率与第一光栅610的反射率负相关；第一光栅610和第二光栅620间的间距与第二光栅620和第三光栅630间的间距相同或不同。

可选地，第一光栅610，第二光栅620和第三光栅630的长度范围为2mm～15mm；第一光栅610和第二光栅620间的间距与第二光栅620和第三光栅630间的间距比值小于等于1/3；或者，第一光栅610和第二光栅620间的间距与第二光栅620和第三光栅630间的间距比值大于等于3。

可选地，第一随机布拉格光栅阵列8包括：至少30个间距随机分布的光纤布拉格光栅；其中，光纤布拉格光栅的反射率为4％～6％，两个相邻光纤布拉格光栅的间距为3mm～8mm。

可选地，第一随机布拉格光栅阵列8中光栅的中心波长为1520nm～1560nm，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6中光栅的中心波长与第一随机布拉格光栅阵列8中光栅的中心波长相同。

可选地，稳频随机光纤激光器还包括：光纤耦合器4，光纤耦合器4的输出端口包括M％输出端口和N％输出端口，N＜M。

可选地，稳频随机光纤激光器还包括：第一光纤隔离器5和/或第二光纤隔离器9，用于保证激光单向传输。

可选地，谐振模块A中还包括：光纤环形器7，用于将双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6或第一随机布拉格光栅阵列8接入光路，以及使光单向环形传输。

可选地，稳频随机光纤激光器还包括：泵浦光源1，波分复用器2和有源掺杂光纤3；其中，泵浦光源1用于激励随机激光，波分复用器2用于将随机激光耦合进入有源掺杂光纤3，有源掺杂光纤3用于对随机激光进行增益放大。

可选地，有源掺杂光纤3为稀土掺杂光纤。

(三)有益效果

本公开提供一种稳频随机光纤激光器，通过结合使用双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪和第一随机布拉格光栅阵列，可以分别对随机激光进行随机模式的抑制和谐振反馈。通过优化双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪中三支光栅的反射率和间隔，可以改善双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪传输函数的带通形状，使其具有更窄的透射峰和更高的边带抑制特性，从而仅允许极少数的随机子模式通过，有效抑制了随机模式之间的干扰和增益竞争效应，可以提高随机光纤激光器输出频率和光谱的稳定性。

分别采用随机布拉格光栅阵列和有源掺杂光纤对随机激光进行反馈和增益，将反馈和增益过程分离开，有效避免了谐振腔热效应对频率稳定性的不良影响。

本公开的稳频随机光纤激光器结构简单紧凑，在没有锁相等主动控制技术下，可以很容易实现输出频率稳定和光谱稳定的激光输出，有利于随机激光器在高精度相干型领域中的应用。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的稳频随机光纤激光器结构图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪的结构图；

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的稳频随机光纤激光器结构图；

图4示意性示出了根据本公开又一实施例的稳频随机光纤激光器结构图。

【附图标记说明】

1-泵浦光源

2-波分复用器

3-有源掺杂光纤

4-光纤耦合器

5-第一光纤隔离器

6-双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪

610-第一光栅

620-第二光栅

630-第三光栅

7-光纤环形器

8-第一随机布拉格光栅阵列

9-第二光纤隔离器

10-第二随机布拉格光栅阵列

A-谐振模块

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

除非存在技术障碍或矛盾，本公开的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本公开的保护范围中。

虽然结合附图对本公开进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本公开优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本公开的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本公开的限制。

虽然本公开总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体公开构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本公开的范围以权利要求和它们的等同物限定。

实施例1

图1示意性示出了根据本公开实施例的稳频随机光纤激光器结构图。

根据本公开的实施例，如图1所示，稳频随机光纤激光器例如包括：泵浦光源1，波分复用器2，有源掺杂光纤3，光纤耦合器4，第一光纤隔离器5，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6，光纤环形器7和第一随机布拉格光栅阵列8。其中，波分复用器2，有源掺杂光纤3，光纤耦合器4，第一光纤隔离器5，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6和光纤环形器7依次环形连接，泵浦光源1和第一随机布拉格光栅阵列8分别通过波分复用器2和光纤环形器7与环路相连接。谐振模块A例如由波分复用器2，有源掺杂光纤3，光纤耦合器4，第一光纤隔离器5，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6和光纤环形器7组成。即谐振模块A整个环路相当于一个谐振工作模块，与第一随机布拉格光栅阵列8协同作用，对随机激光进行反馈和放大。工作过程例如为：泵浦光源1输出泵浦光，即激励随机激射后，波分复用器2将泵浦光耦合到有源掺杂光纤3，随机激光在有源掺杂光纤3中被增益放大。光纤耦合器4将从有源掺杂光纤3中输入的一部分光分量通过com1端口耦合到第一光纤隔离器5，另一部分光分量通过com2端口耦合到输出端口。该一部分光分量通过第一光纤隔离器5单向传输到双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6中进行随机模式的抑制，减少了不同随机谐振模式之间的干扰。光纤环形器7例如分别通过第一端口和第二端口与双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6和第一随机布拉格光栅阵列8相连，从双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6输入的光分量经第一端口输入光纤环形器7，再单向传输到第二端口，通过第二端口传输到第一随机布拉格光栅阵列8中。第一随机布拉格光栅阵列8包括多个随机分布的光纤光栅，多个光纤光栅形成多个随机谐振腔，多个随机谐振腔将对应谐振模式的光波进行谐振和反馈，并将返回来的光传输到光纤环形器7的第二端口，再通过光纤环形器7的第三端口将光纤环形器7第二端口反馈回来的光波传输到波分复用器2的例如1550nm端口。

图2示意性示出了根据本公开实施例的双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪的结构图。

根据本公开的实施例，泵浦光源1输出泵浦光的波长例如为980nm或者1480nm。对应的波分复用器2的输入端口波长例如也为980nm或者1480nm，而波分复用器2的输出端口波长例如为1550nm。第一光纤隔离器5的工作波长例如为1550nm。双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6例如包括三个光栅，三个光栅的间距可以相同或者不同，三个光栅的中心波长例如均为1550nm。光纤环形器7的工作波长例如为1550nm。如图2所示，两端的光栅分别与中间的光栅构成腔体结构，即构成了双腔结构，通过调节这三个光栅的反射率和间距，对产生的光分量进行随机模式的抑制，可以减少不同随机谐振模式的随机激光之间的干扰。例如调节第一光栅610，第二光栅620和第三光栅630的长度范围为2mm～15mm，以及调节第一光栅610和第二光栅620间的间距与第二光栅620和第三光栅630间的间距比值小于等于1/3，或者，第一光栅610和第二光栅620间的间距与第二光栅620和第三光栅630间的间距比值大于等于3。调节使第一光栅610和第三光栅630的反射率相同，第二光栅620的反射率与第一光栅610的反射率负相关。第一随机布拉格光栅阵列8例如包括30个间距随机分布的光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅的反射率例如在4％～6％之间，两个相邻布拉格光栅的间距例如在3～8毫米之间随机分布，光纤布拉格光栅的中心波长例如为1520nm-1560nm，优选1550nm。在其他的实施例中，光纤布拉格光栅例如也可以为大于30个的其他数目，以及其他中心波长。

根据本公开的实施例，有源掺杂光纤3例如为稀土掺杂光纤。

优选地，有源掺杂光纤3例如为掺铒光纤、掺镱光纤、掺铥光纤中的任意一种。

根据本公开的实施例，光纤耦合器4的输出端口例如包括M％输出端口和N％输出端口，M大于N，例如M等于90，N等于10，或者M等于80，N等于20，或者其他类似组合。

实施例2

图3示意性示出了根据本公开另一实施例的稳频随机光纤激光器结构图。

根据本公开的实施例，如图3所示，稳频随机光纤激光器例如包括：泵浦光源1，波分复用器2，有源掺杂光纤3，光纤耦合器4，第一光纤隔离器5，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6，光纤环形器7，第一随机布拉格光栅阵列8和第二光纤隔离器9。其中，泵浦光源1，波分复用器2，有源掺杂光纤3，第一随机布拉格光栅阵列8，第一光纤隔离器5和光纤耦合器4依次连接组成“半开腔”式的光路，由双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6，光纤环形器7和第二光纤隔离器9组成的谐振环路通过光纤环形器7与波分复用器2相连接接入光路，与第一随机布拉格光栅阵列8协同作用，对随机激光进行反馈和放大。谐振模块A例如由双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6，光纤环形器7和第二光纤隔离器9组成。即谐振模块A整个环路相当于一个谐振工作模块，与第一随机布拉格光栅阵列8协同作用，对随机激光进行反馈和放大。工作过程例如为：泵浦光源1输出泵浦光，即激励随机激射后，波分复用器2将泵浦光耦合到有源掺杂光纤3，随机激光在有源掺杂光纤3中被增益放大。第一随机布拉格光栅阵列8对增益放大后的随机激光进行谐振和反馈后，将对应光波传输到第一光纤隔离器5，通过第一光纤隔离器5单向传输到光纤耦合器4，经光纤耦合器4的com2端口耦合到输出端口。同时，波分复用器2将一部分光分量例如通过1550nm端口传输到光纤环形器7的第一端口，再通过光纤环形器7的第二端口单向传输到第二光纤隔离器9，进而单向传输到双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6中对该光分量进行随机模式的抑制，减少不同随机谐振模式的的干扰。再通过光纤环形器7的第三端口输入到光纤环形器7中，通过光纤环形器7传输到波分复用器2中。

实施例3

图4示意性示出了根据本公开又一实施例的稳频随机光纤激光器结构图。

根据本公开的实施例，如图4所示，稳频随机光纤激光器例如包括：泵浦光源1，波分复用器2，有源掺杂光纤3，光纤耦合器4，第一光纤隔离器5，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6，第一随机布拉格光栅阵列8和第二随机布拉格光栅阵列10。其中，泵浦光源1，波分复用器2，有源掺杂光纤3，双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6，第一随机布拉格光栅阵列8，第一光纤隔离器5和光纤耦合器4依次连接组成“全开腔”式的光路，第二随机布拉格光栅阵列10与波分复用器2相连接接入光路，即谐振模块A例如由第二随机布拉格光栅阵列10组成，与第一随机布拉格光栅阵列8协同作用，对随机激光进行反馈和放大。工作过程例如为：泵浦光源1输出泵浦光，即激励随机激射后，波分复用器2将泵浦光耦合到有源掺杂光纤3，随机激光在有源掺杂光纤3中被增益放大。增益放大后的光波在双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪6中进行随机模式的抑制，减少不同随机谐振模式的干扰。然后输入到第一随机布拉格光栅阵列8中进行谐振和反馈后，将对应光波输进第一光纤隔离器5，通过第一光纤隔离器5单向传输到光纤耦合器4中，例如经光纤耦合器4的com2端口耦合到输出端口。同时，波分复用器2将一部分光分量例如通过1550nm端口传输到第二随机布拉格光栅阵列10中进行谐振和反馈后，第二随机布拉格光栅阵列10将对应光波的一部分输入波分复用器2的1550nm端口，另一部分输入到输出端口。第二随机布拉格光栅阵列10例如是与第一随机布拉格光栅阵列8相同的随机布拉格光栅阵列。

综上所述，本公开实施例提出一种稳频随机光纤激光器。通过结合使用双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪和第一随机布拉格光栅阵列，可以分别对随机激光进行随机模式的抑制和谐振反馈，可以有效抑制随机模式之间的干扰和增益竞争效应，提高了随机光纤激光器输出频率和光谱的稳定性。

方法/实施例部分未尽细节之处与装置实施例部分类似，请参见装置实施例部分，此处不再赘述。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。

还需要说明的是，实施例中提到的方向术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本公开处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本公开单独的优选实施方案。

此外，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。因此，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。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种稳频随机光纤激光器，其特征在于，包括：

双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)，第一随机布拉格光栅阵列(8)和谐振模块(A)；

其中，所述双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)包括串联的三个光栅，串联的所述三个光栅构成所述双腔，所述双腔对随机模式进行抑制，通过调节所述三个光栅的反射率和间距改变所述双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)的随机模式抑制特性；

所述谐振模块(A)用于和所述第一随机布拉格光栅阵列(8)协同作用，对所述随机激光进行反馈和放大；

所述双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)位于所述谐振模块(A)之内或者之外。

2.根据权利要求1所述的稳频随机光纤激光器，其特征在于，所述双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)包括：

第一光栅(610)，第二光栅(620)和第三光栅(630)；

其中，所述第二光栅(620)位于所述第一光栅(610)和所述第三光栅(630)之间，所述第一光栅(610)和所述第三光栅(630)的反射率相同，所述第二光栅(620)的反射率与所述第一光栅(610)的反射率负相关；

所述第一光栅(610)和所述第二光栅(620)间的间距与所述第二光栅(620)和所述第三光栅(630)间的间距相同或不同。

3.根据权利要求2所述的稳频随机光纤激光器，其特征在于，所述第一光栅(610)，所述第二光栅(620)和所述第三光栅(630)的长度范围为2mm～15mm；

所述第一光栅(610)和所述第二光栅(620)间的间距与所述第二光栅(620)和所述第三光栅(630)间的间距比值小于等于1/3；或者，

所述第一光栅(610)和所述第二光栅(620)间的间距与所述第二光栅(620)和所述第三光栅(630)间的间距比值大于等于3。

4.根据权利要求1所述的稳频随机光纤激光器，其特征在于，所述第一随机布拉格光栅阵列(8)包括：

至少30个间距随机分布的光纤布拉格光栅；

其中，所述光纤布拉格光栅的反射率为4％～6％，两个相邻所述光纤布拉格光栅的间距为3mm～8mm。

5.根据权利要求1所述的稳频随机光纤激光器，其特征在于，所述第一随机布拉格光栅阵列(8)中光栅的中心波长为1520nm～1560nm，所述双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)中光栅的中心波长与所述第一随机布拉格光栅阵列(8)中光栅的中心波长相同。

6.根据权利要求1所述的稳频随机光纤激光器，其特征在于，所述稳频随机光纤激光器还包括：光纤耦合器(4)，所述光纤耦合器(4)的输出端口包括M％输出端口和N％输出端口，N＜M。

7.根据权利要求1所述的稳频随机光纤激光器，其特征在于，所述稳频随机光纤激光器还包括：第一光纤隔离器(5)和/或第二光纤隔离器(9)，用于保证激光单向传输。

8.根据权利要求1所述的稳频随机光纤激光器，其特征在于，所述谐振模块(A)中还包括：光纤环形器(7)，用于将所述双腔光纤光栅法布里珀罗干涉仪(6)或所述第一随机布拉格光栅阵列(8)接入光路，以及使光单向环形传输。

9.根据权利要求1所述的稳频随机光纤激光器，其特征在于，所述稳频随机光纤激光器还包括：

泵浦光源(1)，波分复用器(2)和有源掺杂光纤(3)；

其中，所述泵浦光源(1)用于激励所述随机激光，所述波分复用器(2)用于将所述随机激光耦合进入所述有源掺杂光纤(3)，所述有源掺杂光纤(3)用于对所述随机激光进行增益放大。

10.根据权利要求9所述的稳频随机光纤激光器，其特征在于，所述有源掺杂光纤(3)为稀土掺杂光纤。

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