CN115954749A - 一种单频激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种单频激光器，包括泵浦源、波分复用器和激光振荡增益模块。泵浦源用于产生泵浦激光。波分复用器的泵浦端和泵浦源的输出端相连。激光振荡增益模块和波分复用器的公共端相连，激光振荡增益模块包括有源光纤，有源光纤上刻写有非均匀光纤光栅，非均匀光纤光栅构成激光谐振腔，激光谐振腔用于激光振荡；其中，非均匀光纤光栅的长度方向存在至少一个预设位置，非均匀光纤光栅的结构设计函数的值由预设位置向两端逐渐增加。通过本申请的设置提供了一种单频激光器，提高了单频激光器的光光转化率。
Description
技术领域
本申请涉及光纤激光器制造领域，尤其涉及一种单频激光器。
背景技术
单频激光器，即单纵模激光器，它的特点是输出的激光模式既满足单横模又满足单纵模，其谐振腔内部只有单一纵模进行振荡，并且输出光强呈现高斯分布。目前，单频激光器包括环形腔结构的激光器和短腔结构的激光器，环形腔结构的激光器使激光在环形腔内单向传输，能够有效的消除空间烧孔效应，从而获得单频/单纵模的激光输出，但是由于激光谐振腔的腔长较长，纵模数量非常大，受外界影响时，容易出现激光纵模的跳变（跳模现象），导致激光波长输出不稳定；短腔结构的激光器由于纵模数量少，容易形成单频激光输出。
短腔结构的激光器包括结构-分布式布拉格反射激光器（Distributed BraggReflector，简称DBR）和分布反馈激光器（Distributed Feedback，简称DFB）。DBR结构的单频激光器需要波长匹配的两个光纤光栅构成谐振腔，光纤光栅与长度较短的增益光纤的熔接难度较大，制作难度大；DFB结构的单纵模光纤激光器在增益光纤上刻写π相移的光纤光栅构成谐振腔，不需要光纤光栅与增益光纤进行熔接。
然而，DFB结构的单频激光器由于有效腔长的长度限制，造成光光转化率较低。
发明内容
本申请实施例提供了一种单频激光器，能够实现单频激光的输出，且在有源光纤长度相同的条件下，能够实现更高的光光转化率。
本申请实施例提供了一种单频激光器，包括泵浦源、波分复用器和激光振荡增益模块，泵浦源用于产生泵浦激光。波分复用器的泵浦端和泵浦源的输出端相连。激光振荡增益模块和波分复用器的公共端相连，激光振荡增益模块包括有源光纤，有源光纤上刻写有一种非均匀光纤光栅，非均匀光纤光栅构成激光谐振腔，激光谐振腔用于激光振荡；其中，非均匀光纤光栅的长度方向存在至少一个预设位置，非均匀光纤光栅的结构设计函数的值由预设位置向两端逐渐增加。
本申请通过将非均匀光纤光栅的结构设计函数的值设置为由处于最低点的预设位置向两端逐渐增加，使得非均匀光纤光栅的反射带宽内能够产生两个透射波长，根据谐振腔理论和法布里-珀罗（Fabry-Perot，简称FP）干涉条件，干涉的透射波长与其作为激光谐振腔时的激光谐振波长相互吻合，因此在理论上，该结构构成的激光谐振腔存在两个潜在的激光激发波长，但因为存在交叉增益饱和效应的影响，只有一个激光波长可以获得稳定的激光振荡，从而形成稳定的单频激光的输出。由于在有源光纤光栅长度相同的条件下，本申请中的非均匀光纤光栅构成的激光谐振腔的有效腔长更长，因此本申请中单频激光器具有更高的光光转化率。
在一种可行的实现方式中，非均匀光纤光栅设置为反向切趾光纤光栅，反向切趾光纤光栅的结构设计函数为反向切趾函数。反向切趾光纤光栅的长度方向存在一个预设位置，反向切趾光纤光栅的结构设计函数的值由预设位置向两端逐渐增加。
在一种可行的实现方式中，非均匀光纤光栅设置为双切趾光纤光栅，双切趾光纤光栅的长度方向存在一个预设位置，双切趾光纤光栅的结构设计函数的值由预设位置向两端先逐渐增加再逐渐减小。
在一种可行的实现方式中，非均匀光纤光栅的第一端至预设位置的直线距离为第一距离，非均匀光纤光栅的第二端至预设位置的直线距离为第二距离。当第一距离等于第二距离时，非均匀光纤光栅的第一端和非均匀光纤光栅的第二端均可形成激光振荡增益模块的输出端。
在一种可行的实现方式中，当第一距离小于第二距离时，非均匀光纤光栅的第一端形成激光振荡增益模块的第一端，激光由激光振荡增益模块的第一端输出。
在一种可行的实现方式中，还包括光纤隔离器，光纤隔离器的输入端和波分复用器的激光端相连，波分复用器的公共端和激光振荡增益模块的第一端相连。
在一种可行的实现方式中，还包括光放大器，光纤隔离器的输出端和光放大器相连。
在一种可行的实现方式中，光放大器设置为光纤放大器或者半导体光放大器。
在一种可行的实现方式中，波分复用器包括第一波分复用器和第二波分复用器。第一波分复用器的泵浦端和泵浦源的输出端相连，第一波分复用器的公共端和激光振荡增益模块的第二端相连，以将泵浦激光由激光振荡增益模块的第二端输入。激光振荡增益模块的第一端和第二波分复用器的公共端相连，第二波分复用器的激光端和光纤隔离器相连，以将所述激光振荡增益模块产生的单频激光由所述激光振荡增益模块的第一端输出至第二波分复用器，并依次经由所述第二波分复用器、所述光纤隔离器输出。
在一种可行的实现方式中，有源光纤设置为增益光纤。
附图说明
图1是DBR结构的单频激光器；
图2是DFB结构的单频激光器；
图3是图2中DFB结构的单频激光器中π相移光纤光栅的反射光谱图；
图4是本申请一实施例提供的反向切趾光纤光栅的结构设计函数δn(z)随位置z变化图；
图5是图4中所述反向切趾光纤光栅所对应的光谱图；
图6是图5中所述反向切趾光纤光栅激光器的光谱图；
图7是图6中所述反向切趾光纤光栅激光器的单纵模性能图；
图8是本申请一实施例提供的为反向切趾光纤光栅激光器和DFB结构的单频激光器的输出功率与泵浦功率之间的变化图；
图9是本申请一实施例提供的双切趾光纤光栅的结构设计函数δn(z)随位置z变化图；
图10是图9中所述双切趾光纤光栅的光谱图；
图11是本申请一实施例提供的对称结构的反向切趾光纤光栅的示意图；
图12是本申请一实施例提供的非对称结构的反向切趾光纤光栅的示意图；
图13是图12中所述非对称结构的反向切趾光纤光栅所对应的激光器的结构示意图；
图14是图13中所述非对称结构的反向切趾光纤光栅所对应的激光器的结构示意图，图中示出了所述光纤放大器；
图15是图12中所述非对称结构的反向切趾光纤光栅所对应的激光器的结构示意图。
附图标记说明：
1-泵浦源；
2-波分复用器；201-第一波分复用器；202-第二波分复用器；
3-激光振荡增益模块；
4-光纤隔离器；
501-第一光纤布拉格光栅；502-第二光纤布拉格光栅；
6-有源相移光纤光栅；
7-光放大器。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面再结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
现有技术中，DBR结构的单频激光器需要波长匹配的两个光纤光栅构成谐振腔，光纤光栅与长度较短的增益光纤的熔接难度较大，制作难度大；如图1所示，为DBR结构的激光器的结构示意图，DBR结构的单频激光器，由两个光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）和增益光纤相互熔接形成，其中，两个布拉格光栅分别为第一光纤布拉格光栅（FBG1）501和第二光纤布拉格光栅（FBG1）502，通常第一光纤布拉格光栅（FBG1）501和第二光纤布拉格光栅（FBG1）502的中心波长一致，第一光纤布拉格光栅（FBG1）的反射率很高，反射带宽较宽，作为反射镜，第二光纤布拉格光栅（FBG1）502为输出镜，反射带宽较窄，谐振腔的有效腔长通常只满足存在一个纵模。由于增益光纤的长度很短，一般为1-2 cm左右，光纤光栅与长度较短的增益光纤之间进行熔接时较为困难。
DFB结构的单频激光器在增益光纤上刻写π相移的光纤光栅构成谐振腔，不需要光纤光栅与增益光纤进行熔接，如图2所示为DFB结构的单频激光器的结构示意图。在DFB结构的单频激光器中，光纤光栅的长度通常为几个厘米，其反射光谱特性如图3所示，其中，曲线A为反射率随着波长变化的曲线图，在反射带宽内存在一个透射波长A1。DFB结构的单频激光器输出的透射峰波长A1在泵浦源1的作用下，满足激光谐振条件，形成激光振荡，获得单纵模激光输出。
然而，DFB结构的单频激光器由于有效腔长的长度限制，造成光光转化率较低，其中，光光转化率为激光器产生的输出功率与泵浦功率之间的比值。
因此，需要一种单频激光器，来解决上述提出的单频激光器由于有效腔长的长度限制，造成光光转化率较低的技术问题。
参照图4至图15，本申请实施例提供了一种单频激光器，包括泵浦源1、波分复用器2和振荡增益模块3，泵浦源1，用于产生泵浦激光。波分复用器2的泵浦端和泵浦源1的输出端相连。振荡增益模块3和波分复用器2的公共端相连，振荡增益模块3包括有源光纤，有源光纤上刻写有非均匀光纤光栅，非均匀光纤光栅构成激光谐振腔，激光谐振腔用于激光振荡；其中，非均匀光纤光栅的长度方向存在至少一个预设位置，非均匀光纤光栅的结构设计函数的值由预设位置向两端逐渐增加。
本申请通过将非均匀光纤光栅的结构设计函数的值设置为由处于最低点的预设位置向两端逐渐增加，使得非均匀光纤光栅在反射谱带宽内能够产生两个透射峰，根据谐振腔理论和FP干涉仪的干涉条件，干涉的透射峰与谐振腔的激光谐振波长相互吻合，因此在理论上，该结构构成的激光谐振腔存在两个潜在的激光激发波长，但因为存在交叉增益饱和效应的影响，只有一个激光波长可以获得稳定的激光振荡，从而形成单频激光的输出。由于在有源光纤光栅长度相同的条件下，本申请中的非均匀光纤光栅构成的激光谐振腔的有效的腔长更长，因此本申请中的激光器具有更高的光光转化率。
谐振腔理论表明，本申请提供的单频激光器的谐振波长满足相位条件：
由于所述非均匀光纤光栅可以等效为一个FP干涉仪，因此，非均匀光纤光栅的透射波长满足：
其中，L为谐振腔腔长；
为透射峰波长；
因此，非均匀光纤光栅所产生的两个透射峰波长与其作为激光谐振腔的谐振波长相一致。
激光器中的模式竞争是由于增益饱和效应引起的。增益饱和效应分为自增益饱和与交叉增益饱和，其大小分别用自增益饱和系数与交叉增益饱和系数来表征。其中，自增益饱和系数反映了某一波长激光对自身的增益的影响；而交叉增益饱和系数则被用来表征某一波长的激光在增益介质中的放大对另一波长的激光增益的影响。
假设在激光谐振腔内同时存在两个潜在本征激发模式形成激光振荡，频率分别为f1和f2，则增益饱和时两个频率的光的增益系数G1和G2分别为：
其中，G0(f1)和G0(f2)分别是两个纵模的功率较小时的增益系数，I1和I2分别是两个纵模的光强；k11、k12、k21和k22是饱和系数，其中k11、k22分别是两束激光的自增益饱和系数，表征各模式光的光强对自身增益的影响；k12、k21为交叉增益饱和系数，表征各模式光的光强对另外一个模式的增益的影响。
因此，可以得到两个模式的速率方程：
α1和α2分别为两束激光的腔损耗。若这个方程组有稳态解，即同时起振两个频率的激光，需要满足：
此条件被称为弱光束耦合条件。但在没有任何限制的条件下，对于均匀增益加宽的增益介质，激光腔的纵模之间的交叉增益饱和效应要大于纵模本身的自增益饱和效应，因此只有两个潜在的激光模式时，同时获得两个不同频率的激光输出非常困难。故，仅输出一个单频激光。
如图5所示，为模拟的反向切趾光纤光栅的光谱图，其中，曲线C为透射率随着波长变化的曲线图，曲线D为反射率随着波长变化的曲线图，由图5的光谱图可以看出，在反射带宽内存在两个透射峰D1和D2。
如图6所示，为反向切趾光纤光栅激光器的光谱图，曲线E为光功率随着波长变化的示意图，其中，E1表示激光器仅有一个波长的激光输出。图7是图6中所述反向切趾光纤光栅激光器的单纵模性能图；为了进一步确认激光为单频运转状态，利用扫描FP干涉仪进行测量，其中，曲线F为扫描电压值，曲线G为相应的扫描电压下的激光干涉强度，可以看出在FP干涉仪的一个扫描周期内，可以看到G1和G2两个信号峰，表明输出脉冲激光为单纵模状态，即为单频激光运转状态。
另外，有效腔长可以通过长度la和lb对谐振腔有效腔长的贡献laeff和lbeff的和来表示。
对于长度为L的均匀的普通光栅（δn为常数）作为谐振腔镜时，其有效长度为leff如下：
当 δn随位置变化时，非均匀光纤光栅的有效长度leff变为：
其中，la为第一距离，lb为第二距离。
DFB结构是以π相移位置的两侧分别计算谐振腔的有效长度，其两侧的δn是常数：
其中，la和lb为π相移位置至两侧的距离。
通过计算比较得到
。因此，有效谐振腔长越长，则光光转化率越高。
在一些示例中，非均匀光纤光栅设置可以为反向切趾光纤光栅，反向切趾光纤光栅的结构设计函数可以为反向切趾函数。
反向切趾函数为一个长度为l的反向切趾光纤光栅，其δn(z)是位置z的函数，其中，δn(z)表示光纤光栅的直流有效折射率变化，例如该函数可以是反向高斯函数，
如图8所示为反向切趾光纤光栅激光器和DFB结构的单频激光器的输出功率与泵浦功率之间的变化图，其中，H为反向切趾光纤光栅激光器的输出功率随着泵浦功率的变化图，I为DFB结构的激光器的输出功率随着泵浦功率的变化图。由图8可以看出，激光功率与泵浦光功率的比值为光光转化率，其中反向切趾光纤光栅激光器的光光转化率大于DFB结构的单频激光器的光光转化率。
在一些示例中，泵浦源1的作用是对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。当然本领域的技术人员能够理解，泵浦源1的波长可以是980 nm、976nm、915 nm、940 nm、1480 nm，但是不限于此。这里需要说明的是，本申请实施例涉及的数值和数值范围为近似值，受制造工艺的影响，可能会存在一定范围的误差，这部分误差本领域技术人员可以认为忽略不计。
在一些示例中，波分复用器2可以是将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的装置。
在一些示例中，非均匀光纤光栅设置可以为双切趾光纤光栅，双切趾光纤光栅的长度方向存在一个预设位置，双切趾光纤光栅的结构设计函数由预设位置向两端先逐渐增加再逐渐减小。如图9所示为双切趾光纤光栅的位置函数图，曲线J为位置函数δn(z)随位置z的变化曲线图，其位置函数由预设位置向两端先增加再减小。如图10所示为双切趾光纤光栅的光谱图，其中，曲线K为透射率随着波长变化的曲线图，曲线L为反射率随着波长变化的曲线图，由光谱图可以看出，双切趾光纤光栅的曲线L在反射带宽内存在两个透射峰L1和L2。
示例性的，双切趾函数为一个长度为l的双切趾光纤光栅，其中δn(z)是位置z的函数，例如该函数可以是高斯函数，
在一些示例中，非均匀光纤光栅的第一端至预设位置的直线距离为第一距离，非均匀光纤光栅的第二端至预设位置的直线距离为第二距离；当第一距离等于第二距离时，非均匀光纤光栅的第一端和非均匀光纤光栅的第二端分别形成激光振荡增益模块3的输出端。当第一距离等于第二距离时，形成对称结构的反向切趾光纤光栅，如图11所示为对称结构的反向切趾光纤光栅的示意图，设置反向切趾的长度为l，其直流有效折射率变化δn(z)是关于z=l/2对称的函数，其δn(l/2)的值最小，也就是说，激光能够由非均匀光纤光栅的两端同时输出，单端输出功率较低。
示例性的，当第一距离小于第二距离时，非均匀光纤光栅的第一端形成激光振荡增益模块3的第一端，激光由激光振荡增益模块3的第一端输出。当第一距离小于第二距离时，形成非对称结构的反向切趾光纤光栅，如图12所示为非对称结构的反向切趾光纤光栅的示意图，反向切趾光栅的长度为l，其直流有效折射率变化δn(z)在l a 处最小，
，且
。如图4所示，其δn(z)的分布图，示例性的，l=40 mm，l a =0.4l=16 mm，l b =24 mm。
在具体实施时，以掺铒光纤制作的反向切趾光纤光栅为例，制作参数光栅长度可以为l=40 mm，光栅反射谱的中心波长可以为1550.12 nm，为非对称结构的反向切趾光纤光栅，la=0.4l，lb=0.6l，la为输出端。泵浦源1可以为976 nm的半导体激光器。
在一些示例中，如图13所示，激光器的结构可以设置为后向输出结构，其包括泵浦源1、波分复用器2、反向切趾光纤光栅和光纤隔离器4。泵浦源1的输出端和波分复用器2的泵浦端相连，波分复用器2的公共端和激光振荡增益模块3的第一端相连，波分复用器的激光端和光纤隔离器4的输入端相连。其中激光振荡增益模块3的第一端为反向切趾光纤光栅的la端。在具体实施时，波分复用器2将泵浦源1产生的泵浦激光耦合到反向切趾光纤光栅的la端，产生的激光从la端输出，并通过波分复用器2的激光端耦合输出，剩余的泵浦激光从lb端口输出。
示例性的，如图14所示，激光器可以包括光放大器7，光纤隔离器4，光纤隔离器4的输出端和光放大器7相连。本申请通过光放大器7的设置，能够提高激光的输出功率。当然本领域的技术人员能够理解，光纤隔离器4能够避免因激光谐振腔受来自反射的或者散射的反向光影响而致其谱纯度降低或者激光稳定度下降。
在具体实施时，光放大器7可以设置为光纤放大器或者半导体光放大器。
在一些示例中，如图15所示，激光器的结构还可以设置为前向输出结构，其包括泵浦源1、第一波分复用器201、激光振荡增益模块3、第二波分复用器202和光纤隔离器4，其中泵浦源1的输出端和第一波分复用器201的泵浦端相连，第一波分复用器201的公共端和激光振荡增益模块3的第二端相连，激光振荡增益模块3的第一端和第二波分复用器202的公共端相连，第二波分复用器202的激光端和光纤隔离器4输入端相连。第一波分复用器201将泵浦源1产生的泵浦激光耦合到反向切趾光纤光栅的lb端，产生的激光从la端输出，并通过第二波分复用器202耦合进入光纤隔离器4，并最终由于光纤隔离器4输出，剩余的泵浦激光从和第二波分复用器202的泵浦端输出。
示例性的，有源光纤设置可以设置为增益光纤。当然本领域的技术人员能够理解，有源光纤可以是具有光敏性的有源光纤，光敏性较弱或者无光敏性的有源光纤可以通过载氢或者其他方式增强其光敏性之后，再刻写所需要的非均匀光纤光栅。有源光纤也可以是掺铒光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤或者其他掺杂的增益光纤。
容易理解的是，本领域技术人员在本申请提供的几个实施例的基础上，可以对本申请的实施例进行结合、拆分、重组等得到其他实施例，这些实施例均没有超出本申请的保护范围。
以上的具体实施方式，对本申请实施例的目的、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，以上仅为本申请实施例的具体实施方式而已，并不用于限定本申请实施例的保护范围，凡在本申请实施例的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单频激光器，其特征在于，包括：
泵浦源，其用于产生泵浦激光；
波分复用器，所述波分复用器的泵浦端和所述泵浦源的输出端相连；
激光振荡增益模块，所述激光振荡增益模块和所述波分复用器的公共端相连，所述激光振荡增益模块包括有源光纤，所述有源光纤上刻写有非均匀光纤光栅，所述非均匀光纤光栅构成激光谐振腔，所述激光谐振腔用于激光振荡；
其中，所述非均匀光纤光栅的长度方向存在至少一个预设位置，所述非均匀光纤光栅的结构设计函数的值由所述预设位置向两端逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的一种单频激光器，其特征在于，所述非均匀光纤光栅设置为反向切趾光纤光栅，所述反向切趾光纤光栅的结构设计函数为反向切趾函数。
3.根据权利要求1所述的一种单频激光器，其特征在于，所述非均匀光纤光栅设置为双切趾光纤光栅，所述双切趾光纤光栅的长度方向存在一个所述预设位置，所述双切趾光纤光栅的结构设计函数的值由所述预设位置向两端先逐渐增加再逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的一种单频激光器，其特征在于，所述非均匀光纤光栅的第一端至所述预设位置的直线距离为第一距离，所述非均匀光纤光栅的第二端至所述预设位置的直线距离为第二距离；
当所述第一距离等于所述第二距离时，所述非均匀光纤光栅的第一端和所述非均匀光纤光栅的第二端均可形成所述激光振荡增益模块的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种单频激光器，其特征在于，当所述第一距离小于所述第二距离时，所述非均匀光纤光栅的第一端形成所述激光振荡增益模块的第一端，激光由所述激光振荡增益模块的第一端输出。
6.根据权利要求5所述的一种单频激光器，其特征在于，还包括光纤隔离器，所述光纤隔离器的输入端和所述波分复用器的激光端相连，所述波分复用器的公共端和所述激光振荡增益模块的第一端相连。
7.根据权利要求6所述的一种单频激光器，其特征在于，还包括光放大器，所述光纤隔离器的输出端和所述光放大器相连。
8.根据权利要求7所述的一种单频激光器，其特征在于，所述光放大器设置为光纤放大器或者半导体光放大器。
9.根据权利要求8所述的一种单频激光器，其特征在于，所述波分复用器包括第一波分复用器和第二波分复用器；
所述第一波分复用器的泵浦端和所述泵浦源的输出端相连，所述第一波分复用器的公共端和所述激光振荡增益模块的第二端相连，以将泵浦激光由所述激光振荡增益模块的第二端输入；
所述激光振荡增益模块的第一端和所述第二波分复用器的公共端相连，所述第二波分复用器的激光端和所述光纤隔离器输入端相连，以将所述激光振荡增益模块产生的单频激光由所述激光振荡增益模块的第一端输出至所述第二波分复用器，并依次经由所述第二波分复用器、所述光纤隔离器输出。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种单频激光器，其特征在于，所述有源光纤设置为增益光纤。
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