CN117748276B - 一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，该光纤激光器包括：泵浦光源、波分复用器、第一掺铥光纤、光纤隔离器、耦合器、偏振控制器、环形器、第二掺铥光纤和法布里‑珀罗滤波器；泵浦光源，用于输出泵浦光；波分复用器的泵浦端与泵浦光源的输出端相连；第一掺铥光纤，一端与波分复用器的公共端相连，另一端与光纤隔离器的输入端相连；耦合器的第一端口与光纤隔离器的输出端相连，耦合器的第二端口与偏振控制器的输入端相连，耦合器的第三端口为光纤激光器的输出端；环形器具有三个端口，环形器的第一端口连接偏振控制器的输出，环形器的第二端口通过第二掺铥光纤与法布里‑珀罗滤波器相连，环形器的第三端口与波分复用器相连。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器。
背景技术
激光作为20世纪最重要的科学发现之一，它的出现极大地推动了科学技术的发展。在当前的光学器件领域，中红外2微米波段光波谱的应用日益广泛，涵盖医学、通信和环境监测等多个领域。其中，光纤激光器作为光源的重要组成部分，对于提高精度和灵敏度具有关键意义。
然而，现有技术中存在一些挑战，限制了中红外2微米光纤激光器在实际应用中的性能和效能。首先，当前中红外2微米波段的光纤激光器的波长调谐范围有限。现有技术中的激光器存在波长调谐范围狭窄的问题，限制了器件在不同应用场景中的适用性。这限制了对于不同光谱特征的准确探测和调控。
其次，现有技术中的光纤激光器线宽较大。在一些高精度的应用中，如光谱分析和传感器系统，较大的线宽可能导致信号失真和测量不确定性。因此，开发具有更小线宽的光纤激光器对于提高测量精度和灵敏度至关重要。最后，目前的技术在实现光纤激光器波长调谐和线宽优化方面缺乏全面而有效的解决方案。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型的光纤激光器设计，以克服现有技术的限制，实现更大范围的波长调谐和更小线宽的性能。
本申请提供了一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器包括：泵浦光源1、波分复用器2、第一掺铥光纤3、光纤隔离器4、耦合器5、偏振控制器6、环形器7、第二掺铥光纤8和法布里-珀罗滤波器9；
所述泵浦光源1，用于输出泵浦光；
所述波分复用器2的泵浦端与所述泵浦光源1的输出端相连；
所述第一掺铥光纤3，一端与波分复用器2的公共端相连，另一端与光纤隔离器4的输入端相连，以确保信号光单向传输；
所述耦合器5的第一端口与光纤隔离器4的输出端相连，所述耦合器5的第二端口与偏振控制器6的输入端相连，所述耦合器5的第三端口为所述光纤激光器的输出端；
所述环形器7具有三个端口，其中，所述环形器7的第一端口连接偏振控制器6的输出，所述环形器7的第二端口通过第二掺铥光纤8与法布里-珀罗滤波器9相连，所述环形器7的第三端口与波分复用器2相连；
当光信号通过所述环形器7的第一端口进入后，通过所述环形器7的第二端口输出至所述第二掺铥光纤8，并通过所述法布里-珀罗滤波器9反射，再次进入所述第二掺铥光纤8，进入所述环形器7，并通过所述环形器7的第三端口返回至所述波分复用器2。
在一种实现方式中，所述泵浦光源1，采用1570纳米的光纤激光器。
在一种实现方式中，所述耦合器5的第一端口为输入端，所述耦合器5的第二端口采用90%输出，所述耦合器5的第三端口采用10%输出。
在一种实现方式中，所述光纤隔离器4和所述环形器7为单向性器件。该单向性器件是指只允许光信号在一个方向上传播的器件。这意味着光信号可以从一个方向传输，而在另一个方向上则被阻止或减弱，无法通过。
在一种实现方式中，所述第一掺铥光纤3采用直径0.1米的掺铥光纤。
在一种实现方式中，所述第二掺铥光纤8采用直径0.1米的掺铥光纤，以实现对光信号线宽的压缩优化。
其中，第二掺铥光纤8，并被设计为具有适当的光纤长度，可以实现光的频谱压缩。这种压缩通常通过非线性效应来实现，如自相位调制（self-phase modulation）和拉曼散射（Raman scattering）。在这个过程中，光的频谱被重排和重新调整，导致线宽的缩小，从而实现对光信号线宽的压缩优化。
在一种实现方式中，所述法布里-珀罗滤波器9，在宽光谱范围内连续调谐范围为1900纳米至1999纳米。所述法布里-珀罗滤波器通过旋转右端的手动旋转标具在宽光谱范围内连续调谐高达100nm(1900-1999nm)，输入端口接收宽带多波长的光，并且只接收一小部分入射信号通带内允许通过滤波器并被引导到输出端口，波长调谐达到精确的微米控制，可以实现快速调谐。
本申请提供的这种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器构成了一个由波分复用器2、第一掺铥光纤3、光纤隔离器4、耦合器5和偏振控制器6、环形器7、第二掺铥光纤8、法布里-珀罗滤波器9组成的环形腔。这一设计配置有助于实现中红外2微米光波谱的宽谱可调谐和窄线宽特性，提高了光纤激光器的性能和适用性。可以实现2微米波段100纳米广泛的波长可调谐范围以及通过手动标准具调谐实现微米级波长控制，同时相对于现有技术中一些线宽较大的激光器进一步优化激光器的线宽，这提高了信号的准确性和传输质量，使其更加灵活适用于不同光谱特性的应用，从而适用于医学、通信和其他光学领域的多种应用场景。
具体的，光信号在该法布里-珀罗滤波器9中的两个反射镜之间多次来回反射从而形成一系列干涉光束，这些干涉光束叠加形成干涉图案，干涉图案的形状取决于入射光的波长和反射镜之间的距离，当入射光的波长与干涉图案的峰值或者对齐时，干涉团将增强该波长的光，通过旋转右端的手动旋转标具，改变反射镜之间的距离，选择性的增强特定波长信号光，从而实现宽谱可调谐的效果。其次，利用了第二掺铥光纤8，铥离子被激发到高能级，并通过自发辐射过程产生光子。这些光子在光纤中传播，并与铥离子之间的跃迁相互作用。这种相互作用导致了光的放大和频谱的变窄，以实现窄线宽特性。
本申请提供的光纤激光器中加入第二掺铥光纤8，可以实现光的频谱压缩。这种压缩通常通过非线性效应来实现，如自相位调制（self-phase modulation）和拉曼散射（Raman scattering）。在这个过程中，光的频谱被重排和重新调整，导致线宽的缩小。通过适当选择光纤的参数和在激光器循环震荡可以实现更窄的线宽。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明提供的一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器的输出光谱图；
图3为本发明提供的一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器中法布里-珀罗滤波器可调谐方式示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。在本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项（个）”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a和b和c，其中a、b和c可以是单个，也可以是多个。值得注意的是，“至少一项（个）”还可以解释成“一项（个）或多项（个）”。
需要说明的是，本申请中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本申请实施例中出现的第一、第二等描述，仅作示意与区分描述对象之用，没有次序之分，也不表示本申请实施例中对设备个数的特别限定，不能构成对本申请实施例的任何限制。
在当前的光学器件领域，中红外2微米波段光波谱的应用日益广泛，涵盖医学、通信和环境监测等多个领域。其中，光纤激光器作为光源的重要组成部分，对于提高精度和灵敏度具有关键意义。
然而，现有技术中存在一些挑战，限制了中红外2微米光纤激光器在实际应用中的性能和效能。首先，当前中红外2微米波段的光纤激光器的波长调谐范围有限。现有技术中的激光器存在波长调谐范围狭窄的问题，限制了器件在不同应用场景中的适用性。这限制了对于不同光谱特征的准确探测和调控。
其次，现有技术中的光纤激光器线宽较大。在一些高精度的应用中，如光谱分析和传感器系统，较大的线宽可能导致信号失真和测量不确定性。因此，开发具有更小线宽的光纤激光器对于提高测量精度和灵敏度至关重要。最后，目前的技术在实现光纤激光器波长调谐和线宽优化方面缺乏全面而有效的解决方案。
本发明的目的在于提供一种新型的光纤激光器设计，以克服现有技术的限制，实现更大范围的波长调谐和更小线宽的性能。本申请提供的光纤激光器可以为中红外2微米波段宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器。
参见图1，本申请提供了一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器包括：泵浦光源1、波分复用器2、第一掺铥光纤3、光纤隔离器4、耦合器5、偏振控制器6、环形器7、第二掺铥光纤8和法布里-珀罗滤波器9；
所述泵浦光源1，用于输出泵浦光；
所述波分复用器(Wavelength Division Multiplexer，WDM)2的泵浦端与所述泵浦光源1的输出端相连；
所述第一掺铥光纤(Tm-doped fiber)3，一端与波分复用器2的公共端相连，另一端与光纤隔离器（Optical Isolator，ISO）4的输入端相连，以确保信号光单向传输；
所述耦合器(Optical Coupler ，OC)5的第一端口与光纤隔离器4的输出端相连，所述耦合器5的第二端口与偏振控制器（Polarization Controller，PC）6的输入端相连，所述耦合器5的第三端口为所述光纤激光器的输出端；
所述环形器7具有三个端口，其中，所述环形器7的第一端口71连接偏振控制器6的输出，所述环形器7的第二端口72通过第二掺铥光纤8与法布里-珀罗滤波器(Fabry-PerotInterferometer Filter，FP Filter)9相连，所述环形器7的第三端口73与波分复用器2相连；
当光信号通过所述环形器7的第一端口71进入后，通过所述环形器7的第二端口72输出至所述第二掺铥光纤8，并通过所述法布里-珀罗滤波器9反射，再次进入所述第二掺铥光纤8，进入所述环形器7，并通过所述环形器7的第三端口73返回至所述波分复用器2。
本实施例中，所述用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器采用的泵浦光源1为单模光纤激光器，其中心波长为1570纳米。
本实施例中，所述法布里-珀罗滤波器9，它可以在宽光谱范围内连续调谐高达100纳米，波长调谐是通过手动旋钮达到精确的微米控制，这种调谐方式可以更快速地实现波长调节。
本实施例中，所述的第一掺铥光纤3长度为0.1米，型号为Coherent SM-TSF-5/125，作用为将泵浦能量转化为1.9微米波段的放大光。第二掺铥光纤8长度为0.1米，型号为Coherent SM-TSF-5/125，实现对光信号线宽的进一步压缩优化。
本实施例中，所述耦合器5的第一端口为输入端，所述耦合器5的第二端口采用90%输出，所述耦合器5的第三端口采用10%输出。
本实施例中，所述环形器7和光纤隔离器4为单向性器件。
参阅图2，本实施例中，中红外2微米波段宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器工作可调谐波长范围为1900纳米~1999纳米，经过延时自外差的方法测试，其不同波长激光器的线宽小于0.01纳米。
其中，本发明提供的用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器工作原理为：
泵浦光源1为1570 nm光纤激光器，通过1550/2,000 纳米波分复用器(WDM)2耦合进入环形腔。环形腔内0.1 m长的第一掺铥光纤3受到泵浦，通过光纤隔离器(ISO)4确保信号光单向传输。在环形腔中，10%的光信号通过输出耦合器(OC)5的第三端口引出，其余90%进入偏振控制器（PC）6。光信号通过环形器7的第一端口71口进去，从环形器7的第二端口72输出通过0.1m的第二掺铥光纤8。再通过法布里-珀罗滤波器(FP Filter)9之后进行反射，然后再次通过第二掺铥光纤8，以实现对光信号线宽的优化。最终，光信号从环形器7的第三端口73到波分复用器2，形成环形腔中的振荡。
本发明提供的用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器中法布里-珀罗滤波器9可调谐方式的示意图如图3所示，光信号在第一反射镜与第二反射镜之间多次来回反射形成一系列干涉光束，这些干涉光束叠加形成干涉图案，干涉图案的形状取决于入射光的波长和反射镜之间的距离，当入射光的波长与干涉图案的峰值或者对齐时，干涉团将增强该波长的光，通过旋转右端的手动旋转标具，改变反射镜之间的距离，选择性的增强特定波长信号光，从而实现滤波效果。
本发明提供的一种中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器能提高激光输出的稳定性、增加激光的可调谐范围窄线宽设计，有较高的消光比和结构简单等优势，这些优势使得本发明在光通信和其他领域具有更高的实用性和性能。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的激光器，在没有超过本申请的精神和范围内，可以通过其他的方式实现。当前的实施例只是一种示范性的例子，不应该作为限制，所给出的具体内容不应该限制本申请的目的。例如，一些特征可以忽略，或不执行。
本申请方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。
以上对本申请实施例所提供的一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器由：泵浦光源（1）、波分复用器（2）、第一掺铥光纤（3）、光纤隔离器（4）、耦合器（5）、偏振控制器（6）、环形器（7）、第二掺铥光纤（8）和法布里-珀罗滤波器（9）组成；
所述泵浦光源（1），用于输出泵浦光；
所述波分复用器（2）的泵浦端与所述泵浦光源（1）的输出端相连；
所述第一掺铥光纤（3），一端与波分复用器（2）的公共端相连，另一端与光纤隔离器（4）的输入端相连，以确保信号光单向传输；
所述耦合器（5）的第一端口与光纤隔离器（4）的输出端相连，所述耦合器（5）的第二端口与偏振控制器（6）的输入端相连，所述耦合器（5）的第三端口为所述光纤激光器的输出端；
所述环形器（7）具有三个端口，其中，所述环形器（7）的第一端口连接偏振控制器（6）的输出，所述环形器（7）的第二端口通过第二掺铥光纤（8）与法布里-珀罗滤波器（9）相连，所述环形器（7）的第三端口与波分复用器（2）相连；
当光信号通过所述环形器（7）的第一端口进入后，通过所述环形器（7）的第二端口输出至所述第二掺铥光纤（8），并通过所述法布里-珀罗滤波器（9）反射，再次进入所述第二掺铥光纤（8），进入所述环形器（7），并通过所述环形器（7）的第三端口返回至所述波分复用器（2）。
2.根据权利要求1所述的用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，其特征在于，
所述泵浦光源（1），采用1570纳米的光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，其特征在于，
所述耦合器（5）的第一端口为输入端，所述耦合器（5）的第二端口采用90%输出，所述耦合器（5）的第三端口采用10%输出。
4.根据权利要求1所述的用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，其特征在于，
所述光纤隔离器（4）和所述环形器（7）为单向性器件。
5.根据权利要求1所述的用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，其特征在于，
所述第一掺铥光纤（3）采用直径0.1米的掺铥光纤。
6.根据权利要求1所述的用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，其特征在于，
所述第二掺铥光纤（8）采用直径0.1米的掺铥光纤，以实现对光信号线宽的压缩优化。
7.根据权利要求1所述的用于中红外宽谱可调谐窄线宽的光纤激光器，其特征在于，
所述法布里-珀罗滤波器（9），在宽光谱范围内连续调谐范围为1900纳米至1999纳米。
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2024
- 2024-02-05 CN CN202410161715.9A patent/CN117748276B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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