CN117856016A - 基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器及其实现方法，涉及随机光纤激光器波长切换技术领域。首先对级联光纤布拉格光栅进行基于飞秒激光加工技术的激光刻写；将泵浦光源连接到波分复用器输入端；在波分复用器的第一输出端依次连接掺铒光纤、单模光纤、全反镜；将激光刻写后的级联光纤布拉格光栅连接到波分复用器第二输出端的偏振控制器之后，并且连接光谱仪。本发明使用飞秒激光逐点刻写的办法，制备波长可切换选频器件的光纤布拉格光栅，利用偏振控制器改变级联光纤布拉格光栅的两个反射波长附近光的偏振状态，调节和控制实现输出波长的可切换，本发明具有核心器件制备难度低、系统复杂度低、适用性强等特点。

Description

基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器及其实现方法

技术领域

本发明涉及随机光纤激光器波长切换技术领域，更具体的说是涉及一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器及其实现方法。

背景技术

可切换单纵模双波长光纤激光器因其在太赫兹微波产生、光纤传感、脉冲产生、步进高度测量等方面的广泛应用而成为光纤激光器行业热点。而随机光纤激光器，不同于传统激光需要特定的谐振腔，其仅依靠无序介质就能产生激光的优点使随机激光器的广泛研究和发展。而目前现存的波长可切换随机光纤激光器多采用级联Sagnac环、可调谐滤波器、阵列波导光栅、法布里-珀罗干涉仪作为核心器件，但是这些核心器件制备难度较大。

光纤布拉格光栅(fiberBragg grating,FBG)是最常见、应用最广的一种光纤光栅,其折射率呈周期性调制分布,且折射率调制深度与光栅周期均为常数,光栅波矢方向与光纤轴线方向相一致。当一束光经过光纤光栅时,对满足布拉格相位匹配条件的光产生很强的反射,对不满足布拉格相位匹配条件的光只有微弱的部分被反射回来。由麦克斯韦经典方程和光纤耦合波理论可得,当满足相位匹配条件时,光纤光栅的布拉格波长λ_B为：λ_B＝2neffΛ，式中：neff为纤芯的有效折射率，Λ为光栅栅格周期。在光纤光栅的刻写上，常用相位掩模版法，刻写过程不可控，不可实时监测，无法得到特征波长可控的光纤光栅。

由此可见，如何克服现有波长可切换随机光纤激光器系统核心器件制作技术难度高以及传统波长可切换激光器对腔内设计要求高的缺点，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明结合随机光纤激光器不依赖于精密腔体结构的特性，提出一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器及其实现方法，搭配飞秒刻写平台，采用飞秒激光逐点刻写法刻写光纤布拉格光栅，所刻写的级联高反射光纤布拉格光栅作为随机光纤激光器的选频器件，利用偏振控制器调节光纤激光器腔内损耗对随机光纤激光器系统内光的偏振状态进行调节和控制,最终实现输出波长的可切换。

为了实现上述目的，本发明提供如下具体技术方案：

一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器，包括：

泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、全反镜、偏振控制器、光纤光栅、光谱仪；

所述泵浦光源与波分复用器的输入端连接；

所述波分复用器包括两个输出端，第一输出端与掺铒光纤、单模光纤、全反镜依次连接，第二输出端与偏振控制器、光纤光栅、光谱仪依次连接。

可选的，所述光纤光栅采用级联光纤布拉格光栅。

可选的，所述级联光纤布拉格光栅是通过飞秒加工技术搭配飞秒刻写平台,采用飞秒激光逐点刻写法而生成。

本发明还公开一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器实现波长切换的方法，包括以下步骤：

步骤a、对光纤光栅进行激光刻写；

步骤b、将泵浦光源连接到波分复用器输入端；

步骤c、在波分复用器的第一输出端依次连接掺铒光纤、单模光纤、全反镜；

步骤d、将激光刻写后的光纤光栅连接到波分复用器第二输出端的偏振控制器之后，并且连接光谱仪；

步骤e、调节偏振控制器的偏振片改变随机光纤激光器内光的偏振状态，实现波长可切换的随机激光输出。

可选的，所述光纤光栅采用级联光纤布拉格光栅。

可选的，对所述级联光纤布拉格光栅进行激光刻写包括以下步骤：

步骤a1、将级联光纤布拉格光栅放置在刻写平台的光纤夹持位移平台上；

步骤a2、打开飞秒激光，将飞秒激光与电脑相连，设置好刻写的形状和参数；

步骤a3、通过调整平台速度对所述级联光纤布拉格光栅进行激光刻写；

步骤a4、将级联光纤布拉格光栅两端分别连接光谱仪和光源，进行参数观察。

经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器及其实现方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明随机光纤激光器系统核心器件制备难度低，降低系统复杂度；

2、本发明随机光纤激光器系统使用飞秒激光逐点刻写的办法解决了传统方法中，刻写过程不可控，不可实时监测的问题，可以制备波长可控的光纤布拉格光栅，增强了装置的适用性。

3、本发明随机光纤激光器基于级联高反射的光纤布拉格光栅实现波长可切换，利用偏振控制器灵活调节光纤激光器腔内损耗，通过调节偏振片有选择地改变在级联光纤布拉格光栅的两个反射波长附近光的偏振状态，通过对随机光纤激光器系统内光的偏振状态进行调节和控制实现输出波长的可切换。

4、本发明随机光纤激光器的核心器件制备难度低、波长可灵活切换，因此可广泛应用于波分复用系统、光通信、高分辨率光谱和光纤传感中。

综上所述，本发明具有核心器件制备难度低、系统复杂度低、适用性强、降低输出波长线宽等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明随机光纤激光器整体结构示意图；

图2为本发明基于飞秒激光加工技术逐点刻写光纤布拉格光栅原理示意图；

图3(a)为本发明实施例中波长1输出结果示意图；

图3(b)为本发明实施例中波长2输出结果示意图；

图3(c)为本发明实施例中双波长输出结果示意图；

其中，10、物镜；20、飞秒激光；30、包层；40、纤芯；50、光纤夹持位移平台；101、泵浦光源；102、光谱仪；103、光纤光栅；104、偏振控制器；105、波分复用器；106、掺铒光纤；；107、单模光纤；108、全反镜。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

实施例1

本实施例公开了一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器，参见图1，包括：

泵浦光源101、波分复用器105、掺铒光纤106、单模光纤107、全反镜108、偏振控制器104、光纤光栅103、光谱仪102；

所述泵浦光源101与波分复用器105的输入端连接；

所述波分复用器105包括两个输出端，第一输出端与掺铒光纤106、单模光纤107、全反镜108依次连接，第二输出端与偏振控制器104、光纤光栅103、光谱仪102依次连接。

在本实施例中，所述光纤光栅103采用级联光纤布拉格光栅，通过飞秒激光20器搭配飞秒刻写平台，采用飞秒激光逐点刻写法而生成。

实施例2

本实施例与上述实施例1相对应，公开一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器实现波长切换的方法，包括以下步骤：

步骤a、对光纤光栅103进行基于飞秒激光加工技术的激光刻写；

步骤b、将泵浦光源101连接到波分复用器105输入端；

步骤c、在波分复用器105的第一输出端依次连接掺铒光纤106、单模光纤107、全反镜108；

步骤d、将激光刻写后的光纤光栅103连接到波分复用器105第二输出端的偏振控制器104之后，并且连接光谱仪102；

步骤e、调节偏振控制器104的偏振片改变随机光纤激光器内光纤光栅103特定的反射波长附近的光的偏振状态，实现波长可切换的激光输出。

其中，光纤光栅103采用级联光纤布拉格光栅，则对所述级联光纤布拉格光栅进行激光刻写的步骤为：

步骤a1、将级联光纤布拉格光栅放置在刻写平台的光纤夹持位移平台50上，参见图2，其中40表示纤芯，30表示包层，10为物镜；

步骤a2、打开飞秒激光20，将飞秒激光20与电脑相连，设置好刻写的形状和参数；

步骤a3、通过调整平台速度对所述级联光纤布拉格光栅进行激光刻写；

步骤a4、将级联光纤布拉格光栅两端分别连接光谱仪102和光源，进行参数观察。

本发明上述随机光纤激光器实现波长切换的原理为：

将泵浦激光通过波分复用器105耦合到掺铒光纤106中提供系统增益，掺铒光纤106的另一端连接到长距离单模光纤107上为系统提供随机分布反馈，光纤纤芯40材料的不均匀性会导致其轴向折射率的随机分布，进而产生瑞利散射并为随机激光的产生提供光学反馈，掺铒光纤106通过激光器泵浦产生能级跃迁粒子数反转，产生自发辐射ASE光。其传输的ASE光中与左端的光纤光栅103波长相同的部分被反射回来，经掺铒光纤106放大，然后到达长距离单模光纤107中，光被单模光纤107后端的全反镜108反馈回去，再次进入掺铒光纤106被放大并被左端的光纤光栅103反射回来，由此往复形成谐振。光纤光栅103与长距离单模光纤107构成谐振腔，当光增益足够高时，腔内的相干散射光子可以满足产生激光的阈值条件，从而产生随机激光输出。

当随机激光向波分复用器105输出端传播时，经过两个级联高反射布拉格光纤光栅FBG，他们对系统内的光起到选频的作用，进而输出两个稳定的特定波长的随机激光。利用偏振控制器104调节光纤激光器腔内损耗，通过调节偏振片，改变在级联光纤布拉格光栅FBG的两个反射波长附近光的偏振状态，实现波长可切换的激光输出。偏振片是由具有特定光学性质的材料制成的，采用具有高折射率和吸收特定振动方向的晶体和聚合物材料。因其结构使得只有与特定方向振动的光波能够通过，而其他方向的光波则会被吸收或反射。利用此特性有选择性地改变光的偏振状态，从而实现对光纤激光器输出光的偏振状态的调节和控制，最终实现波长切换。

实验结果：

利用飞秒激光20加工技术，因其更高的加工效率采用逐点刻写法刻写级联光纤布拉格光栅，所刻写的级联光纤布拉格光栅作为随机光纤激光器的核心选频器件，利用偏振控制器104通过改变其偏振片的角度改变系统内光的传播状态，实现波长切换的功能。掺铒光纤激光器在泵浦光源101下，输出的两个波长的激光，所发明的激光器具有良好的波长稳定性和输出功率随时间的稳定性，相位噪声低等优点。可见级联光纤布拉格光栅窄宽带的滤波效应，使输出激光的中心波长更加稳定，在系统工作后的短时间内，输出激光的稳定性得到保证。

利用偏振控制器104精活地调节光纤激光器腔内损耗，通过调节偏振片在级联光纤布拉格光栅的两个反射波长附近实现波长可切换的激光输出。两个波长分别为波长1和波长2，波长的切换结果示意图参见图3(a)-图3(c)。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器，其特征在于，包括：

泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、单模光纤、全反镜、偏振控制器、光纤光栅、光谱仪；

所述泵浦光源与波分复用器的输入端连接；

所述波分复用器包括两个输出端，第一输出端与掺铒光纤、单模光纤、全反镜依次连接，第二输出端与偏振控制器、光纤光栅、光谱仪依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器，其特征在于，所述光纤光栅采用级联光纤布拉格光栅。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器，其特征在于，所述级联光纤布拉格光栅是通过飞秒加工技术搭配飞秒刻写平台,采用飞秒激光逐点刻写法而生成。

4.一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器实现波长切换的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、对光纤光栅进行激光刻写；

步骤b、将泵浦光源连接到波分复用器输入端；

步骤c、在波分复用器的第一输出端依次连接掺铒光纤、单模光纤、全反镜；

步骤d、将激光刻写后的光纤光栅连接到波分复用器第二输出端的偏振控制器之后，并且连接光谱仪；

步骤e、调节偏振控制器的偏振片改变随机光纤激光器内光的偏振状态，实现波长可切换的随机激光输出。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器实现波长切换的方法，其特征在于，所述光纤光栅采用级联光纤布拉格光栅。

6.根据权利要求5所述的一种基于光纤光栅的波长可切换随机光纤激光器实现波长切换的方法，其特征在于，对所述级联光纤布拉格光栅进行激光刻写包括以下步骤：

步骤a1、将级联光纤布拉格光栅放置在刻写平台的光纤夹持位移平台上；

步骤a2、打开飞秒激光，将飞秒激光与电脑相连，设置好刻写的形状和参数；

步骤a3、通过调整平台速度对所述级联光纤布拉格光栅进行激光刻写；

步骤a4、将级联光纤布拉格光栅两端分别连接光谱仪和光源，进行参数观察。