CN118040441A - 一种双向环形腔单频自扫光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双向环形腔单频自扫光纤激光器，涉及光纤激光器和非线性光学领域，激光器中，泵浦源的输出端与波分复用器的反射端连接；波分复用器的公共段与掺杂光纤的一端连接，掺杂光纤的另一端与双环无源子腔的一端连接，双环无源子腔的另一端与输出耦合器的一端连接，输出耦合器的另一端与波分复用器的透射端连接以构成双向环形腔；双环无源子腔用于将掺杂光纤激发出来的光分别按照顺时针方向及逆时针方向传播，然后在双向环形腔中传播；输出耦合器用于将双环无源子腔或者波分复用器的传输光分为两束光，一束光通过第一端口、双向环形腔传入掺杂光纤，另一束光通过第二端口输出以产生单频自扫激光。本发明结构简单、调谐范围宽且光学耗损低。

Description

一种双向环形腔单频自扫光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器和非线性光学领域，特别是涉及一种双向环形腔单频自扫光纤激光器。

背景技术

波长可调谐光纤激光器由于其优良的散热性和较高的灵活性在光通信、光传感和光谱学等多种系统中有着广泛的应用。然而，为了使光纤激光器稳定工作于波长连续可调谐机制，一般需要依赖三种方式：一是加入某些光学滤波器件，例如光纤布拉格光栅棱镜对和干涉仪等；二是更改激光器的外部参数，例如温度、电压和磁场等；三是利用非线性光学效应，例如光学参量振荡、受激拉曼散射和光学双频等。基于这三种方式，可调谐光纤激光器得以成功实现，但不可避免地存在结构设计复杂、输出性能降低和制造成本提高等一系列问题，其发展也因此大受影响。

目前，一种替代主动频率选择和连续调谐技术的方法是基于激光器内部物理机制的波长自扫，其无需任何调谐元件便可使得激光器处于稳定的波长调谐状态。单频自扫光纤激光器相对于多波长纵模运转有着更加优良的输出光谱、时域信号等光学性能，其在光学测距、光谱检测和光谱合成等方面有着重要的潜在应用价值。然而，现有技术中可实现单频自扫系统的方法较少，调谐范围较短，而且往往需要复杂的腔型设计和光学器件，光学损耗极大。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向环形腔单频自扫光纤激光器，结构简单、调谐范围宽、光学耗损低。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双向环形腔单频自扫光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、掺杂光纤、双环无源子腔及输出耦合器；

所述泵浦源的输出端与所述波分复用器的反射端连接；

所述波分复用器的公共段与所述掺杂光纤的一端连接，所述掺杂光纤的另一端与所述双环无源子腔的一端连接，所述双环无源子腔的另一端与所述输出耦合器的一端连接，所述输出耦合器的另一端与所述波分复用器的透射端连接，以构成双向环形腔；

所述双环无源子腔用于将所述掺杂光纤激发出来的光，分别按照顺时针方向及逆时针方向传播，然后在所述双向环形腔中传播；

所述输出耦合器用于按照预设比例将所述双环无源子腔或者所述波分复用器的传输光分为两束光，一束光通过第一端口、所述双向环形腔传入所述掺杂光纤，另一束光通过第二端口输出，以产生单频自扫激光。

可选地，所述双环无源子腔包括两个光耦合器，其中，每个所述光耦合器均通过所述输出耦合器的第三端口及第四端口首尾相连，以构成无源子腔。

可选地，所述输出耦合器为光耦合器，且所述输出耦合器采用APC端口结构。

可选地，作为输出耦合器的光耦合器的比率为10/90、20/80、30/70或40/60。

可选地，所述泵浦源、所述波分复用器、所述掺杂光纤及所述输出耦合器均为保偏器件；或者，所述泵浦源、所述波分复用器、所述掺杂光纤及所述输出耦合器均为单模器件。

可选地，所述泵浦源与所述波分复用器之间的连接、所述波分复用器与所述掺杂光纤之间的连接、所述掺杂光纤与所述双环无源子腔之间的连接、所述双环无源子腔与所述输出耦合器之间的连接、所述输出耦合器与所述波分复用器之间的连接均采用保偏光纤或均采用单模光纤。

可选地，所述掺杂光纤为波段为1μm的掺镱光纤。

可选地，工作时，所述泵浦源发出的泵浦光，经由所述波分复用器注入所述掺杂光纤并进行泵浦，泵浦后的所述掺杂光纤发出受激辐射光；在顺时针方向，所述受激辐射光发出后依次经由所述双环无源子腔、所述输出耦合器、所述波分复用器，然后再次注入所述掺杂光纤；在逆时针方向，所述受激辐射光发出后依次经由所述波分复用器、所述输出耦合器、所述双环无源子腔，然后再次注入所述掺杂光纤。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中泵浦源的输出端与波分复用器的反射端连接；波分复用器、掺杂光纤、双环无源子腔、输出耦合器依次首尾连接，以构成双向环形腔；双环无源子腔将掺杂光纤激发出来的光分别按照顺时针方向及逆时针方向传播，然后在双向环形腔中传播；输出耦合器按照预设比例将双环无源子腔或者波分复用器的传输光分为两束光，一束通过双向环形腔传入掺杂光纤，将另一束输出以产生单频自扫激光。本发明激光器结构简单，采用的双向环形腔结构不限制光的传播方向，使其能够在顺时针方向及逆时针方向均能够进行传播，进而在掺杂光纤中形成稳定的动态光栅。本发明的结构设置巧妙，采用双环无源子腔限制激光腔的纵模数，通过子腔长度和主腔长度理论确定腔内纵模演变，使得激光腔内的多纵模运转转换为单纵模运转，在降低腔内光学损耗的同时增大输出波长的调谐范围，实现简易腔型设计中的单频自扫操作。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明双向环形腔单频自扫光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明实例中激光器输出光谱特征示意图；

图3为本发明实例中激光器输出波长自扫示意图。

符号说明：

1-泵浦源，2-波分复用器，3-掺杂光纤，4-输出耦合器，5-输出跳线头，6-双环无源子腔。

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。

本发明的目的是提供一种双向环形腔单频自扫光纤激光器，具有结构简易、高输出功率、低损耗宽调谐、高光信噪比的优点。具体地，利用无源子腔结构所形成的周期性梳状滤波带和有源光纤中的动态光栅相结合作为腔内纵模的选择器件，采用全保偏环形腔结构，将半导体激光器、保偏增益光纤、无源双子环结构和保偏耦合器分别作为激光泵浦源、增益介质、滤波器和输出器件。将腔内无规律的纵模演变过渡到单纵模演变状态，实现一种独特的单频波长可调谐的单频自扫光纤激光器。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种双向环形腔单频自扫光纤激光器，包括泵浦源1、波分复用器2、掺杂光纤3、双环无源子腔6及输出耦合器4。

其中，所述双环无源子腔6包括两个光耦合器，其中，每个所述光耦合器通过所述输出耦合器4的第三端口及第四端口首尾相连，以构成无源子腔。

所述输出耦合器4为光耦合器，且所述输出耦合器4采用APC端口结构。作为输出耦合器4的光耦合器的比率为10/90、20/80、30/70或40/60。

在一个具体实例中，不追求稳定性的情况下，所述泵浦源1、所述波分复用器2、所述掺杂光纤3及所述输出耦合器4均为保偏器件；或者，在不追求稳定性的情况下，所述泵浦源1、所述波分复用器2、所述掺杂光纤3及所述输出耦合器4均为单模器件。

在另一个具体实例中，所述泵浦源1与所述波分复用器2之间的连接、所述波分复用器2与所述掺杂光纤3之间的连接、所述掺杂光纤3与所述双环无源子腔6之间的连接、所述双环无源子腔6与所述输出耦合器4之间的连接、所述输出耦合器4与所述波分复用器2之间的连接均采用保偏光纤或均采用单模光纤。

在具体实际应用中，出于稳定性的考虑，所述泵浦源1、所述波分复用器2、所述掺杂光纤3及所述输出耦合器4均为保偏器件，而各器件之间的连接均采用保偏光纤。

优选地，所述掺杂光纤3为波段为1μm的掺镱光纤，也可根据需要使用其它波段的掺杂光纤。

在另一个具体实例中，所述泵浦源1的输出端与所述波分复用器2的反射端连接。所述波分复用器2的公共段与所述掺杂光纤3的一端连接，所述掺杂光纤3的另一端与所述双环无源子腔6的一端连接，所述双环无源子腔6的另一端与所述输出耦合器4的一端连接，所述输出耦合器4的另一端与所述波分复用器2的透射端连接，以构成双向环形腔。

所述双环无源子腔6用于将所述掺杂光纤3激发出来的光，分别按照顺时针方向及逆时针方向传播，然后在所述双向环形腔中传播。所述输出耦合器4用于按照预设比例将所述双环无源子腔6或者所述波分复用器2的传输光分为两束光，一束光通过第一端口、所述双向环形腔传入所述掺杂光纤3，另一束光通过第二端口输出，以产生单频自扫激光。其中，输出耦合器4的第二端口即对应图1中的输出跳线头5，而图1中出现两个输出跳线头5分别对应从双环无源子腔6的传输光的输出、从所述波分复用器2的传输光的输出。

基于上述记载的部件连接及部件功用，本发明双向环形腔单频自扫光纤激光器的工作过程如下：

所述泵浦源1发出的泵浦光，经由所述波分复用器2注入所述掺杂光纤3并进行泵浦，泵浦后的所述掺杂光纤3发出受激辐射光；在顺时针方向，所述受激辐射光发出后依次经由所述双环无源子腔6、所述输出耦合器4、所述波分复用器2，然后再次注入所述掺杂光纤3；在逆时针方向，所述受激辐射光发出后依次经由所述波分复用器2、所述输出耦合器4、所述双环无源子腔6，然后再次注入所述掺杂光纤3。

更具体来说，通过波分复用器2将泵浦光注入到掺杂光纤3中对其进行泵浦。掺杂光纤3被激发后会发射出受激辐射光沿着双向环形腔的两个方向传播。两个方向的光经过双环无源子腔滤波后，再次进入掺杂光纤3内进行放大产生驻波。掺杂光纤3在驻波场内由于光强的不同会因空间烧孔效应产生动态光栅的结构。由于掺杂光纤3内反转离子的驰豫振荡，动态光栅有一定的驰豫时间，之后产生的光栅将根据激光腔内增益曲线周期变化，使得激光器的运转波长周期性变化。在合理长度的无源子腔中，由于周期性的梳状滤波器的存在使得腔内纵模限制在单个纵模内，整个激光器也将由多纵模运转状态过渡到单频自扫状态。

而在本发明双向环形腔单频自扫光纤激光器工作之前，还需要对其进行相关的参数设置，以使得其能够达到目标单频自扫效果。具体地，掺杂光纤3的激发波长的设置以保证腔中产生单频自扫现象为准；保偏器件的工作波段与所选掺杂光纤的激发波长自洽；将泵浦源1发出的泵浦光调整至适合的泵浦功率区间；调节双环无源子腔6的结构长度从而控制腔内的振荡纵模数量；调节增益光纤(即掺杂光纤3)的长度和泵浦源1的泵浦功率以调整输出波长的自扫范围、自扫速率和自扫区间。此时，激光系统处于单纵模运转状态，且可以通过频谱仪预见腔内的纵模更迭过程。利用泵浦功率的大小、增益光纤的长度、输出耦合器的比例以及无源子腔的长度以很好的控制自扫范围、自扫速率、单频自扫和多频自扫状态、光信噪比等光纤激光器的主要光学参数。

如图2及图3所示，为本发明实例所得到的激光器输出光谱特征示意图及激光器输出波长自扫示意图。图2中，输出信号的中心波长为1064.55nm，光信噪比约为44dB。图3中，在输入功率为80mW时自扫范围大约为6nm。

综上，本发明提供了一种新型的、简易的、低损耗的、宽调谐的单频波长自扫光纤激光器。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。

Claims (8)

1.一种双向环形腔单频自扫光纤激光器，其特征在于，所述双向环形腔单频自扫光纤激光器包括泵浦源、波分复用器、掺杂光纤、双环无源子腔及输出耦合器；

所述泵浦源的输出端与所述波分复用器的反射端连接；

所述波分复用器的公共段与所述掺杂光纤的一端连接，所述掺杂光纤的另一端与所述双环无源子腔的一端连接，所述双环无源子腔的另一端与所述输出耦合器的一端连接，所述输出耦合器的另一端与所述波分复用器的透射端连接，以构成双向环形腔；

所述双环无源子腔用于将所述掺杂光纤激发出来的光，分别按照顺时针方向及逆时针方向传播，然后在所述双向环形腔中传播；

所述输出耦合器用于按照预设比例将所述双环无源子腔或者所述波分复用器的传输光分为两束光，一束光通过第一端口、所述双向环形腔传入所述掺杂光纤，另一束光通过第二端口输出，以产生单频自扫激光。

2.根据权利要求1所述的双向环形腔单频自扫光纤激光器，其特征在于，所述双环无源子腔包括两个光耦合器，其中，每个所述光耦合器均通过所述输出耦合器的第三端口及第四端口首尾相连，以构成无源子腔。

3.根据权利要求1所述的双向环形腔单频自扫光纤激光器，其特征在于，所述输出耦合器为光耦合器，且所述输出耦合器采用APC端口结构。

4.根据权利要求3所述的双向环形腔单频自扫光纤激光器，其特征在于，作为输出耦合器的光耦合器的比率为10/90、20/80、30/70或40/60。

5.根据权利要求1所述的双向环形腔单频自扫光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源、所述波分复用器、所述掺杂光纤及所述输出耦合器均为保偏器件；或者，所述泵浦源、所述波分复用器、所述掺杂光纤及所述输出耦合器均为单模器件。

6.根据权利要求1所述的双向环形腔单频自扫光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源与所述波分复用器之间的连接、所述波分复用器与所述掺杂光纤之间的连接、所述掺杂光纤与所述双环无源子腔之间的连接、所述双环无源子腔与所述输出耦合器之间的连接、所述输出耦合器与所述波分复用器之间的连接均采用保偏光纤或均采用单模光纤。

7.根据权利要求1所述的双向环形腔单频自扫光纤激光器，其特征在于，所述掺杂光纤为波段为1μm的掺镱光纤。

8.根据权利要求1所述的双向环形腔单频自扫光纤激光器，其特征在于，工作时，所述泵浦源发出的泵浦光，经由所述波分复用器注入所述掺杂光纤并进行泵浦，泵浦后的所述掺杂光纤发出受激辐射光；在顺时针方向，所述受激辐射光发出后依次经由所述双环无源子腔、所述输出耦合器、所述波分复用器，然后再次注入所述掺杂光纤；在逆时针方向，所述受激辐射光发出后依次经由所述波分复用器、所述输出耦合器、所述双环无源子腔，然后再次注入所述掺杂光纤。