CN1274070C - 波长可调谐的喇曼光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种波长可调谐的喇曼光纤激光器，其由1342nm固体激光器(1)、1342nm光隔离器(2)和喇曼谐振器组成，喇曼谐振器的结构是：包括宽光谱高反镜(3)、光滤波器(4)、波分复用耦合器(6)、喇曼频移光纤(7)和二向色镜(9)，它们由准直器和光纤形成光路连接；光滤波器(4)是固体法布里-珀罗腔窄带可调谐的光滤波器，其和宽光谱高反镜(3)一起构成喇曼谐振器的激光谐振腔的前腔镜。本发明能够克服传统结构喇曼谐振器存在的频移级次多、转换效率低、温度稳定性较差等弊端，同时具有输出激光波长调谐功能，调谐范围达到数十纳米。

Description

波长可调谐的喇曼光纤激光器

技术领域

本发明是一种波长可调谐的喇曼光纤激光器。

背景技术

光纤激光器采用光泵浦，纤芯中的掺杂激活粒子，吸收某些波段的光能，在工作物质中形成粒子数反转，产生激光。二极管激光器泵浦的包层光纤激光器，由于通过选择特定波长的二极管激光器，使二极管发射的光谱恰好为掺杂激活粒子的吸收带，其实质就是用能与掺杂激活粒子吸收带相匹配的发射光源以获得高效、全固化、体积小、可靠性高、应用面更为广泛的光纤激光器。

目前常规的喇曼光纤光纤激光器多数采用双包层光纤加喇曼谐振器结构，泵浦激光二极管(LD)波长976nm，注入Yb³⁺掺杂双包层光纤，输出1117nm激射波长作为泵浦光。要得到14xxnm系列的激光输出，需要五阶以上的斯托克斯(Stokes)频移。由于每一级喇曼频移转换效率约为85％左右，则喇曼频移的总转换效率在44％左右。而由976nm泵浦LD到1117nm激光输出的转换效率一般为70％左右，因此总的光-光转换效率约为31％。而且多级喇曼级联谐振腔结构复杂，技术实现难度较大，成本昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够克服传统结构的喇曼谐振器存在的弊端，具有结构简单、转换效率高和波长可调谐的改进型喇曼光纤激光器。

本发明所采用的技术方案如下：波长可调谐的喇曼光纤激光器由1342nm固体激光器、1342nm光隔离器和喇曼谐振器组成。喇曼谐振器的结构是：包括宽光谱高反镜、光滤波器、波分复用耦合器、喇曼频移光纤和二向色镜，它们由准直器和光纤形成光路连接。光滤波器是固体FP腔窄带可调谐的光滤波器(固体法布里-珀罗腔窄带可调谐的光滤波器)，其和宽光谱高反镜一起构成喇曼谐振器的激光谐振腔的前腔镜。

本发明由于采用了不同于现有技术的结构，因此能够克服传统结构喇曼谐振器存在的频移级次多、转换效率低、温度稳定性较差等弊端，同时具有输出激光波长调谐功能，调谐范围达到数十纳米。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中1342nm固体激光器1的结构示意图。

图3是图1中光滤波器4的驱动控制装置的结构示意图。

图4是图1中光滤波器4的波长起始定位装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明是波长可调谐的喇曼光纤激光器，是一个系统，其结构如图1所示：由1342nm固体激光器1、1342nm光隔离器2和喇曼谐振器组成。喇曼谐振器的结构是：包括宽光谱高反镜3、光滤波器4、波分复用耦合器(WDM合波器)6、喇曼频移光纤7和二向色镜9，它们由准直器和光纤形成光路连接。光滤波器4是固体FP腔窄带可调谐的滤波器，其和宽光谱高反镜3一起构成喇曼谐振器的激光谐振腔的前腔镜。

在光滤波器4和波分复用耦合器6之间设有准直器5。在二向色镜9的两侧，分别设有准直器8、10。波分复用耦合器6由喇曼频移光纤7连接准直器8。光滤波器4，其自由光谱范围大于激光输出波长范围的薄膜滤波片，在系统中起光学选频作用，其中心波长决定了输出激光的中心波长。波分复用耦合器6可采用1342/14xxnm波分复用耦合器。二向色性反射器9为14xxnm的二向色性反射器。

光滤波器4由波长调谐驱动装置控制，该装置的结构如图3所示：设有旋转平台29，与步进电机30的电机轴相连，此平台一端设有1个纵向通光狭缝31，台面中部装有滤波器4，台面边沿处装有准直器5。旋转平台29用于安装和固定光滤波器4，其中心轴与光滤波器4垂直方向对称轴铅垂重合。步进电机30驱动旋转平台29双向(逆时针或顺时针)旋转，其旋转轴与光滤波器4的中轴铅垂重合。

光滤波器4的初始中心波长定位由波长调谐起始定位装置控制，该装置的结构如图4所示：设有“h”形固定架33，其张开的2个支架上分别装有精密位置探测器光源32(简称PSD光源32)、精密位置探测器34(简称PSD探测器34)，它们分别位于纵向通光狭缝31的上、下方。PSD光源32发出的定位参考光，当纵向通光狭缝31在旋转平台29旋转过程中位于该参考光正下方时，参考光束经纵向通光狭缝31入射到PSD探测器34光敏面上。PSD探测器34根据光束在光敏面平衡位置的相对分布情况，输出对应的电平信号，当光束对称分布于平衡位置时，输出电平为零。于是，本系统根据设定波长与初始中心波长的差值计算出光滤波器4需要旋转的角度和对应的步进电机的步进方向和步数，然后由外部控制器驱动步进电机按照上述方向旋转上述步数，从而使光滤波器4的中心波长等于设定波长。

上述1342nm固体激光器1是本发明波长可调谐的喇曼光纤激光器的泵浦源，其采用808nm激光二极管泵浦的1342nm固体激光器，是一种新型结构的激光二极管泵浦的固体激光器(DPSSL)模块，已由本申请人申报了发明专利(专利申请号：200410013012.4)。其结构简述如下：

请见图2：在1342nm固体激光器1的金属外壳20内，设有TEC制冷器11、泵浦LD13及其热沉12、透镜组14、Nd:YVO₄激光晶体15及其热沉18、腔镜16、热敏电阻19，两热沉由激光焊接方法与TEC制冷器11焊连。图2中的序号21至28为本激光器的金属引脚。它们通过内部引线，引脚21、22分别连接到泵浦LD13正、负极，记为LD+、LD-；引脚23、24连接到TEC制冷器11正极，记为TEC+；引脚25、26连接到TEC制冷器11负极，记为TEC-；引脚27连接到热敏电阻19一端，记为Rt1；引脚28连接到热敏电阻19另一端，记为Rt2。

1342nm光隔离器2可隔离经由二向色镜9反射回的1342nm激光。宽光谱高反镜3在激光输出波长范围内(约50nm)具有高反射率的镀膜平面镜。准直器5输出来自波分复用耦合器6(WDM合波器)的14xxnm光，并接收宽光谱高反镜3、光滤波器4反射回的光。喇曼频移光纤7具有高喇曼增益系数的特种光纤，构成激光谐振腔的增益介质。准直器8可接收二向色镜9反射回的光。二向色镜是一种具有1342nm高反射和14xxnm部分透过的平面镜，构成激光谐振腔的后腔镜。准直器10，可由其耦合输出14xxnm激光。

下面从泵浦激光器、喇曼谐振器和波长调谐三个部分简述一下本发明的工作过程。

1.泵清激光器：

1)激光谐振腔部分：

(a)外部LD驱动器连接到引脚21、22，设定合适的电流驱动泵浦LD13发光。

(b)外部自动功率控制(APC)模块通过监测分路器(Tap)和PIN光电探测器，实时获得与准直器10的输出光功率成线性关系的电压信号。

(c)APC模块比较准直器10的输出光功率转换电压信号和系统预先设定的标准电压信号，通过外部调整电路实时调整LD驱动器的驱动电流：当检测信号大于设定信号时，减小驱动电流；反之增加驱动电流，使得准直器10的输出光功率稳定在设定的功率水平。

2)制冷控制部分：

(a)外部TEC驱动器通过引脚23、24、25和26驱动TEC制冷器11工作。

(b)同时，外部电桥检测电路通过引脚27、28实时检测热敏电阻19的阻值；当热敏电阻19的阻值等于平衡阻值时，表示模块温度正好处于系统设定温度上。

(c)检测温度高于设定温度时，外部TEC控制器通过增加驱动电流提高TEC制冷器11制冷能力。反之，检测温度低于设定温度时，外部TEC控制器通过增加驱动电流提高TEC制冷器11制冷能力；这种闭环控制系统可以保证DPSSL工作在合适的温度下，从而获得性能稳定的1342nm激光输出。

2.喇曼谐振器部分：

固体激光器1发出的1342nm泵浦激光经1342nm光隔离器2、波分复用耦合器6注入喇曼频移光纤7，由于喇曼效应，经准直器8输出的光包括泵浦光和14xxnm Stokes光，它们入射到二向色镜9后，泵浦光基本被完全反射，并被准直器8接收重新注入喇曼频移光纤7，产生新一轮的喇曼效应，进一步放大Stokes光；同时，一部分的Stokes光(能量取决于二向色镜9的反射率)也被反射回增益介质即喇曼频移光纤7，它与后向Stokes光一起经过波分复用耦合器6、准直器5入射到二向色性反射器3、光滤波器4，经光滤波器4滤波、宽光谱高反镜3反射后，被准直器5接收重新注入增益介质；如此反复，形成14xxnm激光输出。本激光器的阈值取决于喇曼谐振器的整体损耗，包括宽光谱高反镜3、光滤波器4、波分复用耦合器6、喇曼频移光纤7、准直器8、二向色镜9和准直器10以及各光纤焊点的插损。本激光器的效率则与增益介质和宽光谱高反镜3、二向色镜9的反射率有关。

3.波长调谐部分：

1)外部控制单元驱动步进电机30，带动旋转平台29以设定的方向(逆时针或顺时针方向)旋转，同时PSD光源32开始发光；

2)外部数据采集单元实时采集PSD探测器34的输出电平，并等待出现第一次非零电平；

3)当通光狭缝开始旋转通过PSD光源32投射在旋转平台29上的光斑时，数据采集单元将获得第一次非零电平；

4)外部控制单元等待并判定PSD探测器34输出第一次非零电平后的零电平位置即为PSD探测器34的平衡位置，亦即调谐起始位置；

5)外部控制单元根据系统预设速度，驱动光滤波器4旋转，不同的旋转角度下，光滤波器4具有特定的光学传递函数，即特定的透射中心波长；当旋转到设定角度时，光滤波器4的中心波长即可达到预期的激光输出波长。

Claims (6)

1.喇曼光纤激光器，其特征是该激光器为波长可调谐的喇曼光纤激光器，其由1342nm固体激光器(1)、1342nm光隔离器(2)和喇曼谐振器组成，喇曼谐振器的结构是：包括宽光谱高反镜(3)、光滤波器(4)、波分复用耦合器(6)、喇曼频移光纤(7)和二向色镜(9)，它们由准直器和光纤形成光路连接；光滤波器(4)是固体法布里-珀罗腔窄带可调谐的光滤波器，其和宽光谱高反镜(3)一起构成喇曼谐振器的激光谐振腔的前腔镜。

2.根据权利要求1所述的喇曼光纤激光器，其特征是在光滤波器(4)和波分复用耦合器(6)之间设有准直器(5)。

3.根据权利要求1所述的喇曼光纤激光器，其特征是在二向色镜(9)的两侧，分别设有准直器(8、10)。

4.根据权利要求1或3所述的喇曼光纤激光器，其特征是波分复用耦合器(6)由喇曼频移光纤(7)连接准直器(8)。

5.根据权利要求1所述的喇曼光纤激光器，其特征是光滤波器(4)由波长调谐驱动装置控制，该装置的结构是：设有旋转平台(29)，与步进电机(30)的电机轴相连，此平台一端设有1个纵向通光狭缝(31)，台面中部装有滤波器(4)，台面边沿处装有准直器(5)。

6.根据权利要求1所述的喇曼光纤激光器，其特征是光滤波器(4)，其调谐由波长调谐装置控制，该装置的结构是：设有“h”形固定架(33)，其张开的2个支架上分别装有精密位置探测器光源(32)、精密位置探测器(34)，它们分别位于纵向通光狭缝(31)的上、下方。

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