CN202042794U - 全光纤高效窄脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种全光纤高效窄脉冲光纤激光器，包括：由半导体激光泵浦源驱动模块驱动的半导体激光泵浦源、光纤波分复用器、增益介质光纤、第一光隔离器、光耦合器、由光开关驱动模块控制的带尾纤光开关及第二光隔离器，半导体激光泵浦源的输出端与光纤波分复用器的短波长输入端连接，光纤波分复用器的输出端依次通过增益介质光纤及第一光隔离器与光耦合器的输入端连接，光耦合器的输出端作为所述激光器的输出端，带尾纤光开关的一端通过第二光隔离器与光纤波分复用器的长波长输入端连接，在光耦合器与带尾纤光开关之间设有级联干涉腔，且级联干涉腔的输入端与光耦合器的反馈输出端连接，级联干涉腔的输出端与带尾纤光开关的另一端连接。

Description

全光纤高效窄脉冲光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及一种全光纤高效窄脉冲光纤激光器系统，属于稀土掺杂光纤激光器技术领域。

背景技术

光纤激光器（Fiber Laser，简称FL）是以掺稀土元素光纤作为增益介质，在泵浦光作用下形成其激光能级粒子数反转，结合谐振腔光反馈形成激光振荡输出。与其他传统固体和气体激光器相比，光纤激光器以增益介质光纤作为储能单元，具有结构紧凑、转换效率高、光束质量好、输出波长范围宽、环境适应性强等特点，在通信、传感、工业、军事和医疗等众多领域都得到了广泛应用，尤其是基于调Q技术的大功率、高能量输出的脉冲光纤激光器。调Q技术的关键是高速光开关，通过它瞬间控制和改变激光器谐振腔的损耗值,在激光腔内迅速产生激光振荡，使积累到较高程度的反转粒子数能量在极短时间内释放，实现窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。

谐振腔的损耗一般包括反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗等，对不同损耗进行控制构成了不同的调Q技术，目前常用的调Q方式包括：控制吸收损耗的饱和吸收体调Q，其不足之处是稳定性较差，产生脉冲具有一定随机性，脉冲宽度和重复频率不可调；控制衍射损耗的声光调Q技术和控制反射损耗的电光调Q技术，后两种方法通过在腔内置入声光开关或者电光晶体实现Q值控制，虽然可以实现高重复频率、窄脉冲宽度输出，但是采用空间光路耦合方式带来激光器腔内损耗过大并且对光路对准要求严格，限制了输出光功率，并且成本很高，需要采用一种结构紧凑、低损耗的全光纤调Q技术以实现激光器输出效率最优化，结构简单化。

光纤激光器反馈腔通常采用线性干涉腔和环形腔结构。线性腔结构需要光纤严格控制光纤反馈端面反射系数或者以光纤光栅作为反射单元实现光反馈，技术要求复杂，容易受到环境温度等因素的影响。由于泵浦光必须透过光纤一端的腔镜进入光纤，高泵浦功率易对腔镜膜产生损害。普通环形腔结构光纤激光器不使用反射镜构成全光纤腔，由于激光腔长的限制，输出为多纵模。因此，如何优化腔结构提高激光器输出效率与模式等性能，成为关键问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提出一种全光纤高效窄脉冲光纤激光器。该全光纤脉冲光纤激光器的谐振腔具有可调谐、高稳定性、高输出效率、模式特性好的优点。

本实用新型采用以下技术方案：

一种全光纤高效窄脉冲光纤激光器，包括：由半导体激光泵浦源驱动模块驱动的半导体激光泵浦源、光纤波分复用器、增益介质光纤、第一光隔离器、光耦合器、由光开关驱动模块控制的带尾纤光开关及第二光隔离器，半导体激光泵浦源的输出端与光纤波分复用器的短波长输入端连接，光纤波分复用器的输出端依次通过增益介质光纤及第一光隔离器与光耦合器的输入端连接，光耦合器的输出端作为所述激光器的输出端，带尾纤光开关的一端通过第二光隔离器与光纤波分复用器的长波长输入端连接，其特征在于，在光耦合器与带尾纤光开关之间设有级联干涉腔，且级联干涉腔的输入端与光耦合器的反馈输出端连接，级联干涉腔的输出端与带尾纤光开关的另一端连接。

本实用新型具有以下优点：

1、  采用复合腔结构，即环形激光腔内级联干涉腔结构，通过干涉加强和腔内损耗控制作用，提高了激光器输出效率，改善了输出光模式特性，干涉腔内为空气间隙，输出光强不受环境温度和应力的影响。

2、  腔内光开关和其他元件采用全光纤结构，耦合损耗小，结构紧凑，输出效率高，稳定性好；

3、  以全光纤光开关作为调Q单元代替价格昂贵的晶体调Q技术，具有低插入损耗、低成本和高响应速率的优点；

4、  输出高功率纳秒宽度光脉冲，具有宽度和重复频率可调的特点；

附图说明

图1为本实用新型提出的全光纤高效窄脉冲光纤激光器工作原理图；

图2为本实用新型使用的光纤干涉腔光纤端面微调控制装置俯视图；

图3为本实用新型使用的光纤干涉腔光纤端面微调控制装置侧视图；

图4为本实用新型中的级联光纤干涉腔内光传输原理图；

图5为本实用新型中级联光纤干涉腔反射谱特性随干涉腔空气间隙变化的仿真结果图，其中干涉腔空气间隙d₁<d₂<d₃，减少干涉腔空气间隙，增加干涉腔1550nm波长处反射系数；

图6为本实用新型中级联光纤干涉腔反射谱特性随干涉腔个数变化的仿真结果图，增加干涉腔个数，级联干涉腔发射系数增加，反射谱带宽减少；

图7为实验测得的微调干涉腔光纤反射端面空气间距激光输出变化光谱图，其中双纵模对应环形腔无干涉腔结构，其相对积分功率谱最低，单纵模且谱宽最窄，积分功率值最大；光谱峰值波长位于1561.15nm附近对应环形腔双干涉腔结构；

图8为本实用新型提出的全光纤高效窄脉冲光纤激光器单个激光光脉冲时域特性谱图，脉冲呈高斯型，脉宽为70ns。

具体实施方式

一种全光纤高效窄脉冲光纤激光器，如图1所示，包括：由半导体激光泵浦源驱动模块1驱动的半导体激光泵浦源2、光纤波分复用器3、增益介质光纤4、第一光隔离器5、光耦合器6、由光开关驱动模块10控制的带尾纤光开关9及第二光隔离器11，半导体激光泵浦源2的输出端与光纤波分复用器3的短波长输入端连接，光纤波分复用器3的输出端依次通过增益介质光纤4及第一光隔离器5与光耦合器6的输入端连接，光耦合器6的输出端作为所述激光器的输出端，带尾纤光开关9的一端通过第二光隔离器11与光纤波分复用器3的长波长输入端连接，其特征在于，在光耦合器6与带尾纤光开关9之间设有级联干涉腔18，且级联干涉腔18的输入端与光耦合器6的反馈输出端连接，级联干涉腔18的输出端与带尾纤光开关9的另一端连接。在本实施例中，参见图2、3，图2所示的是级联干涉腔18包括微调架16，在微调架16上至少滑动连接有3个光纤夹持单元，所述的光纤夹持单元由滑块15及光纤12组成，光纤12的端面为垂直切割端面，在滑块15上设有V形槽17，光纤12固定在V形槽17内，在相邻光纤夹持单元的相邻光纤端面之间设有空气间隙14。

参见如图4所示的级联干涉腔内光干涉原理，光入射光强以                                               

经第i-1个光纤端面与空气间隙构成的光纤干涉腔，干涉腔的两个光纤端面反射系数分别为r₁和r₂，经干涉作用后部分光依次进入第i、i+1个光纤干涉腔，部分光反射回原方向。通过多个干涉腔干涉效应得到反射回原方向的输出光强

。所述级联干涉腔以低损耗熔接方式与环形腔内光器件尾纤相连接。

如图5、6所示为根据据Rouard方法数值分析得到所述光纤级联干涉腔的光谱特性，图5为不同空气间隔12、13时级联干涉腔滤波谱，输出光谱带宽随间隔减小而变窄，图6为相同空气间隔时，级联干涉腔反射系数随干涉腔级联个数增加而增大。

级联光纤干涉腔滤波光谱特性采用Rouard方法分析如下： 

由光纤端面与空气间隙形成的三层介质干涉腔反射系数以艾利（Airy）方程表示为：

 输入光与输出光的关系为：

其中为

具有复指数形式，

和分别为第一、第二个介质端面的反射系数，

为经过中间介质端面产生的光相位延迟：

k为波矢，

为中间层介质折射率，

为自由空间波长，

为中间介质层厚度。当n个光纤干涉腔级联时（

），相邻两个干涉腔之间的间隔为

。考虑光在第i个干涉腔内传输，依次经过介质层

，

，

，其反射系数表达式为：

  

由上式进行反复迭代得到整个级联干涉腔的反射系数，反射峰值波长与反射系数取决于所述级联干涉腔个数和空气间隙。

Claims (2)

1. 一种全光纤高效窄脉冲光纤激光器，包括：由半导体激光泵浦源驱动模块（1）驱动的半导体激光泵浦源（2）、光纤波分复用器（3）、增益介质光纤（4）、第一光隔离器（5）、光耦合器（6）、由光开关驱动模块（10）控制的带尾纤光开关（9）及第二光隔离器（11），半导体激光泵浦源（2）的输出端与光纤波分复用器（3）的短波长输入端连接，光纤波分复用器（3）的输出端依次通过增益介质光纤（4）及第一光隔离器（5）与光耦合器（6）的输入端连接，光耦合器（6）的输出端作为所述激光器的输出端，带尾纤光开关（9）的一端通过第二光隔离器（11）与光纤波分复用器（3）的长波长输入端连接，其特征在于，在光耦合器（6）与带尾纤光开关（9）之间设有级联干涉腔（18），且级联干涉腔（18）的输入端与光耦合器（6）的反馈输出端连接，级联干涉腔（18）的输出端与带尾纤光开关（9）的另一端连接。

2.根据权利要求1的全光纤高效窄脉冲光纤激光器，其特征在于，级联干涉腔（18）包括微调架（16），在微调架（16）上至少滑动连接有3个光纤夹持单元，所述的光纤夹持单元由滑块（15）及光纤（12）组成，光纤（12）的端面为垂直切割端面，在滑块（15）上设有V形槽（17），光纤（12）固定在V形槽（17）内，在相邻光纤夹持单元的相邻光纤端面之间设有空气间隙（14）。

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