CN203871644U

CN203871644U - 一种高精度宽可调谐单频光纤激光器

Info

Publication number: CN203871644U
Application number: CN201420063689.8U
Authority: CN
Inventors: 徐善辉; 杨昌盛; 杨中民; 冯洲明; 张勤远; 姜中宏
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2024-02-12

Abstract

本实用新型提供了一种高精度宽可调谐单频光纤激光器，包括多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅或双色镜、窄带光纤光栅、波分复用器、光隔离器、泵浦源、激光频率调谐装置和热沉，激光频率调谐装置由PZT压电陶瓷组和精密温度控制器构成。本实用新型基于多组分玻璃光纤的短直F-P线性谐振腔结构，使得激光器单纵模运转；再利用精密温控技术和压电陶瓷组拉伸工艺相结合对激光谐振腔进行调节，可以高精度、宽范围和连续式调谐激光器的频率；再结合全光纤光链路结构，实现高调谐精度、宽调谐范围和高稳定性的频率可调谐单频光纤激光输出。

Description

一种高精度宽可调谐单频光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及到相干光通信、激光测距、光纤传感、多普勒激光测速雷达等领域所应用的光纤激光技术领域，具体涉及一种高调谐精度、频率宽可调谐的单频光纤激光器。

背景技术

单频光纤激光器是指激光腔内以振动单一纵模的形式输出，其特征为激光光谱线宽非常窄，最高可达到10^-8nm，比现有最好窄线宽半导体DFB激光器的线宽要窄2个数量级，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽要窄5～6个数量级。窄的线宽可以保证激光具有非常好的相干特性，其相干长度可达数百公里。由于其具有极窄线宽、低噪声、优异相干等特性，其广泛应用于相干光通信、长距离与高精度传感、激光测距与指示、以及材料技术等领域。

当前研究得较多的可调谐单频激光器，一般是使用稀土离子高掺杂石英光纤或者固态晶体作为单频激光的增益介质，在光路中插入可靠性低的块体光学调制晶体（电光晶体、热光晶体或F-P标准具等）作为维持单频运转装置或者激光频率调节装置，采取F-P线性腔或者复合腔结构，但都存在掺杂稀土离子的浓度无法进一步提高、谐振腔腔长较长、容易跳模、可靠性较差等诸多问题，一般最大只能直接输出几十mW量级的单频激光，而且最大难点是线宽较难做到10kHz以下，噪声较大，频率调谐范围较小（小于100GHz），易受外界环境的干扰。

用多组分玻璃光纤作为激光的增益介质，可以有效地实现输出功率大于100mW、线宽小于10kHz的单频光纤激光输出。例如：采用2cm长度的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤，实现了输出功率大于200mW、线宽小于2kHz、波长为1.5μm的单频光纤激光输出[J.LightwaveTechnol.,2004,22:57]。采用0.8cm长度的掺镱磷酸盐玻璃光纤，实现了输出功率大于400mW、线宽小于7kHz、波长为1.06μm的单频光纤激光输出[Opt.Lett.,2011,36:18]。此外，2005年，山西大学申请了单频可调谐激光器专利[公开号：CN1770574A]，采用掺Nd固体晶体增益介质和电光晶体构成激光谐振腔，实现了激光频率可调谐，但是其所要求的单频激光器并未具有全光纤化、线宽较宽、可靠性较差。2011年，美国IPG公司申请了高功率窄线宽光纤激光器专利[公开号：US7903696B2]，采用2个超短单频谐振腔输出低功率窄线宽单频激光信号，分别通过普通掺铒光纤放大器和高功率双包层光纤放大器进行两级激光功率放大，但是其所要求的光纤激光器并未具有频率可调谐特征。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种高精度宽可调谐单频光纤激光器。采用短直F-P型单频激光谐振腔结构，其分别利用多组分玻璃光纤的高增益特性、窄线宽光纤光栅的选频特性、激光频率调谐装置的调谐特性，在泵浦源提供泵浦（抽运）能量的前提下，调节单频激光谐振腔腔长（激光器的谐振频率与腔长成一定对应关系），最终实现高调谐精度、宽可调谐范围、高可靠性、高稳定性的连续调谐单频光纤激光输出。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

一种高精度宽可调谐单频光纤激光器，包括多组分玻璃光纤（稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤）、宽带光纤光栅、窄带光纤光栅、波分复用器、泵浦源、光隔离器、热沉和激光频率调谐装置，其中多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅、窄带光纤光栅共同组成单频激光谐振腔，宽带光纤光栅的一端经多组分玻璃光纤与窄带光纤光栅的一端连接，窄带光纤光栅的另一端与波分复用器的公共端连接，泵浦源的尾纤与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端作为单频激光最终输出端口；所述激光频率调谐装置包括固定在单频激光谐振腔中的PZT压电陶瓷组和精密温度控制器，所述压电陶瓷组由粗调PZT压电陶瓷和细调PZT压电陶瓷组成，单频激光谐振腔和压电陶瓷组置于精密温度控制器上，所有元器件封装在热沉中。

进一步优化的，激光工作介质即多组分玻璃光纤的纤芯基质成分为磷酸盐玻璃，其组成为75P₂O₅-8Al₂O₃-10BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃；基质材料包括但不限于磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、硅酸盐玻璃等组分玻璃。

进一步优化的，所述多组分玻璃光纤的纤芯均匀掺杂高浓度的稀土发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子或其他金属离子中一种或多种的组合情况，发光离子掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³。

进一步优化的，所述多组分玻璃光纤的纤芯形状为圆形，纤芯直径为4～30μm，包层形状为圆形，包层外径为80～440μm。

进一步优化的，所述多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅与窄带光纤光栅之间的连接耦合方式是：研磨抛光各光纤端面进行机械对接耦合；或者通过光纤熔接机熔融连接耦合。

进一步优化的，所述泵浦源是半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器，其泵浦波长范围700～1600nm，其输出泵浦功率大于50mW；输出尾纤类型为单模光纤。

进一步优化的，泵浦方式为：泵浦源的尾纤连接宽带光纤光栅的所述另一端进行前向泵浦；或者泵浦源发出的泵浦光经由波分复用器耦合进入窄带光纤光栅进行后向泵浦；或者由上述两种方式同时进行的双向泵浦。

进一步的，所述宽带光纤光栅采用双色镜代替，所述宽带光纤光栅或双色镜对泵浦光波长透射率大于85%；对激光信号光波长反射率大于90%；所述窄带光纤光栅对激光信号光波长部分透射，其中心波长处的反射率在20～90%之间；所述双色镜为在腔镜表面镀上薄膜或者为在多组分玻璃光纤的一端光纤端面镀膜。

进一步的，压电陶瓷组中的粗调PZT压电陶瓷和细调PZT压电陶瓷作为整体用光学胶一起固定在多组分玻璃光纤的侧面，或宽带光纤光栅用石英光纤一端的侧面，或窄带光纤光栅用石英光纤一端的侧面，或窄带光纤光栅的侧面；或者粗调PZT压电陶瓷和细调PZT压电陶瓷独立分开成单一个体，用光学胶分别固定在多组分玻璃光纤的侧面、宽带光纤光栅用石英光纤一端的侧面、窄带光纤光栅用石英光纤一端的侧面、窄带光纤光栅的侧面中任意某两个放置位置，即独立分开的放置方式的排列组合数为

进一步优化的，根据激光谐振腔中光纤拉伸变化要求给压电陶瓷组上施加相应直流偏置电压，对谐振腔腔长进行实时调节；所述粗调PZT压电陶瓷的单位电压输出位移量D₁大于细调PZT压电陶瓷的单位电压输出位移量D₂，粗调PZT压电陶瓷用于光纤拉伸变化的大幅度粗步调节，细调PZT压电陶瓷用于光纤拉伸变化的小范围细微调节，通过粗调PZT压电陶瓷与细调PZT压电陶瓷的组合互补实现高调谐精度和高调谐速度，两者进行组合互补，可以满足不同调谐精度、不同调谐速度、宽范围和连续调谐的要求。

上述稀土离子高掺杂磷酸盐玻璃光纤作为单频激光的工作介质，具有高增益特性，其具体使用长度可以根据激光输出功率大小、线宽大小、窄带光纤光栅的反射谱宽等要求进行选择，一般使用长度仅为0.5～25cm，即可实现几百mW功率的激光输出。

上述后腔镜由宽带光纤光栅或者双色镜（可选）担当，其中双色镜为在腔镜表面镀上薄膜或者为在稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤的一端端面镀膜。

进一步优化的，所述宽带光纤光栅的另一端端面被研磨抛光成斜面或者熔接一小段无芯光纤，用于防止光纤端面的光反射。

上述单频激光谐振腔由稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤、宽带光纤光栅或者双色镜（可选）、窄带光纤光栅构成，将激光谐振腔和压电陶瓷组封装置于一独立的精密温度控制器（热电制冷器TEC）上面进行精密温度调节改变谐振腔腔长，其温度控制精度±0.01℃。

上述激光频率调谐装置由压电陶瓷组和精密温度控制器共同构成，其中在压电陶瓷组上施加直流偏置电压，其关键参数——单位电压输出位移量决定调谐精度和所需调节电压值，可以根据激光谐振腔中光纤拉伸变化（位移变化）要求调节其相应的给定电压值大小，继而改变谐振腔腔长。

本实用新型将所有元器件封装在一开槽金属热沉上，有效进行散热，解决频率可调谐单频激光器工作时的热效应问题，进一步保障其输出功率、激光频率的稳定性与可靠性。

与现有技术相比，本实用新型具有如下技术效果和优点：

本实用新型将厘米量级的多组分玻璃光纤作为激光工作介质，激光谐振腔由多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅或者双色镜（可选）、窄带光纤光栅一起组成，其中窄带光纤光栅和宽带光纤光栅或双色镜（可选）构成短F-P腔结构的前后腔镜。在泵浦源的连续抽运下，多组分玻璃光纤纤芯中的稀土发光离子呈现粒子数反转，产生受激辐射信号光，在谐振腔腔镜的反馈作用下，信号光多次来回振荡并得到多次放大，并最终产生单频激光输出。由于谐振腔腔长只有厘米量级，腔内的纵模间隔可达GHz，当窄带光纤光栅的3dB反射谱窄至0.08nm，即可实现激光腔内只存在一个单纵模（单频）运转。

将激光谐振腔和压电陶瓷组封装置于一独立的温度控制器上面，进行精密温度调节，由于温度变化引起光纤光栅的反射波长以及谐振腔腔长的变化，可以导致激光频率的变化（偏移），即可以实现输出激光频率的微调谐；此外，再通过压电陶瓷组随加载偏置电压值变化而产生伸长或缩短作用，而使谐振腔腔长发生变化，也可以导致输出激光频率的变化，从而使激光谐振频率得到连续式调谐，且其调谐范围随所施加电压呈简单的线性变化关系。尤其是粗调PZT压电陶瓷和细调PZT压电陶瓷具有不同精度的位移量，进行组合互补，用于对谐振腔腔长的任意性调节要求。

为了分析问题的简单化，这里仅仅考虑压电陶瓷组对谐振腔腔长的调节作用，温度调节同时对谐振腔腔长的影响暂时忽略。由激光原理可知：激光谐振频率与谐振腔腔长成一定对应关系，激光谐振纵模频率ν间隔Δν与谐振腔腔长L的改变ΔL满足简单关系式：（其中k为一比例系数，其值一般接近1）。频率调谐范围就等于谐振腔的纵模间隔，本实用新型中的激光谐振腔腔长一般控制在2cm以下，如果取L＝2×10^-2m和k=1，假设1064nm信号激光（ν=2.82×10⁵GHz），当ΔL（谐振腔腔长的改变）变化7μm，可以得到100GHz的频率调谐范围，选择粗调PZT压电陶瓷单位电压位移量10μm/150V即可。假设所用电源的电压分辨率为0.1V，选择细调PZT压电陶瓷单位电压位移量1μm/2000V即可得到0.7MHz（小于1MHz）的频率调谐精度。

因此，使用短直F-P型单频激光谐振腔结构，结合激光频率调谐技术，可以得到高调谐精度、高调谐速度、宽调谐范围、线宽kHz量级、稳定的可调谐单频光纤激光输出。

附图说明

图1为PZT压电陶瓷组作为整体的固定在宽带光纤光栅用石英光纤一端侧面时的示意图。图2为PZT压电陶瓷组作为整体固定在窄带光纤光栅用石英光纤一端侧面时的示意图。

图3为PZT压电陶瓷组作为整体固定在窄带光纤光栅侧面时的示意图。

图4为PZT压电陶瓷组分开作为单一两个体的一种放置方式示意图。

图5为PZT压电陶瓷组分开作为单一两个体的一种放置方式示意图。

图6为PZT压电陶瓷组分开作为单一两个体的一种放置方式示意图。

图7为PZT压电陶瓷组分开作为单一两个体的一种放置方式示意图。

图8为实施例中高精度宽可调谐单频光纤激光器原理示意图。

图中：1—多组分玻璃光纤（掺镱磷酸盐玻璃光纤），2—粗调PZT压电陶瓷，3—细调PZT压电陶瓷，4—宽带光纤光栅，5—窄带光纤光栅，6—精密温度控制器，7—波分复用器（WDM），8—泵浦源，9—光隔离器，11—宽带光纤光栅用石英光纤，12—窄带光纤光栅用石英光纤，13—热沉。

具体实施方式

下面结合具体的附图和实施例，对本实用新型作进一步的描述，需要说明的是本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

本实用新型实施例中PZT压电陶瓷组有不同的放置方式。如图1～3所示，图1为PZT压电陶瓷组作为整体的一种放置方式示意图，其放置方式为固定在宽带光纤光栅用石英光纤一端的侧面。图2的放置方式为固定在窄带光纤光栅用石英光纤一端的侧面。图3的放置方式为固定在窄带光纤光栅的侧面。

PZT压电陶瓷组作为整体一起固定在宽带光纤光栅用石英光纤11一端的侧面（图1）；或固定在窄带光纤光栅用石英光纤12一端的侧面（图2）；或固定在窄带光纤光栅5的侧面（图3）。

如图4～7所示，PZT压电陶瓷组作为独立单一两个体，其中粗调PZT压电陶瓷固定在宽带光纤光栅用石英光纤一端的侧面，细调PZT压电陶瓷固定在掺镱磷酸盐玻璃光纤的侧面（如图4）；或粗调PZT压电陶瓷固定在掺镱磷酸盐玻璃光纤的侧面，细调PZT压电陶瓷固定在窄带光纤光栅用石英光纤一端的侧面（图5）。或粗调PZT压电陶瓷固定在窄带光纤光栅用石英光纤一端的侧面，细调PZT压电陶瓷固定在窄带光纤光栅的侧面（图6）。或粗调PZT压电陶瓷固定在宽带光纤光栅用石英光纤一端的侧面，细调PZT压电陶瓷固定在窄带光纤光栅用石英光纤一端的侧面（图7）。

本实用新型中，粗调PZT压电陶瓷和细调PZT压电陶瓷组成压电陶瓷组进行谐振腔的调节，以上实施例中列举的压电陶瓷放置方式仅仅是典型情况，由于上述方式进行的不同两两排列组合情况，总的放置方式组合数12种其实施方式还有很多，不一一列举，但凡是用两种功能的压电陶瓷放置在单频光纤激光谐振腔中构成的可调谐方式均属于本实用新型保护的范围。

如图8所示，为本实用新型实施例中高精度宽可调谐单频光纤激光器原理示意图，将掺镱磷酸盐玻璃光纤（即多组分玻璃光纤1）作为激光的增益介质，由窄带光纤光栅5和宽带光纤光栅4组成短直F-P腔结构的前后腔镜。宽带光纤光栅4对泵浦光波长的透射率和对激光信号光波长的反射率分别为98%、99%，且宽带光纤光栅4的另一端被研磨抛光成斜面，将压电陶瓷组直接用光学胶固定在掺镱磷酸盐玻璃光纤的侧面。其中，窄带光纤光栅5的中心反射波长位于激光增益介质的增益谱内，并且位于后腔镜的高反射谱之内，反射率为75%，一般反射率为20～90%之间。通过准确控制光纤光栅的3dB反射谱宽、中心波长、反射率大小、栅区长度等关键光学参数，将整个单频激光谐振腔腔长控制在2cm以下，可以保证在窄带光纤光栅5的反射谱线宽小于0.08nm的情况下，激光腔内只存在一个单纵模（单频）运转，且无跳模及模式竞争现象出现。其中掺镱磷酸盐玻璃光纤的纤芯主要成分为磷酸盐玻璃（组分：75P₂O₅-8Al₂O₃-10BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃），且纤芯中均匀掺杂高浓度的镱离子（掺杂浓度为5.0×10²⁰ions/cm³），其纤芯直径和包层直径分别为6μm、125μm。其使用长度可根据激光输出功率大小、线宽大小以及窄带光纤光栅的反射谱宽等进行选择，本例中使用长度为1.2cm。

其中泵浦方式采用后向泵浦，即泵浦源8注入泵浦光，经由波分复用器7耦合进入窄带光纤光栅5，然后输入到激光谐振腔中的掺镱磷酸盐玻璃光纤1的纤芯中，使镱离子发生粒子数反转，产生受激辐射的激光信号，信号光在前后腔镜的反馈作用下，多次来回振荡并得到有效放大，随着泵浦功率的不断增强，单频激光线宽就会不断变窄，最后可以实现单频光纤激光输出。将PZT压电陶瓷组内置固定在激光谐振腔（由掺镱磷酸盐玻璃光纤1、宽带光纤光栅4、窄带光纤光栅5构成），再将两者一起置于一独立的精密温度控制器6上面，利用精密温度变化调节激光谐振腔腔长，可以实现输出单频激光频率的微调谐；再进一步利用压电陶瓷组随施加的偏置电压信号而使谐振腔产生伸长或缩短变化，可以实现输出单频激光频率的连续可调谐。由于组合不同调节精度的粗调PZT压电陶瓷2和细调PZT压电陶瓷3构成压电陶瓷组，本例中粗调PZT压电陶瓷单位电压位移量选择10μm/150V，细调PZT压电陶瓷单位电压位移量选择1μm/2000V。对厘米量级的短激光腔长进行调谐操作，可实现高调谐精度、高调谐速度、宽调谐带宽的单频激光输出，且其可调谐范围随所施加电压呈简单的线性变化，易于控制操作。

因此，使用基于掺镱磷酸盐玻璃光纤的短直F-P腔单频激光谐振腔结构，再结合精密温控技术和压电陶瓷组拉伸工艺对谐振腔的双重控制调节，可以有效实现单频光纤激光频率的连续可调谐操作，获得频率调谐精度小于1MHz、调谐带宽达到800pm（约100GHz）、输出功率大于100mW、激光线宽小于10kHz的频率宽可调谐形式的全光纤单频激光输出。

最后将频率宽可调谐单频光纤激光信号输出与光隔离器9的输入端相连，将光隔离器9的输出端作为最终单频光纤激光的输出端口，所有元器件固定封装在一开槽金属材质热沉13中进行积极散热，避免工作中的热累积。

Claims

1.一种高精度宽可调谐单频光纤激光器，包括多组分玻璃光纤（1）、宽带光纤光栅（4）、窄带光纤光栅（5）、波分复用器（7）、泵浦源（8）、光隔离器（9）和热沉（13），其中多组分玻璃光纤、宽带光纤光栅、窄带光纤光栅共同组成单频激光谐振腔，宽带光纤光栅的一端经多组分玻璃光纤与窄带光纤光栅的一端连接，窄带光纤光栅的另一端与波分复用器的公共端连接，泵浦源的尾纤与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端作为单频激光最终输出端口；其特征在于还包括激光频率调谐装置，所述激光频率调谐装置包括固定在单频激光谐振腔中的PZT 压电陶瓷组和精密温度控制器（6），所述PZT 压电陶瓷组由粗调PZT 压电陶瓷（2）和细调PZT 压电陶瓷（3）组成，单频激光谐振腔和压电陶瓷组置于精密温度控制器（6）上，所有元器件封装在热沉中。

2.如权利要求1 所述的高精度宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述多组分玻璃光纤（1）的纤芯形状为圆形，纤芯直径为4~30μm，包层形状为圆形，包层外径为80~440μm。

3.如权利要求1 所述的高精度宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述多组分玻璃光纤（1）、宽带光纤光栅（4）与窄带光纤光栅（5）之间的连接耦合方式是：研磨抛光各光纤端面进行机械对接耦合；或者通过光纤熔接机熔融连接耦合。

4.如权利要求1 所述的高精度宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述泵浦源（8）是固态激光器，其泵浦波长范围700～1600nm，其输出泵浦功率大于50mW。

5.如权利要求1 所述的高精度宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于泵浦方式为：泵浦源（8）的尾纤连接宽带光纤光栅（4）的另一端进行前向泵浦；或者泵浦源（8）发出的泵浦光经由波分复用器（7）耦合进入窄带光纤光栅（5）进行后向泵浦；或者由上述两种方式同时进行的双向泵浦。

6.如权利要求1 所述的高精度宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于所述宽带光纤光栅（4）能采用双色镜替代，所述宽带光纤光栅（4）或双色镜对泵浦光波长透射率大于85%；对激光信号光波长反射率大于90%；所述窄带光纤光栅（5）对激光信号光波长部分透射，其中心波长处的反射率在20~90%之间；所述双色镜为在腔镜表面镀上薄膜或者为在多组分玻璃光纤（1）的一端光纤端面镀膜。

7.如权利要求1 所述的高精度宽可调谐单频光纤激光器，其特征在于PZT 压电陶瓷组中的粗调PZT 压电陶瓷（2）和细调PZT 压电陶瓷（3）作为整体用光学胶一起固定在多组分玻璃光纤（1）的侧面，或宽带光纤光栅用石英光纤（11）一端的侧面，或窄带光纤光栅用石英光纤（12）一端的侧面，或窄带光纤光栅（5）的侧面；或者粗调PZT 压电陶瓷（2）和细调PZT 压电陶瓷（3）独立分开成单一个体，用光学胶分别固定在多组分玻璃光纤的侧面、宽带光纤光栅用石英光纤（11）一端的侧面、窄带光纤光栅用石英光纤（12）一端的侧面、窄带光纤光栅（5）的侧面中任意某两个放置位置，即独立分开的放置方式的排列组合数为C₄ ² P₂ ² 。