CN205159775U - 一种宽温度适应区间的单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽温度适应区间的单频光纤激光器，所述激光器包括高增益光纤、窄带光纤光栅、宽带光纤光栅、单模半导体泵浦光源、波分复用器、光纤隔离器。该光纤激光器以单模半导体激光器产生的输出激光作为泵浦光源，窄带光纤光栅与宽带光纤光栅一起实现激光单一纵模的选择。采用不同材料的光纤毛细管分别封装增益光纤和光纤光栅，使形成后的单频光纤激光腔的纵模的温漂速度与光栅反射谱的温漂速度相匹配，实现宽温度适应区间的单频激光输出。该实用新型可在极端变化的温度环境中保持单纵模输出，可用于空间探测、相干光通信、多普勒测风雷达、冷原子物理实验、引力波探测和量子光学等领域。

Description

一种宽温度适应区间的单频光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器技术领域，特别是涉及一种激光器单纵模温度范围高达几十、甚至几百摄氏度，连续单纵模波长调制范围大于几百皮米的宽温度适应区间的单频光纤激光器。

背景技术

窄线宽的单频激光器在相干光通信、光原子钟、高分辨率激光光谱仪、基础物理量的测量、量子保密通信等超高精尖端领域有着广阔的应用前景。满足该要求的单频激光器有许多种不同的类型，如加入复杂的外腔稳频结构的半导体激光器等，然而，短直腔结构的单频光纤激光器一直被认为是最有发展前景的类型。和其它类型的激光器相比，短直腔结构的单频光纤激光器噪声低、线宽窄、结构紧凑、易于集成。但是，由于高增益光纤与石英光栅做成的滤波器的材料不同，使光栅的温漂速度与纵模的温漂速度不一致，在温度变化时会出现跳模现象，因此，单频短直腔分布式布拉格（DBR）光纤激光器无法在很大的温度范围内实现单纵模运转，严重影响了输出激光的稳定性和光学系统的性能，限制了单频激光器的应用。

因此，采用不同的膨胀系数的封装材料分别对光纤光栅与增益光纤进行封装，巧妙地利用DBR光纤激光器的调制理论，实现纵模的温漂速度与光栅的温漂速度相匹配，是增大激光器单纵模输出温度区间的有效手段。

本实用新型申请提出了一种新型的激光腔封装结构，利用不同的材料对激光腔的不同部位进行封装，使光纤光栅与纵模的温漂速度相匹配，将有效单纵模温度区间提升至原来的几十倍至几百倍以上，保证单频光纤激光器在极端温度变化环境下（如空间、深海等）实现单纵模输出。使得高增益短直腔单频光纤激光器可以有更广泛的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种宽温度适应区间的单频光纤激光器，即采用不同的膨胀系数的封装材料分别对光纤光栅与增益光纤进行封装，应用外加温度补偿的方法，实现纵模的温漂速度与光栅的温漂速度相匹配，将有效单纵模温度区间提升至原来的几十乃至几百倍以上。

本实用新型利用磷酸盐玻璃纤芯材料的高掺杂和高增益特性，设计制作磷酸盐玻璃单模光纤作为激光介质材料，采用短直腔结构，产生单频激光输出。随着温度的增加，光栅反射谱中心波长和谐振波长发生漂移，S_f是光栅反射谱的温漂速度，S_q是谐振波长（纵模）的温漂速度。由于光栅材料和磷酸盐增益光纤的材料不同，造成光栅反射谱中心波长和谐振波长温漂速度不同；为了保证激光器能以单频且较高的功率运行，故一般使纵模间隔满足2Δλ_q>Δλ_f>Δλ_q（下标对应前述出现的下标）。在这种情况下就有可能出现两个模式同时出现在光栅起振带宽内的多模输出，随着温度的变化，输出激光会出现跳模现象。由DBR激光器的调制理论可知，谐振波长和光栅反射谱波长的温漂速度于材料的膨胀系数、光热系数和激光的波长有关，因此，想要改变谐振波长的温漂速度，可以设法改变光纤激光器中增益光纤的封装，增大谐振腔的膨胀系数，从而增大谐振波长的温漂速度使之接近于光栅的温漂速度。如图2所示，为模拟不同光栅和纵模温漂速度差下的单纵模温度区间，可知当光栅温漂速度与纵模温漂速度之间的差距越小，其单纵模的温度区间越大，若能找到适合的材料对增益光纤和光纤光栅进行封装，使光栅的温漂速度与纵模的温漂速度之差降到最小，则可获得很宽的单纵模区间。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现。

一种宽温度适应区间的单频光纤激光器，包括一个单模半导体泵浦激光器、波分复用器、窄带光纤光栅、高增益光纤、宽带光纤光栅、窄带光纤光栅封装毛细管材料、增益光纤封装毛细管材料、宽带光纤光栅封装毛细管材料、温控箱以及光隔离器；各部件的结构关系是：波分复用器的公共端与窄带光纤光栅的一端连接，窄带光纤光栅的另一端经高增益光纤和宽带光纤光栅连接，高增益光纤作为激光增益介质，窄带光纤光栅和宽带光纤光栅组成激光腔前后腔镜，谐振腔输出的激光信号经由波分复用器的信号端进入光隔离器，从光隔离器的输出；窄带光纤光栅、增益光纤和宽带光纤光栅分别由不同膨胀系数的光纤毛细管材料封装：所述光纤毛细管材料包括窄带光纤光栅封装毛细管材料、增益光纤封装毛细管材料和宽带光纤光栅封装毛细管材料；激光谐振腔放置在温控箱内，谐振腔输出的激光信号经由波分复用器的信号端进入光隔离器，从光隔离器的输出端输出。

进一步地，所述窄带光纤光栅、高增益光纤、及宽带光纤光栅连接固定在自动温度控制的热沉中。

进一步地，所述高增益光纤的单位长度增益大于1dB/cm，光纤长度为0.5～10cm。

进一步地，所述窄带光纤光栅、高增益光纤和宽带光纤光栅之间可以是通过将相接处的相应端面进行研磨抛光后，实现端对端耦合的。

进一步地，所述封装光纤毛细管采用紫外固化胶或两液混合硬化胶对光纤光栅和增益光纤进行固化封装。

进一步地，所述封装光纤毛细管孔径为100~200μm，外径为1~100mm，长度为5~100mm。

进一步地，所述的窄带光纤光栅的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱小于0.1nm，中心波长反射率为2%-99%；宽带光纤光栅的3dB反射谱大于0.1nm，且对激光输出信号波长反射率大于90%，对泵浦波长透射率大于90%。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：本实用新型可以将厘米量级的高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤作为激光的增益介质，由窄带光纤光栅和宽带光纤光栅组成谐振腔结构的前后腔镜，在单模半导体激光泵浦源的连续激励下，纤芯中的高掺杂稀土粒子发生反转，产生受激发射的信号光，利用不同的材料对光纤光栅和增益光纤进行封装，采用外腔补偿的手段，实现光栅反射谱的温漂速度与纵模的温漂速度相匹配，从而克服跳模现象，增大单纵模运行的温度区间。本实用新型基于上述技术优势，可以实现宽温度适应范围的单频激光输出的技术效果。

附图说明

图1为实例中单频光纤激光器原理示意图；

图2为模拟光栅反射谱温漂速度S_f和纵模温漂速度S_q之差与单纵模温度区间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体例子对本实用新型的具体实施方式作进一步描述，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。

实施例1

如图1所示，一种宽温度适应区间的单频光纤激光器，包括一个单模半导体泵浦激光器1，波分复用器2，窄带光纤光栅3，高增益光纤4，宽带光纤光栅5，窄带光纤光栅封装毛细管材料6和高增益光纤封装毛细管材料7，宽带光纤光栅纤封装毛细管材料8，温控箱9，光隔离器10；各部件的结构关系是：高增益光纤4作为激光增益介质，窄带光纤光栅3和宽带光纤光栅5组成激光腔前后腔镜，窄带光纤光栅与高增益光纤4连接，高增益光纤4的另一端与宽带光纤光栅5连接。窄带光纤光栅3、增益光纤4和宽带光纤光栅5组成高稳定超窄线宽单频光纤激光器的谐振腔。窄带光纤光栅3、增益光纤4和宽带光纤光栅5分别由不同膨胀系数的光纤毛细管材料：窄带光纤光栅封装毛细管6、增益光纤封装毛细管7、宽带光纤光栅封装毛细管8进行封装。将整个谐振腔封装于铝块中，用热电制冷器和精度为0.1℃的温控仪对激光器进行温度控制。本例的窄带光纤光栅3中心反射波长为激光输出波长1064.48nm，其波长可在1040～1080nm范围内选择，3dB反射谱宽小于0.15nm，中心波长反射率为10～95%，本例中心波长反射率为60％。宽带光纤光栅5对激光信号波长1064.48nm的反射率大于95%，对泵浦波长980nm的透射率大于90%。窄带光纤光栅3与宽带光纤光栅5组成一个具有纵模选择及滤波作用的功能模块。通过设计不同材料对光纤光栅和增益光纤进行封装，用外腔补偿的方式使光栅反射谱的温漂速度与纵模的温漂速度相匹配，控制整个激光腔的腔长，可以实现只有唯一的单纵模激光输出，且能够在较长的温度区间内实现单纵模运转。其中，窄带光纤光栅3和增益光纤4以及宽带光纤光栅5采用熔接或端面对接方式连接，分别用紫外固化胶或两液混合硬化胶封装于不同的毛细管中；其中封装窄带光纤光栅3、宽带光纤光栅5的窄带光纤光栅封装毛细管6和宽带光纤光栅封装毛细管8采用的是石英材料，封装增益光纤4的增益光纤封装毛细管7材料选用的是氧化锆陶瓷材料；

高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤作为激光的增益介质，由窄带光纤光栅和宽带光纤光栅组成谐振腔结构的前后腔镜，在单模半导体激光泵浦源的连续激励下，纤芯中的高掺杂稀土粒子发生反转，产生受激发射的信号光。高增益光纤4与窄带光纤光栅3以及宽带光纤光栅5的连接采用熔接或端面研磨抛光对接方式。

本例中窄带光纤光栅3的实际长度为10mm，作用在谐振腔中的有效长度为4.5mm，高增益光纤4的长度为10mm，宽带光纤光栅5的实际长度为10mm，宽带光纤光栅5的反射率为99.95%，经计算宽带光纤光栅作用在谐振腔中的有效长度L_eff等于25mm。本例中使用TEC对谐振腔进行精度为0.1℃的温度控制，测得本例激光腔的单纵模温度区间为20.7℃，与未采用该封装前的2℃单纵模区间相比增大了10倍以上。

Claims (3)

1.一种宽温度适应区间的单频光纤激光器，其特征在于包括一个单模半导体泵浦激光器（1）、波分复用器（2）、窄带光纤光栅（3）、高增益光纤（4）、宽带光纤光栅（5）、窄带光纤光栅封装毛细管材料（6）、增益光纤封装毛细管材料（7）、宽带光纤光栅封装毛细管材料（8）、温控箱（9）以及光隔离器（10）；各部件的结构关系是：波分复用器（2）的公共端与窄带光纤光栅（3）的一端连接，窄带光纤光栅（3）的另一端经高增益光纤（4）和宽带光纤光栅（5）连接，高增益光纤（4）作为激光增益介质，窄带光纤光栅（3）和宽带光纤光栅（5）组成激光腔前后腔镜，谐振腔输出的激光信号经由波分复用器（2）的信号端进入光隔离器（10），从光隔离器（10）的输出；窄带光纤光栅（3）、增益光纤（4）和宽带光纤光栅（5）分别由不同膨胀系数的光纤毛细管材料封装：所述光纤毛细管材料包括窄带光纤光栅封装毛细管材料（6）、增益光纤封装毛细管材料（7）和宽带光纤光栅封装毛细管材料（8）；激光谐振腔放置在温控箱（9）内，谐振腔输出的激光信号经由波分复用器（2）的信号端进入光隔离器（10），从光隔离器（10）的输出端输出。

2.根据权利要求1所述的宽温度适应区间的单频光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（4）的单位长度增益大于1dB/cm，光纤长度为0.5～10cm。

3.根据权利要求1所述的宽温度适应区间的单频光纤激光器，其特征在于所述的窄带光纤光栅（3）、高增益光纤（4）和宽带光纤光栅（5）之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合的。