CN205159780U

CN205159780U - 一种全光纤窄线宽单频绿光激光器

Info

Publication number: CN205159780U
Application number: CN201520913006.8U
Authority: CN
Inventors: 杨昌盛; 徐善辉; 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: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2025-11-16

Abstract

本实用新型提供一种全光纤窄线宽单频绿光激光器，包括泵浦源、宽带光纤光栅、宽带光纤光栅的后端带准直器、非线性晶体、掺镱离子高增益光纤的前端带准直器、掺镱离子高增益光纤、窄带保偏光纤光栅、保偏滤波器、保偏光隔离器、微型精密温控炉和热沉。本实用新型采用高增益光纤的短线性谐振腔和内腔倍频结构，将厘米量级高增益光纤作为激光工作物质，选择保偏光纤光栅慢轴对应的反射峰与宽带光纤光栅的反射峰相重叠，继而产生窄线宽线偏振基频激光；将厘米长度非线性晶体置于高功率密度运转下的基频激光谐振腔内，进行共振增强倍频，可以实现大功率、窄线宽、高转换效率、高稳定性的单频绿光激光输出。本实用新型结构非常紧凑、简单易行。

Description

一种全光纤窄线宽单频绿光激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，具体涉及一种内腔倍频的激光器线宽可达kHz量级的全光纤窄线宽单频绿光激光器。

背景技术

单频激光是指运转在单一纵模状态，具有输出光谱线宽窄、相干长度长、噪声低等诸多优点。特别是单频绿光激光在光参量振荡（OPO）、全息成像、生物医学、原子冷却和捕获等领域有着非常广泛的应用前景。然而，在绿光波段缺乏增益介质能够直接激射激光的情况下，倍频是获得短波段绿光光源的最有力手段，即直接使用1.0μm波段激光的二次谐波产生（SHG）绿光激光。

当前单频绿光激光的研究工作集中在：基于谱宽相对较宽的传统固体激光器或者单频光纤激光器（线宽0.1~10MHz）作为基频光源，采用外腔单程倍频结构，但外腔方式的谐波转换效率一般相对较低。例如：Samanta等人使用大功率连续单频光纤激光和钽酸锂晶体，获得了功率9.64W、转换效率32.7%的单频绿光输出[Opt.Lett.,2009,34(10)]。此外，可以采用腔外谐振增强结构。例如：Ou等人使用10mm长度KTP晶体和腔外谐振增强结构，实现了功率560mW和转换效率85%的连续绿光输出[Opt.Lett.,1992,17(9)]。另外也可以采用腔内谐振倍频结构，即将非线性晶体置于激光谐振腔内来获得高效倍频绿光。在这些谐振增强方式中，虽然能够实现高的输出功率和转换效率，但其装置结构复杂、系统稳定性较差、成本较高、非全光纤化。

相关的专利有：（1）山西大学在2008年申请了单频内腔倍频激光器的专利[公开号：CN101355224A]，采用激光晶体和腔镜构成环形谐振腔，将倍频晶体置于腔内，实现了内腔倍频单频激光输出，但是其所要求的单频激光器并未具有全光纤化、窄线宽特性，且结构较复杂。（2）合肥恒锐光电科技有限公司在2014年申请了倍频绿光光纤激光器的专利[公开号：CN104242039A]，采用半导体可饱和吸收镜SESAM、双包层掺镱光纤、铌酸锂晶体和宽带光纤光栅构成激光谐振腔，实现了小型倍频绿光光纤激光输出，但是其所要求的绿光激光器并未具有窄线宽和单频输出特性。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种产生kHz线宽的全光纤窄线宽单频绿光激光器。所要解决的技术问题是：克服现有绿光激光器输出线宽较宽、转换效率较低、结构较复杂等缺点。

本实用新型利用掺镱离子高增益光纤的高掺杂和增益特性，采用短线性腔和内腔倍频结构。利用宽带光纤光栅和窄带保偏光纤光栅慢轴的选频作用，在泵浦源的持续抽运下，在激光谐振腔中产生kHz量级的窄线宽线偏振基频激光；将厘米长度非线性晶体置于激光谐振腔内来增加倍频晶体中的基频光功率密度，使谐振腔内同时存在基频激光产生过程和非线性二次谐波产生过程，从而获得高效倍频绿光。通过仔细制作窄带保偏光纤光栅的反射谱宽、调节晶体耦合参数和控制激光谐振腔长，可以实现全光纤化、结构紧凑的窄线宽单一纵模（单频）绿光激光输出。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的具体技术方案如下。

一种全光纤窄线宽单频绿光激光器，该激光器是由泵浦源、宽带光纤光栅、宽带光纤光栅的后端带准直器或烧球（可选）、非线性晶体、掺镱离子高增益光纤的前端带准直器或烧球（可选）、掺镱离子高增益光纤、窄带保偏光纤光栅、保偏滤波器、保偏光隔离器、微型精密温控炉、热沉一起组成。其中所述的泵浦源的尾纤与宽带光纤光栅相连接，宽带光纤光栅的后端带准直器或烧球（可选）与非线性晶体的一端相连接，非线性晶体的另一端与掺镱离子高增益光纤的前端带准直器或烧球（可选）相连接，掺镱离子高增益光纤与窄带保偏光纤光栅的一端相连接，窄带保偏光纤光栅的另一端与保偏滤波器的输入端相连接，保偏滤波器的输出端与保偏光隔离器的输入端相连接，保偏光隔离器的输出端作为单频绿光激光的输出端口。

进一步地，所述的全光纤窄线宽单频绿光激光器，其泵浦方式采用前向泵浦、后向泵浦、双向泵浦或者它们之间的组合形式。

进一步地，所述的泵浦源是半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器，为单横模或者多横模输出，其输出状态为连续或者脉冲类型。其泵浦波长范围为800～1200nm，泵浦功率大于20mW，其具体波长根据稀土发光离子类型和能级结构进行选择。

进一步地，所述的掺镱离子高增益光纤，其在1.0μm波长处的单位长度增益大于1dB/cm；其具体使用长度根据激光输出功率大小、线宽大小、窄带光纤光栅的反射谱等进行选择，一般使用长度为0.5~30cm。

进一步地，所述的宽带光纤光栅对泵浦光波长高透，透射率在85％~99.9%之间；对基频激光1.0μm波段和绿光波长两者都是高反，反射率在80~99.9%之间。

所述的宽带光纤光栅的后端带准直器或烧球（可选），即在光栅光纤的端面直接制作短工作距离（0.5~50cm）的准直器，或者直接将光栅光纤的端面烧成微球形状，起到聚焦透镜的作用。

进一步地，所述的非线性晶体是周期极化晶体铌酸锂（LiNbO₃）、钽酸锂（LiTaO₃）；或者双折射晶体LBO、BBO、BIBO等。所述的非线性晶体使用数量是1块进行单个晶体倍频，或者1块以上（同种或不同种类晶体之间的组合选择）进行多个晶体级联倍频。晶体使用长度为0.5~10cm。

进一步地，所述的掺镱离子高增益光纤的前端带准直器或烧球（可选），即在高增益光纤的端面直接制作短工作距离（0.5~50cm）的准直器，或者直接将高增益光纤的端面烧成微球形状，起到聚焦透镜的作用。

进一步地，所述的窄带保偏光纤光栅是对基频激光1.0μm波段和绿光波长两者都是部分透射（选择性反射），其中心波长处的反射率范围均在20~90%之间，其同时作为单频激光谐振腔的后腔镜与输出耦合元器件。

进一步地，所述的保偏滤波器是对绿光波长完全通过，将基频激光1.0μm波段和泵浦光波长等以外的光滤除，即仅仅使得单频绿光可以通过。

进一步地，所述的微型精密温控炉是热电制冷器TEC、加热电阻丝或者其它精密温度调节装置，通过精密温控使得置于其中的非线性晶体能够工作在最佳的温度匹配点。

进一步地，所述宽带光纤光栅、掺镱离子高增益光纤和窄带保偏光纤光栅一起固定封装在一金属材质热沉上面，有效进行热管理，保证单频激光输出功率、工作波长的稳定性与可靠性。

与现有技术相比，本实用新型的优点和有益效果是：本实用新型分别将厘米量级的掺镱离子高增益光纤、厘米长度的非线性晶体用作激光工作介质和内腔倍频晶体。基频激光谐振腔由高增益光纤、宽带光纤光栅、窄带保偏光纤光栅一起组成短线性腔DBR结构，其中宽带光纤光栅和窄带保偏光纤光栅构成短F-P腔的前后腔镜。在泵浦源的持续抽运下，掺镱离子高增益光纤纤芯中的稀土发光离子出现粒子数反转，产生受激辐射信号光（基频光），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。其中选择保偏光纤光栅慢轴对应的反射峰与宽带光纤光栅的反射峰相重叠实现线偏振激光，即产生线偏振单频基频激光。由于谐振腔腔长只有几厘米，腔内的纵模间隔可达GHz，当窄带保偏光纤光栅的3dB反射谱窄至0.08nm，即可实现激光腔内只存在单一纵模基频激光运转。随着泵浦源功率的不断增加，单频激光线宽不断变窄，最后可以产生线宽达kHz量级的单频基频激光。通过将非线性晶体置于谐振腔内，腔内的基频光功率密度较高，由于腔镜的作用使得单频基频激光和单频绿光多次通过晶体，形成共振增强倍频绿光输出，可以获得较高的谐波转换效率。调节微型精密温控炉温度，使晶体工作在最佳温度匹配点，最终可以实现全光纤化的大功率、窄线宽、高稳定性单频绿光激光输出。该装置结构紧凑、简单易行，且控制操作很容易。

附图说明

图1是实例中所述宽带光纤光栅的后端带准直器结构示意图；

图2是实例中所述宽带光纤光栅的后端烧球结构示意图；

图3为实例中实施例中全光纤窄线宽单频绿光激光器原理示意图。

图中：1—泵浦源，2—宽带光纤光栅，3—宽带光纤光栅的后端带准直器或烧球（可选），4—非线性晶体，5—掺镱离子高增益光纤的前端带准直器或烧球（可选），6—掺镱离子高增益光纤，7—窄带保偏光纤光栅，8—保偏滤波器，9—保偏光隔离器，10—微型精密温控炉，11—热沉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述，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所表述的范围。

如图1所示，本实用新型所使用的宽带光纤光栅的后端带准直器3，即将光栅光纤的端面研磨成8度角，镀上对基频激光1.0μm波段和绿光波长起作用的增透膜，接着和一个微透镜一起封装制成准直器，其工作距离0.5~50cm，保证短谐振腔结构的操作要求。

如图2所示，本实用新型所使用的宽带光纤光栅的后端烧球3，即通过氢氧焰、电极放电等加热源将光纤光栅的端面烧成微球形状，通过控制微球的形状、大小等参数，起到聚焦透镜的作用。

如图3所示，全光纤窄线宽单频绿光激光器包括：泵浦源1、宽带光纤光栅2、宽带光纤光栅的后端带准直器3或烧球（可选）、非线性晶体4、掺镱离子高增益光纤的前端带准直器5或烧球（可选）、掺镱离子高增益光纤6、窄带保偏光纤光栅7、保偏滤波器8、保偏光隔离器9、微型精密温控炉10、热沉11。其中泵浦源1是单模半导体激光器，其输出状态为连续输出。其泵浦波长范围为980nm，泵浦功率为1W。其中掺镱离子高增益光纤6在基频激光波长处的单位长度增益系数为10dB/cm。其使用长度根据基频激光功率大小、线宽大小以及窄带光纤光栅的反射谱等进行选择，本例中使用长度为1cm。其中宽带光纤光栅2对泵浦光波长高透，透射率为99%；对基频激光1.0μm波段和绿光波长两者的反射率均为99%。其中宽带光纤光栅的后端带准直器3，工作距离为2cm。其中非线性晶体4是周期极化铌酸锂晶体（LiNbO₃），使用数量为1块，使用长度为1cm。其中掺镱离子高增益光纤的前端带准直器5，工作距离为2cm。其中窄带保偏光纤光栅7对基频激光1.0μm波段和绿光波长中心处的反射率均为65%。其中将宽带光纤光栅2、高增益光纤6和窄带保偏光纤光栅7一起固定封装在一铜块中，进行散热。

将掺镱离子高增益光纤6作为激光的增益介质，由宽带光纤光栅2和窄带保偏光纤光栅7组成短F-P腔结构的前后腔镜。其中窄带保偏光纤光栅7的慢轴中心反射波长位于激光工作介质的增益谱内，且其慢轴对应的反射峰与宽带光纤光栅2的反射峰相重叠。通过精确控制窄带保偏光纤光栅7的中心波长、3dB反射谱、栅区长度、非线性晶体4的使用长度等参数，将整个激光谐振腔腔长控制在3.5cm以下，使窄带保偏光纤光栅7的反射谱宽小于0.08nm，即纵模间隔与光纤光栅带宽相接近，可以得到激光腔内只存在一个单纵模基频激光振荡与运转，且无跳模、模式竞争等现象。通过将周期极化铌酸锂晶体4置于谐振腔内，谐振腔内同时存在基频激光产生过程和非线性二次谐波产生过程，由于腔镜的作用使得单频基频激光和单频绿光多次穿过晶体，形成共振增强倍频绿光输出。

本实用新型使用基于掺镱离子高增益光纤6的短F-P线性谐振腔结构，再结合准相位匹配技术对周期极化铌酸锂晶体4进行内腔谐振倍频。其中泵浦方式采用前向泵浦，即泵浦源1注入泵浦光，分别经宽带光纤光栅2和非线性晶体4耦合进入到激光谐振腔中的高增益光纤6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（基频光），基频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，单频基频激光线宽就会不断变窄，最后可以产生线宽达kHz量级的线偏振单频基频激光。将周期极化铌酸锂晶体4置于谐振腔内，基频激光和单频绿光就会多次穿过晶体，通过调节精密温控炉的温度为39℃，能够获得较高的谐波转换效率和窄线宽单频绿光激光输出。基于上述方式，最终可以实现大功率、窄线宽（kHz量级）、高偏振消光比（大于20dB）、高稳定性的全光纤单频绿光激光输出，且装置结构简单、紧凑、实用。

Claims

1.一种全光纤窄线宽单频绿光激光器，其包括泵浦源（1）、宽带光纤光栅（2）、宽带光纤光栅的后端带准直器或烧球（3）、非线性晶体（4）、掺镱离子高增益光纤的前端带准直器或烧球（5）、掺镱离子高增益光纤（6）、窄带保偏光纤光栅（7）、保偏滤波器（8）、保偏光隔离器（9）、微型精密温控炉（10）、热沉（11）；其中所述的泵浦源的尾纤与宽带光纤光栅的前端相连接，宽带光纤光栅的后端带准直器或烧球与非线性晶体的一端相连接，非线性晶体的另一端与掺镱离子高增益光纤的前端带准直器或烧球相连接，掺镱离子高增益光纤后端与窄带保偏光纤光栅的一端相连接，窄带保偏光纤光栅的另一端与保偏滤波器的输入端相连接，保偏滤波器的输出端与保偏光隔离器的输入端相连接，保偏光隔离器的输出端作为单频绿光激光的输出端口；所述的微型精密温控炉通过精密温控使得置于其中的非线性晶体能够工作在最佳的温度匹配点；所述宽带光纤光栅、掺镱离子高增益光纤和窄带保偏光纤光栅一起固定封装在热沉上。

2.如权利要求1所述的全光纤窄线宽单频绿光激光器，其特征在于：所述的泵浦源（1）是半导体激光器或光纤激光器，为单横模或者多横模输出，其输出状态为连续或者脉冲类型。

3.如权利要求1所述的全光纤窄线宽单频绿光激光器，其特征在于：所述泵浦源（1）采用前向泵浦、后向泵浦、双向泵浦或者它们之间的组合形式。

4.如权利要求1所述的全光纤窄线宽单频绿光激光器，其特征在于：所述的宽带光纤光栅的后端带准直器或烧球（3），为在光栅光纤的端面直接制作短工作距离0.5~50cm的准直器，或者直接将光栅光纤的端面烧成微球形状，起到聚焦透镜的作用。

5.如权利要求1所述的全光纤窄线宽单频绿光激光器，其特征在于：所述的掺镱离子高增益光纤的前端带准直器或烧球（5），为在高增益光纤的端面直接制作短工作距离0.5~50cm的准直器，或者直接将高增益光纤的端面烧成微球形状，起到聚焦透镜的作用。

6.如权利要求1所述的全光纤窄线宽单频绿光激光器，其特征在于：所述的掺镱离子高增益光纤（6），在1.0μm波长处的单位长度增益大于1dB/cm；使用长度为0.5~30cm。