CN210926598U - 一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器，该激光器基于常规波分复用(WDM)器件和单模‑多模‑单模(SMS)光纤器件实现波长选择作用，抑制掺铥光纤1.9μm发射峰附近的激光发射，获得1.7μm激光输出。激光器包括：泵浦源、环形器、掺铥有源光纤、1.5μm/2μm WDM、SMS器件、耦合器、偏振控制器，其中泵浦源发射的泵浦光经过环形器耦合进入掺铥有源光纤，产生激光增益，激光在环形器、掺铥有源光纤、1.5μm/2μm WDM、SMS器件、耦合器、偏振控制器构成的环型腔中单向运转，在WDM和SMS器件的波长选择作用下产生1.7μm激光输出。本实用新型解决了现有基于光栅器件实现选择波长的1.7μm掺铥光纤激光器中非常规波段光栅器件成本高、不易获得的问题。

Description

一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，尤其涉及一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器。

背景技术

1.7μm波段的激光光源在甲烷等危险气体遥感和光学相干层析等领域具有非常重要的应用需求。能够直接发射1.7μm波段激光的增益介质选择较少，目前相关报道只有铋(Bi)和铥(Tm)两种掺杂离子的发射谱相对接近1.7μm，在玻璃态基质的加宽作用下，发射谱的边缘能够覆盖到1.7μm波段。其中，掺Bi光纤的研究处于起步阶段，尚无商品化的有源光纤，而掺Tm光纤则相对成熟，1.7μm光纤激光器的相关报道也多基于掺Tm光纤增益介质。

掺Tm光纤的发射峰位于1.9μm附近，1.7μm处的发射截面大小与其主峰相差甚远，因此，若要实现Tm光纤有效的1.7μm激光输出，需采用合理的波长措施抑制其1.9μm发射峰附近的激光发射。例如文献[1]和文献[2]中报道的1.7μm掺Tm光纤激光器均采用体布拉格光栅(VBG)输出波长的选择，该方法需要搭建空间光路形成激光谐振腔，无法实现全光纤化，环境适应性和稳定性难以保证，而1.7μm波段属于非常规波段，VBG器件成本也较高。文献[3]中尽管报道了全光纤化的1.7μm掺Tm光纤激光器，但所用的可调谐滤波器本质上也是基于光纤耦合封装的VBG器件，较高的损耗(7dB)严重影响了激光器的功率和效率，而且定制器件成本高昂，难以推广。除VBG外，基于光纤布拉格光栅(FBG)也可实现掺Tm光纤的1.7μm激光输出，如文献[4]，但目前的报道也均为线型腔结构，谐振腔设计的灵活性受限，而且同样面临定制非常规波段FBG器件的成本问题。此外，文献[5]中报道实现了1.7μm掺Tm全光纤激光器，但仅仅说使用了“新型宽调谐带通滤波器(newly developed wideband tunablefilter)”并未公开具体技术细节。综上，掺Tm光纤激光器是目前直接发射1.7μm激光最为直接的方法，但其1.9μm发射峰附近激光的抑制依赖于非常规波段的VBG和FBG器件，器件不易获得，成本高昂，限制了其应用。

参考文献

[1]Shen D Y,Sahu J K,Clarkson W A.High-power widely tunable Tm:fibrelasers pumped by an Er,Yb co-doped fibre laser at 1.6μm[J].Optics Express,2006,14(13):6084-6090.

[2]Chen S,JungY,Alam S U,et al.Ultra-wideband Operation of a TunableThulium Fibre Laser offering Tunability from 1679–1992nm[C].2017EuropeanConference on Optical Communication (ECOC).IEEE,2017:1-3.

[3]Cheng X,Li Z,HouJ,et al.Gain-switched monolithic fiber laser withultra-wide tuning range at 2μm[J].Optics Express,2016,24(25):29126-29137.

[4]Daniel J M O,Simakov N,Tokurakawa M,et al.Ultra-short wavelengthoperation of a thulium fibre laser in the 1660–1750nm wavelength band[J].Optics Express,2015,23(14):18269-18276.

[5]Yamada M,Senda K,Tanaka T,et al.Tm³⁺–Tb³⁺-doped tunable fibre ringlaser for 1700nm wavelength region[J].Electronics Letters,2013,49(20):1287-1288.

实用新型内容

本实用新型提供了一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器，本实用新型基于常规波分复用器(WDM)和单模-多模-单模(SMS)器件进行波长选择，实现掺铥光纤激光器1.7μm波段的输出，解决现有基于光栅器件实现选择波长的1.7μm掺铥光纤激光器中非常规波段光栅器件成本高、不易获得的问题，详见下文描述：

一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器，包括：泵浦源，

所述泵浦源发射的1.5μm泵浦光经过环形器的第一端口耦合进入掺铥有源光纤，对其进行反向泵浦，掺铥有源光纤吸收泵浦光，产生激光增益；

在环形器、掺铥有源光纤、1.5μm/2μm WDM器件、SMS器件、耦合器、偏振控制器构成的环型腔内逆时针单向运转，并经过耦合器的第二端口输出；

所述激光器基于WDM器件和SMS器件实现掺Tm光纤激光器的波长选择，抑制其1.9μm波段主峰的激光发射，以获得有效的1.7μm波段的输出。

其中，所述WDM器件的高反膜系的带宽覆盖1.7μm波段，将WDM器件的第一端口接入环型腔内，第二端口悬空，第三端口中起振的短波长成分经过第一端口回到谐振腔内，长波长成分经过第二端口逸出，即可使该环型腔对1.7μm波段形成高Q值闭合谐振腔而对1.9μm波段成低Q值，从而实现对1.9μm主峰激光的抑制。

进一步地，所述SMS器件插入环型腔内，根据多模干涉的滤波作用在发射谱和WDM器件高反膜系交叠区域之内进行波长的进一步选择，实现1.7μm短波长波段的激光输出。

其中，所述偏振控制器用于调节激光模式的损耗，改善激光输出的稳定性。

优选地，所述泵浦源、环形器、掺铥有源光纤、1.5μm/2μm WDM、SMS器件、耦合器、偏振控制器均为单模光纤器件。

优选地，所述泵浦源、环形器、掺铥有源光纤、1.5μm/2μm WDM、SMS器件、耦合器均为非保偏器件。

其中，所述掺铥有源光纤具体为：

仅掺Tm的光纤，或Tm/Ho共掺光纤或者Tm/Tb共掺光纤，共掺的Ho或者Tb离子增加长波长端的吸收损耗，有助于Tm离子1.9μm发射峰附近激光的抑制。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1、本实用新型基于常规WDM器件和多模干涉器件的滤波作用实现掺Tm光纤激光器波长的选择，获得1.7μm波段的激光输出，与采用FBG和VBG等光栅器件实现波长选择的现有方法相比，无需非常规波段的特殊定制器件，成本经济、器件选择灵活；

2、本实用新型采用镀膜WDM器件以及SMS器件进行选频，其典型损耗值均小于2dB，相比现有技术中基于体光栅的光纤滤波器方案损耗更低，有助于激光器功率效率的优化；

3、本实用新型采用环型腔设计，谐振腔设计更加灵活，便于进一步实现其他有赖于谐振腔设计的有益效果，例如：在腔内插入可饱和吸收体器件实现单频运转或优化SMS器件参数实现双波长运转等。

附图说明

图1为一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器的结构示意图；

图2为WDM器件和SMS器件的透过率以及整体的透过率示意图；

图3为激光器1720nm激光输出功率曲线示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：泵浦源； 2-1：环形器第一端口；

2-2：环形器第二端口； 2-3：环形器第三端口；

3：掺铥有源光纤； 4-1：波分复用器第一端口；

4-2：波分复用器第二端口； 4-3：波分复用器第三端口；

5：单模-多模-单模器件； 6-1：耦合器第一端口；

6-2：耦合器第二端口； 6-3：耦合器第三端口；

7：偏振控制器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器，参见图1，包括：泵浦源1、环形器2、掺铥有源光纤3、波分复用器(WDM)4、SMS器件5、耦合器6和偏振控制器7；

其中，泵浦源1为单模1570nm掺铒(Er)光纤激光器，发射波长1570nm；1570nm泵浦光输入环形器的第一端口2-1，经环形器的第二端口2-2输出，进入掺铥有源光纤3，对其进行反向泵浦；掺铥有源光纤3为单模非保偏光纤，长度0.8m，吸收1570nm泵浦光后产生激光增益，由于环形器2的作用，激光在环型腔内逆时针运转；波分复用器4以及SMS器件5的损耗曲线如附图2所示，波分复用器4的第一端口4-1和第三端口4-3接入谐振腔，第二端口4-2悬空，由于1.8μm以上长波长端的光不能被波分复用器4的镀膜所反射，经过第二端口4-2逸出，不能起振，而1.8μm以下短波长的激光可以在腔内循环起振，SMS器件5中多模光纤长度15.1mm，透射峰位于1720nm，损耗仅为1.2dB，另外在1758nm处有一个损耗为4dB的透射次峰；耦合器6为30:70耦合器，30％端(耦合器第二端口6-2)用于耦合输出，70％端(耦合器第一端口6-1)熔入谐振腔，整个谐振腔长度(含各器件尾纤)为9m。

在上述装置下，经过WDM和SMS器件的波长选择作用抑制长波长的激光发射，激光器发射波长1720nm，在2.8W泵浦功率下获得了120mW输出功率。对SMS器件施加应力，可实现的波长调谐范围1712-1720nm。

综上所述，本实用新型实施例的优势在于，采用较短的有源光纤，减轻短波长的重吸收损耗，降低长波长增益，结合WDM和SMS器件的波长选择作用，能够实现1720nm短波长的激光输出。

实施例2

一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器，参见图1，包括：泵浦源1、环形器2、掺铥有源光纤3、波分复用器(WDM)4、SMS器件5、耦合器6和偏振控制器7；

其中，泵浦源1为单模光纤耦合输出的793nm半导体激光器；793nm泵浦光输入环形器的第一端口2-1，经环型腔的第二端口2-2输出，进入掺铥有源光纤3，对其进行反向泵浦；掺铥有源光纤3为单模非保偏光纤，长度1.2m，吸收793nm泵浦光后产生激光增益，由于环形器2的作用，激光在环型腔内逆时针运转；波分复用器4以及SMS器件5的损耗曲线如附图2所示，波分复用器4的第一端口4-1和第三端口4-3接入谐振腔，第二端口4-2悬空，由于1.8μm以上长波长端的光不能被波分复用器4的镀膜所反射，因此经过其第二端口4-2逸出，不能起振，而1.8μm以下短波长可以在腔内循环起振，SMS器件5中多模光纤长度15.1mm，透射峰位于1720nm，损耗仅为1.2dB，另外在1758nm处有一个损耗为4dB的透射次峰；耦合器6为20:80耦合器，30％端(第二端口6-2)用于耦合输出，70％端(第一端口6-1)熔入谐振腔，整个谐振腔长度(含各器件尾纤)为10m。

在上述装置下，由于有源光纤长度相对较长，长波长的增益相比实施例1中更高，因此经过WDM和SMS器件的波长选择作用，激光器发射波长位于SMS器件的透射次峰1758nm处，在800mW泵浦功率下获得了83mW输出功率。

综上所述，本实用新型实施例的优势在于，有源光纤长度相对较长，泵浦吸收较好，因此有助于实现较高的输出功率和转换效率。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器，包括：泵浦源，其特征在于，

所述泵浦源发射的1.5μm泵浦光输入环形器的第一端口，经环形器的第二端口输出，进入掺铥有源光纤，对其进行反向泵浦；掺铥有源光纤为单模非保偏光纤，长度0.8m，吸收泵浦光后产生激光增益；

激光在环形器、掺铥有源光纤、1.5μm/2μm WDM器件、SMS器件、耦合器、偏振控制器构成的环型腔内逆时针运转；

波分复用器的第一端口和第三端口接入谐振腔，第二端口悬空，SMS器件中多模光纤长度15.1mm，透射峰位于1720nm，在1758nm处有一损耗为4dB的透射次峰；耦合器第二端口用于耦合输出，耦合器第一端口熔入谐振腔。

2.根据权利要求1所述的一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器，其特征在于，

WDM器件的高反膜系的带宽覆盖1.7μm波段，将WDM器件的第一端口接入环型腔内，第二端口悬空，第三端口中起振的短波长成分经过第一端口回到谐振腔内，长波长成分经过第二端口逸出。

3.根据权利要求1所述的一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源、环形器、掺铥有源光纤、1.5μm/2μm WDM、SMS器件、耦合器、偏振控制器均为单模光纤器件。

4.根据权利要求1所述的一种环型腔1.7μm掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源、环形器、掺铥有源光纤、1.5μm/2μm WDM、SMS器件、耦合器均为非保偏器件。

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