CN220544457U - 一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其为一种基于掺铒光纤、受激拉曼散射和受激布里渊散射混合增益的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其通过调节泵浦光源的输出功率使得受激拉曼散射放大瑞利散射，增强了多波长随机分布反馈，从而获得平坦的宽谱多波长随机激光输出；通过调节可调谐窄线宽激光源的输出波长和输出功率，对宽谱多波长随机激光实现动态滤波。本实用新型不仅具有结构简单、可靠性高、造价成本低、阈值功率低、输出稳定和全光纤化等特点，还同时具有增益类型多样性、光谱平坦、光谱带宽可调谐范围大、激光输出模式可切换等独特的特征，有望作为一种新型的光纤激光光源，在光通信、光传感以及光成像等领域发挥重要的作用。

Description

一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器

技术领域

本实用新型属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器。

背景技术

光纤随机激光器作为一种新型的光纤激光器，它们的重要特征是开放腔或无反射腔，反馈机制依赖于沿光纤腔分布的随机散射作用。与传统激光器具有与谐振腔长度相关的发射纵向模式相比，随机光纤激光器具有沿光纤分布的无限腔体，通过激发大量随机激光模式，可以实现与光学增益谱一样宽的发射谱线。自2010年基于瑞利散射的随机分布反馈被证明以来，利用长光纤的瑞利散射作为随机分布反馈的光纤激光器相继被提出。

其中，基于瑞利散射的多波长随机光纤激光器作为光纤随机激光器重要的研究方向和应用之一，由于其在波分复用通信、高分辨率光谱学、光纤传感等领域的重要应用潜力，近年来引起了人们的极大关注。自2010年以来，基于随机分布反馈和不同滤波器结构的多波长光纤随机激光器的解决方案相继被提出。比如Pinto等人通过利用光纤环形结构和光子晶体光纤相结合作为滤光元件，放置在随机分布反馈光纤激光腔中，实现了多波长随机激光输出。使用光纤布拉格光栅串联作为波长选择器或利用全光纤Lyot滤波器结构实现了多波长随机激光输出的方案也相继被提出并得到验证。此外，基于拉曼散射、受激布里渊散射和瑞利散射相互作用的多波长光纤随机激光器因具有特殊的多波长光谱特性而引起了广泛的关注。但是一直以来，现有光纤激光器无法实现更宽的波长可调谐范围、更宽的光谱带宽和更高的输出功率等特征，也无法实现在宽范围的基础上同时利用拉曼散射或布里渊散射放大瑞利散射，进而无法增强随机分布反馈。

基于现场生产和研究的需要，急需一种实现更宽的波长可调谐范围、更宽的光谱带宽和更高的输出功率的光纤激光器。

实用新型内容

基于现有技术的存在的技术问题，本实用新型提供了一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，本实用新型利用实用化宽谱光纤激光器的有效技术手段，解决了多波长光纤激光器追求更宽的波长可调谐范围、更宽的光谱带宽、波长间距可调谐和激光输出模式可切换等技术难题。

为解决上述的技术问题，本实用新型提供一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其为一种基于掺铒光纤、受激拉曼散射和受激布里渊散射混合增益的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其通过调节泵浦光源的输出功率使得受激拉曼散射放大瑞利散射，获得平坦的宽谱多波长随机激光输出；通过调节可调谐窄线宽激光源的输出波长和输出功率，对宽谱多波长随机激光实现动态滤波。

所述带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器采用半开腔结构设计，利用长单模光纤的后向瑞利散射提供随机分布反馈，利用有源光纤、受激拉曼散射和受激布里渊散射提供激光增益。

进一步地，所述带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器包括可调谐窄线宽激光源、第一光环形器、第二光环形器、第一单模光纤，第二单模光纤、泵浦光源、波分复用器、有源光纤、光隔离器和光纤接头，可调谐窄线宽激光源用于产生受激布里渊散射泵浦光，第一光环形器和第二光环形器用于构成一个光纤环形反射镜。

优选地，第一单模光纤和第二单模光纤用于产生拉曼散射，受激布里渊散射和瑞利散射；泵浦光源用于向有源光纤提供泵浦光；波分复用器用于引入泵浦光，并连接增益光纤与光环形器；有源光纤用于产生激光增益，光隔离器用于避免输出端不必要的激光反馈回激光腔中而影响激光器的稳定性；光纤接头作为激光输出端口和探测输出端口。

优选地，泵浦光源的泵浦光的可选波长为1480nm、980nm或1080nm。可调谐窄线宽激光源1为波长调谐范围为1525nm-1565nm、输出功率范围为5mW-32mW、线宽小于100kHz的可调谐窄线宽激光器。

进一步地，第一单模光纤3长度约为10km，第二单模光纤8长约为20km。

与现有技术相比，本实用新型一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器的有益效果是：

1、本实用新型的光纤激光器结构简单、易于调控、造价成本低、激射阈值低、稳定性高、全光纤化；

2、本实用新型一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器采用半开腔结构设计，利用长单模光纤的后向瑞利散射提供随机分布反馈，利用有源光纤、受激拉曼散射和受激布里渊散射提供激光增益，增益机制具有多样性，使得激光输出具有特殊的多波长光谱特性，实现激光增益类型多样性；

3、本实用新型利用带宽可调谐和模式可切换，通过调节可调谐窄线宽激光源的输出波长和功率可以对宽谱多波长随机激光实现动态滤波，光谱带宽在较大范围内可调谐，实现光谱带宽可调谐范围较大；

4、本实用新型通过调节泵浦光源的输出功率使得受激拉曼散射放大瑞利散射，增强了多波长随机分布反馈，从而获得平坦的宽谱多波长随机激光输出；相比较于现有技术的激光器，本实用新型的激光器的光谱平坦性提升1～3个数量级；

5、本实用新型的激光输出模式可进行切换，通过调节可调谐窄线宽激光源的输出功率和波长，光谱带宽在较大范围内可调谐，同时实现了宽谱多波长随机激光模式和受激布里渊散射多波长随机激光模式的切换，其更加灵活地实现多场合多场景的现场应用。

附图说明

图1为本实用新型的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器的结构示意图。

图2为本实用新型带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器输出的宽谱多波长随机激光的光谱图。

图3为本实用新型带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器输出的受激布里渊多波长随机激光的光谱图。

附图中的附图标记分别为：可调谐窄线宽激光源1，第一光环形器2，第二光环形器4，第一单模光纤3，第二单模光纤8，泵浦光源5，波分复用器6，有源光纤7，光隔离器9，光纤接头10。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实用新型提出了一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其为一种基于掺铒光纤、受激拉曼散射和受激布里渊散射混合增益的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器。本实用新型通过调节泵浦光源的输出功率使得受激拉曼散射放大瑞利散射，增强了多波长随机分布反馈，从而获得平坦的宽谱多波长随机激光输出；通过调节可调谐窄线宽激光源的输出波长和输出功率，对宽谱多波长随机激光实现动态滤波，其光谱带宽在较大范围内可调谐。此外，还可以实现宽谱多波长随机激光输出模式和受激布里渊散射多波长随机激光输出模式的切换。

本实用新型一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器采用半开腔结构设计，利用长单模光纤的后向瑞利散射提供随机分布反馈，利用有源光纤、受激拉曼散射和受激布里渊散射提供激光增益，增益机制具有多样性，使得激光输出具有特殊的多波长光谱特性。通过调节可调谐窄线宽激光源的输出功率和波长，调谐光谱带宽。

相比较于现有技术，本实用新型多波长随机光纤激光器的光谱带宽在较大范围内可调谐，同时实现了宽谱多波长随机激光模式和受激布里渊散射多波长随机激光模式的切换。本实用新型巧妙利用有源光纤增益、受激布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射提供激光增益，激光增益具有多样性并且可进行切换。其采用半开放结构设计，长单模光纤中的后向瑞利散射相当于大量随机分布的反射镜的作用，与由第一光环形器和第二光环形器构成的光纤环形反射镜形成光学谐振腔，进一步利用受激拉曼散射和瑞利散射的相互放大，可获得宽谱多波长随机激光输出。通过调节可调谐窄线宽激光源的输出波长和功率可以对宽谱多波长随机激光实现动态滤波，光谱带宽在较大范围内可调谐。此外，宽谱多波长随机激光输出模式可切换为受激布里渊散射多波长随机激光模式，解决了光纤激光器输出特征丰富，光谱带宽较宽、带宽可调谐和激光模式可切换等技术问题。

本实用新型带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器的工作原理：在泵浦光源的泵浦光作用下，有源光纤产生自发辐射，在自发辐射的传播过程中，由于光纤本身的微观不规则性引起随机分布的瑞利散射，在光纤中传播的光子经过瑞利散射后，绝大多数都会从纤芯中逸出，只有极少部分光子被后向散射且仍受光纤的束缚，这部分光子为后向瑞利散射光。在泵浦光源的泵浦光提供的增益作用下，散射的光子得到放大；后向随机瑞利散射在单模光纤中相当于大量随机分布的反射镜的作用，将一部分自发辐射返回到激光腔中，与由第一光环形器和第二光环形器构成的光纤环形反射镜形成闭合反馈回路，实现光放大，满足激光形成的条件，实现光纤随机激光的激射。当泵浦光源的泵浦功率达到一定阈值时，在有源光纤的增益谱范围内可实现大量的随机激光输出；接着增大泵浦光源的输出功率，第二单模光纤产生受激布里渊散射和受激拉曼散射为激光器提供增益，此外受激拉曼散射进一步放大瑞利散射，增强随机分布反馈作用，从而实现宽谱多波长随机激光器输出。进一步地，可调谐窄线宽激光源引入可调谐窄线宽激光为第一单模光纤产生受激布里渊散射提供增益，第一单模光纤产生的受激布里渊散射经过泵浦光源和有源光纤被进一步放大，同时又促进了第二单模光纤的受激拉曼散射和瑞利散射，因此可产生宽谱较宽的多波长随机激光输出。本实用新型通过调节可调谐窄线宽激光器的输出波长和功率，改变了受激布里散射和拉曼散射的强弱，从而切换不同的激光增益类型，改变激光的输出模式，使光谱带宽在较大范围内可调谐，并且宽谱多波长激光输出模式和受激布里渊多波长激光输出模式可进行切换。

在优选实施例中，本实用新型的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器主要由可调谐窄线宽激光源、光环形器、单模光纤、泵浦光源、波分复用器、有源光纤、光隔离器以及光纤接头组成。其采用半开腔结构设计，利用有源光纤、单模光纤的受激拉曼散射和受激布里渊散射提供激光增益，利用长单模光纤的后向瑞利散射提供随机分布反馈，由第一光环形器和第二光环形器构成的光纤环形反射镜与长单模光纤的后向瑞利散射形成随机谐振腔。通过调节泵浦光源的输出功率，可获得平坦的宽谱多波长随机激光输出。进一步通过调节可调谐窄线宽激光源的输出波长和功率，可以改变受激布里散射和受激拉曼散射的强弱，从而切换不同的激光增益类型，改变激光的输出模式，使光谱带宽在较大范围内可调谐，并且可实现宽谱多波长随机激光输出模式和受激布里渊多波长激光输出模式的切换。带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器不仅具有结构简单、可靠性高、造价成本低、阈值功率低、输出稳定和全光纤化等特点，还同时具有增益类型多样性、光谱平坦、光谱带宽可调谐范围大、激光输出模式可切换等独特的特征，有望作为一种新型的光纤激光光源，在光通信、光传感以及光成像等领域发挥重要的作用。

下面结合附图1-3，对本实用新型的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器进行具体说明。本实用新型的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器的激光增益类型多样性并且可进行切换，本实用新型的激光器利用有源光纤、受激拉曼散射和受激布里渊散射提供激光增益，增益机制具有多样性；通过改变泵浦光源5的输出功率、可调谐窄线宽激光源1的输出功率和波长，激光增益机制可分别切换为只有有源光纤提供激光增益，有源光纤和受激布里渊散射提供激光增益，有源光纤和受激拉曼散射提供激光增益，有源光纤、受激拉曼散射和受激布里渊散射三者共同提供激光增益。本实用新型的激光器利用第一光环形器2和第二光环形器4构成一个光纤环形反射镜，同时具有引入受激布里渊泵浦光和作为光学反射镜的功能。泵浦光源5激光输出端依次连接波分复用器6、有源光纤7、第二单模光纤8和光隔离器，与由第一光环形器2和第二光环形器4构成的光纤环形反射镜共同形成了一个半开放谐振腔结构。优选地，有源光纤7包括掺饵光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤或掺铥光纤等增益光纤中的一种。进一步地，可调谐窄线宽激光源1包括输出波长位于有源光纤7增益谱内的激光器，作为受激布里渊散射的泵浦光。在一优选实施例中，第一单模光纤3、第二单模光纤8包括多种类型单模光纤，长度在1km-50km范围内，用于产生充足的后向瑞利散射、受激布里渊散射和受激拉曼散射。

如图1所示，一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器包括：

可调谐窄线宽激光源1，用于产生受激布里渊散射泵浦光；

第一光环形器2和第二光环形器4，用于构成一个光纤环形反射镜；

第一单模光纤3、第二单模光纤8，用于产生拉曼散射，受激布里渊散射和瑞利散射；

泵浦光源5，用于向有源光纤提供泵浦光；

波分复用器6，用于引入泵浦光，并连接增益光纤与光环形器；

有源光纤7，用于产生激光增益；

光隔离器9，用于避免输出端不必要的激光反馈回激光腔中而影响激光器的稳定性；

光纤接头10，作为激光输出端口和探测输出端口。

作为本实用新型的第一个优化方案，泵浦光源的泵浦光可选波长为1480nm、980nm或1080nm。

作为本实用新型的第二个优化方案，所述有源光纤可选用掺饵光纤、掺镱光纤、铒镱共掺光纤或掺铥光纤等增益光纤中的其中一种。

进一步地，一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器包括可调谐窄线宽激光源1、第一光环形器2、第二光环形器4、第一单模光纤3、第二单模光纤8、泵浦光源5、波分复用器6、有源光纤7、光隔离器9以及光纤接头10，可调谐窄线宽激光源1为波长调谐范围为1525nm-1565nm，输出功率范围为5mW-32mW，线宽小于100kHz的可调谐窄线宽激光器；第一光环形器2和第二光环形器4均具有1、2、3端口，其中1端口为输入端，2端口为双向端口，3端口为输出端；第一单模光纤3、第二单模光纤8均为芯径为9μm的普通商用单模光纤，其中第一单模光纤3长度约为10km，第二单模光纤8长约为20km；泵浦光源5采用工作波长为980nm，最大输出功率约为600mW的半导体激光器；波分复用器6为三端口波分复用器，具有980nm端、980/1550nm端和1550nm端；有源光纤7为掺铒增益光纤，长度约10m；光隔离器9的光纤类型为SMF-28e，光纤长度为1米；光纤接头10为FC型光纤接头。

带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器的具体连接方式如下：

第一光环形器2的1端口(输入端)连接可调谐窄线宽激光源1的输出端，第一光环形器2的2端口(双向端口)连接第一单模光纤3，第一光环形器2的3端口(输出端)连接第二光环形器4的1端口(输入端)；第二光环形器4的2端口(双向端口)连接波分复用器6的传输端口，其优选1550端口，1550端口允许传统的1550nm的信号通过，可以连接百兆、千兆和万兆的光模块等光学器件一起使用；第二光环形器4的3端口(输出端)连接第一单模光纤3；泵浦光源5依次连接波分复用器6、有源光纤7、第二单模光纤8和光隔离器9。光隔离器9的输出端为带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器的输出端。第一光环形器2、第二光环形器4和第二单模光纤8构成一个光纤环形反射镜。其中，泵浦光源5作为有源光纤7和第二单模光纤8受激拉曼散射的泵浦源。第二单模光纤8的后向瑞利散射提供激光产生的随机分布光学反馈。第一单模光纤3用于产生受激布里渊散射。可调谐窄线宽激光源1作为受激布里渊散射的泵浦源。有源光纤7、第一单模光纤3的受激布里渊散射以及第二单模光纤8的受激拉曼散射共同提供激光增益。

可调谐窄线宽激光源1的输出端、第一光环形器2、第二光环形器4的输入端和输出端、泵浦光源5的输出端、波分复用器6输入端和输出端、光隔离器9输入端和输出端的光纤类型均为普通单模光纤。

泵浦光源5输出端与波分复用器6的980nm端口之间、波分复用器的980nm/1550nm端与掺铒光纤之间以及掺铒光纤与单模光纤之间的连接均采用光纤熔接机实现固定熔接。其它连接采用FC/APC型光纤活动连接器连接。

如图2所示，当固定泵浦光源输出功率为600mW、可调谐窄线宽激光源功率为8mW、可调谐窄线宽激光源的波长为1545nm时，激光输出模式为光谱带宽约为35nm的宽谱多波长随机激光，且光谱平坦性较好。在实验过程中，通过调节可调谐窄线宽激光源的输出功率和波长，获得光谱带宽的可调谐范围为3nm-35nm。

如图3所示，当固定可调谐窄线宽激光源的波长为1565.0nm、功率为20mW、泵浦光源的输出功率为600mW时，激光器的输出光谱图。从图3中可知，此时激光输出模式为受激布里渊多波长随机激光。

本实用新型的一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器采用半开腔结构设计，利用有源光纤、单模光纤的受激拉曼散射和受激布里渊散射提供激光增益，利用长单模光纤的后向瑞利散射提供随机分布反馈，由第一光环形器和第二光环形器构成的光纤环形反射镜与长单模光纤的后向瑞利散射形成随机谐振腔；通过调节泵浦光源的输出功率，可获得平坦的宽谱多波长随机激光输出；进一步通过调节可调谐窄线宽激光源的输出波长和功率，可以改变受激布里散射和受激拉曼散射的强弱，从而切换不同的激光增益类型，改变激光的输出模式，使光谱带宽在较大范围内可调谐，并且可实现宽谱多波长随机激光输出模式和受激布里渊多波长激光输出模式的切换。带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器不仅具有结构简单、可靠性高、造价成本低、阈值功率低、输出稳定和全光纤化等特点，还同时具有增益类型多样性、光谱平坦、光谱带宽可调谐范围大、激光输出模式可切换等独特的特征，有望作为一种新型的光纤激光光源，在光通信、光传感以及光成像等领域发挥重要的作用。

以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型。凡在本实用新型的工作原理和结构组成之内，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 (5)

1.一种带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其特征在于：其为一种基于掺铒光纤、受激拉曼散射和受激布里渊散射混合增益的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，所述带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器采用半开腔结构设计，所述带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器包括可调谐窄线宽激光源、第一光环形器、第二光环形器、第一单模光纤，第二单模光纤、泵浦光源、波分复用器、有源光纤、光隔离器和光纤接头；

可调谐窄线宽激光源用于产生受激布里渊散射泵浦光，第一光环形器和第二光环形器用于构成一个光纤环形反射镜；第一单模光纤和第二单模光纤用于产生拉曼散射、受激布里渊散射和瑞利散射；泵浦光源用于向有源光纤提供泵浦光；波分复用器用于引入泵浦光，并连接增益光纤与光环形器；有源光纤用于产生激光增益，光隔离器用于避免输出端不必要的激光反馈回激光腔中而影响激光器的稳定性。

2.根据权利要求1所述的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其特征在于：光纤接头作为激光输出端口和探测输出端口。

3.根据权利要求2所述的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其特征在于：泵浦光源的泵浦光的可选波长为1480nm、980nm或1080nm。

4.根据权利要求1所述的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其特征在于：可调谐窄线宽激光源(1)为波长调谐范围为1525nm-1565nm、输出功率范围为5mW-32mW、线宽小于100kHz的可调谐窄线宽激光器。

5.根据权利要求1所述的带宽可调谐和模式可切换的多波长随机光纤激光器，其特征在于：第一单模光纤(3)长度约为10km，第二单模光纤(8)长约为20km。