全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器装置及其制造方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器装置及其制造方法。

背景技术

光纤具有可弯曲、近衍射极限光束质量的波导模式等特点，使得光纤激光器具有结构紧凑、输出光束质量高等优点，因此光纤激光器成为小型化、可便携、高性能激光器的主要构成形式。

具有低相位噪声、高频率稳定性的单频窄线宽光纤激光光源在需要高单色性、高相干性激光光源的遥感、光谱分析、光通信等领域有着重要的实用价值和需求。偏振是激光的重要特性之一，具有一定偏振状态的激光总可以分解成两个正交方向的偏振模的分量。传统的通信光纤为非保偏光纤，由于光纤制造工艺及应力、温度等影响,使非保偏光纤存在较弱的双折射率，具有一定偏振状态的激光在非保偏光纤中传输时由于光纤随机双折射率的影响，具有不同传输常数的两个正交偏振模会产生随机的模式耦合,造成了输出光波偏振状态的随机抖动。在高精度光纤陀螺、光纤传感等许多应用领域，在要求需要高单色性、高空间相干长度、高时间相干性激光光源的同时，要求输出激光具有高稳定的单偏振输出特性。因此具有高消光比的单偏振、单频窄线宽光纤激光光源具有重要的研究价值和应用前景。

通常，全光纤单频光纤激光器可以通过分布式反馈腔或短腔分布式布拉格反射腔的形式实现。而单偏振、单频光纤激光器则可以通过进一步在腔内引入保偏光纤而实现；譬如在保偏增益光纤中刻写分布式反馈光纤光栅，从而实现保偏光纤分布式反馈光纤激光腔；再譬如在一段短长度的保偏增益光纤的两端，加上一对基于保偏光纤的布拉格光纤光栅作为谐振腔的反射腔镜，实现短腔分布式布拉格反射光纤激光腔。这样一个由偏振光纤元件构成的全光纤激光腔实现具有高偏振消光比的单偏振、单频窄线宽光纤激光输出。

要实现以上基于保偏光纤的单偏振、单频窄线宽全光纤激光器，需要在光纤熔接过程中，需要做到较精准的光纤偏振快慢轴的对准，这无疑增加了制备光纤激光器的复杂程度；同时保偏光纤的制备成本也比非保偏光纤要高出不少。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器装置及其制造方法，该方法工艺简单，制造成本低，能有效地摆脱实现单频窄线宽、单偏振光纤激光器对保偏光纤元件的依赖，免去在全光纤化熔接过程中在各保偏光纤元件之间复杂的偏振轴准直等工作步骤，可简化光纤激光器结构，并能实现高性能单频、单偏振光纤激光输出。该装置能产生偏振相关的强双折射率，能实现单偏振、单频窄线宽激光输出，同时，其制造成本低，有利于推广应用；

为了实现上述目的，本发明提供一种全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器装置的制造方法，具体包括以下步骤：

步骤一：利用线-线飞秒激光直写技术，将飞秒激光脉冲光束从光纤侧面进入并精确聚焦定位于增益光纤纤芯内一个穿过纤芯中心轴线的平面上、光斑在纤芯/包层界面以内在该平面上沿径向和轴向交替进行直线轨迹行走、刻写形成具有强双折射率的分布式反馈相移光栅；其中，增益光纤为非保偏光纤；其中，飞秒激光脉冲聚焦光斑尺寸优先设定为采用的飞秒激光工作波长的0.5～5.0倍之间；其中，激光光斑扫描速度优先设定为飞秒激光聚焦光斑大小与飞秒激光重复频率乘积的0.001～0.5倍；

S1：将飞秒激光脉冲聚焦光斑精确定位于增益光纤纤芯内一个穿过纤芯中心轴线的平面上，该平面与飞秒激光光束垂直；

S2：飞秒激光脉冲聚焦光斑在上述平面上沿纤芯中心轴线的径向以直线轨迹行走、匀速通过纤芯中心刻写出线状光致折射率变化，行走长度优先设定为光纤纤芯直径的0.2～1.1倍，行走直线轨迹对称分布于纤芯中心两侧；

S3：飞秒激光脉冲聚焦光斑再在上述平面上沿轴向平移一个距离Λ；

其中，Λ＝m*λ/(2*n

S4：飞秒激光脉冲聚焦光斑再在上述平面上以直线轨迹在纤芯中心轴线的径向上沿纤芯中心方向进行直线扫描，其行走长度同S2，行走直线轨迹对称分布于纤芯中心两侧；

S5：飞秒激光脉冲聚焦光斑再在上述平面上沿轴向平移一个距离Λ；

S6：如此重复S2-S5，依此交替进行沿纤芯中心轴线的径向和轴向上的直线扫描；

S7：飞秒激光脉冲聚焦光斑在沿纤芯中心轴线的轴向完成L

其中，N

S8：飞秒激光脉冲聚焦光斑再重复S2-S5过程，沿纤芯中心轴线的轴向在增益光纤纤芯中完成L

其中，N

这样最终在增益光纤中刻写出具有π相移的分布式反馈光纤光栅4；由于线-线飞秒激光直写方法在增益光纤纤芯内形成的线状折射率变化，使π相移的分布式反馈光纤光栅具有较强的双折射率；

从而在增益光纤内嵌的分布式反馈光纤光栅构成分布式反馈激光谐振腔；

步骤二：通过尾纤建立泵浦激光光源输出端和波分复用耦合器A输入端的连接，再将波分复用耦合器A的第一输出光纤A通过熔接的方式与增益光纤的一端进行连接，将增益光纤的另一端通过熔接的方式与波分复用耦合器B的输入光纤连接；其中，尾纤、波分复用耦合器A上连接的光纤均为非保偏光纤；

步骤三：通过波分复用耦合器B的第一输出光纤B输出分离的残余泵浦信号，通过波分复用耦合器B中的第二输出光纤B获得正向输出的激光信号；通过波分复用耦合器A的第二输出光纤A获得反向输出的激光信号；通过光纤偏振控制器B对第二输出光纤B的正向输出的激光信号进行偏振态调节；通过光纤偏振控制器A与波分复用耦合器A的第二输出光纤A的反向输出的激光信号进行偏振态调节；其中，波分复用耦合器B上连接的光纤均为非保偏光纤。

进一步，为了降低传输损耗，增益光纤与波分复用耦合器A之间通过低损耗熔接的方式连接；增益光纤与波分复用耦合器B之间通过低损耗熔接的方式连接。

本方法利用聚焦于增益光纤纤芯中的飞秒激光光斑在增益光纤纤芯中刻写出光致折射率变化，由于飞秒激光脉冲通过光纤侧面在增益光纤的纤芯中刻写的光致折射率变化在平行于刻写光束方向和垂直于刻写光束的方向上存在较大的几何差异，在非保偏增益光纤中产生了偏振相关的强双折射率，这样，在激光起振后，位于分布式反馈光纤光栅的窄线宽窗口内的单个纵模在和其他纵模竞争中具有绝对优势，从而实现单频窄线宽激光输出；同时，和由线-线飞秒激光直写构成的高双折射率分布式反馈光纤光栅的快轴平行的偏振方向的单频纵模，在和与之正交的另一个偏振态的单频纵模的竞争中具有绝对优势，从而实现单偏振、单频窄线宽激光输出。通过泵浦分布式反馈光纤谐振腔，能更好的产生单频窄线宽、单偏振光纤激光输出；本发明采用的基于线-线飞秒光纤光栅直写技术、在非保偏的增益光纤中实现具有偏振相关的强双折射率分布式反馈相移光栅、从而实现具有单频窄线宽、单偏振的全光纤分布式反馈激光输出的技术路线，可以有效地摆脱对实现单频窄线宽、单偏振光纤激光器对保偏光纤元件(如保偏光纤光栅、保偏增益光纤等)的依赖，免去在全光纤化熔接过程中在各保偏光纤元件之间复杂的偏振轴准直等工作步骤，简化光纤激光器结构，并能实现高性能单频、单偏振光纤激光输出。本发明采用成本较低的非保偏增益光纤，结合已经日益成熟的飞秒激光光纤光栅直写技术，提供一种基于非保偏光纤元件的全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器的实现方法。

本发明还提供了一种全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器装置，包括泵浦激光光源，所述泵浦激光光源的输出端口连接有尾纤，还包括波分复用耦合器A、增益光纤和波分复用耦合器B；所述尾纤远离泵浦激光光源的一端和波分复用耦合器A中的输入光纤通过熔接的方式连接；所述增益光纤的内部刻写有通过飞秒线-线直写制备的、具有强双折射率的分布式反馈光纤光栅；增益光纤和分布式反馈光纤光栅构成分布式反馈激光谐振腔；增益光纤的一端与波分复用耦合器A中的第一输出光纤A通过熔接的方式连接；所述波分复用耦合器B中的输入光纤与增益光纤的另一端通过熔接的方式连接；所述尾纤、增益光纤、波分复用耦合器A和波分复用耦合器B上连接的光纤均为非保偏光纤。

进一步，还包括光纤偏振控制器B和光纤偏振控制器A；所述光纤偏振控制器B与波分复用耦合器B的一根输出光纤连接；所述光纤偏振控制器A与波分复用耦合器A的另一根输出光纤连接；所述光纤偏振控制器B和光纤偏振控制器A使用的光纤均为非保偏光纤。

本发明中，构成光纤激光器谐振腔的所有光纤元件均为非保偏光纤，光纤激光器谐振腔为分布式反馈谐振腔，构成分布式反馈谐振腔的分布式反馈光纤光栅由线-线飞秒光纤光栅直写技术在单横模非保偏增益光纤中制备而成，分布式反馈谐振腔使得激光在起振后只有一个具有极窄线宽的单频纵模在振荡中具有竞争优势而放大，线-线飞秒光纤光栅直写技术在非保偏增益光纤中产生偏振相关的强双折射率使得激光在起振后只有一个线偏振方向的纵模在振荡中具有竞争优势而放大，最终可以在分布式反馈光纤光栅波长上实现单频、单偏振激光输出。同时，其制造成本低，有利于推广应用；

附图说明

图1为本发明的基于非保偏光纤元件的全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器装置示意例图；

图2为线-线飞秒激光直写技术在非保偏增益光纤内刻写分布式反馈相移光栅的侧面视图；

图3为线-线飞秒激光直写技术在非保偏增益光纤内刻写分布式反馈相移光栅的横截面视图；

图4为本发明实例中在非保偏掺铒石英增益光纤上刻写的分布式反馈光纤光栅透射谱和全光纤单频单偏振光纤激光器起振后的激光输出光谱例图；

图5为本发明实例中基于非保偏掺铒石英增益光纤的全光纤分布式反馈单频单偏振光纤激光输出在通过延时自外差干涉法，在频域的实测数据和洛伦兹拟合线宽示意例图；

图6为本发明实例中基于非保偏掺铒石英增益光纤的全光纤分布式反馈单频单偏振光纤激光输出在通过延时自外差干涉法，在频域内的实测谱例图；

图7为本发明实例中基于非保偏掺铒石英增益光纤的全光纤分布式反馈单频单偏振光纤激光输出在频域的相对强度噪声谱例图。

图中：1、泵浦激光光源，2、波分复用耦合器A，3、增益光，4、分布式反馈光纤光栅，5、波分复用耦合器B，6、第一输出光纤B，7、第二输出光纤B，8、光纤偏振控制器A，9、第二输出光纤A，10、光纤偏振控制器B，11、尾纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器装置和制造方法作进一步的说明：

具体实例给出的掺铒的1.55微米全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器装置和制造方法：

具体实例采用的增益光纤为掺铒非保偏石英玻璃光纤，纤芯直径为4微米；

具体实例中用于刻写相移分布式反馈光纤光栅的光源为800纳米飞秒激光(脉冲宽度80飞秒，重复频率1千赫兹)；

具体实例给出的1.55微米掺铒全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器的制造方法包括以下步骤：

步骤一：如图2所示，利用线-线飞秒激光直写技术，将飞秒激光脉冲光束从光纤侧面进入并精确聚焦定位于掺铒增益光纤3纤芯内一个穿过纤芯中心轴线的平面上、光斑在纤芯/包层界面以内在该平面上沿径向和轴向交替进行直线轨迹行走、刻写形成具有强双折射率的分布式反馈相移光栅；其中，增益光纤3为掺铒非保偏光纤；其中，飞秒激光脉冲聚焦光斑尺寸约为1微米；激光光斑扫描速度为0.03毫米/秒；

S1：将飞秒激光脉冲聚焦光斑精确定位于掺铒增益光纤3纤芯内一个穿过纤芯中心轴线的平面上，该平面与飞秒激光光束垂直；

S2：在具体实例中，飞秒激光光斑初始位置被定位于增益光纤纤芯和第一包层的界面；激光光斑和光纤位置通过高精度程序控制位移平台进行相对移动，飞秒激光脉冲聚焦光斑在上述平面上沿纤芯中心轴线的径向以直线轨迹行走、匀速通过纤芯中心刻写出线状光致折射率变化，行走长度为4微米(即等于芯径)，行走直线轨迹对称分布于纤芯中心两侧；(见图2和图3为光斑在光纤侧面和横截面方向移动的示意图)；

S3：飞秒激光脉冲聚焦光斑再在上述平面上沿轴向平移一个周期距离Λ＝1.072微米(由此根据Λ＝m*λ/(2*n

S4：飞秒激光脉冲聚焦光斑再在上述平面上以直线轨迹在纤芯中心轴线的径向上沿纤芯中心方向进行直线扫描，其行走长度同S2(即等于4微米)，行走直线轨迹对称分布于纤芯中心两侧；

S5：飞秒激光脉冲聚焦光斑再在上述平面上沿轴向平移一个距离Λ(即等于1.072微米)；

S6：如此重复S2-S5，依此交替进行沿纤芯中心轴线的径向和轴向上的直线扫描；

S7：飞秒激光脉冲聚焦光斑在沿纤芯中心轴线的轴向完成12120个周期扫描(即径向总移动L

S8：飞秒激光脉冲聚焦光斑再重复S2-S5过程，沿纤芯中心轴线的轴向在增益光纤纤芯中完成第二个12120个周期(即径向总移动L

这样最终在增益光纤中刻写出具有π相移的分布式反馈光纤光栅4；由于线-线飞秒激光直写方法在增益光纤纤芯内形成的线状折射率变化，使π相移的分布式反馈光纤光栅4具有较强的双折射率；

这样在掺铒增益光纤3内嵌的分布式反馈光纤光栅4构成分布式反馈激光谐振腔；

步骤二：具体实例采用的泵浦激光光源1为976纳米半导体激光器，通过尾纤11建立泵浦激光光源1输出端和波分复用耦合器A2输入端的连接，再将波分复用耦合器A2的第一输出光纤A通过熔接的方式与掺铒石英增益光纤3的一端进行连接，将增益光纤3的另一端通过熔接的方式与波分复用耦合器B5的输入光纤连接；其中，具体实例中采用的波分复用耦合器A2和B5为980/1550纳米波分复用耦合器；尾纤11、波分复用耦合器A2上连接的光纤均为非保偏光纤；

步骤三：通过波分复用耦合器B5的第一输出光纤B6输出分离的残余泵浦信号，通过波分复用耦合器B5中的第二输出光纤B7获得正向输出的激光信号；通过波分复用耦合器A2的第二输出光纤A9获得反向输出的激光信号；通过光纤偏振控制器B8对第二输出光纤B7的正向输出的激光信号进行偏振态调节；通过光纤偏振控制器A10与波分复用耦合器A2的第二输出光纤A9的反向输出的激光信号进行偏振态调节；其中，波分复用耦合器B5上连接的光纤均为非保偏光纤。

增益光纤3与波分复用耦合器A2之间通过低损耗熔接的方式连接；增益光纤3与波分复用耦合器B5之间通过低损耗熔接的方式连接。

具体实例中的1.55微米掺铒全光纤单频窄线宽、单偏振光纤激光器装置，包括976纳米半导体泵浦激光光源1，所述泵浦激光光源1的输出端口连接有尾纤11，还包括980/1550纳米波分复用耦合器A2、掺铒石英增益光纤3和980/1550纳米波分复用耦合器B5；所述尾纤11远离泵浦激光光源1的一端和波分复用耦合器A2中的输入光纤通过熔接的方式连接；所述掺铒石英增益光纤3的内部刻写有通过飞秒线-线直写制备的、具有强双折射率的分布式反馈光纤光栅4；增益光纤3和分布式反馈光纤光栅4构成分布式反馈激光谐振腔；增益光纤3的一端与波分复用耦合器A2中的第一输出光纤A通过熔接的方式连接；所述波分复用耦合器B5中的输入光纤与增益光纤3的另一端通过熔接的方式连接；所述尾纤11、增益光纤3、波分复用耦合器A2和波分复用耦合器B5上连接的光纤均为非保偏光纤。

还包括光纤偏振控制器B8和光纤偏振控制器A10；所述光纤偏振控制器B8与波分复用耦合器B5的一根输出光纤连接；所述光纤偏振控制器A与波分复用耦合器A的另一根输出光纤连接；所述光纤偏振控制器B8和光纤偏振控制器A10使用的光纤均为非保偏光纤。

图4为实例中在非保偏掺铒石英增益光纤上刻写的分布式反馈光纤光栅透射谱和全光纤单频单偏振光纤激光器起振后的激光输出光谱图；激光输出波长位于1550纳米；

图5为实例中基于非保偏掺铒石英增益光纤的全光纤分布式反馈单频单偏振光纤激光输出在通过采用50公里长的延迟光纤后，通过自外差干涉法，在频域的实测数据和洛伦兹线型拟合图；拟合结果表明，单频窄线宽激光输出3分贝线宽为200赫兹；

图6为实例中基于非保偏掺铒石英增益光纤的全光纤分布式反馈单频单偏振光纤激光输出经法布里-珀罗干涉仪后在示波器上显示的时域谱，表明光纤激光器为单偏振单频输出；

图7为实例中基于非保偏掺铒石英增益光纤的全光纤分布式反馈单频单偏振光纤激光输出在频域的相对强度噪声谱例图；可以看到，在1兆赫兹以上频域中，以上单频窄线宽、单偏振光纤激光器的相对强度噪声低于-110分贝/赫兹。