基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔多波长单频激光器

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，特别涉及一种基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔多波长单频激光器。

背景技术

单频光纤激光器具有窄线宽、低噪声、相干长度长等优点，在相干光通信，高精度相干测距，相干激光雷达，高精度光谱和引力波探测等领域有着重要的应用。特别在高精度相干测距中，单频激光器由于其极窄的线宽，使测距系统具有非常高的测量精度。然而，在一些特殊应用环境下，如在大气探测中，由于大气折射率的不均匀分布及随机起伏，往往会导致一定的测量误差，从而增加测距的不确定度。为了降低测量过程中的误差，增加系统的精确度，通常使用双色干涉测量的方式来补偿空气折射率造成的距离误差。相比于传统的相干测距系统，双色相干测量系统需要同时使用两种不同波长的单频激光作为探测光源，并且要求两个波长的间距足够大以减小计算引入的误差。

双色单频光源通常可以由两种方式来获得，一种是通过两种不同波长的单频激光器合束来实现，这种方式需要分别搭建两个激光系统，然后通过额外的系统将两个激光器进行激光合束，因此系统较为复杂，且成本较高。另一种方式是使用双波长单频光纤激光器作为光源，双波长单频光纤激光器也有两种实现方式，一是基于一种增益光纤来实现，但这种方案产生的两个波长间隔较小，并且需要抑制腔内模式竞争；二是采用两种增益光纤来实现，这种方案通常采用双环腔结构以及将两种增益光纤级联到同一线性腔的结构，这些结构的激光器通常需要插入较多的选模器件来保证单频激光运转，因此，此类激光器的结构复杂，输出效率低，稳定性差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔多波长单频激光器。该激光器采用超短腔结构，结构紧凑，效率高，输出稳定等优点。该激光器基于不同稀土纳米颗粒掺杂的光纤作为增益介质，因此可以提供间距足够大的多个波长。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔多波长单频激光器，包括沿光路依次设置的泵浦源、光纤波分复用器、布拉格光栅组、增益光纤和高反镜；所述布拉格光栅组与高反镜构成超短线性激光谐振腔；所述增益光纤位于谐振腔内，其一端与布拉格光栅组的栅区相连，另一端与高反镜相贴合；所述的增益光纤为掺杂两种以上纳米颗粒包裹的稀土离子的光纤。

作为本发明的一种优选方式，所述的稀土离子选自Nd

进一步优选地，所述谐振腔的长度为1.5 cm。

进一步优选地，所述泵浦源为连续泵浦源或脉冲泵浦源。

进一步优选地，所述光纤波分复用器包括三个端口，其中一个端口作为双波长激光器的输出端，波长输出范围为大于1000 nm，另外两个端口分别连接泵浦源和激光谐振腔。

进一步优选地，所述布拉格光栅组为低反射率布拉格光栅，反射率为50%~99%，其在同一光栅区域有两个反射波长，其中短波长栅区位于谐振腔内侧，长波长栅区位于谐振腔外侧，栅区长度小于1 mm。

进一步优选地，所述布拉格光栅组为保偏光栅或者非保偏光栅。

进一步优选地，所述高反镜镀有宽带介质膜，反射率不小于99.9%。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用紧凑的超短腔结构得到双波长单频激光输出，不仅结构远比现有的双波长激光器更为紧凑、稳定，且制作成本低，又可以实现输出激光波长可选择性强、间距大等优点，解决了当前双波长单频激光器输出波长间隔小以及激光器结构复杂、稳定性差、不易制作的问题。

2、本发明采用的增益光纤通过掺杂不同稀土离子来提供不同波段的激光增益，并且稀土离子被纳米颗粒包裹，不同稀土离子之间不会发生相互干扰，将保持各自的发光特性，解决了传统多稀土掺杂光纤中因稀土离子之间能量传递造成的激光不稳定的问题，可以满足不同应用的波段需求，适用性广。

附图说明

图1为本发明提供的基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔多波长单频激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例1的增益光纤的掺杂结构示意图；

图3为本发明提供的布拉格光栅组结构示意图；

图4为本发明实施例1的输出光谱图；

其中，1、泵浦源；2、光纤波分复用器；3、布拉格光栅组；4、增益光纤；5、高反镜；6、纳米颗粒；7、稀土A

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

实施例1本实施例提供的基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔双波长单频激光器的结构如图1所示，包括沿光路依次设置的976 nm泵浦源1、光纤波分复用器2、布拉格光栅组3、增益光纤4和高反镜5。

其中，泵浦源1用于发射泵浦激光，布拉格光栅组3与高反镜构成超短线性激光谐振腔，谐振腔的外部设有温度控制系统来调节和保持激光谐振腔的温度.光纤波分复用器2连接泵浦源1和谐振腔，将泵浦源出射的976 nm泵浦激光注入谐振腔内。

本实施例所述的泵浦源1为连续泵浦源，中心波长为976 nm。

本实施例所述的光纤波分复用器2包括三个端口，其中一个端口作为双波长激光器的输出端，波长输出范围为1000-1600 nm，另外两个端口分别接有泵浦源1和布拉格光栅组3。

本实施例提供的布拉格光栅组3如图3所示，为低反射率布拉格光栅，反射率为50%~99%，栅区长度为0.5 mm，在此光栅区域内有两个反射波长，分别为1064 nm和1550 nm，其中短波长栅区位于谐振腔内侧，长波长栅区位于谐振腔外侧。布拉格光栅组3为非保偏光栅，因此可以实现双波长激光输出。

本实施例提供的增益光纤4为Er/Yb纳米颗粒共掺光纤，如图2所示，光纤中包含有Er

Er/Yb纳米颗粒共掺增益光纤作为激光增益介质，位于谐振腔内，其一端与布拉格光栅组3的栅区通过熔接直接相连，另一端与高反镜相贴合，用于同时提供腔内1 μm和1.5μm波段的激光增益。激光谐振腔的腔长仅有1.5 cm，保证了腔内足够大的纵模间隔，同时布拉格光栅组3为双波长窄带光栅，两中心波长分别位于1 μm和1.5 μm，用于实现波长及模式的选择，最终实现1 μm和1.5 μm双波长单频激光的输出，如图4所示。

本实施例中的高反镜5镀有宽带介质膜，反射率不小于99.9%。

实施例2 本实施例提供的基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔双波长单频激光器的结构如图1所示，包括沿光路依次设置的976 nm泵浦源1、光纤波分复用器2、布拉格光栅组3、增益光纤4和高反镜5。

其中，泵浦源1用于发射泵浦激光，布拉格光栅组3与高反镜构成超短线性激光谐振腔，谐振腔的外部设有温度控制系统来调节和保持激光谐振腔的温度.光纤波分复用器2连接泵浦源1和谐振腔，将泵浦源出射的976 nm泵浦激光注入谐振腔内。

本实施例所述的泵浦源1为脉冲泵浦源，，中心波长为976 nm实现脉冲双波长单频激光输出。

本实施例所述的光纤波分复用器2包括三个端口，其中一个端口作为双波长激光器的输出端，波长输出范围为1000-1600 nm，另外两个端口分别接有泵浦源1和布拉格光栅组3。

本实施例的布拉格光栅组3为低反射率布拉格光栅，反射率为50%~99%，栅区长度为0.5 mm，在此光栅区域内有两个反射波长，分别为1064 nm和1940 nm，其中短波长栅区位于谐振腔内侧，长波长栅区位于谐振腔外侧。布拉格光栅组3为非保偏光栅，因此可以实现双波长激光输出。

本实施例提供的增益光纤为Yb/Tm纳米颗粒共掺增益光纤，光纤中包含有Yb

Yb/Tm纳米颗粒共掺增益光纤作为激光增益介质，位于谐振腔内，其一端与布拉格光栅组3的栅区通过熔接直接相连，另一端与高反镜相贴合，用于同时提供腔内1 μm和2 μm波段的激光增益。激光谐振腔的腔长仅有1.5 cm，保证了腔内足够大的纵模间隔，同时布拉格光栅组3为双波长窄带光栅，两中心波长分别位于1 μm和2 μm，用于实现波长及模式的选择，最终实现1 μm和2 μm双波长单频激光的输出。

本实施例中的高反镜5镀有宽带介质膜，反射率不小于99.9%。

实施例3本实施例提供的基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔三波长单频激光器的结构如图1所示，包括沿光路依次设置的976 nm泵浦源1、光纤波分复用器2、布拉格光栅组3、增益光纤4和高反镜5。

其中，泵浦源1用于发射泵浦激光，布拉格光栅组3与高反镜构成超短线性激光谐振腔，谐振腔的外部设有温度控制系统来调节和保持激光谐振腔的温度.光纤波分复用器2连接泵浦源1和谐振腔，将泵浦源出射的976 nm泵浦激光注入谐振腔内。

本实施例所述的泵浦源1为脉冲泵浦源，，中心波长为976 nm实现脉冲双波长单频激光输出。

本实施例所述的光纤波分复用器2包括三个端口，其中一个端口作为双波长激光器的输出端，波长输出范围为1000-1600 nm，另外两个端口分别接有泵浦源1和布拉格光栅组3。

本实施例所述的布拉格光栅组3为低反射率布拉格光栅，反射率为50%~99%，栅区长度为0.5 mm，在此光栅区域内有三个反射波长，分别为1064 nm、1550 nm和1940nm，其中短波长栅区位于谐振腔内侧，长波长栅区位于谐振腔外侧。布拉格光栅组3为非保偏光栅，因此可以实现三波长激光输出。

本实施例提供的增益光纤4为Er/Yb/Tm纳米颗粒共掺光纤，光纤中包含有Er

Er/Yb/Tm纳米颗粒共掺光纤作为激光增益介质，位于谐振腔内，其一端与布拉格光栅组3的栅区通过熔接直接相连，另一端与高反镜相贴合，用于同时提供腔内1 μm、1.5 μm和2 μm波段的激光增益。激光谐振腔的腔长仅有1.5 cm，保证了腔内足够大的纵模间隔，同时布拉格光栅组3为三波长窄带光栅，其中心波长分别位于1 μm、1.5 μm和2 μm，用于实现波长及模式的选择，最终实现1 μm、1.5 μm和2 μm三波长单频激光的输出。

实施例4 本实施例提供的基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔四波长单频激光器的结构如图1所示，包括沿光路依次设置的976 nm泵浦源1、光纤波分复用器2、布拉格光栅组3、增益光纤4和高反镜5。

其中，泵浦源1用于发射泵浦激光，布拉格光栅组3与高反镜构成超短线性激光谐振腔，谐振腔的外部设有温度控制系统来调节和保持激光谐振腔的温度.光纤波分复用器2连接泵浦源1和谐振腔，将泵浦源出射的976 nm泵浦激光注入谐振腔内。

本实施例所述的泵浦源1为脉冲泵浦源，，中心波长为976 nm实现脉冲双波长单频激光输出。

本实施例所述的光纤波分复用器2包括三个端口，其中一个端口作为双波长激光器的输出端，波长输出范围为1000-1600 nm，另外两个端口分别接有泵浦源1和布拉格光栅组3。

本实施例所述的布拉格光栅组3为低反射率布拉格光栅，反射率为50%~99%，栅区长度为0.5 mm，在此光栅区域内有两个反射波长，分别为1064 nm和1550 nm，其中短波长栅区位于谐振腔内侧，长波长栅区位于谐振腔外侧。布拉格光栅组3为保偏光栅，因此可以实现四波长激光输出。

本实施例提供的增益光纤4为Er/Yb纳米颗粒共掺光纤，光纤中包含有Er

Er/Yb纳米颗粒共掺光纤作为激光增益介质，位于谐振腔内，其一端与布拉格光栅组3的栅区通过熔接直接相连，另一端与高反镜相贴合，用于同时提供腔内1 μm和1.5 μm波段的激光增益。激光谐振腔的腔长仅有1.5 cm，保证了腔内足够大的纵模间隔，同时布拉格光栅组3为双波长窄带光栅，两中心波长分别位于1 μm和1.5 μm，用于实现波长及模式的选择，最终实现1 μm和1.5 μm波段的四波长单频激光的输出。

实施例5本实施例提供的基于不同稀土纳米颗粒掺杂的超短腔双波长单频激光器的结构如图1所示，包括沿光路依次设置的976 nm泵浦源1、光纤波分复用器2、布拉格光栅组3、Er/Yb纳米颗粒共掺增益光纤4和高反镜5。

其中，泵浦源1用于发射泵浦激光，布拉格光栅组3与高反镜构成超短线性激光谐振腔，谐振腔的外部设有温度控制系统来调节和保持激光谐振腔的温度.光纤波分复用器2连接泵浦源1和谐振腔，将泵浦源出射的976 nm泵浦激光注入谐振腔内。

本实施例所述的泵浦源1为连续泵浦源，中心波长为976 nm。

本实施例所述的光纤波分复用器2包括三个端口，其中一个端口作为双波长激光器的输出端，波长输出范围为1000-1600 nm，另外两个端口分别接有泵浦源1和布拉格光栅组3。

本实施例所述的布拉格光栅组3为低反射率布拉格光栅，反射率为50%~99%，栅区长度为0.5 mm，在此光栅区域内有两个反射波长，分别为1064 nm和1550 nm，其中短波长栅区位于谐振腔内侧，长波长栅区位于谐振腔外侧。布拉格光栅组3为非保偏光栅，因此可以实现双波长激光输出。

本实施例提供的增益光纤4为Er/Yb纳米颗粒共掺光纤，光纤中包含有Er

Er/Yb纳米颗粒共掺光纤作为激光增益介质，位于谐振腔内，其一端与布拉格光栅组3的栅区通过熔接直接相连，另一端与高反镜相贴合，用于同时提供腔内1 μm和1.5 μm波段的激光增益。激光谐振腔的腔长仅有1.5 cm，保证了腔内足够大的纵模间隔，同时布拉格光栅组3为双波长窄带光栅，两中心波长分别位于1 μm和1.5 μm，用于实现波长及模式的选择，最终实现1 μm和1.5 μm双波长单频激光的输出。

本实施例中的高反镜5为可饱和吸收镜，镀有宽带介质膜，反射率不小于99.9%。实现被动调Q双波长单频激光输出。