基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器

技术领域

本发明涉及单频光纤激光领域，尤其涉及一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器。

背景技术

单频光纤振荡器因其具有良好的单色性、较长的相干长度、较低的噪声特性等诸多优良性能，成为了科研、探测、通信等应用领域中重要的激光光源。单频光纤振荡器的主要特征是单纵模运转，这对振荡器的设计提出了较大的挑战，这也限制了单频光纤激光器的输出功率，目前大部分的单频光纤激光器的输出功率大多为百毫瓦量级，较少的可达到数百毫瓦或瓦级，其主要原因是随着功率水平的提高，无法继续保持较好的选频性能。

目前在振荡器中选频方式包括：超短线型腔、级联子腔、复合线型腔、可饱和吸收体等。其中超短线型腔对频率的选择是依靠较短的腔长保证了较大的自由光谱范围，虽然有着紧凑的结构和优越的抑制跳模的性能，但较短的腔长也极大限制了增益介质的长度，为了获得较高的输出功率一般采用高掺杂有源光纤作为增益介质，但随着激光功率的提高，增益介质的温度变化导致的腔长的微小改变会严重削弱振荡器对频率的选择能力；因此基于低掺杂光纤振荡器的选频方式同样被广泛研究，其中级联子腔和复合线型腔的原理均是基于游标效应从而增大了振荡器的自由光谱范围，这两种方法一方面增加了系统的复杂程度，另一方面对腔长的精度要求较高；可饱和吸收体(SA)选频方法，普遍采用未泵浦的有源光纤来实现，对向传播的两束激光在可饱和吸收体中形成的驻波场对光纤折射率实现周期性调制获得窄带的折射率调制光栅，进而达到选频的目的，是一种可靠的单纵模实现方式，常见于环型腔结构中，采用能够实现瓦级的单频激光输出，但是在较高的泵浦功率下，可饱和吸收体的选频作用被漂白，因此激光的单纵模运转会被破坏，利用该方法能够实现单纵模运转最高输出功率仅为百毫瓦量级。

综上所述，目前的单频激光选频方式在高功率运转下均无法保持在较高输出功率下对激光的有效选频，为了获得更高的单频激光输出功率，亟需发展更为有效的选频方式，以保证在瓦级输出功率之上稳定的单频激光输出。

发明内容

本发明提供了一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器，本发明在不增加特殊器件的条件下，提高单频激光器中的频率选择性能，保证高功率条件下的单纵模运转，详见下文描述：

一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器，所述振荡器中包含两段有源光纤，并被两个泵浦源分别泵浦，

两段有源光纤在吸收泵浦功率的同时，仍保留有未被泵浦的部分；

线型腔激光器内存在的驻波效应在两段有源光纤的未泵浦部分中产生窄带折射率调制光栅产生选频效果；两段有源光纤中的窄带折射率调制光栅形成游标效应进一步加强选频效果。

进一步地，所述振荡器包括四种腔型结构。

第一种方案，所述两段有源光纤为：

第一有源光纤位于第一高反光纤光栅一侧，第二有源光纤位于第一低反光纤光栅一侧；第一高反光纤光栅和第一低反光纤光栅提供激光反馈；第一有源光纤、第二有源光纤分别被第一泵浦源和第二泵浦源反向泵浦；第一泵浦源输出的泵浦激光通过第一泵浦耦合器件耦合注入第一有源光纤中；第二泵浦源输出的泵浦激光通过第二泵浦耦合器件耦合注入第二有源光纤中。

第二种方案，所述两段有源光纤为：

第三有源光纤和第四有源光纤均分别被第三泵浦源和第四泵浦源经第三泵浦耦合器件和第四泵浦耦合器件正向泵浦。

第三种方案，所述两段有源光纤为：

第五有源光纤被第五泵浦源经第五泵浦耦合器件反向泵浦，第六有源光纤被第六泵浦源经第六泵浦耦合器件正向泵浦。

第四种方案，所述两段有源光纤为：

第七有源光纤被第七泵浦源经第七泵浦耦合器件正向泵浦，第八有源光纤被第八泵浦源经第八泵浦耦合器件反向泵浦；

在第七有源光纤和第八有源光纤之间加入一段尺寸匹配的无源光纤，无源光纤用于隔离第七有源光纤和第八有源光纤中形成的窄带折射率调制光栅，以此形成游标效应。

其中，所述两段有源光纤为同种或不同种稀土离子掺杂的有源光纤；两段有源光纤满足在高反光纤光栅和低反光纤光栅的中心波长处既有发射截面，也有吸收截面。

所述有源光纤为单包层光纤、双包层光纤或三包层光纤；高反光纤光栅和低反光纤光栅的中心波长一致。

优选地，二个泵浦源是固体激光器、光纤激光器、或半导体激光器；二个泵浦源是单纵模激光或多纵模激光；二个泵浦源是单横模激光或高阶横模激光。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、基于该技术手段，可以在不增加特殊器件的条件下，提高单频激光器中的选频性能，保证高功率条件下的单纵模运转；

2、基于该技术手段，为特殊波段，即在该波段没有较强吸收的有源光纤作为SA，提供了可行的单频运转方案；

3、该方案中SA对信号光的吸收截面要求较低，可扩展SA的应用波段；基于动态折射率调制光栅的调控实现对单纵模性能的优化，结构简单、紧凑，激光纵模稳定性强；

4、该方案不依赖于高掺杂的有源光纤即可实现高功率单频光纤激光器，应用范围广。

附图说明

图1为一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器的第一结构示意图；

图2为一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器的第二结构示意图；

图3为一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器的第三结构示意图；

图4为一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器的第四结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

图1中：

1、第一高反光纤光栅；            2、第一有源光纤；

3、第一泵浦耦合器件；            4、第一泵浦源；

5、第二有源光纤；                6、第二泵浦耦合器件；

7、第二泵浦源；                  8、第一低反光纤光栅；

图2中：

9、第二高反光纤光栅；            10、第三泵浦源；

11、第三泵浦耦合器件；           12、第三有源光纤；

13、第四泵浦源；                 14、第四泵浦耦合器件；

15、第四有源光纤；               16、第二低反光纤光栅；

图3中：

17、第三高反光纤光栅；           18、第五有源光纤；

19、第五泵浦耦合器件；           20、第五泵浦源；

21、第六泵浦源；                 22、第六泵浦耦合器件；

23、第六有源光纤；               24、第三低反光纤光栅；

图4中：

25、第四高反光纤光栅；           26、第七泵浦源；

27、第七泵浦耦合器件；           28、第七有源光纤；

29、无源光纤；                   30、第八有源光纤；

31、第八泵浦耦合器件；           32、第八泵浦源；

33、第四低反光纤光栅。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一、设计原理：

一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器，振荡器中包含两段有源光纤，并被两个泵浦源分别泵浦，两段有源光纤在吸收泵浦功率的同时，仍保留有未被泵浦的部分；线型腔激光器内存在的驻波效应会在两段有源光纤的未泵浦部分中产生窄带折射率调制光栅，因此这两段有源光纤一方面作为增益介质提供激光增益，另一方面作为SA产生选频效果；两段有源光纤中的窄带折射率调制光栅形成游标效应，加强选频，以满足瓦级输出功率的需要。

在本发明实施例中，两段有源光纤中形成的窄带折射率调制光栅是实现单频运转的关键，而窄带折射率调制光栅的带宽与折射率调制光栅的强度和长度相关；因此，可以通过控制两个泵浦源的功率比例以调控两段有源光纤中的折射率调制光栅，从而在不同的功率水平下均可以实现最优的选频效果，实现稳定的单频运转。

二、激光振荡器腔型结构的分类

其中，按照泵浦方向的不同，本发明实施例的激光振荡器腔型结构有四种：

1、第一种腔型结构：

第一高反光纤光栅1和第一低反光纤光栅8提供激光反馈；第一有源光纤2位于第一高反光纤光栅1一侧，第二有源光纤5位于第一低反光纤光栅8一侧；第一有源光纤2、第二有源光纤5分别被第一泵浦源4和第二泵浦源7反向泵浦；第一泵浦源4输出的泵浦激光通过第一泵浦耦合器件3耦合注入第一有源光纤2中；第二泵浦源7输出的泵浦激光通过第二泵浦耦合器件6耦合注入第二有源光纤5中。

2、第二种腔型结构：

所需器件与第一种腔型结构相同。在这种结构中，第三有源光纤12和第四有源光纤15均分别被第三泵浦源10和第四泵浦源13经第三泵浦耦合器件11和第四泵浦耦合器件14正向泵浦。

3、第三种腔型结构：

所需器件与第一种腔型结构相同。在这种结构中，第五有源光纤18被第五泵浦源20经过第五泵浦耦合器件19反向泵浦，第六有源光纤23被第六泵浦源21经第六泵浦耦合器件22正向泵浦。

4、第四种腔型结构：

所需器件与第一种腔型结构相同。在这种结构中，第七有源光纤28被第七泵浦源26经过第七泵浦耦合器件27正向泵浦，第八有源光纤30被第八泵浦源32经过第八泵浦耦合器件31反向泵浦；在第七有源光纤28和第八有源光纤30之间加入一段尺寸匹配的无源光纤29。无源光纤29用来隔离第七有源光纤28和第八有源光纤30中形成的窄带折射率调制光栅，以此形成游标效应。

三、器件的优选

在本发明实施例中，两段有源光纤可以是同种稀土离子掺杂的有源光纤，也可以是不同种类稀土离子掺杂的有源光纤；在同种稀土离子掺杂的有源光纤条件下，两段有源光纤可以相同也可以不同；只需要满足在高反光纤光栅和低反光纤光栅的中心波长处既有发射截面，同时也有一定的吸收截面即可，本发明实施例对此不做限制。

本发明实施例中的有源光纤可以是单包层光纤，也可以是双包层光纤，只需要保证两段有源光纤既提供激光增益又可作为SA即可。

本发明实施例中，配套的二个泵浦源其形式可以是固体激光器、光纤激光器、半导体激光器等，只要可以产生该波长的激光即可。其可以是单纵模激光，也可以是多纵模激光，本发明实施例对此不做限制。其可以是单横模激光，也可以是高阶横模激光，只要可以耦合进光纤激光系统并进行传输、吸收即可，本发明实施例对此不作限制。

本发明实施例中，高反光纤光栅和低反光纤光栅的中心波长一致，反射率和带宽只要可以实现激光的振荡即可，本发明实施例对此不做限制。

本发明实施例中，泵浦耦合器件可以是波分复用器，也可以是泵浦合束器，只需要满足将泵浦激光耦合进谐振腔，对有源光纤实现泵浦即可。

实施例1

一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器，典型的实施方式如图1所示。

该振荡器包括：顺次连接的第一高反光纤光栅1、第一有源光纤2、第一泵浦耦合器件3、第一泵浦源4、第二有源光纤5、第二泵浦耦合器件6、第二泵浦源7、第一低反光纤光栅8。

其中，第一高反光纤光栅1的中心波长2050nm、反射率>99.9％、半高宽0.5nm；第一有源光纤2和第二有源光纤5均为铥钬共掺单包层光纤，纤芯和包层尺寸分别为8μm和125μm，在1570nm处的吸收系数为150dB/m，其长度均为6m；第一泵浦源4和第二泵浦源7均为1570nm铒镱共掺光纤激光器；第一低反光纤光栅8的中心波长2050nm、反射率50％、半高宽0.09nm；第一泵浦耦合器件3和第二泵浦耦合器件6均为1570nm/2000nm波分复用器，波分复用器是用于1570nm和2000nm波段激光的耦合。

实施例2

一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器，典型的实施方式如图2所示。

该振荡器包括：顺次连接的第二高反光纤光栅9、第三泵浦源10、第三泵浦耦合器件11、第三有源光纤12、第四泵浦源13、第四泵浦耦合器件14、第四有源光纤15、第二低反光纤光栅16。

其中，第二高反光纤光栅9的中心波长1950nm、反射率>99.9％、半高宽0.5nm；第三有源光纤12为掺铥双包层光纤，纤芯/包层尺寸为10/130μm，在1570nm处的吸收系数为800dB/m；第四有源光纤15为掺铥单包层光纤，纤芯/包层尺寸为9/125μm，在1570nm处的吸收系数为150dB/m；第三泵浦源10和第四泵浦源13均为1570nm铒镱共掺光纤激光器；第二低反光纤光栅16的中心波长1950nm、反射率70％、半高宽0.05nm。第三泵浦耦合器件11和第四泵浦耦合器件14均为1570nm/1950nm波分复用器。

实施例3

一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器，典型的实施方式如图3所示。

该振荡器包括：顺次连接的第三高反光纤光栅17、第五有源光纤18、第五泵浦耦合器件19、第五泵浦源20、第六泵浦源21、第六泵浦耦合器件22、第六有源光纤23、第三低反光纤光栅24。

其中，第三高反光纤光栅17的中心波长1064nm、反射率>99.9％、半高宽0.3nm；第五有源光纤18和第六有源光纤23均为掺镱单包层光纤，纤芯/包层尺寸为5/125μm，在976nm处的吸收系数为1500dB/m；第五泵浦源20和第六泵浦源21均为976nm高功率半导体激光器；第三低反光纤光栅24的中心波长1064nm、反射率70％、半高宽0.05nm。第五泵浦耦合器件19和第六泵浦耦合器件22均为976nm/1064nm波分复用器。

实施例4

一种基于动态折射率光栅调控的瓦级线型腔单频光纤振荡器，典型的实施方式如图4所示。

该振荡器包括：顺次连接的第四高反光纤光栅25、第七泵浦源26、第七泵浦耦合器件27、第七有源光纤28、无源光纤29、第八有源光纤30、第八泵浦耦合器件31、第八泵浦源32、第四低反光纤光栅33。

其中，第四高反光纤光栅25的中心波长2800nm、反射率>99.9％、半高宽0.3nm；第七有源光纤28和第八有源光纤30均为掺铒ZBLAN光纤，纤芯/包层尺寸为15/125μm，在976nm处的吸收系数为150dB/m；第七泵浦源26和第八泵浦源32均为976nm高功率半导体激光器；第四低反光纤光栅33的中心波长2800nm、反射率70％、半高宽0.1nm。第七泵浦耦合器件27和第八泵浦耦合器件31均为976nm/2800nm波分复用器。

本发明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，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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