CN101447637B - 一种低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，保偏光纤为稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为70P2O5-8Al2O3-15BaO-4La2O3-3Nd2O3，保偏光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，所述发光离子掺杂浓度大于1×1019ions/cm3，且在纤芯中是均匀掺杂。窄线宽保偏布拉格光纤光栅和二色镜组成光纤激光的前后腔镜，厘米级铒镱共掺磷酸盐玻璃保偏光纤作为激光工作物质，单模半导体激光器产生的保偏输出激光作为泵浦源，通过设计制作保偏布拉格光纤光栅的反射谱宽和控制整个激光腔的腔长来实现单一纵模的激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器，特别是涉及低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，激光器线宽达KHz级、输出功率高达几百mW量级。
背景技术
超窄线宽单频激光以其优异的相干性能在工业、农业、军事等领域具有广泛的应用前景，尤其在长距离、高精度传感、激光测距及指示方面显得尤为重要。要提高光纤激光的探测距离或精度，需要使用高相干性能的激光，因而要求激光具有超窄线宽的谱宽，如要求KHz量级线宽、mW级的单频光纤激光作为种子源。一般石英掺杂光纤很难实现较高功率(＞100mW)，超窄线宽(＜2KHz)的单频激光输出。
目前研究超窄线宽单频光纤激光，采用稀土离子高掺杂的石英光纤作为激光介质，短直F-P腔结构，一般只能输出几mW单频激光，采用多组分玻璃光纤作为单频激光的增益介质，则可实现输出功率100mW以上、线宽小于2KHz的单频光纤激光，如采用2cm长的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤，实现了输出功率大于200mW、线宽小于2KHz、波长为1.5μm的单频光纤激光[J.Lightwave Technol.，2004，22：57]。2004年，美国亚历山大大学和NP光子公司在超窄线宽单频光纤激光研究方面申请了稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤激光器[专利号：US 6816514B2]和高功率窄线宽单频光纤激光器[公开号：US 2004/0240508A1]两个专利，它是基于(30-80)P2O5-(5-30)L2O3(L2O3：Al2O，B2O3，Y2O3，La2O3以及它们的混合物)-(5-30)MO(MO：BaO，BeO，MgO，SrO，CaO，ZnO，PbO以及它们的混合物)这种基质的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤，并对各种腔型结构进行了权利要求，但是，其所要求的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤并未具有保偏特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种在纤芯中产生KHz量级的窄线宽单频激光保偏输出的超窄线宽单频光纤激光器。
本发明利用磷酸盐玻璃纤芯材料的高掺杂和高增益特性，设计制作具有保偏特性的磷酸盐玻璃光纤，采用短F-P腔结构，利用窄线宽保偏光纤光栅的选频作用，在泵浦光源的持续抽运下，在纤芯中产生KHz量级的窄线宽单频激光保偏输出。特别是结合稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤的单位长度高增益、偏振保持和超窄线宽光纤光栅选频的特性，并优化增益光纤掺杂浓度、长度等关键参数，再设计制作短直F-P腔结构，可以实现更低噪声的、窄线宽的、偏振保持的单频激光输出。
本发明的的目的通过如下技术方案实现：
一种低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其单模半导体激光泵浦源与保偏波分复用器的泵浦输入端连接，保偏波分复用器的公共端与窄线宽保偏布拉格光纤光栅连接，窄线宽保偏布拉格光纤光栅经保偏光纤与二色镜连接，保偏波分复用器的信号端与保偏光纤隔离器连接，保偏光纤和窄线宽保偏布拉格光纤光栅固定封装在自动温度控制的热沉中；所述保偏光纤为稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为70P2O5-8Al2O3-15BaO-4La2O3-3Nd2O3，所述保偏光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，所述发光离子掺杂浓度大于1×1019ions/cm3，且在纤芯中是均匀掺杂。
为进一步实现本发明目的，所述保偏光纤纤芯为椭圆形，长短轴比是1.1-3.0，短轴长为3-10μm，包层为圆形。
所述保偏光纤为熊猫型结构，纤芯为圆形，直径为3-10μm，两个熊猫眼对称排布、大小一致，与纤芯距离为20-40μm，熊猫眼直经大小为10-20μm，包层为圆形。
所述保偏光纤的拍长大于5mm、单位长度增益大于1dB/cm，光纤长度为0.5-5cm。
所述二色镜为在腔镜表面镀上薄膜或为直接在保偏光纤研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜，所述薄膜对激光信号波长反射率大于90％，对泵浦波长透射率大于90％。
所述窄线宽保偏布拉格光纤光栅的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱宽小于0.1nm，中心波长反射率为10-95％。
所述保偏布拉格光纤光栅和稀土掺杂磷酸盐玻璃保偏光纤之间的耦合是通过研磨抛光其相应光纤端面后直接对接耦合。
所述镧系离子为Er3+、Yb3+、Tm3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+或Lu3+。
所述过渡金属离子为Gu2+、Co2+、Cr3+、Fe2+或Mn2+。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：厘米量级的高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤作为激光的增益介质，由窄带宽保偏光纤光栅和二色镜组成短F-P腔结构的前后腔镜，在单模半导体激光泵浦源1的连续激励下，纤芯中的高掺杂稀土粒子发生反转，产生受激发射的信号光，信号光在前后腔镜作用下，多次来回振荡并得到多次放大，并最终产生激光由窄线宽保偏光纤光栅耦合输出。由于激光腔长也只有厘米量级，由激光的腔模原理可知，腔内的纵模间隔可达GHz，只要窄带宽保偏光纤光栅反射谱足够窄，如3dB反射谱小于0.08nm，即可实现在腔长为2cm的激光腔内只存在一个单纵模，实现无跳模及模式竞争的稳定的单纵模(单频)保偏输出。由于激光增益介质是具有保偏特性的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤，所以，单模激光在激光腔内是以一个固定的偏振态振荡的，可降低激光由于偏振态不稳定引起的噪声，从而提高了输出激光的信噪比，同时偏振态保持的泵浦光也是通过保偏器件耦合输入到稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤的纤芯中，可进一步降低激光由于泵浦光偏振态不稳定引起的噪声，也进一步提高了输出激光的信噪比。为实现激光频率稳定，需要精密的自动控温装置控制热沉。随着泵浦光功率的不断增强，单纵模激光线宽不断变窄，最后可以实现线宽达KHz量级的单频光纤激光保偏输出。由于掺杂磷酸盐玻璃单模光纤经改进设计成保偏光纤，因而具有更高的消光比，同时对弯曲和扭曲应力不敏感，有利于消除单频光纤激光因环境振动引起的噪声和频率漂移，从而进一步提高激光的信噪比，使偏振输出的单频激光具有更低的噪声。
附图说明
图1为本发明单频光纤激光器原理示意图；
图2a为椭圆形纤芯的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤的截面示意图；
图2b为熊猫型稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
如图1所示，低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器包括保偏光纤4、单模半导体激光泵浦源1、保偏波分复用器2(WDM)、窄线宽保偏布拉格光纤光栅3、二色镜5、保偏光纤隔离器6和热沉7。单模半导体激光泵浦源1与保偏波分复用器2的泵浦输入端连接，保偏波分复用器2的公共端与窄线宽保偏布拉格光纤光栅3连接，窄线宽保偏布拉格光纤光栅3经保偏光纤4与二色镜5连接，保偏波分复用器2的信号端与保偏光纤隔离器6连接，保偏光纤4和窄线宽保偏布拉格光纤光栅3固定封装在自动温度控制的热沉7中，热沉7的温度一般设置在-30～70℃范围内的一温度值上，且其控制精度小于0.1℃，通过控制热沉温度来调谐激光波长。保偏光纤4为稀土掺杂磷酸盐玻璃单模的保偏光纤4，纤芯9成分为磷酸盐玻璃，纤芯9中的稀土掺杂离子为铒、镱、或铒镱共掺。同样稀土掺杂离子可以是Tm3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+或Lu3+镧系离子。
窄带宽保偏光纤光栅3和二色镜5组成短F-P腔结构的前后腔镜，窄带宽保偏光纤光栅3的中心反射波长位于激光介质的增益谱内，并且位于二色镜5的高反射谱内，反射率大于90％。泵浦光采用单模LD前向泵浦方式由保偏波分复用器(WDM)2的980nm端耦合输入到激光腔中的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模的保偏光纤4的纤芯9中，抽运高掺杂的稀土离子，使粒子数发生反转，产生受激发射的信号光，信号光在前后腔镜作用下，多次来回振荡并得到多次放大，并最终产生激光由窄线宽保偏光纤光栅3耦合输出。保偏布拉格光纤光栅3和稀土掺杂磷酸盐玻璃保偏光纤4之间的耦合是通过研磨抛光它们相应光纤端面后直接对接耦合。二色镜5为在腔镜表面镀上薄膜或为直接在保偏光纤4研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜，薄膜对激光信号波长反射率大于90％，对泵浦波长透射率大于90％。窄线宽保偏布拉格光纤光栅3的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱宽小于0.1nm，中心波长反射率为10-95％。窄线宽保偏布拉格(Bragg)光纤光栅3的反射谱宽和控制整个激光腔的腔长，来实现只有唯一的单纵模激光保偏输出。
实施例1
高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模的保偏光纤4作为光纤激光器的增益介质，长度可根据器件激光输出功率大小及窄线宽保偏光纤光栅3的反射谱宽来选择，本例为0.5cm，一般为0.5～10cm均可。纤芯9掺杂高浓度的发光离子是铒和镱，铒、镱稀土离子的掺杂浓度分别是2.5×1020ions/cm3、5.0×1020ions/cm3，一般要大于1×1019ions/cm3。如图2a所示，稀土掺杂磷酸盐玻璃单模的保偏光纤4的纤芯9截面结构为椭圆形，长短轴比是1.2∶1，一般为1.1-3.0∶1均可，短轴长为5μm，一般为1-10μm均可，包层8为圆形。该保偏光纤的拍长是6mm。由于掺杂磷酸盐玻璃单模光纤设计成保偏光纤4，因而具有更高的消光比，同时对弯曲和扭曲应力不敏感，有利于消除单频光纤激光因环境振动引起的噪声和频率漂移，从而进一步提高激光的信噪比，信噪比可达65dB。保偏光纤4的纤芯9成分为磷酸盐玻璃，其组成为：70P2O5-8Al2O3-15BaO-4La2O3-3Nd2O3。稀土离子在纤芯9中是均匀的高浓度掺杂。高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤4是通过钻孔法、管棒法制作预制棒：先把包层玻璃加工处理成直径为30mm的玻璃棒，再在此玻璃棒中心位置钻出一个长轴为2.5mm、短轴为2mm的椭圆孔，然后抛光玻璃椭圆孔的内表面；其次，把纤芯9玻璃加工处理成一个长轴为2.5mm、短轴为2mm椭圆棒，然后再抛光此椭圆棒外表面；再次，把纤芯玻璃棒***到包层8玻璃棒中的孔内，组装成一光纤预制棒；最后，把组装好的光纤预制棒放到光纤拉制塔中高温炉中拉制，最终拉制出具有保偏性能的稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤4。
二色镜5为在腔镜表面镀上薄膜或直接在保偏光纤4研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜，其材料一般为MgO，薄膜对激光信号波长1550nm的反射率大于90％，对泵浦波长980nm的透射率大于90％。窄线宽保偏布拉格光纤光栅3的中心反射波长为激光输出波长1550nm，3dB反射谱宽小于0.1nm，中心波长1550nm的反射率为10-95％。窄线宽保偏布拉格(Bragg)光纤光栅3的反射谱宽和控制整个激光腔的腔长，来实现只有唯一的单纵模激光保偏输出。由于稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤4的纤芯9的高掺杂及高增益特性，在单频激光输出功率为200mW时，所需增益光纤的长度仅为2cm，因而，使用窄带宽保偏光纤光栅3和二色镜5组成短F-P腔结构，可使激光腔长小于3cm，从而，可以保证在窄带宽保偏光纤光栅3的反射谱线宽小于0.05nm的情况下，激光腔内只存在一个单纵模模式，且无跳模及模式竞争现象。在激光功率饱和前，随着泵浦功率的不断增强，激光线宽就会不断变窄，最后可以实现kHz量级的超窄线宽保偏输出。只要选择窄带宽保偏光纤光栅3中心反射波长是设计波长值，则可实现所需波长的超窄线宽单频光纤激光。其中，窄线宽保偏光纤光栅的靠近栅区1-2mm处的一端面需进行研磨抛光，以使窄线宽保偏光纤光栅3可以直接与研磨抛光过的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤4中纤芯9实现端对端耦合。
在泵浦源的不断激励下，稀土掺杂磷酸盐玻璃单模的保偏光纤4的纤芯9中稀土离子实现粒子数反转，受激反射的信号光在由窄带宽保偏光纤光栅3和二色镜5组成短F-P腔结构的前后腔镜作用下，不断振荡并得到来回多次放大，振荡信号光突破阈值后形成激光，腔内振荡激光分别从窄带宽保偏光纤光栅3耦合输出后，经由980/1550nm的保偏波分复用器WDM2分波输入到1550nm的保偏光纤隔离器6的前端，并由保偏光纤隔离器6隔离反射或残留的泵浦光后输出稳定的、偏振保持的、单一纵模的光纤激光，而精密控制热沉7的温度，有利于进一步实现激光波长的稳定性，最终实现了输出波长为1.5μm的低噪声窄线宽单频光纤激光保偏输出。
实施例2
高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模的保偏光纤4作为光纤激光器的增益介质，长度可根据器件激光输出功率大小及窄线宽保偏光纤光栅3的反射谱宽来选择，本例为0.8cm，一般为0.5～10cm均可。纤芯9掺杂高浓度的发光离子的是镱，镱稀土离子的掺杂浓度是7.5×1020ions/cm3，一般要大于1×1019ions/cm3。如图2b所示，稀土掺杂磷酸盐玻璃单模的保偏光纤4截面结构是熊猫型结构，纤芯9为圆形，直径为8μm，一般为1-10μm均可，两熊猫眼10对称排布、大小一致，与纤芯9距离为20-40μm，熊猫眼10直经大小为15μm，一般10-20μm均可，包层8为圆形，直径为125μm，一般125-400μm均可。该保偏光纤的拍长是5.6mm。由于掺杂磷酸盐玻璃单模光纤设计成保偏光纤4，因而具有更高的消光比，同时对弯曲和扭曲应力不敏感，有利于消除单频光纤激光因环境振动引起的噪声和频率漂移，从而进一步提高激光的信噪比，信噪比可达65dB。保偏光纤4的纤芯9成分为磷酸盐玻璃，其组成为：70P2O5-8Al2O3-15BaO-4La2O3-3Nd2O3。稀土离子在纤芯9中是均匀的高浓度掺杂。高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤4是通过钻孔法、管棒法制作预制棒：先把包层玻璃加工处理成直径为25mm的玻璃棒，再在此玻璃棒中心位置钻出一个直径为1.6mm圆孔，然后抛光玻璃圆孔的内表面，然后再在熊猫眼10设计位置钻两个直经为3mm的圆孔，同样抛光两圆孔的内表面；其次，把纤芯9玻璃加工处理成一个直径为1.6mm的圆棒，然后再抛光此圆棒外表面；再次，把另一种多组分玻璃材料(其膨胀系数需大于磷酸盐玻璃的膨胀系数)加工处理成直经为3mm的两条熊猫眼10圆棒，抛光此两圆棒的外表面，再把纤芯9玻璃棒***到包层8玻璃棒中的中心孔内，两条熊猫眼10圆棒玻璃圆棒分别***到包层8玻璃棒中的熊猫眼孔中，组装成一光纤预制棒；最后，把组装好的光纤预制棒放到光纤拉制塔中高温炉中拉制，最终拉制出具有保偏性能的稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤4。
二色镜5为在腔镜表面镀上薄膜或为直接在保偏光纤4研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜，其材料一般为Mg0，薄膜对激光信号波长1060nm的反射率大于90％，对泵浦波长980nm的透射率大于90％。窄线宽保偏布拉格光纤光栅3的中心反射波长为激光输出波长1060nm，3dB反射谱宽小于0.1nm，中心波长1060nm的反射率为10-95％。窄线宽保偏布拉格(Bragg)光纤光栅3的反射谱宽和控制整个激光腔的腔长，来实现只有唯一的单纵模激光保偏输出。由于稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤4纤芯的高掺杂及高增益特性，在单频激光输出功率为200mW时，所需增益光纤的长度仅为2cm，因而，使用窄带宽保偏光纤光栅3和二色镜5组成短F-P腔结构，可使激光腔长小于3cm，从而，可以保证在窄带宽保偏光纤光栅3的反射谱线宽小于0.05nm的情况下，激光腔内只存在一个单纵模模式，且无跳模及模式竞争现象。在激光功率饱和前，随着泵浦功率的不断增强，激光线宽就会不断变窄，最后可以实现kHz量级的超窄线宽保偏输出。只要选择窄带宽保偏光纤光栅3中心反射波长是设计波长值，则可实现所需波长的超窄线宽单频光纤激光。其中，窄线宽保偏光纤光栅的靠近栅区1-2mm处的一端面需进行研磨抛光，以使窄线宽保偏光纤光栅3可以直接与研磨抛光过的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤4中纤芯9实现端对端耦合。
在泵浦源的不断激励下，稀土掺杂磷酸盐玻璃单模的保偏光纤4的纤芯9中稀土离子实现粒子数反转，受激反射的信号光在由窄带宽保偏光纤光栅3和二色镜5组成短F-P腔结构的前后腔镜作用下，不断振荡并得到来回多次放大，振荡信号光突破阈值后形成激光，腔内振荡激光分别从窄带宽保偏光纤光栅3耦合输出后，经由980/1060nm的保偏波分复用器WDM2分波输入到1060nm的保偏光纤隔离器6的前端，并由保偏光纤隔离器6隔离反射或残留的泵浦光后输出稳定的、偏振保持的、单一纵模的光纤激光，而精密控制热沉7的温度，有利于进一步实现激光波长的稳定性，最终实现了输出波长为1.06μm的低噪声窄线宽单频光纤激光保偏输出。
实施例3
高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模的保偏光纤4长度为10cm，纤芯9掺杂高浓度的发光离子是过渡金属离子Cu2+，Cu2+的掺杂浓度分别是1.5×1019ions/cm3。其它同实施例2。同样，纤芯9掺杂高浓度的发光离子是Co2+、Cr3+、Fe2+或Mn2+过渡金属离子。
Claims (9)
1.一种低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其单模半导体激光泵浦源(1)与保偏波分复用器(2)的泵浦输入端连接，保偏波分复用器(2)的公共端与窄线宽保偏布拉格光纤光栅(3)连接，窄线宽保偏布拉格光纤光栅(3)经保偏光纤(4)与二色镜(5)连接，保偏波分复用器(2)的信号端与保偏光纤隔离器(6)连接，保偏光纤(4)和窄线宽保偏布拉格光纤光栅(3)固定封装在自动温度控制的热沉(7)中；其特征在于：所述保偏光纤(4)为稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，纤芯(9)成分为磷酸盐玻璃，组成为70P2O5-8Al2O3-15BaO-4La2O3-3Nd2O3，所述保偏光纤(4)的纤芯(9)掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，所述发光离子掺杂浓度大于1×1019ions/cm3，且在纤芯(9)中是均匀掺杂。
2.根据权利要求1所述的低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其特征在于：所述保偏光纤(4)纤芯(9)为椭圆形，长短轴比是1.1-3.0，短轴长为3-10μm，包层(8)为圆形。
3.根据权利要求1所述的低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其特征在于：所述保偏光纤(4)为熊猫型结构，纤芯(9)为圆形，直径为3-10μm，两个熊猫眼(10)对称排布、大小一致，与纤芯距离为20-40μm，熊猫眼(10)直经大小为10-20μm，包层(8)为圆形。
4.根据权利要求2或3所述的低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其特征在于：所述保偏光纤(4)的拍长大于5mm、单位长度增益大于1dB/cm，光纤长度为0.5-5cm。
5.根据权利要求1所述的低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其特征在于：所述二色镜(5)为在腔镜表面镀上薄膜或为直接在保偏光纤(4)研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜，所述薄膜对激光信号波长反射率大于90％，对泵浦波长透射率大于90％。
6.根据权利要求1所述的低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其特征在于：所述窄线宽保偏布拉格光纤光栅(3)的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱宽小于0.1nm，中心波长反射率为10-95％。
7.根据权利要求1所述的低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其特征在于：所述保偏布拉格光纤光栅(3)和稀土掺杂磷酸盐玻璃保偏光纤(4)之间的耦合是通过研磨抛光其相应光纤端面后直接对接耦合。
8.根据权利要求1所述的低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其特征在于：所述镧系离子为Er3+、Yb3+、Tm3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+或Lu3+。
9.根据权利要求1所述的低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器，其特征在于：所述过渡金属离子为Cu2+、Co2+、Cr3+、Fe2+或Mn2+。
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