CN103022866A - Mopa型随机光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
MOPA型随机光纤激光器属于随机光纤激光器***。该***使用光纤作为随机激光增益介质。当泵浦光被耦合进入到激光增益介质后，由于光纤的折射率不均匀，在光纤中会发生瑞利后向散射，同时泵浦光沿着光纤为瑞利散射光提供了增益，使得后向瑞利散射光被放大形成随机激光。本***的创新之处在于在激光增益介质前边放置了另一种短的高增益光纤，在后向瑞利散射光被拉曼放大后，还能够在增益光纤中继续放大,是一种MOPA型的随机光纤激光器放大结构。这种结构可以提高随机光纤激光器的输出功率、降低泵浦光的阈值功率。另外本***还可双程放大泵浦光，提高泵浦光的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及了一种随机光纤激光器***。该***以光纤作为随机激光增益介质，主振荡器是由泵浦光和随机激光增益介质组成。泵浦光被耦合进光纤后，在光纤中产生的后向瑞利散射光被拉曼放大形成随机激光,这就是主振荡过程。放大器是由短的高增益光纤组成，可以对随机激光进行放大。属于新型激光器件领域。
背景技术
在文献中Sergei K. Turitsyn, Sergey A. Babin, Atalla E. El-Taher, Paul Harper, Dmitriy V. Churkin, Sergey I. Kablukov, Juan Diego Ania-Castanon, VassilisKaralekas and Evgenii V. Podivilov. Random distributed feedback fibre laser. Nature Photon.2010, 4, 231–235中介绍一种随机光纤激光器***。在该***中，两束相等功率的1455nm的泵浦光从光纤的中点处沿相反方向耦合进光纤（光纤的总长度是83km）。在光纤中传输的光子形成了分布式的瑞利散射（RS），同时泵浦光沿着光纤提供了分布式Raman增益。后向散射光将被放大形成激光从光纤的两端射出，出射激光的波长是1550nm。这是一种空间非相干激光，在非线性光学、光通信和传感等领域有着重要的应用。
此技术需要改进的是：
1.输出功率有待提高。本***采用MOPA（主振荡功率放大）型的光纤激光放大结构对随机激光进行放大，可以使随机光纤激光器的输出功率大于文献中的150mW，从而在更多领域中得到应用。
2.泵浦光阈值功率高。本***可以有效放大泵浦光且提高泵浦光的利用率，从而使泵浦光的阈值功率低于文献中的1.6W。
3.转换效率低。上述文献中激光器总的斜率效率为30%，本***通过放大泵浦光功率和MOPA型随机激光器结构，可以提高激光器的斜率效率。
发明内容
本发明的目的就是为了改进现有随机光纤激光器的性能指标。本***使用MOPA型的光纤激光放大结构，对泵浦光和随机激光同时进行放大。且采用将剩余泵浦光再次返回光纤对分布式瑞利散射光进行放大的方案。这样可以 提高随机激光器的输出功率、同时可以降低泵浦光的阈值功率，提高泵浦光的利用率。
本发明的基本思想如下：
随机激光器的增益介质使用的是光纤，可以是单模光纤、光子晶体光纤、塑料光纤、掺杂光纤以及其他种类的光纤等等。实验中光纤的两端切成斜面，以阻止由光纤端面引起的菲涅尔反射进入光纤纤芯。泵浦源可以是各种类型的激光器。在激光增益介质中由于光纤的折射率不均匀，光在光纤中传播时会发生瑞利散射，后向瑞利散射系数非常小，大约为ε=4.5×10-5km-1，因此在光纤中，一般情况下后向瑞利散射是可以忽略的。但是如果光纤足够长，后向散射光被放大后就会形成激光。例如：如果泵浦光波长是1455nm，分布式后向瑞利散射光经过拉曼放大后，在1550nm左右会有最大增益，相对于泵浦光的stokes频移大约为13THz，所以出射的随机激光的波长大约为1550nm左右；如果泵浦光波长是1455nm，分布式后向瑞利散射光经过布里渊放大后，在1455.1nm 左右会有最大增益，相对于泵浦光的stokes频移是大约是10GHz，所以出射的随机激光的波长大约为1455.1nm左右。
本***的创新之处是在激光增益介质前放了另一种短的高增益光纤，可以是稀土掺杂类光纤以及光子晶体光纤等等。激光增益介质中产生的后向瑞利散射光被拉曼效应放大后，还能在该增益光纤中继续放大，从而提高了随机激光的输出功率。
并且为了有效利用泵浦光，本发明还采用了双程放大方案，即将剩余泵浦光用泵浦光反射镜反射回增益介质中，因此泵浦光在前后两个方向的传播过程中均对瑞利后向散射光形成放大。泵浦光两次乃至多次经过增益介质，使得后向瑞利散射光经过多次放大，提高了放大率和激光器的斜率效率。该随机光纤激光器***采用了MOPA型的光纤激光放大结构，因此不仅可以提高激光器的输出功率，降低泵浦光阈值功率，同时还可以有效放大泵浦光，提高泵浦光的利用率。
本发明的技术方案如下：
包括激光源1、第一耦合器2、第二耦合器3、第一光纤4、第二光纤5、第一光隔离器6、第二光隔离器7、第三光隔离器8、泵浦光反射镜9。其中：
激光源1（可以是各种类型激光器）作为随机激光器的泵浦光源，通过第 一光隔离器6和第一耦合器2耦合进第一光纤4中形成MOPA型的光纤激光放大结构，第一光纤4是增益光纤，可以是光子晶体光纤、稀土掺杂光纤或者其它种类的光纤。在第一光纤4中放大后的泵浦光直接耦合进第二光纤5。第二光纤5是随机激光增益介质，可以是普通单模光纤、光子晶体光纤、高非线性光纤、塑料光纤、稀土掺杂光纤或者其它种类的光纤。在第二光纤5中产生的后向瑞利散射光经过拉曼放大后形成激光，输出激光的频率是泵浦光频率产生13THz频移后的结果。随机激光通过第一光纤4继续放大，从而获得更高的输出功率。并且为了提高泵浦光利用率，剩余泵浦光被泵浦光反射镜9反射后，经过第二耦合器3，耦合到第二光纤5中，后向瑞利散射光经过两次甚至多次放大后，通过第一光纤4、第一耦合器2以及第三光隔离器8输出，从而获得高功率的随机激光。第二光隔离器7是为了阻止光纤端面引起的菲涅耳反射光进入光纤中。第二光隔离器7设置在第二耦合器3后。其中第一耦合器2、第二耦合器3可以是波分复用器、环形器或其他满足需要的光无源器件。
进一步，第二光纤5两端切成斜面。
本发明的有益效果主要有：
一、本随机光纤激光器***在激光增益介质前放置了一种短的高增益光纤，即采用了MOPA型的随机光纤激光放大结构，这样可以同时有效放大泵浦光以及随机激光，提高随机激光的输出功率，降低泵浦光的阈值功率。
二、本***为了提高泵浦光的利用率，除了用高增益介质光纤对泵浦光进行放大外，还将剩余泵浦光用反射镜反射回激光增益介质中，泵浦光两次乃至多次经过激光增益介质，使得后向瑞利散射光被多次放大，所以本***可以使激光器的阈值功率控制在1.6W以下，激光器的输出功率在150mW以上。
附图说明
图1是本方案发明技术***原理图。
图中：1.激光源，2.第一耦合器，3.第二耦合器，4.第一光纤，5.第二光纤，6.第一光隔离器，7.第二光隔离器，8.第三光隔离器，9.泵浦光反射镜。
具体实施方式
例子一: 激光增益介质前放置的短的高增益光纤是稀土掺杂类光纤。这类光纤的上能级寿命较长，用相对较低的泵浦功率就可在激发态存储大量能量，特适合于高功率放大，而且具有较宽的吸收带（800-1064nm）和激发带（970-1200nm）,泵浦源的选择比较广泛。根据镱离子吸收光谱在976nm和915nm有很强的吸收峰，所以泵浦源可以使用976nm的半导体激光器。经过掺镱光纤放大后的泵浦光直接耦合进增益介质中，在该介质中激励的后向瑞利散射光经过拉曼放大，即产生13THz频移，形成随机激光，那么出射波长约为1018.3nm。最后该随机激光通过掺镱光纤继续放大，从而获得更高的输出功率。
例子二：激光增益介质前放置的短的高增益光纤是光子晶体光纤。光子晶体光纤容易实现内包层大的数值孔径，从而提高对泵浦光的吸收效率。同时还可以实现纤芯和内包层直径大的比值，从而降低激光的振荡阈值。比如我们采用915nm的半导体激光器（LD）作为泵浦源。经过光子晶体光纤放大后的泵浦光直接耦合进激光增益介质中，在该介质中激励的后向瑞利散射光经过拉曼放大，即产生13THz频移，形成随机激光，波长约为951.3nm。最后该随机激光通过光子晶体光纤继续放大，从而获得更高的输出功率。
下面结合附图对***方案的具体实施方式进行详细的描述：
本方案是MOPA型随机光纤激光器***，***参见下图，包括激光源1、第一耦合器2、第二耦合器3、第一光纤4、第二光纤5、第一光隔离器6、第二光隔离器7、第三光隔离器8、泵浦光反射镜9。
激光源1（可以是各种类型的激光器）作为随机光纤激光器的泵浦光源，通过第一光隔离器6和第一耦合器2耦合进第一光纤4中，第一光纤4是用于放大泵浦光和随机激光的短的高增益光纤，可以是光子晶体光纤、稀土掺杂光纤或者其它种类的光纤。在第一光纤4中放大后的泵浦光直接耦合进第二光纤5中。第二光纤5是随机光纤激光器的增益介质，可以是单模光纤、光子晶体光纤、高非线性光纤、塑料光纤、稀土掺杂光纤或者其它种类的光纤。第二光纤5两端切成斜面，以阻止由光纤端面引起的泵浦光的菲涅尔反射光进入光纤纤芯。在第二光纤5中的后向瑞利散射光经过拉曼放大形成随机激光，随机激光的频率相对于泵浦光的频率有13THz频移。随机激光在第一光纤4中可以继续放大，获得更高的输出功率。同时为了提高泵浦光利用 率，剩余泵浦光被泵浦光反射镜9反射，经过第二耦合器3，耦合到第二光纤5中。在第二光纤5中产生的后向瑞利散射光经过两次甚至多次放大后，通过第一光纤4、第一耦合器2以及第三光隔离器8输出，从而获得高功率的随机激光。第二光隔离器7是为了阻止光纤端面引起的反射光进入光纤中。
当光在光纤中传输时，由于光纤介质的折射率不均匀发生相干散射，形成了分布式的瑞利散射（RS），大多数的散射光子从光纤芯中泄漏出去，只有少数的后向散射光子沿着光纤传输。泵浦光在光纤中产生了分布式增益。如果后向散射光的总增益大于总损耗时，后向散射的光子就被放大形成随机激光。出射激光的频率与放大类型有关，如果是拉曼放大，产生的随机激光的频率是泵浦光的频率下移13THz的结果。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (5)
1..MOPA型随机光纤激光器，其特征在于：包括激光源（1）、第一耦合器（2）、第二耦合器（3）、第一光纤（4）、第二光纤（5）、第一光隔离器（6）、第二光隔离器（7）、第三光隔离器（8）、泵浦光反射镜（9）；
激光源（1）作为随机光纤激光器的泵浦光源，通过第一光隔离器（6）和第一耦合器（2）耦合进第一光纤（4）中，第一光纤（4）是用于放大泵浦光和随机激光的增益光纤；在第一光纤（4）中放大后的泵浦光直接耦合进第二光纤（5）中；第二光纤（5）是随机光纤激光器的增益介质；在第二光纤（5）中激励产生的后向瑞利散射光经放大后产生随机激光；随机激光通过第一光纤（4）、第一耦合器（2）以及第三光隔离器（8）输出；剩余泵浦光被泵浦光反射镜（9）反射，经过第二耦合器（3），耦合到第二光纤（5）中；在第二光纤（5）中产生的后向瑞利散射光经过两次甚至多次放大后，通过第一光纤（4）、第一耦合器（2）以及第三光隔离器（8）输出；，从而得到随机激光；为了阻止光纤端面引起的反射光进入光纤中的第二光隔离器（7）设置在第二耦合器（3）后。
2.根据权利要求1所述的.MOPA型随机光纤激光器，其特征在于：
所述的第一光纤（4）是光子晶体光纤或稀土掺杂光纤。
3.根据权利要求1所述的.MOPA型随机光纤激光器，其特征在于：所述的第二光纤（5）是单模光纤、光子晶体光纤、高非线性光纤、塑料光纤或者稀土掺杂光纤。
4.根据权利要求1所述的.MOPA型随机光纤激光器，其特征在于：所述的第一耦合器（2）、第二耦合器（3）是波分复用器或者环形器。
5.根据权利要求1所述的.MOPA型随机光纤激光器，其特征在于：第二光纤（5）两端切成斜面。
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