CN104092095A - 一种高稳定超窄线宽单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定超窄线宽单频光纤激光器，包括一个单模半导体泵浦激光器、保偏波分复用器、保偏窄带光纤滤波器、全光纤波片、高增益光纤、二色镜和保偏光隔离器以及热沉。本发明利用全光纤波片，通过偏振旋转技术解决增益光纤中的空间烧孔效应，保偏窄带光纤滤波器加上全反射镜构成腔内滤波器，利用偏振旋转耦合，形成折叠型谐振腔，将有效腔长变为物理腔长的两到三倍，有利于提高谐振腔的腔内寿命，从而达到减小激光线宽（达百Hz量级）的目的，同时，消除空间烧孔效应后的激光器的功率及频率稳定性也得到了改善。本发明可以实现高稳定、低噪声、超窄线宽、无跳模的单频激光输出的技术效果。

Description

一种高稳定超窄线宽单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器，特别是涉及一种高稳定超窄线宽的单频光纤激光器。

背景技术

百赫兹量级线宽的单频激光器在相干光通信、光原子钟、高分辨率激光光谱仪、基础物理量的测量、量子保密通信等超高精尖端领域有着广阔的应用前景。满足该要求的单频激光器有许多种不同的类型，如加入复杂的外腔稳频结构的半导体激光器等，然而，短直腔结构的单频光纤激光器一直被认为是最有发展前景的类型。和其它类型的激光器相比，短直腔结构的单频光纤激光器噪声低、线宽窄、结构紧凑、易于集成。但是，受限于腔内的空间烧孔效应等引起的技术噪声，短直腔单频光纤激光器的线宽一般都在千赫兹量级。另外，空间烧孔效应等也使得增益介质内的热量分布不均匀，最后影响激光器自由运转时的功率和频率稳定性。

因此，设计新颖的短直腔结构，巧妙地利用相向传播的圆偏振光的耦合，实现激光谐振腔内的能量分布均匀化，是消除短直腔单频光纤激光器内的空间烧孔的有效手段。Evtuhov等在固体激光器中利用两个四分之一波片实现了腔内线偏振光到圆偏振光的变换，两列相向的圆偏振光耦合之后实现了腔内能量分布的均匀化，消除了腔内的空间烧孔效应。然而，Evtuhov等的方案采中的两个四分之一波片需要将波片的光轴以90°的偏置角进行对准，结构复杂而且难以对准。

本发明提出了一种新型的谐振腔型结构，利用全光纤波片，通过偏振旋转技术解决增益光纤中的空间烧孔效应，保偏窄带光纤滤波器加上全反射镜构成腔内滤波器，利用偏振旋转耦合，形成折叠型谐振腔，将有效腔长变为物理腔长的两到三倍，有利于提高谐振腔的腔内寿命，从而达到减小激光线宽（达百Hz量级）的目的，同时，消除空间烧孔效应后的激光器的功率及频率稳定性也得到了改善。

 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高稳定超窄线宽单频光纤激光器，即在短直腔结构中偏振旋转的折叠腔结构，产生相向的圆偏振光，利用不同偏振态的耦合达到消除空间烧孔效应的目的，同时，利用折叠腔结构延长光子寿命，产生百赫兹量级的高稳定信号激光。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种高稳定超窄线宽单频光纤激光器，包括一个单模半导体泵浦激光器、保偏波分复用器、保偏窄带光纤滤波器、全光纤波片、高增益光纤、二色镜和保偏光隔离器以及热沉，各部件的结构关系是：高增益光纤作为激光增益介质，保偏窄带光纤滤波器和二色镜组成激光腔前后腔镜，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保偏窄带光纤滤波器的输出端连接，保偏窄带光纤滤波器另一端与全光纤波片的一端连接，全光纤波片的另一端紧贴高增益光纤的一端，高增益光纤的另一端紧贴二色镜；保偏窄带光纤滤波器、全光纤波片、高增益光纤和二色镜组成所述高稳定超窄线宽单频光纤激光器的谐振腔；所述谐振腔放置在热沉（例如高精度的自动温度控制的热沉）上，谐振腔输出的保偏激光信号经由保偏波分复用器的信号端进入保偏光隔离器，从保偏光隔离器的输出端输出。

所述高增益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，所述高增益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（如Er³⁺, Yb³⁺, Tm³⁺,Gd³⁺,Tb³⁺,Dy³⁺,Ho³⁺, Lu³⁺等）、过渡金属离子（如Cu²⁺,Co²⁺,Cr³⁺,Fe²⁺,Mn²⁺等）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。

进一步的，所述高增益光纤为稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，其纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃，所述高增益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,且在其纤芯中是均匀掺杂。

进一步的，所述高增益光纤可以是保偏的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤。

进一步的，所述高增益光纤的单位长度增益大于1 dB/cm，光纤长度为0.5～10 cm。

进一步的，所述保偏窄带光纤滤波器为全光纤结构，保偏窄带光纤滤波器可以是刻写在同一根保偏光纤上的两个光栅，也可以是两个保偏光纤光栅通过机械对接或者熔接连接，无论采用何种实现方式，其频谱特征都表现为保偏窄带光纤滤波器的快轴反射谱中心波长与慢轴反射谱中心波长重合；耦合输出方向可以是快轴，也可以是慢轴，与耦合输出方向对应的轴上的为较低反射率的光栅，其反射率为10%~95%；另一偏振方向对应高反射率的光栅。

进一步的，所述高稳定超窄线宽单频光纤激光器是短直腔结构，其前腔镜是保偏窄带光纤滤波器，后腔镜可以是二色镜或宽带光纤光栅，激光腔长度为1~250mm，其中二色镜可以是单独的镀膜器件，或为直接在高增益光纤研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜形成，所述薄膜对激光信号波长反射率大于95%，对泵浦波长透射率大于90%；所述宽带光纤光栅是对泵浦光高透，透射率大于90％，而对激励信号波长高反，反射率大于95％，其3dB反射谱宽为0.1nm～10nm。

进一步的，所述全光纤波片为全光纤结构，可以由一段保偏光纤经切割或研磨到一定的长度构成，全光纤波片的特征为，其慢轴与保偏窄带光纤滤波器的慢轴以45°偏置角连接，线偏振光经过全光纤波片之后变为圆偏振光。

进一步的，所述全光纤波片可以是与保偏窄带光纤滤波器以上述偏置角熔接后，再通过研磨实现；也可以是切割到一定长度后，再与保偏窄带光纤滤波器熔接实现。

进一步的，所述保偏窄带光纤滤波器、全光纤波片、高增益光纤和二色镜或宽带光纤光栅之间可以是通过将相接处的相应端面进行研磨抛光后，实现端对端耦合的。

如上所述高增益光纤纤芯直径为3～10μm，包层直径为60～800μm。

本发明利用磷酸盐玻璃纤芯材料的高掺杂和高增益特性，设计制作磷酸盐玻璃单模光纤作为激光介质材料，采用短直腔结构，利用保偏窄带光纤滤波器和二色镜的选频作用，在半导体泵浦激光源的持续抽运下，保偏光纤光栅快轴（或慢轴）反射的线偏振光经由全光纤波片转变为右旋（或左旋）圆偏振光，右旋（或左旋）圆偏振信号光在高增益光纤纤芯中得到放大，经二色镜反射后变为传播方向相反的右旋（或左旋）圆偏振光，再回到高增益光纤纤芯中得到进一步放大，第二次经过全光纤波片之后变为与原线偏振光正交的线偏振光，经保偏窄带光纤滤波器中的另一光栅后，一部分光透射输出形成保偏单频激光，另一部分反射经过全光纤波片后变为左旋（或右旋）圆偏振光，再经由高增益光纤纤芯放大、全反射反向、左旋圆偏振光的再次放大、经过波片变为线偏振光，形成一次完整的激光振荡过程。从上述过程中可以看出，激光谐振腔内同时存在着传播方向相反但偏振方向相反的圆偏振光，它们经过耦合叠加之后可以消除由驻波形成的空间烧孔效应，达到腔内能量分布均匀化的目的。由于信号光实际上在谐振腔内走了两个来回才形成一次完整的振荡过程，激光器的有效腔长是其物理腔长的两倍，有效延长了腔内光子寿命，同时，空间烧孔效应的消除减少了引入的技术噪声，这些效应叠加起来，使得激光信号的线宽得到了压缩，功率与频率稳定性也得到了改善。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：可以将厘米量级的高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤作为激光的增益介质，由保偏窄带光纤滤波器和二色镜组成谐振腔结构的前后腔镜，在单模半导体激光泵浦源的连续激励下，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，利用全光纤波片对保偏窄带光纤滤波器所产生的线偏振光进行偏振态扭转，形成圆偏振光，相向的不同偏振态的圆偏振光耦合叠加之后，使得谐振腔内的光场能量分布均匀化，解决由于驻波导致的空间烧孔效应，从而达到降低技术噪声，压缩激光器线宽，改善频率和功率稳定性的目的。本发明基于上述技术优势，可以实现高稳定、低噪声、超窄线宽、无跳模的单频激光输出的技术效果。

附图说明

图1 为本发明激光器原理示意图；

图2 为四分之一波片主轴与保偏窄带光纤滤波器快慢轴的位置示意图。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体例子对本发明的具体实施方式作进一步描述，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。

实施例1

如图1所示，一种高稳定超窄线宽单频光纤激光器，包括一个单模半导体泵浦激光器1，保偏波分复用器2，保偏窄带光纤滤波器3，全光纤波片4，高增益光纤5，二色镜6和保偏光隔离器7；各部件的结构关系是：高增益光纤5作为激光增益介质，保偏窄带光纤滤波器3和二色镜6组成激光腔前后腔镜，保偏窄带光纤滤波器与全光纤波片4连接，波片4的另一端紧贴高增益光纤5的一端，高增益光纤5的另一端紧贴二色镜。保偏窄带光纤滤波器3、全光纤波片4、增益光纤5和二色镜6组成高稳定超窄线宽单频光纤激光器的谐振腔。本例的保偏窄带光纤滤波器3耦合输出光栅的慢轴（快轴）中心反射波长为激光输出波长1549.92 nm，其波长可在1525～1650nm范围内选择，3dB反射谱宽小于0.15 nm，中心波长反射率为10～95%，本例中心波长反射率为55％。保偏窄带光纤滤波器3中的高反光栅的快轴（慢轴）中心反射波长为激光输出波长1549.92 nm，其波长可在1525～1650nm范围内选择，3dB反射谱宽小于0.5 nm，本例中心波长反射率大于99.95％。二色镜6为在腔镜表面镀上薄膜，其材料一般为MgO，薄膜对激光信号波长1549.92 nm的反射率大于95%，对泵浦波长980 nm的透射率大于90%。保偏窄带光纤滤波器3与二色镜8组成一个具有纵模选择及滤波作用的功能模块。通过设计耦合输出保偏窄带光纤滤波器3中耦合输出光栅的慢轴（或快轴）反射谱宽、控制整个激光腔的腔长，可以实现只有唯一的单纵模激光输出，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，最后可以实现百Hz量级的超窄线宽保偏输出。只要选择保偏窄带光纤滤波器3中的耦合输出光栅的慢轴（或快轴）中心反射波长是设计激光波长值，则可实现所需波长的超窄线宽单频光纤激光。其中，保偏窄带光纤滤波器3的一对光栅采用熔接或端面对接方式连接，且它们的快慢轴必须对准，或者通过在同一根保偏光纤上刻写一对参数满足上述要求的光栅来实现；全光纤波片4采用熔接方式与保偏窄带光纤滤波器3连接，且其慢轴方向必须与全光纤波片4的慢轴夹角成45^o角，如图2所示；高增益光纤5与全光纤波片4的连接采用熔接或端面研磨抛光对接方式；高增益光纤5与二色镜8采用光纤端面研磨抛光与腔镜紧密对接方式连接。

泵浦方式采用前向泵浦，由单模半导体泵浦激光器1产生泵浦光经由保偏波分复用器2的泵浦端输入，经由保偏窄带光纤滤波器3、全光纤波片4耦合到高增益光纤5的纤芯中，进行纤芯泵浦。泵浦光不断抽运纤芯中的稀土例子，使其达到粒子数反转，受激发射产生信号光，保偏光纤光栅3快轴（或慢轴）反射的线偏振光经由全光纤波片4转变为右旋（或左旋）圆偏振光，右旋（或左旋）圆偏振信号光在高增益光纤5纤芯中得到放大，经二色镜6反射后变为传播方向相反的右旋（或左旋）圆偏振光，再回到高增益光纤5纤芯中得到进一步放大，第二次经过全光纤波片4之后变为与原线偏振光正交的线偏振光，经保偏窄带光纤滤波器3中的另一光栅后，一部分光透射输出形成保偏单频激光，另一部分反射经过全光纤波片4后变为左旋（或右旋）圆偏振光，再经由高增益光纤5纤芯放大、反射反向、左旋圆偏振光的再次放大、经过波片变为线偏振光，形成一次完整的激光振荡过程。最后，产生的线偏振单频激光经由保偏窄带光纤滤波器3中的耦合输出光栅输出，再次经由保偏波分复用器2的信号端分波输入到保偏隔离器7的输入端，并由保偏隔离器7隔离反射或残留的泵浦光后输出稳定的、单一纵模的、偏振保持的激光。控制热沉8的温度，有利于进一步实现激光器的稳定工作，最终实现输出波长为1549.92 nm的高稳定、低噪声、超窄线宽激光保偏输出。

 

实施例2

本例的保偏窄带光纤滤波器3耦合输出光栅的慢轴（快轴）中心反射波长为激光输出波长1063.92 nm，其波长可在1000~1120 nm范围内选择，3dB反射谱宽小于0.15 nm，中心波长反射率为10～95%，本例中心波长反射率为65％。保偏窄带光纤滤波器3中的高反光栅的快轴（慢轴）中心反射波长为激光输出波长1063.92 nm，其波长可在1000~1120 nm范围内选择，3dB反射谱宽小于0.5 nm，本例中心波长反射率大于99.95％。二色镜6为在腔镜表面镀上薄膜，其材料一般为MgO，薄膜对激光信号波长1063.92 nm的反射率大于95%，对泵浦波长980 nm的透射率大于90%。保偏窄带光纤滤波器3与二色镜8组成一个具有纵模选择及滤波作用的功能模块。通过设计耦合输出保偏窄带光纤滤波器3中耦合输出光栅的慢轴（或快轴）反射谱宽、控制整个激光腔的腔长，可以实现只有唯一的单纵模激光输出，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，最后可以实现百Hz量级的超窄线宽保偏输出。只要选择保偏窄带光纤滤波器3中的耦合输出光栅的慢轴（或快轴）中心反射波长是设计激光波长值，则可实现所需波长的超窄线宽单频光纤激光。其中，保偏窄带光纤滤波器3的一对光栅采用熔接或端面对接方式连接，且它们的快慢轴必须对准，或者通过在同一根保偏光纤上刻写一对参数满足上述要求的光栅来实现；全光纤波片4采用熔接方式与保偏窄带光纤滤波器3连接，且其慢轴方向必须与全光纤波片4的慢轴夹角成45^o角，如图2所示；高增益光纤5与全光纤波片4的连接采用熔接或端面研磨抛光对接方式；高增益光纤5与二色镜8采用光纤端面研磨抛光与腔镜紧密对接方式连接。

泵浦方式采用前向泵浦，由单模半导体泵浦激光器1产生泵浦光经由保偏波分复用器2的泵浦端输入，经由保偏窄带光纤滤波器3、全光纤波片4耦合到高增益光纤5的纤芯中，进行纤芯泵浦。泵浦光不断抽运纤芯中的稀土例子，使其达到粒子数反转，受激发射产生信号光，保偏光纤光栅3快轴（或慢轴）反射的线偏振光经由全光纤波片4转变为右旋（或左旋）圆偏振光，右旋（或左旋）圆偏振信号光在高增益光纤5纤芯中得到放大，经二色镜6反射后变为传播方向相反的右旋（或左旋）圆偏振光，再回到高增益光纤5纤芯中得到进一步放大，第二次经过全光纤波片4之后变为与原线偏振光正交的线偏振光，经保偏窄带光纤滤波器3中的另一光栅后，一部分光透射输出形成保偏单频激光，另一部分反射经过全光纤波片4后变为左旋（或右旋）圆偏振光，再经由高增益光纤5纤芯放大、反射反向、左旋圆偏振光的再次放大、经过波片变为线偏振光，形成一次完整的激光振荡过程。最后，产生的线偏振单频激光经由保偏窄带光纤滤波器3中的耦合输出光栅输出，再次经由保偏波分复用器2的信号端分波输入到保偏隔离器7的输入端，并由保偏隔离器7隔离反射或残留的泵浦光后输出稳定的、单一纵模的、偏振保持的激光。控制热沉8的温度，有利于进一步实现激光器的稳定工作，最终实现输出波长为1063.92 nm的高稳定、低噪声、超窄线宽激光保偏输出。本发明激光器线宽可以小于几百Hz级、输出功率高达几十mW量级、功率稳定性优于0.1%。

Claims (9)

1.一种高稳定超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于包括一个单模半导体泵浦激光器（1）、保偏波分复用器（2）、保偏窄带光纤滤波器（3）、全光纤波片（4）、高增益光纤（5）、二色镜（6）和保偏光隔离器（7）以及热沉（8）；各部件的结构关系是：高增益光纤（5）作为激光增益介质，保偏窄带光纤滤波器（3）和二色镜（6）组成激光腔前后腔镜，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）的公共端与保偏窄带光纤滤波器（3）的输出端连接，保偏窄带光纤滤波器（3）另一端与全光纤波片（4）的一端连接，全光纤波片（4）的另一端紧贴高增益光纤（5）的一端，高增益光纤（5）的另一端紧贴二色镜（6）；保偏窄带光纤滤波器（3）、全光纤波片（4）、高增益光纤（5）和二色镜（6）组成所述高稳定超窄线宽单频光纤激光器的谐振腔；所述谐振腔放置在热沉（8）上，谐振腔输出的保偏激光信号经由保偏波分复用器（2）的信号端进入保偏光隔离器（7），从保偏光隔离器（7）的输出端输出。

2.根据权利要求1所述的高稳定超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（5）为稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，其纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃，所述高增益光纤（5）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,且在其纤芯中是均匀掺杂。

3.根据权利要求2所述的高稳定超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（5）是保偏的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤。

4.根据权利要求1所述的高稳定超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述高增益光纤（5）的单位长度增益大于1 dB/cm，光纤长度为0.5～5cm。

5.根据权利要求1所述的高稳定超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述保偏窄带光纤滤波器（3）是刻写在同一根保偏光纤上的两个光栅或是两个保偏光纤光栅通过机械对接或者熔接连接构成，频谱特征都表现为保偏窄带光纤滤波器（3）的快轴反射谱中心波长与慢轴反射谱中心波长重合；保偏窄带光纤滤波器（3）耦合输出方向是快轴或慢轴方向，与耦合输出方向对应的轴上的光纤光栅的反射率n1较低，反射率为10%~95%；另一偏振方向对应光纤光栅反射率n2较高，即n2大于n1。

6.根据权利要求1所述的高稳定超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述全光纤波片（4）为全光纤结构，由一段保偏光纤经切割或研磨构成，其慢轴与保偏窄带光纤滤波器的慢轴以45°偏置角连接，使线偏振光经过全光纤波片（4）之后变为圆偏振光。

7.根据权利要求1所述的高稳定超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述高稳定超窄线宽单频光纤激光器是短直腔结构，其前腔镜是保偏窄带光纤滤波器（3），后腔镜为采用二色镜（6），所述二色镜（6）能用宽带光纤光栅代替，激光腔长度为1~150mm；其中以二色镜（6）为后腔镜时，二色镜（6）为单独的镀膜器件，或为直接在高增益光纤（5）研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜形成，所述薄膜对激光信号波长反射率大于95%，对泵浦波长透射率大于90%；所述宽带光纤光栅是对泵浦光高透，透射率大于90％，而对激励信号波长高反，反射率大于95％，其3dB反射谱宽为0.1nm～10nm。

8.根据权利要求2所述的高稳定超窄线宽单频光纤激光器，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2所述的高稳定超窄线宽单频光纤激光器，其特征在于：所述过渡金属离子为Cu²⁺,Co²⁺,Cr³⁺,Fe²⁺或Mn²⁺。