CN105659926B - 1083nm 波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器 - Google Patents
1083nm 波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器Info
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Abstract
本发明属于光纤激光器技术领域，公开了一种1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器，包括泵浦源(1)、第一波分复用器(2)、增益光纤(3)、起偏器(6)、光纤光栅(7)、光纤光栅拉伸架(8)、光耦合器(9)、吸收光纤(10)、第二波分复用器(11)及光隔离器(12)。泵浦源(1)为中心波长为980nm的半导体激光器；第一波分复用器(2)与第二波分复用器(11)为980nm/1083nm波分复用器；光纤光栅(7)的中心波长为1083nm；耦合器(9)为50/50耦合器。采用本发明能够实现1083nm波段窄线宽、可调谐、保偏、稳定的激光输出。<pb pnum="1" />
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器。
背景技术
一般的光纤激光器工作原理为：在泵浦光的作用下，增益介质的能级粒子数产生反转，信号光在谐振腔中经过不断反馈与放大，最终形成激光振荡输出激光。
掺杂稀土离子的光纤由于具有了特殊的能级结构，因而可以作为光纤激光器最常用的增益介质。泵浦光波长与激光器输出波长实质上就决定于增益光纤中掺杂稀土离子的类型与能级结构。通过使用掺杂不同能级结构的稀土离子的增益光纤作为增益介质，光纤激光器可以实现380～3900nm波长范围内的激光输出。通常作为光纤激光器谐振腔反馈器件的元件有光纤光栅、反射镜等。反馈器件除了为谐振腔提供正反馈，由于本身具有波长和模式选择特性，从而也决定了输出激光波长。
普通的光纤激光器虽然可以实现特定波长的激光输出，但是存在如下缺点：
1、目前一般的光纤激光器常用的波长选择器件为光纤光栅等，其实质为一个窄带的光反射器。由于器件本身制作工艺的限制，此类波长选择器件的反射带宽很难达到1GHz量级以下，因而无法实现1MHz量级甚至更窄线宽的激光输出，从而无法适用于利用光与原子相互作用进行精密测量的研究领域。
2、由于一般的光纤激光器的波长选择器件本身的中心波长是确定的，没有相应的调谐机制，无法直接改变光纤激光器的输出激光波长，从而无法直接实现激光波长的精密调谐。
3、一般的光纤激光器在输出激光的保偏特性、单纵模特性以及功率稳定性等性能上并不突出，不利于长期稳定使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种能够输出1083nm波段、窄线宽、可调谐、保偏激光的光纤激光器。
为解决上述技术问题：本发明提出了一种1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器，包括泵浦源、第一波分复用器、增益光纤、起偏器、光纤光栅、光纤光栅拉伸架、光耦合器、吸收光纤、第二波分复用器及光隔离器；
泵浦源的输出端尾纤与第一波分复用器的980nm输入端尾纤相连，第一波分复用器的1083nm输入端尾纤与光耦合器的输入端尾纤相连，光耦合器的两个输出端尾纤分别与吸收光纤的两端相连；第一波分复用器的输出端尾纤与增益光纤的一端相连，增益光纤的另一端与起偏器的输入端尾纤相连，起偏器的输出端尾纤与光纤光栅的输入端尾纤相连，光纤光栅的输出端尾纤与第二波分复用器的输入端尾纤相连，第二波分复用器的1083nm输出端尾纤与隔离器的输入端尾纤相连，激光从隔离器的输出端输出；光纤光栅固定在光纤光栅拉伸架上；
所述的泵浦原为中心波长为980nm的半导体激光器；
所述的第一波分复用器与第二波分复用器为980nm/1083nm波分复用器；
所述的光纤光栅的中心波长为1083nm；
所述的光耦合器为50/50光耦合器。
进一步，还包括第一法拉第旋转器、第二法拉第旋转器；所述第一法拉第旋转器的输入端与增益光纤连接，第一法拉第旋转器的输出端尾纤与起偏器的输入端尾纤相连；所述第二法拉第旋转器的输入尾纤与第一波分复用器的1083nm输入端尾纤相连，所述第二法拉第旋转器的输出端尾纤与光耦合器的输入端尾纤相连；
所述的第一法拉第旋转器与第二法拉第旋转器为45°法拉第旋转器。
进一步，各器件之间的连接都为熔接相连。
进一步，所述的增益光纤采用长度40cm的保偏掺镱光纤，所述吸收光纤采用长度为16m的保偏掺镱光纤。
进一步，所述光纤光栅是中心波长为1083nm、带宽为0.3nm、反射率为90％的光纤光栅。
进一步，所述的光纤光栅拉伸架包括箱体、温度控制装置，压电陶瓷、U型支架、第一小孔、第二小孔；温度控制装置、压电陶瓷、U型支架置于箱体内，温度控制装置固定于箱体内底部，U型支架固定在温度控制装置上，压电陶瓷为圆柱体，压电陶瓷固定在U型金属支架底部，并与U型支架两侧固定连接，压电陶瓷的轴向与箱体底部平行；第一小孔与第二小孔分别开在与压电陶瓷的轴向垂直的箱体两侧面。
进一步，所述光纤光栅粘连固定在光纤光栅拉伸架内的U型支架上，光纤光栅的两端尾纤分别从光纤光栅拉伸架的箱体两侧的第一小孔与第二小孔中穿出。
本发明具有以下有益效果：
1.由于本发明中所采用的部件：增益光纤、吸收光纤、其他光纤器件及器件的尾纤均为保偏的，且互相之间的连接为保偏熔接，在起偏器的作用下，保证了出射激光的保偏性。
2.由于本发明激光谐振腔内增益光纤两侧分别加入了45°法拉第旋转器，由于线偏振光每通过一次法拉第旋转器，偏振方向即发生45°改变，在两个法拉第旋转器共同作用下，谐振腔内相向传播的光偏振方向始终互相垂直，互不干扰，从而避免了增益介质中空间烧孔效应带来的不良影响，有效提高输出激光的稳定性。
3.本发明中采用了含有温度控装置的光纤光栅拉伸架，光纤光栅拉伸架内的温度控制装置可对光纤光栅所处的环境温度进行调谐与控制，从而利用光纤光栅的温度传感特性改变光纤光栅的反射中心波长，进而实现激光波长的初步调谐。光纤光栅拉伸架内的压电陶瓷在外加电压作用下产生微小形变并驱动U型支架，对固定于U型支架的光纤光栅实现拉伸，从而利用光纤光栅的应力传感特性改变光纤光栅的反射中心波长，进而实现激光波长的精密调谐。
4.本发明采用50/50光耦合器及吸收光纤组合的方式实现激光线宽压窄。
50/50光耦合器的两个输出端口与吸收光纤两端尾纤分别熔接在一起。吸收光纤与增益光纤为保偏掺镱光纤。从入射端进入50/50光耦合器的光束，经过50/50光耦合器分束，两束光波在吸收光纤中相向传播并交叠，因干涉形成极窄带宽的动态光栅，由于饱和吸收效应，其在宏观上表现出窄带反射滤波器的特性，从而可以实现光纤激光线宽的压窄。
附图说明
图1为本发明的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器结构示意图。
图2为本发明的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器结构示意图。
图3为本发明中光纤光栅拉伸架结构示意图。
图4为本发明激光器输出光谱图。
图5为利用自外差法测量本发明激光器线宽的频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，本发明的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器包括泵浦源1、第一波分复用器2、增益光纤3、起偏器6、光纤光栅7、光纤光栅拉伸架8、光耦合器9、吸收光纤10、第二波分复用器11及光隔离器12。
泵浦源1的输出端尾纤与第一波分复用器2的980nm输入端尾纤相连，第一波分复用器2的1083nm输入端尾纤与与光耦合器9的输入端尾纤相连，光耦合器9的两个输出端尾纤分别与吸收光纤10的两端相连；第一波分复用器2的输出端尾纤与增益光纤3的一端相连，增益光纤3的另一端与起偏器6的输入端尾纤相连，起偏器6的输出端尾纤与光纤光栅7的输入端尾纤相连，光纤光栅7的输出端尾纤与第二波分复用器11的输入端尾纤相连，第二波分复用器11的1083nm输出端尾纤与隔离器12的输入端尾纤相连，激光从隔离器12的输出端输出；光纤光栅7固定在光纤光栅拉伸架8上；
如图2所示，本发明的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器还包括第一法拉第旋转器4、第二法拉第旋转器5；所述第一法拉第旋转器4的输入端与增益光纤3连接，第一法拉第旋转器4的输出端尾纤与起偏器6的输入端尾纤相连；所述第二法拉第旋转器5的输入尾纤与第一波分复用器2的1083nm输入端尾纤相连，所述第二法拉第旋转器5的输出端尾纤与耦合器9的输入端尾纤相连。
所述的泵浦源1为中心波长为980nm的半导体激光器，用于产生980nm的泵浦光，实现增益光纤3粒子数反转的条件。
所述的第一波分复用器2为980nm/1083nm波分复用器，用于将980nm和1083nm两种波长的光耦合至同一光纤中。
所述的光纤光栅7的中心波长为1083nm。
所述的光耦合器9为50/50耦合器，用于将一束输入光分为光强相同的两束光并输出。
所述的第一法拉第旋转器4与第二法拉第旋转器5为45°法拉第旋转器，用于将中心波长为1083nm的线偏振光偏振方向旋转45°。
所述的起偏器6用于产生线偏振光。
所述的光隔离器12，用于实现光的单向传输。
下面通过具体实例说明本发明的工作过程与原理：
1、选用的具体器件如下
泵浦源1为中心波长为980nm的半导体激光器，第一波分复用器2为980nm/1083nm波分复用器，增益光纤3为长度40cm的保偏掺镱光纤，第一法拉第旋转器4为45°法拉第旋转器，第二法拉第旋转器5为45°法拉第旋转器，光纤光栅7为中心波长为1083nm、带宽为0.3nm，反射率为90％的光纤光栅，光耦合器9为50/50耦合器，吸收光纤10采用长度为16m的与增益光纤同类型的保偏掺镱光纤，第二波分复用器11为980nm/1083nm波分复用器。如图3所示，光纤光栅拉伸架8包括箱体13，温度控制装置14，压电陶瓷15，U型支架16，箱体两侧分别开有第一小孔17、第二小孔18。温度控制装置14，压电陶瓷15，U型支架16置于箱体13内，温度控制装置14固定于箱体13内底部，U型支架16固定于温度控制装置上，压电陶瓷15为圆柱体，压电陶瓷15固定在U型金属支架16底部，并与U型支架16两侧固定连接，压电陶瓷15的轴向与箱体底部平行。第一小孔17与第二小孔18分别开在与压电陶瓷15的轴向垂直的箱体两侧面。
箱体13为双层隔热材料，U型支架16的材料选用紫铜。
光纤光栅7粘连固定在光纤光栅拉伸架8内的U型支架16上，光纤光栅7的两端尾纤分别从光纤光栅拉伸架8的箱体13两侧的第一小孔17与第二小孔18中穿出。
2、工作过程和原理
如图2所示，泵浦源1发出的中心波长为980nm的泵浦光通过第一波分复用器2注入增益光纤3，泵浦光注入后增益光纤3实现粒子数反转，并产生增益。由于光纤光栅7具有反射滤波特性，可以提供正反馈并实现激光波长的初步选择。被耦合器9分为两束的入射光分别同时入射至吸收光纤10，并在吸收光纤10中相向传播，互相干涉形成极窄带宽的动态光栅，又由于吸收光纤10是具有饱和吸收效应的掺镱光纤，因此50/50耦合器9与吸收光纤10的组合具有极窄带宽的反射滤波功能，从而可以提供正反馈并实现光纤激光的线宽压窄。光纤光栅7、耦合器9、吸收光纤10及其间的第一波分复用器2、增益光纤3、第一法拉第旋转器4、第二法拉第旋转器5和起偏器6共同组成谐振腔。基于增益光纤3自发辐射机制产生的信号光，在光纤光栅7和50/50光耦合器9以及吸收光纤10的反馈与波长选择作用下，在谐振腔内不断被放大，最终形成激光。
光纤光栅拉伸架8内的温度控制装置14可对光纤光栅7所处的环境温度进行调谐与控制，从而利用光纤光栅7的温度传感特性改变光纤光栅7的反射中心波长，进而实现激光波长的初步调谐。光纤光栅拉伸架8内的压电陶瓷15在外加电压作用下产生微小形变并驱动U型支架16，对固定于U型支架16的光纤光栅7实现拉伸，从而利用光纤光栅7的应力传感特性改变光纤光栅7的反射中心波长，进而实现激光波长的精密调谐。
起偏器6保证谐振腔内传输的光为线偏振光。在第一法拉第旋转器4和第二法拉第旋转器5的共同作用下，谐振腔内相向传播的光偏振方向互相垂直，从而可避免增益光纤3中的空间烧孔效应带来的不良影响，提高输出激光的稳定性。
激光由光纤光栅7出射并进入第二波分复用器11，第二波分复用器11将残余的980nm泵浦光从其980nm输出端输出，避免影响激光器的单频输出特性。1083nm激光通过第二波分复用器11的1083nm输出端进入光隔离器12。激光由光隔离器12输出。由于光隔离器12只允许光单向传输，因此输出激光不会因端面反射等机制反射回激光器中影响光纤激光器性能。
本发明激光器中所有光纤、光纤元件和尾纤均为保偏的，相互之间连接均由保偏熔接机熔接，保证了输出激光的保偏特性，并极大程度地减小了损耗。
实验结果如下：
在室温(25℃)条件下，将本发明的激光器输出激光通入光谱分析仪，可以直接测得激光中心波长为1083nm，如图4所示。
通过调节温控装置设置不同的工作温度粗调，结合给压电陶瓷施加不同的电压从而拉伸光纤细调，可以实现激光的调谐。利用波长计可以测得，输出激光调谐范围不小于40GHz。
在室温(25℃)条件下，从0开始不断增大泵浦源的光功率，并利用功率计观测输出激光功率，当泵浦功率增至60mW左右时开始有激光输出，随着泵浦功率增大，输出激光功率也不断增大，两者之间成近似的线性关系。直到泵浦功率增至180mW左右时，可以得到最大的激光输出功率14.8mW。如果继续增大泵浦功率，由于多纵模出现，输出激光不再稳定。
激光输出的单纵模特性可以利用法布里珀罗干涉仪(FP干涉仪)扫描观测。将激光射入至带有探测器的FP腔，扫描电压控制干涉仪不断改变腔长，观测透过谱可知，输出激光的单纵模特性良好，且频率较为稳定，无跳模现象。
利用自外差拍频方法对输出激光的线宽进行测试，所得结果表明激光器输出线宽不大于10kHz，如图5所示。
利用光功率计连续采集的激光器在1083.205nm处的输出激光功率，测量结果表明输出激光功率维持在13.6mW左右，在短期内(10分钟)较为稳定，波动范围小于1％。
综上，经过实验验证，本发明的输出中心波长为1083nm单纵模输出，波长可调谐，调谐范围不小于40GHz；输出激光线宽小于10kHz；激光单模、稳定、保偏输出；激光输出功率大于10mW，且短期内输出功率非常稳定，波动范围小于1％。
Claims (7)
1.一种1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器，其特征在于：包括泵浦源(1)、第一波分复用器(2)、增益光纤(3)、起偏器(6)、光纤光栅(7)、光纤光栅拉伸架(8)、光耦合器(9)、吸收光纤(10)、第二波分复用器(11)及光隔离器(12)；
泵浦源(1)的输出端尾纤与第一波分复用器(2)的980nm输入端尾纤相连，第一波分复用器(2)的1083nm输入端尾纤与光耦合器(9)的输入端尾纤相连，光耦合器(9)的两个输出端尾纤分别与吸收光纤(10)的两端相连；第一波分复用器(2)的输出端尾纤与增益光纤(3)的一端相连，增益光纤(3)的另一端与起偏器(6)的输入端尾纤相连，起偏器(6)的输出端尾纤与光纤光栅(7)的输入端尾纤相连，光纤光栅(7)的输出端尾纤与第二波分复用器(11)的输入端尾纤相连，第二波分复用器(11)的1083nm输出端尾纤与光隔离器(12)的输入端尾纤相连，激光从光隔离器(12)的输出端输出；光纤光栅(7)固定在光纤光栅拉伸架(8)上；
所述的泵浦源(1)为中心波长为980nm的半导体激光器；
所述的第一波分复用器(2)与第二波分复用器(11)为980nm/1083nm波分复用器；
所述的光纤光栅(7)的中心波长为1083nm；
所述的光耦合器(9)为50/50光耦合器。
2.根据权利要求1所述的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器，其特征在于：还包括第一法拉第旋转器(4)、第二法拉第旋转器(5)；所述第一法拉第旋转器(4)的输入端与增益光纤(3)连接，第一法拉第旋转器(4)的输出端尾纤与起偏器(6)的输入端尾纤相连；所述第二法拉第旋转器(5)的输入尾纤与第一波分复用器(2)的1083nm输入端尾纤相连，所述第二法拉第旋转器(5)的输出端尾纤与光耦合器(9)的输入端尾纤相连；
所述的第一法拉第旋转器(4)与第二法拉第旋转器(5)为45°法拉第旋转器。
3.根据权利要求1或2所述的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器，其特征在于：各器件之间的连接都为熔接相连。
4.根据权利要求1或2所述的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器，其特征在于：所述的增益光纤(3)采用长度40cm的保偏掺镱光纤，所述吸收光纤(10)采用长度为16m的保偏掺镱光纤。
5.根据权利要求1或2所述的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器，其特征在于：所述光纤光栅(7)是中心波长为1083nm、带宽为0.3nm、反射率为90％的光纤光栅。
6.根据权利要求1或2所述的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器，其特征在于：所述的光纤光栅拉伸架(8)包括箱体(13)、温度控制装置(14)，压电陶瓷(15)、U型支架(16)、第一小孔(17)、第二小孔(18)；温度控制装置(14)、压电陶瓷(15)、U型支架(16)置于箱体(13)内，温度控制装置(14)固定于箱体(13)内底部，U型支架(16)固定在温度控制装置(14)上，压电陶瓷(15)为圆柱体，压电陶瓷(15)固定在U型支架(16)底部，并与U型支架(16)两侧固定连接，压电陶瓷(15)的轴向与箱体底部平行；第一小孔(17)与第二小孔(18)分别开在与压电陶瓷(15)的轴向垂直的箱体两侧面。
7.根据权利要求1所述的1083nm波段窄线宽可调谐保偏光纤激光器，其特征在于：所述光纤光栅(7)粘连固定在光纤光栅拉伸架(8)内的U型支架(16)上，光纤光栅(7)的两端尾纤分别从光纤光栅拉伸架(8)的箱体(13)两侧的第一小孔(17)与第二小孔(18)中穿出。
Publications (1)
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| CN108711727A (zh) * | 2018-06-04 | 2018-10-26 | 山东省科学院激光研究所 | 一种保偏分布反馈光纤激光器及制造方法 |
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