CN107248692A - 一种超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光发射器技术领域，具体指一种超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器。本发明所述的一种超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器,波分复用器、掺饵光纤放大器、2×2光纤耦合器、第一光隔离器、Y型光纤耦合器依次连接构成环形的主谐振腔，可调谐F‑P滤波器、半导体饱和吸收体、2×2光纤耦合器、第二光隔离器依次连接构成环形的短谐振腔，本发明结构合理，以线形腔、环形腔和复合腔光纤激光器为基础，通过改变施加在可调谐F‑P滤波器上电压信号的大小、频率以及波形，调节内置的压电陶瓷腔长的变化状态，对光纤激光进行线宽深压缩及波长精密调谐，获得超窄线宽与波长可调的功能；本发明具有结构简单，防电磁干扰，波长线宽超窄，成本较低等突出优点。

Description

一种超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光发射器技术领域，具体指一种超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器。
背景技术
目前，光纤激光器的一个重要发展热点方向就是超窄线宽光纤激光器。已有的研究表明，单纵模超窄线宽光纤激光器主要有线形腔和环形腔两种结构。在较短的增益光纤上刻写光纤光栅可制作自由谱宽较宽的分布式反馈光栅(DFB)和分布式布拉格反射器(DBR)线形短腔光纤激光器，通过设计增益光纤的增益、光栅的反射率以及腔长等参数可使激光器实现单纵模运转，输出激光的线宽可以达到10KHz以下，通过压电陶瓷(PZT)挤压还能改变腔长，实现激光器的波长调谐。环形腔光纤激光器实现单纵模运转的结构稍微复杂，通过一定的线宽压缩与频率稳定机制，可实现激光器的单纵模输出，激光器输出激光的线宽可以小于1KHz。
超窄线宽光纤激光器，其特征是输出激光具有极窄的线宽，最窄可达到10-8nm，激光以腔内振动单一纵模的形式输出，目前，获得线宽小于千赫兹的激光信号的主要手段之一是外腔压缩。其实现方式是利用具有极高稳定性和超窄通带的参考腔对激光源进行滤波，最后获得线宽达到赫兹甚至毫赫兹量级的激光信号。
外腔压缩法的优势在于可以获得线宽极窄、稳定性高的激光信号，但是其缺点也同样明显，其关键器件——高精细度参考腔往往体积巨大，而且需要一整套热稳定和隔震机构以保证其稳定性，无法满足通信、高精度传感等应用的需求。环形腔结构的光纤激光器可以获得激光线宽小于千赫兹的输出，基于非线性效应(如受激布里渊散射、后向瑞利散射等)的激光器也可以获得线宽为百赫兹量级的激光输出，其谐振腔往往长达数米到数百米不等，非常容易受到外界环境的干扰，而且无法集成，也很难大规模应用。
因此，现有技术还有有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构合理、
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的一种超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器,包括泵浦光源、波分复用器、掺饵光纤放大器、2×2光纤耦合器、第一光隔离器、Y型光纤耦合器、可调谐F-P滤波器、第二光隔离器和半导体饱和吸收体；所述波分复用器、掺饵光纤放大器、2×2光纤耦合器、第一光隔离器、Y型光纤耦合器依次连接构成环形的主谐振腔，其中的掺饵光纤放大器和第一光隔离器分别与2×2光纤耦合器的第二端子、第四端子连接，泵浦光源与波分复用器连接，Y型光纤耦合器的其中一端引出并作为激光输出端；所述可调谐F-P滤波器、半导体饱和吸收体、光纤耦合器、第二光隔离器依次连接构成环形的短谐振腔，其中的半导体饱和吸收体和第二光隔离器分别与2×2光纤耦合器的第一端子、第三端子连接。
根据以上方案，所述主谐振腔和短谐振腔构成超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器，其中的可调谐F-P滤波器为复合腔光纤激光器的选频器件。
根据以上方案，所述复合腔光纤激光器的自由光谱范围与短谐振腔的自由光谱范围近似，进而控制短谐振腔的腔长可实现纵模间隔的加大。
根据以上方案，所述可调谐F-P滤波器为高性能的铅基压电陶瓷滤波器。
根据以上方案，所述半导体饱和吸收体采用碳纳米管制备。
根据以上方案，所述可调谐F-P滤波器8遵循多光束干涉原理，每一个透射波与前一个透射光波的相位差为：
其中λ为单模激光器的输出波长，n为腔内物质折射率，i为折射角；
透射光强为：
其中R为可调谐F-P滤波器内部F-P腔的光纤端面反射率，I0为初始光强。
本发明有益效果为：本发明结构合理，以线形腔、环形腔和复合腔光纤激光器现有技术为基础，通过改变施加在可调谐F-P滤波器上电压信号的大小、频率以及波形，调节内置的压电陶瓷腔长的变化状态，对光纤激光进行线宽深压缩及波长精密调谐，从而获得超窄线宽与波长可调的功能；本发明具有结构简单，防电磁干扰，波长线宽超窄，成本较低等突出优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图中：
1、泵浦光源；2、波分复用器；3、掺饵光纤放大器；4、2×2光纤耦合器；5、第一光隔离器；6、Y型光纤耦合器；7、第二光隔离器；8、可调谐F-P滤波器；9、半导体饱和吸收体；41、第一端子；42、第二端子；43、第三端子；44、第四端子。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1所示，本发明所述的一种超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器,包括泵浦光源1、波分复用器2、掺饵光纤放大器3、2×2光纤耦合器4、第一光隔离器5、Y型光纤耦合器6、可调谐F-P滤波器8、第二光隔离器7和半导体饱和吸收体9；所述波分复用器2、掺饵光纤放大器3、2×2光纤耦合器4、第一光隔离器5、Y型光纤耦合器6依次连接构成环形的主谐振腔，其中的掺饵光纤放大器3和第一光隔离器5分别与2×2光纤耦合器4的第二端子42、第四端子44连接，泵浦光源1与波分复用器2连接，Y型光纤耦合器6的其中一端引出并作为激光输出端；所述主谐振腔中使用掺饵光纤放大器3以获得高增益。
所述可调谐F-P滤波器8、半导体饱和吸收体9、2×2光纤耦合器4、第二光隔离器7依次连接构成环形的短谐振腔，其中的半导体饱和吸收体9和第二光隔离器7分别与2×2光纤耦合器4的第一端子41、第三端子43连接；所述2×2光纤耦合器4分别连接主谐振腔和短谐振腔从而构成环形复合腔，通过可调谐F-P滤波器8对环内激光进行线宽压缩，其中半导体饱和吸收体9将光脉冲边缘较弱部分吸收，从而保留较强的脉冲中心以获得更窄的脉冲，从而实现线宽压缩并抑制模式跳变；经过多重线宽压缩的超窄线宽激光通过Y型光纤耦合器6输出10％的激光，剩余90％返回环形复合腔；所述的主谐振腔和短谐振腔中分别设有第一光隔离器5和第二光隔离器7，可防止环形复合腔的空间烧孔现象产生。
所述可调谐F-P滤波器8遵循多光束干涉原理，每一个透射波与前一个透射光波的相位差为：
其中λ为单模激光器的输出波长，n为腔内物质折射率，i为折射角。
透射光强为：
其中R为可调谐F-P滤波器内部F-P腔的光纤端面反射率，I0为初始光强。
由上式可知当满足δ＝2mπ(m为整数)条件时，可得干涉仪透射光强分布的极大值，可调谐F-P滤波器(8)对满足δ＝2mπ的光波能形成稳定的振荡并输出等间隔的梳状波形。当m值取定后，确定满足相位条件的具有峰值透过率波长的因素为n、d和i，因此调节这三个参量就可以达到波长调谐的目的。
所述主谐振腔和短谐振腔构成超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器，其中的可调谐F-P滤波器8为复合腔光纤激光器的选频器件。
所述复合腔光纤激光器的自由光谱范围与短谐振腔的自由光谱范围近似，进而控制短谐振腔的腔长可实现纵模间隔的加大。
所述可调谐F-P滤波器8为高性能的铅基压电陶瓷滤波器。
所述半导体饱和吸收体9采用碳纳米管制备，半导体饱和吸收体9可根据需求更换具有不同管径的碳纳米管，具有较快的响应时间、比较宽的工作波长、使用灵活、制作简单的特点。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (6)

1.一种超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器,其特征在于：包括泵浦光源(1)、波分复用器(2)、掺饵光纤放大器(3)、2×2光纤耦合器(4)、第一光隔离器(5)、Y型光纤耦合器(6)、可调谐F-P滤波器(8)、第二光隔离器(7)和半导体饱和吸收体(9)；所述波分复用器(2)、掺饵光纤放大器(3)、2×2光纤耦合器(4)、第一光隔离器(5)、Y型光纤耦合器(6)依次连接构成环形的主谐振腔，其中的掺饵光纤放大器(3)和第一光隔离器(5)分别与2×2光纤耦合器(4)的第二端子(42)、第四端子(44)连接，泵浦光源(1)与波分复用器(2)连接，Y型光纤耦合器(6)的其中一端引出并作为激光输出端；所述可调谐F-P滤波器(8)、半导体饱和吸收体(9)、2×2光纤耦合器(4)、第二光隔离器(7)依次连接构成环形的短谐振腔，其中的半导体饱和吸收体(9)和第二光隔离器(7)分别与2×2光纤耦合器(4)的第一端子(41)、第三端子(43)连接。
2.根据权利要求1所述的超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器，其特征在于：所述主谐振腔和短谐振腔构成超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器，其中的可调谐F-P滤波器(8)为复合腔光纤激光器的选频器件。
3.根据权利要求2所述的超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器，其特征在于：所述复合腔光纤激光器的自由光谱范围与短谐振腔的自由光谱范围近似，进而控制短谐振腔的腔长可实现纵模间隔的加大。
4.根据权利要求1所述的超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器，其特征在于：所述可调谐F-P滤波器(8)为高性能的铅基压电陶瓷滤波器。
5.根据权利要求1所述的超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器，其特征在于：所述半导体饱和吸收体(9)采用碳纳米管制备。
6.根据权利要求1所述的超窄线宽波长可调的复合腔光纤激光器，其特征在于：所述可调谐F-P滤波器(8)遵循多光束干涉原理，每一个透射波与前一个透射光波的相位差为：
<mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>d</mi> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> <mi>n</mi> <mi> </mi> <mi>cos</mi> <mi> </mi> <mi>i</mi> </mrow>
其中λ为单模激光器的输出波长，n为腔内物质折射率，i为折射角；
透射光强为：
<mrow> <msub> <mi>I</mi> <mi>T</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4</mn> <mi>R</mi> <mi> </mi> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>R</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中R为可调谐F-P滤波器内部F-P腔的光纤端面反射率，I0为初始光强。
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