CN108418086A - 一种全光纤高阶模布里渊光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤高阶模布里渊光纤激光器，具有环形腔结构，包括窄线宽泵浦激光器、光放大器、第一偏振控制器、光纤环形器、第一光纤模式选择耦合器、第二偏振控制器、单模光纤、少模光纤和第二光纤模式选择耦合器；其中第一光纤模式选择耦合器和第二光纤模式选择耦合器为腔内模式转换器件，可以实现单模光纤中基横模和少模光纤中特定高阶模的定向选择耦合，基于环形腔内少模光纤的布里渊非线性增益，实现高阶模式在腔内的谐振放大，直接输出高阶模式激光。本发明输出的高阶模激光稳定性好，模式纯度高，采用全光纤结构，结构紧凑，成本低，易与光纤***集成，提高了高阶模激光器的实用性和可靠性。

Description

一种全光纤高阶模布里渊光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器、光通信领域，特别涉及一种全光纤高阶模布里渊光纤激光器。
背景技术
高阶模激光由于其独特的空间强度、相位和偏振分布，具有广泛的应用前景，并引起了人们越来越多的兴趣。例如，在光通信领域，信息在几种不同的高阶模上调制，也就是模式分复用技术，可以显著提高光通信中的传输容量。在光纤传感领域，高阶模可以达到更高的温度和应变分辨精度。此外，由高阶模变化而来的涡旋激光，在量子和纳米光学、光学操纵、超分辨率成像和激光材料处理等方面都有很大的潜力。
在这些应用的推动下，研究者们提出了许多方法以产生高阶模激光。目前，产生高阶模激光的激光器大致可以分为两类：体元件固体激光器和全光纤激光器。与前者相比，全光纤激光器具有成本低、灵活性好、稳定性好、体积小、效率高等优点。实现全光纤激光器的关键部件是高效率的全光纤模式转换或选择器件，包括错位耦合技术、少模光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅和模式选择耦合器。这些模式转换或选择器件在全光纤激光器中的布局可分为两类。第一类，该器件被放置在谐振腔的外部，并级联在基横模(LP01)激光的输出光路径中。第二类，该器件被放置在包含单模增益介质的激光谐振腔内。但严格来说，这两类激光器仍然是基横模谐振放大，而不是希望的高阶模谐振放大。此外，因为器件的不完善，这两种布局也会导致光束功率和质量退化，输出高阶模模式纯度低。因此，实现一种高效率、全光纤和低成本的方法以获得高纯度、高稳定性和结构紧凑的高阶模激光器具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种全光纤高阶模布里渊光纤激光器，基于布里渊非线性效应，以无源少模光纤为增益介质，实现了腔内高阶模谐振放大，直接在激光器输出端获得高模式纯度的高阶模激光。另外，该激光器还具有结构紧凑、调节简便、造价低廉、稳定性高等方面的优点。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种全光纤高阶模布里渊光纤激光器，包括：窄线宽泵浦激光器、光放大器、第一偏振控制器、光纤环形器、第一光纤模式选择耦合器、第二偏振控制器、单模光纤、少模光纤和第二光纤模式选择耦合器；
其中，所述光纤环形器为设有第一端口、第二端口和第三端口的三端口光纤环形器，所述的窄线宽泵浦激光器通过单模光纤连接至光放大器，所述光放大器通过单模光纤连接至光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口通过单模光纤连接第一光纤模式选择耦合器的第一端口，所述光纤环形器的第三端口通过单模光纤连接第二光纤模式选择耦合器的第一端口，所述第一光纤模式选择耦合器的第二端口通过少模光纤连接至第二光纤模式选择耦合器的第二端口，构成环形腔结构；所述第一偏振控制器加在光放大器连接光纤环形器的第一端口的单模光纤上，所述第二偏振控制器加在第一光纤模式选择耦合器的第二端口连接第二光纤模式选择耦合器的第二端口的少模光纤上；所述第一光纤模式选择耦合器的第三端口输出激光。
优选的，所述的窄线宽泵浦激光器，可以选用C波段功率可调谐的窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，线宽低于1MHz。
优选的，所述的光放大器，可以选用高增益掺铒光纤放大器或1550nm波段半导体光放大器。
优选的，所述的光纤环形器，三个端口的尾纤为普通通信单模光纤，各端口单模光纤长度范围为0.1m至1m。
优选的，所述的少模光纤为1550nm波段少模光纤，支持的模式数大于2个模式，长度大于20m。
优选的，所述的第一光纤模式选择耦合器和第二光纤模式选择耦合器，均为单模光纤与少模光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，可以实现单模光纤中的基横模和少模光纤中特定高阶模式间的定向选择耦合，第一和第四端口为单模光纤，第二和第三端口为少模光纤。
本发明的光纤激光器为环形腔结构，环形腔内包括一个光纤环形器和两个光纤模式选择耦合器以及连接用的单模光纤和少模光纤，其中连接两个光纤模式选择耦合器的少模光纤占整个环形腔长99％以上。第一光纤模式选择耦合器和第二光纤模式选择耦合器为腔内模式转换器件，可以实现单模光纤中基横模和少模光纤中特定高阶模的定向选择耦合，基于环形腔内少模光纤的受激布里渊非线性增益，实现高阶模式在腔内的谐振放大，在室温下产生稳定高纯度的高阶模布里渊激光。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明利用光纤模式选择耦合器作为激光器谐振腔内模式转换器件，损耗小，效率高。
2、本发明基于布里渊非线性增益，实现高阶模式腔内谐振放大，获得的高阶模激光模式纯度高。
3、本发明利用普通商用的无源少模光纤作为增益介质，获取方便，易于推广使用。
4、本发明采用全光纤结构，结构简单紧凑，成本低，调节简便，易于光纤***集成，输出激光稳定性好，线宽窄，提高了高阶模激光器的实用性和可靠性。
附图说明
图1为实施例全光纤高阶模布里渊光纤激光器的示意图。
图2为激光器功率曲线图。
图3为泵浦激光和输出布里渊斯托克斯激光光谱图。
图4为输出激光远场光强度分布图。
图1中：1-窄线宽泵浦激光器；2-光放大器；3-第一偏振控制器；4-光纤环形器；5-第一光纤模式选择耦合器；6-第二偏振控制器；7-少模光纤；8-第二光纤模式选择耦合器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实例的一种全光纤高阶模布里渊光纤激光器，包括：窄线宽泵浦激光器1、光放大器2、第一偏振控制器3、光纤环形器4、第一光纤模式选择耦合器5、第二偏振控制器6、少模光纤7和第二光纤模式选择耦合器8。
窄线宽泵浦激光器1输出的激光由放大器2进行功率放大，放大后的高功率泵浦光注入光纤环形器4的第一端口401，再自光纤环形器4的第二端口402注入第一光纤模式选择耦合器5的第一端口501，经第一光纤模式选择耦合器5后，泵浦光由第一端口501中单模光纤的基横模转变为第一光纤模式选择耦合器5的第二端口502中少模光纤的特定高阶模，产生的高阶模泵浦光经第一光纤模式选择耦合器5的第二端口502注入少模光纤7中。当光放大器2放大后的泵浦光功率超过少模光纤7的布里渊阈值时，其发生受激布里渊散射效应，产生反向运行的布里渊斯托克斯光。少模光纤7中产生的布里渊斯托克斯光依次经第一光纤模式选择耦合器5的第一端口501、光纤环形器4的第二端口402、光纤环形器4的第三端口403、第二光纤模式选择耦合器8的第一端口801和第二光纤模式选择耦合器8的第二端口802再次进入少模光纤7中，在谐振腔内形成振荡，即产生一个比泵浦光频率下移一阶布里渊斯托克斯光，此阶布里渊斯托克斯光经第一光纤模式选择耦合器5的第三端口503输出。
光放大器2和光纤环形器4的第一端口401间的第一偏振控制器3以及第一光纤模式选择耦合器5的第二端口502和第二光纤模式选择耦合器8的第二端口802间的第二偏振控制器6共同控制泵浦光和布里渊泵浦光的偏振态，以获得最大的布里渊非线性增益。
窄线宽泵浦激光器1、光放大器2、光纤环形器4、第一光纤模式选择耦合器5的第一端口501和第四端口504、第二光纤模式选择耦合器8的第一端口801和第四端口804的尾纤(连接光纤)均为普通通信单模光纤。由于在光纤环路中的第一光纤模式选择耦合器5和第二光纤模式选择耦合器8，可以实现单模光纤中基横模和少模光纤7中特定高阶模的定向选择耦合，因此少模光纤7中特定的高阶模式就会谐振放大，从而在第一光纤模式选择耦合器5的第三输出端503获得高模式纯度的高阶模激光。
窄线宽泵浦激光器，可以选用C波段功率可调谐的窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，线宽低于1MHz。
光放大器，可以选用高增益掺铒光纤放大器或1550nm波段半导体光放大器。
光纤环形器，三个端口的尾纤为普通通信单模光纤，各端口单模光纤长度范围为0.1m至1m。
少模光纤为1550nm波段少模光纤，支持的模式数大于2个模式，长度大于20m。
实施例2
一种全光纤高阶模布里渊光纤激光器，结构示意图如图1所示。窄线宽泵浦激光器1采用1550nm波段窄线宽单频光纤激光器，其线宽为10kHz，激光功率30mW。光放大器2采用商用1550nm波段半导体光放大器，放大功率可达5W。光纤环形器4采用商用三端口单模光纤环形器。第一光纤模式选择耦合器5和第二光纤模式选择耦合器8均由普通通信单模光纤SMF-28e和商用两模阶跃光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，单模光纤中的LP01模到两模阶跃光纤中LP11模式的转换效率为90％。光路中的单模光纤均为SMF-28e光纤。环形腔内两模阶跃光纤的长度为50m，单模光纤长度为0.4m，因此两模阶跃光纤长度占比为99.2％。第一光纤模式选择耦合器5的第一端口501和第三端口503的分光比为80∶20。
当放大后的泵浦激光功率逐渐增大至780mW时，光纤环形腔中的布里渊斯托克斯光产生谐振。泵浦功率继续增大，在第一光纤模式选择耦合器的第三端口获得稳定的激光输出。图2为激光器功率曲线图，斜率效率为15.6％，当泵浦功率3W时，激光输出功率达到350mW。图3为泵浦激光和输出布里渊斯托克斯激光光谱图，输出的布里渊激光相对于泵浦光发生了10.9GHz的频移。图4为在第一模式选择耦合器5的第三端口503输出的LP11模式激光远场光强度分布图。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全光纤高阶模布里渊光纤激光器，其特征在于，包括：窄线宽泵浦激光器、光放大器、第一偏振控制器、光纤环形器、第一光纤模式选择耦合器、第二偏振控制器、单模光纤、少模光纤和第二光纤模式选择耦合器；
其中，所述光纤环形器为设有第一端口、第二端口和第三端口的三端口光纤环形器，所述的窄线宽泵浦激光器通过单模光纤连接至光放大器，所述光放大器通过单模光纤连接至光纤环形器的第一端口，所述光纤环形器的第二端口通过单模光纤连接第一光纤模式选择耦合器的第一端口，所述光纤环形器的第三端口通过单模光纤连接第二光纤模式选择耦合器的第一端口，所述第一光纤模式选择耦合器的第二端口通过少模光纤连接至第二光纤模式选择耦合器的第二端口，构成环形腔结构；所述第一偏振控制器加在光放大器连接光纤环形器的第一端口的单模光纤上，所述第二偏振控制器加在第一光纤模式选择耦合器的第二端口连接第二光纤模式选择耦合器的第二端口的少模光纤上；所述第一光纤模式选择耦合器的第三端口输出激光。
2.根据权利要求1所述的全光纤高阶模布里渊光纤激光器，其特征在于，所述的窄线宽泵浦激光器，选用C波段功率可调谐的窄线宽半导体激光器或窄线宽光纤激光器，线宽低于1MHz。
3.根据权利要求1所述的全光纤高阶模布里渊光纤激光器，其特征在于，所述的光放大器，选用高增益掺铒光纤放大器或1550nm波段半导体光放大器。
4.根据权利要求1所述的全光纤高阶模布里渊光纤激光器，其特征在于，所述的光纤环形器，三个端口的尾纤为普通通信单模光纤，各端口单模光纤长度范围为0.1m至1m。
5.根据权利要求1所述的全光纤高阶模布里渊光纤激光器，其特征在于，所述的少模光纤为1550nm波段少模光纤，支持的模式数大于2个模式，长度大于20m。
6.根据权利要求1所述的全光纤高阶模布里渊光纤激光器，其特征在于，所述的第一光纤模式选择耦合器和第二光纤模式选择耦合器，均为单模光纤与少模光纤熔融拉锥制得的2×2的耦合器，可以实现单模光纤中的基横模和少模光纤中特定高阶模式间的定向选择耦合，第一和第四端口为单模光纤，第二和第三端口为少模光纤。
7.根据权利要求1所述的全光纤高阶模布里渊光纤激光器，其特征在于，全光纤高阶模布里渊光纤激光器为环形腔激光器，其中连接两个光纤模式选择耦合器的少模光纤占整个环形腔长99％以上。
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