CN114825005A - 光纤激光器***及激光产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤激光器***及激光产生方法，光纤激光器包括：第一光纤光栅，第一光纤光栅为中心波长在稀土离子增益波段内的高反射率光纤光栅；泵浦元件；稀土离子增益光纤；无源光纤，无源光纤包括左段无源光纤和右段无源光纤；右段无源光纤的第一端与稀土离子增益光纤的第二端连接，稀土离子增益光纤的第一端与泵浦元件的输出端连接，且泵浦元件的输入端与第一光纤光栅的第二端连接，以构成第一谐振腔；同时，左段无源光纤自行构成第二谐振腔；其中，第一谐振腔产生的中间激光传输至第二谐振腔，以作为第二谐振腔的反向级联泵浦源；从左段无源光纤的第二端起，至第一光纤光栅的第一端，形成目标激光的输出通道。提升目标激光的光谱纯度。

Description

光纤激光器***及激光产生方法
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种光纤激光器***及激光产生方法。
背景技术
在光纤激光器领域，利用受激拉曼散射效应产生激光出射的光纤振荡器被称为拉曼光纤激光振荡器。其拉曼散射效应的强弱受到光功率密度的影响，而对于无特殊结构的单包层或双保层的石英光纤，通常采用纤芯泵浦的方式。图1是现有技术中采用固定腔长拉曼光纤激光振荡器的结构示意图。如图1所示，该拉曼光纤激光振荡器采用稀土离子掺杂光纤激光振荡器作为拉曼光纤激光振荡器的泵浦源。其中，所述稀土离子掺杂光纤激光振荡器，由泵浦元件200(包括若干个半导体激光器的泵浦源LD220和泵浦耦合器210)、中心波长在稀土离子增益波段内的高反射率光纤光栅100和与其成光纤光栅对的输出耦合光纤光栅600，以及一段稀土离子增益光纤300构成，且该高反射率光纤光栅100和输出耦合光纤光栅600的中心波长均在稀土离子增益波段内。所述稀土离子掺杂光纤激光振荡器激发出稀土离子波段激光，以注入拉曼光纤激光振荡器。所述拉曼光纤激光振荡器，则由一对中心波长在泵浦波长拉曼增益峰值附近的高反射率光纤光栅500和与其成光纤光栅对的输出耦合光纤光栅700，以及一段无源光纤400构成。图1所示的拉曼增益固定腔长光纤激光器，具有如下缺点：①整体结构非常复杂，并且光纤熔接点较多，也会影响整体工作的稳定性；②除基本器件外其所需使用的光纤光栅数量较多且光纤光栅对的中心波长差别较大，导致其需额外设计光纤刻写掩膜版，整体制造成本增加；③固定腔长结构还会使得光纤激光振荡器中存在自脉冲效应，导致目标激光时域出现高低起伏变化，时域不稳定；④由于图1是纤芯泵浦结构，其残余泵浦光和拉曼光纤激光较难分离，从而目标激光的光谱纯度较差。
现有技术还利用光纤中瑞利散射效应提供的分布反馈代替光纤光栅，以简化***结构。由于其利用分布反馈构成谐振腔，谐振腔的腔长随机，因此被称为随机腔长光纤激光器。图2和图3分别为全开腔和半开腔的基于拉曼增益随机腔长光纤激光器结构示意图，具体结构连接可以参照图1。图2和图3所示的两种结构均以稀土离子掺杂光纤激光振荡器作为泵浦源，图2仅通过无源光纤400的分布式反馈构成随机腔长光纤激光器，或如图3所示在无源光纤400的另一端引入如反射镜或光纤光栅等的光学反馈器件。图2和图3所示的激光振荡器的结构中，整体结构略为简化，光纤熔接点也大为减少，所需光纤光栅仅2-3个，数量较少，故而能在一定程度上改善上述缺点①和②。并且，此种随机腔长的结构有助于抑制光纤激光振荡器中存在的自脉冲效应，使得目标激光时域更为稳定，以改善缺点③。
但是，图2和图3所示的现有随机腔长光纤激光器，仍旧是采用前向纤芯泵浦结构，其信号光和泵浦光在光纤纤芯中均沿着同一方向传播，因此其目标激光的光谱纯度受限而仍旧较差。而若改动其结构使其采用后向泵浦结构，虽能一定程度上提升所目标激光的纯度，但其需要额外增加波分复用器才能进行纤芯泵浦注入，即，此操作会额外增加所需光学元件的数量，且其泵浦功率也会因受限于波分复用器而较低。
因此，亟需提出一种新的激光器***及相应的激光产生方法。
发明内容
本发明提供一种光纤激光器***及激光产生方法，用以解决现有技术中在不额外增加器件且保证泵浦功率条件下目标激光与泵浦光无法分离导致的光谱纯度差的缺陷，从而有效提升目标激光的光谱纯度。
本发明提供一种光纤激光器***，包括：
第一光纤光栅，所述第一光纤光栅为中心波长在稀土离子增益波段内的高反射率光纤光栅；
泵浦元件；
稀土离子增益光纤；
无源光纤，所述无源光纤包括相连的左段无源光纤和右段无源光纤，所述右段无源光纤的第一端与所述稀土离子增益光纤的第二端连接，所述稀土离子增益光纤的第一端与所述泵浦元件的输出端连接，且所述泵浦元件的输入端与所述第一光纤光栅的第二端连接，以构成第一谐振腔；同时，所述左段无源光纤自行构成第二谐振腔；
其中，所述第一谐振腔产生的中间激光传输至所述第二谐振腔，以作为所述第二谐振腔的反向级联泵浦源；
从所述左段无源光纤的第二端起，经所述第二谐振腔、所述第一谐振腔，至所述第一光纤光栅的第一端，以形成目标激光的输出通道。
根据本发明提供的光纤激光器***，还包括：
第二光纤光栅，所述第二光纤光栅为中心波长在拉曼增益波段内的高反射率光纤光栅，且所述第二光纤光栅与所述左段无源光纤的第二端连接；
其中，所述拉曼增益波段为与稀土离子增益波段基于石英拉曼散射增益光谱对应的拉曼增益波段。
根据本发明提供的光纤激光器***，所述无源光纤分别为所述第一谐振腔和所述第二谐振腔提供预设强度的分布式反馈，以使得所述左段无源光纤的第二端所输出光功率小于所述第一光纤光栅第一端所输出光功率。
根据本发明提供的光纤激光器***，所述无源光纤的长度基于所述无源光纤自身瑞利散射强度设定，以使得所述无源光纤的分布式反馈的沿无源光纤积分值大于预设积分阈值。
根据本发明提供的光纤激光器***，所述稀土离子增益光纤的长度基于所述稀土离子增益光纤的吸收系数和所述第一谐振腔的工作波长设定，所述第一谐振腔的工作波长基于所述第一光纤光栅的中心波长确定。
根据本发明提供的光纤激光器***，所述泵浦元件包括：
泵浦源；
泵浦耦合器，所述泵浦耦合器的泵浦输入端与所述泵浦源连接，所述泵浦耦合器的信号输入端与所述第一光纤光栅的第二端连接，且所述泵浦耦合器的输出端与所述稀土离子增益光纤的第一端连接。
本发明还提供一种利用如上任一项所述的光纤激光器***产生激光的方法，包括：
选取所述第一光纤光栅，并确定所述第一光纤光栅的中心波长；
选取所述稀土离子增益光纤，并设定所述稀土离子增益光纤长度；
选取所述无源光纤，并基于所述无源光纤自身瑞利散射强度设定所述无源光纤长度，以及设定所述无源光纤包括左段无源光纤和右段无源光纤；
基于所述第一光纤光栅、所述泵浦元件、所述稀土离子增益光纤、所述右段无源光纤构成所述第一谐振腔；
基于所述左段无源光纤构成所述第二谐振腔；
基于所述第一谐振腔产生中间激光，以作为所述第二谐振腔的反向级联泵浦源；
基于所述第二谐振腔和所述反向级联泵浦源，产生目标激光；
将所述目标激光通过所述输出通道输出，同时，还基于所述第一光纤光栅分离所述目标激光中的残余泵浦光。
根据本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法，所述目标激光的工作波长为根据所述第一光纤光栅设定，具体包括：
基于所述第一光纤光栅，获取所述无源光纤的拉曼增益光谱；
基于所述拉曼增益谱获取所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量；
基于所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量、光速参量和所述第一光纤光栅的中心波长，设定所述目标激光的工作波长。
根据本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法，所述目标激光的工作波长的计算表达式为：
Figure BDA0003598914870000051
其中，λRaman为目标激光的工作波长；Δυ为所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量；c为光速；λFBG为所述第一光纤光栅的中心波长。
根据本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法，所述基于所述左段无源光纤构成所述第二谐振腔，包括：
选取第二光纤光栅，并确定所述第二光纤光栅的中心波长，所述第二光纤光栅的第一端和所述左段无源光纤的第二端连接；
基于所述第二光纤光栅和所述左段无源光纤构成所述第二谐振腔。本发明提供的光纤激光器***，通过第一谐振腔为第二谐振腔提供反向级联泵浦源，并通过所述第二谐振腔中的无源光纤的分布式反馈，使得所述目标激光从反向级联泵浦源注入端的方向去输出，整体形成反向泵浦结构，整体结构简单紧凑，降低了所需额外光学元件的数量，减少了光纤熔接点，并且，还利用所述第一谐振腔中的第一光纤光栅过滤所述目标激光中的残余泵浦光，使得能够在无需额外增加光学元件的情况下，提升所输出的目标激光的光谱纯度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中拉曼增益固定腔长光纤激光器的结构示意图；
图2是全开腔的基于拉曼增益随机腔长光纤激光器结构示意图；
图3是半开腔的基于拉曼增益随机腔长光纤激光器结构示意图；
图4是本发明提供的光纤激光器***的结构示意图之一；
图5是本发明提供的光纤激光器***的结构示意图之二；
图6是本发明提供的光纤激光器***的结构示意图之三；
图7是实例中本发明提供的光纤激光器***和现有技术所输出光谱对比示意图；
图8是本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法的流程示意图之一；
图9是是基于图8所示方法设定所述目标激光的工作波长的流程示意图；
图10本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法的流程示意图之二。
附图标记：
100：第一光纤光栅；200：泵浦元件；300：稀土离子增益光纤；400：无源光纤；500：第二光纤光栅；600：与第一光纤光栅成对的输出耦合光纤光栅；700：与第二光纤光栅成对的输出耦合光纤光栅；
210：泵浦耦合器；220：泵浦源。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图10描述本发明的一种光纤激光器***及激光产生方法。
本发明提供一种光纤激光器***，图4是本发明提供的光纤激光器***的结构示意图之一，如图4所示，所述光纤激光器***包括：
第一光纤光栅100，所述第一光纤光栅100为中心波长在稀土离子增益波段内的高反射率光纤光栅；
泵浦元件200；
稀土离子增益光纤300；
无源光纤400，所述无源光纤400包括相连的左段无源光纤和右段无源光纤，所述右段无源光纤的第一端与所述稀土离子增益光纤300的第二端连接，所述稀土离子增益光纤300的第一端与所述泵浦元件200的输出端连接，且所述泵浦元件200的输入端与所述第一光纤光栅100的第二端连接，以构成第一谐振腔；同时，所述左段无源光纤自行构成第二谐振腔；
其中，所述第一谐振腔产生的中间激光传输至所述第二谐振腔，以作为所述第二谐振腔的反向级联泵浦源；
从所述左段无源光纤的第二端起，经所述第二谐振腔、所述第一谐振腔，至所述第一光纤光栅100的第一端，以形成目标激光的输出通道。
具体而言，所述无源光纤400采用长无源光纤，且所述长无源光纤基于自身光纤的瑞利散射效应为第一谐振腔和第二谐振腔提供分布式反馈。所述无源光纤400是一整根长无源光纤，其包括的相连的左段无源光纤和右段无源光纤，是指该一根无源光纤的左半部分和右半部分，而不是将无源光纤400截断的两根。所述右段无源光纤的第一端(图4中无源光纤400的右半部分的右端)，与所述稀土离子增益光纤300的第二端(图4中稀土离子增益光纤的左端)连接，二者中间形成传输通路，所述稀土离子增益光纤300第一端(图4中稀土离子增益光纤的右端)和所述泵浦元件200的输出端(泵浦元件的左端)连接；且所述泵浦元件200的输入端(泵浦元件的右端)和所述第一光纤光栅(中心波长在稀土离子增益波段内的高反射率光纤光栅)100的第二端(第一光纤光栅的左端)连接，以构成第一谐振腔(稀土离子增益的随机腔长光纤激光谐振腔)。所述第一谐振腔会产生中间激光(稀土离子增益波长的随机激光)，通过上述传输通路向第二谐振腔传输，以作为所述第二谐振腔(拉曼增益的随机腔长光纤激光谐振腔)的反向级联泵浦源。所述无源光纤400的右半部分的第一端和所述稀土离子增益光纤300的第二端相连接，以通过传输通路接收所述稀土离子增益光纤300处传输来的反向级联泵浦源的中间激光。换言之，所述反向级联泵浦源，无需经过任何其他光学元件而直接注入所述无源光纤400的纤芯，能够大大降低增加光学元件所导致的***制造成本。
同时，所述左段无源光纤(图4中无源光纤400的左半部分)，自行构成第二谐振腔，且所述第二谐振腔是指拉曼增益的随机腔长光纤激光谐振腔。当所述无源光纤400直接进行端面斜角切割处理以通过斜切面抑制反射光时，所述无源光纤400构成的第二谐振腔为全开腔的拉曼增益的随机腔长光纤激光谐振腔。而所述左段无源光纤的第二端(图4中无源光纤400的左半部分的左端)，则是作为目标激光的输出通道的起点。
无源光纤是第一谐振腔构成的必要要件，也是第二谐振腔构成的必要要件。可以简化理解：无源光纤右半部分与其他部件一同构成第一谐振腔，产生中间激光，无源光纤左半部分单独构成第二谐振腔，第二谐振腔则利用接收到的中间激光去产生目标激光。无源光纤设置的物理本质为：第一谐振腔和第二谐振腔均是由无数个腔长各异的谐振腔构成的平均效应，第一谐振腔在无源光纤右半部分平均效应强，占据主导地位；第二谐振腔在无源光纤右半部分平均效应强，占据主导地位。
所述第二谐振腔基于所述中间激光，进一步产生拉曼增益波长的随机激光，以作为目标激光。
从所述左段无源光纤的第二端起，经所述第二谐振腔、所述第一谐振腔，至所述第一光纤光栅100的第一端，以形成目标激光的输出通道，也即，所述目标激光经上述输出通道，并从所述第一光纤光栅100的第一端(也即从第一光纤光栅的输入端)输出。其中，无源光纤400提供分布式反馈，并且基于分布式反馈功能，使得所述目标激光从所述中间激光的输入方向去输出，即从反向级联泵浦源的激光注入端去输出。并且，在所述目标激光输出时，还利用所述第一光纤光栅100过滤所述目标激光中的残余泵浦光，即，在纤芯中传播的由于分布式反馈被反射回注入方向的稀土离子增益随机激光泵浦光，会作为残余泵浦光而被反射回到第一谐振腔中，以实现残余泵浦光和输出信号激光的分离，从而输出经过提纯的目标激光。
还需要说明的是，本发明实施例中的左段、右段，均是相对而言的左段、右段，仅用于表明左段无源光纤和右段无源光纤本质上是一条无源光纤的两个部分，而并非是对于空间位置的固态限定。在实际应用中，左/右还可能是上/下、右/左等其他空间位置关系，此处不做任何限定。
本发明提供的光纤激光器***，通过第一谐振腔为第二谐振腔提供反向级联泵浦源，并通过所述第二谐振腔中的无源光纤的分布式反馈，使得所述目标激光从反向级联泵浦源注入端的方向去输出，从而形成反向泵浦结构，整体结构简单紧凑，降低了所需额外光学元件的数量，减少了光纤熔接点，并且，还利用所述第一谐振腔中的第一光纤光栅过滤所述目标激光中的残余泵浦光，使得能够在无需额外增加光学元件的情况下，提升所输出的目标激光的光谱纯度。
根据本发明提供的光纤激光器***，图5是本发明提供的光纤激光器***的结构示意图之二，如图5所示，在图4所示结构的基础上，所述光纤激光器***，还包括：
第二光纤光栅500，所述第二光纤光栅500为中心波长在拉曼增益波段内的高反射率光纤光栅，且所述第二光纤光栅500与所述左段无源光纤400的第二端连接；
其中，所述拉曼增益波段为与稀土离子增益波段基于石英拉曼散射增益光谱对应的拉曼增益波段。
具体地，所述左段无源光纤的第二端还可以连接一个第二光纤光栅500，所述第二光纤光栅500为中心波长在与稀土离子增益波段对应的拉曼增益波段内的高反射率光纤光栅，所述第二光纤光栅可以用于为所述目标激光选择工作波长。此时，第二光纤光栅的中心波长为目标激光工作波长。同时，所述无源光纤的第二端和所述第二光纤光栅共同形成半开腔的拉曼增益的随机腔长光纤激光谐振腔。所述目标激光的工作波长也可以理解为是所述第二谐振腔的工作波长，其等于所述第二光纤光栅的反射光谱中心波长。
此时，激光输出通道为，从所述左段无源光纤的第二端起，经所述右段无源光纤的第一端、所述第二谐振腔、所述第一谐振腔，至所述第一光纤光栅100的第一端，也即，所述目标激光经上述输出通道，并从所述第一光纤光栅100的第一端(也即从第一光纤光栅的输入端)输出。
根据本发明提供的光纤激光器***，所述无源光纤分别为所述第一谐振腔和所述第二谐振腔提供预设强度的分布式反馈，以使得所述左段无源光纤的第二端所输出光功率小于所述第一光纤光栅第一端所输出光功率。
所述无源光纤400提供满足预设强度的分布式反馈，以使得所述左段无源光纤的左端所输出光功率小于所述第一光纤光栅100右端所输出光功率。即保证目标激光输出功率应大于后向激光输出功率。预设强度可以根据实际使用场景进行设定，但需要保证分布式反馈足够强。
所述第二谐振腔的反馈功能是通过所述无源光纤第二端基于无源光纤自身的光纤瑞利散射效应提供的分布式反馈。换言之，所述无源光纤基于自身光纤瑞利散射效应提供分布式反馈，在分别构成第一谐振腔和第二谐振腔的同时，还能够为两个谐振腔提供拉曼增益波长，最终使得目标激光的输出的工作波长可从稀土离子增益波长开始向更长的波长进行拓展。
其中，稀土离子增益波长通过所述第一光纤光栅进行确定，而目标激光的工作波长则根据石英光纤拉曼增益谱的峰值选择，越接近拉曼增益谱的峰值，则光纤激光器***的整体效率越高，反之则效率降低。
光纤激光器***中，第二谐振腔和第一谐振腔均采用无固定腔长的分布式反馈结构，这种随机光纤激光反向级联泵浦的结构，可以有效避免固定腔长激光器因自脉冲效应导致的输出激光时域强度不稳定的情况，而提升所输出目标激光的稳定性。
根据本发明提供的光纤激光器***，所述无源光纤的长度基于所述无源光纤自身瑞利散射强度设定，以使得所述无源光纤的分布式反馈的沿无源光纤积分值大于预设积分阈值。
无源光纤的长度应根据无源光纤自身瑞利散射强度来确定，并且需要保证其分布式反馈的沿无源光纤积分值大于预设积分阈值，比如沿无源光纤积分值需要超过10％。分布式反馈的沿无源光纤积分值越高，则后向输出激光功率越高。无源光纤的长度通常需要设置为1KM以上。
根据本发明提供的光纤激光器***，所述稀土离子增益光纤的长度基于所述稀土离子增益光纤的吸收系数和所述第一谐振腔的工作波长设定，所述第一谐振腔的工作波长基于所述第一光纤光栅的中心波长确定。
其中，稀土离子增益光纤的长度也需要确定，但是，稀土离子增益光纤的长度应根据稀土离子增益光纤吸收系数和第一谐振腔的工作波长来确定，以保证泵浦光充分吸收同时无自激振荡产生。而所述第一谐振腔的工作波长，则是需要基于所述第一光纤光栅的中心波长进行确定的，具体是第一谐振腔的工作波长等于第一光纤光栅的中心波长。
根据本发明提供的光纤激光器***，图6是本发明提供的光纤激光器***的结构示意图之三，如图6所示，在图4所示结构的基础上，所述泵浦元件200进一步包括泵浦源220和泵浦耦合器210，所述泵浦耦合器210的泵浦输入端与所述泵浦源220连接，所述泵浦耦合器210的信号输入端与所述第一光纤光栅100的第二端连接，且所述泵浦耦合器210的输出端与所述稀土离子增益光纤300的第一端连接。
如图6所示，所述泵浦源220由一个或多个激光二极管(图中LD)构成。所述泵浦耦合器210，也称为信号-泵浦合束器。
所述信号-泵浦合束器的泵浦输入端与所述一个或多个激光二极管连接，所述信号-泵浦合束器的信号输入端与所述第一光纤光栅100的第二端连接，且所述信号-泵浦合束器的输出端与所述稀土离子增益光纤300的第一端连接。
举例说明：无源光纤，选用长度为4km的G652D通讯光纤；稀土离子增益光纤，选用长度为5m的10/130μm双包层掺镱有源光纤；泵浦元件，选用976nmLD泵浦源2个，以及(2+1)×1的信号-泵浦合束器；第一光纤光栅选用中心波长为1070nm的高反射率光纤光栅。同时，无源光纤未连接器件的另一端，采用端面减反措施处理(直接进行端面斜角切割处理以通过斜切面抑制反射光)。所述双包层掺镱有源光纤的一端与所述信号-泵浦合束器的输出端连接，且所述信号-泵浦合束器的信号输入端与所述第一光纤光栅的一端连接，结合所述G652D通讯光纤内部的分布式反馈(G652D通讯光纤的右端)构成第一谐振腔。同时所述G652D通讯光纤内部的分布式反馈(G652D通讯光纤的左端)构成第二谐振腔。所述双包层掺镱有源光纤的另一端与所述G652D通讯光纤的右端相连，以使所述第一谐振腔输出的中间激光作为所述第二谐振腔的反向级联泵浦源。从所述G652D通讯光纤的另一端起，经所述第二谐振腔、所述第一谐振腔，至所述第一光纤光栅的另一端，以形成目标激光的输出通道。
此时目标激光的输出光谱和现有技术中所输出激光的输出光谱进行比较，图7是实例中本发明提供的光纤激光器***和现有技术所输出光谱对比示意图，如图7所示，可以看出，本发明所提供光纤激光器***所产生的目标激光所含1070nm处残余泵浦光的强度更低，即其具有更高的光谱纯度。
本发明还提供一种利用如上任一项所述的光纤激光器***产生激光的方法，图8是本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法的流程示意图，如图8所示，所述方法包括：
810、选取所述第一光纤光栅，并确定所述第一光纤光栅的中心波长。
选取中心波长在稀土离子增益波段内的一个高反射率光纤光栅作为第一光纤光栅，选取后继续确定出其中心波长，比如确定其中心波长为1070nm。
820、选取所述稀土离子增益光纤，并设定所述稀土离子增益光纤长度。
选用10/130μm双包层掺镱有源光纤，并基于所应用场景确定合适的有源光纤长度，比如长度为5m的10/130μm双包层掺镱有源光纤作为稀土离子增益光纤。
830、选取所述无源光纤，并基于所述无源光纤自身瑞利散射强度设定所述无源光纤长度，以及设定所述无源光纤包括左段无源光纤和右段无源光纤。
选用G652D通讯光纤作为无源光纤，并基于所述无源光纤自身瑞利散射强度设定所述无源光纤长度，比如选用长度为4km的G652D通讯光纤作为当前的无源光纤。设定所述无源光纤包括左段无源光纤和右段无源光纤，即形式上分成两半部分。
840、基于所述第一光纤光栅、所述泵浦元件、所述稀土离子增益光纤、所述右段无源光纤构成所述第一谐振腔。
所述双包层掺镱有源光纤的一端与泵浦元件中的信号-泵浦合束器的输出端连接，所述双包层掺镱有源光纤的另一端与右段无源光纤的右端连接，且信号-泵浦合束器的信号输入端与所述第一光纤光栅的一端连接，用于构成第一谐振腔。
850、基于所述左段无源光纤构成所述第二谐振腔。
利用无源光纤左半部分(内部的分布式反馈的左半部分)构成所述第二谐振腔。
860、基于所述第一谐振腔产生中间激光，以作为所述第二谐振腔的反向级联泵浦源。
所述双包层掺镱有源光纤的另一端与所述G652D通讯光纤的一端相连，以使所述第一谐振腔输出的中间激光作为所述第二谐振腔的反向级联泵浦源。
870、基于所述第二谐振腔和所述反向级联泵浦源，产生目标激光。
所述第二谐振腔中的无源光纤基于自身的分布式反馈，以及基于所述反向级联泵浦源注入的中间激光，而产生目标激光。
880、将所述目标激光通过所述输出通道输出，同时，还基于所述第一光纤光栅分离所述目标激光中的残余泵浦光。
从所述G652D通讯光纤的另一端起，经所述第二谐振腔、所述第一谐振腔，至所述第一光纤光栅的另一端，以形成目标激光的输出通道。将所述目标激光通过所述输出通道输出，同时，还基于所述10/130μm双包层掺镱有源光纤分离所述目标激光中的残余泵浦光。
本发明提供的利用如上任一项所述的光纤激光器***产生激光的方法，通过有效设置第一谐振腔和第二谐振腔以及设置两者之间的反向级联泵浦连接关系，并基于设置好的反向级联泵浦源和无源光纤的分布式反馈功能，产生并输出目标激光，还在输出目标激光时通过第一谐振腔中的第一光纤光栅过滤残余泵浦光，以在整体上提高了所输出的目标激光的光谱纯度。
根据本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法，图9是基于图8所示方法设定所述目标激光的工作波长的流程示意图，如图9所示，所述目标激光的工作波长为根据所述第一光纤光栅设定，具体包括：
910、基于所述第一光纤光栅，获取所述无源光纤的拉曼增益光谱。
基于所述第一光纤光栅，获取所述无源光纤的拉曼增益光谱，也可以理解为无源光纤的拉曼增益光谱是处于已知的情况。
920、基于所述拉曼增益谱获取所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量。
基于已知的拉曼增益谱，获取所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量。
930、基于所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量、光速参量和所述第一光纤光栅的中心波长，设定所述目标激光的工作波长。
根据无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量、光速参量和已经确定的第一光纤光栅的中心波长，来选择所述目标激光的工作波长。
根据本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法，所述目标激光的工作波长的计算表达式为：
Figure BDA0003598914870000161
其中，λRaman为目标激光的工作波长；Δυ为所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量；c为光速；λFBG为所述第一光纤光栅的中心波长。
综上，目标激光的工作波长可根据石英光纤拉曼增益谱的峰值决定。其中，与稀土离子增益波段对应的拉曼增益波段，是指稀土离子增益波段的高反射率光纤光栅中心波长由石英拉曼散射增益谱引起的拉曼增益波段。所选拉曼增益波段的高反射率光纤光栅的中心波长越接近拉曼增益谱的峰值，则光纤激光器***的整体效率越高，反之则效率降低。
为了实现最终目标激光的工作波长的选择(在不设置第二光纤光栅的情况下，第二谐振腔且是全开腔的拉曼增益的随机腔长光纤激光谐振腔的工作波长)，需要通过选择第一光纤光栅的中心波长λFBG来确定，表达式如下：
具体的，为Δυ。最终目标激光的工作波长应当为与所述第一光纤光栅的中心波长对应的拉曼增益光谱峰值波长，即工作波长满足上述表达式(1)。据此可知，若最终目标激光的目标工作波长为λoutput，则所述第一光纤光栅的中心波长λFBG应依据下式(2)进行选择：
Figure BDA0003598914870000171
而在实际应用操作过程中，对于第一光纤光栅的中心波长有时难以精确匹配，例如，对于掺镱光纤激光器而言，通常的光纤光栅对往往为1018nm、1030nm、1064nm、1080nm等几个特殊波长。此时拉曼增益光谱的峰值无法与目标工作波长完全一致，而往往略有偏离。以此方法确定目标激光的工作波长，在第一光纤光栅的中心波长受限的前提下，牺牲一部分拉曼激光转换效率，以换取目标工作波长的拉曼激光输出，以此确定出目标工作波长。还可以预见的是，通过进一步提高输出功率，保证更高功率下的高光谱纯度拉曼激光输出，可以实现比本发明实施例更优的目标激光输出效果。
根据本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法，图10是本发明提供的利用上述光纤激光器***产生激光的方法的流程示意图之二，如图10所示，在图8所示方法的基础上，所述步骤850、基于所述左段无源光纤构成所述第二谐振腔，包括：
851、选取第二光纤光栅，并确定所述第二光纤光栅的中心波长，所述第二光纤光栅的第一端和所述左段无源光纤的第二端连接。
选取第二光纤光栅，还可以确定所述第二光纤光栅的反射光谱中心波长。并使所述第二光纤光栅的第一端和所述左段无源光纤的第二端连接。
852、基于所述第二光纤光栅和所述左段无源光纤构成所述第二谐振腔。
所述第二光纤光栅和所述左段无源光纤共同构成第二谐振腔。
同时，本发明实施例采用的如泵浦光、光纤光栅的中心波长等参数，或者泵浦光的功率、泵浦源的个数，都仅为一种例举而非限定。由于光纤激光器特定元件的昂贵和复杂性，此处并未通过实验例举更多的实施例，但是当本领域的技术人员掌握本发明方法的内容后，可以根据用户的实际需求以及结合一般的工程知识，将本发明方法应用到更多***需求的实例中，这些实例都应受到本发明方法的保护。
此外，由于基于光纤的激光器结构十分灵活，技术人员可能在本实施例所例举的***元件上增加附属元件，例如，在***中***包层光泄漏器剥除激光二极管(图中LD)的泵浦光，或者改变泵浦耦合器和高反光纤光栅相对位置更换腔内、腔外泵浦结构等。这些附属元件作为功能已知且技术可行的零件，在不改变本发明方法精神实质的情况下，可以被技术人员根据实际工程需求而自然地使用，但其使用与否并不构成对本发明方法或者实施例保护的范围限制。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光纤激光器***，其特征在于，包括：
第一光纤光栅，所述第一光纤光栅为中心波长在稀土离子增益波段内的高反射率光纤光栅；
泵浦元件；
稀土离子增益光纤；
无源光纤，所述无源光纤包括相连的左段无源光纤和右段无源光纤，所述右段无源光纤的第一端与所述稀土离子增益光纤的第二端连接，所述稀土离子增益光纤的第一端与所述泵浦元件的输出端连接，且所述泵浦元件的输入端与所述第一光纤光栅的第二端连接，以构成第一谐振腔；同时，所述左段无源光纤自行构成第二谐振腔；
其中，所述第一谐振腔产生的中间激光传输至所述第二谐振腔，以作为所述第二谐振腔的反向级联泵浦源；
从所述左段无源光纤的第二端起，经所述第二谐振腔、所述第一谐振腔，至所述第一光纤光栅的第一端，以形成目标激光的输出通道。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器***，其特征在于，还包括：
第二光纤光栅，所述第二光纤光栅为中心波长在拉曼增益波段内的高反射率光纤光栅，且所述第二光纤光栅与所述左段无源光纤的第二端连接；
其中，所述拉曼增益波段为与稀土离子增益波段基于石英拉曼散射增益光谱对应的拉曼增益波段。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器***，其特征在于，所述无源光纤分别为所述第一谐振腔和所述第二谐振腔提供预设强度的分布式反馈，以使得所述左段无源光纤的第二端所输出光功率小于所述第一光纤光栅第一端所输出光功率。
4.根据权利要求3所述的光纤激光器***，其特征在于，所述无源光纤的长度基于所述无源光纤自身瑞利散射强度设定，以使得所述无源光纤的分布式反馈的沿无源光纤积分值大于预设积分阈值。
5.根据权利要求1所述的光纤激光器***，其特征在于，所述稀土离子增益光纤的长度基于所述稀土离子增益光纤的吸收系数和所述第一谐振腔的工作波长设定，所述第一谐振腔的工作波长基于所述第一光纤光栅的中心波长确定。
6.根据权利要求1所述的光纤激光器***，其特征在于，所述泵浦元件包括：
泵浦源；
泵浦耦合器，所述泵浦耦合器的泵浦输入端与所述泵浦源连接，所述泵浦耦合器的信号输入端与所述第一光纤光栅的第二端连接，且所述泵浦耦合器的输出端与所述稀土离子增益光纤的第一端连接。
7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的光纤激光器***产生激光的方法，其特征在于，包括：
选取所述第一光纤光栅，并确定所述第一光纤光栅的中心波长；
选取所述稀土离子增益光纤，并设定所述稀土离子增益光纤长度；
选取所述无源光纤，并基于所述无源光纤自身瑞利散射强度设定所述无源光纤长度，以及设定所述无源光纤包括左段无源光纤和右段无源光纤；
基于所述第一光纤光栅、所述泵浦元件、所述稀土离子增益光纤、所述右段无源光纤构成所述第一谐振腔；
基于所述左段无源光纤构成所述第二谐振腔；
基于所述第一谐振腔产生中间激光，以作为所述第二谐振腔的反向级联泵浦源；
基于所述第二谐振腔和所述反向级联泵浦源，产生目标激光；
将所述目标激光通过所述输出通道输出，同时，还基于所述第一光纤光栅分离所述目标激光中的残余泵浦光。
8.根据权利要求7所述的光纤激光器***产生激光的方法，其特征在于，所述目标激光的工作波长为根据所述第一光纤光栅设定，具体包括：
基于所述第一光纤光栅，获取所述无源光纤的拉曼增益光谱；
基于所述拉曼增益谱获取所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量；
基于所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量、光速参量和所述第一光纤光栅的中心波长，设定所述目标激光的工作波长。
9.根据权利要求8所述的光纤激光器***产生激光的方法，其特征在于，所述目标激光的工作波长的计算表达式为：
Figure FDA0003598914860000031
其中，λRaman为目标激光的工作波长；Δυ为所述无源光纤的拉曼增益光谱峰值频移量；c为光速；λFBG为所述第一光纤光栅的中心波长。
10.根据权利要求7所述的光纤激光器***产生激光的方法，其特征在于，所述基于所述左段无源光纤构成所述第二谐振腔，包括：
选取第二光纤光栅，并确定所述第二光纤光栅的中心波长，所述第二光纤光栅的第一端和所述左段无源光纤的第二端连接；
基于所述第二光纤光栅和所述左段无源光纤构成所述第二谐振腔。
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