CN116885541A - 一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化***及方法，其中，所述***包括：用于产生种子激光的种子源；用于将种子激光的功率放大后输出为泵浦激光的放大器；用于接收泵浦激光的单模光纤，泵浦激光在所述单模光纤的内部通过拉曼散射作用获得拉曼增益，生成高阶拉曼激光；以及全反镜，所述全反镜与所述单模光纤之间形成半开放式谐振腔；其中，在半开放式谐振腔中设置有损耗器件。通过在单模光纤与全反镜中形成的半开放式谐振腔中***损耗器件，以此将非目标阶数拉曼激光打到光纤包层消耗或者阻挡非目标阶数拉曼激光通过，从而在单模光纤的输出端获得满足实际需求的高纯度的目标阶数拉曼激光。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学技术领域，特别是涉及一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化***及方法。
背景技术
目前，利用非线性光学光纤激光放大器是获得高功率光纤激光输出的通常手段。在非线性光学光纤中传输高光密度光时，利用光的受激拉曼散射（Stimulated RamanScattering，SRS）、受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）、四光波混频（Four Wave Mixing，FWM）等原理对信号光进行放大。这些非线性光学现象也会产生在光纤中传输时，这种光纤中的非线性光学现象用于光放大、波长变换等（例如，公开号为WO99/10770的国际申请）。
由受激拉曼散射产生的光学增益称之为拉曼增益（Raman Gain），一般来说，如果有合适功率和合适波长的强泵浦光，基于拉曼光纤放大器就可以放大任意波长的信号。拉曼光纤放大器具有可在任意波长获得增益、可利用传输光纤作在线放大等优点，因此被广泛应用。
然而，由于现有的拉曼光纤放大器不存在波长选择特性，因此，激光在通过拉曼增益后，获得的高阶拉曼激光中含有多阶拉曼激光，造成目标阶数的激光纯度过低，难以满足实际生产需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化***及方法，旨在解决现有的拉曼光纤放大器不存在波长选择特性，在激光通过拉曼增益后，获得的高阶拉曼激光中含有多阶拉曼激光，造成目标阶数的激光纯度过低，难以满足实际生产需求的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，包括：
种子源，用于产生种子激光；
放大器，其输入端与所述种子源的输出端连接，所述放大器将种子激光的功率放大后输出作为泵浦激光；
单模光纤，其一端与所述放大器的输出端连接，用于接收泵浦激光，泵浦激光在所述单模光纤的内部通过受激拉曼散射获得拉曼增益，并生成高阶拉曼激光；
全反镜，用于全反射所述单模光纤内的所有激光，所述全反镜与所述单模光纤之间形成半开放式谐振腔；
损耗器件，所述损耗器件的第一端与所述单模光纤连接，所述损耗器件的第二端与所述全反镜连接，所述损耗器件用于损耗高阶拉曼激光中的非目标阶数拉曼激光，从而提高输出的目标阶数拉曼激光的纯度。
进一步，所述放大器包括泵浦二极管、合束器以及增益光纤，所述增益光纤为基于掺镱、掺铒、掺铥、掺钕、掺铋的增益光纤中的任一种。
进一步，所述增益光纤为双包层光纤，所述双包层光纤自外向内依次由涂覆层、外包层、内包层、掺杂纤芯所构成。
进一步，所述内包层的截面为正多边形，所述掺杂纤芯的横截面相对于内包层的正多边形截面的中心点呈偏心布置。
进一步，所述内包层的截面为圆形，所述掺杂纤芯的横截面相对于内包层的圆形截面的圆心呈偏心布置。
进一步，所述高阶拉曼激光在所述单模光纤中产生，并通过所述全反镜反射进入所述损耗器件，利用所述损耗器件可以获得其中任一阶数的拉曼激光。
进一步，所述损耗器件为光纤光栅、滤波器或者波分复用器中的任一种。
进一步，所述滤波器为低通滤波器、带通滤波器或者高通滤波器中的任一种。
进一步，所述放大器与所述单模光纤之间还设置有耦合器，用于将泵浦激光耦合至所述单模光纤中。
本发明还提出了一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供一由种子源产生的种子激光；
步骤S2：提供一输入端与所述种子源的输出端连接的放大器，所述放大器将种子激光的功率放大后输出作为泵浦激光；
步骤S3：提供一端与所述放大器的输出端连接，用于接收所述泵浦激光的单模光纤，使得泵浦激光在单模光纤的内部通过受激拉曼散射获得拉曼增益，生成高阶拉曼激光；
步骤S4：提供一全反镜，所述全反镜全反射所述单模光纤内的所有激光，并与所述单模光纤之间形成半开放式谐振腔；
步骤S5：提供一设置在半开放式谐振腔内的损耗器件，用于损耗高阶拉曼激光中的非目标阶数拉曼激光，从而提高输出的目标阶数拉曼激光的纯度。
相较于现有技术，本发明的有益效果为：
1、采用双包层掺稀土元素光纤放大器以及单模光纤中的拉曼增益，生成高阶拉曼激光，以便于后续提取目标阶数拉曼激光。
2、通过在单模光纤与全反镜之间形成的半开放式谐振腔中***损耗器件，以此将非目标阶数拉曼激光打到光纤包层消耗或者阻挡非目标阶数拉曼激光通过，从而在单模光纤的输出端获得满足实际需求的高纯度的目标阶数拉曼激光。
附图说明
图1为本发明一实施例中所述基于非线性光纤放大器的光谱纯化***的示意图；
图2为本发明一实施例中双包层光纤的剖视图；
图3为本发明另一实施例中所述基于非线性光纤放大器的光谱纯化方法的示意图。
图中附图标记说明：种子源1、放大器2、单模光纤3、全反镜4、损耗器件5、耦合器6、双包层光纤21、涂覆层211、外包层212、内包层213、掺杂纤芯214。
具体实施方式
除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
以下对术语进行说明。
除非另有明确的规定和限定，本发明中所述的“或”，包含了“和”的关系。所述“和”相当于布尔逻辑运算符“AND”，所述“或”相当于布尔逻辑运算符“OR”，而“AND”是“OR”的子集。
可以理解到，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个元件与另一个元件区分开。因此，第一元件可以被称为第二元件，而不背离本发明构思的教导。
本发明中，术语“含有”、“包含”或“包括”表示各种成分可一起应用于本发明的混合物或组合物中。因此，术语“主要由 ...组成”包含在术语“含有”、“包含”或“包括”中。
除非另有明确的规定和限定，本发明的术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
例如，如果一个元件（或部件）被称为在另一个元件上、与另一个元件耦合或者与另一个元件连接，那么所述一个元件可以直接地在所述另一个元件上形成、与之耦合或者与之连接，或者在它们之间可以有一个或多个介于中间的元件。相反，如果在此使用表述“直接在......上”、“直接与......耦合”和“直接与......连接”，那么表示没有介于中间的元件。用来说明元件之间的关系的其他词语应该被类似地解释，例如“在......之间”和“直接在......之间”、“附着”和“直接附着”、“相邻”和“直接相邻”等等。
另外需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。可以理解到，在此，这些术语用来描述如在附图中所示的一个元件、层或区域相对于另一个元件、层或区域的关系。除了在附图中描述的取向之外，这些术语应该也包含装置的其他取向。
本发明的其它方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，并获得其他的实施方式。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。例如，在附图中的元件的厚度可以为了清楚性起见而被夸张。
实施例1
由于现有的拉曼光纤放大器不存在波长选择特性，因此在激光通过拉曼增益后，获得的高阶拉曼激光中含有多阶拉曼激光，造成目标阶数的激光纯度过低，难以满足实际生产需求。
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化***及方法。
为详细说明本发明实施例1提出的一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，下列以1064纳米激光为种子源，通过拉曼散射获得高纯度的1120纳米激光为举例。
如附图1所示，首先通过种子源1产生1064纳米的激光，然后利用包含泵浦二极管、合束器、以及基于掺稀土元素的增益光纤的放大器2，将1064纳米的激光功率放大，以加强1064纳米的激光信号和能量。
可以理解的是，所述基于掺稀土元素的增益光纤可以采用双包层光纤（DoubleCladding Fiber，DCF）21，所述双包层光纤21自外向内由涂覆层211、外包层212、内包层213、掺杂纤芯214所构成，其比常规光纤增加了一内包层213。包层泵浦技术以双包层光纤21为基础，使得多模光在内包层213中传输、激光在掺杂纤芯214中传输，使得泵浦转换效率和光纤激光的输出功率都能得到较大提高。
可以理解的是，双包层光纤21的掺杂纤芯214由掺稀土元素的SiO2组成，外包层212则由折射率比内包层213小的聚合物材料构成，最外层的涂覆层211为有机物涂覆层。
可以理解的是，双包层光纤21对种子源1产生的光的耦合面积仅由纤芯决定，但对于泵浦二极管输出的泵浦光耦合面积由内包层决定，这样双包层光纤21就构成一种双层波导结构，在保证激光模式特性的同时，还可以让泵浦光多次穿越掺杂纤芯214激发掺杂稀土元素发射激光。
可以理解的是，双包层光纤21的内包层213与掺杂纤芯214的整体布置可采用非对称结构，这种设置可避免内包层213中存在大量螺旋光线，所述螺旋光线很难到达掺杂纤芯，亦很难被掺杂纤芯214吸收，从而产生漏光现象。
可以理解的是，所述掺杂纤芯214为掺镱纤芯，如附图2所示，所述内包层213和掺镱纤芯横截面均为圆形，所述掺镱纤芯的圆形横截面相对于内包层213的圆形横截面的圆心呈偏心布置。
可以理解的是，所述内包层213的截面也可以为正多边形，所述掺镱纤芯的圆形横截面相对于内包层213的正多边形截面的中心点呈偏心布置。
被放大后的1064纳米激光从放大器2中输出，到达耦合器6，并通过耦合器6耦合至长度为150米的PM980单模光纤（Single-mode Fibers，SMF）3中；1064纳米的激光在单模光纤3的内部通过受激拉曼散射作用获得拉曼增益，生成高阶拉曼激光。
可以理解的是，光纤中的拉曼散射是由光子和光纤中热振动的分子之间非弹性碰撞而产生的，它是光纤中一种重要的非线性效应。依据入射的光功率的大小，光纤拉曼散射分为自发拉曼散射和受激拉曼散射，二者之间可以进行转化。发明人考虑到由自发拉曼散射向受激拉曼散射的转化过程具有明显的阈值特性，只有当入射的光功率超过一定阈值时，其光能量迅速向拉曼散射光转移，自发拉曼散射将转化为受激拉曼散射。因此，在单模光纤上游侧设置放大器2是必要的，通过该设置可以得到激光功率放大的1064纳米泵浦激光，使得所述1064纳米泵浦激光光功率满足在单模光纤中由自发拉曼散射向受激拉曼散射转化的光功率阈值要求，进而生成高阶拉曼激光。
其中，生成的一阶拉曼激光为1120纳米，而当一阶拉曼激光能量足够高的时候，也会继续通过拉曼散射生成1178纳米的二阶拉曼激光，同时单模光纤3内也含有未发生拉曼散射的1064纳米的激光；在单模光纤3的一端连接有全反镜4，使得单模光纤3和全反镜4之间形成一个半开放式谐振腔，上述不同波长的激光都会在半开放式谐振腔中反射；通过在半开放式谐振腔中设置了损耗器件5，本实施例中选用的损耗器件5为光纤光栅，用于损耗波长为1178纳米的激光，从而提高单模光纤3输出的1120纳米激光的纯度。
在其他实施例中，损耗器件5也可以选用滤波器，以将1120纳米激光以外的激光过滤，保证单模光纤7输出高纯度的1120纳米激光。
在其他实施例中，损耗器件5也可以为1120纳米/1178纳米波分复用器，该波分复用器可以使1120纳米的激光通过，而使1178纳米的激光沿反方向反射，从而对激光降噪，提高单模光纤3输出1120纳米激光的纯度。
在其他实施例中，所述放大器2包含的增益光纤为光子晶体光纤。
在其他实施例中，所述放大器2包含的增益光纤也可以根据实际需求选用基于掺铒、掺铥、掺钕、掺铋的增益光纤中的任一种。
实施例2
如附图3所示，本发明实施例还提出了一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供一由种子源1产生的种子激光；
步骤S2：提供一输入端与所述种子源的输出端连接的放大器2，所述放大器2将种子激光的功率放大后输出作为泵浦激光；
步骤S3：提供一端与所述放大器的输出端连接，用于接收所述泵浦激光的单模光纤3，使得泵浦激光在单模光纤3的内部通过受激拉曼散射获得拉曼增益，生成高阶拉曼激光；
步骤S4：提供一全反镜4，所述全反镜4全反射所述单模光纤内的所有激光，并与所述单模光纤3之间形成半开放式谐振腔；
步骤S5：提供一设置在半开放式谐振腔内的损耗器件5，用于损耗高阶拉曼激光中的非目标阶数拉曼激光，从而提高输出的目标阶数拉曼激光的纯度。
以上所述的仅为本发明的部分或较佳实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，包括：
种子源，用于产生种子激光；
放大器，其输入端与所述种子源的输出端连接，所述放大器将种子激光的功率放大后输出作为泵浦激光；
单模光纤，其一端与所述放大器的输出端连接，用于接收泵浦激光，泵浦激光在所述单模光纤的内部通过受激拉曼散射获得拉曼增益，并生成高阶拉曼激光；
全反镜，用于全反射所述单模光纤内的所有激光，所述全反镜与所述单模光纤之间形成半开放式谐振腔；
损耗器件，所述损耗器件的第一端与所述单模光纤连接，所述损耗器件的第二端与所述全反镜连接，所述损耗器件用于损耗高阶拉曼激光中的非目标阶数拉曼激光，从而提高输出的目标阶数拉曼激光的纯度。
2.根据权利要求1所述的基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，所述放大器包括泵浦二极管、合束器以及增益光纤，所述增益光纤为基于掺镱、掺铒、掺铥、掺钕、掺铋的增益光纤中的任一种。
3.根据权利要求2所述的基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，所述增益光纤为双包层光纤，所述双包层光纤自外向内依次由涂覆层、外包层、内包层、掺杂纤芯所构成。
4.根据权利要求3所述的基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，所述内包层的截面为正多边形，所述掺杂纤芯的横截面相对于内包层的正多边形截面的中心点呈偏心布置。
5.根据权利要求3所述的基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，所述内包层的截面为圆形，所述掺杂纤芯的横截面相对于内包层的圆形截面的圆心呈偏心布置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，所述高阶拉曼激光在所述单模光纤中产生，并通过所述全反镜反射进入所述损耗器件，利用所述损耗器件可以获得其中任一阶数的拉曼激光。
7.根据权利要求1-5任一项所述的基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，所述损耗器件为光纤光栅、滤波器或者波分复用器中的任一种。
8.根据权利要求7任一项所述的基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，所述滤波器为低通滤波器、带通滤波器或者高通滤波器中的任一种。
9.根据权利要求1-5任一项所述的基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，所述放大器与所述单模光纤之间还设置有耦合器，用于将泵浦激光耦合至所述单模光纤中。
10.一种基于非线性光纤放大器的光谱纯化方法，其使用如权利要求1-9任一项所述的基于非线性光纤放大器的光谱纯化***，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：提供一由种子源产生的种子激光；
步骤S2：提供一输入端与所述种子源的输出端连接的放大器，所述放大器将种子激光的功率放大后输出作为泵浦激光；
步骤S3：提供一端与所述放大器的输出端连接，用于接收所述泵浦激光的单模光纤，使得泵浦激光在单模光纤的内部通过受激拉曼散射获得拉曼增益，生成高阶拉曼激光；
步骤S4：提供一全反镜，所述全反镜全反射所述单模光纤内的所有激光，并与所述单模光纤之间形成半开放式谐振腔；
步骤S5：提供一设置在半开放式谐振腔内的损耗器件，用于损耗高阶拉曼激光中的非目标阶数拉曼激光，从而提高输出的目标阶数拉曼激光的纯度。
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| CN101398511A (zh) * | 2008-09-28 | 2009-04-01 | 中国电子科技集团公司第四十六研究所 | 一种用于激光器件的双包层光纤 |
| CN108039636A (zh) * | 2017-12-12 | 2018-05-15 | 南京大学 | 一种基于2μm超短脉冲激光泵浦的中红外光纤光参量振荡器 |
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-
2023
- 2023-08-03 CN CN202310970680.9A patent/CN116885541A/zh active Pending
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