用于制作超窄线宽光纤激光器的微拉锥光纤及激光器

摘要

一种用于制作超窄线宽光纤激光器的微拉锥光纤，所述微拉锥光纤由普通单模光纤经拉锥工艺制作而成：通过多次拉锥操作，使普通单模光纤上形成多个拉锥区；所述微拉锥光纤整体接入激光器中，使激光器的谐振腔长度大于或等于80m；普通单模光纤上的多个拉锥区可有效抑制布里渊增益，保证激光器单频运转的稳定性，同时，大长度的谐振腔可满足瑞利增益大量累积的需要，提高信号强度。本发明的有益技术效果是：在保证激光器单频运转的同时，可有效地实现瑞利增益累积，提高输出信号强度，其可调谐范围与泵浦波长和激光器腔长是否匹配无关，不必进行额外的线宽压缩，结构简单，易于实现，是一种新型的窄线宽光源。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种激光器，尤其涉及一种用于制作超窄线宽光纤激光器的微拉锥光纤及激光器。

背景技术

超窄线宽光纤激光器以其特有的低相位噪声特性成为目前光纤激光器中的一个重要发展方向，它广泛应用于分布式光纤传感和干涉型光纤传感系统中，以降低噪声，提高检测灵敏度。

目前实现光纤激光器单频窄线宽输出的方式主要有短腔法、环形腔法和受激散射光纤激光器。其中，短腔法一般采用长度为几厘米的高掺杂浓度的掺铒光纤作为增益介质，窄线宽光纤光栅作为激光器腔镜，其结构虽然简单，但实现却十分困难，首先，掺铒光纤的长度很短，其掺杂浓度难于控制，掺杂浓度太低，光纤产生的增益远远达不到激光器所需要的增益，掺杂浓度太高，又容易出现淬灭现像，此外短腔法还要求光纤光栅3dB带宽小于0.03nm，对光纤光栅的加工工艺提出了较高的要求，实现难度较大。采用环形腔法时，激光器的输出效率较低，现有技术中虽采用了增加掺杂光纤长度的手段来提高输出功率，但同时又使得激光器的频率稳定性降低。基于布里渊散射的光纤激光器，其输出激光存在着11GHz的频移，并且由于光纤中布里渊增益带宽较宽(20MHz左右)，光纤不能太长，以免在布里渊增益谱范围(20MHz)内存在多个激光模式，最终形成随机跳模现像，而无法实现稳定的单频运转，同时，由于受光纤长度限制，谐振腔内不容易形成增益积累，信号较弱，不利于运用。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种用于制作超窄线宽光纤激光器的微拉锥光纤，所述微拉锥光纤由普通单模光纤经拉锥工艺制作而成：通过多次拉锥操作，使普通单模光纤上形成多个拉锥区；所述微拉锥光纤整体接入激光器中，使激光器的谐振腔长度大于或等于80m；普通单模光纤上的多个拉锥区可有效抑制布里渊增益，保证激光器单频运转的稳定性，同时，大长度的谐振腔可满足瑞利增益大量累积的需要，提高信号强度。

其基本原理为：光纤的数值孔径是一个有限的值，因此，普通单模光纤允许多模声波的传导；由于光可以被非零角度的声波所散射，若角度足够小，则散射光仍然能在普通单模光纤当中传播；而在普通单模光纤中，光场的横向梯度远远大于光场的纵向梯度，因此横向声波对受激布里渊起着至关重要的作用，本发明的微拉锥光纤其独特的结构可以起到如下作用：1）扩大光纤中光的模场分布，减小光场的横向梯度，间接地抑制光纤中的横向声波；2）使光纤形成变截面结构，破坏横向声波的传导条件；3）分布于普通单模光纤上的多个拉锥区可以避免受激布里渊增益的累积效应。

采用本发明微拉锥光纤作为谐振腔制成的激光器，可避免采用布里渊增益原理的激光器因存在随机跳模现像导致单频运转不稳定的问题，同时消除了对于谐振腔长度的限制，使谐振腔可达到百米量级，有效实现瑞利增益累积，提高信号强度。

基于前述方案，本发明还针对拉锥区的轴向长度提出了如下的优选参数设置方案：单个拉锥区的轴向长度为1.5~2cm；拉锥区的轴向长度在此范围内选取，可使光在微拉锥光纤中的传输损耗和微拉锥光纤对布里渊增益的抑制效果取得较佳的平衡。

如果拉锥区之间的间隔距离过小，会使光在微拉锥光纤中的传输损耗过大，而如果拉锥区之间的间隔距离过大，又会导致微拉锥光纤对布里渊增益累积的抑制效果不明显，针对拉锥区之间的间隔距离，发明人经过大量实验后，提出了如下的优选方案：为了简化制作工艺，可使各个拉锥区之间等间距设置，相邻两个拉锥区的轴向中心之间间隔4~6m。

针对拉锥区的最小直径，本发明还提出了如下的优选方案：拉锥区内的最小直径数值与普通单模光纤的外径数值之间的比值在24︰25~16︰25之间选取。拉锥区内的最小直径数值过小，会降低光的通过率，拉锥区内的最小直径数值过大，又会导致对布里渊增益的抑制效果不明显，前述参数范围是发明人在经过大量实验后总结出的优选参数设置范围。

前述的优选参数，基于现有成熟的光纤拉锥工艺，采用普通光纤拉锥设备即可实现，加工时仅需注意避免将光纤拉断即可。

本发明还提出了一种采用前述微拉锥光纤制作而成的超窄线宽光纤激光器，它由泵浦源、波分复用器、掺铒光纤段、可调窄带滤波器、1×2耦合器、偏振控制器、三端口环行器、微拉锥光纤段、可变光衰减器和法拉第反射镜组成；

泵浦源与波分复用器的第一输入端光路连接，波分复用器的输出端与掺铒光纤段的输入端光路连接，掺铒光纤段的输出端与可调窄带滤波器的输入端光路连接，可调窄带滤波器的输出端与1×2耦合器的输入端光路连接，1×2耦合器的第一输出端与偏振控制器的输入端光路连接，1×2耦合器的第二输出端用于激光输出，偏振控制器的输出端与三端口环行器的输入端光路连接，三端口环行器的收发复用端与微拉锥光纤段的一端光路连接，微拉锥光纤段的另一端与可变光衰减器连接，可变光衰减器与法拉第反射镜连接；三端口环行器的输出端与波分复用器的第二输入端光路连接；所述微拉锥光纤由普通单模光纤经拉锥工艺制作而成：通过多次拉锥操作，使普通单模光纤上形成多个拉锥区；所述微拉锥光纤整体接入激光器中，使激光器的谐振腔长度大于或等于80m。

该超窄线宽光纤激光器的工作原理是：泵浦源通过波分复用器将掺铒光纤段从低能级泵浦到高能级，从而提供一个宽带光源；可调窄带滤波器作为波长选择元件，决定激光器的输出波长；1×2耦合器的第二输出端用于输出激光，1×2耦合器的第一输出端用于将光耦合回环形腔中；偏振控制器用于调节控制环形腔中激光的偏振态；偏振控制器与三端口环行器的输入端光路连接，三端口环行器的收发复用端依次连接微拉锥光纤段、可变光衰减器和法拉第反射镜，三端口环行器的输出端与波分复用器光路连接，从而形成完整的环形激光腔。可变光衰减器和法拉第反射镜的作用在于提供一个非常微弱的种子光，可变光衰减器对种子光的强度进行控制，以避免窄线宽的后向瑞利信号被淹没掉，从而增加后向散射产生的概率，窄线宽的瑞利散射光在环形腔中循环，最终形成激光振荡，向外输出窄线宽、高强度的激光信号。

本发明的有益技术效果是：在保证激光器单频运转的同时，可有效地实现瑞利增益累积，提高输出信号强度，其可调谐范围与泵浦波长和激光器腔长是否匹配无关，不必进行额外的线宽压缩，结构简单，易于实现，是一种新型的窄线宽光源。

附图说明

图1、微拉锥光纤结构示意图；

图2、超窄线宽光纤激光器结构示意图（图中标记A所示端口即为1×2耦合器的第二输出端，也即激光器输出端）。

具体实施方式

一种用于制作超窄线宽光纤激光器的微拉锥光纤，所述微拉锥光纤由普通单模光纤经拉锥工艺制作而成：通过多次拉锥操作，使普通单模光纤上形成多个拉锥区8-1；所述微拉锥光纤整体接入激光器中，使激光器的谐振腔长度大于或等于80m，普通单模光纤上的多个拉锥区8-1可有效抑制布里渊增益，保证激光器单频运转的稳定性，同时，大长度的谐振腔可满足瑞利增益大量累积的需要，提高信号强度。

单个拉锥区8-1的轴向长度（见图1中标记L所示范围）为1.5~2cm。

各个拉锥区8-1之间等间距设置，相邻两个拉锥区8-1的轴向中心之间间隔（见图1中标记M所示范围）4~6m。

拉锥区8-1内的最小直径数值与普通单模光纤的外径数值之间的比值在24︰25~16︰25之间选取。

一种超窄线宽光纤激光器，它由泵浦源1、波分复用器2、掺铒光纤段3、可调窄带滤波器4、1×2耦合器5、偏振控制器6、三端口环行器7、微拉锥光纤段8、可变光衰减器9和法拉第反射镜10组成；

泵浦源1与波分复用器2的第一输入端光路连接，波分复用器2的输出端与掺铒光纤段3的输入端光路连接，掺铒光纤段3的输出端与可调窄带滤波器4的输入端光路连接，可调窄带滤波器4的输出端与1×2耦合器5的输入端光路连接，1×2耦合器5的第一输出端与偏振控制器6的输入端光路连接，1×2耦合器5的第二输出端用于激光输出，偏振控制器6的输出端与三端口环行器7的输入端光路连接，三端口环行器7的收发复用端与微拉锥光纤段8的一端光路连接，微拉锥光纤段8的另一端与可变光衰减器9连接，可变光衰减器9与法拉第反射镜10连接；三端口环行器7的输出端与波分复用器2的第二输入端光路连接；所述微拉锥光纤由普通单模光纤经拉锥工艺制作而成：通过多次拉锥操作，使普通单模光纤上形成多个拉锥区8-1。