基于光纤环形镜的射频调制可调谐全光纤激光器

摘要

本发明公开了一种基于光纤环形镜的射频调制可调谐全光纤激光器，光纤环形镜的其中一臂、双包层非掺杂光纤、双包层掺杂光纤、波分复用器的信号光通道和输出尾纤首尾相连依次熔接，泵浦源与波分复用器的泵浦光通道熔接；光纤固定牵拉支架包括左瓣和右瓣；双包层非掺杂光纤绕在光纤固定牵拉支架外部的槽中并拉紧，三角柱支架置于压电陶瓷上，压电陶瓷底部设垫块；压电陶瓷连接射频电源。本发明采用射频调谐的方式以超声振动形成周期可调的长周期光纤光栅实现光纤激光器波长调谐，光纤激光器采用无分立元件的全光纤结构，无插入损耗，具有光束质量好、输出功率高、结构紧凑、性能稳定可靠的优点，同时该激光器可实现很宽范围的连续调谐。

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种光纤激光器，特别是一种基于光 纤环形镜的射频调制可调谐全光纤激光器。

背景技术

光纤激光器以其体积小、效率高、稳定性好、光束质量好等优点，发展十 分迅速。目前在光纤激光器中，常见的可调激光技术主要基于旋转光栅、复合 环形共振、调节腔内标准具的角度、利用声光滤波器、电调液晶标准具、光纤 光栅调谐、光纤环形、取样光栅及偏振控制等技术，要么采用非全光纤结构， 要么使用的光栅对不方便调节效率低，或者调节范围比较窄，或者输出功率过 小。

发明内容

针对目前现有调谐光纤激光器中所存在的问题，本发明公开一种基于光纤 环形镜的射频调制可调谐全光纤激光器，该激光器插入很小，其一端采用光纤 环形镜作为宽谱全反射镜，另一端采用光纤切割端面的4%的菲尼尔反射作为 输出镜，在光纤激光器内接入一个全光纤结构的射频调制的滤波器，当滤波器 的吸收谱与有源光纤的增益谱发生交叠时，滤波器的吸收谱就形成对有源光纤 的增益谱调制作用，其结果使调制后的增益谱中心增益波长发生移动，在宽谱 反射镜的作用下，所激发的激光中心波长就会随增益谱的中心波长而变，实现 波长调谐。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以解决：

一种基于光纤环形镜的射频调制可调谐全光纤激光器，包括光纤环形镜、 光纤固定牵拉支架、三角柱支架、压电陶瓷、垫块、射频电源、双包层非掺杂 光纤、双包层掺杂光纤、波分复用器、泵浦源和输出尾纤，其中，所述光纤环 形镜的其中一臂、双包层非掺杂光纤、双包层掺杂光纤、波分复用器的信号光 通道和输出尾纤首尾相连依次熔接，光纤环形镜的另一臂悬空不用，泵浦源与 波分复用器的泵浦光通道熔接；所述光纤固定牵拉支架包括左瓣和右瓣，所述 左瓣和右瓣之间通过刚性支撑架连接；左瓣、右瓣均为外弧内平的柱体，左瓣、 右瓣外弧上刻多个平行的槽；双包层非掺杂光纤绕在光纤固定牵拉支架外部的 槽中并拉紧，三角柱支架置于压电陶瓷上，压电陶瓷底部设垫块使得三角柱支 架顶部的棱接触双包层非掺杂光纤；所述压电陶瓷连接射频电源。

本发明还包括如下其他技术特征：

所述压电陶瓷通入射频电源引起双包层非掺杂光纤的振动，使得双包层非 掺杂光纤纤芯折射率发生周期变化形成长周期光纤光栅，产生以某一波长为中 心的吸收谱，当该吸收谱与双包层掺杂光纤的增益谱交叠，射频电源的输出频 率改变使得长周期光栅吸收谱的移动，从而使得增益谱中心波长移动；所述激 光器的输出波长与增益谱中心波长相吻合，从而通过调节射频的输出频率的调 整实现需要的输出波长。

所述左瓣和右瓣之间的距离为8cm～30cm。

所述左瓣、右瓣均为半圆柱、半椭圆柱或矩形带半圆柱。

所述左瓣、右瓣上相邻的槽间距为2mm～5mm，槽深为双包层非掺杂光 纤外包层半径。

所述左瓣、右瓣顶部均设有压条。

所述三角柱支架的顶角以30°～60°。

所述双包层非掺杂光纤在光纤固定牵拉支架外部缠绕4圈，每圈间距 2mm。

所述光纤环形镜采用耦合比为50:50。

所述波分复用器的信号端作为输出尾纤，输出尾纤的切割面的4%的菲尼 尔反射为输出镜。

本发明采用射频调谐的方式以超声振动形成周期可调的长周期光纤光栅 实现光纤激光器波长调谐，光纤激光器采用无分立元件的全光纤结构，无插入 损耗，具有光束质量好、输出功率高、结构紧凑、性能稳定可靠的优点，同时 该激光器可实现很宽范围的连续调谐。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为吸收光谱测试示意图。

图3为光纤固定牵拉支架的结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为射频电源的射频输出频率与本发明的激光器的输出波长的关系图。

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

参见图1，本发明的基于光纤环形镜的射频调制可调谐全光纤激光器，包 括光纤环形镜1、光纤固定牵拉支架2、三角柱支架3、压电陶瓷4、垫块5、 射频电源6、双包层非掺杂光纤7、双包层掺杂光纤8、波分复用器9、泵浦源 10和输出尾纤11，其中，光纤环形镜1的其中一臂、双包层非掺杂光纤7、 双包层掺杂光纤8、波分复用器9的信号光通道和输出尾纤11首尾相连依次 熔接，光纤环形镜1的另一臂悬空不用，泵浦源10与波分复用器（9）的泵浦 光通道熔接；上述部件组成的本发明的全光纤激光器从原理上分为四个部分， 分别是谐振腔、增益光纤、泵浦部分和可调谐滤波器。

谐振腔由光纤环形镜1和输出镜组成，光纤环形镜1是将2×2的熔锥型 宽带光纤耦合器的两输出端口光纤熔接在一起形成的无源器件，耦合比为 50:50，其作用相当于全反射镜，要求其反射率大于等于95%；输出镜采用将 波分复用器9的信号端直接做切割，也即以切割端面的4%的菲尼尔反射作为 输出镜。入射光由2×2熔锥型宽带光纤耦合器分束后形成沿顺时针方向和逆 时针方向传输的两束光，后者较前者有90°的位相延迟，当光束环行一周后再 次经耦合器分束时输出端中来自逆时针方向贡献的光波较来自顺时针方向贡 献之光波相位总延时为180°[曹雪，李新营,et al.(2009)."基于光纤环形镜的 光纤激光器的优化设计."光通信技术07.]。不考虑耦合器的附加损耗，设耦 合比为α：（1-α），当α=0.5时，输出端中两种贡献的光波将出现相消干涉， 根据能量守恒原理，全部输入光能将由入射端输出，由于两个方向的光行进的 介质完全相同其反射特性表现为波长无关，故而其可作为一个宽谱全反射镜， 充当光纤激光器的端镜。由于端镜和输出镜都采用的是宽谱反射镜，其对激光 输出波长没有选频作用，激光输出波长只受净增益谱的影响，也即等于净增益 谱的最高增益波长。这样激光输出波长将与增益光纤即双包层掺杂光纤8的增 益谱中心波长一致。

增益光纤即双包层掺杂光纤8，其可以采用现有的任一种具有较宽增益谱 的双包层单模光纤，只要能够满足采用的可调谐滤波器的吸收谱与增益光纤的 增益谱有交叠，就能够实现可调谐输出。本发明适应于所有掺杂的光纤激光器， 针对不同掺杂的双包层光纤介质的光纤激光器其主要差别在于：光纤激光器所 选用的双包层掺杂光纤8不同，相应的泵浦源10要与之匹配，对应的射频电 源6的输出频段也需要与之匹配。考虑激光器的输出模式选择相应的纤芯尺寸 和纤芯数值孔径；根据双包层掺杂光纤8对泵浦的吸收情况，确定需要选用光 纤的内包层的尺寸、包层吸收率和光纤长度。

可调谐滤波器是本发明的核心部件，请参见图1-图4，可调谐滤波器包括 光纤固定牵拉支架2、三角柱支架3、压电陶瓷4、垫块5、射频电源6和双包层 非掺杂光纤7；其中，所述光纤固定牵拉支架2包括左瓣21和右瓣22，所述左瓣 21和右瓣22之间通过刚性支撑架23连接且两者距离（即刚性支撑架23的长度） 为8cm～30cm；左瓣21、右瓣22均为外弧内平的柱体，具体可以是半圆柱、半 椭圆柱或矩形带半圆柱，左瓣21、右瓣22的柱长以能满足光纤盘绕为原则，左 瓣21、右瓣22外弧上均刻有多个平行的槽25，相邻的槽25间距为2mm～5mm， 槽深为双包层非掺杂光纤7外包层半径，即保证双包层非掺杂光纤7放于其中可 露出一半，在左瓣21、右瓣22顶部设有用于压紧固定双包层非掺杂光纤7的压 条24。

可调谐滤波器的滤波介质即双包层非掺杂光纤7的结构尺寸需要与增益光 纤完全匹配，这样便于熔接且损耗较小。将双包层非掺杂光纤7绕在光纤固定 牵拉支架2外部的槽25中并拉紧，然后将三角柱支架3置于压电陶瓷4之上，压 电陶瓷4底部加垫垫块5使三角柱支架3顶部的棱接触双包层非掺杂光纤7，形成 类似于古琴的琴弦及支架的结构。三角柱支架3的顶角以30°～60°为佳。三角柱 支架3、压电陶瓷4、垫块5构成振动产生及振动能量传递部分。压电陶瓷4连接 射频电源6，当射频输出引起压电陶瓷4振动时，振动能量通过三角柱支架3的 传递给双包层非掺杂光纤7，在该光纤中形成周期性振荡，当纤芯模式与内包 层中的模式满足相位匹配条件时，将会发生纤芯模式与内包层模式间耦合效 应，其作用相当于一个长周期光纤光栅，其中心吸收谱与光栅周期相关，而光 栅周期又与射频振动的频率、振动幅度有关，当振动幅度一定时，可通过调节 射频电源6的输出频率改变该长周期光纤光栅的吸收谱，当该长周期光纤光栅 的吸收谱与增益光纤的增益谱发生交叠时，通过调节射频电源6的输出频率就 可以改变净增益谱的中心波长，实现可调谐输出激光。

在可调谐滤波器的上述结构中，缠绕在光纤固定牵拉支架2外部的双包层 非掺杂光纤7的圈数为1-8圈，圈数越多，吸收谱的深度越深，一般根据增益介 质的增益谱的宽窄与强度选择适当的圈数，以达能够到有效调制为原则。

在该结构中，模耦合效果与射频振动的强度和光纤直径有关，振动能量越 多，耦合效率越高，光纤越细耦合效果越明显，特别是当取掉双包层非掺杂光 纤7的外包层后，耦合效果明显加强，究其原因在于外包层为树脂材料，将其 去掉后留下的纤芯和内包层材料均为石英玻璃，振动效果明显加强，吸收深度 也增强很多，这样可以减小对射频电源6输出功率的要求。可采用热剥除或化 学腐蚀的方法将光纤固定牵拉支架2的左瓣、右瓣之间的光纤的外包层剥除， 以其获得较强的模式的耦合效果和较大的吸收深度。

在该结构中，吸收中心波长与射频频率变化量呈线性关系，其满足

λ＝λ₀+kΔf

式中，λ为吸收中心波长，Δf为射频频率变化量，λ₀为测量基准波长， 也就是Δf=0所对应的吸收中心波长，k为吸收中心波长随射频频率变化的斜 率，其除了与光纤纤芯和内包层结构参数有关外，还和光纤的力学特性有关， k取值为-0.1～-1nm/KHz，随着射频频率的增加，吸收中心波长会发生蓝移。

泵浦部分用于提供激光器工作所需能量，由泵浦源10和波分复用器9构成。 泵浦源10采用带尾纤输出的半导体激光器，其输出波长需满足增益光纤所要求 的泵浦波长，然后根据本发明的激光器要求的输出功率大小选择相应的泵浦功 率。泵浦光由泵浦源10输出，经过波分复用器9耦合进双包层掺杂光纤8的内包 层，然后再从该内包层源源不断输送到双包层掺杂光纤8的纤芯中，为纤芯中 的激光工作物质提供泵浦能量，激光工作物质在泵浦光的作用下激发荧光，如 果此时在激光工作物质两端增加反射镜、光栅等提供一定的光反馈就可以形成 激光输出，激光输出的输出波长由反射谱和增益谱共同作用的结果所决定，对 于光纤光栅作为反射镜时，由于是窄谱反射，输出波长就是光纤光栅的反射波 长（当然该波长必须落在增益谱内，最好在高增益区），对于宽谱反射镜，在 高反射率波长区间内，最高增益波长就是最终获得的激光输出波长。

在本发明中，通过增加光纤固定牵拉支架2、三角形支架3、压电陶瓷4、 垫块5、射频电源6和双包层非掺杂光纤7，其作用是在双包层非掺杂光纤7形成 具有一定深度的吸收谱，形成对原始激发谱的调制，当改变射频电源6的输出 频率时，就可以改变吸收谱的中心波长，从而改变调制后的激发谱的中心波长。

实施例：

如图1所示，遵循本发明的上述技术方案，本实施例的基于光纤环形镜的 射频调制可调谐全光纤激光器，包括谐振腔、增益光纤、泵浦源和可调谐滤波 器四部分。

谐振腔：全反射镜是耦合比为50:50光纤环形镜，输出镜是输出尾纤11 的光纤切割端面的4%非尼尔反射，二者都是宽谱反射镜，可适应于任何掺杂 光纤和任何波长。

增益光纤：双包层掺杂光纤8选取6/125μm的掺铥双包层光纤，包层吸 收率为1.4dB/m790nm，也即在790nm处包层吸收率为1.4dB/m，纤芯数值 孔径为0.23，光纤长度取10m。由于掺铥光纤有较宽的增益谱，故可实现较大 的调谐范围；针对其它掺杂的光纤激光器其调谐范围的大小主要取决于激光工 作物质在所掺杂光纤中的增益谱，增益谱越宽可实现调谐的范围也就越大。

泵浦部分：泵浦源10选择790nm的输出尾纤为100μm，最大输出功率 为35W的半导体激光器。波分复用器9采用输出端与信号端均为6/125μm， 泵浦端为100μm的(1+1*1)的波分复用器。

可调谐滤波器：双包层非掺杂光纤7结构尺寸与双包层掺杂光纤8匹配， 即选择6/125μm的非掺杂双包层光纤，纤芯数值孔径为0.23，将双包层非掺 杂光纤7在光纤固定牵拉支架2上绕4圈后用压条24压住，每圈间距2mm， 光纤固定牵拉支架2上左瓣21、右瓣22均比三角柱支架3顶部高1cm；振动 部分光纤的外包层被去掉。压电陶瓷4采用尺寸为45*8*5mm长方片状。

射频电源6的振动频率的调谐范围需要预先测量，请参见图2，从双包层 非掺杂光纤7一端经由透镜13注入由宽谱光源12的宽谱光信号，该光源光谱 范围应包含双包层掺杂光纤8中掺杂元素的荧光谱，在双包层非掺杂光纤7 的另一端放置光谱仪14，将压电陶瓷4连接射频电源6后，测量并记录射频 电流引起的振动所产生的吸收谱，将吸收谱与双包层掺杂光纤8的增益荧光谱 比较，重合部分所对应的频率就是射频电源6所对应的调谐范围。

参见图3所示为本实施例中射频电源6的射频输出频率与激光器的输出波 长的实验关系图，因此，根据本发明激光器需要的输出波长调整射频电源6 的射频输出频率，本实例中射频输出调节范围为1MHz～1.5MHz。使得射频输 出功率以能够满足通过吸收谱与增益谱相比拟为佳，该参数亦可通过实验方法 获得。

完成上述器件选择与测试，将光纤环形镜1的第1臂、双包层非掺杂光纤 7、双包层掺杂光纤8、波分复用器9的复用端依次首尾相熔接，将泵浦源10 与波分复用器9的泵浦输入端相熔，波分复用器9的信号端作为输出尾纤11， 将波分复用器9的信号端直接做切割，以切割端面的4%的非尼尔反射作为输 出反射镜，光纤环形镜1的第2臂悬空，熔接时要求纤芯对准。