具有功率稳定控制的射频调制可调谐全光纤激光器

摘要

本发明公开了一种具有功率稳定控制的射频调制可调谐全光纤激光器，光纤环形镜、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第二光纤环形镜首尾相连依次熔接，第一光纤环形镜的第2臂与光功率计相连，光功率计连接可控制半导体激光器电源，可控制半导体激光器电源连接泵浦源；泵浦源与波分复用器的泵浦光通道熔接，第二光纤环形镜的第2臂与输出尾纤相连；双包层非掺杂光纤绕在光纤固定牵拉支架；压电陶瓷连接射频电源。本发明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，特别是一种具有功 率稳定控制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，而且在调谐的过程中都存在着激光器输出功率随输出波长变化的问题。

发明内容

针对目前现有调谐光纤激光器中所存在的问题，本发明公开一种具有功率 稳定控制的射频调制可调谐全光纤激光器，该全光纤激光器插入很小，采用光 纤环形镜作为反射镜，其中一端采用耦合比为50：50光纤环形镜作为宽谱全反 射镜，另一端采用采用耦合比远离50：50光纤环形镜作为输出镜，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，同时利用 耦合比为50：50光纤环形镜的第2端口对激光器输出功率进行监测，利用监测 数据通过对泵浦源的注入电流进行反馈控制，实现激光器输出功率稳定控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以解决：

一种具有功率稳定控制的射频调制可调谐全光纤激光器，包括第一光纤环 形镜、光纤固定牵拉支架、三角形振动传递器、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WDM、泵浦源、第二光纤 环形镜、输出尾纤、光功率计和可控制半导体激光器电源，所述光纤环形镜的 第1臂、双包层非掺杂光纤、双包层掺杂光纤、波分复用器WDM的信号光通 道和第二光纤环形镜的第1臂首尾相连依次熔接，第一光纤环形镜的第2臂与 光功率计相连，光功率计连接可控制半导体激光器电源，可控制半导体激光器 电源连接泵浦源；泵浦源与波分复用器的泵浦光通道熔接，第二光纤环形镜的 第2臂与输出尾纤相连；所述光纤固定牵拉支架包括左瓣、右瓣，所述左瓣、 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 的柱长以能满足光纤盘绕为原则，左瓣、右瓣外弧上均刻有多个平行的槽；双 包层非掺杂光纤绕在光纤固定牵拉支架的槽中并将拉紧，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；压电陶瓷连接射频电源；所述的双包层非掺杂光纤的结构尺寸与所述双包 层掺杂光纤匹配。

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 的改变使得长周期光栅吸收谱移动，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，从而通过调节射频电源输出频率的调 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。

所述左瓣和右瓣均为半圆柱、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，槽深等于双包层非掺杂 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°为佳。

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。

所述第一光纤环形镜采用耦合比为50:50，第二光纤环形镜的耦合比为α： （1-α），其中，其中，R为第二光纤环形镜的反射率。

所述双包层掺杂光纤选取6/125μm的掺铥双包层光纤，其包层吸收率为 1.4dB/m790nm，纤芯数值孔径为0.23，长度取10m；所述双包层非掺杂光 纤选取6/125μm的非掺杂双包层光纤。

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，以反馈方式保证激光器在调谐过程中保持激光器输 出功率稳定，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为吸收光谱测试结构示意图。

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为功率稳定反馈控制结构示意图。

图6为激光器输出波长及输出功率与射频电源的射频输出频率的关系图。

以下结合附图和具体实施实例对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

参见图1，本发明的具有功率稳定控制的射频调制可调谐全光纤激光器， 包括第一光纤环形镜1、光纤固定牵拉支架2、三角形振动传递器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（WDM）、泵浦源10、第二光纤环形镜11、输出尾纤12、光功率计13 和可控制半导体激光器电源14，所述光纤环形镜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的信号光通道和第二光纤环形镜11 的第1臂首尾相连依次熔接，第一光纤环形镜1的第2臂与光功率计13相连， 光功率计13连接可控制半导体激光器电源14；泵浦源10与波分复用器9的 泵浦光通道熔接，第二光纤环形镜11的第2臂与输出尾纤12相连。

上述部件组成的本发明的全光纤激光器从原理上可分为五个部分，分别是 谐振腔、增益光纤、可调谐滤波器、泵浦部分、功率稳定控制器。

谐振腔由第一光纤环形镜1和第二光纤环形镜11组成，第一光纤环形镜1 作为谐振腔的输入端，是将2×2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，要求反射 率大于等于95%；第二光纤环形镜11作为谐振腔的输出端，采用耦合比比为 α：（1-α）的光纤环形镜，其中α取值为R为第二光纤环形 镜11的反射率，其作用相当于输出镜，反射率的大小根据设计需求通过耦合比 进行调整。实际制作时，也可以将波分复用器9的信号端直接做切割，以切割 端面的4%的非尼尔反射作为第二光纤环形镜11。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: 15-17.]。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，故而其可以作为一个宽谱全反射镜，充当光纤激光器的端镜，当α≠ 0.5时，相当于一个反射率为R=4α（1-α）的宽谱反射镜，其作用可相当于激 光器的输出镜。由于端镜和输出镜都采用的是宽谱反射镜，这样激光输出波长 将与有源光纤即双包层非掺杂光纤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的具有较宽增益 谱的双包层单模光纤，只要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，就可以实现可调谐输出。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。考虑本发明的激光器的输出模式，选择相应的纤 芯尺寸和纤芯数值孔径；根据掺杂光纤对泵浦的吸收情况，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，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、右瓣22，左瓣21、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的槽25中并将拉紧，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的顶部的棱高于光纤固定牵拉支架 2的上边缘，从而使三角柱支架3顶部的棱接触双包层非掺杂光纤7，形成一 个类似于古琴的琴弦及支架结构。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，导致双包 层非掺杂光纤7纤芯折射率发生周期变化，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，产生以某一波长为中心的吸收谱，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的输出频率改变长周期光纤光栅的吸收谱，当长周期光 纤光栅的吸收谱与增益光纤的增益谱发生交叠时，引起增益谱中心波长的变 化，通过调节射频电源6的输出频率会产生长周期光栅吸收谱的移动，从而导 致增益谱中心波长的移动。第一光纤环形镜和第二光纤环形镜均为宽谱反射 镜，激光器的输出波长与增益谱中心波长相吻合，当调节射频电源6的输出频 率，改变增益谱中心波长，实现射频调谐输出。

功率稳定控制器的作用是保证本发明的激光器进行波长调谐时其输出功 率稳定，其包括相连接的光功率计13和可控制半导体激光器电源14，如图5所 示。一般情况下，作为全反射镜的第一光纤环形镜1的第2臂悬空不用，虽然从 理论上讲第一光纤环形镜耦合比为50:50，实际上第2臂依然有少量的激光输 出，可用于连接光功率计13监测激光器的输出功率，光功率计13连接第一光纤 环形镜第2臂，而激光器的输出功率，也即输出尾纤11的输出功率与第一光纤 环形镜第2臂的输出功率具有固定的比例关系，因而可以通过监测第一光纤环 形镜第2臂的输出功率达到监测激光器的输出功率的目的，该功率和激光器输 出功率成正比，当监测到第一光纤环形镜第2臂的功率增大说明激光器本身输 出变大，反之依然。因此，将光功率计13与第一光纤环形镜1的第2臂相连，光 功率计13的监测结果送到可控制半导体激光器电源14中，可控制半导体激光器 电源14连接泵浦源10；当进行波长调谐或正常工作时，就可根据监测结果对激 光器输出功率进行稳定控制，具体采用反馈控制，也即如果激光器输出功率增 大，则减小可控制半导体激光器电源14的输出电流，从而减小泵浦源10的输出 功率，反之则增大电源14的输出电流，达到稳定激光器输出功率的作用。

如图5所示，可控制半导体激光器电源14的结构是在比较功率计（或者光 电检测器，比如PINPD、APDPD等器件）的输出端接运算放大器A2的反向输 入端。当输出功率增大时，输出电平升高，A2输出减小，实现反馈控制，激 光器稳定输出的目的。

在可调谐滤波器的结构中，缠绕在光纤固定牵拉支架2外部的非掺杂双包 层光纤的圈数为1-8圈，圈数越多，吸收谱的深度越深，一般可根据增益介质 的增益谱的宽窄与强度选择适当的圈数，以可以达到有效调制为原则。

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，特别是当取掉非掺杂双包层光 纤的外包层后，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，振动效果加强，吸收深度也增强 很多，这样可减小对射频电源输出功率的要求。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取值范围大约在-0.1～-1nm/KHz，随着射频频率的增加，吸收中心波长会发生 蓝移。

泵浦部分包括泵浦源10和波分复用器WDM9构成，提供激光器工作所需 能量；泵浦源10采用带尾纤输出的半导体激光器，其输出波长需要满足增益 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选择 相应的泵浦功率。泵浦源10输出泵浦光，经过波分复用器WDM9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，由于在全光纤结构的光纤激光器主体中增加了光纤固定牵拉 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。在本发明中，激光谐振腔是由第一 光纤环形镜1和第二光纤环形镜11所提供，二者都是宽谱反射镜，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（即增益谱与吸收谱叠加 后的增益谱，也即增益谱减去吸收谱）的影响，也即等于净增益谱的最高增益 波长。

实施例：

如图1所示，遵循本发明的上述技术方案，本实施例的具有功率稳定控制 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、可调谐滤 波器、功率稳定控制器五部分。

谐振腔：第一光纤环形镜1是耦合比为50:50光纤环形镜，第二光纤环形 镜11耦合比为α：（1-α），其中α取值为（R为第二光纤环形 镜11的反射率），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上绕4圈后用压条24压住，每圈间隙2mm，振 动部分光纤的外包层去掉；本实施实例中光纤固定牵拉支架间光纤悬空距离取 10cm（也即刚性支撑架23的长度取10cm）；压电陶瓷4采用尺寸为45*8*5mm 长方片状；射频输出调节范围在1MHz～1.5MHz。双包层非掺杂光纤7结构尺 寸与双包层掺杂光纤8匹配，第二光纤环形镜11的反射率取R=20%，相当于 耦合比为94.7：5.3。

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16注入由宽谱光源15的宽谱光信号，该光源光谱 范围应该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17，将压电陶瓷4连接射频电源6后，测量并记录射频 输出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的增益谱比 较，重合部分所对应的频率就是射频电源所对应的调谐范围，射频输出功率以 能够通过吸收谱与激发谱相比拟为佳。

功率稳定控制器：包括光功率计13和可控制半导体激光器电源14，经以 上就可以完成本发明的可调谐光纤激光器的器件选择与测试，之后只需要将各 部件按照图1所示结构进行装配，将第一光纤环形镜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的泵浦输入端熔接，波分复用器9的信号端与第二光 纤环形镜11第1臂熔接，第二光纤环形镜第2臂与输出尾纤熔接，熔接时要 求纤芯对准；第一光纤环形镜第2臂的输出送光光功率计，光功率计13监测 的结果送到可控制半导体激光器电源14通过对泵浦功率的反馈控制实现对激 光器输出的稳定控制。

如图6所示为本实例中激光器输出波长、输出功率与射频调制的调谐频率 的实验关系图。