基于频率牵引效应的光纤激光器

摘要

一种激光技术领域的基于频率牵引效应的光纤激光器，包括：单频可调谐光源、光纤放大器、光学谐振腔和光纤拉伸装置，单频可调谐光源与光纤放大器相连传输单频激光信号，光纤放大器与光学谐振腔的输入端口相连传输放大后的单频激光信号，光学谐振腔中的单模光纤均匀地绕在光纤拉伸装置中且单模光纤的两端固定在光纤拉伸装置的两端。本发明通过对布里渊光纤激光器中作布里渊增益介质的光纤施加可调谐应力，改变其布里渊频移和布里渊增益曲线，进而通过频率牵引效应来精细调谐激光频率，结合泵浦光源的宽带调谐能力，实现了宽带且频率精细可调的光纤激光器，具有结构简单且成本低廉的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种激光技术领域的装置，具体是一种基于频率牵引效应的宽带、频率精细可调的光纤激光器。

背景技术

宽带且频率精细可调的单频激光器具有广泛的应用，如光学相干图像技术、传感系统、高精细频谱分析和密集波分复用系统。在所有的这些应用领域中，激光器的调谐能力如可调范围、调谐速度、特别是调谐精度是其中关键的技术。现阶段，单频激光器的可调范围已经可达百纳米(nm)量级，调谐速度也可达数十纳秒(ns)量级，基本可满足应用要求。但是，激光器的调谐精度却很难进一步提高。调谐精度很难得到提高的原因一是现阶段主要的单频激光器的线宽较宽，如半导体激光器一般为兆赫兹(MHz)量级，光纤激光器一般为数十千赫兹(kHz)量级；二是这些激光器的调谐都是基于光学调谐方法的，即在激光谐振腔中插入可调谐光学滤波器实现激光频率调谐，因此其调谐精度将取决于光学滤波器的调谐精度，而现阶段可调谐光学滤波器的调谐精度一般为吉赫兹(GHz)量级，因此光学调谐方法很难实现激光器超高精细频率调谐。

现有技术中，分布式反馈(DFB)和分布式布拉格反射(DBR)半导体单频激光器的精密调谐主要是通过改变半导体温度或者调节其注入电流大小来实现的，其调谐精度可达到数十MHz。但是由于其半导体单频激光器的线宽较宽，一般为数MHz，因此很难进一步提高其调谐精度。并且DFB和DBR半导体单频激光器的输出频率很容易受到环境温度和扰动的影响，因此要实现激光频率的精确调谐需要复杂的激光稳频装置，大大增加系统复杂度和成本。光纤单频激光器的调谐主要是在谐振腔内插入可调谐光学滤波器来实现，现阶段使用的可调谐光学滤波器主要有可调谐F-P腔滤波器，可调谐光纤光栅滤波器等。这些可调谐光学滤波器的调谐精度一般为GHz量级，所以基于这种调谐方法的激光器的调谐精度一般也为GHz量级。为了进一步改进光纤单频激光器的调谐精度，可以在其谐振腔中插入压电陶瓷(PZT)，通过改变温度或电压来实现PZT的拉伸或压缩，从而精细调节激光谐振腔的腔长，这样可以实现激光器数十MHz的调谐精度。

经对现有文献检索发现，意大利的Elettra实验室的E.Alleria等人在Europhysics Letters，2010，89(6)，64005(P1-P5)(2010年的《欧洲物理快报》89卷第6期的64005第一页到第五页)上公开了题为“Tunability of a seeded free-electron laser through frequency pulling(通过频率牵引实现注入自由电子激光器的调谐)”的文章。该文章只是从理论上阐述了频率牵引效应具有实现自由电子激光器(FEL)频率精细调谐的可能性，而没有从实验方面进行论证。且理论结果表明只有在超短脉冲FEL中，才能通过频率牵引效应实现频率调谐，而在标准注入脉冲FEL中则不行。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于频率牵引效应的光纤激光器，通过对布里渊光纤激光器中作布里渊增益介质的光纤施加可调谐应力，改变其布里渊频移和布里渊增益曲线，进而通过频率牵引效应来精细调谐激光频率，结合泵浦光源的宽带调谐能力，实现了宽带且频率精细可调的光纤激光器。本发明不需要额外的可调谐光学滤波器和激光谐振腔腔长调节装置，具有结构简单且成本低廉的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：单频可调谐光源、光纤放大器、光学谐振腔和光纤拉伸装置，其中：单频可调谐光源与光纤放大器相连传输单频激光信号，光纤放大器与光学谐振腔的输入端口相连传输放大后的单频激光信号，光学谐振腔中的单模光纤均匀地绕在光纤拉伸装置中且单模光纤的两端固定在光纤拉伸装置的两端。

所述的单频可调谐光源为DFB单频可调谐光源、DBR单频可调谐光源、外腔式半导体单频可调谐光源、二氧化碳单频可调谐光源或染料单频可调谐光源中的一种。

所述的光纤放大器用于放大单频可调谐光源输出的单频激光信号，包括：第一泵浦源、第二泵浦源、第一波分复用器(WDM)、第二WDM和掺杂光纤，其中：第一泵浦源与第一WDM的一个分波端相连传输泵浦光，单频可调谐光源与第一WDM的另一个分波端相连传输单频激光信号，第一WDM的合波端与掺杂光纤的一端相连传输激光信号，掺杂光纤的另一端与第二WDM的合波端相连传输激光信号，第二WDM的一个分波端与第二泵浦源相连传输泵浦光，第二WDM的另一个分波端作为所述的光纤放大器的输出端口与光学谐振腔的输入端口相连以传输放大后的单频激光信号。

所述的掺杂光纤为掺铒光纤、掺镱光纤或掺铥光纤中的一种。

所述的光学谐振腔用于产生频率精细可调激光，包括：光纤环形器、光纤偏振控制器、单模光纤和三端口耦合器，其中：光纤环形器的第一个端口作为所述的光学谐振腔的输入端口与光纤放大器的输出端口相连，光纤环形器的第二个端口与光纤偏振控制器的一端相连，光纤偏振控制器的另一端与单模光纤一端相连，单模光纤另一端与三端口耦合器的第一输出端口相连，三端口耦合器的第一输入端口与光纤环形器的第三端口相连，三端口耦合器的第二输出端口空置，作为光纤激光器的输出端口。

所述的单模光纤为色散补偿光纤、色散位移光纤、非零色散位移光纤、普通单模光纤或高非线性光纤中的一种。

所述的光纤拉伸装置用于对光学谐振腔中的单模光纤施加可调谐应力，包括：第一鼓轮、第二鼓轮、一维平移台和基板，其中：第一鼓轮固定于一维平移台，一维平移台固定于基板，第二鼓轮固定于基板。所述的单模光纤一端固定在第一鼓轮上，另一端固定在第二鼓轮上，中间部分均匀地绕在第一鼓轮和第二鼓轮之间。

本发明的工作原理是：单频可调谐光源作为信号源，其输出的单频激光信号经光纤放大器放大后作为布里渊泵浦光输入到光学谐振腔中，当注入的布里渊泵浦光功率超过谐振腔受激布里渊散射阈值时，谐振腔中将形成布里渊激光，此时激光器为一个布里渊光纤激光器，布里渊激光的频率f为f＝f₀-v_B    (1)

其中：f₀为布里渊泵浦光频率，也即为单频可调谐光源的输出频率，v_B为布里渊泵浦光波长为λ_p时单模光纤的布里渊频移，为：v_B＝2nυ_A/λ_p    (2)

其中：λ_p＝c/(nf₀)    (3)

n为单模光纤在泵浦波长λ_p处的折射率，c为真空中光速。υ_A为光纤中的声速，它只与光纤本身性质有关，且有

其中：γ为光纤材料的杨氏模量，ρ为光纤材料的体密度。当光纤受到拉伸应力作用时，光纤中的声速υ_A会变大，布里渊频移v_B也会变大。

由(1)式可知，当光纤的布里渊频移v_B固定时，布里渊激光频率f受布里渊泵浦光频率f₀的控制。实际上，布里渊泵浦光的调谐范围、调谐速度和调谐精度都将传递给布里渊激光。一般而言，布里渊泵浦光的调谐范围可达百nm量级，因此布里渊激光的调谐范围也将达百nm量级。但是布里渊泵浦光的调谐精度一般只有10皮米(pm)，也即GHz量级，所以单纯依靠布里渊泵浦光，布里渊激光的调谐精度也将只能达到GHz量级。为了更精细调谐布里渊激光的频率，可以通过光纤拉伸装置对激光谐振腔中做布里渊增益介质的单模光纤施加可调谐应力，改变光纤中的声速υ_A和布里渊频移v_B，进而精细调谐布里渊激光频率f。

单模光纤的布里渊增益谱宽一般为20～50MHz，为了使布里渊光纤激光器运行在单纵模状态，也即严格保证激光器单频输出，激光器的自由频谱宽度要接近或大于布里渊增益谱宽，这样在布里渊增益带宽内则可以保证只有单纵模振荡。由激光器的自由频谱宽度(FSR)的公式：

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{\mathrm{nL}}---\left(5\right)$

可知，为了使FSR较大，最简单的方法就是减小激光谐振腔长度L。当布里渊泵浦光频率f₀固定时，对激光谐振腔中作布里渊增益介质的单模光纤施加应力，将增大单模光纤的布里渊频移v_B，也将改变其布里渊增益频谱的位置。由激光器的频率牵引效应可知，布里渊光纤激光器中的振荡模(单纵模)在频率轴上将随着布里渊增益频谱的移动而移动一定的距离，也即布里渊光纤激光器将可以在一定的范围内连续调谐。在一个自由频谱宽度内，基于频率牵引效应的布里渊光纤激光器的连续可调范围Δf为：

其中：σ_c为布里渊光纤激光器的谐振腔线宽，σ_g为单模光纤的布里渊增益谱宽。一般而言，Δf小于FSR，所以在激光调谐过程中，将存在跳模现象，也即存在激光频率突变现象。在一个自由频谱宽度内，跳模引起的激光频率突变大小为(FSR-Δf)。

上述调谐方法的特点在于它不直接对激光频率进行调谐，而是如式(1)所示，它对激光频率有间接影响的声波频率进行调谐，进而实现激光频率的调谐，因此不同于传统的光学调谐方法，上述激光调谐方法可以认为是基于声学处理方法，也即可定义为声学调谐方法。由于布里渊频移(声波频率)大小一般为10GHz量级，比光频200太赫兹(THz)小4个量级，所以声学调谐方法的调谐精度将大大提高，一般可达数十kHz量级。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：和使用传统的光学调谐方法的激光器相比，本发明实现的基于频率牵引效应的宽带、频率精细可调的光纤激光器的调谐精度可提高三到四个数量级。并且不需要使用额外的可调谐光学滤波器和激光谐振腔腔长调节装置，即可实现激光频率的精细调节，具有结构简单和成本低廉的优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为三端口耦合器的结构示意图；

图3为激光器输出频率精细调谐示意图；

其中：1单频可调谐光源、2第一泵浦源、3第一WDM、4掺杂光纤、5第二WDM、6第二泵浦源、7光纤环形器、8光纤偏振控制器、9单模光纤、10三端口耦合器、11基板、12一维平移台、13第一鼓轮、14第二鼓轮、15第一输入端口、16第一输出端口、17第二输出端口。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：单频可调谐光源1、光纤放大器、光学谐振腔和光纤拉伸装置，其中：单频可调谐光源1与光纤放大器输入端相连，以放大单频可调谐光源1输出的单频激光信号，光纤放大器的输出端与光学谐振腔的输入端相连，以输入放大后的单频激光信号作布里渊泵浦光。光纤谐振腔中的单模光纤9两端分别固定在光纤拉伸装置的两端，单模光纤9的中间部分均匀地绕在光纤拉伸装置上以施加可调谐应力。

所述的光纤放大器用于放大单频可调谐光源1输出的单频激光信号以作布里渊泵浦光，包括：第一泵浦源2、第二泵浦源6、第一WDM 3、第二WDM 5、掺杂光纤4，其中：第一WDM 3的一分波端口与单频可调谐光源1相连，第一泵浦源2与第一WDM 3的另一分波端口相连，第一WDM 3的合波端口与掺杂光纤4一端相连，掺杂光纤4的另一端与第二WDM 5的合波端口相连，第二WDM 5的一分波端口与第二泵浦源6相连，第二WDM 5的另一分波端口作为光纤放大器的输出端口与光学谐振腔的输入端口相连。

所述的光学谐振腔用于产生布里渊激光，包括：光纤环形器7，光纤偏振控制器8，单模光纤9和三端口耦合器10，其中：光纤环形器7的第一端口作为所述的光学谐振腔的输入端口与第二WDM 5的一分波端口相连，光纤环形器7的第二端口与光纤偏振控制器8的一端口相连，光纤偏振控制器8的另一端口与单模光纤9的一端口相连，单模光纤9的另一端口与三端口耦合器10的第一输出端口相连，三端口耦合器10的第一输入端口与光纤环形器7的第三端口相连，三端口耦合器10的第二输出端口空置，作为布里渊光纤激光器的输出端口。

所述的光纤拉伸装置用于对单模光纤9施加可调谐应力，进而实现光纤激光器频率调谐，包括：基板11，一维平移台12、第一鼓轮13和第二鼓轮14，其中：第一鼓轮13固定于一维平移台12，一维平移台12固定于基板11，第二鼓轮14固定于基板11，单模光纤9一端固定于第一鼓轮13，单模光纤9另一端固定于第二鼓轮14，单模光纤9中间部分均匀绕在第一鼓轮13和第二鼓轮14之间。

所述的三端口耦合器的结构示意图如图2所示。

本实施例中所述的单频可调谐光源1为外腔式半导体单频可调谐光源，调谐范围为1468-1589nm，调谐精度为10pm。

所述的第一泵浦源2输出波长为980nm，最大输出功率为330mW，第二泵浦源6输出波长为980nm，最大输出功率为250mW，两个泵浦源的功率都可以连续调节。

所述的掺杂光纤4为掺铒光纤，长度为22m，掺杂浓度为400ppm。

所述的单模光纤9为普通康宁单模光纤，型号为SMF-28，长度为10m。

本实施例工作时，将单频可调谐光源1的输出光功率调到最大(1mW)，将第一泵浦源2和第二泵浦源6的输出功率调到最大，单频信号光经过光纤放大器放大后功率上升到208mW，再经过光纤环形器7滤除多余的980nm泵浦光后输入到光学谐振腔作为布里渊泵浦光。通过一维平移台12对单模光纤9进行拉伸，可对单模光纤9施加不同大小的应力，进而可以改变单模光纤9的布里渊频移大小，实现激光输出频率的精细调节。激光输出频率随单模光纤9拉伸的变化示意图如图3所示。如图3所示，在激光器的一个自由频谱范围(20.1MHz)内，连续可调范围为6.2MHz，跳模大小为13.9MHz，其调谐精度可达14.2kHz。