一种单偏振态、单纵模光纤激光器的制作方法

1.本发明属于光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种单偏振态、单纵模光纤激光器。


背景技术：

2.分布反馈光纤激光器是近年来发展的一种新型光纤激光器，利用相移光栅作为波长选择元件，具有结构简单紧凑、线宽窄、噪声低、抗电磁干扰以及易于大规模组阵复用等优点，在地震波传感、干涉测量传感器、激光雷达、相干通信等领域被广泛应用，是光纤激光器的一个重要分支。
3.激光器主要由泵浦源、增益介质、谐振腔三部分组成。分布反馈光纤激光器的谐振腔由一个相移光栅组成，用来形成激光振荡。传统的分布反馈光纤激光器使用的相移光栅由于偏振无关，故输出激光具有两个正交的偏振态，若不使用偏振控制元件则无法获得单偏振态输出，而正交偏振态激光的拍频信号的相位噪声远高于激光器的背景热噪声，导致激光器线宽展宽与相位噪声增大，严重影响激光器的性能，而使用偏振控制元件获得单偏振态激光输出则存在插入损耗较大、不易集成与封装以及成本较高等问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种单偏振态、单纵模光纤激光器，旨在解决现有单偏振态激光输出则存在插入损耗较大、不易集成与封装以及成本较高的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种单偏振态、单纵模光纤激光器，包括：泵浦光源、波分复用器、45度倾斜相移光栅和光隔离器；泵浦光源的输出端与波分复用器的第一输入端相连，波分复用器的输出端通过第一熔接点与45度倾斜相移光栅的一端相连，45度倾斜相移光栅的另一端通过第二熔接点与光隔离器的输入端相连；
6.所述泵浦光源用于提供泵浦光；所述45度倾斜相移光栅用于在二阶布拉格反射中心波长下，作为谐振腔使激光形成振荡抑制其他纵模，实现单纵模输出；输出的激光分为两个相对方向的第一输出激光和第二输出激光；
7.所述波分复用器用于分离泵浦光与从返回至波分复用器的第二输出激光；
8.所述光隔离器用于控制第一输出激光单向传输。
9.进一步地，所述泵浦光源可以选择半导体激光器、光纤激光器或者混合激光器系统，其能确保提供的泵浦光输出功率与中心波长满足所泵浦的单偏振态、单纵模光纤激光器输出激光的产生条件；若预期产生1550nm波段的单偏振态激光输出，泵浦光源可采用中心波长为976nm或915nm的半导体激光器、光纤激光器或者混合激光器系统。
10.进一步地，45度倾斜相移光栅包括稀土掺杂光波导，如非保偏稀土掺杂石英玻璃光纤、非保偏稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤等，光栅的二阶布拉格反射波长与预设输出激光中心波长匹配，满足产生所需波段单偏振态、单纵模输出激光的条件，同时，该光栅在该波段
偏振相关消光比接近峰值，具有良好的偏振选择特性；若预期产生1550nm波段的单偏振态、单纵模激光输出，45度倾斜相移光栅的二阶布拉格反射中心波长应为1550nm。
11.单偏振态、单纵模输出光纤激光器的原理具体如下：
12.在非保偏稀土掺杂光波导中刻写45度倾斜相移光栅，周期为λ，长度为l厘米，π相移点位于光栅中心处，其作用为在45度倾斜相移光栅阻带内形成唯一的窄线宽透射窗口。
13.其中，45度倾斜相移光栅的中心波长λb满足以下关系：
14.mλb＝2n
eff
λ
axis
15.其中，m取正整数，表示45度倾斜相移光栅的反射阶次，n
eff
为纤芯的有效折射率，λ
axis
为轴向光栅周期，λb为45度倾斜相移光栅的中心波长，处在所用稀土掺杂光波导的增益带宽内。
16.泵浦光注入含有45度倾斜相移光栅的稀土掺杂光波导，稀土离子吸收泵浦光后跃迁至高能级，又发生无辐射跃迁跃迁至上能级，最终形成粒子数反转。自发辐射光会引发同频受激辐射，使稀土离子从激光上能级跃迁到激光下能级，处于45度倾斜相移光栅布拉格波长范围内的光在谐振腔内不断被反射，形成受激幅射光放大。由于45度倾斜相移光栅在中心波长处打开了一个透射窗口，该波长处的激光损耗最小。由于模式竞争效应，该波长处的激光形成振荡后将抑制其它纵模的产生，从而在该波长处选择性地实现单纵模窄线宽输出。
17.由于光栅的折射率变化相比于光波导的有效折射率极小，故在预设的激光器输出波长范围内其布儒斯特角为45度，等于光栅倾角，故处于s偏振态的激光通过光栅时将以辐射模的形式耦合出去，损耗较大，仅有处于p偏振态的激光能以较低的损耗在谐振腔内形成振荡，而由相位匹配条件计算可得45度倾斜相移光栅在λb处偏振消光比取极大值，且在激光器工作波长范围内均能保持高偏振消光比，因此能稳定实现良好的单偏振态输出。
18.进一步地，所述波分复用器工作波长分别对应泵浦光与单偏振态、单纵模输出光纤激光器输出激光的波长；若预期产生1550nm波段的单偏振态、单纵模激光输出，同时采用976nm激光器泵浦，则应选择980/1550nm的波分复用器。
19.进一步地，所述波分复用器的对应光纤激光器输出激光波长的端口亦可作为输出端口，或接入反馈光路为所述单偏振态、单纵模输出光纤激光器提供反馈；若所述波分复用器的对应光纤激光器输出激光波长的端口作为输出端口，则其应与一个非保偏光隔离器相连，此时由所述光隔离器第二端输出的激光可接入反馈光路为所述单偏振态、单纵模输出光纤激光器提供反馈。
20.进一步地，所述光隔离器偏振无关，工作波段包含单偏振态、单纵模输出激光器输出激光的波长范围；若预期产生1550nm波段的单偏振态、单纵模激光输出，则应选择中心波长为1550nm的光隔离器。
21.进一步地，可以利用紫外光或飞秒激光刻写制备所述45度倾斜相移光栅。
22.利用相位掩模板法刻写所述45度倾斜相移光栅的流程，包括如下步骤：
23.步骤1，取预设长度的稀土掺杂光波导，两端与普通单模光纤耦合，进行载氢处理后存放在-40℃冰箱中；
24.步骤2，搭建光栅刻写平台，调试好光路，设置准分子激光器与电动位移台参数，并
使相位掩模板与水平桌面保持特定角度，对于光纤，应为33.7度；对于其它光波导，应为45度；
25.步骤3，将ase光源直接接入光谱仪，设置好参数；
26.步骤4，取出步骤1中所述光波导，若光波导为光纤则还需去除待刻写区域的涂覆层，用酒精浸润的擦镜纸擦拭待刻写区域后用夹具固定，使待刻写区域与掩模板与水平桌面平行并处于合适的位置；
27.步骤5，调节相位掩模板与待刻写区域的距离至1mm以内，将光波导两端分别接步骤3所述ase光源与光谱仪以便刻写时实时监测透射谱；
28.步骤6，启动准分子激光器或飞秒激光器与电动位移台，刻写光栅，刻写时控制紫外光能量足够高以实现饱和曝光，从而增强所述45度倾斜相移光栅的二阶布拉格反射效应；
29.步骤7，刻写结束后，取下光波导，置于恒温箱中进行退火处理，若光波导为光纤，则退火结束后还需用光纤涂敷机涂敷裸纤区域。
30.利用飞秒激光直写技术刻写所述45度倾斜相移光栅的流程，包括如下步骤：
31.步骤1，取预设长度稀土掺杂光波导，两端与普通单模光纤耦合；
32.步骤2，搭建光栅刻写平台，调试好光路，设置飞秒激光器与刻写平台参数；
33.步骤3，将ase光源直接接入光谱仪，设置好参数；
34.步骤4，取出步骤1中所述光波导，用酒精浸润的擦镜纸擦拭待刻写区域后用夹具固定在刻写平台上，使待刻写区域与聚焦物镜保持45度夹角，与水平桌面平行并处于合适的位置；
35.步骤5，调节聚焦物镜与待刻写区域的距离至合适值，使飞秒激光光束精确聚焦定位于光波导待刻写区域内一个穿过中心轴线的平面上，将光波导两端分别接步骤3所述ase光源与光谱仪以便刻写时实时监测透射谱；
36.步骤6，启动飞秒激光器与刻写平台，刻写光栅，刻写时控制飞秒激光能量足够高以实现饱和曝光，从而增强所述45度倾斜相移光栅的二阶布拉格反射效应。
37.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
38.1、与其它分布反馈光纤激光器相比，本发明的单偏振态、单纵模输出光纤激光器能获得稳定的单偏振态、单纵模激光输出且无需额外的偏振控制元件，因为相移光栅不具备偏振选择作用，故输出激光具有两个正交的偏振态，若想实现单偏振态、单纵模输出则需引入偏振选择元件，从而增加系统的复杂度与制作成本，不利于小型化与封装，且可能受环境影响。
39.2、本发明的单偏振态、单纵模输出光纤激光器在谐振腔内即获得了单偏振态、单纵模激光，不存在模式竞争与正交偏振态激光的拍频噪声，因而具有更窄的线宽与更好的频率稳定性。
40.3、本发明的单偏振态、单纵模输出光纤激光器无需使用保偏光纤与器件，45度倾斜相移光栅能同时作为单纵模选择元件与偏振控制元件，无需额外的偏振控制元件便可获得稳定的窄线宽单偏振态、单纵模输出，且易于封装、制造成本较低。
附图说明
41.图1为本发明的单偏振态、单纵模输出光纤激光器的结构示意图。
42.图2为第二种实施方式中的单偏振态、单纵模输出光纤激光器的结构示意图。
43.附图说明：
44.1、泵浦光源，2、波分复用器，3、第一熔接点，4、45度倾斜相移光栅，5、第二熔接点，6、光隔离器，7、斜8度角端面。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
46.本发明实施例提供了一种单偏振态、单纵模输出光纤激光器，如图1所示，包括：泵浦光源1、波分复用器2、45度倾斜相移光栅4和光隔离器6；所述泵浦光源1与所述波分复用器2的对应泵浦光源波长的端口连接，所述波分复用器2的公共端通过第一熔接点3与45度倾斜相移光栅4的一端连接，所述45度倾斜相移光栅4的另一端通过第二熔接点5与光隔离器6的输入端连接，泵浦光源1产生的泵浦光，通过波分复用器2输入45度倾斜相移光栅4的一端，受激辐射产生的激光通过45度倾斜相移光栅4时仅有特定波长范围与p偏振态的激光损耗较小，小于在谐振腔内的增益，能形成振荡，从45度倾斜相移光栅的另一端输出，经光隔离器6输出。另一路返回至波分复用器2后输出。
47.根据本发明提供的单偏振态、单纵模输出光纤激光器，所述泵浦光源与所述波分复用器的对应泵浦光源波长的端口连接，可以是直接连接，也可以是泵浦光源输出端通过无源光纤与所述波分复用器的对应泵浦光源波长的端口连接。具体的，若有多个泵浦光源，则所述多个泵浦光源应经过合束器合束，由合束器输出端与所述波分复用器的对应泵浦光源波长的端口连接。
48.根据本发明提供的单偏振态、单纵模输出光纤激光器，所述波分复用器应为非保偏波分复用器，至少有3个端口，分别为公共端、对应泵浦光源波长的端口以及对应输出激光波长的端口。
49.具体实施方式中，所述光隔离器输出端还连接有传输光纤或光纤端帽。所述泵浦光源、刻写有45度倾斜相移光栅的有源光纤、传输光纤或光纤端帽通过光纤熔接的方法连接一起。
50.根据本发明提供的单偏振态、单纵模输出光纤激光器，所述45度倾斜相移光栅刻写在非保偏稀土掺杂光波导上，在激光器输出波长范围内其具有极高的偏振消光比，能获得偏振度大于99.8％的窄线宽激光输出。
51.一些实施方式中，所述有源光波导为掺镱光波导、掺铒光波导、铒镱共掺光波导、掺铥光波导中任一种。
52.作为第二种具体实施方式，如图2所示，包括泵浦光源1、波分复用器2、45度倾斜相移光栅4、光隔离器6以及斜8度角端面7，所述泵浦光源1与所述波分复用器2的对应泵浦光源波长的端口连接，所述波分复用器2的公共端通过第一熔接点3与45度倾斜相移光栅4的
一端连接，所述45度倾斜相移光栅4的另一端为斜8度角端面7。
53.本具体实施方式中，泵浦光源1产生的泵浦光经波分复用器2注入到45度倾斜相移光栅4所在的非保偏稀土掺杂光波导中，受激辐射产生的激光经45度倾斜相移光栅4选频与偏振态控制后在谐振腔内产生谐振，依次经波分复用器2与光隔离器6输出。另一路激光经过斜8度角端面7后极大部分透射至空气中。
54.值得说明的是，本发明所展示为3端口波分复用器，可以根据需求，选择其它规格的波分复用器。
55.具体地，激光器输出激光的中心波长可以为1064nm、1550nm、2000nm。
56.具体地，泵浦光源1可以选择多种波长的泵浦光源，如976nm的泵浦光源、915nm的泵浦光源或1550nm的泵浦光源，也可以将多个波长相同的泵浦光源合束后或直接接入相应数目端口的波分复用器提供泵浦光。
57.具体地，波分复用器2的一个端口、45度倾斜相移光栅4与光隔离器的工作波段应包含激光器输出激光波长范围，条件允许时，应使波分复用器2的一个端口、45度倾斜相移光栅4与光隔离器的中心波长与激光器输出激光中心波长一致。
58.具体地，刻写有45度倾斜相移光栅4的光波导可以为稀土掺杂光纤或稀土掺杂平面光波导。
59.具体地，该激光器可以被置于恒温隔震封装中，以获得更加稳定的输出。
60.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。