一种波长可切换可调谐的双波长单频光纤激光器

1.本发明涉及单频光纤激光器领域，尤其涉及一种基于双折射效应的波长可切换可调谐的双波长单频光纤激光器。


背景技术：

2.双波长单频光纤激光器相比于单一波长的单频光纤激光器，在气体传感系统中具有多参数检测和分布式光纤传感的优势。基于不同稀土掺杂的有源光纤和波长选择手段，已经实现了工作在1μm、1.5μm以及2μm波段的双波长单频光纤激光输出。为实现双波长激光的单频运转，首先激光谐振腔需采用特殊的选频方法实现单频运转，一般可采用超短腔、级联子腔或可饱和吸收体等。超短腔法一般结合光栅阵列、光栅组或基于保偏光纤光栅的偏振烧孔效应实现双波长单频光纤的激光输出，基于超短腔法虽然可以实现较为稳定的双波长激光输出，但较短的有源光纤长度限制了激光输出功率的提升。高精细度子腔或可饱和吸收体方法多用于环形腔结构的光纤振荡器中，并且其较长的腔长可以容纳丰富的波长选择方式，例如：光纤光栅组、f-p腔、马赫曾德干涉仪、级联sagnac环、多模干涉器件或保偏光纤光栅等，但多个子腔的设置在增加谐振腔复杂度的同时，也使得激光器单频运转的稳定性受到极大挑战，尤其是在较高的泵浦功率下难以保持单频运转条件，最高的双波长单频输出功率同样为数十毫瓦量级。可饱和吸收体选频方法广泛应用于线型腔和环形腔结构的双波长单频光纤激光器中，结合上述双波长滤波器实现双波长激光的振荡，利用未泵浦有源光纤中的空间烧孔效应实现具有两个透射波长的窄带折射率光栅，同时满足双波长激光的单频运转条件，是一种适用于双波长单频运转的优良选频方式。虽然双波长单频光纤激光器被广泛报道，但是其输出功率普遍偏低，最高仅为百毫瓦量级，并且难以同时实现双波长激光的波长调谐和切换。
3.综上所述，虽然双波长单频激光器已经得到了广泛报道，但是在实现双波长单频基础上，获得较高的输出功率以及实现波长的调谐和切换仍然是该领域的技术难题，并且目前的双波长单频光纤激光器均难以同时实现波长的切换和调谐。基于保偏光纤的双折射效应，获得的光纤光栅中心反射波长分别位于保偏光纤的快轴和慢轴，利用其作为激光腔波长选择器件，结合可饱和吸收体作为超窄带滤波器件，是实现双波长单频光纤激光的一种简单方式。此外，保偏光纤光栅在纵向拉力的作用下对其反射谱的中心波长以及反射率产生调制作用，这为双波长激光的波长切换和调谐提供了可能。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种波长可切换可调谐的双波长单频光纤激光器，本发明利用保偏光纤光栅的双折射效应获得双波长激光运转，通过对光纤光栅施加径向拉力实现对双波长激光的切换与调谐，进一步将可饱和吸收体作为选频器件实现激光的单纵模运转，详见下文描述：
5.一种波长可切换可调谐的双波长单频光纤激光器，所述激光器包括：部分反射保
偏光纤光栅、增益光纤、波分复用器、泵浦源、3db光纤耦合器和未泵浦有源光纤；
6.所述部分反射保偏光纤光栅作为反射腔镜的同时实现激光输出，利用光纤的双折射效应，产生双波长激光，并在纵向应力作用下实现波长调谐以及波长切换；
7.3db光纤耦合器和未泵浦有源光纤组成sagnac环反射器，为激光器提供反馈，且作为选频器件实现单纵模运转。
8.其中，部分反射保偏光纤光栅中包括两个反射带，短波反射带对应快轴，长波反射带对应慢轴，二者在激光谐器中同时形成振荡，并且为正交的线偏振激光。
9.进一步地，所述波长调谐为：
10.对部分反射保偏光纤光栅施加径向应力，改变折射率调制周期，从而改变反射带的中心波长；在激光振荡过程中，通过改变施加在部分反射保偏光纤光栅上的径向拉力实现激光波长的调谐。
11.其中，所述波长切换为：
12.对部分反射保偏光纤光栅施加径向拉力，改变光栅反射带的中心波长实现激光波长的调谐；改变短波反射带和长波反射带的反射率，实现激光波长的切换。
13.进一步地，双波长激光在可饱和吸收体内形成具有两个窄透射带的折射率调制光栅，同时满足两个波长的选频。
14.其中，所述部分反射保偏光纤光栅的中心波长是近红外至中红外任意波长。所述增益光纤的掺杂离子是镱离子、铥离子、铒离子、或钬离子。
15.所述未泵浦有源光纤的掺杂离子是镱离子、铥离子、铒离子、或钬离子。所述泵浦源波长满足增益光纤的吸收条件。
16.本发明提供的技术方案的有益效果是：
17.(1)本发明利用双折射现象实现双波长激射，在近红外至中红外波长范围内都有着较强的适用性；对光纤光栅施加纵向应力，可实现对波长的切换和调谐，无需额外的光学器件；
18.(2)本发明采用线型腔结构，通过增加有源光纤的长度，可保证足够的激光增益，实现较高功率的激光输出；
19.(3)本发明利用可饱和吸收体实现选频，可实现在双波长、单波长状态下的单纵模运转，并且在激光波长调谐范围内均可实现有效选频，实现可调谐的单频激光运转；
20.(4)本发明仅利用光纤光栅即可同时满足双波长、单波长、波长调谐、波长切换运转状态的需要，方式简单，极大简化了激光器系统的结构。
附图说明
21.图1为波长可切换可调谐的双波长单频光纤激光器的结构示意图。
22.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
23.1：未泵浦有源光纤；2：3db的2
×
1光纤耦合器；
24.3：增益光纤；4：保偏输出光纤光栅；
25.5：波分复用器；6：泵浦源；
26.7(1)：左侧光纤光栅夹持及应力施加装置；
27.7(2)：右侧光纤光栅夹持及应力施加装置。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
29.利用保偏光纤光栅的双折射效应获得双波长激光运转，通过对光纤光栅施加径向拉力实现对双波长激光的切换与调谐，进一步将可饱和吸收体作为选频器件实现激光的单纵模运转，该方案具体如下：
30.一种波长可切换可调谐的双波长单频光纤激光器由部分反射保偏光纤光栅4、增益光纤3、波分复用器5、泵浦源6、3db光纤耦合器2和未泵浦有源光纤1组成。
31.其中，部分反射保偏光纤光栅4一方面作为反射腔镜的同时实现激光输出，另一方面利用光纤的双折射效应，产生双波长激光，并在纵向应力作用下实现波长调谐以及波长切换。
32.其中，3db的2
×
1光纤耦合器2和未泵浦有源光纤1组成sagnac环反射器，一方面为激光器提供反馈，另一方面作为选频器件实现单纵模运转。sagnac环反射器为本领域公知的技术术语，本发明实施例对此不做赘述。
33.其中，增益光纤3吸收泵浦源6注入的泵浦激光，形成粒子数反转，从而为激光器提供增益。
34.双波长激光的产生原理如下：在部分反射保偏光纤光栅4中存在的双折射现象使其拥有两个反射带，短波反射带对应快轴，长波反射带对应慢轴，二者在激光谐器中同时形成振荡，并且二者为正交的线偏振激光。
35.进一步地，双波长激光的调谐原理如下：通过对部分反射保偏光纤光栅4施加径向应力，可改变其折射率调制周期，从而改变反射带的中心波长。在激光振荡过程中，通过改变施加在部分反射保偏光纤光栅4上的径向拉力能够实现激光波长的调谐。
36.进一步地，双波长激光的波长切换原理如下：通过对部分反射保偏光纤光栅4施加径向拉力，一方面可以改变光栅反射带的中心波长实现激光波长的调谐；另一方面通过改变短波反射带和长波反射带的反射率，从而影响双波长激光的增益竞争状态，实现激光波长的切换。
37.进一步地，双波长激光单纵模运转的实现：利用未泵浦有源光纤1和3db的2
×
1光纤耦合器2组成可饱和吸收体实现选频。双波长激光在可饱和吸收体内会形成具有两个窄透射带的折射率调制光栅，可同时满足两个波长的选频。
38.其中，部分反射保偏光纤光栅4的中心波长可以是近红外至中红外任意波长。
39.其中，增益光纤3的掺杂离子可以是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子等，只要满足部分反射光纤光栅4的中心波长激射条件即可。
40.进一步地，未泵浦有源光纤1的掺杂离子可以是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子等，只要可实现对部分反射保偏光纤光栅4中心波长激光的可饱和吸收效应即可。
41.进一步地，泵浦源波长只需满足增益光纤3的吸收条件即可。
42.实施例1
43.一种波长可切换可调谐的双波长单频光纤激光器，该激光器基于双折射效应，其中，未泵浦有源光纤1优选为11m铥钬共掺光纤，3db的2
×
1光纤耦合器2优选为50/50的2050nm光纤耦合器，增益光纤3优选为10m掺铥光纤，部分反射保偏光纤光栅4优选为刻写在
pm1550光纤上的中心波长2050nm、反射率50％、反射带宽0.07nm的保偏光纤光栅，波分复用器5优选为1570/2050nm滤波式波分复用器，泵浦源6优选为1570nm光纤激光器。
44.其中，左侧光纤光栅夹持及应力施加装置7(1)与右侧光纤光栅夹持及应力施加装置7(2)用于固定部分反射保偏光纤光栅4，且施加纵向应力。
45.具体实现时，该应力施加装置可以为三维调整架，在三维调整架上固定一光纤加持装置，通过旋钮调整三维调整架的前进和后退来对部分反射保偏光纤光栅4施加径向拉力。本发明实施例对应力施加装置的具体实现方式，结构不做限制，只要能夹持光纤并调节拉力即可。
46.其中，泵浦源6的输出功率为5w，部分反射保偏光纤光栅4未施加纵向拉力时，可实现输出功率1w的双波长的单频运转。通过对部分反射光纤光栅4施加径向拉力，可同时实现波长调谐和波长切换，波长调谐范围为5nm。在波长切换过程中，激光输出功率没有明显改变。
47.上述实施例中，部分反射保偏光纤光栅4的中心波长可以是近红外至中红外任意波长；增益光纤3的掺杂离子可以是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子等，只需满足部分反射保偏光纤光栅4的中心波长激射条件即可。
48.上述实施例中，未泵浦有源光纤1的掺杂离子可以是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子等，泵浦源6的波长只需满足未泵浦有源光纤1对泵浦激光的吸收条件即可，泵浦源6的波长只需满足增益光纤3的吸收条件即可。
49.上述实施例中，光纤光栅夹持及应力施加装置7(1)和7(2)只需要对部分反射保偏光纤光栅4施加有效的径向拉力并不破坏光纤物理结构即可。
50.其中，部分反射保偏光纤光栅4一方面作为反馈腔镜实现激光输出，另一方面用于提供双折射效应，产生双波长激光；通过对部分反射光纤光栅4施加径向拉力实现波长调谐以及波长切换控制。
51.通过sagnac环反射器和部分反射保偏光纤光栅4构成的谐振腔，实现双波长激光在谐振腔内的同时振荡，且二者为正交的线偏振激光。
52.通过对部分反射保偏光纤光栅4施加径向拉力，可改变其折射率调制周期，进而改变反射带的中心波长。在激光振荡过程中，通过改变施加在部分反射保偏光纤光栅4上的径向拉力可实现对激射波长的调谐。
53.其中，部分反射光纤光栅4的中心波长可以为近红外至中红外任意波长。
54.进一步地，增益光纤3的掺杂离子可以是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子等满足部分反射光纤光栅4的中心波长激射条件即可。
55.其中，未泵浦有源光纤1的掺杂离子可以是镱离子、铥离子、铒离子、钬离子等，对位于部分反射光纤光栅4中心波长的激光具有可饱和吸收特性即可。
56.进一步地，泵浦源6的波长需位于增益光纤3掺杂的稀土离子吸收带内即可。
57.本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
58.本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
59.以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。