专利名称：单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤激光器，更特别地说，是指一种具有窄线宽(线宽小于 IOA他)、单偏振(偏振度〉20必)、输出波长在1060"m、相干长度达10^以 上的单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器。
背景技术：
光纤激光器是在光纤放大器的技术基础上发展起来的，与光纤放大器类似，它的 增益介质是一段掺杂光纤，和相应器件组合成一个有源谐振腔， 一般是在半导体激光 的泵浦下实现激光的输出。作为一种新型的光源它具有独特的优点光纤输出使用灵 活，可以在恶劣的环境下工作，结构紧凑，能量密度高，抗电磁千扰性强，泵浦阈值 低，转换效率高，可调谐范围宽，无需加散热等等，允其可以很容易的获得光纤通信 C波段的输出，并与光纤系统天然耦合。光纤激光器适用于高端测试、传感等领域。
在一些非接触，大光程差相千光纤传感测量中，由于传统光纤激光器线宽较宽， 在短距离检测时体现不出来的光源相位噪声成为噪声的重要来源之一，由此导致了千 涉系统信噪比的迅速降低。
由于光纤激光器典型腔长都可以达到几十米，所以纵模间隔非常窄，而整个增益 区又很宽，这给选模带来了很大的困难。若只采用一般的滤波器如光纤光栅或者F-P 干涉仪，激光器一般将处在不规则的多纵模运转状态。 一种解决方案是缩短腔长，腔 长可以缩短到亚毫米量级，从而实现单纵模输出。上述方法虽然可以获得单纵模输出， 但是会降低激光输出功率，并且其调谐范围不可能太宽。
单频单偏振光纤激光器在光通信、传感、光谱学等领域有着广泛的应用。早在 20世纪60年代，就发现了 NcP掺杂的玻璃波导中的激光发射现象，80年代解决了 E一+掺杂有源光纤的热淬灭问题，使得光纤放大器成为可能。光纤放大器的成功和走 向成熟，极大地带动了各种各样的光纤激光器的研究。20世纪90年代，用紫外线 (UV)写入光纤光栅技术的不断成熟，使得光纤光栅成为光纤激光器极佳的选频器。 从此光纤激光器摆脱了采用体光学元件作为选频器的局面，使得光纤激光器小型化成 为可能，并使其可靠性极大地提高。
光纤光栅(FBG)实现的物理原理是光纤的光敏性，即光致折变效应。利用光 纤在紫外光照射下产生的光致折变效应，在纤芯上形成周期性的折射率调制分布，从 而对入射光波中相位匹配的频率产生相干反射，可在典型的0.1到几十纳米的带宽内 产生反射，反射率最高可达100%。光纤光栅的波长选择特性使之成为光纤器件中一 种重要的无源器件，受到普遍的关注。另外，光纤光栅还具有众多其他优点传输损 耗低、电磁千扰不敏感、易于光纤系统集成等优点，已广泛应用于光纤传感、光纤通 信和光信息处理等领域。 发明 内 容
本发明的目的是提供一种单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器，该光纤激光器是利 用光纤光栅作为线性腔光纤激光器的腔镜，其中采用单模光纤光栅组件2作为后腔 镜，在光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件3上的保偏光纤光栅作为输出的前腔镜， 采用掺镱光纤作为增益介质，可以在两个光栅及其中间的掺镱光纤形成长度小于 5cw的线性腔光纤激光器。在线性腔外的掺镱保偏光纤可以作为光纤放大器，将从 线性腔输出的激光信号放大，从而获得较髙功率的单频单偏振激光输出。
本发明的一种单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器，由半导体激光器泵浦源(1)、 单模光纤光栅组件(2)、光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(3)和单模保偏光纤 (4)组成，激光器泵浦源(1)的A端与单^莫光纤光栅组件(2)的B端熔接，单 模光纤光栅组件(2)的A端与光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(.3)的B端熔 接，光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(3)的A端与单模保偏光纤(4)的B端 按照0°角对轴熔接； '
单丰莫光纤光栅组件(2)由单模光纤(22)、单t莫光纤光栅(25)、 A半导体温度 控制器(23)、 B半导体l显度控制器(24)、壳体(21)构成，A半导体温度控制器 (23)、 B半导体温度控制器(24)为相同器件，A半导体温度控制器(23)与B 半导体温度控制器(24)对称放置分别固定安装在壳体(21)的两个内壁上；单模 光纤(22)设置在A半导体温度控制器(23)与B半导体温度控制器(24)之间， 且单模光纤(22)的A端、B端沿伸出壳体(21)夕卜；单模光纤(22)上刻蚀有单 模光纤光栅(25)，单模光纤光栅(25)仅位于A半导体温度控制器(23)与B半 导体温度控制器(24)之间；
光敏性应力双折射皿保偏光纤组件(3)是在应力双折射^l意保偏光纤(3b) 上刻蚀有保偏光纤光栅(3a)。
所述的单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器，其输出的激光波长为1060"加。 本发明单频单偏振线性腔^l意光纤激光器的优点在于
U)光纤激光器具有波导式结构，泵浦光被束缚在光纤内，可以在纤芯内产生 较高的泵浦光密度。同时能方便的的延长增益介质的长度，使泵浦光被充分吸收， 加之光纤的几何特点，使得这种光纤激光器具有较高的面积/体积比，散热快、损 耗小。这些特点决定了光纤激光器可以在较低的泵浦功率下工作在连续的输出状 态，而其它的块状玻璃介质的激光器仅能工作在脉冲状态，常需要较高的泵浦能 量以获得激光输出。
(2) 由于光纤激光器本质上是一种光纤结构，因此它可以以较高的耦合效率与目 前的光纤传输系统相连接。它的谐振腔由两个腔镜构成，由于可以采用光纤光栅作为 腔镜，可以设计出体积小、结构紧凑、重量轻的光纤激光器。
(3) 光纤激光器使得某些器件成为可能。利用定向耦合器的优点可以得到光纤形 式的分:^器，这一点对避免光纤系统连接时的衍射损耗非常有利。这样就可以不离开 光纤形式完成光波的分束，利用这一特点就可以形成全光纤反射器、干涉仪、谐振腔。 这种光纤激光器的设计使得波长调谐和窄谱线输出都成为可能。
(4) 可以利用半导体激光器作为泵浦源，因此意味着较低的成本即可得到大功率 泵浦源，实现较高的功率输出。
(5) 本发明无需进行特殊的偏振态控制，只需要对单模光纤光栅进行温度控制， 使其与保偏光纤光栅的一个偏振态的反射谱相匹配，即可获得单偏振激光输出。
(6) 线性腔外的掺镱保偏光纤31可以作为光纤放大器，将从线性腔输出的激光信 号放大，从而获得较高功率的单频单偏振激光输出。
图1是本发明单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器的结构框图。
图2是本发明单模光纤光栅组件的外部结构框图。
图2A是本发明未装配壳体的，光纤光栅组件的结构框图。
图2B是本发明单模光纤光栅组件中的单模光纤光栅结构图。
图3是^l意保偏光纤中镱离子自发辐射光经过i^光纤光WM件的反射谱图。
图4是,保偏光纤中镱离子自发辐射光经过光敏性应力双折射,保偏光纤组 件中的光纤光栅的反射谱图。
图5是本发明单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器的光路示意图。 图中 l.半导体激光器泵浦源 2.单模光纤光栅组件
3.应力双折l^保偏光纤组件 3&保偏光纤光栅3b.皿保偏光纤4.^保偏光纤 ll.泵浦光 12.C光 13.E光 21.壳体
22.1Mi光纤 23.A^体温度控制器 24.B半导体温度控制器
25.,光纤光栅31.A光 32.B光 33.F光 34.D光 35.G光
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明的一种单频单偏振线性腔^l意光纤激光器，由半导体激 光器泵浦源l、单模光纤光栅组件2、光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件3和保偏 光纤4组成，激光器泵浦源1的A端与单模光纤光栅组件2的B端采用单模,机 进行熔接，单模光纤光栅组件2的A端与光敏性应力双f斤射掺镱保偏光纤组件3的 B端采用单+莫熔接机进行熔接，光敏性应力双折射,保偏光纤组件3的A端与单 模保偏光纤4的B端采用保偏熔接机按照0°角对轴进行熔接。本发明单频单偏振 线性腔掺镱光纤激光器输出的激光具有线宽小于1CU他的窄线宽、偏振度>20必的 单偏振、输出1060卿波长、相千长度达10fen以上。
在本发明中，半导体激光器泵浦源1输出的泵浦光11具有976 ± 4 "/n的波长。 参见图2、图2A、图2B所示，在本发明中，单l莫光纤光栅组件2由单模光纤 22、单模光纤光栅25、 A半导体温度控制器23、 B半导体温度控制器24、壳体21 构成，A半导体温度控制器23与B半导体温度控制器24对称放置分别固定安装在 壳体21的两个内壁上；单模光纤22设置在A半导体温度控制器23与B半导体温 度控制器24之间，且单禾莫光纤22的A端、B端沿伸出壳体21外；单模光纤22 上刻蚀有单模光纤光栅25，，光纤光栅25仅位于A半导体温度控制器23与B 半导体温度控制器24之间，即单模光纤光栅25的长度与A半导体温度控制器23、 B半导体温度控制器24的长度相关。A半导体温度控制器23、 B半导体温度控制 器24选取相同器件，可以是天津市精易工贸有限公司生产的TEC1-4905型陶瓷平 禾反型一级半导体致冷组件。
单模光纤光栅组件2中的单模光纤光栅25中心波长A会随着光纤光栅折射率改
变而改变，也就是说，光纤光栅中心波长义会随着工作的环境温度r的变化而变化。 例如，对于中心波长为1060"附(纳米)的光纤光栅，中心波长义随工作温度:r漂 移量大约为0.013, rc。因此，光纤光栅中心波长;i会随着工作的环境温度r的变 化在实际应用过程中应加以控制，从而对单模光纤光栅组件2输出的反射谱进行调
节。参见图3所示，图中，经光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件3反射后B光32 (具有1060"m的单频单偏振正向激光)只有一个峰值，且反射率为100%。
参见图1、图5所示，在本发明中，光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件3是在 应力双折射掺镱保偏光纤3b上刻蚀有保偏光纤光栅3a。在保偏光纤光栅3a之后的 一段应力双折射掺镱保偏光纤3b是作为光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件3的光 纤放大器(该段掺镱保偏光纤是指与单，莫保偏光纤4的A端熔接的那段)。该光敏性 应力双折射掺镱保偏光纤组件3是利用应力型双折射掺镱保偏光纤3b具有两个本征 的偏振模特性，获得的保偏光纤光栅3a在两个正交的偏振态上具有不同波长的反射 谱(参见图4所示)，禾偶该特性可以只让一个偏振态上的光与单模光纤光栅组件2 输出的反射谱匹配，即可获得反馈形成的F光33 (具有放大后的1060"m的单频单 偏振激光)输出。光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件3中的保偏光纤光栅3a与单 丰莫光纤光栅组件2中的单纟莫光纤光栅25之间的间距即为线性腔(参见图5所示)， 该线性腔的腔长保持在小于等于5cm之内。这个小于等于5cm腔长保证了光敏性应 力双折射^l意保偏光纤组件3输出的G光35 (具有1060"w的单频单偏振激光) 的反射谱中一个峰值与单模光纤光栅组件2输出的反射谱匹配。从而能够确保线性 腔腔内只有一个纵，莫能够激射，并在本征上确保了本发明光纤激光器的单频特性。
本发明的一种单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器是利用两个光纤光栅(单模光纤 光栅25、保偏光纤光栅3a)作为线性腔光纤激光器的腔镜，其中采用单模光纤光栅 组件2中的单模光纤光栅25作为后腔镜，在光敏性应力双折射^l意保偏光纤组件3 中的保偏光纤光栅3a作为输出的前腔镜，釆用掺镱保偏光纤3b作为增益介质，可 以在两个光纤光栅之间形成长度小于等于5cm的线性腔。在线性腔腔外的一段掺镱 保偏光纤可以作为光纤放大器，将从线性腔输出的激光信号放大，从而获得较高功率 的放大后的1060聰的单频单偏振激光(F光33)输出。
为了提高本发明单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器的效率和输出功率，提出了采 用高浓度掺镱光纤的方法，这样掺杂有以下优点
l湘对于E一+稀土离子来说，可以掺入浓度数十倍以上的Yb3+，提高对泵浦光 11的吸收而不至于浓度淬灭，从而可以使应力双折射^H保偏光纤3b的长度缩短, 即线性腔长度大大缩短。
2) Yb^更宽的吸收带允许使用较宽波长的泵浦源，这对于使用半导体激光作为泵 浦源是很有利的。
3 ) Yb"简单的能级结构降低了从激活离子到Yb&敏化离子后向能量转换，从而 提髙激光器的斜率效率。
保偏光纤可实现光纤中光波偏振态稳定地传输，在光纤传感、相干光通信、光信 息处理等领域应用日趋广泛，是应用极为广泛的特种光纤之一。保偏光纤可以分为高 双折射和低双折射两类，其中高双t斤射保偏光纤主要是依据材料应力不均匀而设计的 熊猫型(Panda)和蝴蝶结型(Bow-tie)保偏光纤。在高双折射保偏光纤中，正交 丰莫的折射率具有一定差异，两者之间的传播常数A与A差别很大，两模式耦合几率 小。本发明基于泵浦光11完全被单模光纤光栅组件2透过后，在线性腔的作用下， 泵浦光11经应力双折射,保偏光纤3b到达保偏光纤光栅3a时转变为C光12 (被 部分吸收后的泵浦光)，这个C光12是一个光轴平行的方向上被线性偏振，那么C 光12将维持其偏振态在,保偏光纤3b中进行传输。
在本发明中，光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件3可以选取掺镱的应力双折 射保偏光纤，例如可以是熊猫型保偏光纤、领结型保偏光纤等。
本发明的单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器的光路传输为半导体激光器泵浦源 1出射的泵浦光11经单模光纤光栅组件2、光敏性应力双折射,保偏光纤组件3 后输出F光33 (即放大后的1060"m单频单偏振激光)的流向示意。
泵浦光11经单+莫光纤光栅组件2完全透过后进入光敏性应力双折射掺镱保偏光 纤组件3成为C光12 (C光是指在光敏性应力双折射,保偏光纤组件3中传输的 泵浦光)，C光12在光敏性应力双折射^l意保偏光纤组件3的掺镱保偏光纤3b中传 输过程中首先被镱离子吸收，使镱离子从基态跃迁到激发态，通过镱离子从激发态到 基态的自发辐射跃迁产生1000"m 1100腦的自发辐射光，其中，1060"附附近 的自发辐射光称为A光31; A光31被单模光纤光栅组件2完全反射后形成正向的1060"m单频单偏激光 (即B光32)，该单频单偏激光经保偏光纤光栅3b后一部分反射形成反向的 1060"m单频单偏激光(即D光34)，另一部分透过保偏光纤光栅3b形成输出的单 频单偏激光(即G光35);
在输出端还有一部分没有被吸收的E光13 (是指剩余的部分泵谱光)进入光敏 性应力双折射掺镱保偏光纤组件3中的掺镱保偏光纤3b传输过程中首先被镱离子吸 收，使镱离子从基态跃迁到激发态，在G光35的激发作用下，镱离子从激发态受激 发射跃迁到基态，同时使G光35被放大形成F光33 (是指放大后的1060■单频 单偏振激光)。
本发明的单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器输出激光的稳定性及光谱纯度都优 于半导体激光器。此外，窄线宽光纤激光器还具有光输出功率高(可达10m『以上)、 增益带宽宽、阈值和相对强度噪声(RIN)较低、线宽极窄(小于10^/z)、结构稳 定、泵浦斜率高的优点，并且由于与光纤直接对接，因此其耦合效率高、插入损耗小、 制作工艺较简单、性价比高。本发明的光纤激光器可以作为光纤激光传感器，它具有 对电磁场的抗干扰、安全、体积小、可远程控制等特性，在民用和军事方面都具有很 大的应用。
权利要求
1、一种单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器，其特征在于由半导体激光器泵浦源(1)、单模光纤光栅组件(2)、光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(3)和单模保偏光纤(4)组成，激光器泵浦源(1)的A端与单模光纤光栅组件(2)的B端熔接，单模光纤光栅组件(2)的A端与光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(3)的B端熔接，光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(3)的A端与单模保偏光纤(4)的B端按照0°角对轴熔接；单模光纤光栅组件(2)由单模光纤(22)、单模光纤光栅(25)、A半导体温度控制器(23)、B半导体温度控制器(24)、壳体(21)构成，A半导体温度控制器(23)、B半导体温度控制器(24)为相同器件，A半导体温度控制器(23)与B半导体温度控制器(24)对称放置分别固定安装在壳体(21)的两个内壁上；单模光纤(22)设置在A半导体温度控制器(23)与B半导体温度控制器(24)之间，且单模光纤(22)的A端、B端沿伸出壳体(21)外；单模光纤(22)上刻蚀有单模光纤光栅(25)，单模光纤光栅(25)仅位于A半导体温度控制器(23)与B半导体温度控制器(24)之间；光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(3)是在应力双折射掺镱保偏光纤(3b)上刻蚀有保偏光纤光栅(3a)。
2、 根据权利要求1所述的单频单偏振线性腔掺镱光纤激3W，其特征在于单丰莫光 纤光栅(25)与保偏光纤光栅(3a)之间的空腔为线性腔，其中，单模光纤光栅(25)作为后腔镜，保偏光纤光栅(3a)作为输出的前腔镜。
3、 根据权利要求2所述的单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器，其特征在于线性腔 的腔长为小于等于5c附。
4、 根据权利要求1所述的单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器，其特征在于半导体 激光器泵浦源(1)输出的泵浦光(11)具有976土4,的波长。
5、 根据权利要求1所述的单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器，其特征在于A半导 体温度控制器(23)、 B半导体温度控制器(24)为陶瓷平板型一级半导体致冷 组件。
6、 根据权利要求1所述的单频单偏振线性腔^l意光纤激光器，其特征在于该单频 单偏振线性腔掺镱光纤激光器输出的激光波长为1060,。
7、 根据权利要求1所述的单频单偏振线性腔^l意光纤激光器，其特征在于该单频 单偏振线性腔掺镱光纤激光器具有线宽小于10^fe的窄线宽、偏振度〉20cffl的 单偏振、相千长度达10^以上。
全文摘要
本发明公开了一种单频单偏振线性腔掺镱光纤激光器，激光器泵浦源(1)的A端与单模光纤光栅组件(2)的B端熔接，单模光纤光栅组件(2)的A端与光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(3)的B端熔接，光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(3)的A端与单模保偏光纤(4)的B端按照0°角对轴熔接。本发明采用单模光纤光栅组件(2)作为后腔镜，在光敏性应力双折射掺镱保偏光纤组件(3)中的保偏光纤光栅(3a)作为输出的前腔镜，采用掺镱光纤作为增益介质，可以在两个光栅及其中间的掺镱光纤形成长度小于5cm的线性腔光纤激光器。在线性腔外的掺镱保偏光纤可以作为光纤放大器，将从线性腔输出的激光信号放大，从而获得较高功率的单频单偏振激光输出。
文档编号H01S3/00GK101355226SQ20081011774
公开日2009年1月28日 申请日期2008年8月5日 优先权日2008年8月5日
发明者冯丽爽, 张春熹, 徐宏杰, 彬 曹, 杨德伟, 攀 欧, 贾豫东 申请人:北京航空航天大学