一种基于高圆度三维旋转对称微腔的单频窄带光纤激光器的制作方法

本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种基于高圆度三维旋转对称微腔的单频窄带光纤激光器。

背景技术：

单频窄带宽光纤激光器具有相干性高、频率可调谐、噪声低、结构紧凑等特点，在光谱学、光纤传感、石油勘探、电力系统、军事国防等众多领域具有广泛的应用前景。

实现单频窄带激光输出，关键技术在于设计合理的腔结构、采用合适的滤波技术，以达到谐振腔内的窄带选频。目前，可以通过超短腔、内置饱和吸收体的线形腔、复合腔、窄带滤波器件(如布拉格光纤光栅、f-p腔等)实现单频窄带激光输出。然而，超短腔需要在高浓度稀土掺杂光纤上刻写光栅，其制作成本高、技术难度大且激光器输出光功率受到腔长限制；内置饱和吸收体的线形腔稳定性差，光转换效率低；复合腔结构复杂且降低了系统的紧凑性和稳定性；布拉格光纤光栅、f-p腔等窄带滤波器件的3db带宽通常在0.05nm以上，限制了激光器激光输出，线宽进一步压缩，并且易出现跳模现象。因此，如何在压缩激光输出带宽的同时，提高系统的稳定性和紧凑性、降低制作成本、增加输出功率成为实现单频窄带激光器的关键。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的制作成本高、稳定性差、紧凑性低、输出带宽大等缺点，提出了一种高圆度三维旋转对称微腔选频的单频窄带宽光纤激光器。该光纤激光器的谐振腔采用高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元进行选频，在高圆度、三维旋转对称微腔内激发超窄带回音壁模共振谱(3db带宽达1pm)，实现了光纤激光器输出带宽的深压缩，并具有高稳定性、低成本、结构简单等特点。此外，本发明还采用二维超高精度耦合系统，以纳米级精度控制锥形光纤与微球腔的耦合距离和耦合位置，进一步提高微腔耦合系统的q值、压缩回音壁模共振谱带宽、减少高阶模、增加边模抑制比，压缩激光器带宽、提升稳定性。

本发明为解决上述技术问题，本发明的技术方案是该单频窄带宽光纤激光器包括半导体激光器泵浦源、波分复用器、光隔离器、稀土掺杂光纤、偏振控制器以及光耦合器，还包括高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元，半导体激光器泵浦源经波分复用器与光隔离器相连，并通过光隔离器的输出端与稀土掺杂光纤相连，稀土掺杂光纤的输出端依次通过偏振控制器、高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元、光耦合器，最后由光耦合器输出端与波分复用器输入端相连闭合成腔。

进一步，上述高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元采用二维超高倍率显微系统和高精度位移台控制微球腔和锥形光纤的耦合距离和耦合位置。

上述微球腔具有高圆度、高对称性、高洁净度的特点，能有效抑制回音壁模共振谱中的高阶模，提高共振谱边模抑制比，压缩共振谱带宽，提升共振谱q值，实现单频窄带激光输出。

本发明还进一步提出一种利用上述基于高圆度三维旋转对称微腔的单频窄带光纤激光器进行谐振腔内的窄带选频方法，选频时入射光从锥形光纤的一端进入锥区，通过倏逝场耦合进入微球腔，以全反射方式在微球腔赤道面传输，并形成超窄带回音壁模共振谱，实现光纤激光器谐振腔内的窄带选频。

进一步，选频时锥形光纤与微球腔在赤道面进行耦合，且耦合距离可精确控制到纳米级别。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元进行选频，所含高圆度、高对称性、高洁净度微球腔内形成的超窄带宽回音壁模共振谱(3db带宽约为1pm)使得输出激光具有超窄带宽的优点。

2、本发明采用二维超高倍率显微系统和高精度位移台控制微球腔和锥形光纤的耦合距离和位置，精度可达纳米级别，有效增加了耦合效率，激发超窄带回音壁模共振谱，进一步压缩激光器输出带宽和提高激光器稳定性。

3、本发明激光器采用全光纤器件搭建并实现窄带选频，具有相干性好、稳定性高、结构紧凑、成本低、损耗小等特点。

附图说明

图1为光在微球腔内以不同角度传输的原理示意图。

图2为本发明高圆度、三维旋转球对称微腔选频的单频光纤激光器的结构示意图。

图3为微球实物图及不同椭圆度。

标识说明：(3a)高圆度、高对称性微球；(3b)低圆度、非对称微球。

图4为经过洁净处理的表面无瑕疵的微球和表面有瑕疵的微球实物图。

标识说明：(4a)经过处理的洁净微球；(4b)有瑕疵的微球。

图5为在不同耦合状态下的锥形光纤-微球腔耦合实物图。

标识说明：(5a)临界耦合状态下；(5b)欠耦合状态下；(5c)过耦合状态下。

图6为锥形光纤在微球腔赤道面和偏离赤道面的实物图。

标识说明：(6a)-锥形光纤在微球赤道面；(6b)锥形光纤偏离微球赤道面。

图7为锥区直径3.512μm锥形光纤分别与直径为195.172μm的高圆度微球和直径为195.713μm的低圆度微球耦合得到的回音壁模式耦合透射谱对比。

图8为锥形光纤在微球腔赤道面和偏离微球腔赤道面的回音壁模式耦合透射谱对比。

图9为在临界耦合、欠耦合以及过耦合状态下得到的回音壁模式耦合透射谱。

图10为用高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元实现环形光纤激光器腔内单频选择和带宽压缩的光谱测试图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细说明。本发明提出的光纤激光器，其结构包括：半导体激光器泵浦源、波分复用器、光隔离器、稀土掺杂光纤、偏振控制器、高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元以及光耦合器；所述半导体激光器泵浦源经波分复用器与光隔离器相连，并通过光隔离器的输出端与稀土掺杂光纤相连，稀土掺杂的输出端依次通过偏振控制器、高对称微球腔-锥形光纤选频单元、光耦合器，最后由光耦合器输出端与波分复用器输入端相连闭合成腔。

本发明的光纤激光器谐振腔中设有高圆度微球腔-锥形光纤选频单元：入射光从锥形光纤的一端进入锥区，通过倏逝场耦合进入微球腔，以全反射方式在微球腔赤道面传输，再由锥形光纤另一端与光纤激光器谐振腔中的光耦合器输入端相连。光在微腔内形成窄带回音壁模共振谱，实现光纤激光器谐振腔内的窄带选频。本发明采用二维超高倍率显微系统(放大倍数达1900倍、分辨率达0.01μm)和高精度位移台(精度达20nm)控制微球腔和锥形光纤的耦合距离和耦合位置，有效增加了耦合效率，提升系统的q值，激发超窄带回音壁模共振谱，从而进一步压缩激光器输出带宽、提高激光器稳定性。

本发明的微球腔具有高圆度、高对称性、高洁净度等特点，能有效抑制回音壁模共振谱中的高阶模，提高共振谱边模抑制比，压缩共振谱带宽，提升共振谱q值，实现单频窄带激光输出。

本发明利用高圆度、三维旋转对称微球腔内的回音壁模共振谱实现光纤激光器的窄带选模，并且通过锥形光纤锥区的模式泄露实现该高圆度微球腔与激光器谐振腔的全光纤、高效耦合。所用微球腔具有高圆度、高对称性、高洁净度的特点。通过调节使得锥形光纤与微球处于临界耦合状态(即：微球与锥形光纤的耦合距离为0，且微球与锥形光纤在赤道面进行耦合)，能有效提高耦合单元q参数，增加边模抑制比，实现谐振腔的窄带选频，从而实现窄带宽激光输出。下面对本发明的具体技术方案进行简要说明。

图1为光在微球腔中以不同的角度(α或β)传输的示意图，其选频原理如下：

根据折射定律,当入射角为α时：

n1sinα＝n2sinα0(1)

式中，n1为微球腔的折射率，n2为空气折射率，α0为折射角。由于微球腔的折射率大于空气的折射率，因此当入射角满足α＞arcsin(n2/n1)时，光在微球腔内以全反射方式进行传输，传输一周的实际距离为：

式中，l为光传输一周的实际距离，r为微球腔的半径。光在微腔中传输时，只有满足如下相位匹配条件时，才能形成回音壁模式共振：

式中，neff为微球腔的有效折射率，λ为共振波长。将(2)式代入(3)式，可以得到下式：

4πneffrcosα/α＝mλ(m取整数)(4)

分析(3)、(4)式可知：

1、共振波长与光传输一周的有效距离有关，只有满足相位匹配条件的波长才能产生回音壁模式共振，达到选频的作用。

2、若微球腔的圆度低、对称性差，则光沿不同赤道面传输的实际距离不同，导致不同共振波长的产生，形成回音壁模透射谱高阶模，不利于激光器选频。

3、回音壁模共振波长与入射角度有关，因此为了抑制高阶模式的产生，需要满足入射角度的相同，即锥形光纤与高圆度微球腔应在赤道面进行耦合。

如图2所示，本发明单频窄带光纤激光器的基本结构包括：半导体激光器泵浦源1、波分复用器2、光隔离器3、稀土掺杂光纤4、偏振控制器5、高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元6以及光耦合器7。所有器件通过光纤熔接的方式依次相互连接。图中所示e1为入射光场强度，e2为微球腔内光场强度，e3为出射光场强度。

微球腔制备的基本流程包括光纤拉锥、切割、加热，基本方法是利用高温加热光纤一端，受热的光纤端面在表面张力的作用下形成球形结构。微球的圆对称性越好，其光在球腔内传输的损耗越小，光子寿命越长，即q值越高。

常见的通过加热光纤利用表面张力形成微球的方法包括：电弧放电、大功率co2激光器、氢氧焰加热等方法。电弧放电受光纤与放电电极相对位置、放电电流、放电时间以及放电次数影响，直径偏差较大，且制备出的微球圆度不高、对称性不好。氢氧焰方法洁净度不高，制备出的微球表面污染严重，增加了微球腔损耗。本发明中微球是通过大功率可调谐co2激光器加热形成的。由于co2激光器洁净度高、输出光束光斑大小可精确控制，热量分布均匀，加热成球过程稳定性高，所获得的微球具有高圆对称性、低损耗、高q值的特点

如图3所示为对称微球腔和非对称微球腔赤道面截面图对比。图3a为高圆度、高对称性微球；图3b为低圆度、非对称微球。根据图中所测外径及椭圆度(椭圆度越低，圆对称性越好)计算公式：椭圆度＝(b-a)/c*100％，(b为最大外径，a为最小外径，c为标称外径，此处标称外径取最大外径值)可以求得对称微球和非对称微球的椭圆度分别为0.18％和1.31％。对称微球腔的椭圆度明显小于非对称微球腔，因此圆度高，对称性好。

如图4所示为经过洁净处理的表面无磨损的微球和表面有磨损的微球对比。图4a为经过处理的洁净微球；图4b为有瑕疵的微球。

根据品质因子q(衡量微球腔的重要参数)的计算公式：

式中，q为微球腔的品质因子，qint为与微球腔内部损耗相关的品质因子，qext为与微球腔外部损耗相关的品质因子，qrad为与微球腔辐射损耗相关的品质因子，qabs为与微球腔吸收损耗相关的品质因子，qsca为与微球腔散射损耗相关的品质因子。上式表明，回音壁模式微球腔的q值与吸收损耗、散射损耗有关，当微球表面出现磨损或有杂质时，会使得吸收损耗、散射损耗增加，相应的品质因子降低，导致微球腔品质因数的降低。综上，采用高洁净度、无磨损微球腔有利于提高q值，形成超窄带宽回音壁模共振谱，实现单频窄带宽激光输出。

如图5所示为在临界耦合(图5a)、欠耦合(图5b)和过耦合状态下(图5c)，高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元的实物图，耦合状态可以通过调节精度为20nm的耦合平台加以控制。

如图6所示为锥形光纤在微球腔赤道面(图6a)和偏离微球腔赤道面(图6b)的实物图，调节竖直显微镜和水平显微镜，可以使得光纤位于微腔赤道面。

如图7所示为用高对称微球腔和非对称微球腔与锥形光纤耦合得到的wgm回音壁模式透射谱。分析比较实验得出的回音壁模式透射谱，与图1中的理论有着较好的符合：用椭圆度为0.18％的高圆度、高对称性微球腔与锥形光纤进行耦合时，可以得到在1552.52nm处，锥形光纤中有22db的光进入到了微球腔中，3db带宽仅为0.1pm，q值可以达到1.55*10⁶,对应的边模抑制比为14.5db；而用椭圆度为1.31％的非对称性微球与锥形光纤进行耦合时，可以得到在1552.62nm处，锥形光纤中有19.9db的光进入到了微球腔中，3db带宽为0.18pm，q值为1.04*10⁶,对应的边模抑制比为7.3db。两相比较，可以得出结论；高圆度、高对称性微球能明显提高耦合效率、压缩回音壁模共振谱带宽、提高系统的q值、增加边模抑制比。

如图8所示为锥形光纤在微球赤道面和偏离微球赤道面耦合时得到的回音壁模式耦合透射谱。得到的实验结果与图1中的理论分析相符：当光纤偏离微球腔的赤道面时，可以明显发现此时出现大量的高阶模式，q值减小，边模抑制比降低。

如图9所示为在临界耦合、欠耦合以及过耦合状态下得到的回音壁模式透射谱。相比于临界耦合状态，欠耦合状态下的耦合效率降低，过耦合状态下的高阶模增多，不利于激光的高效选模。

基于如图2所示的光纤激光器结构图，图10展示了用高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元实现环形光纤激光器腔内单频选择和带宽压缩的光谱测试图。与无选频单元的激光器相比，高圆度微球腔-锥形光纤选频单元有效抑制了跳模现象，并且将激光3db输出带宽由0.03nm压缩至0.01nm，实现单频窄带激光输出。

本发明从提升微球腔的圆度、增加微球腔的对称性、提高微球腔的洁净度、寻找最佳耦合位置这几个方面进行了改进，实验证明有效提高了激光的输出性能。