单频调Q激光器

单频调q激光器
技术领域
1.本发明属于光纤激光技术领域，具体涉及一种基于回音壁模式微腔及非线性偏振旋转技术的窄线宽单频调q激光器。


背景技术：

2.调q激光器在光纤分布式传感系统、激光测距等应用中有很好的应用前景，激光器调q技术研究向着全光纤、窄线宽、窄脉宽、高能量的方向发展。非光纤型的调q方式包括声光q开关、电光q开关、可饱和吸收体等，具有插入损耗大、与光纤之间光耦合效率低等缺点；全光纤调q方式包括sagnac环调q、布拉格光纤光栅调q、光纤型可饱和吸收体调q等。根据调q的方式主要分为主动调q和被动调q。主动调q试利用人为的某些物理效应来控制谐振腔的损耗，从而达到q值的突变，但通常含有使激光器结构变得复杂的调制器件。被动调q一般在腔内加入对激光波长有一吸收峰的可饱和吸收元件，利用可饱和吸收体的吸收系数随光强的增大而减小至饱和，通过吸收损耗随光强的改变来实现腔内q值的突变，与主动调q激光器相比，被动调q光纤激光器具有设计紧凑，简单和灵活的吸引人的优点。半导体可饱和吸收镜(sesam)或cr2+:znse晶体常作为可饱和吸收体用于被动调q，但在激光腔中需要附加的光学组件，例如透镜、反射镜、环形器等，这会导致更大的插入损耗和更复杂的设计。非线性偏振旋转效应有类似可饱和吸收体的作用，可通过简单旋转偏振控制器来调节其饱和吸收强度，与其他基于可饱和吸收体的调q激光器相比，非线性偏振旋转技术是实现被动q开关操作的一种更简单，更便宜的方法。
3.基于非线性偏振旋转技术的调q激光通常是多模的，虽然由于非线性偏振旋转利用了光纤双折射效应，在光谱上会表现出滤波效应，即通道间隔和透射峰取决于腔的双折射。可以通过改变双折射参量来改变滤波器的带宽和透射峰，比如调整偏振控制器挤压光纤会引起强烈的双折射，但在实验中通过调整偏振控制器带来双折射参量的改变是有限的，通常还需要改变增益光纤或者普通单模光纤的长度来满足条件，因此在很多结构中并不能达到理想的滤波效果，特别是具有窄线宽的单频调q激光，在以往研究中只利用光谱滤波效应的还没能实现。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种单频调q激光器。
5.本发明的技术方案是：一种单频调q激光器，包括单模半导体激光器、偏振相关型集成光学器件、第一偏振控制器、第二偏振控制器、单模光纤、增益光纤、锥形光纤及回音壁模式微腔；其中，
6.所述单模半导体激光器作为系统的泵浦源，为增益光纤提供泵浦；
7.所述偏振相关型集成光学器件集成了波分复用器、耦合器和偏振相关型隔离器，所述单模半导体激光器接入所述偏振相关型集成光学器件的pump端口，由所述偏振相关型集成光学器件的common端口依次连接所述增益光纤、第一偏振控制器、单模光纤、第二偏振
控制器、锥形光纤后再接入所述偏振相关型集成光学器件的signal端口形成环路；所述波分复用器用于将泵浦光和腔内激光合成一束；所述耦合器将光按照比例分成两束，一束用于光路循环，另一部分光由所述偏振相关型集成光学器件的tap端口输出，所述偏振相关型隔离器同时作为起偏器和检偏器；
8.所述锥形光纤用于与回音壁模式微腔的耦合，光经过锥形光纤的锥区时以倏逝波的形式进行近场耦合。
9.进一步地，所述第一偏振控制器将所述偏振相关型集成光学器件中的偏振相关型隔离器导致的线偏振光转变为椭圆偏振光，所述第二偏振控制器继续调整光的偏振分布。
10.进一步地，所述偏振控制器具体为嵌入式偏振控制器。
11.进一步地，所述增益光纤为稀土离子掺杂光纤。
12.进一步地，所述回音壁模式微腔的形状可以是微盘腔、微球腔、微瓶腔等，材料具体为二氧化硅。
13.进一步地，所述锥形光纤是由单模光纤拉制成的，两个锥形区之前是连通的；
14.进一步地，所述单模光纤为g.652标准单模光纤。
15.本发明的有益效果：本发明提供了一种基于回音壁模式微腔及非线性偏振旋转技术的单频调q激光器，是一个不含光滤波器的光纤环路，由单模半导体激光器对增益介质进行泵浦；由具有高q值的回音壁模式微球腔和锥形光纤组成的耦合系统作为选模滤波结构实现窄带滤波功能，通过回音壁模式微腔进行窄带模式选择，从而得到窄线宽单频调q激光输出，结构简单；通过调整偏振控制器可实现对窄线宽单频调q激光的中心波长和脉冲重复频率等参数的调谐；通过改变回音壁模式微腔的直径可实现调q激光中心波长的调谐。
附图说明
16.图1是本发明具体实施方式的结构示意图。
17.图2是本发明具体实施方式的一个具体实施例的结构示意图。
18.图3是本发明具体实施方式的所述调q激光器产生的窄线宽单频调q激光的光谱示意图。
19.图4是本发明具体实施方式的所述调q激光器产生的窄线宽单频调q激光的时域示意图。
具体实施方式
20.下面结合本发明的附图1
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4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.如图1所示，本发明采用的基于回音壁模式微腔及非线性偏振旋转技术的单频调q激光器是一个不含光滤波器的光纤环路，包括单模半导体激光器、偏振相关型集成光学器件、偏振控制器1、偏振控制器2、单模光纤、增益光纤、锥形光纤及回音壁模式微腔。其中，单模半导体激光器，作为系统的泵浦源，为增益光纤提供泵浦。
22.所述偏振相关型集成光学器件集成了波分复用器、耦合器和偏振相关型隔离器，
所述单模半导体激光器接入所述偏振相关型集成光学器件的pump端口，由所述偏振相关型集成光学器件的common端口依次连接所述增益光纤、偏振控制器1、单模光纤、偏振控制器2、锥形光纤后再接入所述偏振相关型集成光学器件的signal端口形成环路；波分复用器用于将泵浦光和腔内激光合成一束；耦合器将光按照比例分成两束，一束用于光路循环，一束用于tap端口输出；偏振相关型隔离器同时作为起偏器和检偏器，只有偏振方向与之相同的光能通过，并保证光在腔内单向传播。
23.锥形光纤用于与回音壁模式微腔的耦合，光经过锥形光纤的锥区时以倏逝波的形式进行近场耦合，倏逝波的光场与微腔回音壁模式的光场有一定的重叠，满足相位匹配时光会在回音壁模式微腔内形成稳定的谐振，从而实现选模作用。
24.偏振控制器1将偏振相关型隔离器导致的线偏振光转变为椭圆偏振光，偏振控制器2继续调整光的偏振分布。偏振控制器1和偏振控制器2的组合实现对光的偏振态进行控制与调节，决定了腔内的损耗大小，实现对光强的调节，在不改变单模半导体激光功率时，可通过仅调整两个偏振控制器实现对调q脉冲激光参数的调谐。
25.可以看出，这里由一个偏振相关型集成光学器件和两个偏振控制器在光纤内形成非线性偏振旋转结构实现脉冲输出，借助回音壁模式微腔，无需额外的滤波结构就能实现单频调q激光脉冲输出，可以仅通过调整偏振控制器实现单频脉冲的重复频率及平均输出功率可调。
26.增益光纤将泵浦光放大至所需的波长窗口。
27.单模光纤，对环路非线性效应进行补偿，连接增益光纤和锥形光纤。
28.这里的单模半导体激光器是波长稳定的、输出功率高的激光器，用于提供功率可调的泵浦光，与偏振控制器1和偏振控制器2共同实现对腔内光强的调节，其泵浦功率由根据本发明实现的单频调q激光器的综合性能需要而设定，泵浦功率越高，调q脉冲的周期越短，重复频率越高，单脉冲能量越高，可用于实现不同脉冲参数的调q输出。
29.这里的偏振相关型集成光学器件中的波分复用器的波长选择及耦合器的分光比由根据本发明实现的单频调q激光器的综合性能需要而设定。例如当增益光纤为掺铒光纤时，需使用980nm/1550nm的波分复用器。耦合器的不同分光比会导致环形腔内参与循环的光功率不同，若较少的光参与循环形成环路，会导致腔内增益不够，无法起振，所以一般使更多的光继续参与腔内激光产生，少部分的光输出。
30.这里的偏振相关型集成光学器件中的偏振相关型隔离器同时作为起偏器和检偏器，并保证光在腔内单向传播。
31.在本实施例中，偏振控制器具体为嵌入式偏振控制器，可以将其直接插入光纤系统，在无需切断系统的情况下控制光纤中传输光的偏振态，不会改变腔长。
32.偏振控制器1、偏振控制器2、偏振相关型集成光学器件中的偏振相关型隔离器在光纤中形成了非线性偏振旋转效应，即形成了人造的可饱和吸收体。
33.在本实施例中，增益光纤应具有较高的掺杂浓度，以便使用较短的长度达到较高吸收作用，保证较短的腔长，便于回音壁模式微腔进行选模，其长度由根据实现的单频调q激光器的综合性能需要而设定。长度涉及到腔内的增益和色散问题，会对激光输出状态造成影响，可以根据实际情况进行具体分析。
34.在本实施例中，增益光纤为稀土离子掺杂光纤，具体可以为掺铒光纤、掺铥光纤、
掺镱光纤、混合掺杂光纤等，由本发明实现的单频调q激光器的波长决定。例如掺铒光纤用于产生1530～1610nm范围的光，掺铥光纤适用于1660～2000nm范围的光的产生。
35.这里的回音壁模式微腔的形状可以是微盘腔、微球腔、微瓶腔等，材料可以是二氧化硅等，只要满足q值达到106以上，拥有较高的q值，可以对应更好的选模效果。
36.调q激光的中心波长与所述回音壁模式微腔的直径有关，其直径由根据本发明实现的单频调q激光器的波长要求而设定，在回音壁模式微腔中，符合谐振条件的光满足：mλ＝nl＝πd，其中，m为角动量模式数，λ为波长，n为有效折射率，l为腔的周长，d为微腔直径，通过调谐所述回音壁模式微腔的直径可实现调q激光输出波长的改变。
37.微腔可采用瓶口腔、微泡腔这类腔直径容易选择的微腔，在不更换微腔的前提下通过调整与所述锥形光纤的耦合位置来控制谐振的波长，实现不同波长的调q激光输出；
38.回音壁模式微腔与所述锥形光纤组成的耦合系统可以是封装完成的，以便于减少环境如声波振动、温度等的影响。
39.锥形光纤是由普通单模光纤拉制成的，两个锥形区之前是连通的。
40.这里，可以将所述器件的光纤熔接，保证结构的全光纤化，减小不必要的损耗。
41.单模光纤为g.652标准单模光纤，其长度由根据本发明实现的单频调q激光器的综合性能需要而设定。
42.为了使本发明的技术方案、优点及目的更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅仅用于解释本发明并不用于限定本发明。
43.图2是本发明提供的一种基于回音壁模式微腔及非线性偏振旋转技术的单频调q激光器的一个具体实施例的结构示意图。如图2所示，半导体单模激光器发出激光通过偏振相关型集成光学器件注入增益光纤进行泵浦，再依次通过偏振控制器1、一定长度的单模光纤和偏振控制器2、锥形光纤与回音壁模式微腔的耦合系统，最后连接偏振相关型集成光学器件的signal端口，一部分光用于tap端口激光输出，其余光继续在环路里循环。
44.参照图2，选择主要器件参数如下：半导体单模激光器输出光波长为980nm，光功率为59.52mw；偏振相关型集成光学器件的common端口为康宁hi
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1060光纤，长度为7cm，色散为
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10p
s2
/km，signal端口为普通单模光纤，尾纤长度为8cm，色散为
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23ps2/km，tap端口为10％的光输出；增益光纤为掺铒光纤，长度为0.8m，型号为liekki er80
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8/125，色散为
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20ps2/km；普通单模光纤长度为7m；锥形光纤锥区部分长3cm，回音壁模式微腔为微球腔，直径为330μm，q值高达107量级。谐振腔总长为约9.06m；偏振控制器为直接插入单模光纤中的嵌入式偏振控制器；不同光纤之间直接熔接。
45.实验结果如图3、图4所示，可以看到系统产生了中心波长为1600.4263nm、3db线宽为0.0147nm的窄线宽激光，由于这是在光谱仪最高分辨率0.02nm下的测试结果，实际线宽比0.0147nm还要窄；调q脉冲的间隔为180μs，即重复频率为5.56khz。
46.具体工作过程如下：
47.起始，可调谐单模半导体激光器输出的激光注入到所述增益光纤中，经系统内偏振控制器与偏振相关型隔离器在光纤内构成的非线性偏振旋转效应系统后形成脉冲激光，在回音壁模式微腔与锥形光纤构成的耦合系统处，满足微腔谐振波长的光进入微腔中谐振，达到了选模作用，适当调节偏振控制器，可得到窄线宽单频调q输出。整个系统不需要使
用光滤波器，调q激光中心波长与回音壁模式微腔直径有关。
48.以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。