专利名称：基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及大功率单频光纤激光器，特别是一种基于相移光纤光栅的分 布式布拉格反射型大功率单频光纤激光器，主要应用于高分辨激光光谱，激 光雷达激光种子源以及大功率激光器系统的优良种子源等领域。
背景技术：
随着科技的发展，高分辨激光光谱、相干通信、光纤传感、激光雷达以 及大功率激光器系统等领域对激光源都提出了大功率和单频的指标。大功率
单频光纤激光器具有泵浦阈值低、线宽窄、转换效率高、光束质量好、全光 纤集成和环境适应性好等优点，能够满足实际应用的需求。
光纤激光器是在光放大器的技术基础上发展而来的，采用具有不同成分的 掺杂光纤作为增益介质和相应的器件组合成一个有源谐振腔，由半导体激光 器泵浦实现不同波段激光的输出。掺杂光纤的种类决定了输出激光的信号波 长。
光纤激光器由于典型腔长都达到十几米，所以纵模间隔非常窄，而掺杂 光纤的整个增益谱又很宽，这给选模带来了很大的困难.。 一种解决方案是縮 短腔长并采用光纤光栅选模。同时使用高浓度掺杂磷酸盐玻璃光纤作为增益 介质，可以获得较大功率的单频激光输出。
在先技术之一Christine R Spiegelberg ,J.Geng,Y.Hu,et al. Compact lOOmW fiber laser with2kHzlinewidth，[C]，Optical Fiber Communications
Conference，2003，以高浓度磷酸盐玻璃光纤为增益介质，在磷酸盐玻璃光纤的
两端分别熔上光纤光栅，构成直线腔分布式布拉格反射型激光器。激光器的 腔长为2cm，获得波长为1535nm，功率100mW的单频激光输出。激光雷达 激光种子源以及大功率激光器系统应用要求激光功率输出达瓦级，该方案的 激光器输出功率还有待提高。在先技术之二潘政清等，"铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤激光器实现
100mW单频输出"，中国激光，12期，35巻(2008)，提出以铒镱共掺磷酸
盐玻璃光纤为增益介质构造直线腔激光器。在磷酸盐玻璃光纤的一端熔接光
纤光栅，另一端的腔镜由一高反射镜构成，反射镜对1535nm波长的反射率
高于99.5%，对976nm波长的光透过率大于90。/。。该激光器实现了 100mW
单频激光输出。该结构包含体光学元件，不易调试，而且该激光功率输出不
能满足实际应用的需要。
以上现有技术的缺点在于无法获得大功率单频激光输出。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于相移光纤光栅的 分布式布拉格反射型单频光纤激光器。这种光纤激光器可以输出大功率单频激光。
本发明的技术解决方案如下
一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，以高浓 度掺杂光纤为增益介质，采用相移光纤光栅和光纤光栅形成的等效法布里-珀 罗腔(以下简称为等效FP腔)为滤波器选模，其具体技术方案如下
一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其 特点在于以高浓度掺杂光纤作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤的一 端熔接一个光纤光栅，另一端熔接由一个相移光纤光栅和一个光纤光栅组成 的等效FP腔的相移光纤光栅；泵浦源接波分复用器的A端口，该波分复用 器的混合端口与所述的FP腔的光纤光栅相连，所述的波分复用器的A 2端口 为激光输出端。
一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其 特点在于以高浓度掺杂光纤作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤的一端熔接一个光纤光栅，另一端熔接由一个相移光纤光栅和一个光纤光栅组成 的等效FP腔的相移光纤光栅；泵浦源接波分复用器的^端口，该波分复用
器的混合端口与所述的光纤光栅的另一端相连，所述的波分复用器的;i2端口
为激光输出端。
所述的相移光纤光栅和光纤光栅组成的等效的FP腔满足下列关系式
/ =附-
式中/为FP腔的腔长，腔长/即所述的相移光纤光栅和光纤光栅两靠近端
面之间的距离，"^为FP腔的折射率，A为单频激光器的工作波长，m为任
意选取的1以上的正整数。
所述的泵浦源为半导体激光器或半导体激光器组件。
本发明的特点和优点是
1、 本发明主要是基于相移光纤光栅和光纤光栅形成的等效FP腔滤波选 模。相移光纤光栅和光纤光栅构成具有反射率尖峰的FP腔。该反射率尖峰 的带宽比光纤光栅的带宽小，是一种滤波性能优良的反射型滤波器。
2、 本发明利用相移光纤光栅和光纤光栅形成的等效FP腔作为反射型滤 波器和光纤光栅组成腔长较长的直线腔激光器谐振腔的两个腔镜，可以输出 大功率单频激光，线宽窄，可广泛应用于相干通信、高分辨激光光谱、光纤 传感、激光雷达的激光种子源以及大功率激光器系统的优良种子源等领域。
3、 本发明为全光纤结构，无需装调环境适应性好；均为无源器件，功 耗低；结构简单，成本低。
图1为本发明基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器 实施例1的结构示意图
图2为本发明基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器 实施例2的结构示意图
图3为两个普通不完全反射面组成的FP腔的干涉条纹示意图 图4为相移光纤光栅的反射光谱曲线示意图 图5为光纤光栅反射光谱曲线示意图
图6为相移光纤光栅和光纤光栅组成的等效FP腔的反射光谱曲线示意
图
图中l一光纤光栅2—高浓度掺杂光纤3—相移光纤光栅
4一光纤光栅5—波分复用器6—泵浦源7—激光输出端口 8—相
移光纤光栅3的端面9一光纤光栅4的端面
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明 的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型 单频光纤激光器实施例1的结构示意图，由图可见，本实施例1基于相移光 纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，是以高浓度掺杂光纤2 作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤2的一端熔接一个光纤光栅1，另 一端熔接由一个相移光纤光栅3和一个光纤光栅4组成等效的FP腔；泵浦 源6接波分复用器5的A i端口 ，该波分复用器5的混合端口与所述的光纤光 栅4相连，所述的波分复用器5的义2端口为本发明激光器的激光输出端7。我们知道，由两个光纤光栅构成谐振腔的两个腔镜的直线腔光纤激光 器，为获得较大功率的输出，可以采取延长惨杂光纤的长度的办法，但这将 导致谐振腔的腔长变大，激光器的纵模间隔变小。而光纤光栅的反射谱带宽 比较宽，使得符合纵模条件的模式数目较大。若仍然使用由两个光纤光栅构 成激光器谐振腔的两个腔镜，则激光器无法获得稳定的单频激光输出。所以 腔长较长的直线腔分布布拉格反射型激光器需要选用带宽比光纤光栅的反 射谱带宽更窄的反射型滤波器。
我们采用的相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的等效FP腔可以构成满
足这个带宽要求的窄带反射滤波器，根据FP腔理论，由下列公式(1)和公 式(2)，可以计算出两个反射率分别为《和^的普通反射镜组成的FP腔的 反射率i ^。公式(1)中0为相位角，公式(2)中/为FP腔的腔长，"^为
FP腔的折射率，/l为单频光纤激光器的工作波长。从而可以作出两个普通反 射镜组成的FP腔的反射率&随着波长的变化曲线，如图3所示。
由公式(1)和(2)可以推出，如果波长义和FP腔的腔长/满足下列 公式(3)的关系，则波长/l的光的FP腔反射率为0。同时由图3中可以看 出，波长在A附近的光的FP腔反射率都很小。
式中^为任意选取的1以上的正整数。但如果波长为;i时，FP腔中一个反射面的反射率《非常小，为0，那么 由公式(1)可知，FP腔的反射率i^变大为^。
图4和图5分别为相移光纤光栅3和光纤光栅4的反射光谱，相移光纤 光栅3和光纤光栅4的峰值反射率分别为前文中的《和/ 2 。从图4可以看出， 相移光纤光栅3的反射峰中有细小的凹陷线，即相移光纤光栅3的透射峰， 它的带宽比光纤光栅要低一个量级。
对相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔来说，令相移光纤光栅3的 带宽和光纤光栅4的带宽接近，且中心波长相等，都等于A。腔长/为图l 和2中所示相移光纤光栅3的端面8和光纤光栅4的端面9之间的距离。使 相移光纤光栅3的透射峰波长/l和腔长/的关系满足公式(3)。则由前文的 分析，对于相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔，波长在相移光纤光 栅3带宽以内而且在透射窗口以外的信号光的FP腔的反射率都很小。这部 分信号光波长越接近A ，相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔的反射 率就越小。而对于信号光波长从相移光纤光栅3的透射窗口边缘靠近透射中 心波长A，由于^迅速减小到0，因而相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的 FP腔的反射率及#迅速变大到/ 2 。那么由相移光纤光栅3和光纤光栅4组成 的FP腔的反射率就出现了尖峰。如图6所示。因为相移光纤光栅3的反射 率在透射窗口迅速变小，带宽比光纤光栅要低一个量级，所以由相移光纤光 栅3和光纤光栅4组成的FP腔的反射率尖峰线宽很小，远比光纤光栅的带 宽小，如图6所示。
由于相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的FP腔反射率带宽比光纤光栅的 带宽小，可以和光纤光栅配合使用，作为腔长较长的直线腔分布式布拉格射型激光器谐振腔的两个腔镜进行滤波选模，从而产生大功率单频的激光输 出。
实施例1的结构如图1所示，本实施例的制造方法是根据本发明单频光 纤激光器输出功率的实际需要选取较长的高浓度掺杂光纤2，在它的一端熔
接上光纤光栅l，另一端熔接相移光纤光栅3和光纤光栅4。相移光纤光栅3 和光纤光栅4同时制作在一根光纤上，且须保证等效FP腔的腔长/满足公式 3的值。
实施例2
实施例2的结构如图2所示，由图可见，本实施例基于相移光纤光栅 的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特点是以高浓度掺杂光纤2 作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤2的一端熔接一个光纤光栅1，另 一端熔接由一个相移光纤光栅3和一个光纤光栅4组成等效的FP腔；泵浦 源6接波分复用器5的/1,端口 ，该波分复用器5的混合端口与所述的光纤光 栅1相连，所述的波分复用器5的;12端口为激光输出端7。
所述的相移光纤光栅3和光纤光栅4组成的等效的FP腔满足下列关系
式
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中/为FP腔的腔长，腔长/即所述的相移光纤光栅3和光纤光栅4的端 面8、端面9之间的距离，^v为FP腔的折射率，A为信号光波长，m为l
以上的正整数。
本实施例的制造方法是根据本发明单频光纤激光器输出功率的实际需 要选取较长的高浓度掺杂光纤2，在它的一端熔接上光纤光栅l，另一端熔接相移光纤光栅3和光纤光栅4。相移光纤光栅3和光纤光栅4同时制作在
一根光纤上，且须保证等效FP腔腔长/满足公式3的要求。将光纤光栅l 的另一端熔接波分复用器5。激光器的泵浦光由半导体激光器6作为泵浦光 源经过波分复用器5输入，谐振腔内产生的激光由波分复用器5的义2端口 7 输出。
综上所述，本发明激光器，用简单的结构和廉价易得的器件同时实现了 大功率单频输出的功能。
权利要求
1、一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特征在于以高浓度掺杂光纤(2)作为激光增益介质，在该高浓度掺杂光纤(2)的一端熔接一个光纤光栅(1)，另一端熔接由一个相移光纤光栅(3)和一个光纤光栅(4)组成等效的FP腔的相移光纤光栅(3)；泵浦源(6)接波分复用器(5)的λ1端口，该波分复用器(5)的混合端口与所述的光纤光栅(4)相连，该波分复用器(5)的λ2端口为激光输出端(7)。
2、 一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器， 其特征在于以高浓度掺杂光纤(2)作为激光增益介质，在该高浓度掺杂 光纤(2)的一端熔接一个光纤光栅(1)，另一端熔接由一个相移光纤光栅(3)和一个光纤光栅(4)组成等效FP腔的相移光纤光栅(3);泵浦源(6) 接波分复用器(5)的A端口，该波分复用器(5)的混合端口与所述的光纤 光栅(1)相连，该波分复用器(5)的;12端口为激光输出端(7)。
3、 根据权利要求1或2所述的基于相移光纤光栅的分布式布拉格反 射型单频光纤激光器，其特征在于所述的相移光纤光栅(3)和光纤光栅(4)组成的等效FP腔满足下列关系式/ =附1式中/为FP腔的腔长，腔长/即所述的相移光纤光栅(3)和光纤光栅(4) 的靠近的两端面(8)、端面(9)之间的距离，^v为FP腔的折射率，义为激光器的工作波长，m为任意选取的1以上的正整数。
4、 根据权利要求1或2所述的基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射 型单频光纤激光器，其特征在于所述的泵浦源(6)为半导体激光器或半导 体激光器组件。
全文摘要
一种基于相移光纤光栅的分布式布拉格反射型单频光纤激光器，其特点是利用相移光纤光栅和光纤光栅组成的等效法布里-珀罗腔的反射峰的窄带滤波效应，实现滤波选频。整个装置由泵浦源，波分复用器，光纤光栅，相移光纤光栅，高浓度掺杂光纤，光纤光栅组成。其中光纤光栅，相移光纤光栅，高浓度掺杂光纤，光纤光栅组成激光谐振腔。本发明可以输出大功率单频激光。
文档编号H01S3/06GK101483304SQ200910046610
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者莉 孟, 方祖捷, 潘政清, 瞿荣辉, 蔡海文 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所