专利名称：一种超窄线宽低噪声高功率单频光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤激光器，特别是涉及超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器， 激光器线宽小于几百Hz级、输出功率高达几百mW量级。
背景技术：
超低噪声单频激光因其光谱线宽非常狭窄，激光相干特性极其优异等优势，在相干光通信、光原子钟、重力波探测、量子保密通信等超高精尖端领域有着广阔的应用前景。 要提高光纤激光的探测距离或精度，需要使用高相干性能的激光，因而要求激光具有超窄线宽，如要求几百Hz量级线宽、mW级的单频光纤激光作为种子源。一般石英掺杂光纤很难实现较高功率(> IOOmff),超窄线宽(< 200Hz)的单频激光输出。目前研究超窄线宽单频光纤激光，采用稀土离子高掺杂的石英光纤作为激光介质，短直F-P腔或DBR腔结构，一般只能输出几mW单频激光，采用多组分玻璃光纤作为单频激光的增益介质，则可实现输出功率IOOmW以上、线宽小于2 KHz的单频光纤激光，如采用2cm长的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤，实现了输出功率大于300 mW、线宽小于2 KHz、波长为 1. 5μπι 的单频光纤激光[Optics Express, 2010, 18(2) 1249]。2004 年，美国亚历山大大学和NP光子公司在超窄线宽单频光纤激光研究方面申请了稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤激光器[专利号US 6816514 B2]和高功率窄线宽单频光纤激光器[公开号US 2004/0240508 Al]两个专利，它是基于(30 80)P205- (5 30)L203 (L2O3 :A120，B2O3,&03， La2O3 以及它们的混合物)-(5 30) MO (MO =BaO, BeO, MgO, SrO, CaO, ZnO, PbO 以及它们的混合物)这种基质的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤，并对部分腔型结构进行了权利要求。 2008年，华南理工大学在超窄线宽单频光纤激光研究方面申请了一种低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器[专利号200810220661. X ]专利，对其腔型结构及保偏的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤进行了权利要求。以上文献及发明专利提供的窄线宽单频光纤激光器，其增益光纤均存在空间烧孔效应，且只能实现kHz量级的线宽输出。本发明申请提出了一种新型的谐振腔型结构，通过偏振旋转技术解决增益光纤中的空间烧孔效应，光纤光栅加上全反射镜构成腔内滤波器并分别与前后一对保偏光纤光栅构成折叠型复合谐振腔，有利于提高谐振腔的腔内寿命，从而达到减小激光线宽(达百Hz量级)的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种超窄线宽低噪声高功率单频光纤激光器，本发明在短直腔结构中构建折叠复合腔及双虚拟环形腔，并能产生超窄线宽(小于百Hz量级)且保偏输出的单频光纤激光。本发明的的目的通过如下技术方案实现
一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，包括单模半导体激光泵浦源、保偏波分复用器、耦合输出保偏光纤光栅、高反射保偏光纤光栅、波片、高增益光纤、低反射窄线宽光纤光栅、二色镜、热沉、密封气室和光纤夹具和保偏光纤隔离器，所述单模半导体激光泵浦源与保偏波分复用器的泵浦输入端连接，保偏波分复用器的公共端与耦合输出保偏光纤光栅连接，所述耦合输出保偏光纤光栅和高反射保偏光纤光栅都刻写在同一条保偏光纤上或分别刻写在两条保偏光纤上且连接时快慢轴方向一致，高反射保偏光纤光栅经由波片与高增益光纤连接，高增益光纤再与低反射窄线宽光纤光栅、二色镜顺次连接，其中，耦合输出保偏光纤光栅、高反射保偏光纤光栅、波片、高增益光纤、低反射窄线宽光纤光栅和二色镜共同组成单频激光谐振腔，并固定封装在自动温度控制的热沉中，同时在热沉上用一密闭气室封装整个单频激光谐振腔，整个单频激光谐振腔的尾纤由一光纤夹具固定在一密闭气室的前端壳面，单频激光谐振腔产生的单频激光经由保偏波分复用器的信号端耦合输出，再经由一保偏光纤隔离器输出；所述高增益光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，所述发光离子掺杂浓度大于 1 X 1019ions/cm3且在其纤芯中是均勻掺杂。上述一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，所述高增益光纤是普通的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤或保偏的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤。上述一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其纤芯成分为磷酸盐玻璃， 组成为70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203 ；高增益光纤的单位长度增益大于1 dB/cm，光纤长度为0. 5 5cm。上述一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，所述波片是四分之一波片或四分之三波片。上述一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，所述高反射保偏光纤光栅的快轴或慢轴与波片的轴线成45°夹角。上述一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，所述耦合输出保偏光纤光栅的快轴或慢轴中心反射波长是与高反射保偏光纤光栅的慢轴或快轴中心反射波长匹配的， 即耦合输出保偏光纤光栅的快轴中心反射波长反射谱位于高反射保偏光纤光栅的慢轴中心反射波长反射谱内，或耦合输出保偏光纤光栅的慢轴中心反射波长反射谱位于高反射保偏光纤光栅的快轴中心反射波长反射谱内。上述一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，所述耦合输出保偏光纤光栅的慢轴或快轴中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱宽小于0.15 nm，中心波长反射率为10 90% ；所述高反射保偏光纤光栅的快轴或慢轴中心反射波长为激光输出波长，3dB 反射谱宽大于0. 15 nm,中心波长反射率大于90% ；所述低反射窄线宽光纤光栅的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱宽小于0. 15 nm,中心波长反射率为10 50%。上述一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，所述二色镜为直接在低反射窄线宽光纤光栅研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜形成，所述薄膜对激光信号波长反射率大于95%，对泵浦波长透射率大于90%。上述一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，所述镧系离子为Er3+，Yb3+, Tm3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3+ 或 Lu3+ ；所述过渡金属离子为 Cu2+，Co2+，Cr3+，Fe2+ 或 Mn2+。所述二色镜为在腔镜表面镀上薄膜或为直接在低反射窄线宽光纤光栅研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜，所述薄膜对激光信号波长反射率大于95%，对泵浦波长透射率大于 90%。所述耦合输出保偏光纤光栅与高反射保偏光纤光栅的连接，可以是在同一条保偏光纤上刻写这两种光栅，也可以通过光纤熔接或通过研磨抛光其相应光纤端面后直接对接耦合且它们快慢轴需对齐，两种光栅栅区之间的距离小于5cm。所述四分之一波片是对应的波长是为激光输出波长。所述高增益光纤纤芯直径为3 10 μ m，包层直径为60 800 μ m。本发明利用磷酸盐玻璃纤芯材料的高掺杂和高增益特性，设计制作磷酸盐玻璃单模光纤作为激光介质材料，采用短直腔结构，利用耦合输出保偏光纤光栅、低反射窄线宽光纤光栅的选频作用，在泵浦光源的持续抽运下，高反射保偏光纤光栅快轴(或慢轴)反射的线偏振光经由四分之一波片旋转为右旋圆偏振光在高增益光纤纤芯中得到放大，经低反射窄线宽光纤光栅加上全反射腔镜组成的滤波器后滤波反射后，变为与原传播方向相反的右旋圆偏振光，再回到高增益光纤纤芯中得到进一步放大，此时，圆偏振光在腔内形成一个虚拟环光路，然后通过四分之一波片变为慢轴(或快轴)线偏振光，在耦合输出保偏光纤光栅的慢轴(或快轴)得到透射输出及部分反射，一部分光透射输出形成保偏单频激光，另一部分反射回来的线偏振光经历了与高反射保偏光纤光栅快轴(或慢轴)反射的线偏振光一样的偏振旋转、右旋圆偏振光的放大、滤波、全反射反向、右旋圆偏振光的再次放大，同样在腔内形成另一个虚拟环光路，最后再偏振旋转为快轴(或慢轴)的线偏振光，然后由高反射保偏光纤光栅快轴(或慢轴)再次反射，如此形成了内含两个虚拟环的一个谐振周期，可有效解决高增益光纤中由于行波导致的烧孔效应。另外，低反射窄线宽光纤光栅与高反射保偏光纤光栅、耦合输出保偏光纤光栅共同在腔内又形成了一个谐振腔，与原谐振腔共同构成了直腔型复合腔，从而，显著增强了腔内光子的寿命，达到降低激光线宽的目的。特别是，既结合稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤的单位长度高增益特性、利用耦合输出保偏光纤光栅及低反射窄线宽光纤光栅的窄线宽实现单一纵模选择，又可以利用低反射窄线宽光纤光栅与全反射二色镜构成的超短内腔选择的纵模与外腔选择的纵模重合，达到更精细的单一频率选择。本发明基于上述技术优势，可以实现超窄线宽、低噪声、高功率、偏振保持的单频激光输出。与现有技术相比，本发明的技术效果是厘米量级的高增益稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤作为激光的增益介质，由耦合输出保偏光纤光栅和高反射保偏光纤光栅组成谐振腔结构的前后腔镜，在单模半导体激光泵浦源的连续激励下，纤芯中的高掺杂稀土粒子发生反转，产生受激发射的信号光，利用四分之一波片对由耦合输出保偏光纤光栅和高反射保偏光纤光栅产生的线偏振光进行旋转并形成圆偏振光，从而形成了内含两个虚拟环形光路的一个谐振周期，可有效解决高增益光纤中由于行波导致的烧孔效应，从而有利于改善单频激光的噪声特性。另外，低反射窄线宽光纤光栅与高反射保偏光纤光栅、耦合输出保偏光纤光栅共同在腔内又形成了一个谐振腔，与原谐振腔共同构成了直腔型复合腔，腔长的增加可显著提高腔内光子的寿命，达到降低激光线宽的目的，从而保证了超窄线宽(百Hz 量级)单频激光的实现。特别是，既结合稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤的单位长度高增益特性、利用耦合输出保偏光纤光栅及低反射窄线宽光纤光栅的窄线宽实现单一纵模选择，又可以利用低反射窄线宽光纤光栅与全反射二色镜构成的超短内腔选择的纵模与外腔选择的纵模重合，达到更精细的单一频率选择，且不容易发生跳模现象。本发明基于上述技术优势，可以实现低噪声、超窄线宽、无跳模的单频激光输出的技术效果。
图1为本发明单频光纤激光器原理示意图2为四分之一波片主轴与高反射保偏光纤光栅快慢轴的位置示意图； 图3为光纤光栅反射光谱设计示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。如图1所示，超窄线宽低噪声高功率单频光纤激光器包括单模半导体激光泵浦源
I、保偏波分复用器(PM_WDM)2、耦合输出保偏光纤光栅3、高反射保偏光纤光栅4、四分之一波片5、高增益光纤6、低反射窄线宽光纤光栅7、二色镜8、热沉9、密封气室10和光纤夹具
II、保偏光纤隔离器12。其中，耦合输出保偏光纤光栅3、高反射保偏光纤光栅4、四分之一波片5、高增益光纤6、低反射窄线宽光纤光栅7及二色镜8组成单频光纤激光腔13。单模半导体激光泵浦源1与保偏波分复用器2的泵浦输入端连接，保偏波分复用器2的公共端与耦合输出保偏光纤光栅3连接，耦合输出保偏光纤光栅3再与高反射保偏光纤光栅4连接，经由四分之一波片5与高增益光纤6连接，再与低反射窄线宽光纤光栅7与二色镜8连接，保偏波分复用器2的信号端与保偏光纤隔离器12连接，单频光纤激光腔13固定在自动温度控制的热沉9中，再通过光纤夹具11将该热沉封装在一密封气室10中。热沉9的温度一般设置在-30 70°C范围内的任一温度值上，一般设置在25°C，且其控制精度小于 0. 1°C，通过控制热沉9的温度来调谐激光波长。高增益光纤6为稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤，纤芯基质成分为磷酸盐玻璃，纤芯中稀土掺杂离子为铒、镱、或铒镱共掺。厘米量级的高增益光纤6作为激光的增益介质，由耦合输出保偏光纤光栅3和高反射保偏光纤光栅4组成谐振腔结构的前后腔镜，耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴) 的反射谱位于高反射保偏光纤光栅4快轴(或慢轴)的反射谱内，且中心反射波长重合；其中，耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴)的3dB反射谱宽小于0. 15 nm,中心波长反射率为10-90% ；高反射保偏光纤光栅快轴(或慢轴)的3dB反射谱宽大于0. 15 nm,中心波长反射率大于90%。泵浦光采用单模半导体激光泵浦源1前向泵浦方式由保偏波分复用器2的泵浦端输入并经由耦合输出保偏光纤光栅3、高反射保偏光纤光栅4、四分之一波片5耦合到激光腔中高增益光纤6的纤芯中，抽运高掺杂的稀土离子，使粒子数发生反转，产生受激发射的信号光，利用四分之一波片5对由耦合输出保偏光纤光栅3和高反射保偏光纤光栅4 产生的线偏振光进行旋转并形成圆偏振光，经低反射窄线宽光纤光栅7加上全反射二色镜 8组成的滤波器后滤波反射后，变为与原传播方向相反的右旋圆偏振光，再回到高增益光纤 6纤芯中得到进一步放大，从而形成了由两个虚拟环形光路组成的一个谐振周期，最后，形成的线偏振光经由耦合输出保偏光纤光栅3输出。其中，耦合输出保偏光纤光栅3和高反射保偏光纤光栅4采用熔接或端面对接方式连接，且它们的快慢轴必须对准；高反射保偏光纤光栅4与四分之一波片5采用紧密对接方式连接，高反射保偏光纤光栅4的端面必需研磨抛光，且其快轴(或慢轴)方向必须与四分之一波片5的主轴夹角成45°角，如图2所示； 高增益光纤6与低反射窄线宽光纤光栅7的连接采用熔接或端面研磨抛光对接方式；低反射窄线宽光纤光栅7与二色镜8组成一个具有纵模选择及滤波作用的功能模块，它们的连接采用光纤端面研磨抛光与腔镜紧密对接的方式。低反射窄线宽光纤光栅7的中心波长反
7射谱位于耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴)反射谱内，反射谱宽小于0. 15 nm，中心波长反射率为10 50% ；二色镜8为在腔镜表面镀上薄膜或为直接在低反射窄线宽光纤光栅 7研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜，薄膜对激光信号波长反射率大于95%，对泵浦波长透射率大于90%。再结合高增益光纤6的单位长度高增益特性、利用耦合输出保偏光纤光栅3及低反射窄线宽光纤光栅7的窄线宽实现单一纵模选择，同时又必须满足低反射窄线宽光纤光栅7与全反射二色镜8构成的超短内腔选择的纵模与外腔选择的纵模重合的条件，来实现更窄线宽单一频率的高功率激光保偏输出。实施例1
高增益光纤6是稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤，其作为光纤激光器的增益介质，长度可根据器件激光输出功率大小及耦合输出保偏光纤光栅3的反射谱宽来选择，本例为 1.0_，一般为0.5 10 cm均可。高增益光纤6的纤芯中掺杂高浓度的发光离子是铒和镱，铒、镱稀土离子的掺杂浓度分别是2. 5X 1020ions/cm3,5. OX 1020ions/cm3, 一般要大于 lX1019ions/cm3。纤芯直径为3 10 μ m，本例为6.0 μ m。高增益光纤6的纤芯基质成分为磷酸盐玻璃，其组成为70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203。稀土离子在其纤芯中是均勻的高浓度掺杂。高增益光纤6是通过钻孔法、管棒法制作预制棒先把包层玻璃加工处理成直径为30 mm的玻璃棒，再在此玻璃棒中心位置钻出一个直径为1. 44mm的圆孔，然后抛光玻璃圆孔的内表面；其次，把纤芯玻璃加工处理成一个直径为1.44mm的圆棒，然后再抛光此圆棒外表面；再次，把纤芯玻璃棒插入到包层玻璃棒中的孔内，组装成一光纤预制棒；最后，把组装好的光纤预制棒放到光纤拉制塔中高温炉中拉制，最终拉制出的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤，即为高增益光纤6。如图3所示，本例的耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴)的中心反射波长为激光输出波长巧48. 92 nm，其波长可在1525 1650nm范围内选择，3dB反射谱宽小于0. 15 nm,中心波长反射率为10 90%，本例中心波长反射率为55%。高反射保偏光纤光栅4快轴(或慢轴)的中心反射波长与耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴)的中心反射波长重合，本例中也为激光输出波长1M8. 92 nm, 3dB反射谱宽大于0. 15 nm,中心波长反射率大于90%。耦合输出保偏光纤光栅3和高反射保偏光纤光栅4组成谐振腔的前后腔镜。低反射窄线宽光纤光栅7的中心反射波长同样与耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴)的中心反射波长重合，本例中也为激光输出波长巧48. 92 nm,反射谱宽小于0. 15 nm,中心波长反射率为10 50%，本例中为20%。二色镜8为在腔镜表面镀上薄膜或直接在低反射窄线宽光纤光栅7研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜，其材料一般为MgO，薄膜对激光信号波长 1548.92 nm的反射率大于95%，对泵浦波长980 nm的透射率大于90%。低反射窄线宽光纤光栅7与二色镜8组成一个具有纵模选择及滤波作用的功能模块。通过设计耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴)的反射谱宽、控制整个激光腔的腔长、以及调节低反射窄线宽光纤光栅7栅区与二色镜8之间的距离，可以实现只有唯一的单纵模激光输出，且无跳模及模式竞争现象。在激光功率饱和前，随着泵浦功率的不断增强，激光线宽就会不断变窄，最后可以实现百Hz量级的超窄线宽保偏输出。只要选择耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴) 的中心反射波长是设计激光波长值，则可实现所需波长的超窄线宽单频光纤激光。其中，耦合输出保偏光纤光栅3和高反射保偏光纤光栅4采用熔接或端面对接方式连接，且它们的快慢轴必须对准；高反射保偏光纤光栅4与四分之一波片5采用紧密对接方式连接，高反射保偏光纤光栅4的端面必需研磨抛光，且其快轴(或慢轴)方向必须与四分之一波片5的主轴夹角成45°角，如图2所示；高增益光纤6与低反射窄线宽光纤光栅7的连接采用熔接或端面研磨抛光对接方式；低反射窄线宽光纤光栅7靠近栅区1 2mm处的一端面需进行研磨抛光，以使低反射窄线宽光纤光栅7与二色镜8采用光纤端面研磨抛光与腔镜紧密对接方式连接。泵浦光采用单模半导体激光泵浦源1前向泵浦方式由保偏波分复用器2的泵浦端输入并经由耦合输出保偏光纤光栅3、高反射保偏光纤光栅4、四分之一波片5耦合到激光腔中高增益光纤6的纤芯中。在泵浦光源的持续抽运下，抽运高掺杂的稀土离子，使粒子数发生反转，产生受激发射的信号光，高反射保偏光纤光栅4快轴(或慢轴)反射的线偏振光经由四分之一波片5旋转为右旋圆偏振光在高增益光纤6纤芯中得到放大，经低反射窄线宽光纤光栅7加上全反射二色镜8组成的滤波器后滤波反射后，变为与原传播方向相反的右旋圆偏振光，再回到高增益光纤6纤芯中得到进一步放大，此时，圆偏振光在腔内形成一个虚拟环光路，然后通过四分之一波片5变为慢轴(或快轴)线偏振光，在耦合输出保偏光纤光栅3的慢轴(或快轴)得到透射输出及部分反射，一部分光透射输出形成保偏单频激光，另一部分反射回来的线偏振光经历了与高反射保偏光纤光栅4快轴(或慢轴)反射的线偏振光一样的偏振旋转、右旋圆偏振光的放大、滤波、全反射反向、右旋圆偏振光的再次放大，同样在腔内形成另一个虚拟环光路，最后再偏振旋转为快轴(或慢轴)的线偏振光，然后由高反射保偏光纤光栅4快轴(或慢轴)再次反射，如此形成了内含两个虚拟环的一个谐振周期。最后，形成的线偏振单频激光经由耦合输出保偏光纤光栅3输出，再次经由980/1550nm的保偏波分复用器2分波输入到1550nm保偏光纤隔离器12的前端，并由保偏光纤隔离器12隔离反射或残留的泵浦光后输出稳定的、偏振保持的、单一纵模的光纤激光，而精密控制热沉 9的温度，有利于进一步实现激光波长的稳定性，最终实现了输出波长为1M8. 92 nm的超窄线宽、低噪声单频光纤激光保偏输出。实施例2
高增益光纤6是稀土掺杂磷酸盐玻璃单模保偏光纤，其作为光纤激光器的增益介质， 长度可根据器件激光输出功率大小及耦合输出保偏光纤光栅3的反射谱宽来选择，本例为 1.0_，一般为0.5 10 cm均可。高增益光纤6纤芯的均勻掺杂高浓度的发光离子是镱，镱离子的掺杂浓度是7. 5 X 1020ions/cm3, 一般要大于1 X 1019ions/cm3。高增益光纤6的纤芯直径为8 μ m，一般为1 10 μ m均可，采用熊猫眼结构设计其偏振特性，两熊猫眼对称排布、 大小一致，与纤芯距离为20 40 μ m,熊猫眼直经大小为16 μ m, 一般10 20 μ m均可，包层直径为125 μ m，一般125 400 μπι均可。高增益光纤6的纤芯基质成分为磷酸盐玻璃，其组成为70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203。由于高增益光纤6具有保偏特性，因而具有更高的消光比，同时对弯曲和扭曲应力不敏感，有利于消除单频光纤激光因环境振动引起的噪声和频率漂移，从而进一步提高激光的信噪比，信噪比可达65 dB。高增益光纤6 是通过钻孔法、管棒法制作预制棒先把包层玻璃加工处理成直径为35 mm的玻璃棒，再在此玻璃棒中心位置钻出一个直径为2. 24mm圆孔，然后抛光玻璃圆孔的内表面，然后再在熊猫眼设计位置钻两个直经为4. 48mm的圆孔，同样抛光两圆孔的内表面；其次，把纤芯玻璃加工处理成一个直径为2. 24mm的圆棒，然后再抛光此圆棒外表面；再次，把另一种多组分玻璃材料(其膨胀系数需大于磷酸盐玻璃的膨胀系数)加工处理成直经为4. 48mm的两条圆棒，抛光此两圆棒的外表面，再把纤芯玻璃棒插入到包层玻璃棒中的中心孔内，两条圆棒玻璃圆棒分别插入到包层玻璃棒中的熊猫眼孔中，组装成一光纤预制棒；最后，把组装好的光纤预制棒放到光纤拉制塔中高温炉中拉制，最终拉制出具有保偏性能的稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤，即为高增益光纤6。本例的耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴)的中心反射波长为激光输出波长 1064. 00 nm，其波长可在1000 1120nm范围内选择，3dB反射谱宽小于0. 10 nm，中心波长反射率为10 90%，本例中心波长反射率为65%。耦合输出保偏光纤光栅3和全反射二色镜8组成谐振腔的前后腔镜。低反射窄线宽光纤光栅7的中心反射波长同样与耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴)的中心反射波长重合，本例中也为激光输出波长1064. 00 nm，反射谱宽小于0. 10 nm，中心波长反射率为10 50%，本例中为15%。二色镜8为在腔镜表面镀上薄膜或直接在低反射窄线宽光纤光栅7研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜，其材料一般为MgO，薄膜对激光信号波长的反射率大于95%，对泵浦波长976 nm的透射率大于90%。低反射窄线宽光纤光栅7与二色镜8组成一个具有纵模选择及滤波作用的功能模块。通过设计耦合输出保偏光纤光栅3慢轴(或快轴)的反射谱宽、控制整个激光腔的腔长、以及调节低反射窄线宽光纤光栅7栅区与二色镜8之间的距离，可以实现只有唯一的单纵模激光输出， 且无跳模及模式竞争现象。在激光功率饱和前，随着泵浦功率的不断增强，激光线宽就会不断变窄，最后可以实现百Hz量级的超窄线宽保偏输出。只要选择耦合输出保偏光纤光栅3 慢轴(或快轴)的中心反射波长是设计激光波长值，则可实现所需波长的超窄线宽单频光纤激光。其中，耦合输出保偏光纤光栅3和四分之一波片5采用紧密对接方式连接，耦合输出保偏光纤光栅3的端面必需研磨抛光，且其快轴(或慢轴)方向必须与四分之一波片5的主轴夹角成45°角，如图2所示；高增益光纤6与耦合输出保偏光纤光栅3的快慢轴对准；高增益光纤6与低反射窄线宽光纤光栅7的连接采用熔接或端面研磨抛光对接方式；低反射窄线宽光纤光栅7靠近栅区1 2mm处的一端面需进行研磨抛光，以使低反射窄线宽光纤光栅7与二色镜8采用光纤端面研磨抛光与腔镜紧密对接方式连接。泵浦光采用976nm的单模半导体激光泵浦源1前向泵浦方式由980/1064nm的保偏波分复用器2的泵浦端输入并经由耦合输出保偏光纤光栅3、四分之一波片5耦合到激光腔中高增益光纤6的纤芯中。在泵浦光源的持续抽运下，抽运高掺杂的稀土离子，使粒子数发生反转，产生受激发射的信号光，高反射保偏光纤光栅4快轴(或慢轴)反射的线偏振光经由四分之一波片5旋转为右旋圆偏振光在高增益光纤6纤芯中得到放大，经低反射窄线宽光纤光栅7加上全反射二色镜8组成的滤波器后滤波反射后，变为与原传播方向相反的右旋圆偏振光，再回到高增益光纤6纤芯中得到进一步放大，此时，圆偏振光在腔内形成一个虚拟环光路，然后通过四分之一波片5变为慢轴(或快轴)线偏振光，在耦合输出保偏光纤光栅3的慢轴(或快轴)得到透射输出及部分反射，一部分光透射输出形成保偏单频激光，另一部分反射回来的线偏振光经历了与高反射保偏光纤光栅4快轴(或慢轴)反射的线偏振光一样的偏振旋转、右旋圆偏振光的放大、滤波、全反射反向、右旋圆偏振光的再次放大，同样在腔内形成另一个虚拟环光路，最后再偏振旋转为快轴(或慢轴)的线偏振光，然后由高反射保偏光纤光栅4快轴(或慢轴)再次反射，如此形成了内含两个虚拟环的一个谐振周期。最后，形成的线偏振单频激光经由耦合输出保偏光纤光栅3输出，再次经由980/1064nm的保偏波分复用器2分波输入到1064nm保偏光纤隔离器12的前端，并由保偏光纤隔离器12隔离反射或残留的泵浦光后输出稳定的、偏振保持的、单一纵模的光纤激光，而精密控制热沉 9的温度，有利于进一步实现激光波长的稳定性，最终实现了输出波长为1. 06 Mffl的超窄线宽、低噪声单频光纤激光保偏输出。
权利要求
1.一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于包括单模半导体激光泵浦源(1)、保偏波分复用器(2)、耦合输出保偏光纤光栅(3)、高反射保偏光纤光栅(4)、波片、高增益光纤(6)、低反射窄线宽光纤光栅(7)、二色镜(8)、热沉(9)、密封气室(10)和光纤夹具(11)和保偏光纤隔离器(12)，所述单模半导体激光泵浦源(1)与保偏波分复用器(2)的泵浦输入端连接，保偏波分复用器(2)的公共端与耦合输出保偏光纤光栅(3)连接， 所述耦合输出保偏光纤光栅(3)和高反射保偏光纤光栅(4)都刻写在同一条保偏光纤上或分别刻写在两条保偏光纤上且连接时快慢轴方向一致，高反射保偏光纤光栅(4)经由波片(5)与高增益光纤(6)连接，高增益光纤(6)再与低反射窄线宽光纤光栅(7)、二色镜(8)顺次连接，其中，耦合输出保偏光纤光栅(3)、高反射保偏光纤光栅(4)、波片(5)、高增益光纤(6)、低反射窄线宽光纤光栅(7)和二色镜(8)共同组成单频激光谐振腔(13)，并固定封装在自动温度控制的热沉(9)中，同时在热沉(9)上用一密闭气室(10)封装整个单频激光谐振腔(13)，整个单频激光谐振腔(13)的尾纤由一光纤夹具(11)固定在一密闭气室(10)的前端壳面，单频激光谐振腔(13)产生的单频激光经由保偏波分复用器(2)的信号端耦合输出，再经由一保偏光纤隔离器(12)输出；所述高增益光纤(6)的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，所述发光离子掺杂浓度大于1 X 1019ions/cm3且在其纤芯中是均勻掺杂。
2.根据权利要求1所述的超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于所述高增益光纤(6 )是普通的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤或保偏的稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤。
3.根据权利要求1所述的超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于所述所述高增益光纤(6)为稀土掺杂磷酸盐单模玻璃光纤，其纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为 70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203 ；高增益光纤(6)的单位长度增益大于1 dB/cm，光纤长度为0. 5 5cm。
4.根据权利要求1所述的超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于所述波片是四分之一波片或四分之三波片。
5.根据权利要求1所述的超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于所述高增益光纤纤芯直径为3 10 μ m，包层直径为60 800 μ m。
6.根据权利要求1所述的超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于所述高反射保偏光纤光栅(4)的快轴或慢轴与波片(5)的轴线成45°夹角。
7.根据权利要求1所述的超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于所述耦合输出保偏光纤光栅(3)的快轴或慢轴中心反射波长是与高反射保偏光纤光栅(4)的慢轴或快轴中心反射波长匹配的，即耦合输出保偏光纤光栅(3)的快轴中心反射波长反射谱位于高反射保偏光纤光栅(4)的慢轴中心反射波长反射谱内，或耦合输出保偏光纤光栅(3)的慢轴中心反射波长反射谱位于高反射保偏光纤光栅(4)的快轴中心反射波长反射谱内。
8.根据权利要求1所述的超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于所述耦合输出保偏光纤光栅(3)的慢轴或快轴中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱宽小于0. 15 nm,中心波长反射率为10 90% ；所述高反射保偏光纤光栅(4)的快轴或慢轴中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱宽大于0.15 nm，中心波长反射率大于90%;所述低反射窄线宽光纤光栅(7)的中心反射波长为激光输出波长，3dB反射谱宽小于0.15 nm, 中心波长反射率为10 50%。
9.根据权利要求1所述的超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于所述二色镜(8)为直接在低反射窄线宽光纤光栅(7)研磨抛光后的一侧端面镀上薄膜形成， 所述薄膜对激光信号波长反射率大于95%，对泵浦波长透射率大于90%。
10.根据权利要求1所述的超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，其特征在于所述镧系离子为Er3+，Yb3+, Tm3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3+或Lu3+；所述过渡金属离子为 Cu2+，Co2+, Cr3+, !^e2+或 Mn2+。
全文摘要
本发明公开了一种超窄线宽低噪声高功率的单频光纤激光器，包括单模半导体激光泵浦源、保偏波分复用器、耦合输出保偏光纤光栅、高反射保偏光纤光栅、波片、高增益光纤、低反射窄线宽光纤光栅、二色镜、热沉、密封气室和光纤夹具和保偏光纤隔离器；保偏波分复用器的公共端与耦合输出保偏光纤光栅连接，所述耦合输出保偏光纤光栅和高反射保偏光纤光栅都刻写在同一条保偏光纤上或分别刻写在两条保偏光纤上且连接时快慢轴方向一致，高反射保偏光纤光栅经由波片与高增益光纤连接，高增益光纤再与低反射窄线宽光纤光栅、二色镜顺次连接本发明在短直腔结构中构建折叠复合腔及双虚拟环形腔，并能产生超窄线宽且保偏输出的单频光纤激光。
文档编号H01S3/16GK102306897SQ201110241520
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者张伟南, 张勤远, 徐善辉, 杨中民, 邱建荣 申请人:华南理工大学