超窄线宽光源发生装置的制作方法

本发明属于光源发生装置领域，具体涉及一种超窄线宽光源发生装置。

背景技术：

超窄线宽的单纵模激光束是一种具有极低相位噪声和超长相干长度的优质光源，在光纤传感、光纤通信、激光雷达、分布式石油管道检测等领域中具有广阔的应用前景。目前形成超窄线宽的单纵模激光束的方法多种多样，比如短腔法、饱和吸收体、多环环形腔等方法，但基于前述方法的激光器大多存在结构复杂、体积较大、成本高昂、线宽压缩效果不理想的缺陷，这大大的限制了超窄线宽的单纵模激光束的应用。

技术实现要素：

本发明提供一种超窄线宽光源发生装置，以解决目前产生超窄线宽光源发生装置结构复杂、体积较大、成本较高以及线宽压缩不理想的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种超窄线宽光源发生装置，包括光源发生增益装置、光纤和第一滤波器，其中所述光源发生增益装置用于产生预设量的光源并将所述预设量的光源作为入射光传输给所述光纤；

所述光纤用于基于瑞利散射效应对所述入射光的线宽进行压缩，以获得线宽压缩后的入射正方向和入射反方向上的瑞利散射信号，针对传输至所述第一滤波器的所述入射正方向上的瑞利散射信号，一部分被所述第一滤波器传输出去，另一部分被所述第一滤波器反射回所述光纤，所述光纤将被反射回来的瑞利散射信号，连同所述入射反方向上的瑞利散射信号传输给所述光源发生增益装置进行增益放大；

增益放大后的瑞利散射信号作为入射光被传输给所述光纤，以使所述光纤对所述入射光的线宽进行循环压缩，直至所述预设量的光源被所述第一滤波器全部传输出去，最后被传输出去的该部分光源即为超窄线宽光源。

在一种可选的实现方式中，所述装置还包括第二滤波器，所述光源发生增益装置用于将所述预设量的光源作为输入光源传输给所述第二滤波器，所述输入光源的一部分作为入射光被所述第二滤波器传输至所述光纤，另一部分被所述第二滤波器反射回所述光源发生增益装置进行增益放大，增益放大后的该部分光源作为输入光源被传输给所述第二滤波器。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤将被所述第一滤波器反射回来的瑞利散射信号，连同所述入射正方向上的瑞利散射信号传输给所述第二滤波器；所述第二滤波器将其接收到的瑞利散射信号的一部分作为入射光反射给所述光纤，另一部分传输至所述光源发生增益装置进行增益放大，增益放大后的该部分瑞利散射信号作为输入光源被传输给所述第二滤波器。

在另一种可选的实现方式中，所述光源发生增益装置为激光器内的增益介质。

在另一种可选的实现方式中，所述第二滤波器为激光器内的光栅。

在另一种可选的实现方式中，所述激光器采用单纵模激光器。

在另一种可选的实现方式中，所述第一滤波器和所述第二滤波器可透射和反射的波长范围覆盖所述光源发生增益装置所产生的光源的波长范围。

在另一种可选的实现方式中，通过对所述光纤的材料和长度，以及所述第一滤波器、所述第二滤波器的透射率和反射率进行设计，来获得最优超窄线宽光源。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用光纤基于瑞利散射效应对光源发生增益装置产生的预设量光源的线宽进行压缩，并使第一滤波器具有透射和发射的特性，一方面可以保证光源被传输出去，另一方面可以保证光纤基于瑞利散射效应产生的入射正方向上的部分瑞利散射信号被反射回光纤，以使沿着光纤传输给光源发生增益装置进行增益放大的瑞利散射信号增多，从而可以保证更多的光源被增益放大后再进行线宽循环压缩，实现超窄线宽光源输出，由于本发明所涉及的器件较少，因此相比于目前超窄线宽光源发生装置结构简单、体积较小、成本较低，且线宽压缩理想；

2、本发明通过在光源发生增益装置与光纤之间增加第二滤波器，并使第二滤波器具有透射和反射的特性，可以在保证正常线宽压缩和增益放大的同时，提高线宽压缩和增益放大的效率；

3、本发明通过采用激光器内的增益介质作为光源发生增益装置，采用激光器内的光栅作为第二滤波器，可以进一步简化结构、减小体积和降低成本；

4、本发明通过使第一滤波器和第二滤波器可透射和反射的波长范围覆盖光源发生增益装置所产生的光源的波长范围，可以保证光源在第一滤波器和第二滤波器中实现透射和反射；

5、本发明通过对所述光纤的材料和长度，以及所述第一滤波器、所述第二滤波器的透射率和反射率进行设计，可以获得最优超窄线宽光源。

附图说明

图1是本发明超窄线宽光源发生装置的一个实施例结构示意图；

图2是本发明超窄线宽光源发生装置的另一个实施例结构示意图；

图3是本发明超窄线宽光源发生装置的另一个实施例结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

经申请人研究发现，光纤在发生瑞利散射效应时，不仅可以在各个方向上产生瑞利散射信号，而且还可以对入射至光纤的入射光的线宽进行压缩。也就是说，当光纤发生瑞利散射效应时，光纤在接收到入射光后，基于瑞利散射效应所产生的各个方向上的瑞利散射信号的线宽将小于入射光的线宽。基于此，本发明实施例中提出了基于瑞利散射效应进行线宽压缩的一种光源发生装置，其可以实现超窄线宽光源输出。

参见图1，为本发明超窄线宽光源发生装置的一个实施例结构示意图。该超窄线宽光源发生装置可以包括光源发生增益装置110、光纤120和第一滤波器130，光源发生增益装置110通过光纤120与第一滤波器130连接。

本实施例中，以光源发生增益装置110在单位时间(诸如10秒钟内)内产生的光源量为例，光源发生增益装置110可以将该光通量大小的光源作为入射光传输给光纤120，光纤120在接收到入射光后，发生瑞利散射效应，并基于瑞利散射效应对入射光的线宽进行压缩，从而使瑞利散射效应所产生的各个方向上的瑞利散射信号的线宽都窄于入射光的线宽。其中，针对线宽压缩后的入射正方向上的瑞利散射信号，其可以沿着光纤120被传输至第一滤波器130。由于第一滤波器130具有透射和反射的特性，因此入射正方向上的一部分瑞利散射信号被第一滤波器130传输出去，另一部分瑞利散射信号被第一滤波器130反射回光纤120。此后，光纤120将被反射回来的瑞利散射信号，连同入射反方向上的瑞利散射信号传输给光源发生增益装置110进行增益放大(诸如光强放大)。增益放大后的瑞利散射信号可以再次作为入射光传输给光纤。

光纤120在接收到入射光后，可以按照上述相同的方式对入射光进行处理，从而对光源发生增益装置110产生的预设量光源的线宽进行循环压缩，直至该预设量光源被第一滤波器130全部传输出去。由于每次线宽压缩的过程，都会有部分光源被第一滤波器130传输出去，即随着循环压缩的进行，单位时间内产生的光源的光通量呈逐渐减少的趋势，因此当单位时间内产生的光源被第一滤波器130全部传输出去时，表示整个线宽循环压缩过程结束。由于从预设量光源被传输至光纤到预设量光源被全部传输出去的时间非常短，且在线宽循环压缩过程中最后输出的该部分光源的强度远远大于之前输出的光源的强度，因此最后输出的该部分光源可以视为整个线宽循环压缩过程中输出的光源，即该光源发生装置输出的光源。由于整个线宽循环压缩过程中的每次线宽压缩过程，最后输出的该部分光源的线宽都经历了，因此最后输出的该部分光源的线宽得到了极大地压缩，即该光源发生装置输出的光源的线宽得到了极大地压缩，从而使该光源发生装置可以输出超窄线宽光源。

由上述实施例可见，本发明采用光纤基于瑞利散射效应对光源发生增益装置产生的预设量光源的线宽进行压缩，并使第一滤波器具有透射和发射的特性，一方面可以保证光源被传输出去，另一方面可以保证光纤基于瑞利散射效应产生的入射正方向上的部分瑞利散射信号被反射回光纤，以使沿着光纤传输给光源发生增益装置进行增益放大的瑞利散射信号增多，从而可以保证更多的光源被增益放大后再进行线宽循环压缩，实现超窄线宽光源输出，由于本发明所涉及的器件较少，因此相比于目前超窄线宽光源发生装置结构简单、体积较小、成本较低，且线宽压缩理想。

参见图2，为本发明超窄线宽光源发生装置的另一个实施例结构示意图。图2与图1所示超窄线宽光源发生装置的区别在于，还可以包括第二滤波器210，其中该光源发生增益装置110可以依次通过第二滤波器210、光纤120连接第一滤波器130。

本实施例中，第二滤波器210的输入信号可以被称为输入光源，输出信号可以被称为入射光(即光纤120的输入信号)，光纤120产生并在其上传输的信号可以被称为瑞利散射信号。在产生超窄线宽光源时，光源发生增益装置110可以产生预设量的光源并将预设量的光源作为输入光源并传输给第二滤波器210。由于第二滤波器210具有透射和反射的特性，因此传输给第二滤波器210的输入光源，一部分作为入射光被第二滤波器210传输至光纤120，另一部分被反射回光源发生增益装置110进行增益放大，增益放大后的该部分光源可以作为输入光源再次被传输给第二滤波器210。

光纤120在接收到入射光后，可以发生瑞利散射效应，并可以基于瑞利散射效应对入射光的线宽进行压缩，从而使瑞利散射效应所产生的各个方向上的瑞利散射信号的线宽都窄于入射光的线宽。针对线宽压缩后的入射正方向上的瑞利散射信号，其可以沿着光纤120被传输至第一滤波器130。由于第一滤波器130具有透射和反射的功能，因此入射正方向上的瑞利散射信号的一部分可以被第一滤波器130传输出去，另一部分可以被第一滤波器130反射回光纤120。此后，光纤120将被第一滤波器130反射回来的瑞利散射信号，连同其基于瑞利散射效应产生的入射反方向上的瑞利散射信号，传输给第二滤波器210。此后，第二滤波器210可以将其接收到的瑞利散射信号的一部分作为入射光反射回光纤120，另一部传输至光源发生增益装置110进行增益放大，增益放大的该部分瑞利散射信号可以作为输入光源再次被传输给第二滤波器210。

第二滤波器210在接收到输入光源后，可以按照上述相同的方式对输入光源进行处理，且光纤120在接收到入射光后，也可以按照上述相同的方式对入射光进行处理，从而可以对光源发生增益装置110产生的预设量光源的线宽进行循环压缩，直至该预设量光源被第一滤波器130全部传输出去。

本发明通过在光源发生增益装置与光纤之间增加第二滤波器，并使第二滤波器具有透射和反射特性，一方面可以使第二滤波器在接收到输入光源时，将一部分输入光源传输给光纤进行正常线宽压缩，并将另一部分输入光源反射回光源发生增益装置进行增益放大，由此可以提高增益放大的效率；另一方面可以使第二滤波器在接收到光纤传输过来的瑞利散射信号时，将一部分瑞利散射信号作为入射光反射回光纤，由此可以提高线宽压缩的效率，并将另一部分瑞利散射信号传输给光源发生增益装置可以进行正常增益放大。由此可见，本发明通过在光源发生增益装置与光纤之间增加第二滤波器，并使第二滤波器具有透射和反射的特性，可以在保证正常线宽压缩和增益放大的同时，提高线宽压缩和增益放大的效率。

由上述实施例可见，本发明采用光纤基于瑞利散射效应对光源发生增益装置产生的预设量光源的线宽进行压缩，并使第一滤波器具有透射和发射的特性，一方面可以保证光源被传输出去，另一方面可以保证光纤基于瑞利散射效应产生的入射正方向上的部分瑞利散射信号被反射回光纤，以使沿着光纤传输给光源发生增益装置进行增益放大的瑞利散射信号增多，从而可以保证更多的光源被增益放大后再进行线宽循环压缩，实现超窄线宽光源输出，由于本发明所涉及的器件较少，因此相比于目前超窄线宽光源发生装置结构简单、体积较小、成本较低，且线宽压缩理想。

参见图3，为本发明超窄线宽光源发生装置的另一个实施例结构示意图。本实施例中，以超窄线宽光源发生装置产生单纵模激光束为例，图2中光源发生增益装置110可以为激光器DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)内的增益介质，第二滤波器210可以为激光器DFB内的光栅，光纤120可以为散射光纤。由于激光器中增益介质不仅可以产生激光源，还可以实现增益放大，因此本发明选用激光器中增益介质作为光源发生增益装置，可以简化结构、减小体积和降低成本。另外，本发明选用激光器中光栅作为第二滤波器，可以进一步简化结构、减小体积和降低成本。

本实施例中，增益介质110在接收到电信号后，激光器DFB开始起振，从而可以产生包括多个纵模激光束的激光源，其中每个纵模的频率范围相等且各个纵模的频率范围可以构成激光源的线宽。以预设量的激光源为例，增益介质110可以将该预设量的激光源作为输入光源传输给光栅210，由于光栅210具有透射和反射的特性，因此传输给光栅210的激光源，一部分作为入射光被光栅210传输给散射光纤120，另一部分被反射回增益介质110进行增益放大，增益放大后的该部分激光源可以作为输入光源再次被传输给光栅210。

由于当光纤的粒子尺度远小于入射光源波长(通常小于入射光源波长十分之一)时，光纤才会发生瑞利散射，因此可以根据入射光源波长的特性，对光纤的材料进行选择，从而确定对应的散射光纤。散射光纤120在接收到入射光后，发生瑞利散射效应，并基于瑞利散射效应对入射光的线宽进行压缩，从而使瑞利散射效应所产生的各个方向上的瑞利散射信号的线宽都窄于入射光的线宽。针对线宽压缩后的入射正方向上的瑞利散射信号，其可以沿着散射光纤120被传输至第一滤波器130。由于第一滤波器130具有透射和反射的功能，因此入射正方向上的瑞利散射信号的一部分可以被第一滤波器130传输出去，另一部分可以被第一滤波器130反射回散射光纤120。此后，散射光纤120将被第一滤波器130反射回来的瑞利散射信号，连同其基于瑞利散射效应产生的入射反方向上的瑞利散射信号，传输给光栅210。此后，光栅210可以将其接收到的瑞利散射信号的一部分作为入射光反射回散射光纤120，另一部传输至增益介质110进行增益放大，增益放大的该部分瑞利散射信号可以作为输入光源再次被传输给光栅210。

光栅210在接收到输入光源后，可以按照上述相同的方式对输入光源进行处理，且散射光纤120在接收到入射光后，也可以按照上述相同的方式对入射光进行处理，从而可以对增益介质110产生的预设量激光源的线宽进行循环压缩，直至该预设量激光源被第一滤波器130全部传输出去。

由上述实施例可见，本发明采用光纤基于瑞利散射效应对激光器中增益介质产生的预设量激光源的线宽进行压缩，并使第一滤波器具有透射和发射的特性，一方面可以保证激光源被传输出去，另一方面可以保证光纤基于瑞利散射效应产生的入射正方向上的部分瑞利散射信号被反射回光纤，以使沿着光纤传输给增益介质进行增益放大的瑞利散射信号增多，从而可以保证更多的激光源被增益放大后再进行线宽循环压缩，实现超窄线宽激光源输出，由于本发明所涉及的器件较少，因此相比于目前超窄线宽光源发生装置结构简单、体积较小、成本较低，且线宽压缩理想。

需要注意的是：为了保证光源可以在第一滤波器和第二滤波器中实现透射和反射，上述第一滤波器和第二滤波器可透射和反射的波长范围应该覆盖光源发生增益装置(即激光器)所产生的光源的波长范围。另外，经研究发现，光纤基于入射光产生的瑞利散射信号的强弱由光纤材料和光纤长度决定，因此为了产生最优的超窄线宽光源，需要对第一滤波器和第二滤波器的透射率和反射率，以及光纤材料和光纤长度进行研究。瑞丽散射光对激光束的压缩作用不仅适用于单纵模激光束，也适用于其他模态的激光束，但由于单纵模激光束具有更广的应用价值，于是优选地，所述激光器采用单纵模激光器。优选地，所述激光器采用单纵模DFB激光器。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。