一种基于双高反光纤光栅的短直腔单频光纤激光器的制作方法

本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种基于双高反光纤光栅的短直腔单频光纤激光器。

背景技术：

单频光纤激光器，是指工作在单纵模运转状态下，具有良好相干性、高单色性、输出光谱线宽很窄的一类光纤激光器。由于单频光纤激光器具有高相干性、输出模式好、低相对噪声、线宽窄等优点，因而它在光纤传感、激光雷达、高分辨光谱学和激光医疗等方面具有广泛的应用。基于分布布拉格反射式的短直腔单频光纤激光器，凭借其结构简单紧凑、便于集成化、易实现单频输出、抗干扰能力强、成本低廉等优点，被认为是目前最有发展前景和应用潜力的单频激光光源之一。

常见的分布布拉格反射式结构的短直腔单频光纤激光器，通常由一个宽带高反光纤光栅、高浓度掺杂增益光纤和一个作为耦合输出镜的窄带部分反射率光纤光栅组成。要使其获得单纵模振荡输出，首先要求在实现激光振荡的前提下，其谐振腔腔长要尽量短，以实现较大的纵模间隔δνq。其次，激光腔内的增益带宽δν要尽量窄。当耦合输出窄带光纤光栅反射峰与宽带高反光纤光栅反射峰完全重合时，谐振腔内的增益带宽δν主要由耦合输出窄带光纤光栅的带宽决定。如果谐振腔内增益带宽δν大于腔内相邻纵模间的间隔δνq，并小于两倍的纵模间隔时(即δνq<δν<2δνq)，那么就可实现单纵模输出。

为了实现具有较短增益光纤的分布布拉格反射式单频光纤激光器的振荡输出，通常需要采取以下两种技术手段：

(1)、选取高浓度掺杂的增益光纤。目前，常见的高浓度掺杂增益光纤一般为磷酸盐类光纤，价格较为昂贵，且多为特种定制光纤，不易购买获得。另外，这种增益光纤在与硅酸盐类光纤制成的光纤光栅进行熔接时，由于两类光纤材质熔点相差较大，低损耗、高性能熔接较为困难。

(2)、提高耦合输出窄带光纤光栅的反射率，以增加谐振腔的正反馈。然而众所周知，由于光纤光栅本身固有的性质，如果要获得较高的反射率，就无法实现较窄的反射峰带宽。光纤光栅的反射率和带宽的这对矛盾，在一定程度上增加了构建分布布拉格反射式短直腔单频光纤激光器的技术难度，限制了这种光纤激光器的进一步发展和应用。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种结构简单紧凑、易于构建、成本低廉且操作灵活的基于双高反光纤光栅的短直腔单频光纤激光器。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种基于双高反光纤光栅的短直腔单频光纤激光器，其特征在于，由单模半导体激光泵浦源，第一波分复用器，第一光隔离器，第一高反光纤光栅，第一温控热沉，掺杂增益光纤，第二高反光纤光栅，第二温控热沉，第二波分复用器，第二光隔离器组成；其中，所述第一高反光纤光栅置于第一温控热沉中，第二高反光纤光栅置于第二温控热沉中。

单模半导体激光泵浦源与第一波分复用器的泵浦端相连，第一波分复用器的公共端与第一高反光纤光栅的一端连接，第一波分复用器的信号端与第一光隔离器连接，第一高反光纤光栅的另一端经掺杂增益光纤与第二高反光纤光栅的一端连接；第二高反光纤光栅的另一端与第二波分复用器的公共端相连，第二波分复用器的信号端与第二光隔离器连接；第一高反光纤光栅和第二高反光纤光栅组成单频光纤激光器谐振腔；该单频光纤激光器谐振腔所产生的两束单频激光，其中的一束激光通过第一波分复用器经由第一光隔离器输出，而另一束激光则通过第二波分复用器经第二光隔离器输出。

根据本发明，所述的第一高反光纤光栅与第二高反光纤光栅在温度控制下使其反射光谱或透射光谱边缘处存在交叠区。

进一步地，所述的第一高反光纤光栅和第二高反光纤光栅对泵浦光波长透射率大于90％，对输出激光波长附近的反射率大于99％。

优选地，所述的由第一高反光纤光栅和第二高反光纤光栅组成的单频光纤激光器谐振腔的有效腔长不大于4cm。

所述的掺杂增益光纤使用长度为10-20mm。

所述的第一温控热沉和第二温控热沉均为紫铜、黄铜、铝等热的良导体制成，且皆由温度传感器、热电制冷器、温度控制器构建而成。

本发明的基于双高反光纤光栅的短直腔单频光纤激光器，其结构简单、腔型紧凑、成本低廉、操作灵活，可广泛应用于光纤传感、激光雷达、激光勘探、激光测距和激光医疗等技术领域。与常见的短直腔单频光纤激光器相比，主要创新点在于：

(1)谐振腔内的增益带宽，是由两个高反光纤光栅的反(透)射谱的交叠区共同决定。由于高反光纤光栅的反(透)射光谱的上升/下降沿的斜率较大，那么通过精确的温度控制，可以使得交叠区决定的腔内增益带宽很窄。这就避免了使用窄带宽、部分反射率光纤光栅用作耦合输出镜。

(2)通过对两个高反光纤光栅进行精确的温控，当它们反(透)射谱的交叠区变大时，两个高反光纤光栅的反射率就会变大，为激光谐振腔提供的正反馈也就越高。因此，采用该技术方案的短直腔单频光纤激光器，对增益光纤的掺杂浓度要求不高。另一方面，通过温度控制改变两个高反光纤光栅光谱交叠区的大小，可以灵活地改变激光谐振腔内正反馈的大小，进而可以以此控制这种单频光纤激光器的激光输出功率。

(3)当两个高反光纤光栅的反(透)射光谱存在交叠区时，此时两个光纤光栅的反射率将会降低，因此会从该光纤激光器谐振腔的两端同时产生两束单频激光输出。

附图说明

图1为本发明的基于双高反光纤光栅的短直腔单频光纤激光器结构示意图；

图2为两个高反光纤光栅反(透)射谱相对位置及激光振荡输出光谱示意图。

图中的标记分别表示：1、单模半导体激光泵浦源，2、第一波分复用器，3、第一光隔离器，4、第一高反光纤光栅，5、第一温控热沉，6、掺杂增益光纤，7、第二高反光纤光栅，8、第二温控热沉，9、第二波分复用器，10、第二光隔离器。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

需要说明的是，以下的实施例仅是本发明的技术方案的一种优选方式，本发明不限于该实施例，本领域的技术人员在实施例给出的技术方案基础上所做出的添加和等效替换，均属于本发明的保护范围。

参见图1，本实施例给出一种基于双高反光纤光栅的短直腔单频光纤激光器，由单模半导体激光泵浦源1，第一波分复用器2，第一光隔离器3，第一高反光纤光栅4，第一温控热沉5，掺杂增益光纤6，第二高反光纤光栅7，第二温控热沉8，第二波分复用器9，第二光隔离器10组成。其中，第一高反光纤光栅4置于第一温控热沉5中，第二高反光纤光栅7置于第二温控热沉8中；各部件之间的连接关系为：

单模半导体激光泵浦源1与第一波分复用器2的泵浦端相连，第一波分复用器2的信号端与第一光隔离器3相连，第一波分复用器2的公共端与第一高反光纤光栅4的一端连接，第一高反光纤光栅4的另一端经掺杂增益光纤6与第二高反光纤光栅7的一端连接，第二高反光纤光栅7的另一端与第二波分复用器9的公共端连接，第二波分复用器9的信号端与第二光隔离器10连接，第一高反光纤光栅4和第二高反光纤光栅7组成单频光纤激光器谐振腔。该单频光纤激光器谐振腔产生的两束单频激光，一束激光通过第一波分复用器2的信号端经由第一光隔离器3输出，另而一束激光通过第二波分复用器9的信号端经由第二光隔离器10输出。

在本实施例中，所述的第一高反光纤光栅4与第二高反光纤光栅7在温度控制下使其反射光谱或透射光谱边缘处存在交叠区。

所述的第一高反光纤光栅4和第二高反光纤光栅7对泵浦光波长透射率大于90％，对输出激光波长附近的反射率大于99％。

所有光纤器件皆通过熔接方式进行连接。

本实施例中，单模半导体激光泵浦源1输出波长为976nm。

第一高反光纤光栅4和第二高反光纤光栅7的各项参数相同：栅区长度为15mm，反射谱中心波长约为1030nm，3db反射谱宽为0.3nm，中心波长反射率大于99％。

由第一高反光纤光栅4和第二高反光纤光栅7组成的短线性谐振腔有效腔长只要不大于4cm即可(本实施例为2.2cm)。

使用的掺杂增益光纤6为掺镱(yb³⁺)石英玻璃光纤，其长度可以是10-20mm(本实施例的长度为14mm)。为了保护整个谐振腔，将其封装于石英玻璃管中。

本实施例中，第一温控热沉5和第二温控热沉8均为黄铜制成(或者选择紫铜、铝等热的良导体制作)，且均由温度传感器、热电制冷器(tec)、和高精度温控器(温控精度为0.01℃)构建，该高精度温控器用于对第一、第二温控热沉(5，8)进行温控。

当泵浦功率低于激光器振荡阈值时，谐振腔内的增益光纤会产生放大的自发辐射。此时，将从第二光隔离器10输出的放大自发辐射接入光谱仪，可以观测到第一高反光纤光栅4的反射谱和第二高反光纤光栅7的透射谱。

当单模半导体激光泵浦源1输出功率为4毫瓦时，将第一高反光纤光栅4温度设置为12℃，第二高反光纤光栅7温度设置为60.1℃，此时第一高反光纤光栅4的反射谱b和第二高反光纤光栅7的透射谱a的相对位置如图2所示。从图2中可以看出，两个高反光纤光栅反(透)射谱的边缘处存在一较窄的光谱交叠区。该窄带交叠区决定了该光纤激光器谐振腔的增益带宽。当泵浦功率超过阈值5.6毫瓦时，就会在第一光隔离器3和第二光隔离器10的输出端同时产生中心波长为1030.05nm的单纵模激光振荡输出，如图2中光谱c所示。另外，如果将第一高反光纤光栅4和第二高反光纤光栅7的温度同时按照相同的温度步长进行调谐，就会产生波长连续可调谐的单频激光输出。

本实施例给出的基于双高反光纤光栅的短直腔结构单频光纤激光器，不仅克服了传统的分布布拉格反射式短直腔结构单频光纤激光器对耦合输出光纤光栅带宽的要求，而且对增益光纤的掺杂浓度要求不高。此外，通过对两个高反光纤光栅同时进行精确温控，还可实现波长连续可调谐的单频激光输出。这种基于双高反光纤光栅的短直腔单频光纤激光器，凭借其结构简单、腔型紧凑、成本低廉、操作灵活等优点，可广泛应用于光纤传感、激光雷达、激光勘探、激光测距和激光医疗等领域。