本发明涉及光纤以及光纤激光器领域，尤其是基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器。
背景技术
光纤激光器采用光纤光栅作为腔镜，实现全光纤结构；泵浦光从左边腔镜耦合进入增益光纤，泵浦光在包层内多次反射穿过掺杂纤芯，光在具有掺杂离子光纤中传输时，处于基态的掺杂粒子吸收光跃迁到亚稳态，当满足粒子数反转分布时，发生受激辐射，同时具有掺杂离子的光纤中的瑞利反射提供随机分布式反馈，从而实现随机激光激射；光纤激光器实际上是一个波长转换器。
随机激光的光谱结构、输出功率等具有独特的温度不敏感特性，同时随机激光光放大具有较好的增益平坦性，因此其在光纤传感、光放大等领域有着重要的应用；最早投入研究的是利用十公里以上的普通单模光纤作为腔体，光纤中没有掺入任何微纳颗粒，也没有写入光纤光栅等反射镜，利用光纤中随机分布的瑞利散射为随机激光提供反馈，从而实现随机光纤激光器。前期随机光纤激光器的研究主要集中在拉曼增益的情况，随后基于布里渊增益、掺铒增益、布里渊-拉曼混合增益、有源-拉曼混合增益等不同增益方式下的光纤随机激光器也投入研究。随机光纤激光器的反馈方式主要有两种：一、基于光在光纤中传输时的随机分布式瑞利散射；二、在光纤内部刻写相位差随机的fbg串；目前这两种反馈方式只能应用到特定增益类型的随机激光器，基于随机分布式瑞利散射的反馈方式的随机光纤激光器其增益来自于光纤内的非线性效应、有源光纤提供的有源离子增益以及分布式有源增益与非线性效应一起提供的混合增益；基于随机刻写的fbg串提供随机分布反馈方式的光纤随机激光器仅是基于有源光纤提供分布式有源增益结构；另一方面，现有的随机光纤激光器采用掺杂高浓度离子的光纤，在传输过程中能量容易被吸收，损耗大，同时光纤长度短，光纤中瑞利后向散射强度弱，导致无法提供足够的反馈，因此需要一种可同时提供分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的光纤激光器。
技术实现要素：
本发明的目的在于：本发明提供了基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器，解决了现有随机光纤激光器利用单一光纤无法同时提供分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的问题。
本发明采用的技术方案如下：
基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器，包括泵浦激光源、泵浦合束器和包层功率剥离器，包括用于同时实现分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的双包层弱掺镱光纤，所述泵浦合束器的输出端与双包层弱掺镱光纤一端连接，所述双包层弱掺镱光纤的另一端与包层功率剥离器的输入端连接，所述双包层弱掺镱光纤中镱离子的浓度取值范围为0.5x1023-1x1027/m3。
优选地，所述双包层弱掺镱光纤包括由外至内设置的外包层、内包层和纤芯。
优选地，还包括用于增强激光反馈的fbg，所述fbg与泵浦合束器信号端连接或者与包层功率剥离器输出端连接。
优选地，所述双包层弱掺镱光纤的长度取值范围为80-300m，所述fbg长度取值范围为1015-1150nm。
优选地，所述双包层弱掺镱光纤的长度取值范围为200-3000m，所述fbg长度取值范围为1015-1150nm。
优选地，还包括用于构成一阶二阶激光半开腔结构增强一阶二阶反馈的fbg-a和fbg-b；所述泵浦合束器的信号端与fbg-a的一端连接，所述fbg-a另一端与fbg-b连接。
优选地，所述双包层弱掺镱光纤的长度取值范围为100-3000m，所述fbg-a长度取值范围为1015-1150nm，所述fbg-b长度取值范围为1065-1300nm。
基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器，包括泵浦激光源、泵浦合束器和包层功率剥离器，其特征在于：还包括镱离子的浓度取值范围为0.5x1023-1x1027/m3的大芯径的双包层弱掺镱光纤和fbg，所述泵浦合束器的输出端与大芯径的双包层弱掺镱光纤的一端连接，所述大芯径的双包层弱掺镱光纤的另一端与包层功率剥离器的输入端连接，所述泵浦合束器的信号端与fbg连接。
优选地，所述大芯径的双包层弱掺镱光纤的长度取值范围为200-1000m，所述fbg长度取值范围为1015-1150nm。
优选地，所述大芯径的双包层弱掺镱光纤包括从内至外设置的纤芯和包层，所述纤芯直径取值范围为15-30μm,所述包层直径取值范围为125-600μm。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明的双包层弱掺镱光纤的纤芯内掺有低浓度镱离子，当一定功率的泵浦光沿光纤传输时，泵浦光不会随着沿光纤传输距离迅速衰减，信号光可在相当长距离范围内被放大；另外其内部结构固有密度的随机起伏，折射率随机波动，当信号光在其中传输时，发生随机分布式瑞利散射，一定长度光纤的后向瑞利散射强度总和在分布式有源增益的作用下可为激光的激射提供足够的反馈，解决了现有随机光纤激光器无法同时提供分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的问题，达到了利用单一光纤同时提供分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的效果；
2.本发明的双包层弱掺镱光纤采用双包层光纤结构，实现包层泵浦，利于注入更高功率的泵浦功率，减小了对泵浦源的要求；其中内包层的直径比芯径大，有效地抑制了泵浦光的非线性效应，保证激光器稳定输出；
3.本发明中基于双包层弱掺镱光纤的随机光纤激光器的增益来源于有源粒子，从而有效地降低激射阈值，提高了获得激光的能力；
4.本发明基于双包层弱掺镱光纤设计的光纤激光器，利用泵浦合束器将高功率泵浦光耦合到双包层弱掺镱光纤的内包层传输，泵浦光反复经过纤芯，纤芯内的镱离子发生受激辐射效益辐射信号光，信号光在足够长的光纤内传输发生随机分布式瑞利散射，其中后向瑞利散射光在受到镱离子放大后为激光的激射提供足够的反馈，实现高功率随机激光的激射，达到了同时提供分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的效果；
5.本发明在基于双包层弱掺镱光纤设计的光纤激光器上设置fbg形成半开腔结构，增强激光的反馈，同时fbg的线宽较窄，对激光具有压窄效应，从而实现阈值更低线宽更窄的高功率随机激光输出；
6.本发明在基于双包层弱掺镱光纤设计的光纤激光器上设置两个fbg，构成一阶二阶激光的半开腔结构，同时增强一阶二阶的反馈，降低高功率二阶阈值；
7.本发明在基于双包层弱掺镱光纤设计的光纤激光器上增大双包层弱掺镱光纤的包层直径和纤芯直径，提高光纤的损伤阈值，注入更高泵浦功率，同时进一步抑制了泵浦光和一阶激光引起的光纤非线性效益，抑制二阶激光的产生，实现输出更高功率的一阶激光；
8.本发明通过改变光纤长度，当光纤足够长即纤芯内的激光功率足够高，光纤中发生受激拉曼效应，其提供高效率的增益，在分布式瑞利反馈作用下，可形成高功率二阶激光的激射；
9.本发明通过改变fbg的中心波长，使得二阶激光的增益满足同时在掺镱和拉曼增益谱内，实现二阶激光在拉曼-掺镱混合增益作用下高功率输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器结构示意图；
图2为本发明的实施例2光纤激光器结构示意图；
图3为本发明的实施例2光纤激光器激光输出功率随注入泵浦功率的变化曲线图；
图4为本发明的实施例2光纤激光器在976nm泵浦功率为500w时激光功率沿光纤纵向的分布曲线图；
图5为本发明的实施例4光纤激光器结构示意图；
图6为本发明的实施例5光纤激光器结构示意图；
图7为本发明的实施例5光纤激光器激光输出功率随注入泵浦功率的变化曲线图；
图8为本发明的实施例5光纤激光器在976nm泵浦功率为300w时激光功率沿光纤纵向的分布曲线；
图9为本发明的实施例7光纤激光器结构示意图。
附图说明：
1-泵浦激光源，2-泵浦合束器，3-双包层弱掺镱光纤，4-包层功率剥离器，5-fbg，6-fbg-a，7-fbg-b，pp-泵浦功率，z-光纤长度，outputpower-激光功率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
技术问题：解决了现有随机光纤激光器采用单一光纤无法同时提供分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的问题；
技术手段：
基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器，包括泵浦激光源1、泵浦合束器2和包层功率剥离器4，包括用于同时实现分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的双包层弱掺镱光纤3，泵浦合束器2的输出端与双包层弱掺镱光纤3一端连接，双包层弱掺镱光纤3的另一端与包层功率剥离器4的输入端连接，双包层弱掺镱光纤3中镱离子的浓度取值范围为0.5x1023-1x1027/m3。
双包层弱掺镱光纤3包括由外至内设置的外包层、内包层和纤芯。
还包括用于增强激光反馈的fbg5，fbg5与泵浦合束器2信号端连接或者与包层功率剥离器4输出端连接。
双包层弱掺镱光纤3的长度取值范围为80-300m，fbg5长度取值范围为1015-1150nm。
双包层弱掺镱光纤3的长度取值范围为200-3000m，fbg5长度取值范围为1015-1150nm。
还包括用于构成一阶二阶激光半开腔结构增强一阶二阶反馈的fbg-a6和fbg-b7；泵浦合束器2的信号端与fbg-a6的一端连接，fbg-a6另一端与fbg-b7连接。
双包层弱掺镱光纤3的长度取值范围为100-3000m，fbg-a6长度取值范围为1015-1150nm，fbg-b7长度取值范围为1065-1300nm。
基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器，包括泵浦激光源1、泵浦合束器2和包层功率剥离器4，还包括镱离子的浓度取值范围为0.5x1023-1x1027/m3的大芯径的双包层弱掺镱光纤3和fbg5，泵浦合束器2的输出端与大芯径的双包层弱掺镱光纤3的一端连接，大芯径的双包层弱掺镱光纤3的另一端与包层功率剥离器4的输入端连接，泵浦合束器2的信号端与fbg5连接。
大芯径的双包层弱掺镱光纤3的长度取值范围为200-1000m，fbg5长度取值范围为1015-1150nm。
大芯径的双包层弱掺镱光纤3包括从内至外设置的纤芯和包层，纤芯直径取值范围为15-30μm,包层直径取值范围为125-600μm。
工作原理为：
双包层弱掺镱光纤3的纤芯内掺有低浓度镱离子，当一定功率的泵浦光沿光纤传输时，泵浦光不会随着沿光纤传输距离迅速衰减，信号光可在相当长距离范围内被放大，保证了长距离的分布式有源增益；由于折射率的随机起伏，产生随机分布式瑞利散射，尽管瑞利散射系数很小，但我们采用的双包层弱掺镱光纤3足够长，光纤中随机分布式瑞利散射能为激光的激射提供足够的反馈，从而形成激光激射，实现同时提供分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈。
基于双包层弱掺镱光纤的光纤激光器，泵浦激光源1输出泵浦光，泵浦光由泵浦合束器2的泵浦输入端输入，由泵浦合束器2的泵浦输出端注入到双包层弱掺镱光纤3中，光在双包层弱掺镱光纤3中传输时，镱离子吸收光跃迁到高能级，当泵浦光光功率足够大时，跃迁到高能级的粒子数足够多从而实现了粒子数反转分布，受激辐射发生；同时，由于折射率的随机起伏，产生随机分布式瑞利散射，尽管瑞利散射系数很小，但我们采用的双包层弱掺镱光纤3足够长，光纤中随机分布式瑞利散射能为激光的激射提供足够的反馈，从而形成激光激射。为剥离包层内残存的泵浦功率，在双包层弱掺镱光纤3的尾端连接包层功率剥离器4将包层内的泵浦光剥离，包层功率剥离器4的输出端作为该激光器的前向输出端口。
技术效果：本发明双包层弱掺镱光纤3的纤芯内掺有低浓度镱离子，当一定功率的泵浦光沿光纤传输时，泵浦光不会随着沿光纤传输距离迅速衰减，信号光可在相当长距离范围内被放大；另外其内部结构固有密度的随机起伏，折射率随机波动，当信号光在其中传输时，发生随机分布式瑞利散射，其中后向瑞利散射对激光激射起重要作用，长距离光纤的后向瑞利散射强度总和在分布式增益的作用下可为激光的激射提供足够的反馈，解决了现有随机光纤激光器采用单一光纤无法同时提供分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的问题，实现同时提供分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈；本发明采用分布式有源增益，相比于原来基于拉曼增益的随机光纤激光器而言，本发明显著降低了一阶激光的激射阈值；双包层弱掺镱光纤由于其大芯径可有效地抑制了光纤非线性效应从而抑制二阶光的产生，从而可获得更高功率的一阶随机激光；同时与之前基于分布式有源增益的随机光纤激光器采用的是在有源光纤中刻写相差随机的fbg串相比，本发明通过合理设计掺镱光纤，实现基于分布式有源增益的同时利用随机分布的瑞利反馈提供反馈，为随机激光的产生提供了一种新的实现方法。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器，包括泵浦激光源1、泵浦合束器2和包层功率剥离器4，包括用于同时实现分布式有源增益和随机分布式瑞利反馈的双包层弱掺镱光纤3，泵浦合束器2的输出端与双包层弱掺镱光纤3一端连接，双包层弱掺镱光纤3的另一端与包层功率剥离器4的输入端连接，双包层弱掺镱光纤3包括由外至内设置的由纯硅酸盐组成外包层、掺有一定浓度锗离子的锗硅酸盐的内包层和纤芯，纤芯包括掺有低浓度镱离子的锗硅酸盐，镱离子的浓度取值为8x1023/m3，低浓度镱离子，当一定功率的泵浦光沿光纤传输时，泵浦光不会随着沿光纤传输距离迅速衰减，信号光可在相当长距离范围内被放大；长距离光纤的后向瑞利散射强度总和在分布式增益的作用下可为激光的激射提供足够的反馈；纤芯用于同时实现分布式有源增益和随机分布式反馈。
实施例2
基于实施例1，还包括用于增强激光反馈的fbg5，fbg5与泵浦合束器2信号端连接；结构如图2所示；
双包层弱掺镱光纤3的镱离子的浓度取值为8x1023/m3，泵浦激光源1选用976nm，fbg5长度取1040nm，双包层弱掺镱光纤3长度取值为210m；1040nm的fbg5对1040nm光具有高反射率低透射率；设置fbg形成半开腔结构，增强激光的反馈，同时fbg的线宽较窄，对激光具有压窄效应，从而实现阈值更低线宽更窄的高功率随机激光输出。如图3所示，随着泵浦功率的增长，激光功率也在连续增长，如图4所示随机光纤激光器在976nm泵浦功率为500w时激光功率沿光纤纵向的分布,越靠近激光器输出端，激光功率越高。
实施例3
在实施例2的基础上，泵浦激光源1选用976nm，双包层弱掺镱光纤3长度取170m，fbg5长度选取1060nm；可以大幅提升1060nm波段的随机光纤激光器激射效率。
实施例4
基于实施例1，fbg5还可以设置在包层功率剥离器端形成基于后向泵浦的半开腔结构，fbg5与包层功率剥离器4输出端连接，结构如图5所示，泵浦激光源1选用976nm，fbg5长度取1080nm，双包层弱掺镱光纤3长度范围为200m。
实施例5
基于实施例1在泵浦合束器2端设置fbg-a6和fbg-b7,结构如图6所示，构成一阶二阶激光的半开腔结构，同时增强一阶二阶的反馈，降低高功率二阶阈值，泵浦合束器2的信号端与fbg-a6的一端连接，fbg-a6另一端与fbg-b7连接，泵浦合束器2的输出端与双包层弱掺镱光纤3一端连接，双包层弱掺镱光纤3的另外一端与包层功率剥离器4的输入端连接；
双包层弱掺镱光纤3的长度取值为600m，fbg-a6长度取值为1050nm，fbg-b7长度取值为1100nm。
基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器的后向输出端加上一个1050nmfbg-a6和一个1100nmfbg-b7分别为一阶随机激光和二阶随机激光提供反馈；当足够的976nm泵浦光注入到双包层弱掺镱光纤3中满足一阶随机激光激射条件时，一阶激光产生并在纤芯内传输，当976nm泵浦功率进一步增大时，一阶激光功率增大，使得双包层弱掺镱光纤3中产生受激拉曼效应，产生二阶激光，该二阶激光同时受到镱离子的放大，从而实现了低阈值高效率的二阶随机激光产生。图7所示随机光纤激光随着泵浦光的增大，输出的一阶激光和二阶激光的功率变化曲线，随着泵浦功率增大，一阶激光迅速增长，满足一阶非线性效应条件后，产生二阶激光，一阶激光能量迅速减小，二阶激光迅速增大。图8所示为泵浦功率为300w时一阶激光功率和二阶激光功率沿光纤纵向分布曲线，从泵浦注入端到激光输出端，一阶激光功率逐渐增大然后再随着传输距离逐渐减小，最后完全损耗，而二阶激光会随着一阶激光的减少迅速增大，在激光器输出端达到最大值。
实施例6
基于实施例5，fbg-a6长度取值为1040nm，fbg-b7长度取值为1070nm，1040nmfbg-a6对1040nm光具有高反射率低透射率，1070nmfbg-b7对1070nm光具有高反射率低透射率，可以大幅提升1070nm波段的随机光纤激光器激射效率的。
实施例7
基于双包层弱掺镱光纤的随机分布式瑞利反馈光纤激光器，包括泵浦激光源1、泵浦合束器2和包层功率剥离器4，泵浦激光源1的输出端接泵浦合束器2的泵浦输入端，包层功率剥离器4的输出端作为激光器的前向输出端，泵浦合束器2的信号端作为激光器的后向输出端，还包括大芯径的双包层弱掺镱光纤3和fbg5，泵浦合束器2的输出端与大芯径的双包层弱掺镱光纤3的一端连接，大芯径的双包层弱掺镱光纤3的另一端与包层功率剥离器4的输入端连接，泵浦合束器2的信号端与fbg5连接，结构如图9所示，大芯径的双包层弱掺镱光纤3包括从内至外设置的纤芯和包层。
大芯径的双包层弱掺镱光纤3的镱离子的浓度取值为8x1025/m3，大芯径的双包层弱掺镱光纤3的长度取值为800m，其芯径取值为25μm，包层直径为400μm，fbg5长度取值为1060nm。
利用大芯径的双包层弱掺镱光纤3，耦合到光纤中的泵浦功率增大，掺镱的大芯径芯区的镱离子利用效率提高，使得随机激光的激射效率增高，同时二阶随机激光的产生受到大芯区面积的进一步抑制，从而实现更高功率一阶随机激光的输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。