基于SBS和法布里珀罗干涉仪的被动调Q锁模环形激光器的制作方法

本发明属于光纤激光技术领域，更具体地，涉及一种基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器。

背景技术：

作为光纤中重要的一种非线性效应之一，受激布里渊散射(stimulatedbrillouinscattering，sbs)拥有较小的激发阈值，非线性的背向光散射，一直拥有广泛的应用，如基于布里渊背向散射的光纤传感和脉宽压缩、基于受激布里渊散射引起的群折射率变化实现的慢光控制、多模光纤中利用受激布里渊散射实现的相位共轭和光束质量优化以及利用受激布里渊散射实现的被动调q效应和调制不稳定效应。作为可能实现全光纤化的脉冲产生手段之一，受激布里渊散射sbs的被动调q效应和驰豫振荡效应一直是超快光学研究的热门话题。早在1997年，研究人员就首次在稀土离子掺杂的光纤激光器中实现了基于布里渊散射的自启动q开关，实验中采用的两端反馈是光纤环谐振器和反射镜，作为典型的窄线宽反馈器件，使用光纤环谐振器的实验方案一直沿用至今。随后，研究人员又发现了基于sbs的调制不稳定效应发射锁模脉冲的现象。由于基于sbs的被动调q和锁模激光器在任意有增益的波长附近均可搭建，sbs效应阈值可以随着光纤长度的增加而降低，且不需要额外的光器件，搭建简便，因此一直是激光领域的重要研究内容。

然而，由于sbs的动力学机理，sbs的被动调q激光器一直以来存在着输出脉冲不稳定的特点。基于sbs被动调q输出脉冲的不稳定性来源于激光器内存在的随机热噪声和随机瑞利散射。热噪声在布里渊散射的过程中起着启动布里渊散射的作用。而由瑞利散射带来的反馈作用则构成了布里渊激光器的谐振腔。以往实验中所采用的光纤环谐振器通常线宽较窄，易于激发受激布里渊散射，并对多级的stokes光无反馈作用，随机热噪声和随机瑞利散射在不稳定的调q过程中起了最为关键的作用。实际上，布里渊调q激光器的被动调q效应是由非线性的布里渊背向散射和线性的瑞利散射的共同作用引起的，由于引起自发布里渊散射的热噪声和背向瑞利散射均具有随机性，导致调q脉冲的振幅和重复频率在20％～40％的范围内波动。因此造成了sbs被动调q的不稳定性和不可控性，该特性虽然能够产生偶尔的极大的峰值功率-平均功率比的脉冲，但是也有很大的缺陷。

首先，偶然产生的幅度不可控的超强脉冲会引起光纤损伤以及光器件的损坏；其次，调q脉冲通常会伴随着寄生脉冲且具有多峰结构；最后，调q输出脉冲的振幅和重复频率十分不稳定。因此，基于sbs的被动调q的应用受到极大限制。要减弱热噪声及其他噪声的影响，有研究人员建议在低温环境或者其他的孤立系统下进行实验，例如，可以通过在腔内加入声光调制器对脉冲进行主动调制来稳定脉冲的重复频率，也可以通过调制泵浦脉冲来控制增益，以此来稳定调q脉冲的重复频率，但是该方式对振幅稳定却帮助不大，并且，在以上两种方式中，光谱的稳定性均未提及。所有的这些手段虽然行之有效，但是均将系统复杂化，弱化了布里渊被动调q激光器经济便捷全光纤化的优势，且未从根本上解决问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种全光纤化的基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器，由此解决现有基于受激布里渊散射被动调q激光器输出不稳定、损伤光器件及难以实用的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于sbs和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器，包括：泵浦激光单元、法布里珀罗干涉仪、被动光纤及光纤光环形器；

所述泵浦激光单元的第一端与所述光纤光环形器的第一端连接，所述光纤光环形器的第三端与所述泵浦激光单元的第二端连接，所述光纤光环形器的第二端与所述法布里珀罗干涉仪连接；

所述泵浦激光单元用于实现泵浦能量的导入，并实现对所述泵浦能量的受激辐射放大转化成激光能量；

所述光纤光环形器用于实现泵浦激光和顺时针方向运转激光的隔离，以及连接所述法布里珀罗干涉仪一起形成环形谐振腔，其中，在所述环形谐振腔内产生的激光按照与所述光纤光环形器(5)设定的方向运转；

所述被动光纤位于所述光纤光环形器的第二端与所述法布里珀罗干涉仪之间，其用于积累布里渊效应；

所述法布里珀罗干涉仪用于利用其具有的纳米级别的波长损耗调制作用对受激布里渊散射产生的多级斯托克斯光进行分别调制以获取稳定的调q脉冲或者锁模脉冲，然后将所述调q脉冲或者锁模脉冲从所述法布里珀罗干涉仪端输出。

优选地，所述法布里珀罗干涉仪由第一光纤端面和第二光纤端面构成，且所述第一光纤端面与所述第二光纤端面对准并在两者之间留有预设间距。

优选地，所述第一光纤端面为普通光纤端面，所述第二光纤端面为普通光纤端面或者经过表面反射增强处理后的光纤端面。

优选地，所述泵浦激光单元包括：泵浦源、光纤波分复用器及增益光纤；

所述泵浦源与所述光纤波分复用器的短波长端相连，所述光纤波分复用器的两个长波长端分别与所述光纤光环形器的第一端及所述增益光纤的第一端相连，所述增益光纤的第二端与所述光纤光环形器的第三端相连，所述光纤光环形器的第二端与所述被动光纤的第一端相连，所述被动光纤的第二端与所述第一光纤端面相连；

所述泵浦源用于实现泵浦能量的导入，所述光纤波分复用器用于将泵浦能量耦合入所述环形谐振腔，并通过所述增益光纤转换为激光能量，所述增益光纤用于实现粒子数反转。

优选地，所述第一光纤端面与所述第二光纤端面之间的预设间距在5μm到1000μm之间。

优选地，所述光纤光环形器的3db透射带宽为中心波长处5nm到20nm之间，隔离度大于50db。

优选地，所述光纤光环形器是三端口光环形器，在所述环形谐振腔内产生的激光只能在第一端口到第二端口及第二端口到第三端口通行，而泵浦激光在任一端口均不能通行。

优选地，所述增益光纤所掺杂的稀土离子为镱离子、铒离子和铥离子中的一种或者多种。

优选地，所述被动光纤中未掺杂增益介质。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)常规的基于sbs的被动调q激光器是靠非线性的布里渊散射实现调q运转，通常采用光纤环谐振器引起环内光谐振增强的方法引起受激布里渊散射，但是一直以来由于缺少对多级斯托克斯光的特定反馈，因此由随机热噪声产生的自发布里渊散射和随机分布式瑞利散射在调q脉冲的启动过程中发挥着重要作用。因此发射出的脉冲是随机的、不稳定的、难以实用的。本发明将一个光纤端面7和一个光纤端面6相对接，并留下空隙，由此产生一个腔内的法布里珀罗干涉仪，此干涉仪能够对波长的损耗进行纳米量级的调控，能够在满足sbs调q的基本条件之后还对特定级的斯托克斯光具有反馈作用，使得不同阶的斯托克斯在调q的过程中起着不同的作用，尤其是对特定阶斯托克斯光的反馈使得该阶斯托克光起到了稳定脉冲的作用。因此弱化了热噪声和随机瑞利散射对于输出脉冲的影响，实现脉冲振幅、重复频率和光谱均十分稳定的基于sbs的q开关脉冲和锁模脉冲的输出。

(2)与常规的被动调q锁模环形激光器相比，具有可在多个波长下均可运转，损伤阈值高，全光纤化易于整合，成本低廉，输出功率高，器件少，光路简单集一身的优点。目前常规的调q激光产生方式主要有饱和吸收体、非线性环形镜、非线性偏振旋转等被动调q方式，也有电光调q、声光调q、转镜调q等主动调q方式，主动调q方式在多个波长下均可运转，但是成本较高，且系统复杂，难以整合。饱和吸收体调q则因为饱和吸收体的特定波长吸收导致饱和吸收体只能在特定波长范围下工作，且一般的饱和吸收体的损伤阈值远低于光纤本身的损伤阈值，抑制了光纤可发射功率的潜力，只能在低功率下作为种子光产生器工作。至于非线性环形镜、非线性偏振旋转等方式则需要特定的器件支持，成本较高。而本发明的基于sbs的被动调q锁模环形激光器，运行机理是非线性的受激布里渊散射效应，因此理论上可在任意具有布里渊增益的介质和波长下产生，不受波长的限制。其次，基于本发明的被动调q锁模环形激光器的构造，成本低廉，仅需要将两个光纤端面对接，如光纤跳线端面等。操作简单，易于实现，进一步降低了脉冲产生的成本。其次，基于本发明的结构，可以轻易地实现全光纤化封装，易于和其他系统整合，例如多级放大系统，传感系统等。再者，由于本发明的构造简单，使用的光器件较少，因此极大地增加了整个系统的稳定性和损伤阈值，系统可以在极高的功率下运转。最后，本发明的激光器结构可以实现调q和锁模脉冲的输出，输出的脉宽范围从微秒到纳秒量级，具有广泛的实际用途。

(3)本发明的光纤端面6采用了普通光纤端面，这是因为一旦光纤端面6具有较高的反射率，则光纤端面6将通过光纤光环形器5形成谐振腔，导致了光纤的持续振荡，则反转粒子数无法聚集，受激布里渊散射即使激发也无法形成脉冲输出。其次，光纤端面7可以是普通光纤端面亦可以是经过反射增强处理的端面，若经过反射增强处理，则光纤端面7反射增强处理之后反射率应在5％到40％之间，因为过低的反射率会导致法布里珀罗腔的反射过低，使斯托克斯光的反馈很弱并淹没在热噪声和随机瑞利散射中，无法形成振荡，引起调q脉冲的随机输出。如果反射率过高，则会引起法布里珀罗腔的反射率过高，使得信号光只能在两光纤端面极小的间距范围内积累起反转粒子数，而大多数情况下极易起振，无法形成反转粒子数的积累，使得激光器很难工作在脉冲运转的状态。

(4)由于腔内的带宽限制器件较少，可以实现较宽的带宽输出，甚至可以产生超连续谱，本发明为稳定脉冲式的超连续谱的产生提供了一个方案。

(5)本发明实现了基于sbs被动调q的稳定可控输出，促进了基于sbs被动调q激光器的研究以及广泛应用，为全光纤化的被动调q锁模提供了一个可行的方案，为廉价的脉冲激光器制造提供了一个可行的思路。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种产生法布里珀罗干涉仪的一种结构，采用跳线对准的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器在600mw的泵浦光下所发射的调q脉冲序列；

图4是本发明实施例提供的一种基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器在600mw的泵浦光下所发射的调q脉冲序列的射频图；

图5是本发明实施例提供的一种基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器所发射的锁模脉冲序列；

图6是本发明实施例提供的一种基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器所发射的锁模脉冲序列的射频图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-泵浦源、2-波分复用器、3-增益光纤、4-被动光纤、5-光纤光环形器、6-第一光纤端面、7-第二光纤端面、8-第一熔接点、9-第二熔接点、10-第三熔接点、11-第四熔接点、12-第五熔接点、13-第六熔接点、14-光纤法兰盘、15-第一光纤跳线端面、16-第二光纤跳线端面、17-第一光纤跳线、18-第二光纤跳线。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”及“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

本发明提出了一种基于sbs和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器，以突破现有基于sbs的被动调q和锁模由于其巨大的随机性和不稳定性而不能实际应用的限制。其基本思路是：现有方案中采取光纤环谐振器虽然能产生极窄的线宽但是却放大了噪声的作用，从而导致了布里渊激光器调q的不稳定性。在本发明中，将一个光纤端面7和一个光纤端面6相对接，并留下空隙，由此产生一个腔内的法布里珀罗干涉仪，此干涉仪能够对波长的损耗进行纳米量级的调控，能够在满足sbs调q的基本条件之后还对特定级的斯托克斯光具有反馈作用，因此弱化了热噪声和随机瑞利散射对于输出脉冲的影响，实现脉冲振幅、重复频率和光谱均十分稳定的基于sbs的q开关脉冲和锁模脉冲的输出。

图1为本发明实施例提供的一种全光纤化的基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器的结构示意图，其中，泵浦激光单元包括泵浦源1、光纤波分复用器2及增益光纤3；该激光器还包括被动光纤4、光纤光环形器5、由第一光纤端面6以及第二光纤端面7构成的法布里珀罗干涉仪，以及连接各部分所产生的第一熔接点8、第二熔接点9、第三熔接点10、第四熔接点11、第五熔接点12级第六熔接点13。

其中，泵浦源1与光纤波分复用器2的短波长端通过第一熔接点8相连，光纤波分复用器2的两个长波长端分别与增益光纤3的第一端及光纤光环形器5的第一端口通过第三熔接点10和第六熔接点13相连，第一光纤端面6以及第二光纤端面7可以通过光纤法兰盘或者其他光学对准用具对准并留有缝隙组成法布里珀罗干涉仪，第二光纤端面7作为主要输出端。增益光纤3的第二端与光纤光环形器5的第三端口通过第五熔接点12相连，被动光纤4的第一端与光纤光环形器5的第二端口通过第四熔接点11相连，被动光纤4的第二端与法布里珀罗干涉仪通过第二熔接点9相连。该激光器可以工作在调q状态，也可以工作在锁模状态，可以稳定发射纳秒到微秒量级的脉冲。

在本发明实施例中，增益光纤3所掺杂地稀土离子为镱离子、铒离子和铥离子中的一种或者多种。其中，稀土离子为镱离子时泵浦源发射的波长为915nm或976nm，稀土离子为铒离子时泵浦源发射的波长为980nm或1480nm，稀土离子为铥离子时泵浦源发射的波长为793nm或980nm。

在本发明实施例中，光纤光环形器5为三端口光环形器，激光通路为第一端口到第二端口及第二端口到第三端口。中心波长为1550nm，带宽为±10nm。

在本发明实施例中，第一光纤端面6与第二光纤端面7之间的间距在5μm到1000μm之间。第一光纤端面6为普通光纤端面，第二光纤端面7可以是普通光纤端面或者经过表面反射增强处理的光纤端面。在第二光纤端面7经过表面反射增强处理后，其反射增强的3db带宽不小于0.5nm，反射率在5％到40％之间。

在本发明实施例中的普通光纤端面指的是常规无任何处理仅由切割刀切割光纤所得到的端面。

在本发明实施例中，泵浦源1，其可以是常规的光纤耦合的半导体激光器，也可以是固体激光器。激光由光纤耦合输出，其输出光纤的纤芯直径与增益光纤3、被动光纤4、光纤光环形器5、光纤波分复用器2以及光纤端面的纤芯直径一致以实现最小的熔接损耗。激光器为单一波长激光器，其中心发射波长位于增益光纤3所掺杂的稀土离子的吸收谱内，且持续泵浦能够产生反转粒子数。

光纤波分复用器2，其是常规的光纤波分复用器，作用是将泵浦波长耦合进谐振腔，并接通谐振腔，通过增益光纤3转换为激光能量。其短波长端耦合波长是泵浦波长，其两个长波长端耦合波长是增益光纤发射波长。

增益光纤3，其是常规的稀土离子掺杂光纤，由掺杂纤芯、石英包层和涂覆层组成。掺杂的稀土离子的吸收波长与泵浦波长相对应，发射波长与光纤光环形器5的运转波长相对应。

被动光纤4，其可以是常规的石英光纤或者光子晶体光纤。由纤芯、包层和涂覆层组成。

光纤光环形器5，其是三端口光环形器，来自第一端口的激光可以通畅无阻从第二端口射出，来自第二端口的激光可以畅通无阻从第三端口射出，除此之外的其他端口均无法通行。中心波长与增益光纤3的增益波长对应，即其中心通行波长位于增益光纤的发射谱的峰值处，且泵浦激光在其中无法通行。

在本发明实施例中，可以调换光纤光环形器5的第一端口和第三端口的位置，以使得环形谐振腔内产生的激光既可以逆时针方向运转，也可以顺时针方向运转。

第二光纤端面7和第一光纤端面6可以是同规格的单模光纤或者是多模光纤，也可以均是光纤跳线，两根光纤跳线的纤芯尺寸一致。第二光纤端面7和第一光纤端面6形成法布里珀罗干涉仪之后能够对级联产生的斯托克斯光产生不同的反馈。

下面给出本发明结构示意图对应的具体实施例：

对于图1所示的基于sbs和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模光纤激光器，泵浦源1为980nm的半导体激光器。波分复用器2是1×2式三端口光纤耦合器，端口一对应波长为980nm，端口二和端口三对应波长均为1550nm，三个端口的带宽为±10nm。增益光纤3为掺铒光纤，长度为9米，被动光纤4为标准单模光纤，长度为20米。光纤光环形器5是三端口光环形器，激光通路为第一端口到第二端口及第二端口到第三端口，中心波长为1550nm，带宽为±10nm。第一光纤端面6及第二光纤端面7均为标准单模跳线。

图2所示为产生法布里珀罗干涉仪的一种结构之一，采用光纤法兰盘对接光纤跳线的形式构成，第二光纤跳线18的第二光纤跳线端面16和第一光纤跳线17的第一光纤跳线端面15通过光纤法兰盘14对准，且两跳线端面之间的间距约为17.4μm，组成在nm量级对波长有调制作用的法布里珀罗腔。该法布里珀罗腔对激光器级联产生的前若干阶斯托克斯光反馈微弱，对依次产生的后若干阶斯托克斯光产生了较为显著的反馈。

图3所示为本发明实施例提供的一种全光纤化的基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器在600mw的泵浦光下所发射的调q脉冲序列。

图4所示为本发明实施例提供的一种全光纤化的基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器在600mw的泵浦光下所发射的调q脉冲序列的射频图。

图5所示为本发明实施例提供的一种全光纤化的基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器在调节法布里珀罗干涉仪之间的间距之后下所发射的锁模脉冲序列。

图6所示为本发明实施例提供的一种全光纤化的基于多级受激布里渊散射和法布里珀罗干涉仪的被动调q锁模环形激光器在调节法布里珀罗干涉仪之间的间距之后下所发射的锁模脉冲序列的射频图。

经过法布里珀罗腔的波长调制光谱、增益光纤的增益光谱、光纤光环形器的透射光谱三者之间的共同叠加作用和随机瑞利散射的线宽窄化作用下，仅有窄线宽的激光能最开始在腔内振荡，并由于法布里珀罗腔的较小反馈和随机的瑞利分布式反馈在腔内聚集起大量的反转粒子数，谐振腔进入低q值状态，窄线宽激光在腔内引起级联的受激布里渊散射，发射出级联的斯托克斯光，最开始的若干阶斯托克斯光没有经过法布里珀罗腔的调制，仅仅由于腔内微弱的瑞利散射分布式反馈形成低q值谐振腔，在激发起后若干阶斯托克斯光以后，由于腔内反馈显著，谐振腔对后若干阶斯托克斯光来说是高q值谐振腔，此前在腔内积累的能量在极短时间内发射出谐振腔，形成稳定的调q脉冲。常规的基于sbs的被动调q激光器输出脉冲振幅和重复频率通常在20％到40％的范围内剧烈波动，严重限制了基于sbs的被动调q激光器的实际应用，但是通过本发明实施例的结构，在600mw的泵浦功率下，输出脉冲重复频率不稳定度大幅降低，如图4所示，信噪比高达67.37db，这是目前利用sbs实现被动调q激光器所达到最高的信噪比，充分证明了该激光器的稳定性。在缓慢调节两跳线端面所构成的法布里珀罗腔的间距后，激光器发射出稳定的锁模脉冲序列，如图6所示重复频率为3.6mhz，和光循环一遍腔长的时间对应，信噪比高达51db，发射脉冲宽度为纳秒量级，证明了该激光器产生稳定的窄脉宽脉冲的能力。

本领域的技术人员容易理解，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。