一种单频光纤激光器的制作方法

本发明实施例涉及激光器技术，尤其涉及一种单频光纤激光器。

背景技术：

单频激光器是当前光电子研究领域中最前沿的研究课题之一。因其良好的相干特性，单频激光器在超远距离、超高精度、超高敏感度的新型传感系统中作为光源使用。在石油探测、军事国防、管道监控、激光雷达、海底通讯、传感系统、光谱分析等领域有着重要的应用。光纤激光器由于其小型化、易集成等优点，全光纤集成的单频光纤激光器越来越受到关注。

为实现全光纤结构的单频激光器，目前主要有环形腔、分布布拉格反射(dbr)和分布反馈(dfb)三种技术方案。环形腔是一种行波谐振腔，具有纵模间隔非常窄，本征线宽窄的优点，但是环形腔结构复杂，易受外界环境如振动、温度、声音等因素的干扰，腔内模式不稳定，容易发生跳模现象。dbr型单频激光器，由一段稀土离子掺杂光纤作为增益介质，两端分别熔接宽带光纤光栅和窄带光纤光栅作为谐振腔的前后腔镜，为了获得稳定且无跳模的单一纵模输出，要求增益光纤的长度足够短，一般在厘米量级，这样才能减少外界环境的影响。但同时为了得到足够的输出功率，又要求增益光纤的增益足够大，也就是掺杂浓度足够高。因此对于dbr型单频激光器来说，高掺杂浓度增益光纤的制备，以及很短的增益光纤与两端作为腔镜的光栅之间的有效熔接，是其实现过程中的两大技术难题，因此目前市场上dbr型单频激光器数量少且成本较高。dfb型单频激光器，是指dfb的激光谐振腔的有源区与反馈区同为一体，同时实现激光反馈和激光模式选择。通过将π相移光栅刻写在有源光纤上，且π相移两端的光栅可以看作是激光器的两个腔镜。与普通光栅相比，相移光栅的纵向折射率调制在光栅的中间位置发生了一个π相位突变，其反射谱阻带中心处存在一个线宽极窄的透射窗口，因此相移光栅具有非常好的模式选择性。相移光栅的窄带透射窗口的波长取决于相移量的大小，当相移为π时，窄带透射波长为布拉格波长，当泵浦光激励超过阈值时就会在该波长处激射出激光。现有的dfb型单频激光器，使用常规的光路结构设计，存在直接输出功率不高，边模抑制比较低等问题，需要在后端另加放大，才能满足某些应用需求。而后级放大会导致输出激光的边模抑制比和偏振消光比的劣化，从而限制了激光器的应用。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种单频光纤激光器，以实现在不影响激光器单频性能的前提下，简化了光路结构，减少了光纤器件的数量，同时将输出边模抑制比提高近10db，输出激光的偏振性能也得以提高，可以更好地满足实际应用的需求。

本发明实施例提供一种单频光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、第一有源光纤、偏振控制器以及第二有源光纤，所述第一有源光纤上设置有π相移光栅；

所述泵浦源的输出端与所述波分复用器的泵浦输入端连接，所述波分复用器的输出端与所述第一有源光纤的第一端连接，所述第一有源光纤的第二端与所述偏振控制器的第一端连接，所述偏振控制器的第二端与所述第二有源光纤的第一端连接。

可选的，还包括输出隔离器，所述输出隔离器的输入端与所述第二有源光纤的第二端连接。

可选的，所述偏振控制器内的光纤为保偏光纤；

所述第二有源光纤为保偏光纤。

可选的，所述输出隔离器内的光纤为保偏光纤。

可选的，所述第一有源光纤和所述第二有源光纤掺杂有相同的稀土元素。

可选的，所述第一有源光纤为掺铒光纤、铒镱共掺光纤或掺镱光纤；

所述第二有源光纤为掺铒光纤、铒镱共掺光纤或掺镱光纤。

可选的，所述第一有源光纤为掺铒光纤或铒镱共掺光纤，所述第二有源光纤为掺铒光纤或铒镱共掺光纤，所述单频光纤激光器的输出波长范围为1528nm～1561nm；或者

所述第一有源光纤为掺镱光纤，所述第二有源光纤为掺镱光纤，所述单频光纤激光器的输出波长范围为1025nm～1090nm。

可选的，所述泵浦源包括至少一个976nm单模泵浦激光器。

可选的，所述泵浦源包括多个976nm单模泵浦激光器，所述波分复用器包括多个泵浦输入端；

每个所述976nm单模泵浦激光器的输出端与所述波分复用器的一个泵浦输入端连接。

可选的，所述偏振控制器为嵌入型挤压光纤式偏振控制器或三环型机械式偏振控制器。

本发明实施例提供的单频光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、第一有源光纤、偏振控制器以及第二有源光纤，第一有源光纤上设置有π相移光栅；泵浦源的输出端与波分复用器的泵浦输入端连接，波分复用器的输出端与第一有源光纤的第一端连接，第一有源光纤的第二端与偏振控制器的第一端连接，偏振控制器的第二端与第二有源光纤的第一端连接。通过泵浦源提供产生激光所需的泵浦光，通过在第一有源光纤上设置π相移光栅，从而产生单频种子激光，通过偏振控制器将单频种子激光调制为单频偏振激光，剩余的泵浦光和单频偏振激光进入第二有源光纤，实现单频偏振激光的放大输出，以实现在不影响激光器单频性能的前提下，简化了光路结构，减少了光纤器件的数量，同时将输出边模抑制比提高近10db，输出激光的偏振性能也得以提高，可以更好地满足实际应用的需求。

附图说明

图1是现有技术中一种单频光纤激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种单频光纤激光器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种单频光纤激光器的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种单频光纤激光器的结构示意图；

图5是图1中的单频光纤激光器的输出光谱示意图；

图6是图3中的单频光纤激光器的输出光谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。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在本发明中的具体含义。

单频激光器指的是激光器的谐振腔输出单一频率激光的激光器，激光器的谐振腔内并不是所有的频率都会产生谐振，满足相长干涉条件的光波才能在腔内的来回反射中形成稳定分布和获得最大强度：

从而得出其中n表示腔内介质的折射率，q表示纵模的模序数，c表示真空中的光速。腔内相邻间隔为如果在纵模间隔内只存在一个频率分量，那么就是单频激光器。

图1所示为现有技术中一种单频光纤激光器的结构示意图。参考图1，该单频光纤激光器包括976nm单模泵浦激光器1，20/80分光比的分光器2、第一波分复用器3，π相移光栅(有源)4、偏振控制器5、第一隔离器6、第二波分复用器7、有源光纤8以及第二隔离器9按图1所示的方式连接，该单频光纤激光器通过一个20/80分光比分光器2，将泵浦光976nm单模泵浦激光器1分为两路，一路(20％输出端)通过第一波分复用器3加载到π相移光栅4，从而产生单频种子激光；另一路(80％输出端)泵浦光通过第二波分复用器7加载到有源光纤8，有源光纤8为保偏光纤，对单频激光进行放大。π相移光栅4后面接一偏振控制器5，保证输出激光的偏振性。在单频种子激光和放大光路之间，以及最终输出端，分别接入第一隔离器6和第二隔离器9，避免回光对激光器性能的不利影响。

图1所示的单频光纤激光器，由于在种子激光器后面接入了放大光路，将会带来额外的噪声；加上在这部分光路使用的保偏光器件以及保偏熔接的处理，也会使偏振性能降低。因此这个方案必然会导致输出激光的边模抑制比和偏振消光比的劣化，从而限制了激光器的应用。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种结构简化的单模光纤激光器。图2所示为本发明实施例提供的一种单频光纤激光器的结构示意图。参考图2，本实施例提供的单频光纤激光器包括泵浦源10、波分复用器20、第一有源光纤30、偏振控制器40以及第二有源光纤50，第一有源光纤30上设置有π相移光栅；泵浦源10的输出端与波分复用器20的泵浦输入端连接，波分复用器20的输出端与第一有源光纤30的第一端连接，第一有源光纤30的第二端与偏振控制器40的第一端连接，偏振控制器40的第二端与第二有源光纤50的第一端连接。

其中，泵浦源10用于提供产生激光所需的泵浦光，可选的，泵浦源包括至少一个976nm单模泵浦激光器。976nm单模泵浦激光器可以为光纤输出的半导体激光器，输出端与波分复用器20的泵浦输入端连接。以三端口波分复用器20为例，波分复用器20包括公共输入端、泵浦输入端和输出端，其中公共输入端空置，输出端与第一有源光纤30连接，泵浦输入端与泵浦源100连接，波分复用器20的各端口所用光纤为与相应传输波长匹配的单模光纤。第一有源光纤30和第二有源光纤40可以为同种有源光纤，其中第一有源光纤30上设置有π相移光栅，用于产生单频种子激光。偏振控制器40用于使单频种子激光形成单频偏振激光。可选的，偏振控制器40可以为嵌入型挤压光纤式偏振控制器或三环型机械式偏振控制器。嵌入型挤压光纤式偏振控制器在使用时只需要把系统中的光纤放置在偏振控制器顶部的槽中，通过两个挡片固定，旋转偏振控制器的调节部分实现光纤中偏振态的控制；三环型机械式偏振控制器在使用时将光纤按特定的方式缠绕在三个环内的光纤槽中，通过调节环的位置实现光纤中偏振态的控制。

示例性的，在某一实施例中，第一有源光纤30只需要100mw左右的泵浦光进入π相移光栅，就可以产生单频种子激光，因此在通过偏振控制器40后，还有数百mw的泵浦光会和单频种子激光一起进入第二有源光纤50，从而对单频种子激光产生放大作用。通过选择合适的有源光纤长度，可以有数十mw的单频激光输出，具体实施时可以根据需求设计。

在本实施例中，由于去掉了后级放大光路，可以减少原来方案中的分光器、波分复用器等器件，保偏熔接点也减少了几个，可以有效降低成本，输出激光的偏振性能以及信噪比性能方面，与现有方案相比，均有大幅的提升。

本实施例的技术方案，通过泵浦源提供产生激光所需的泵浦光，通过在第一有源光纤上设置π相移光栅，从而产生单频种子激光，通过偏振控制器将单频种子激光调制为单频偏振激光，剩余的泵浦光和单频偏振激光进入第二有源光纤，实现单频偏振激光的放大输出，以实现在不影响激光器单频性能的前提下，简化了光路结构，减少了光纤器件的数量，同时将输出边模抑制比提高近10db，输出激光的偏振性能也得以提高，可以更好地满足实际应用的需求。

在上述技术方案的基础上，图3所示为本发明实施例提供的另一种单频光纤激光器的结构示意图。参考图3，可选的，本实施例提供的单频光纤激光器还包括输出隔离器60，输出隔离器60的输入端与第二有源光纤50的第二端连接。

可以理解的是，输出隔离器60的作用是避免激光器内部的回光对激光器性能产生不利影响，有利于提高单频光纤激光器的性能。

可选的，泵浦源可以包括多个976nm单模泵浦激光器，波分复用器包括多个泵浦输入端；每个976nm单模泵浦激光器的输出端与波分复用器的一个泵浦输入端连接。

可以理解的是，在某些实施例中，例如需要输出高功率的单频激光，单泵浦不能满足要求，可以设置泵浦源包括多个976nm单模泵浦激光器。示例性的，图4所示为本发明实施例提供的又一种单频光纤激光器的结构示意图。参考图4，泵浦源10包括3个976nm单模泵浦激光器，分别为976nm单模泵浦激光器11，12，13，波分复用器20包括多个泵浦输入端；每个976nm单模泵浦激光器11～13的输出端与波分复用器20的一个泵浦输入端连接。

图4中示出的泵浦源10包括3个976nm单模泵浦激光器11～13仅是示意性的，在其他实施例中，可以根据实际需求选择976nm单模泵浦激光器11以及对应端口数量的波分复用器20，以提高单频激光的输出功率。

上述实施例中的单频光纤激光器，可选的，偏振控制器40内的光纤为保偏光纤；第二有源光纤50为保偏光纤。可选的，输出隔离器60内的光纤为保偏光纤。

通过设置偏振控制器40内的光纤、第二有源光纤50以及输出隔离器60内的光纤均为保偏光纤，可以提高输出的单频激光的偏振性能，提高偏振消光比。

可选的，第一有源光纤30和第二有源光纤50掺杂有相同的稀土元素。

可选的，第一有源光纤30为掺铒光纤、铒镱共掺光纤或掺镱光纤；第二有源光纤50为掺铒光纤、铒镱共掺光纤或掺镱光纤。

可选的，第一有源光纤30为掺铒光纤或铒镱共掺光纤，第二有源光纤50为掺铒光纤或铒镱共掺光纤，单频光纤激光器的输出波长范围为1528nm～1561nm；或者第一有源光纤30为掺镱光纤，第二有源光纤50为掺镱光纤，单频光纤激光器的输出波长范围为1025nm～1090nm。

通过设置第一有源光纤30和第二有源光纤50为掺杂有相同的稀土元素的有源光纤，第二有源光纤50对种子激光产生有效放大，输出满足功率要求的单频激光，具体掺杂元素、掺杂浓度以及光纤长度可以根据实际需求选择，本发明实施例对此不作限定。

示例性的，以掺铒光纤为例，图5所示为图1中的单频光纤激光器的输出光谱示意图，图6所示为图3中的单频光纤激光器的输出光谱示意图，对比图5和图6可知，现有技术中单频光纤激光器的边模抑制比为55.37db，本实施例中单频激光器的边模抑制比为65.22db，与现有技术相比，边模抑制比提高约10db。通过偏振消光比测量仪测得图1中单频光纤激光器的偏振消光比为17.87db，本实施例中单频光纤激光器的偏振消光比为20.73db，与现有技术箱体，偏振消光比提升约3db，而且本实施例提供的光路更简洁，减少了保偏光器件和保偏熔接点的数量，降低了成本，激光器的性能更加稳定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。