一种可调谐窄线宽单频线偏振激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及到光纤遥感、相干光谱合束、引力波探测、激光雷达以及非线性频率转换等领域所用到的激光器光源，尤其是一种可调谐式、窄线宽、线偏振运转的单频激光器。
【背景技术】
[0002]窄线宽单频光纤激光器是激光器发展的一个重要分支，它具有极窄线宽、低噪声、优异的相干特性。尤其是其光谱线宽极其狭窄(可达10_8nm)，比现有最好的窄线宽DFB激光器的线宽要窄2个数量级，比目前光通信网络中DWDM信号光源的线宽还要窄5?6个数量级。在相干光谱合束、激光雷达、非线性频率转换等应用领域有着巨大的潜在价值，显得十分重要。而这些领域一般要求激光器的光谱线宽极窄、线偏振运转和可调谐(多信道或多波长工作)，这些参数决定和影响了应用场合的分辨率、转换效率、成本等诸多指标。因此，迫切需要发展一种简单可靠的可调谐窄线宽单频线偏振激光器。
[0003]目前研宄报道的可调谐单频激光器，一般是使用稀土离子掺杂石英光纤或者稀土离子掺杂固态晶体作为单频激光的工作介质，在光路中插入可靠性低的块体光学调制晶体(电光晶体、热光晶体或F-P标准具等)用于维持单频运转或者调节激光频率，但都存在掺杂稀土离子的浓度无法进一步提高、谐振腔腔长较长、容易跳模、可靠性较差等一系列问题，一般最大只能直接输出几十mW量级的可调单频激光，而且最大难点是线宽较难做到1kHz以下，噪声较大。
[0004]使用稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤作为激光的增益介质，结合短直单频激光谐振腔，可以有效实现输出功率大于100mW、线宽小于2kHz的单频激光输出。与此相关的研宄工作有:C.Spiegelberg等人采用2cm长的铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤，实现了输出功率大于200mW、线宽小于2kHz、波长为1.5 μ m的单频光纤激光输出报道[J.LightwaveTechnol.，2004，22: 57]。Z.Feng等人采用0.8cm长的掺镱磷酸盐玻璃光纤，实现了输出功率大于200mW、线宽小于2kHz、消光比大于30dB、波长为1.06 μ m的线偏振单频光纤激光输出报道[App1.Phys.Express, 2013, 6:052701]。此外，2004年，美国亚历山大大学和NP光子公司申请了高功率窄线宽单频激光系统专利[公开号:US 2004/0240508 Al]，采用微片式激光谐振腔结构，但是其所要求的单频激光器并未具有线偏振输出、波长可调谐的特征。2011年，美国IPG公司申请了高功率窄线宽光纤激光器专利[公开号:US 7903696B2]，采用2个超短单频谐振腔输出低功率窄线宽单频激光信号，分别经过普通掺铒光纤放大器和高功率双包层光纤放大器进行激光功率放大，但是其所要求的光纤激光器也并未具有线偏振输出、波长可调谐的特征。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种可调谐式的窄线宽单频线偏振激光器，可以连续与选择性的调谐激光的输出波长，使其能够覆盖较宽的波长可调谐范围。本实用新型采用短直单频谐振腔结构，利用多组分玻璃光纤的高掺杂和高增益特征，再利用热光可调滤波器与超结构保偏光纤光栅的选频作用与波长调谐功能，结合精密温度调节技术(热电制冷器TEC)，最终在泵浦源提供泵浦(抽运)能量的前提下，可以有效地实现可宽范围调谐、kHz量级线宽、高消光比的单频线偏振激光的稳定输出。
[0006]本实用新型的目的通过如下技术方案实现。
[0007]一种可调谐窄线宽单频线偏振激光器，其包括热沉及封装在热沉上的泵浦源、第一准直透镜、激光后腔镜、热光可调滤波器、第二准直透镜、稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤、超结构保偏光纤光栅、保偏光隔离器、保偏光纤和热电制冷器TEC ;所述泵浦源、第一准直透镜、激光后腔镜、热光可调滤波器、第二准直透镜、稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤、超结构保偏光纤光栅、保偏光隔离器、保偏光纤顺次排布，泵浦源、热光可调滤波器、超结构保偏光纤光栅均各自安装在一个热电制冷器TEC上。
[0008]进一步地，所述泵浦源的输出端经第一准直透镜与激光后腔镜耦合连接，激光后腔镜与热光可调滤波器耦合连接，热光可调滤波器与第二准直透镜耦合连接，第二准直透镜与稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤的输入端耦合连接，稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤的输出端与超结构保偏光纤光栅的输入端耦合连接，超结构保偏光纤光栅的输出端与与保偏光隔离器的输入端耦合连接，保偏光隔离器的输出端与保偏光纤的尾纤耦合连接。
[0009]进一步地，所述激光后腔镜的镜片端面镀有薄膜层，薄膜膜层对激光信号波长高反，反射率要求大于80% ;对泵浦光波长高透，透射率要求大于80%。
[0010]进一步地，所述热光可调滤波器为F-P型薄膜可调滤波器，利用该滤波器中介质薄膜材料的热光特性和高折射率特性，采用热电制冷器TEC进行精密温度控制，使得该滤波器中多层介质薄膜材料的折射率发生变化，实现对透射波长的可调谐。
[0011]进一步地，所述稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤的纤芯成分为磷酸盐玻璃组分，其组成为:65?205-1(^1203-2(?&0-31^203-2制203;其基质材料包括但不限于磷酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、锗酸盐玻璃等多组分玻璃。
[0012]进一步地，所述稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤的纤芯均匀掺杂高浓度稀土发光离子，稀土发光离子的掺杂浓度要求大于lX102°1nS/Cm3;所述稀土发光离子包括镧系离子、碱土金属离子、过渡金属离子中的一种或几种的组合。
[0013]进一步地，所述稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤的纤芯形状为圆形，纤芯直径为3~50μπι，包层形状为圆形、D形、六边形或八边形，其中圆形包层的直径或非圆形包层的边到边距离为80~900 μ m。
[0014]进一步地，所述稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤的一端镀有多层增透膜，增透膜对激光信号波长高透，透射率大于90%，用于抑制光纤端面反射。
[0015]进一步地，所述超结构保偏光纤光栅对激光信号波长有选择性梳状反射即部分透射，中心波长反射率为20°/『80%，具有反射峰均匀性好、窄带宽的特点，作为激光输出的耦合元器件。
[0016]进一步地，所述泵浦源为边发射结构或其它封装形式的半导体激光器；所述泵浦源(I)输出模式是单模或多模，输出参数为泵浦波长800?1200nm，输出泵浦功率大于50mff ;所述泵浦源的泵浦方式是前向泵浦，即泵浦源发出的泵浦光直接从准直透镜耦合进入光路。
[0017]进一步地，所述热光可调滤波器与超结构保偏光纤光栅均由独立的热电制冷器TEC进行精密温度控制，构成激光器波长/频率调谐功能部分；通过精密温度调节致使光纤光栅、滤波器的折射率相应改变，进而使得超结构保偏光纤光栅的栅区反射光谱与热光可调滤波器的透射光谱耦合重叠位置连续地发生变化，以获得不同波长处的最大反馈增益进行激光选频，即实现可宽范围、连续地调谐单频线偏振激光器的输出波长。
[0018]上述超结构保偏光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在保偏光纤上面刻写栅区，是由多段具有相同参数的保偏光纤光栅以相同的间距级联而成，对激光信号波长有选择性梳状反射(即部分透射)，中心波长反射率要求20~80%。超结构保偏光纤光栅由独立的TEC芯片进行精密温度控制，使其折射率发生变化，通过调谐反射光栅区的光谱与热光可调滤波器的透射光谱耦合重叠，来实现单频激光单一波长的选频、反馈与激射输出。
[0019]上述光器件和光纤之间连接方式是通过空间直接准直耦合，或者研磨抛光其相应光纤端面进行机械对接耦合，或者采用熔接机熔融连接耦合。
[0020]上述单频线偏振激光输出后，分别经过保偏光隔离器、保偏光纤输出，其中保偏光隔离器用于保障光路的正常反馈和抑制端面不良光反射，提高激光输出功率的稳定性。
[0021]上述光路和元器件固定封装在一金属热沉上，有效进行热耗散，避免激光器工作时的热量累积问题，保障其输出功率、激光工作波长的稳定性与可靠性。
[0022]与现有技术相比，本实用新型的技术效果和优点包括:本实用新型结构简单，易于实现。其将稀土离子高掺杂多组分玻璃光纤(厘米量级)作为激光的增益介质，采用短直线形谐振腔结构。其中主要由热光可调滤波器、多组分玻璃光纤、超结构保偏光纤光栅一起构成单频线偏振激光的谐振腔。首先，泵浦源对激光谐振腔进行抽运，多组分玻璃光纤纤芯中的稀土发光离子发生粒子数反转，产生受激辐射信号光；其次，通过精密温度控制模块一一热电制冷器(TEC芯片)对热光可调滤波器进行温度调节，可以控制和调谐所滤波生成的梳状透射峰分布(改变透射波长)；同样对超结构保偏光纤光栅进行温度调节，改变反射光栅区的梳状反射峰波长分布，可以选择性的使其最大反射峰与热光可调滤波器的最大透射峰在某一波长位置重叠，形成最大激光反馈增益，这样在前后腔镜的有效反馈作用下，信号光多次来回振荡反馈并得到多次放大。由于激光谐振腔的腔长只有厘米量级，腔内的相邻纵模间隔可达GHz，当热光可调滤波器和超结构保偏光纤光栅重叠波长的光谱窄至一定程度，使工作介质的增益曲线范围内只存在一个纵模的频率，即可实现稳定的单频线偏振激光输出。继续增加泵浦光功率，激光线宽将进一步缩窄，最后可以实现kHz量级的窄线宽单频线偏振激光的稳定输出。在上述的调谐过程中，通过热电制冷器精密温控调节改变温度分布，可以连续改变超结构保偏光纤光栅的梳状最大反射谱峰分布和改变热光可调滤波器的梳状最大透射谱峰分布，使两者的波长分布在另外某一波长位置再进行重叠，获得不同波长处的最大反馈效果，即可以实时、持续与选择性的变化单频线偏振激光的输出波长，最终实现可宽范围调谐、kHz量级线宽、高消光比的调谐式单频线偏振激光的稳定输出。
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型中超结