CN104466649A - 无跳模快速波长调制单频光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无跳模快速波长调制单频光纤激光器，其特征在于设有单频光纤激光器，单频光纤激光器上设有快速波长调制系统。单频光纤激光器设有带尾纤的泵浦半导体激光器，它的输出尾纤连接于光纤合束器的泵浦输入端口，光纤合束器的输出光纤端口连接高反光纤布拉格光栅，光栅的另一端与高掺杂增益光纤相焊接。高掺杂增益光纤的另一端与写制于保偏光纤上的低反光纤布拉格光栅相焊接，低反光纤布拉格光栅另一端为光纤激光器的输出端。上述单频光纤激光器被集成在一种具有波长调制系统的激光器载体中。本装置可以使光纤激光器调制过程保持无跳模单频性,具有调制波长范围大、调制速度快、调制波长可精准控制、机械强度高、抗干扰、可靠性强。

Description

无跳模快速波长调制单频光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种单频波长连续可调光纤激光器，特别是一种波长可快速调制，并保持单频无跳模的无跳模快速波长调制单频光纤激光器，属于光纤及激光技术领域。 

背景技术

光纤激光器是以掺杂稀土元素的光纤为增益介质的激光器，通过掺杂不同的稀土元素，如饵（Er），镒（Yb），铥（Tm），钬（Ho），钕（Nd）等，光纤激光器的工作波段覆盖了从紫外到中红外。与其他激光器相比，光纤激光器具有激光工作阈值低，能量转化率高、输出光束质量好、结构紧凑稳定、无需光路调整、散热性能好、寿命长和无需维护等鲜明特点，因此得到快速发展以及广泛地应用。 

单频光纤激光器由于特殊的设计，在光纤激光器中具有相干长度长，单色性好，谱线宽度窄等优点；连续可调单频光纤激光器在很多领域有独特的应用，例如：光纤传感，激光指示和远距离测距，多普勒激光雷达等。研制单频连续可调光纤激光器并将其产业化具有重要的科研，经济及社会效益。 

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种结构稳定、调制控制简单、无跳模大范围快速波长调制、保证无跳模单频性的无跳模快速波长调制单频光纤激光器。 

本发明可以通过如下措施达到： 

一种无跳模快速波长调制单频光纤激光器，包括连续单频光纤激光器和波长调制系统两部分，其特征在于单频连续光纤激光器包括：带尾纤的泵浦半导体激光器，它的输出尾纤连接于光纤合束器的泵浦输入端口，光纤合束器的输出光纤端口连接高反光纤布拉格光栅，光栅的另一端与高掺杂增益光纤焊接在一起，高掺杂增益光纤的另一端与写制于保偏光纤上的低反光纤布拉格光栅相焊接，低反光纤布拉格光栅另一端为光纤激光器的输出端，高反光纤布拉格光栅、高掺杂增益光纤和写制于保偏光纤上的低反光纤布拉格光栅相焊接后构成激光振荡腔；波长调制系统包括激光器底座、压电元件和压电元件控制系统，其中压电元件的伸缩方向为水平方向，在激光器底座上设计了两根对称的拉伸杆，拉伸杆与压电元件伸缩的方向平行，在压电元件伸长时拉伸杆活动端被推开，实现对拉伸杆的拉伸，压电元件与激光器底座无缝隙，振荡腔用强力粘合剂固定在一根拉伸杆上。

本发明为保证激光器的单频性，激光振荡腔的长度必须小于5厘米，因此高掺杂增益光纤必须为高增益。 

本发明布拉格光栅的反射入射光分别具有中心反射波长 和， 激光器产生的波长必须在布拉格光栅的反射范围内，波长必须满足下列公式： , 

其中输出波长为，和为激光振荡腔长度和折射系数，为整数，对单频激光器而言，只有唯一的对应的落在以和为中心的反射范围之内，这一条件可近似的表述为：。

本发明在单频激光器调制波长时，三个波长值的变化也相等，，避免跳模， 

光栅的波长由以下公式表述：，

其中是和光栅的有效折射率和周期，1,2分别代表两个光栅。

本发明中，三个波长公式求导：， 

由于公式2， _， 和的数值远远大于它们之间的差别，在上公式中 _， 和被认为相等，如果在调制波长时保证以下条件，三个波长的变化也会相等，以实现无跳模调制。

本发明振荡腔三部分的折射率变化百分比相等和振荡腔三部分的尺寸变化的应变保持均匀时，；, 

本发明的波长调制系统有以下特征:1. 调制过程中输出保持无跳模单频性；2. 调制结构为优化的弹簧-质量系统，具有结构简单，设计灵活，调制特性在不同频率下恒定，良好的可靠性等优点。

附图说明

图1是本发明的一种示意图。 

图2是解释本发明原理的弹簧-质量系统示意图。 

图3是弹簧-质量系统的特性曲线示意图。 

图4是波长调制-频率特性曲线示意图。 

图中标记：连续单频光纤激光器1，振荡腔拉伸系统2，带尾纤半导体泵浦激光器3，光纤合束器（combiner or WDM）4，高反射率光纤布拉格光栅5，高掺杂增益光纤6，低反射率光纤布拉格光栅7，激光器底座8，压电元件9，压电元件控制系统10，振荡腔拉伸杆11，拉伸杆活动端12。图2中：质量201对应拉伸杆活动端12，弹簧202对应拉伸杆11，203为周期性外加力对应压电元件9，204为简单弹簧-质量系统的固定点对应激光器底座8。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。 

一种无跳模快速波长调制单频光纤激光器,包括连续单频光纤激光器1和波长调制系统2两部分。 

A. 单频连续光纤激光器1 

包括：（见图1）带尾纤的泵浦半导体激光器3，它的输出尾纤连接于光纤合束器4的泵浦输入端口，光纤合束器4的输出光纤端口连接高反光纤布拉格光栅5（具有中心反射波长），光栅的另一端与高掺杂增益光纤6焊接在一起，高掺杂增益光纤6的另一端与写制于保偏光纤上的低反光纤布拉格光栅7（具有中心反射波长）相焊接，低反光纤布拉格光栅7另一端为单频光纤激光器1的输出端。上述高反光纤布拉格光栅5，高掺杂增益光纤6，写制于保偏光纤上的低反光纤布拉格光栅7相焊接后构成激光振荡腔。为保证激光器的单频性，激光振荡腔（5,6,7）的长度必须小于5厘米。因此高掺杂增益光纤6必须为高增益。

B. 单频光纤激光器的无跳模波长调制 

如上所述光纤激光器振荡腔由高反光纤布拉格光栅5，高掺杂增益光纤6，写制于保偏光纤上的低反光纤布拉格光栅7构成。布拉格光栅5，7 在一定范围内反射入射光，分别具有中心反射波长和。 激光器产生的波长必须在布拉格光栅5，7的反射范围内。同时波长必须满足下列公式：

公式 1

其中输出波长为，和为激光振荡腔长度和折射系数。为整数。对单频激光器而言，只有唯一的对应的落在以和为中心的反射范围之内。这一条件可近似的表述为：

公式 2

在单频激光器工作时，满足以上公式的可能会随时间改变。这种现象被称为“跳模”。跳模会造成激光器运行不稳定，而且成为非单频。单频激光器设计必须尽量避免跳模。由此可知，在单频激光器调制波长时，为避免跳模必须保证以上三个波长值的变化也相等。所以：

公式 3

光栅的波长由以下公式表述：

公式 4

其中和是光栅的有效折射率和周期，1,2分别代表两个光栅。

对以上三个波长公式求导可得出： 

公式 5

由于公式2， _， 和的数值远远大于它们之间的差别，在上公式中 _， 和可以被认为相等。如果在调制波长时保证以下条件，三个波长的变化也会相等，因而无跳模调制可以实现：

公式 6

公式 7

以上公式可表述为以下：

条件1. 振荡腔（5,6,7）三部分的折射率变化百分比相等

条件2. 振荡腔（5,6,7）三部分的尺寸变化的应变保持均匀

以上推导适用于任何调制方法。常用的调制方法包括温度，形变和电光调制。本发明局限于应用形变中的拉伸（包括压缩）调制。 

C. 波长调制系统 

本发明（见图1）波长调制系统2包括激光器底座8，压电元件9和压电元件控制系统10。其中压电元件9的伸缩方向为水平方向。在激光器底座8上设计了两根对称的拉伸杆11。拉伸杆11与压电元件9伸缩的方向平行。在压电元件9伸长时拉伸杆活动端12被推开，从而实现对拉伸杆11的拉伸。压电元件9与激光器底座8的结合必须做到无缝隙，并且在完成组装时拉伸杆11要处于预定的被拉伸状态，从而对压电元件9实现定量的预压。波长调制系统2组装完成后，振荡腔（5,6,7）被用强力粘合剂固定在一根拉伸杆11上预先加工的U型槽中。保证在在拉伸杆11被拉伸（或压缩）时，振荡腔（5,6,7）经历同样的拉伸（或压缩）。

由于拉伸杆11被设计为系统中薄弱的部分，同时具有均匀的截面，在调制过程中，压电元件9的伸缩造成对拉伸杆11的均匀（等应变）拉伸，上述公式7和条件2得到满足。如果振荡腔（5,6,7）三部分为同一材料构成，在拉伸过程中公式6和上述条件1也被满足。如果振荡腔（5,6,7）三部分为不同材料，条件1是否满足则需经过分析或试验确定。因为光栅（5,7）的反射以和为中心有一定范围，，，在小范围内的变化即使不相等，也能落入，的范围内。正因如此，现有的单频激光器可实现小范围无跳模波长调制。由于本发明保证了条件2的满足，大大加大了无跳模调制范围。 

以往用压电元件调制波长的系统往往将振荡腔（5,6,7）的一部分，如高掺杂增益光纤6或低反射率光纤布拉格光栅7直接固定在压电元件9上进行拉伸，结果是系统的机械特性非常复杂，尤其在高调制频率下。为实现高频稳定调制，本发明将以往复杂的机械系统变为简单的弹簧-质量系统，见图2。其中质量201对应拉伸杆活动端12。它的质量为。弹簧202对应拉伸杆11。总共2根拉伸杆，弹性系数为。压电元件9的效果被简化为按正玄方程周期变化的力203 。204为简单弹簧-质量系统的固定点，对应激光器底座8。 

图3显示的是带衰减的弹簧-质量系统（图2）的特征曲线。可以看到在频率较低的区域305，位移不随频率改变。然后位移随频率升高增加，当频率为共振频率306时，位移达到最高点。然后随频率降低。为了增加可应用的频率上限，设计的目标是提高共振频率。共振频率的计算公式为： 

,

其中为弹簧的弹性系数，为质量。

由此可见在设计中要提高共振频率需要增加弹性系数，减少质量。本发明的频率调制是在相对不变的低频区域305完成。可以看出在这一区域在驱动幅度相同时，位移幅度不随调制频率变化。 

图4显示的是本发明的一种实现的调制特性曲线。可以看到在低频范围波长调制量不随频率变化。可用调制频率范围为0~6000Hz。共振频率为大约10000Hz。如上所述，本发明可以通过改变压电元件和机械设计调节共振频率和调制范围。 

本发明的优点在于它应用于实现单频全光纤激光器的无跳模波长调制，具有优良的调制特性，稳定可靠。 

Claims (6)

1.一种无跳模快速波长调制单频光纤激光器，包括连续单频光纤激光器和波长调制系统两部分，其特征在于单频连续光纤激光器包括：带尾纤的泵浦半导体激光器，它的输出尾纤连接于光纤合束器的泵浦输入端口，光纤合束器的输出光纤端口连接高反光纤布拉格光栅，光栅的另一端与高掺杂增益光纤焊接在一起，高掺杂增益光纤的另一端与写制于保偏光纤上的低反光纤布拉格光栅相焊接，低反光纤布拉格光栅另一端为光纤激光器的输出端，高反光纤布拉格光栅、高掺杂增益光纤和写制于保偏光纤上的低反光纤布拉格光栅相焊接后构成激光振荡腔；波长调制系统包括激光器底座、压电元件和压电元件控制系统，其中压电元件的伸缩方向为水平方向，在激光器底座上设计了两根对称的拉伸杆，拉伸杆与压电元件伸缩的方向平行，压电元件与激光器底座无缝隙，振荡腔用强力粘合剂固定在一根拉伸杆上。

2.根据权利要求1所述的一种无跳模快速波长调制单频光纤激光器，其特征在于激光振荡腔的长度必须小于5厘米，高掺杂增益光纤为高增益。

3.根据权利要求1所述的一种无跳模快速波长调制单频光纤激光器，其特征在于布拉格光栅的反射入射光分别具有中心反射波长                                                和， 激光器产生的波长，其中输出波长为，和为激光振荡腔长度和折射系数，为整数，对单频激光器而言，只有唯一的对应的落在以和为中心的反射范围之内，这一条件可近似的表述为：。

4.根据权利要求3所述的一种无跳模快速波长调制单频光纤激光器，其特征在于在单频激光器调制波长时，三个波长值的变化也相等，

，光栅的波长：,

其中 和是光栅的有效折射率和周期，1,2分别代表两个光栅。

5.根据权利要求4所述的一种无跳模快速波长调制单频光纤激光器，其特征在于三个波长公式求导：,

由于公式2， _， 和的数值远远大于它们之间的差别，在上公式中 _， 和被认为相等，如果在调制波长时保证以下条件，三个波长的变化也会相等，以实现无跳模调制。

6.根据权利要求1所述的一种无跳模快速波长调制单频光纤激光器，其特征在于振荡腔三部分的折射率变化百分比相等和振荡腔三部分的尺寸变化的应变保持均匀时，；。