專利名稱：一種超窄線寬低噪聲高功率單頻光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光纖激光器，特別是涉及超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，激光器線寬小于幾百Hz級(jí)、輸出功率高達(dá)幾百mW量級(jí)。
背景技術(shù)：
超低噪聲單頻激光因其光譜線寬非常狹窄，激光相干特性極其優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)，在相干光通信、光原子鐘、重力波探測(cè)、量子保密通信等超高精尖端領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 要提高光纖激光的探測(cè)距離或精度，需要使用高相干性能的激光，因而要求激光具有超窄線寬，如要求幾百Hz量級(jí)線寬、mW級(jí)的單頻光纖激光作為種子源。一般石英摻雜光纖很難實(shí)現(xiàn)較高功率(> IOOmff),超窄線寬(< 200Hz)的單頻激光輸出。目前研究超窄線寬單頻光纖激光，采用稀土離子高摻雜的石英光纖作為激光介質(zhì)，短直F-P腔或DBR腔結(jié)構(gòu)，一般只能輸出幾mW單頻激光，采用多組分玻璃光纖作為單頻激光的增益介質(zhì)，則可實(shí)現(xiàn)輸出功率IOOmW以上、線寬小于2 KHz的單頻光纖激光，如采用2cm長(zhǎng)的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖，實(shí)現(xiàn)了輸出功率大于300 mW、線寬小于2 KHz、波長(zhǎng)為 1. 5μπι 的單頻光纖激光[Optics Express, 2010, 18(2) 1249]。2004 年，美國(guó)亞歷山大大學(xué)和NP光子公司在超窄線寬單頻光纖激光研究方面申請(qǐng)了稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖激光器[專利號(hào)US 6816514 B2]和高功率窄線寬單頻光纖激光器[公開號(hào)US 2004/0240508 Al]兩個(gè)專利，它是基于(30 80)P205- (5 30)L203 (L2O3 :A120，B2O3,&03， La2O3 以及它們的混合物)-(5 30) MO (MO =BaO, BeO, MgO, SrO, CaO, ZnO, PbO 以及它們的混合物)這種基質(zhì)的稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖，并對(duì)部分腔型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了權(quán)利要求。 2008年，華南理工大學(xué)在超窄線寬單頻光纖激光研究方面申請(qǐng)了一種低噪聲窄線寬高功率的單縱模光纖激光器[專利號(hào)200810220661. X ]專利，對(duì)其腔型結(jié)構(gòu)及保偏的稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖進(jìn)行了權(quán)利要求。以上文獻(xiàn)及實(shí)用新型專利提供的窄線寬單頻光纖激光器，其增益光纖均存在空間燒孔效應(yīng)，且只能實(shí)現(xiàn)kHz量級(jí)的線寬輸出。本實(shí)用新型申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N新型的諧振腔型結(jié)構(gòu)，通過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)解決增益光纖中的空間燒孔效應(yīng)， 光纖光柵加上全反射鏡構(gòu)成腔內(nèi)濾波器并分別與前后一對(duì)保偏光纖光柵構(gòu)成折疊型復(fù)合諧振腔，有利于提高諧振腔的腔內(nèi)壽命，從而達(dá)到減小激光線寬(達(dá)百Hz量級(jí))的目的。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種超窄線寬低噪聲高功率單頻光纖激光器，本實(shí)用新型在短直腔結(jié)構(gòu)中構(gòu)建折疊復(fù)合腔及雙虛擬環(huán)形腔，并能產(chǎn)生超窄線寬(小于百Hz量級(jí))且保偏輸出的單頻光纖激光。本實(shí)用新型的的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，包括單模半導(dǎo)體激光泵浦源、保偏波分復(fù)用器、耦合輸出保偏光纖光柵、高反射保偏光纖光柵、波片、高增益光纖、低反射窄線寬光纖光柵、二色鏡、熱沉、密封氣室和光纖夾具和保偏光纖隔離器，所述單模半導(dǎo)體激CN 202217906 U
說(shuō)明書
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光泵浦源與保偏波分復(fù)用器的泵浦輸入端連接，保偏波分復(fù)用器的公共端與耦合輸出保偏光纖光柵連接，所述耦合輸出保偏光纖光柵和高反射保偏光纖光柵都刻寫在同一條保偏光纖上或分別刻寫在兩條保偏光纖上且連接時(shí)快慢軸方向一致，高反射保偏光纖光柵經(jīng)由波片與高增益光纖連接，高增益光纖再與低反射窄線寬光纖光柵、二色鏡順次連接，其中，耦合輸出保偏光纖光柵、高反射保偏光纖光柵、波片、高增益光纖、低反射窄線寬光纖光柵和二色鏡共同組成單頻激光諧振腔，并固定封裝在自動(dòng)溫度控制的熱沉中，同時(shí)在熱沉上用一密閉氣室封裝整個(gè)單頻激光諧振腔，整個(gè)單頻激光諧振腔的尾纖由一光纖夾具固定在一密閉氣室的前端殼面，單頻激光諧振腔產(chǎn)生的單頻激光經(jīng)由保偏波分復(fù)用器的信號(hào)端耦合輸出，再經(jīng)由一保偏光纖隔離器輸出；所述高增益光纖的纖芯摻雜高濃度的發(fā)光離子，所述發(fā)光離子為鑭系離子、過(guò)渡金屬離子中一種或多種的組合體，所述發(fā)光離子摻雜濃度大于 1 X 1019ions/cm3且在其纖芯中是均勻摻雜。上述一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，所述高增益光纖是普通的稀土摻雜磷酸鹽單模玻璃光纖或保偏的稀土摻雜磷酸鹽單模玻璃光纖。上述一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，其纖芯成分為磷酸鹽玻璃， 組成為70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203 ；高增益光纖的單位長(zhǎng)度增益大于1 dB/cm，光纖長(zhǎng)度為0. 5 5cm。上述一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，所述波片是四分之一波片或四分之三波片。上述一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，所述高反射保偏光纖光柵的快軸或慢軸與波片的軸線成45°夾角。上述一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，所述耦合輸出保偏光纖光柵的快軸或慢軸中心反射波長(zhǎng)是與高反射保偏光纖光柵的慢軸或快軸中心反射波長(zhǎng)匹配的， 即耦合輸出保偏光纖光柵的快軸中心反射波長(zhǎng)反射譜位于高反射保偏光纖光柵的慢軸中心反射波長(zhǎng)反射譜內(nèi)，或耦合輸出保偏光纖光柵的慢軸中心反射波長(zhǎng)反射譜位于高反射保偏光纖光柵的快軸中心反射波長(zhǎng)反射譜內(nèi)。上述一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，所述耦合輸出保偏光纖光柵的慢軸或快軸中心反射波長(zhǎng)為激光輸出波長(zhǎng)，3dB反射譜寬小于0.15 nm，中心波長(zhǎng)反射率為10 90% ；所述高反射保偏光纖光柵的快軸或慢軸中心反射波長(zhǎng)為激光輸出波長(zhǎng)，3dB 反射譜寬大于0. 15 nm,中心波長(zhǎng)反射率大于90% ；所述低反射窄線寬光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)為激光輸出波長(zhǎng)，3dB反射譜寬小于0. 15 nm,中心波長(zhǎng)反射率為10 50%。上述一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，所述二色鏡為直接在低反射窄線寬光纖光柵研磨拋光后的一側(cè)端面鍍上薄膜形成，所述薄膜對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)反射率大于95%，對(duì)泵浦波長(zhǎng)透射率大于90%。上述一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，所述鑭系離子為Er3+，Yb3+, Tm3+，Gd3+，Tb3+，Dy3+，Ho3+ 或 Lu3+ ；所述過(guò)渡金屬離子為 Cu2+，Co2+，Cr3+，F(xiàn)e2+ 或 Mn2+。所述二色鏡為在腔鏡表面鍍上薄膜或?yàn)橹苯釉诘头瓷湔€寬光纖光柵研磨拋光后的一側(cè)端面鍍上薄膜，所述薄膜對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)反射率大于95%，對(duì)泵浦波長(zhǎng)透射率大于 90%。所述耦合輸出保偏光纖光柵與高反射保偏光纖光柵的連接，可以是在同一條保偏
4光纖上刻寫這兩種光柵，也可以通過(guò)光纖熔接或通過(guò)研磨拋光其相應(yīng)光纖端面后直接對(duì)接耦合且它們快慢軸需對(duì)齊，兩種光柵柵區(qū)之間的距離小于5cm。所述四分之一波片是對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是為激光輸出波長(zhǎng)。所述高增益光纖纖芯直徑為3 10 μ m，包層直徑為60 800 μ m。本實(shí)用新型利用磷酸鹽玻璃纖芯材料的高摻雜和高增益特性，設(shè)計(jì)制作磷酸鹽玻璃單模光纖作為激光介質(zhì)材料，采用短直腔結(jié)構(gòu)，利用耦合輸出保偏光纖光柵、低反射窄線寬光纖光柵的選頻作用，在泵浦光源的持續(xù)抽運(yùn)下，高反射保偏光纖光柵快軸(或慢軸)反射的線偏振光經(jīng)由四分之一波片旋轉(zhuǎn)為右旋圓偏振光在高增益光纖纖芯中得到放大，經(jīng)低反射窄線寬光纖光柵加上全反射腔鏡組成的濾波器后濾波反射后，變?yōu)榕c原傳播方向相反的右旋圓偏振光，再回到高增益光纖纖芯中得到進(jìn)一步放大，此時(shí)，圓偏振光在腔內(nèi)形成一個(gè)虛擬環(huán)光路，然后通過(guò)四分之一波片變?yōu)槁S(或快軸)線偏振光，在耦合輸出保偏光纖光柵的慢軸(或快軸)得到透射輸出及部分反射，一部分光透射輸出形成保偏單頻激光，另一部分反射回來(lái)的線偏振光經(jīng)歷了與高反射保偏光纖光柵快軸(或慢軸)反射的線偏振光一樣的偏振旋轉(zhuǎn)、右旋圓偏振光的放大、濾波、全反射反向、右旋圓偏振光的再次放大，同樣在腔內(nèi)形成另一個(gè)虛擬環(huán)光路，最后再偏振旋轉(zhuǎn)為快軸(或慢軸)的線偏振光，然后由高反射保偏光纖光柵快軸(或慢軸)再次反射，如此形成了內(nèi)含兩個(gè)虛擬環(huán)的一個(gè)諧振周期，可有效解決高增益光纖中由于行波導(dǎo)致的燒孔效應(yīng)。另外，低反射窄線寬光纖光柵與高反射保偏光纖光柵、耦合輸出保偏光纖光柵共同在腔內(nèi)又形成了一個(gè)諧振腔，與原諧振腔共同構(gòu)成了直腔型復(fù)合腔，從而，顯著增強(qiáng)了腔內(nèi)光子的壽命，達(dá)到降低激光線寬的目的。特別是，既結(jié)合稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖的單位長(zhǎng)度高增益特性、利用耦合輸出保偏光纖光柵及低反射窄線寬光纖光柵的窄線寬實(shí)現(xiàn)單一縱模選擇，又可以利用低反射窄線寬光纖光柵與全反射二色鏡構(gòu)成的超短內(nèi)腔選擇的縱模與外腔選擇的縱模重合，達(dá)到更精細(xì)的單一頻率選擇。本實(shí)用新型基于上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)超窄線寬、低噪聲、高功率、偏振保持的單頻激光輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)效果是厘米量級(jí)的高增益稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖作為激光的增益介質(zhì)，由耦合輸出保偏光纖光柵和高反射保偏光纖光柵組成諧振腔結(jié)構(gòu)的前后腔鏡，在單模半導(dǎo)體激光泵浦源的連續(xù)激勵(lì)下，纖芯中的高摻雜稀土粒子發(fā)生反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射的信號(hào)光，利用四分之一波片對(duì)由耦合輸出保偏光纖光柵和高反射保偏光纖光柵產(chǎn)生的線偏振光進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并形成圓偏振光，從而形成了內(nèi)含兩個(gè)虛擬環(huán)形光路的一個(gè)諧振周期，可有效解決高增益光纖中由于行波導(dǎo)致的燒孔效應(yīng)，從而有利于改善單頻激光的噪聲特性。另外，低反射窄線寬光纖光柵與高反射保偏光纖光柵、耦合輸出保偏光纖光柵共同在腔內(nèi)又形成了一個(gè)諧振腔，與原諧振腔共同構(gòu)成了直腔型復(fù)合腔， 腔長(zhǎng)的增加可顯著提高腔內(nèi)光子的壽命，達(dá)到降低激光線寬的目的，從而保證了超窄線寬 (百Hz量級(jí))單頻激光的實(shí)現(xiàn)。特別是，既結(jié)合稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖的單位長(zhǎng)度高增益特性、利用耦合輸出保偏光纖光柵及低反射窄線寬光纖光柵的窄線寬實(shí)現(xiàn)單一縱模選擇，又可以利用低反射窄線寬光纖光柵與全反射二色鏡構(gòu)成的超短內(nèi)腔選擇的縱模與外腔選擇的縱模重合，達(dá)到更精細(xì)的單一頻率選擇，且不容易發(fā)生跳?，F(xiàn)象。本實(shí)用新型基于上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)低噪聲、超窄線寬、無(wú)跳模的單頻激光輸出的技術(shù)效果。

[0019]圖1為本實(shí)用新型單頻光纖激光器原理示意圖；圖2為四分之一波片主軸與高反射保偏光纖光柵快慢軸的位置示意圖；圖3為光纖光柵反射光譜設(shè)計(jì)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述，需要說(shuō)明的是本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。如圖1所示，超窄線寬低噪聲高功率單頻光纖激光器包括單模半導(dǎo)體激光泵浦源
I、保偏波分復(fù)用器(PM_WDM)2、耦合輸出保偏光纖光柵3、高反射保偏光纖光柵4、四分之一波片5、高增益光纖6、低反射窄線寬光纖光柵7、二色鏡8、熱沉9、密封氣室10和光纖夾具
II、保偏光纖隔離器12。其中，耦合輸出保偏光纖光柵3、高反射保偏光纖光柵4、四分之一波片5、高增益光纖6、低反射窄線寬光纖光柵7及二色鏡8組成單頻光纖激光腔13。單模半導(dǎo)體激光泵浦源1與保偏波分復(fù)用器2的泵浦輸入端連接，保偏波分復(fù)用器2的公共端與耦合輸出保偏光纖光柵3連接，耦合輸出保偏光纖光柵3再與高反射保偏光纖光柵4連接，經(jīng)由四分之一波片5與高增益光纖6連接，再與低反射窄線寬光纖光柵7與二色鏡8連接，保偏波分復(fù)用器2的信號(hào)端與保偏光纖隔離器12連接，單頻光纖激光腔13固定在自動(dòng)溫度控制的熱沉9中，再通過(guò)光纖夾具11將該熱沉封裝在一密封氣室10中。熱沉9的溫度一般設(shè)置在-30 70°C范圍內(nèi)的任一溫度值上，一般設(shè)置在25°C，且其控制精度小于 0. 1°C，通過(guò)控制熱沉9的溫度來(lái)調(diào)諧激光波長(zhǎng)。高增益光纖6為稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖，纖芯基質(zhì)成分為磷酸鹽玻璃，纖芯中稀土摻雜離子為鉺、鐿、或鉺鐿共摻。厘米量級(jí)的高增益光纖6作為激光的增益介質(zhì)，由耦合輸出保偏光纖光柵3和高反射保偏光纖光柵4組成諧振腔結(jié)構(gòu)的前后腔鏡，耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸) 的反射譜位于高反射保偏光纖光柵4快軸(或慢軸)的反射譜內(nèi)，且中心反射波長(zhǎng)重合；其中，耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸)的3dB反射譜寬小于0. 15 nm,中心波長(zhǎng)反射率為10-90% ；高反射保偏光纖光柵快軸(或慢軸)的3dB反射譜寬大于0. 15 nm,中心波長(zhǎng)反射率大于90%。泵浦光采用單模半導(dǎo)體激光泵浦源1前向泵浦方式由保偏波分復(fù)用器2的泵浦端輸入并經(jīng)由耦合輸出保偏光纖光柵3、高反射保偏光纖光柵4、四分之一波片5耦合到激光腔中高增益光纖6的纖芯中，抽運(yùn)高摻雜的稀土離子，使粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射的信號(hào)光，利用四分之一波片5對(duì)由耦合輸出保偏光纖光柵3和高反射保偏光纖光柵4 產(chǎn)生的線偏振光進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并形成圓偏振光，經(jīng)低反射窄線寬光纖光柵7加上全反射二色鏡 8組成的濾波器后濾波反射后，變?yōu)榕c原傳播方向相反的右旋圓偏振光，再回到高增益光纖 6纖芯中得到進(jìn)一步放大，從而形成了由兩個(gè)虛擬環(huán)形光路組成的一個(gè)諧振周期，最后，形成的線偏振光經(jīng)由耦合輸出保偏光纖光柵3輸出。其中，耦合輸出保偏光纖光柵3和高反射保偏光纖光柵4采用熔接或端面對(duì)接方式連接，且它們的快慢軸必須對(duì)準(zhǔn)；高反射保偏光纖光柵4與四分之一波片5采用緊密對(duì)接方式連接，高反射保偏光纖光柵4的端面必需研磨拋光，且其快軸(或慢軸)方向必須與四分之一波片5的主軸夾角成45°角，如圖2所示； 高增益光纖6與低反射窄線寬光纖光柵7的連接采用熔接或端面研磨拋光對(duì)接方式；低反射窄線寬光纖光柵7與二色鏡8組成一個(gè)具有縱模選擇及濾波作用的功能模塊，它們的連接采用光纖端面研磨拋光與腔鏡緊密對(duì)接的方式。低反射窄線寬光纖光柵7的中心波長(zhǎng)反射譜位于耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸)反射譜內(nèi)，反射譜寬小于0. 15 nm，中心波長(zhǎng)反射率為10 50% ；二色鏡8為在腔鏡表面鍍上薄膜或?yàn)橹苯釉诘头瓷湔€寬光纖光柵 7研磨拋光后的一側(cè)端面鍍上薄膜，薄膜對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)反射率大于95%，對(duì)泵浦波長(zhǎng)透射率大于90%。再結(jié)合高增益光纖6的單位長(zhǎng)度高增益特性、利用耦合輸出保偏光纖光柵3及低反射窄線寬光纖光柵7的窄線寬實(shí)現(xiàn)單一縱模選擇，同時(shí)又必須滿足低反射窄線寬光纖光柵7與全反射二色鏡8構(gòu)成的超短內(nèi)腔選擇的縱模與外腔選擇的縱模重合的條件，來(lái)實(shí)現(xiàn)更窄線寬單一頻率的高功率激光保偏輸出。實(shí)施例1高增益光纖6是稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖，其作為光纖激光器的增益介質(zhì)， 長(zhǎng)度可根據(jù)器件激光輸出功率大小及耦合輸出保偏光纖光柵3的反射譜寬來(lái)選擇，本例為1.0cm，一般為0.5 10 cm均可。高增益光纖6的纖芯中摻雜高濃度的發(fā)光離子是鉺和鐿，鉺、鐿稀土離子的摻雜濃度分別是2. 5X 1020ions/cm3,5. OX 1020ions/cm3, 一般要大于 lX1019ions/cm3。纖芯直徑為3 10 μ m，本例為6.0 μ m。高增益光纖6的纖芯基質(zhì)成分為磷酸鹽玻璃，其組成為70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203。稀土離子在其纖芯中是均勻的高濃度摻雜。高增益光纖6是通過(guò)鉆孔法、管棒法制作預(yù)制棒先把包層玻璃加工處理成直徑為30 mm的玻璃棒，再在此玻璃棒中心位置鉆出一個(gè)直徑為1. 44mm的圓孔，然后拋光玻璃圓孔的內(nèi)表面；其次，把纖芯玻璃加工處理成一個(gè)直徑為1.44mm的圓棒，然后再拋光此圓棒外表面；再次，把纖芯玻璃棒插入到包層玻璃棒中的孔內(nèi)，組裝成一光纖預(yù)制棒；最后，把組裝好的光纖預(yù)制棒放到光纖拉制塔中高溫爐中拉制，最終拉制出的稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖，即為高增益光纖6。如圖3所示，本例的耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸)的中心反射波長(zhǎng)為激光輸出波長(zhǎng)巧48. 92 nm，其波長(zhǎng)可在1525 1650nm范圍內(nèi)選擇，3dB反射譜寬小于0. 15 nm,中心波長(zhǎng)反射率為10 90%，本例中心波長(zhǎng)反射率為55%。高反射保偏光纖光柵4快軸(或慢軸)的中心反射波長(zhǎng)與耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸)的中心反射波長(zhǎng)重合，本例中也為激光輸出波長(zhǎng)1M8. 92 nm, 3dB反射譜寬大于0. 15 nm,中心波長(zhǎng)反射率大于90%。耦合輸出保偏光纖光柵3和高反射保偏光纖光柵4組成諧振腔的前后腔鏡。低反射窄線寬光纖光柵7的中心反射波長(zhǎng)同樣與耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸)的中心反射波長(zhǎng)重合，本例中也為激光輸出波長(zhǎng)巧48. 92 nm,反射譜寬小于0. 15 nm,中心波長(zhǎng)反射率為10 50%，本例中為20%。二色鏡8為在腔鏡表面鍍上薄膜或直接在低反射窄線寬光纖光柵7研磨拋光后的一側(cè)端面鍍上薄膜，其材料一般為MgO，薄膜對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng) 1548.92 nm的反射率大于95%，對(duì)泵浦波長(zhǎng)980 nm的透射率大于90%。低反射窄線寬光纖光柵7與二色鏡8組成一個(gè)具有縱模選擇及濾波作用的功能模塊。通過(guò)設(shè)計(jì)耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸)的反射譜寬、控制整個(gè)激光腔的腔長(zhǎng)、以及調(diào)節(jié)低反射窄線寬光纖光柵7柵區(qū)與二色鏡8之間的距離，可以實(shí)現(xiàn)只有唯一的單縱模激光輸出，且無(wú)跳模及模式競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。在激光功率飽和前，隨著泵浦功率的不斷增強(qiáng)，激光線寬就會(huì)不斷變窄，最后可以實(shí)現(xiàn)百Hz量級(jí)的超窄線寬保偏輸出。只要選擇耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸) 的中心反射波長(zhǎng)是設(shè)計(jì)激光波長(zhǎng)值，則可實(shí)現(xiàn)所需波長(zhǎng)的超窄線寬單頻光纖激光。其中，耦合輸出保偏光纖光柵3和高反射保偏光纖光柵4采用熔接或端面對(duì)接方式連接，且它們的快慢軸必須對(duì)準(zhǔn)；高反射保偏光纖光柵4與四分之一波片5采用緊密對(duì)接方式連接，高反射保偏光纖光柵4的端面必需研磨拋光，且其快軸(或慢軸)方向必須與四分之一波片5的主軸夾角成45°角，如圖2所示；高增益光纖6與低反射窄線寬光纖光柵7的連接采用熔接或端面研磨拋光對(duì)接方式；低反射窄線寬光纖光柵7靠近柵區(qū)1 2mm處的一端面需進(jìn)行研磨拋光，以使低反射窄線寬光纖光柵7與二色鏡8采用光纖端面研磨拋光與腔鏡緊密對(duì)接方式連接。泵浦光采用單模半導(dǎo)體激光泵浦源1前向泵浦方式由保偏波分復(fù)用器2的泵浦端輸入并經(jīng)由耦合輸出保偏光纖光柵3、高反射保偏光纖光柵4、四分之一波片5耦合到激光腔中高增益光纖6的纖芯中。在泵浦光源的持續(xù)抽運(yùn)下，抽運(yùn)高摻雜的稀土離子，使粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射的信號(hào)光，高反射保偏光纖光柵4快軸(或慢軸)反射的線偏振光經(jīng)由四分之一波片5旋轉(zhuǎn)為右旋圓偏振光在高增益光纖6纖芯中得到放大，經(jīng)低反射窄線寬光纖光柵7加上全反射二色鏡8組成的濾波器后濾波反射后，變?yōu)榕c原傳播方向相反的右旋圓偏振光，再回到高增益光纖6纖芯中得到進(jìn)一步放大，此時(shí)，圓偏振光在腔內(nèi)形成一個(gè)虛擬環(huán)光路，然后通過(guò)四分之一波片5變?yōu)槁S(或快軸)線偏振光，在耦合輸出保偏光纖光柵3的慢軸(或快軸)得到透射輸出及部分反射，一部分光透射輸出形成保偏單頻激光，另一部分反射回來(lái)的線偏振光經(jīng)歷了與高反射保偏光纖光柵4快軸(或慢軸)反射的線偏振光一樣的偏振旋轉(zhuǎn)、右旋圓偏振光的放大、濾波、全反射反向、右旋圓偏振光的再次放大，同樣在腔內(nèi)形成另一個(gè)虛擬環(huán)光路，最后再偏振旋轉(zhuǎn)為快軸(或慢軸)的線偏振光，然后由高反射保偏光纖光柵4快軸(或慢軸)再次反射，如此形成了內(nèi)含兩個(gè)虛擬環(huán)的一個(gè)諧振周期。最后，形成的線偏振單頻激光經(jīng)由耦合輸出保偏光纖光柵3輸出，再次經(jīng)由980/1550nm的保偏波分復(fù)用器2分波輸入到1550nm保偏光纖隔離器12的前端，并由保偏光纖隔離器12隔離反射或殘留的泵浦光后輸出穩(wěn)定的、偏振保持的、單一縱模的光纖激光，而精密控制熱沉 9的溫度，有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)了輸出波長(zhǎng)為1M8. 92 nm的超窄線寬、低噪聲單頻光纖激光保偏輸出。實(shí)施例2高增益光纖6是稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模保偏光纖，其作為光纖激光器的增益介質(zhì)，長(zhǎng)度可根據(jù)器件激光輸出功率大小及耦合輸出保偏光纖光柵3的反射譜寬來(lái)選擇，本例為1.0cm，一般為0.5 10 cm均可。高增益光纖6纖芯的均勻摻雜高濃度的發(fā)光離子是鐿，鐿離子的摻雜濃度是7. 5 X 1020ions/cm3, 一般要大于1 X 1019ions/cm3o高增益光纖6的纖芯直徑為8 μ m，一般為1 10 μ m均可，采用熊貓眼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其偏振特性，兩熊貓眼對(duì)稱排布、大小一致，與纖芯距離為20 40 μ m,熊貓眼直經(jīng)大小為16 μ m, 一般10 20 μ m均可，包層直徑為125 μ m，一般125 400 μ m均可。高增益光纖6的纖芯基質(zhì)成分為磷酸鹽玻璃，其組成為70P205-8Al203-15Ba0-4La203-3Nd203。由于高增益光纖6具有保偏特性， 因而具有更高的消光比，同時(shí)對(duì)彎曲和扭曲應(yīng)力不敏感，有利于消除單頻光纖激光因環(huán)境振動(dòng)引起的噪聲和頻率漂移，從而進(jìn)一步提高激光的信噪比，信噪比可達(dá)65 dB。高增益光纖6是通過(guò)鉆孔法、管棒法制作預(yù)制棒先把包層玻璃加工處理成直徑為35 mm的玻璃棒， 再在此玻璃棒中心位置鉆出一個(gè)直徑為2. 24mm圓孔，然后拋光玻璃圓孔的內(nèi)表面，然后再在熊貓眼設(shè)計(jì)位置鉆兩個(gè)直經(jīng)為4. 48mm的圓孔，同樣拋光兩圓孔的內(nèi)表面；其次，把纖芯玻璃加工處理成一個(gè)直徑為2. 24mm的圓棒，然后再拋光此圓棒外表面；再次，把另一種多組分玻璃材料(其膨脹系數(shù)需大于磷酸鹽玻璃的膨脹系數(shù))加工處理成直經(jīng)為4. 48mm的兩7/8頁(yè)
條圓棒，拋光此兩圓棒的外表面，再把纖芯玻璃棒插入到包層玻璃棒中的中心孔內(nèi)，兩條圓棒玻璃圓棒分別插入到包層玻璃棒中的熊貓眼孔中，組裝成一光纖預(yù)制棒；最后，把組裝好的光纖預(yù)制棒放到光纖拉制塔中高溫爐中拉制，最終拉制出具有保偏性能的稀土摻雜磷酸鹽玻璃單模光纖，即為高增益光纖6。本例的耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸)的中心反射波長(zhǎng)為激光輸出波長(zhǎng) 1064. 00 nm，其波長(zhǎng)可在1000 1120nm范圍內(nèi)選擇，3dB反射譜寬小于0. 10 nm，中心波長(zhǎng)反射率為10 90%，本例中心波長(zhǎng)反射率為65%。耦合輸出保偏光纖光柵3和全反射二色鏡8組成諧振腔的前后腔鏡。低反射窄線寬光纖光柵7的中心反射波長(zhǎng)同樣與耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸)的中心反射波長(zhǎng)重合，本例中也為激光輸出波長(zhǎng)1064. 00 nm，反射譜寬小于0. 10 nm，中心波長(zhǎng)反射率為10 50%，本例中為15%。二色鏡8為在腔鏡表面鍍上薄膜或直接在低反射窄線寬光纖光柵7研磨拋光后的一側(cè)端面鍍上薄膜，其材料一般為MgO，薄膜對(duì)激光信號(hào)波長(zhǎng)的反射率大于95%，對(duì)泵浦波長(zhǎng)976 nm的透射率大于90%。低反射窄線寬光纖光柵7與二色鏡8組成一個(gè)具有縱模選擇及濾波作用的功能模塊。通過(guò)設(shè)計(jì)耦合輸出保偏光纖光柵3慢軸(或快軸)的反射譜寬、控制整個(gè)激光腔的腔長(zhǎng)、以及調(diào)節(jié)低反射窄線寬光纖光柵7柵區(qū)與二色鏡8之間的距離，可以實(shí)現(xiàn)只有唯一的單縱模激光輸出， 且無(wú)跳模及模式競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。在激光功率飽和前，隨著泵浦功率的不斷增強(qiáng)，激光線寬就會(huì)不斷變窄，最后可以實(shí)現(xiàn)百Hz量級(jí)的超窄線寬保偏輸出。只要選擇耦合輸出保偏光纖光柵3 慢軸(或快軸)的中心反射波長(zhǎng)是設(shè)計(jì)激光波長(zhǎng)值，則可實(shí)現(xiàn)所需波長(zhǎng)的超窄線寬單頻光纖激光。其中，耦合輸出保偏光纖光柵3和四分之一波片5采用緊密對(duì)接方式連接，耦合輸出保偏光纖光柵3的端面必需研磨拋光，且其快軸(或慢軸)方向必須與四分之一波片5的主軸夾角成45°角，如圖2所示；高增益光纖6與耦合輸出保偏光纖光柵3的快慢軸對(duì)準(zhǔn)；高增益光纖6與低反射窄線寬光纖光柵7的連接采用熔接或端面研磨拋光對(duì)接方式；低反射窄線寬光纖光柵7靠近柵區(qū)1 2mm處的一端面需進(jìn)行研磨拋光，以使低反射窄線寬光纖光柵7與二色鏡8采用光纖端面研磨拋光與腔鏡緊密對(duì)接方式連接。泵浦光采用976nm的單模半導(dǎo)體激光泵浦源1前向泵浦方式由980/1064nm的保偏波分復(fù)用器2的泵浦端輸入并經(jīng)由耦合輸出保偏光纖光柵3、四分之一波片5耦合到激光腔中高增益光纖6的纖芯中。在泵浦光源的持續(xù)抽運(yùn)下，抽運(yùn)高摻雜的稀土離子，使粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激發(fā)射的信號(hào)光，高反射保偏光纖光柵4快軸(或慢軸)反射的線偏振光經(jīng)由四分之一波片5旋轉(zhuǎn)為右旋圓偏振光在高增益光纖6纖芯中得到放大，經(jīng)低反射窄線寬光纖光柵7加上全反射二色鏡8組成的濾波器后濾波反射后，變?yōu)榕c原傳播方向相反的右旋圓偏振光，再回到高增益光纖6纖芯中得到進(jìn)一步放大，此時(shí)，圓偏振光在腔內(nèi)形成一個(gè)虛擬環(huán)光路，然后通過(guò)四分之一波片5變?yōu)槁S(或快軸)線偏振光，在耦合輸出保偏光纖光柵3的慢軸(或快軸)得到透射輸出及部分反射，一部分光透射輸出形成保偏單頻激光，另一部分反射回來(lái)的線偏振光經(jīng)歷了與高反射保偏光纖光柵4快軸(或慢軸)反射的線偏振光一樣的偏振旋轉(zhuǎn)、右旋圓偏振光的放大、濾波、全反射反向、右旋圓偏振光的再次放大，同樣在腔內(nèi)形成另一個(gè)虛擬環(huán)光路，最后再偏振旋轉(zhuǎn)為快軸(或慢軸)的線偏振光，然后由高反射保偏光纖光柵4快軸(或慢軸)再次反射，如此形成了內(nèi)含兩個(gè)虛擬環(huán)的一個(gè)諧振周期。最后，形成的線偏振單頻激光經(jīng)由耦合輸出保偏光纖光柵3輸出，再次經(jīng)由980/1064nm的保偏波分復(fù)用器2分波輸入到1064nm保偏光纖隔離器12的前端，并由保偏光纖隔離器12隔
9離反射或殘留的泵浦光后輸出穩(wěn)定的、偏振保持的、單一縱模的光纖激光，而精密控制熱沉 9的溫度，有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)了輸出波長(zhǎng)為1.06 Mm的超窄線寬、低噪聲單頻光纖激光保偏輸出。
權(quán)利要求1.一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，其特征在于包括單模半導(dǎo)體激光泵浦源(1)、保偏波分復(fù)用器(2)、耦合輸出保偏光纖光柵(3)、高反射保偏光纖光柵(4)、波片、高增益光纖(6)、低反射窄線寬光纖光柵(7)、二色鏡(8)、熱沉(9)、密封氣室(10)和光纖夾具(11)和保偏光纖隔離器(12)，所述單模半導(dǎo)體激光泵浦源(1)與保偏波分復(fù)用器 (2)的泵浦輸入端連接，保偏波分復(fù)用器(2)的公共端與耦合輸出保偏光纖光柵(3)連接， 所述耦合輸出保偏光纖光柵(3)和高反射保偏光纖光柵(4)都刻寫在同一條保偏光纖上或分別刻寫在兩條保偏光纖上且連接時(shí)快慢軸方向一致，高反射保偏光纖光柵(4)經(jīng)由波片(5)與高增益光纖(6)連接，高增益光纖(6)再與低反射窄線寬光纖光柵(7)、二色鏡(8)順次連接，其中，耦合輸出保偏光纖光柵(3)、高反射保偏光纖光柵(4)、波片(5)、高增益光纖(6)、低反射窄線寬光纖光柵(7)和二色鏡(8)共同組成單頻激光諧振腔(13)，并固定封裝在自動(dòng)溫度控制的熱沉(9)中，同時(shí)在熱沉(9)上用一密閉氣室(10)封裝整個(gè)單頻激光諧振腔(13)，整個(gè)單頻激光諧振腔(13)的尾纖由一光纖夾具(11)固定在一密閉氣室(10)的前端殼面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，其特征在于所述高增益光纖(6)為稀土摻雜磷酸鹽單模玻璃光纖；高增益光纖(6)的單位長(zhǎng)度增益大于1 dB/cm，光纖長(zhǎng)度為0. 5 5cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，其特征在于所述波片是四分之一波片或四分之三波片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，其特征在于所述高反射保偏光纖光柵(4)的快軸或慢軸與波片(5)的軸線成45°夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，其特征在于所述二色鏡(8)為在腔鏡表面鍍上薄膜形成或?yàn)橹苯釉诘头瓷湔€寬光纖光柵(7)研磨拋光后的一側(cè)端面鍍上薄膜形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，其特征在于所述高增益光纖纖芯直徑為3 10 μ m，包層直徑為60 800 μ m。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種超窄線寬低噪聲高功率的單頻光纖激光器，包括單模半導(dǎo)體激光泵浦源、保偏波分復(fù)用器、耦合輸出保偏光纖光柵、高反射保偏光纖光柵、波片、高增益光纖、低反射窄線寬光纖光柵、二色鏡、熱沉、密封氣室和光纖夾具和保偏光纖隔離器；保偏波分復(fù)用器的公共端與耦合輸出保偏光纖光柵連接，所述耦合輸出保偏光纖光柵和高反射保偏光纖光柵都刻寫在同一條保偏光纖上或分別刻寫在兩條保偏光纖上且連接時(shí)快慢軸方向一致，高反射保偏光纖光柵經(jīng)由波片與高增益光纖連接，高增益光纖再與低反射窄線寬光纖光柵、二色鏡順次連接本實(shí)用新型在短直腔結(jié)構(gòu)中構(gòu)建折疊復(fù)合腔及雙虛擬環(huán)形腔，并能產(chǎn)生超窄線寬且保偏輸出的單頻光纖激光。
文檔編號(hào)H01S3/16GK202217906SQ20112030657
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月22日
發(fā)明者張偉南, 張勤遠(yuǎn), 徐善輝, 楊中民, 邱建榮 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)