本發(fā)明屬于激光發(fā)生裝置領(lǐng)域，具體涉及一種超窄線寬激光器。

背景技術(shù)：

窄線寬的單縱模激光束是一種具有極低相位噪聲和超長相干長度的優(yōu)質(zhì)激光，在光纖傳感、光纖通信、激光雷達、分布式石油管道檢測等領(lǐng)域中具有廣闊的應用前景。眾所周知，單縱模激光器由于體積小、成熟的生產(chǎn)工藝、低成本，其已被廣泛應用于諸多領(lǐng)域，然而，其線寬限制了其在光纖分布式傳感、光相干通信、激光雷達、等光學相干系統(tǒng)的應用(尤其是DFB激光器，其線寬一般在MHz或幾百kHz量級)，因為這些光學相干系統(tǒng)的探測范圍、測量靈敏度、測量精度以及測量底噪等性能參數(shù)都依賴于激光的線寬。所以如何通過簡單的方式(構(gòu)成線寬壓縮的簡易模塊-黑盒子)來進一步壓縮單縱模激光線寬具有非常重要的應用價值和學術(shù)意義。

目前，用于激光線寬壓縮的方法主要有電學反饋控制和光自注入反饋，其中傳統(tǒng)的光自注入反饋線寬壓縮方式難以在進一步壓縮線寬的同時實現(xiàn)激光單縱模輸出。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種超窄線寬激光器，以解決目前光自注入反饋線寬壓縮方式存在的在進一步壓縮線寬的同時難以實現(xiàn)激光單縱模輸出的問題。

根據(jù)本發(fā)明實施例的第一方面，提供一種超窄線寬激光器，包括激光發(fā)生增益裝置、光耦合器和兩個反饋壓縮裝置，其中所述激光發(fā)生增益裝置連接所述光耦合器的一端，所述光耦合器的另一端連接輸出光纖以及所述兩個反饋壓縮裝置，通過對所述兩個反饋壓縮裝置的腔長及腔長差進行設(shè)計，來獲得單縱模窄線寬激光輸出，并提高輸出激光的邊模抑制比；

所述激光發(fā)生增益裝置用于產(chǎn)生預設(shè)量的激光并將所述預設(shè)量的激光作為入射光傳輸給所述光耦合器，所述光耦合器將對應量的入射光傳輸給對應的反饋壓縮裝置；針對每個反饋壓縮裝置，所述反饋壓縮裝置對所述入射光的線寬進行壓縮，并通過所述光耦合器將線寬壓縮后的激光反饋傳輸回所述激光發(fā)生增益裝置進行增益放大；增益放大后的激光通過所述光耦合器，作為入射光被傳輸給所述反饋壓縮裝置，以使所述反饋壓縮裝置對所述入射光的線寬進行循環(huán)壓縮，直至所述預設(shè)量的激光全部從所述輸出光纖傳輸出去。

在一種可選的實現(xiàn)方式中，所述腔長差越小，越易獲得單縱模激光輸出，但所述腔長差小于預設(shè)值時，輸出激光的邊模抑制比降低。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，通過對反饋傳輸回所述激光發(fā)生增益裝置的激光的反饋率進行設(shè)置，來對輸出激光的線寬進行調(diào)節(jié)。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述反饋率的設(shè)置對所述腔長的設(shè)計存在影響。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述反饋率越大，腔長設(shè)計越短。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述激光發(fā)生增益裝置與所述光耦合器之間設(shè)置有光隔離器，通過對所述光耦合器的耦合比和所述光隔離器的隔離度進行設(shè)計，來設(shè)置所述反饋率，從而對輸出激光的線寬進行調(diào)節(jié)。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述反饋率等于所述光耦合器的耦合比與所述光隔離器的隔離度對應的隔離系數(shù)之乘積。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述耦合比為10％至60％，所述隔離系數(shù)為0.0008。

在另一種可選的實現(xiàn)方式中，所述反饋壓縮裝置為光纖環(huán)形腔，所述光纖環(huán)形腔基于瑞利散射效應對所述入射光進行線寬壓縮。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明通過設(shè)置兩個反饋壓縮裝置，并對兩個反饋壓縮裝置的腔長及腔長差進行設(shè)計，不僅可以進一步壓縮輸出激光的線寬，而且可以很容易實現(xiàn)單縱模輸出，并且可以提高邊模抑制比；

2、本發(fā)明通過對反饋率進行設(shè)置，可以進一步壓縮激光線寬；

3、本發(fā)明通過在設(shè)計腔長時考慮反饋率的影響，可以保證激光線寬壓縮效果；

4、本發(fā)明通過在設(shè)計時考慮腔長差對單縱模激光輸出和邊模抑制比的影響，可以保證激光能單縱模輸出，且輸出激光的邊模抑制比較高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明超窄線寬激光器的一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是單環(huán)光自注入反饋線寬壓縮裝置輸出激光的一種形式的功率譜；

圖3是單環(huán)光自注入反饋線寬壓縮裝置輸出激光的另一種形式的功率譜；

圖4是本發(fā)明雙環(huán)超窄線寬激光器輸出激光的一種形式的功率譜；

圖5是本發(fā)明雙環(huán)超窄線寬激光器在腔長分別為20.4m、13.7m時，輸出激光的功率譜；

圖6是本發(fā)明超窄線寬激光器的另一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，并使本發(fā)明實施例的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例中技術(shù)方案作進一步詳細的說明。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

參見圖1，為本發(fā)明超窄線寬激光器的一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖。該超窄線寬激光器可以包括激光發(fā)生增益裝置110、光耦合器120和兩個反饋壓縮裝置130，其中所述激光發(fā)生增益裝置110連接所述光耦合器120的一端，所述光耦合器120的另一端連接輸出光纖140以及所述兩個反饋壓縮裝置130，其中，所述激光發(fā)生增益裝置110用于產(chǎn)生預設(shè)量的激光并將所述預設(shè)量的激光作為入射光傳輸給所述光耦合器120，所述光耦合器120將對應量的入射光傳輸給對應的反饋壓縮裝置130，其中一部分入射光被傳輸給反饋壓縮裝置130，另一部分入射光從輸出光纖140傳輸出去。針對每個反饋壓縮裝置130，所述反饋壓縮裝置130對所述入射光的線寬進行壓縮，并通過所述光耦合器120將線寬壓縮后的激光反饋傳輸回所述激光發(fā)生增益裝置110進行增益放大；增益放大后的激光通過所述光耦合器120，作為入射光被傳輸給所述反饋壓縮裝置130，以使所述反饋壓縮裝置130對所述入射光的線寬進行循環(huán)壓縮，直至所述預設(shè)量的激光全部從所述輸出光纖140傳輸出去。由于經(jīng)過循環(huán)壓縮后的激光的增益得到了大幅提升，并且循環(huán)壓縮的時間非常短，因此可以將循環(huán)壓縮后的該部分激光作為該預設(shè)量激光的輸出激光，從而可以獲得窄線寬激光。本發(fā)明通過對所述兩個光纖環(huán)形腔130的腔長及腔長差進行設(shè)計，來獲得單縱模窄線寬激光輸出，并提高輸出激光的邊模抑制比。

本實施例中，該反饋壓縮裝置可以為光纖環(huán)形腔，經(jīng)申請人研究發(fā)現(xiàn)，針對單環(huán)超窄線寬激光器(即只包括一個光纖環(huán)形腔的光自注入反饋線寬壓縮裝置)，光纖環(huán)形腔的腔長越長，輸出激光功率譜的縱模間距FSR越窄，在同等增益的情況下，其邊模抑制比越小，越不容易獲得單縱模激光；但是光纖環(huán)形腔的腔長越長，激光線寬越窄，由此可以得出單環(huán)超窄線寬激光器在光纖環(huán)形腔的腔長設(shè)計上存在矛盾點。結(jié)合圖2所示，圖2中從上至下的波浪曲線依次是腔長為57.1m、40.3m、13.7m和10.7m的單環(huán)超窄線寬激光器的功率譜，從圖中可以看出，隨著光纖環(huán)形腔腔長的增大，靠近中間頻率處縱模越密集，即其縱模間隔FSR越窄，越易發(fā)生縱模跳變，從而越不容易獲得單縱模激光。結(jié)合圖3所示，圖3中從下至上的波浪曲線依次是是腔長為57.1m、40.3m、13.7m和10.7m的單環(huán)超窄線寬激光器的功率譜，對應地，其輸出激光線寬依次為22kHz、43kHz、47kHz、85kHz和105kHz，由此可見，隨著光纖環(huán)形腔腔長的增大，輸出的激光線寬越窄。

為了解決光纖環(huán)形腔在腔長上的設(shè)計矛盾點，本發(fā)明提出了設(shè)置兩個光纖環(huán)形腔，通過對光纖環(huán)形腔的腔長及腔長差進行設(shè)計，可以解決傳統(tǒng)光自注入反饋線寬壓縮方式存在的在將MHz級別激光壓縮至kHz級別時難以實現(xiàn)激光單縱模輸出的問題。其中，本實施例中線寬壓縮裝置的縱模間隔FSR可以表示為：FSR＝c/[n*(L1-L2)]，其中c表示光速，n表示光纖折射率，L1表示其中一個光纖環(huán)形腔的腔長，L2表示另一個光纖環(huán)形腔的腔長。從式中可以看出，ΔL＝L1-L2的值越小，線寬壓縮裝置的縱模間隔FSR越大，更加易于獲取單縱模輸出，但是經(jīng)申請人研究發(fā)現(xiàn)，由于各光纖環(huán)形腔形成的每個縱模都存在一定的線寬，雙腔形成的縱模會產(chǎn)生交疊，形成新邊模，當ΔL＝L1-L2過小(小于預設(shè)值)時，雙腔形成的交疊面積很大，使得其形成的邊模難以被抑制，故而得到邊模抑制比較低，因此要獲得良好的邊模抑制比并獲得單縱模窄線寬激光輸出，必須對兩個光纖環(huán)形腔的腔長以及兩者的腔長差ΔL進行優(yōu)化。

下面在反饋率(是指兩個光纖環(huán)形腔每次反饋傳輸回激光發(fā)生增益裝置110的光量與其接收到的光量的比值)一定的情況下，來討論光纖環(huán)形腔的腔長對輸出激光特性的影響。結(jié)合圖4所示，圖4中a至j均為基于雙環(huán)超窄線寬激光器的功率譜，其右上角標注的Cavity 1，Cavity 2分別表示對應光纖環(huán)形腔的腔長。本實施例中以腔長為57.1m、40.3m、20.4m的光纖環(huán)形腔為長腔體，以腔長10.7m、13.7m為的光纖環(huán)形腔為短腔體，結(jié)合圖4中a和b可以看出，當長腔體與長腔體組合時，其靠近中間頻率處縱模越密集，其縱模間隔FSR越窄，越易發(fā)生縱模跳變，越不容易得到單縱模輸出。結(jié)合圖4中c和d可以看出，當長腔體與短腔體組合時，其邊模抑制比SMSR由短腔體長度決定，隨著短腔體腔長的減小，縱模間隔FSR越寬，越易得到單縱模輸出，但精細度不高，長腔體與短腔體組合雖然能夠起到線寬壓縮的作用，但是邊模抑制比SMSR并不能增加太多。結(jié)合圖4中e、f、h和i可以看出，當長腔體與短腔體的腔長接近倍數(shù)關(guān)系組合時，邊模抑制比SMSR也是由短腔體腔長決定，得不到很好的SMSR。結(jié)合圖4中j可以看出，當兩個光纖環(huán)形腔的腔長適中(其中一個屬于長腔體，腔長為20.4m，另一個屬于短腔體，腔長為13.7m)，且兩者的腔長不呈現(xiàn)出近倍數(shù)關(guān)系時，有較好的SMSR，可以實現(xiàn)單縱模輸出。

將圖3中腔長分別為13.7m、20.4m的單環(huán)超窄線寬激光器的功率譜(即從上至下的第二條和第三條波浪曲線)與圖5中腔體分別為20.4m、13.7m的雙環(huán)超窄線寬激光器的功率譜進行比較。其中腔長為13.7m的單環(huán)超窄線寬激光器輸出的激光線寬為85kHz，腔長為20.4m的單環(huán)超窄線寬激光器輸出的激光線寬為47kHz，腔體分別為20.4m、13.7m的雙環(huán)超窄線寬激光器輸出的激光線寬為6.4kHz，由此可以看出，當增加一個光纖環(huán)形腔后，線寬壓縮裝置的激光線寬得到了進一步壓縮。另外，腔長分別為13.7m和20.4m的單環(huán)超窄線寬激光器的邊模抑制比都在30dB以下，腔體分別為20.4m、13.7m的雙環(huán)超窄線寬激光器的邊模抑制比在30dB以上，并且相比之下，腔體分別為20.4m、13.7m的雙環(huán)超窄線寬激光器的功率譜中，靠近中間頻率處縱模越稀疏，由此可見，當增加一個光纖環(huán)形腔后，超窄線寬激光器的邊模抑制比得到提高，且更容易獲得單縱模輸出。

由上述實施例可見，本發(fā)明通過設(shè)置兩個反饋壓縮裝置，并對兩個反饋壓縮裝置的腔長及腔長差進行設(shè)計，不僅可以進一步壓縮輸出激光的線寬，而且可以很容易實現(xiàn)單縱模輸出，并且可以提高邊模抑制比。

另外，經(jīng)申請人研究發(fā)現(xiàn)，通過對光纖環(huán)形腔反饋傳輸回所述激光發(fā)生增益裝置的反饋率(即兩個光纖環(huán)形腔每次反饋傳輸回激光發(fā)生增益裝置的光量與其接收到的入射光量的比值)進行設(shè)置，可以對輸出激光的線寬進行調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)腔外弱反饋，本發(fā)明中激光發(fā)生增益裝置110與光耦合器之間還可以設(shè)置有光隔離器150，如圖6所示，在對反饋率進行設(shè)置時，可以通過對光耦合器的耦合比和光隔離器的隔離度進行設(shè)計，以達到目標反饋率。其中反饋率等于光耦合器的耦合比與光隔離器的隔離度之乘積，由于經(jīng)申請人研究發(fā)現(xiàn)，反饋率在0％～50％范圍內(nèi)時，激光反饋率越大，激光線寬越窄；反饋率在50％～95％范圍內(nèi)時，由于隨著反饋率的增大，外界引入的噪聲越大，激光線寬不僅不會進一步壓縮，而且還可能增大，從而不利于激光線寬壓縮。由此，本發(fā)明將光耦合器的耦合比設(shè)置在10％～60％之間，光隔離器的隔離度對應的隔離系數(shù)γ設(shè)置為0.0008，以此來保證激光線寬得到更好地壓縮。

經(jīng)申請人研究發(fā)現(xiàn)，為了達到更好的線寬壓縮效果，在對反饋壓縮裝置的腔長進行設(shè)計時需要考慮設(shè)置的反饋率，即反饋率的設(shè)計對腔長的設(shè)計存在影響。通常，反饋率越大，腔長設(shè)計越短。

需要注意的是：上述反饋壓縮裝置不僅可以為光纖激光腔(例如光纖環(huán)形腔)，還可以是其他干涉儀，激光發(fā)生增益裝置可以為DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反饋激光器)激光器，也可以是其他半導體或者光纖激光器，光耦合器可以為光纖耦合器或者空間耦合器。其中，當激光發(fā)生增益裝置為DFB激光器時，通過增加兩個反饋壓縮裝置，可以將DFB激光器輸出的MHz級別的激光線寬壓縮至kHz級別；當激光發(fā)生增益裝置為光纖激光器時，可以將光纖激光器輸出的kHz級別的激光線寬壓縮至幾百Hz級別。

本發(fā)明中自注入反饋條件下的激光線寬可以表示為：

其中，Δf0表示無反饋條件下的激光線寬，τe＝2nL/c表示腔外光反饋時間,c表示光速，n表示光纖折射率，L表示單腔反饋長度，τin表示半導體腔內(nèi)反饋時間，Rin表示DFB輸出端面的反射率，Re表示腔外反射率，α表示線寬增強因子，ε表示由腔外噪聲引起的線寬微擾因子。我們加入DFB本身自帶隔離器的隔離度對應的隔離系數(shù)γ，當γ足夠小時，如本文所用DFB隔離度為～31dB，其隔離系數(shù)為γ＝0.0008，腔外反饋便屬于弱反饋，反饋腔將提供線寬被壓縮的激光反饋信號回到DFB腔內(nèi)進行多次循環(huán)放大，最終使得輸出激光的線寬逐漸被壓縮。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說明書及實踐這里公開的發(fā)明后，將容易想到本發(fā)明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識或慣用技術(shù)手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發(fā)明的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。

應當理解的是，本發(fā)明并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確結(jié)構(gòu)，并且可以在不脫離其范圍進行各種修改和改變。本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求來限制。