一種單頻調(diào)q脈沖光纖激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器，包括一個(gè)單模半導(dǎo)體泵浦激光器、保偏波分復(fù)用器、保偏光隔離器、保偏窄帶光纖光柵、伸縮材料、第一溫控?zé)岢?、第二溫控?zé)岢?、高增益光纖和寬帶光纖光柵。該光纖激光器以單模半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的輸出激光作為泵浦光源，保偏窄帶光纖光柵與寬帶光纖光柵一起實(shí)現(xiàn)激光單一縱模的選擇；通過溫控?zé)岢梁蜕炜s材料改變窄帶光纖光柵的中心波長(zhǎng)并且穩(wěn)定住激光腔的溫度，可以控制腔內(nèi)激光的損耗，實(shí)現(xiàn)單頻調(diào)Q脈沖激光輸出。
【專利說明】一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖激光器，特別是涉及一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器。

【背景技術(shù)】
[0002] 光纖激光器效率高、閾值低、線寬窄、可調(diào)諧、便于集成，。因此受到普遍關(guān)注。在 波分復(fù)用（WDM)系統(tǒng)、激光測(cè)距、光傳感等眾多領(lǐng)域中更是作為最基本的光源而被廣泛的 使用。近幾年來，各種新型光纖器件、新型結(jié)構(gòu)光纖的出現(xiàn)。調(diào)Q光纖激光器的研宄也得到 了快速的發(fā)展，推動(dòng)了激光雷達(dá)、激光微加工等應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。傳統(tǒng)的主動(dòng)或者被動(dòng)調(diào)Q 激光器（聲光、電光、機(jī)械轉(zhuǎn)鏡以及可飽和吸收體等）都已形成可靠、成熟的技術(shù)。
[0003] 對(duì)于脈沖工作形式的光纖激光器來說，可以在不太高的輸出能量下獲得極高的輸 出功率，同時(shí)保持良好的光束質(zhì)量。根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理，脈沖光纖激光器可以分為：調(diào)Q光纖 激光器、鎖模光纖激光器和主控振蕩器的功率放大器（MOPA)光纖激光器三種。鎖模激光器 是在激光產(chǎn)生的時(shí)候引入一個(gè)增益的調(diào)制信號(hào)，使得激光腔各個(gè)縱模之間產(chǎn)生疊加干涉效 應(yīng)，從而輸出脈沖激光。用鎖模方法產(chǎn)生的激光脈沖的脈沖寬度比較短（可小于l〇〇fs)， 但對(duì)光纖激光器的諧振腔要求較高，比如諧振腔的穩(wěn)定性和諧振腔的外界條件要控制得 非常好，但是鎖模的脈沖的輸出能量較低。M0PA光纖激光器是把一個(gè)輸出良好的連續(xù)光的 光纖激光器當(dāng)做種子光源，然后通過對(duì)種子光進(jìn)行調(diào)制產(chǎn)生脈沖，再把脈沖信號(hào)耦合進(jìn)放 大器中進(jìn)行放大，從而獲得能量較高，質(zhì)量較好脈沖激光輸出。M0PA激光器可以將脈沖質(zhì)量 高但能量低的種子激光多級(jí)放大，從而獲得高質(zhì)量的激光脈沖輸出，但是M0PA光纖激光器 的結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較復(fù)雜。調(diào)Q激光器則是在光纖激光器的諧振腔內(nèi)插入調(diào)制元件，通過 輸入調(diào)制信號(hào)調(diào)節(jié)激光腔內(nèi)的損耗，實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。調(diào)Q的辦法結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，很容易就可 以獲得光束質(zhì)量高的脈沖激光輸出。短直腔結(jié)構(gòu)的單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器一直被認(rèn)為是 最有發(fā)展前景的類型。窄線寬單頻脈沖激光在非線性頻率變換、激光雷達(dá)和遙感等超高精 尖端領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供提出一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器，具有新型的諧振腔結(jié) 構(gòu)，保偏窄帶光纖光柵、高增益光纖和寬帶光纖光柵構(gòu)成激光器諧振腔。本發(fā)明利用溫控?zé)?沉調(diào)節(jié)并穩(wěn)定住保偏窄帶光纖光柵的溫度，通過加載一個(gè)周期性信號(hào)到伸縮材料上，周期 性改變伸縮材料和保偏窄帶光纖光柵的長(zhǎng)度，從而改變激光諧振腔的腔內(nèi)損耗，輸出千赫 茲量級(jí)的脈沖信號(hào)。
[0005] 本發(fā)明的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。
[0006] 一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器，其包括一個(gè)單模半導(dǎo)體泵浦激光器、保偏波分復(fù) 用器、保偏光隔離器、保偏窄帶光纖光柵、伸縮材料、第一溫控?zé)岢痢⒌诙乜責(zé)岢?、高增?光纖和寬帶光纖光柵；各部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系是：高增益光纖作為激光增益介質(zhì)，保偏窄 帶光纖光柵和寬帶光纖光柵組成激光腔前后腔鏡，實(shí)現(xiàn)激光在腔內(nèi)的振蕩以及對(duì)輸出波長(zhǎng) 的選擇；保偏窄帶光纖光柵緊固定在伸縮材料上，通過加載信號(hào)能改變伸縮材料和保偏窄 帶光纖光柵的長(zhǎng)度，從而改變保偏窄帶光纖光柵的中心波長(zhǎng)；保偏窄帶光纖光柵、高增益光 纖、非保偏寬帶光纖光柵組成了單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器的諧振腔；激光諧振腔放置在精 密溫控?zé)岢辽细炜s材料一起對(duì)激光諧振腔的腔內(nèi)損耗進(jìn)行調(diào)制，其中保偏窄帶光纖光柵 放置在第一溫控?zé)岢粒咴鲆婀饫w和寬帶光纖光柵放置在第二溫控?zé)岢辽?，第一溫控?zé)岢?和第二溫控?zé)岢聊芊€(wěn)定住激光諧振腔的溫度，使其工作在一個(gè)比較穩(wěn)定的外界條件下，輸 出光脈沖信號(hào)，諧振腔輸出的保偏脈沖激光信號(hào)經(jīng)由保偏波分復(fù)用器的信號(hào)端進(jìn)入保偏光 隔離器，從保偏光隔離器的輸出端輸出。
[0007] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述高增益光纖為稀土摻雜單模玻璃光纖，其纖芯成分包括但不 限于磷酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻璃、硅酸鹽玻璃、氟化物玻璃，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lX1019i〇ns/cm3,且在其纖芯中是均勻摻雜。
[0008] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述的保偏窄帶光纖光柵、高增益光纖和寬帶光纖光柵之間是通 過研磨拋光各自的光纖端面后直接對(duì)接耦合，或者通過光纖熔接機(jī)熔接耦合的。
[0009] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述高增益光纖的單位長(zhǎng)度增益大于0.2 dB/cm，光纖長(zhǎng)度為 0? 5 ?50cm〇
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述伸縮材料是通過加載信號(hào)可以改變其體積的一種材料，包括 但不限于電致伸縮材料、磁致伸縮材料。
[0011] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述伸縮材料伸縮距離大于1 ym，第一溫控?zé)岢翆?duì)窄帶保偏光纖 光柵中心波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)范圍大于〇? lnm〇
[0012] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器是短直腔結(jié)構(gòu)，其前腔鏡是保偏窄 帶光纖光柵，后腔鏡采用寬帶光纖光柵；所述寬帶光纖光柵是對(duì)泵浦光高透，透射率大于 90 %，而對(duì)激勵(lì)信號(hào)波長(zhǎng)高反，反射率大于95 %，其3dB反射譜寬為0. lnm?10nm。
[0013] 本發(fā)明利用玻璃纖芯材料的高摻雜和高增益特性，設(shè)計(jì)制作玻璃單模光纖作為激 光介質(zhì)材料，采用短直腔結(jié)構(gòu)，利用保偏窄帶光纖光柵和寬帶光纖光柵的選頻作用，在半導(dǎo) 體泵浦激光源的持續(xù)抽運(yùn)下，高增益光纖受激發(fā)射激光。根據(jù)光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng) 受到溫度、應(yīng)力影響和伸縮材料的體積受到外加信號(hào)影響的特性，利用窄帶保偏光纖光柵 處溫控?zé)岢梁蜕炜s材料對(duì)激光腔進(jìn)行調(diào)制。首先在溫控?zé)岢翆?duì)保偏窄帶光纖光柵的溫度 調(diào)節(jié)下，改變其中心波長(zhǎng)。當(dāng)伸縮材料上面沒有加載信號(hào)的時(shí)候，保偏窄帶光纖光柵的中心 波長(zhǎng)跟寬帶光柵的反射譜失配，從寬帶光纖光柵反射的激光在保偏窄帶光纖光柵處不能反 射，激光不能在諧振腔里面起振，沒有光輸出。當(dāng)伸縮材料上加載了適當(dāng)?shù)男盘?hào)的時(shí)候，保 偏窄帶光纖光柵的中心波長(zhǎng)跟寬帶光纖光柵的反射譜匹配。從寬帶光纖光柵反射的激光可 以在保偏窄帶光纖光柵處反射，激光能在諧振腔里形成振蕩，輸出激光。因此，當(dāng)加載一個(gè) 周期性信號(hào)在伸縮材料上面的時(shí)候，就可以得到調(diào)Q巨脈沖。本發(fā)明激光器輸出脈沖平均 輸出功率達(dá)十幾毫瓦量級(jí)、脈沖重復(fù)頻率可以達(dá)到千赫茲量級(jí)，脈寬達(dá)到納秒量級(jí)。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果包括：可以將厘米量級(jí)的高增益稀土 摻雜玻璃單模光纖作為激光的增益介質(zhì)，由保偏窄帶光纖光柵和寬帶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，利用光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)受到溫度和應(yīng)力影響的特 性，先通過第一溫控?zé)岢琳{(diào)節(jié)保偏窄帶光纖光柵的溫度，使得保偏窄帶光纖光柵中心波長(zhǎng) 和寬帶光纖光柵反射譜失配，激光沒辦法起振。再根據(jù)伸縮材料的體積受到加載信號(hào)影響 的特性，通過加載信號(hào)到伸縮材料上，改變伸縮材料和緊緊固定在伸縮材料上面的保偏窄 帶光纖光柵的長(zhǎng)度，從而改變保偏窄帶光纖光柵的中心波長(zhǎng)，使得保偏窄帶光纖光柵中心 波長(zhǎng)跟寬帶光纖光柵反射譜匹配，發(fā)出激光。當(dāng)給伸縮材料加載一個(gè)周期信號(hào)的時(shí)候，就可 以實(shí)現(xiàn)諧振腔的高損耗和低損耗的快速切換，輸出光脈沖。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器的原理示意圖。
[0016] 圖2為實(shí)施方式中通過加載電壓在電致伸縮材料上對(duì)保偏窄帶光纖光柵中心波 長(zhǎng)的影響效果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和具體例子對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步描述，需要說明的是 本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍，若有未特別詳細(xì)說明的過程，均是 本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
[0018] 如圖1所示，包括一個(gè)單模半導(dǎo)體泵浦激光器1、保偏波分復(fù)用器3、保偏光隔離器 2、保偏窄帶光纖光柵5、伸縮材料4、第一溫控?zé)岢?、第二溫控?zé)岢?、高增益光纖6和寬帶 光纖光柵7,各部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系是：高增益光纖作為激光增益介質(zhì)，保偏窄帶光纖光柵 和寬帶光纖光柵組成激光腔前后腔鏡，實(shí)現(xiàn)激光在腔內(nèi)的振蕩以及對(duì)輸出波長(zhǎng)的選擇。保 偏窄帶光纖光柵的兩端固定在壓電陶瓷上，通過加載適當(dāng)?shù)碾妷嚎梢愿淖冋瓗Ч饫w光柵的 長(zhǎng)度，改變保偏窄帶光纖光柵反射譜的中心波長(zhǎng)(如圖2)。保偏窄帶光纖光柵、高增益光纖、 寬帶光纖光柵組成了單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器的諧振腔，利用光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng) 受到溫度、應(yīng)力影響和壓電陶瓷的體積受到施加電壓影響的特性，激光諧振腔放置在精密 的第一溫控?zé)岢辽细鷫弘娞沾桑瓷炜s材料）一起對(duì)激光諧振腔的腔內(nèi)損耗進(jìn)行調(diào)制，輸 出光脈沖信號(hào)，諧振腔輸出的脈沖激光信號(hào)經(jīng)由保偏波分復(fù)用器的信號(hào)端進(jìn)入保偏光隔離 器，從保偏光隔離器的輸出端輸出。
[0019] 實(shí)施例1 本例的保偏窄帶光纖光柵5耦合輸出光柵的慢軸(快軸)中心反射波長(zhǎng)為激光輸出波長(zhǎng) 1083. 12 nm，3dB反射譜寬小于0? 15 nm，中心波長(zhǎng)反射率為10?95%，本例中心波長(zhǎng)反射 率為60%。寬帶光纖光柵7中心反射波長(zhǎng)為激光輸出波長(zhǎng)1083. 12 nm，3dB反射譜寬小于 0. 5 nm，本例中心波長(zhǎng)反射率大于99. 95%。保偏窄帶光纖光柵5與寬帶光纖光柵7組成一 個(gè)具有縱模選擇及濾波作用的功能模塊。根據(jù)壓電陶瓷收到加載電壓影響的特性，通過在 壓電陶瓷4上施加合適的電壓，可以調(diào)節(jié)保偏窄帶光纖光柵5的長(zhǎng)度，改變保偏窄帶光纖光 柵5的中心波長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)激光諧振腔的損耗進(jìn)行調(diào)制，最后可以實(shí)現(xiàn)百赫茲量級(jí)線寬和千 赫茲量級(jí)重復(fù)頻率的單頻脈沖激光輸出。只要選擇保偏窄帶光纖光柵5中的耦合輸出光柵 的慢軸(或快軸）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)的單頻脈沖激光。其 中，保偏窄帶光纖光柵5和高增益光纖6采用熔接或端面對(duì)接方式連接；高增益光纖6與寬 帶光纖光柵7之間采用光纖端面研磨拋光與腔鏡緊密對(duì)接方式連接；保偏窄帶光纖光柵5 緊密固定在壓電陶瓷4表面上。
[0020] 泵浦方式采用后向泵浦，由單模半導(dǎo)體泵浦激光器1產(chǎn)生泵浦光經(jīng)由保偏波分復(fù) 用器3的泵浦端輸入，經(jīng)由保偏窄帶光纖光柵5耦合到高增益光纖6的纖芯中，進(jìn)行纖芯泵 浦。泵浦光不斷抽運(yùn)纖芯中的稀土例子，使其達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激發(fā)射產(chǎn)生信號(hào)光，利用 光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)受到溫度和應(yīng)力影響的特性，第一溫控?zé)岢?對(duì)保偏窄帶光纖 光柵進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，使得保偏窄帶光纖光柵5的中心波長(zhǎng)跟寬帶光柵7的反射譜失配，當(dāng)壓 電陶瓷4上面沒有加載電壓信號(hào)的時(shí)候，保偏窄帶光纖光柵5的中心波長(zhǎng)沒有改變，跟寬帶 光纖光柵7的反射譜失配，從寬帶光纖光柵7反射的激光在保偏窄帶光纖光柵5處不能反 射，激光不能在諧振腔里面起振，沒有光輸出。當(dāng)壓電陶瓷即伸縮材料4上加載了適當(dāng)?shù)碾?壓的時(shí)候，保偏窄帶光纖光柵5的中心波長(zhǎng)跟寬帶光纖光柵7的反射譜匹配。從寬帶光纖 光柵7反射的激光可以在保偏窄帶光纖光柵5處反射，激光能在諧振腔里形成振蕩，輸出激 光。因此，當(dāng)加載一個(gè)周期性電壓信號(hào)在壓電陶瓷即伸縮材料4上面的時(shí)候，可以得到調(diào)Q 脈沖。
[0021] 最后，脈沖激光經(jīng)由保偏窄帶光纖光柵5中的耦合輸出光柵輸出，再次經(jīng)由保偏 波分復(fù)用器3的信號(hào)端分波輸入到保偏隔離器2的輸入端，并由保偏隔離器2隔離反射或 殘留的泵浦光后輸出穩(wěn)定的、單一縱模的激光。控制第一溫控?zé)岢?和第二溫控?zé)岢?的 溫度，有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)激光器的穩(wěn)定工作，最終實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)為1083. 12 nm的超窄線寬 調(diào)Q脈沖激光輸出。
【權(quán)利要求】
1. 一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器，其特征在于包括一個(gè)單模半導(dǎo)體泵浦激光器（I)、保 偏波分復(fù)用器（3)、保偏光隔離器（2)、保偏窄帶光纖光柵（5)、伸縮材料（4)、第一溫控?zé)岢? (8) 、第二溫控?zé)岢粒?)、高增益光纖（6)和寬帶光纖光柵（7);各部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系是： 高增益光纖（6)作為激光增益介質(zhì)，保偏窄帶光纖光柵（5)和寬帶光纖光柵（7)組成激光 腔前后腔鏡，實(shí)現(xiàn)激光在腔內(nèi)的振蕩以及對(duì)輸出波長(zhǎng)的選擇；保偏窄帶光纖光柵（5)緊固 定在伸縮材料（4)上，通過加載信號(hào)能改變伸縮材料（4)和保偏窄帶光纖光柵（5)的長(zhǎng)度， 從而改變保偏窄帶光纖光柵（5)的中心波長(zhǎng)；保偏窄帶光纖光柵（5)、高增益光纖（6)、非保 偏寬帶光纖光柵（7)組成了單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器的諧振腔；激光諧振腔放置在精密溫 控?zé)岢辽细炜s材料（4) 一起對(duì)激光諧振腔的腔內(nèi)損耗進(jìn)行調(diào)制，其中保偏窄帶光纖光柵 (5)放置在第一溫控?zé)岢粒?)，高增益光纖（6)和寬帶光纖光柵（7)放置在第二溫控?zé)岢? (9) 上，第一溫控?zé)岢立呛偷诙乜責(zé)岢粒?)能穩(wěn)定住激光諧振腔的溫度；由單模半導(dǎo)體 泵浦激光器（1)產(chǎn)生泵浦光經(jīng)由保偏波分復(fù)用器（3)的泵浦端輸入，再經(jīng)由保偏窄帶光纖 光柵（5)耦合到高增益光纖（6)的纖芯中，進(jìn)行纖芯泵浦；諧振腔輸出的保偏脈沖激光信號(hào) 經(jīng)由保偏波分復(fù)用器（3)的信號(hào)端進(jìn)入保偏光隔離器（2)，從保偏光隔離器（2)的輸出端輸 出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器，其特征在于：所述高增益光 纖（6)為稀土摻雜單模玻璃光纖，高增益光纖（6)的纖芯成分包含有磷酸鹽玻璃、鍺酸鹽玻 璃、硅酸鹽玻璃、氟化物玻璃中的一種以上，所述高增益光纖（6)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lX1019i〇ns/cm3,且在其纖芯中是均勻摻雜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器，其特征在于所述的保偏窄帶 光纖光柵（5)、高增益光纖（6)和寬帶光纖光柵（7)之間是通過研磨拋光各自的光纖端面后 直接對(duì)接耦合，或者通過熔接耦合的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器，其特征在于：所述高增益光 纖（6)的單位長(zhǎng)度增益大于0. 2dB/cm，光纖長(zhǎng)度為0. 5?50cm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器，其特征在于：所述伸縮材料 是通過加載信號(hào)能改變其體積的一種材料，包括電致伸縮材料或磁致伸縮材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器， 其特征在于：所述伸縮材料在外加信號(hào)作用下伸縮距離大于1 I；m，第一溫控?zé)岢粒?)對(duì)保偏窄帶光纖光柵中心波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)范圍大于0.lnm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單頻調(diào)Q脈沖光纖激光器，其特征在于：該單頻調(diào)Q脈沖 光纖激光器是短直腔結(jié)構(gòu)，其前腔鏡是保偏窄帶光纖光柵（5)，后腔鏡為寬帶光纖光柵（7); 所述寬帶光纖光柵（7)是對(duì)泵浦光高透，透射率大于90%，而對(duì)激勵(lì)信號(hào)波長(zhǎng)高反，反射率 大于95 %，其3dB反射譜寬為0.Inm?10nm。
【文檔編號(hào)】H01S3/067GK104466636SQ201410714267
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月30日
【發(fā)明者】馮洲明, 徐善輝, 張遠(yuǎn)飛, 楊中民, 張勤遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)