基于微凹槽光纤的窄线宽激光输出方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微凹槽光纤的窄线宽激光输出方法。本发明专利技术以光纤光栅作为波长选择器件，以掺铒光纤作为增益介质，采用微凹槽光纤实现激光的线宽压缩，实现了窄线宽激光输出。本发明专利技术结构简单、成本低廉，可应用于分布式光纤振动传感、气体检测、环境监测、科学研究等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光
，特别涉及了一种基于微凹槽光纤的窄线宽激光输出方法。
技术介绍
窄线宽单纵模激光具有超长相干长度和极低相位噪声的优点，在光纤传感、光纤通信、激光雷达、分布式石油管道检测等领域具有广阔的应用前景。目前实现光纤激光器单频窄线宽输出的方式主要包括：1、基于分布式反馈光纤布拉格光栅的短腔法。该方法的优点是激光器结构紧凑，激光波长稳定；其缺点是需要高掺杂的光纤作为增益介质，分布式反馈光纤布拉格光栅制作工艺复杂，输出的激光功率非常小。2、基于带有饱和吸收体的环形腔法。该方法采用饱和吸收体内形成的长距光纤布拉格光栅实现激光选模，能够实现较大功率的窄线宽激光输出，但是受限于饱和吸收体和激光器腔长的稳定性，输出激光存在跳模的缺点。3、基于布里渊散射的窄线宽光纤激光器，该方法的优点是激光器阈值和强度噪声低。但是光纤中布里渊增益带宽较宽(20MHZ左右)，若光纤太长，布里渊增益谱范围(20MHZ)内存在多个激光模式，会形成随机跳模现象，而无法实现稳定的单频运转。所以受光纤长度限制，谐振腔内不容易形成增益积累，信号较弱。理论已经证明，瑞利散射是一种有效的线宽压缩机制，如果能利用瑞利散射实现激光线宽压缩，窄线宽激光器的结构将得到简化。但光与物质的相互作用所形成的散射除了瑞利散射，还有布里渊散射和拉曼散射；其中拉曼散射只有在高功率泵浦源的情况下才会产生，可以通过调节泵浦源参数来避免产生拉曼散射；而布里渊散射情况比较复杂，通常情况下，布里渊散射和瑞利散射几乎同时存在，并且普通光纤对布里渊散射的增益系数比瑞利散射增益系数高几个数量级，而布里渊散射对线宽压缩具有负面影响，因此有效抑制布里渊散射，实现瑞利增益累积对利用瑞利散射实现激光线宽压缩具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种基于微凹槽光纤实现窄线宽激光输出的方法。所述微凹槽光纤由普通单模光纤经飞秒激光微加工制作而成，用飞秒激光在单模光纤表面刻写两个深6～7微米的对称凹槽，通过多次刻写操作，在普通单模光纤上形成多对微凹槽区。所述微凹槽光纤接入激光器中，使激光器的谐振腔长度等于或大于100m，普通单模光纤上的多个微凹槽区可有效抑制布里渊散射，满足瑞利散射大量累积，实现激光线宽压缩效果。基本原理为:光纤的数值孔径是一个有限的值，普通单模光纤允许多模声波的传导；由于光可以被非零角度的声波所散射，若角度足够小，则散射光仍然能在普通单模光纤当中传播；在普通单模光纤中，光场的横向梯度远大于纵向梯度，而横向声波对受激布里渊起着至关重要的作用，本专利技术的微凹槽光纤结构可以起到如下作用：1)扩大光纤中光的模场分布，减小光场的横向梯度，间接地抑制光纤中的横向声波；2)使光纤形成变截面结构，破坏横向声波的传导条件；3)分布于普通单模光纤上的多个微凹槽区可以避免受激布里渊增益的累积效应。采用本专利技术微凹槽光纤构成激光器谐振腔，可避免采用布里渊增益原理的激光器因存在随机跳模现象而导致的单频运转不稳定问题，同时消除了对谐振腔长度的限制，使谐振腔可达到百米量级，有效实现瑞利增益累积，提高信号强度。为了使光在微凹槽光纤中的传输损耗和对布里渊增益的抑制效果取得较佳的平衡，微凹槽光纤的参数设置为：单个凹槽区的轴向长度在1.8～2cm范围，相邻两个微凹槽区的轴向中心间隔4.5～6m，微凹槽区的最小直径和普通单模光纤的外径数值比为在24:25～18:25之间。窄线宽激光输出方法包括以下步骤：步骤(1)制作微凹槽光纤，具体是用飞秒激光在单模光纤表面刻写两个深6～7微米的对称凹槽，通过多次刻写操作，在单模光纤上形成多对微凹槽区；所述微凹槽光纤接入激光器中，使激光器的谐振腔长度等于或大于100m。步骤(2)选择一个输出功率大于100mW的980nm泵浦激光器，一个实现980nm激光和1.5微米激光耦合的波分复用器，一段长度2米至10米的掺铒光纤，一个三端口环形器，一段微凹槽光纤，一个可变光衰减器，一个中心波长为λ0的光纤布拉格光栅，一个1*2耦合器。步骤(3)将980nm泵浦激光器的端口与波分复用器的第1端口光纤连接，波分复用器的第2端口与掺铒光纤的一端光纤连接；掺铒光纤的另一端与三端口环形器的第1端口光纤连接，三端口环形器的第2端口与微凹槽光纤的一端光纤连接，微凹槽光纤的另一端光纤与可变光衰减器连接，可变光衰减器另一端与中心波长为λ0的光纤布拉格光栅的一端光纤连接；三端口环形器的第3端口与1*2端耦合器的输入端光纤连接，1*2端耦合器的第一输出端波与分复用器的第3端口光纤连接，1*2端耦合器的第2输出端作为窄线宽激光的输出端。步骤(4)开启980nm泵浦激光器，输出的980nm激光通过波分复用器进入掺铒光纤，掺铒光纤吸收980nm激光，从而提供一个宽带光源；宽带光源通过三端口环形器注入微凹槽光纤、可变光衰减器和中心波长为λ0的光纤布拉格光栅，三端口环形器的第3端口与1*2端耦合器、波分复用器的第3端口形成完整的环形激光腔。中心波长为λ0的光纤布拉格光栅和可变光衰减器为微凹槽光纤提供一个非常微弱的种子光，中心波长为λ0的光纤布拉格光栅也是波长选择元件，可变光衰减器对种子光的强度进行控制，以免窄线宽的后向瑞利散射信号被淹没掉，从而增加后向散射产生的概率，窄线宽的瑞利散射光在环形腔中循环，最终形成激光震荡，向外输出窄线宽、高强度的激光信号。本专利技术的有益技术效果是：在保证激光器单频运转的同时，可有效地实现瑞利增益累积，提高输出信号强度，不必进行额外的线宽压缩，结构简单，易于实现，是一种新型的窄线宽光源。附图说明图1a为本专利技术的结构示意图；图1b为微凹槽光纤的结构示意图；图2为本专利技术实施例中输出窄线宽激光的光谱图。具体实施方式如图1a和图1b所示，本实施例包括一个980nm泵浦激光器1、一个波分复用器2、一段长度2米至10米的掺铒光纤3、一个三端口环形器4、一段微凹槽光纤5、一个可变光衰减器6、一个中心波长为1548.839nm的光纤布拉格光栅7、一个1*2耦合器8；具体实现窄线宽激光输出的方法包括以下步骤：(1)选择用于实现超窄线宽光纤激光器的微凹槽光纤5，所述微凹槽光纤由普通单模光纤9经飞秒激光微加工制作而成，用飞秒激光在单模光纤表面刻写两个深6～7微米的对称凹槽5-1，通过多次刻写操作，在普通单模光纤上形成20～22对微凹槽区。本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于微凹槽光纤的窄线宽激光输出方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤(1)制作微凹槽光纤，具体是用飞秒激光在单模光纤表面刻写两个深6～7微米的对称凹槽，通过多次刻写操作，在单模光纤上形成多对微凹槽区；所述微凹槽光纤接入激光器中，使激光器的谐振腔长度等于或大于100m；步骤(2)选择一个输出功率大于100mW的980nm泵浦激光器，一个实现980nm激光和1.5微米激光耦合的波分复用器，一段长度2米至10米的掺铒光纤，一个三端口环形器，一段微凹槽光纤，一个可变光衰减器，一个中心波长为λ0的光纤布拉格光栅，一个1*2耦合器；步骤(3)将泵浦激光器的端口与波分复用器的第1端口光纤连接，波分复用器的第2端口与掺铒光纤的一端光纤连接；掺铒光纤的另一端与三端口环形器的第1端口光纤连接，三端口环形器的第2端口与微凹槽光纤的一端光纤连接，微凹槽光纤的另一端光纤与可变光衰减器连接，可变光衰减器另一端与中心波长为λ0的光纤布拉格光栅的一端光纤连接；三端口环形器的第3端口与1*2端耦合器的输入端光纤连接，1*2端耦合器的第一输出端波与分复用器的第3端口光纤连接，1*2端耦合器的第2输出端作为窄线宽激光的输出端；步骤(4)开启980nm泵浦激光器，输出的980nm激光通过波分复用器进入掺铒光纤，掺铒光纤吸收980nm激光，从而提供一个宽带光源；宽带光源通过三端口环形器注入微凹槽光纤、可变光衰减器和中心波长为λ0的光纤布拉格光栅，三端口环形器的第3端口与1*2端耦合器、波分复用器的第3端口形成完整的环形激光腔；中心波长为λ0的光纤布拉格光栅和可变光衰减器为微凹槽光纤提供一个种子光，中心波长为λ0的光纤布拉格光栅也是波长选择元件，可变光衰减器对种子光的强度进行控制，以免窄线宽的后向瑞利散射信号被淹没掉，从而增加后向散射产生的概率，窄线宽的瑞利散射光在环形腔中循环，最终形成激光震荡，向外输出窄线宽、高强度的激光信号。...

【技术特征摘要】
1.基于微凹槽光纤的窄线宽激光输出方法，其特征在于该方法包括如下步
骤：
步骤(1)制作微凹槽光纤，具体是用飞秒激光在单模光纤表面刻写两个深
6～7微米的对称凹槽，通过多次刻写操作，在单模光纤上形成多对微凹槽区；所
述微凹槽光纤接入激光器中，使激光器的谐振腔长度等于或大于100m；
步骤(2)选择一个输出功率大于100mW的980nm泵浦激光器，一个实现
980nm激光和1.5微米激光耦合的波分复用器，一段长度2米至10米的掺铒光
纤，一个三端口环形器，一段微凹槽光纤，一个可变光衰减器，一个中心波长
为λ0的光纤布拉格光栅，一个1*2耦合器；
步骤(3)将泵浦激光器的端口与波分复用器的第1端口光纤连接，波分复用
器的第2端口与掺铒光纤的一端光纤连接；掺铒光纤的另一端与三端口环形器
的第1端口光纤连接，三端口环形器的第2端口与微凹槽光纤的一端光纤连接，
微凹槽光纤的另一端光纤与可变光衰减器连接，可变光衰减器另一端与中心波
长为λ0的光纤布拉格光栅的一端光纤连接；三端口环形器的第3端口与1*2端
耦合器的输入端光纤连接，1*2端耦合器的第一输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈达如，王晓亮，李海涛，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33