CN1349291A - 光纤环形调q激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤激光器。它由半导体激光器与有源光纤、波分复用器、偏振控制器、光纤隔离器及调节单元连接,组成一个全光纤的环形激光器。其创新之处在于所述的调节单元仅由滤波器和压电陶瓷组成,其中滤波器为马赫－曾得干涉仪或光纤光栅F－P,利用其上所连接的压电陶瓷同时进行调Q、调谐及滤波。本发明的能量损耗小,结构紧凑、简单,操作简便,在光纤通信、光纤传感与光纤陀螺中有很强的应用优势。
Description
本发明涉及一种激光器，具体涉及到光纤激光器。
光纤激光器是一种新型的激光器，与已有的气体或固体激光器相比，具有体积小、重量轻、不易损坏等特点，目前已得到较广泛的应用。在光纤激光器的许多应用过程中，其性能参数取决于以下两点：①调Q技术；②滤波和波长调谐技术。目前的光纤激光器中一般采用体声光调制器或电光调制器等调Q元件实现光纤激光器的调Q，并依赖于另外的滤波器(如光纤光栅滤波器、双锥度滤波器等)来实现滤波和波长调谐。其基本结构是由这些体材料的调Q元件、滤波器与有源光纤及相应的反馈系统共同组成光纤激光器。这类光纤激光器存在两大缺点：一是体材料的调Q元件在与光纤耦合时产生很大的能量损耗；二是结构较复杂(见：Russell Wilcox andDonald Browing，“Tunable gratings stabilize fiber ring laser”，Laser FocusWorld，1996年10月，p27-28)。
也有人提出基于光纤非线性的全光纤调Q系统，但它需要很强的泵浦功率，才能实现光纤的非线性过程，同时，其滤波和波长调谐也要借助于另外的滤波器(见：F.Chandonnet and G.Larose，“High power Q-switchederbium fibre laser using an fibre intensity modulator”，Optical Engineering，1993年，32(9)，p 2031-2035)。
本发明的目的在于提供一种采用同一元件既能进行调Q、又能进行调谐及滤波的全光纤环形激光器，使结构简单，操作方便。
本发明通过以下方式来实现：由半导体激光器与有源光纤、波分复用器、偏振控制器、光纤隔离器及调节单元连接，组成环形光纤激光器。其创新之处在于所述的调节单元仅由滤波器和压电陶瓷组成，其中滤波器为由耦合器构成的马赫-曾得干涉仪或由光纤光栅构成的法布里-珀珞标准具，利用滤波器上所连接的压电陶瓷同时进行调Q、调谐及滤波。
在以上方案中，马赫-曾得干涉仪的数量可以为多个，即由至少两个马赫-曾得干涉仪串接而成，它们之间的光程差的比值为整数倍。
本发明是基于对某些滤波器的功能上的新发现而产生的。对于由耦合器构成的马赫-曾得干涉仪而言，当其某一臂所绕接的压电陶瓷上所施加的调节电压位于某些数值时，激光器不工作，相当于系统处于“关闭”状态，而当调节电压位于另一些数值时，则激光器工作，相当于系统处于“开启”状态。利用马赫-曾得干涉仪的这一特性，当对压电陶瓷施加一合适的梳状脉冲电压时，则系统便工作在不断进行“开”、“关”转换的状态下，即可实现调Q。对于由光纤光栅构成的法布里-珀珞标准具(以下简称光纤光栅F-P)而言，只要调节其中一个光栅的周期，使两光栅的布拉格反射峰不重叠时，则激光器不工作，系统处于“关闭”状态，当两光栅的布拉格反射峰重叠时，则激光器工作，即系统处于“开启”状态。利用光纤光栅F-P的这一特性，当对其中一个光栅上所连接的压电陶瓷施加一合适的梳状脉冲电压，则可使激光器调Q。
本发明的关键就在于利用上述特性，将光纤激光器的调Q、滤波和波长调谐采用同一元件来完成，使整个系统实现全光纤化：即利用半导体激光器LD、有源光纤(即增益光纤)AF、波分复用器WDM、偏振控制器PC、光纤隔离器I和调节单元共同组成一全光纤的单向环形腔。其中有源光纤可以是稀土掺杂光纤，染料掺杂光纤或其它具有相应能级结构的掺杂光纤，有源光纤的长度选取则根据掺杂浓度而定，可以从几个厘米到几米长；其余光纤均可为对工作波长单模的单模光纤；环形腔的总长度可根据需要任意选取，腔长较短则稳定性较好。半导体激光器的波长根据有源光纤中的工作物质特性而选择，主要有650nm、780nm、800nm、915nm、980nm、1480nm等。波分复用器对工作波长和泵浦波长的隔离比均要求在18dB以上。对光纤隔离器I则要求其插入损耗小于0.3dB，隔离度大于30dB，回波损耗大于50dB；滤波器(马赫-曾得干涉仪和光纤光栅F-P)的带宽要求小于1.0nm；压电陶瓷可根据具体要求选择频率响应特性。
本发明的具体结构为：将半导体激光器LD的尾纤与波分复用器WDM的一个输入端熔接，波分复用器WDM的一个输出端与有源光纤AF的一端熔接，有源光纤AF的另一端与调节单元的输入端熔接，调节单元的输出端与光纤隔离器I的一端相熔接，光纤隔离器I的另一端与波分复用器WDM的另一输入端熔接，共同组成单向的全光纤环形腔，偏振控制器PC可加在环形腔中的任意环节，例如波分复用器与有源光纤之间，或调节单元与光纤隔离器之间。所述的调节单元由滤波器和压电陶瓷组成：当滤波器为由熔拉式耦合器C构成的马赫-曾得干涉仪时，有源光纤的另一端与两臂均带有压电陶瓷P的马赫-曾得干涉仪中的一个耦合器C2的一个输入端熔接，另一个耦合器C1的一个输出端与光纤隔离器的一端相熔接；当滤波器为光纤光栅F-P时，有源光纤的另一端与一个光纤光栅G2的输入端熔接，另一个光纤光栅G1的输出端与光纤隔离器的一端相熔接，G2或G1上带有压电陶瓷。
本发明的工作过程为：半导体激光器发出的光波，通过波分复用器，几乎无损耗地耦合进有源光纤，泵浦工作物质，产生粒子数反转，当满足阈值条件和谐振条件时便产生激光；光纤隔离器的作用是抑制激光的双向振荡，避免因双向振荡而产生的模式竞争及空间烧孔现象；通过马赫-曾得干涉仪或光纤光栅F-P同时实现激光器的调Q、调谐及滤波工作。马赫-曾得干涉仪完成上述工作时，首先是通过马赫-曾得干涉仪本身的滤波作用压窄激光谱线的线宽；再利用其臂上所绕接的压电陶瓷调节光程差以实现波长调谐；然后对某一臂的压电陶瓷施加一梳状脉冲电压，以实现调Q。光纤光栅F-P完成上述工作时，首先亦是通过其本身的窄带滤波特性进行滤波；再通过调节光栅周期来调谐工作波长，然后对其中一个光栅上所连接的压电陶瓷施加一梳状脉冲电压以改变该光栅的周期，从而实现调Q。
当采用多个马赫-曾得干涉仪串接在一起、并使它们之间的光程差的比值为整数倍时，其滤波效果和调Q效果可以更好。马赫-曾得干涉仪的数量可以是两个、三个或更多。
本发明的优点是：(1)系统中无任何分立元件，是一个全光纤的谐振腔，能量损耗小，激光工作阈值低，尤其是对四能级系统更是如此；(2)激光器中只用一个调节元件同时进行滤波、调谐和调Q，结构紧凑、简单，操作简便；(3)由于整个环形腔由全光纤组成，激光器的体积小、重量轻，可以做成全固化、微型化器件，在光纤通信、光纤传感与光纤陀螺中有很强的应用优势；(4)系统工作稳定，抗环境扰动和温度场影响的能力强，实用中可将其埋在一紫铜中，并用导热胶固定。
附图1.采用马赫-曾得干涉仪作调节元件的结构示意图。
附图2.采用光纤光栅F-P作调节元件的结构示意图，
附图3.采用多个马赫-曾得干涉仪时的结构示意图。
在实施例中，半导体激光器LD取泵浦波长980nm，有源光纤AF采用截止波长为920nm的稀土掺杂光纤(如掺Yb光纤YDF-B)作为工作物质，长度为2m，单模光纤为外径125μm的标准光纤，波分复用器WDM为980nm/1053nm，隔离比20dB，偏振控制器PC1，PC2是用光纤绕在半径为1.5cm的两个铜环上制成的，可连续调节其环面。隔离器I为铽镓石榴石晶体做成的，其工作波长在0.5～1.064nm之间，马赫-曾得干涉仪的数量可为三个，分别由耦合器C1与C2、C3与C4、C5与C6组成，均采用3dB耦合器(即耦合比为50∶50)，它们之间的光程差的比值取Δ11∶Δ12∶Δ13＝1∶2∶4，马赫-曾得干涉仪的带宽为0.8nm，干涉仪的每一臂均有压电陶瓷管，压电陶瓷P1、P2、P3、P4、P5、P6均采用P2T—5A；当采用光纤光栅F-P时，两光栅G1、G2均选择其布拉格反射波长为1053nm、反射率为99.9％、带宽为0.1nm，G1、G2之间的间距为1.2cm，G2与压电陶瓷相接，腔内采用两个WDM，其中WDM1用于泵浦光的耦合输入，WDM2用于激光的输出。压电陶瓷上所施加的梳状脉冲峰-峰值电压为18V，环形腔的总长度5.4m。
Claims (4)
1.一种光纤环形调Q激光器，由半导体激光器与有源光纤、波分复用器、偏振控制器、光纤隔离器及调节单元连接而成，其特征在于所述的调节单元仅由滤波器和压电陶瓷组成。
2.如权利要求1所述的光纤环形调Q激光器，其特征在于所述的滤波器为由耦合器构成的马赫-曾得干涉仪。
3.如权利要求1所述的光纤环形调Q激光器，其特征在于所述的滤波器为由光纤光栅构成的法布里-珀珞标准具。
4.如权利要求2所述的光纤环形调Q激光器，其特征在于所述的马赫-曾得干涉仪的数量为至少两个，它们之间的光程差的比值为整数倍。
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