專利名稱：具有更寬波長覆蓋范圍的窄帶高功率光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用短光纖并抑制受激布里淵散射(StimulatedBrilouin Scattering)而獲得用于高功率窄帶光纖激光器的光纖諧振腔的方法。
此外，本發(fā)明涉及將上述的諧振器方案應(yīng)用于載氫拉曼光纖激光器(hydrogen-loaded Raman fibre laser)，從而增大在更寬的波長范圍上產(chǎn)生激光的可能性。用氫作為光纖拉曼介質(zhì)使給定的激光泵浦(laserpump)具有最寬的波長覆蓋范圍。
本發(fā)明還涉及用一個或多個泵浦產(chǎn)生多波長光纖激光。
背景技術(shù)：
目前，對于感興趣的功率范圍，窄帶固體激光器只能用于非常稀疏的離散波長。由于量子特性，二極管激光器只能在很窄的頻譜窗中產(chǎn)生發(fā)射譜線。
通常獲得二極管激光器無法直接得到的激光波長的方法是利用二極管激光器作為泵浦來照射激光介質(zhì)。激光介質(zhì)的吸收和熒光光譜發(fā)生波長偏移，從而泵浦能量被吸收，并受激發(fā)出不同的波長，這由諧振腔或光纖激光放大器中的種子激光器(seed laser)確定。如果激光介質(zhì)處于諧振腔中，則這個過程的效率可以大大提高，達到30％-40％的水平。
激光放大器晶體材料(塊狀或作為光纖芯線中的摻雜物)能擴大功率激光器的波長覆蓋范圍，但還是和激光元素的原子躍遷相關(guān)的稀疏離散的波長，這些激光元素通常是主介質(zhì)中的稀土離子。
近幾年，已經(jīng)使用波導(dǎo)(單模)光纖芯線作為激光材料的基質(zhì)材料。使用光纖波導(dǎo)有很多優(yōu)點，包括泵浦功率的高度集中。例如，在5微米光纖芯線中，1W的泵浦功率連續(xù)波(CW)相當(dāng)于5MW/cm的密度。
如此的高度集中使得能夠非常有效地利用光纖中的非線性效應(yīng)，例如受激拉曼效應(yīng)，據(jù)報告轉(zhuǎn)換效率的范圍在40％-80％之間。在拉曼效應(yīng)中，泵浦激光光子的功率轉(zhuǎn)移到了激光材料的原子或分子的振動帶上。相比于普通的激光介質(zhì)(在nm的范圍內(nèi))，振動帶的吸收光譜非常寬。從泵浦光子上減去激發(fā)振動帶而損失的能量，使得波長發(fā)生紅移。如果拉曼激光介質(zhì)是插入在自由空間諧振腔中的拉曼晶體，則發(fā)射的激光線的帶寬由諧振腔的性質(zhì)決定，并且在原理上線寬沒有限制。然而，由于拉曼晶體中的熱效應(yīng)，以及其它原因，限制了實現(xiàn)高激光功率，但這并不是光纖中的限制。近幾年，硅化鍺(純的或者摻雜的芯線)拉曼光纖已經(jīng)得到發(fā)展，寬線光纖拉曼放大器也已經(jīng)在市場上出現(xiàn)了，其功率在近紅外區(qū)中能達到幾十瓦CW。已經(jīng)在自由空間高壓(100巴)精密諧振腔中利用氫作為拉曼介質(zhì)。
拉曼光纖激光器的根本問題在于到目前為止他們無法產(chǎn)生高功率的窄線寬激光。這對于功率激光器的商業(yè)應(yīng)用是一個主要限制。寬帶泵浦二極管激光器不成問題，但到本發(fā)明為止這對于窄線寬諧振器是一個問題。
伴隨光纖波導(dǎo)中的窄激光線寬，一種相對的非線性效應(yīng)，受激布里淵散射(SBS)，從激光光子中吸取能量，在玻璃中產(chǎn)生光子或者駐聲波。這種駐波產(chǎn)生了密度光柵，它能在光纖中非常有效地反射回多達80％的激光能量。調(diào)節(jié)波導(dǎo)中的受激拉曼散射和受激布里淵散射的非線性過程的參數(shù)是相似的有效模場直徑光纖長度和線寬。光纖諧振器來回地傳送激光輻射，與諧振腔的精密程度成正比地提高功率密度。能量密度的提高增加了拉曼和布里淵過程的效率。激光線寬變窄后，受激布里淵散射過程就會變得非常有效，通常比拉曼過程有效100倍，從而高功率窄線寬的常規(guī)光纖激光器變得不實際。這是一些設(shè)計失敗的主要原因。
另一方面，如果能基于寬波長覆蓋范圍的拉曼介質(zhì)制造窄線寬固態(tài)光纖拉曼激光器的話，即使利用現(xiàn)有的二極管激光泵浦也能覆蓋幾乎全帶寬范圍。
注意，拉曼和布里淵非線性效應(yīng)的不同之處還在于它們對激光光子產(chǎn)生的波長偏移。在本發(fā)明的光纖諧振激光器中利用了這點，以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的窄線寬高功率激光。
可以通過寫入(例如)布拉格光柵(Bragg grating)而制造光纖激光腔。它們寫在光纖芯線玻璃上，并且可以制造極高精密的諧振腔，線寬減小至10KHz?？梢酝ㄟ^機械或熱的方式，在諧振器的末端拉伸布拉格光柵的周期，從而實現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)?？梢园阉欧刂奇i定至波長基準，以穩(wěn)定輸出頻率。
為了改善光纖布拉格光柵的生產(chǎn)，通過擴散工藝向光纖里面加載氫。為了使所附的權(quán)利要求更加清楚，我們注意到玻璃中的氫分子的行為好像處于高壓之下，這大大擴大了拉曼型面(Raman profile)。
根據(jù)歐洲專利申請EP0784217A1，公布了一種發(fā)射1.24μm和1.48μm波長的拉曼光纖激光器，以及提高拉曼散射中輻射轉(zhuǎn)換效率的裝置。發(fā)射1.24μm波長的激光器包括泵浦源，光纖光導(dǎo)，其含有1％-30％摩爾百分比的P2O5，光纖光導(dǎo)的一些部分含有11％-39％摩爾百分比的GeO2；以及布拉格光柵。泵浦側(cè)的光柵構(gòu)成了用于第一斯托克斯(Stokes)分量的光學(xué)諧振器的一個空白分布反射器。第二個光柵形成了同一諧振器的輸出分布反射器。第一斯托克斯分量來源于輸出。在發(fā)射波長為1.48μm拉曼光纖激光器中得到了第二斯托克斯分量。把通過了光纖光導(dǎo)的保護聚合覆層的波長為270至390nm的激光輻射引導(dǎo)到一部分光纖光導(dǎo)上，可以實現(xiàn)其折射率的改變。
EP0784217A1里描述的拉曼光纖激光器的主要缺點是過寬的線寬，有限的波長覆蓋范圍，它被限制為兩個不連續(xù)的波長。此外，第二和第六斯托克斯分量的增益相對比較低，因為高階拉曼散射的低效率導(dǎo)致從激光中提取的能量低。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種相對高功率和窄線寬的光纖激光器，擴大可見和近紅外光譜區(qū)域中的波長覆蓋范圍。
本發(fā)明的進一步目的是增大拉曼光纖激光器可得到的激光光譜區(qū)域的寬度，并實現(xiàn)多線激光輸出。
另外，本發(fā)明還有一個目的是提高受激拉曼散射的增益，以得到摻雜光纖的更高激光功率。
通過權(quán)利要求1和權(quán)利要求8所述的光纖激光器，實現(xiàn)了這些目的。在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的光纖激光器的其它進步。
本發(fā)明的光纖激光器包括摻有分子氫的光纖光導(dǎo)，以及至少兩個用于實現(xiàn)激光泵浦和預(yù)期激光波長的振諧器，振諧器各包含兩個可獨立調(diào)節(jié)的布拉格光柵。通過增強受激拉曼散射(SRS)并抑制受激布里淵散射(SBS)，可以實現(xiàn)具有在光譜的可見和近紅外區(qū)域中具有幾乎完整的波長覆蓋范圍的高能窄帶拉曼功率激光器。
本發(fā)明的單波長光纖激光部分可應(yīng)用于，例如，光譜學(xué)、精密選擇性外科手術(shù)、用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的激光引導(dǎo)星(Laser Guide Star)和激光雷達系統(tǒng)。


通過以下的附圖，可以更容易地理解本發(fā)明。
圖1顯示了本發(fā)明的一階斯托克斯拉曼光纖激光器覆蓋的可能波長區(qū)域；圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的拉曼光纖激光器的第一實施例；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的拉曼光纖激光器的第二實施例；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的拉曼光纖激光器的第三實施例。
具體實施例方式
圖1顯示了可視光和近紅外區(qū)的光譜以及根據(jù)本發(fā)明的氫拉曼光纖激光器的波長覆蓋范圍。波長的單位為nm。
該圖的上半部分顯示了適于泵浦本發(fā)明的拉曼光纖激光器的最普通的二極管泵浦激光的譜線。每一條譜線都屬于不同的泵浦源。包括倍頻，泵浦的波長覆蓋范圍在400nm到1700nm之間。
該圖的下半部分顯示了本發(fā)明的摻有高壓分子氫的載氫一階斯托克斯拉曼激光器的相應(yīng)紅移和加寬的譜線。每一個輸出波長段對應(yīng)于一個上述的泵浦源。泵浦源的設(shè)置并不局限于上面所給的例子，通過適當(dāng)?shù)谋闷?，可以覆蓋整個的波長范圍。
輸出的譜線的加寬和紅移是在與光纖光導(dǎo)中摻雜的分子氫相互作用時由拉曼效應(yīng)而產(chǎn)生的。例如，可以通過在100巴以上的壓力下，在H2氣氛中通過擴散工藝把氫加入到光纖中。通過金屬或碳層形成的光纖外覆層，氫分子可以永久地保持在光纖中。另一方面，光纖可以保持在適當(dāng)小的氫氣室中，光纖的端部密封在該室里。
圖2顯示了一個本發(fā)明的摻有H2的拉曼光纖激光器的第一實施例。這個拉曼光纖激光器包含倍頻泵浦激光器1，其以947.2nm的波長發(fā)射。泵浦源是基于二極管激光泵浦的釹晶體。隔離器2把一個波長473.6nm的光饋入到光纖波導(dǎo)3中。光纖波導(dǎo)3是單模光纖。該光纖的長度為10至100m的數(shù)量級，明顯短于傳統(tǒng)的拉曼光纖激光器的光纖，其通常為1000m或更長。
該拉曼光纖激光器進一步包含兩個諧振器4和5，各由第一布拉格光柵6和8和第二布拉格光柵7和9構(gòu)成，其中布拉格光柵6、7、8形成了光學(xué)諧振器4和5的高反射器(high reflector)，而布拉格光柵9則構(gòu)成了輸出耦合器。
在圖2所示的本發(fā)明的拉曼光纖激光器的第一實施例中，從輸出耦合器9中耦合出的預(yù)期波長是589.0nm的鈉D2線。
下面的表中示出了拉曼光纖激光器第一實施例的部分特征。

第二諧振器5具有輸出耦合器9和高反射器7，其與拉曼散射泵浦波長的第一斯托克斯分量的紅移增益產(chǎn)生諧振。根據(jù)本發(fā)明，布拉格光柵7和9對于拉曼散射光的第一斯托克斯分量是反射性的，對于布里淵散射分量是透射性的。這樣拉曼散射斯托克斯分量的波長被諧振并開始發(fā)射激光，而布里淵線則不發(fā)生諧振或者發(fā)射激光而離開諧振器。
這是本發(fā)明的窄帶高功率光纖諧振器的關(guān)鍵要素。沒有這個關(guān)鍵要素，受激布里淵散射增益將超過拉曼增益，例如，在熔融石英中將超過大約20％。利用根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的布拉格光柵，可以使受激拉曼散射增益超過受激布里淵散射增益，精度可達104。
在這個實施例中，載氫熔融石英在473.6nm處的拉曼增益常數(shù)為gR，0＝9.3×10-14m/w。對于偏振保留熔融石英光纖和窄帶泵浦光，589nm處的受激布里淵散射增益常數(shù)是gB，0＝5×10-11m/w。對于589nm處0.5GHz的線寬，受激布里淵散射增益常數(shù)減小了大約5％。這樣，gB，0/gR，0的比值約為100，受激布里淵散射占優(yōu)勢。拉曼斯托克斯1光子在光纖中的有效長度比布里淵光子要長，長的程度與精度成比例。這是因為布里淵光子不被布拉格光柵反射，這樣就不諧振。這使得可以回復(fù)到自然狀態(tài)，使得有效的拉曼增益比布里淵增益要大。這實現(xiàn)了光纖激光器的高功率窄帶操作。
可以使用波長計或者其它頻率檢測器來驅(qū)動伺服控制器以鎖定激光頻率，從而實現(xiàn)激光器的調(diào)諧和鎖定。這個伺服控制可以通過熱或機械的方式延長布拉格光柵的周期而起作用。注意這個方案是模塊化的，并且可以擴展到多波長激光器。
圖3顯示了本發(fā)明的拉曼光纖激光器的第二實施例。
第二實施例的目的是顯示對于預(yù)期的輸出功率水平，對于同一輸出頻率可以選擇不同的泵浦方案。
使用波長為792.0nm的紅外二極管激光泵浦源1作為泵浦。泵浦源的光通過隔離器2進入到單模光纖光導(dǎo)3。光纖可以設(shè)計為與第一實施例中所述的相同。
這個實施例包括2個交錯的諧振器4和5，各具有2個布拉格光柵6，8和7，9，其中與斯托克斯分量諧振的第二諧振器5的第一布拉格光柵7布置在泵浦諧振器4的第一布拉格光柵6和第二布拉格光柵8之間。
第二諧波振蕩器10由一階斯托克斯拉曼產(chǎn)生期望的589.0nm波長，利用一個二色分光鏡11使其在波長1178.0nm處諧振。為了處理激光束，在布拉格光柵8和第二諧波振蕩器10之間必須有模式匹配透鏡12。
圖4顯示了本發(fā)明的拉曼光纖激光器的第三個實施例。沒有使用摻氫單模光纖，而是使用了利用泵浦和一階斯托克斯波專用的布拉格光柵的紅外泵浦腔內(nèi)倍頻硅化鍺拉曼激光器。特別是，泵浦源1可以是一個摻鐿的發(fā)射波長為1113.7nm的光纖激光器。
該拉曼激光器的基本結(jié)構(gòu)和圖3中第二實施例中所描述的結(jié)構(gòu)類似。第三實施例的目的是為了顯示對于不同的泵浦波長范圍，本發(fā)明的和多種光纖摻雜物一起使用的布拉格光柵方案的通用性。
本發(fā)明不限于上面所述的實施例，而是，例如，可以應(yīng)用于構(gòu)成其它諧振器的更多的布拉格光柵組，以實現(xiàn)一個光纖輸出多線激光。
事實上只諧振一個波長的特征可以進一步擴展到在同一光纖中制成多波長激光諧振器。這是可行的，因為單模光纖諧振器實際上是無需對準的。用于不同波長的布拉格反射器可以寫在同一光纖的不同部分，未被反射的諧振波長在各個布拉格光柵處傳輸。諧振腔有一個外殼尺寸，并且可以通過熱或機械的方式拉伸布拉格光柵的周期，從而級聯(lián)地調(diào)節(jié)。必須采用在伺服控制理論中常用的模塊化全局控制算法。波長計或者頻率檢測器驅(qū)動伺服控制以鎖定激光頻率。
因為利用玻璃中的氫的拉曼增益非常廣，一個泵浦可以在拉曼增益型面中服務(wù)于幾個激光波長。也可以利用多泵浦方案來擴大發(fā)射譜線的范圍。
本發(fā)明的多線窄帶高功率光纖激光器一個很重要的應(yīng)用是在多線波譜學(xué)中，例如在DNA甄別中，同時需要有4個可視波長激光；或者在遠程通信中，高功率多重傳輸信道減小了發(fā)射機的復(fù)雜性；或者在大型顯示器產(chǎn)業(yè)中，需要RGB或等同的顏色。
權(quán)利要求
1.一種光纖激光器，包括具有激活介質(zhì)的光纖光導(dǎo)(3)，作為泵浦源(1)的激光器和構(gòu)成第一諧振器(4)的第一對布拉格光柵(6，8)，其特征在于所述的第一對布拉格光柵(6，8)使泵浦激光(1)諧振，并提供了第二對布拉格光柵(7，9)，其在光纖激光器的輸出波長處諧振。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于還提供了一對布拉格光柵，其在該光纖激光器的另一個輸出波長處諧振。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光纖激光器，其特征在于該光纖激光器利用拉曼效應(yīng)，所述的第二對和另一對布拉格光柵(7，9)構(gòu)成了選擇性諧振器(5)，其提取在光纖光導(dǎo)(3)的填充材料處散射的布里淵散射光子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖激光器，其特征在于所述的激活介質(zhì)是包含分子氫的雜質(zhì)摻雜物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項所述的光纖激光器，其特征在于由布拉格光柵對(6，8；7，9)構(gòu)成的各個諧振器(4，5)布置為，屬于各個諧振器(4，5)的光纖光導(dǎo)(3)的諧振腔可以相互獨立地調(diào)諧。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項所述的光纖激光器，其特征在于光纖光導(dǎo)(3)的長度在10到100米之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項所述的光纖激光器，其特征在于所述的光纖基于熔融石英。
8.一種拉曼光纖激光器，包括具有至少有一種雜質(zhì)摻雜物作為激活介質(zhì)的光纖光導(dǎo)(3)，作為泵浦源(1)的激光器，和構(gòu)成第一諧振器(4)的第一對布拉格光柵(6，8)，其特征在于光纖光導(dǎo)(3)含有分子氫作為雜質(zhì)摻雜物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的拉曼光纖激光器，其特征在于分子氫通過擴散從分子氫氣氛中加入到光纖光導(dǎo)(3)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的拉曼光纖激光器，其特征在于用于加載光纖光導(dǎo)的分子氫氣氛保持為≥100巴的壓強。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任何一項所述的拉曼光纖激光器，其特征在于光纖光導(dǎo)(3)被一層金屬或碳的外覆層密封。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的拉曼光纖激光器，其特征在于金屬覆層由鋁(AL)或者銅(Cu)或者金(Au)構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12中任何一項所述的拉曼光纖激光器，其特征在于由第一對布拉格光柵(6，8)構(gòu)成的第一諧振器(4)使泵浦激光(1)諧振。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的拉曼光纖激光器，其特征在于該拉曼光纖激光器包含第二對布拉格光柵(7，9)，其設(shè)計為選擇性反射的布拉格光柵，構(gòu)成了第二諧振器(5)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的拉曼光纖激光器，其特征在于選擇性諧振器(5)使在光纖光導(dǎo)中的氫分子處散射的拉曼散射光子諧振。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的拉曼光纖激光器，其特征在于構(gòu)成第二諧振器(5)的布拉格光柵(7，9)中的一個被設(shè)計成輸出耦合器(9)。
全文摘要
一種光纖激光器，包括具有激活介質(zhì)的光纖光導(dǎo)(3)，作為泵浦源(1)的激光器和構(gòu)成第一諧振器(4)的第一對布拉格光柵(6，8)。第一對布拉格光柵(6，8)使泵浦激光(1)諧振，并提供了第二對布拉格光柵(7，9)，其在光纖激光器的輸出波長處諧振。
文檔編號H01S3/067GK1528035SQ02806458
公開日2004年9月8日 申請日期2002年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月14日
發(fā)明者多梅尼科·博納奇尼, 沃爾夫?qū)す县惛? 岡 哈肯貝格, 多梅尼科 博納奇尼 申請人:歐洲南半球天文研究組織