本發(fā)明屬于光纖激光器技術領域，具體涉及一種基于光纖耦合型雙微腔選模的單縱模窄帶光纖激光器。

背景技術：

單縱模窄帶寬光纖激光器由于其閾值低、效率高、相干性好、輸出波長靈活、結構簡單等優(yōu)點,被廣泛用于光纖傳感和通信、激光雷達、高精度光譜測試等眾多前沿科學研究領域。目前，實現(xiàn)單縱模窄帶激光輸出主要通過線性短腔或者環(huán)形光纖諧振腔內(nèi)加入窄帶濾波器選模來實現(xiàn)。線性腔結構通常采用光纖光柵作為其反饋單元，主要包括分布式反饋(dfb)和分布式布拉格反射(dbr)兩種。2010年，上海光機所的孟莉等研究了短直腔磷酸鹽光纖激光器，激光器腔長1cm，輸出功率79mw，由于線性腔腔長較短，短腔結構的光纖激光器的激光功率相對較低,并且增益光纖長度受到限制，對光柵的制作具有較高的要求。環(huán)形光纖諧振腔實現(xiàn)單縱模窄帶激光輸出，需要在系統(tǒng)中加入可飽和吸收體、fp腔、光纖光柵等濾波器件。2005年，s.huang等人研究了一種光纖可飽和吸收體結合光纖環(huán)形鏡相的結構，線寬小于1.5khz，但是由于現(xiàn)有濾波器帶寬通常在ghz以上，限制了激光器線寬的進一步壓縮,并且仍然存在致跳模及頻率漂移等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

隨著人類探索領域的不斷擴展，相關應用對光纖激光器的單色性、穩(wěn)定性提出了更高的要求，如何在確保單縱模輸出的前提下，將激光器帶寬進一步壓縮，以獲得滿足光纖通信及傳感領域應用需求的、高度相干和高度穩(wěn)定的窄帶光纖激光器具有重要研究意義，是光纖激光器發(fā)展的重要方向。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提出了基于光纖耦合型雙微腔選模的單縱模窄帶光纖激光器，通過兩個微腔并聯(lián)構成雙微腔，利用錐形光纖耦合接入光纖激光器諧振腔進行選模，基于光纖耦合型雙微腔內(nèi)的窄帶回音壁模共振譜，實現(xiàn)單縱模窄帶光纖激光輸出。該光纖激光器具有單色性好、穩(wěn)定性高、結構緊湊等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種基于光纖耦合型雙微腔選模的單縱模窄帶光纖激光器，該激光器包括：半導體激光泵浦源、波分復用器、稀土摻雜光纖、光纖隔離器、n*n端口光纖耦合器、偏振控制器和光纖耦合型雙微腔，上述部件通過全光纖耦合的方式相連，其中，所述半導體激光泵浦源的輸出端與波分復用器輸入端相連，波分復用器的輸出端依次經(jīng)由隔離器、耦合器、偏振控制器、光纖耦合型雙微腔、光纖耦合器、稀土摻雜光纖與波分復用器相連，構成光纖諧振腔，光纖耦合器將環(huán)形光纖諧振腔主腔與n-1個光纖諧振子腔相連，光纖耦合型雙微腔通過錐形光纖與其中一個光纖諧振子腔耦合連接，整個激光器諧振腔內(nèi)通過多個光纖子腔級聯(lián)的方式產(chǎn)生游標效應，實現(xiàn)單縱模窄帶激光輸出。

進一步，上述光纖耦合型雙微腔的微腔形狀可以為環(huán)形、球形、盤形或者柱形，光經(jīng)錐形光纖一端進入雙微腔，以全反射的方式在微腔內(nèi)傳輸，形成窄帶回音壁模式共振，再從錐形光纖的另一端輸出連接至光纖諧振子腔。

上述光纖耦合型雙微腔的兩個微腔以并聯(lián)方式分別置于錐形光纖的兩側。

上述n為大于1的整數(shù)。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明采用光纖耦合型雙微腔實現(xiàn)選模，兩個微腔并聯(lián)后產(chǎn)生游標效應，相比于單個微腔，其獲得的回音壁模共振譜邊模抑制比更高、帶寬更窄、自由光譜范圍(fsr，freespectralrange)更大，單縱模窄帶激光選模能力更強。

2、采用多個光纖子腔和雙微腔并聯(lián)結構，進一步增加了整個激光器諧振腔模式選擇的精細度，壓縮了激光器帶寬、提高了激光器邊模抑制比和穩(wěn)定性。

3、采用全光纖腔結構，耦合損耗小，結構緊湊，輸出效率高，對外界環(huán)境抗干擾能力強。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于光纖耦合型雙微腔選模的單縱模窄帶光纖激光器結構示意圖。

圖2為光纖耦合型雙微腔結構和光場傳輸示意圖。

圖3為雙微球耦合實驗系統(tǒng)實物圖。

圖4為時域有限差分算法獲得的雙微球腔內(nèi)回音壁模光場分布圖。(a-單微球，b-雙微球)

圖5所示為時域有限差分算法獲得的單微球和雙微球回音壁模透射譜對比。

圖6所示為實驗測得的單微球和雙微球回音壁模透射譜對比。

圖7為基于光纖耦合型雙微腔、光纖耦合型單微腔、自由運轉的光纖激光器光譜實驗測試結果對比。

圖8為本發(fā)明不同幾何形狀的微腔示意圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

本發(fā)明是利用光纖耦合型雙微腔作為光纖激光器的窄帶選模單元。將雙微球并聯(lián)放置于錐形光纖的兩側，利用雙微腔并聯(lián)產(chǎn)生的游標效應，獲得邊模抑制比更高、帶寬更窄、自由光譜范圍更大，單縱模窄帶激光選模能力更強的回音壁模共振譜。將光纖耦合型雙微腔置于并聯(lián)的光纖諧振子腔內(nèi)，實現(xiàn)窄帶寬、高邊模抑制比、低噪聲、穩(wěn)定的光纖激光器。

下面就對本發(fā)明的具體技術方案進行簡要說明。

本發(fā)明的光纖激光器的基本結構如圖1所示，包括：1、半導體激光泵浦源，2、波分復用器，3、光隔離器，4、耦合器，5、偏振控制器，6、光纖耦合型雙微腔，7、n*n(n為大于1的整數(shù))端口光纖耦合器，8、稀土摻雜光纖。所有器件通過光纖耦合的方式首尾相連構成光纖諧振腔。

如圖2所示為光纖耦合型雙微腔的幾何截面和光場傳輸示意圖。其中：e1-耦合輸入光場強，e2-錐區(qū)上端回音壁模場強，e3-錐區(qū)下端回音壁模場強，e4-耦合輸出光場強。

如圖3所示為本發(fā)明采用的光纖耦合型雙微腔實物圖。圖中兩個微球直徑分別為198.445μm、198.344μm，將其置于錐形光纖兩側，實現(xiàn)光纖激光器腔內(nèi)的全光纖激光選模。

圖4(a)所示為基于時域有限差分算法獲得的單微球內(nèi)1557.25nm處回音壁模光場分布圖，圖中微球直徑為35μm，光纖直徑為1.4μm，微球-錐形光纖的間隔為0.1μm，圖4(b)所示為雙微球系統(tǒng)在1556.84nm處回音壁模光場分布圖，其中微球材料折射率，微球-錐形光纖的間隔等參數(shù)與圖4(a)一致。

圖5所示為時域有限差分算法仿真獲得圖4中的單微球和雙微球回音壁模透射譜對比。

光學諧振腔內(nèi)共振光譜的自由光譜范圍(自由光譜范圍(fsr))滿足公式：

f＝λ²c/(neff·l)

式中，neff為微球腔的有效折射率，λc為共振波長，l為光程傳輸一周的實際距離。對于兩個微腔并聯(lián)的雙微腔，由于不同微腔尺寸不同，其自由光譜范圍也不同，雙微腔總的自由光譜范圍f為：

f＝nf1＝(n+1)f2

式中，f1,f2分別為兩個微腔的自由光譜范圍(假設f1＞f2),n為正整數(shù)，于是可以得到

f＝f1f2/|f2-f1|

雙微腔并聯(lián)結構相比于單個微腔，其自由光譜范圍放大了f2/|f2-f1|倍，即產(chǎn)生游標效應，從而獲得較大的自由光譜范圍(自由光譜范圍(fsr))，更容易獲得單縱模窄帶激光輸出。

圖6所示為實驗測得的單微球和雙微球回音壁模透射譜對比(雙微球系統(tǒng)如圖三所示)，其中單微球直徑為198.445μm，雙微球直徑分別為198.445μm和198.344μm。由實驗測試可知，相比于單微球，采用雙微球并聯(lián)可以獲得帶寬更窄、邊模抑制比更高、自由光譜范圍(自由光譜范圍(fsr))更大的回音壁模式自由光譜范圍(自由光譜范圍(fsr))，與理論計算結果相符。

圖7所示基于光纖耦合型雙微腔、光纖耦合型單微腔、自由運轉等實現(xiàn)環(huán)形光纖激光器腔內(nèi)單頻選擇和壓縮帶寬的光譜測試圖。其中，利用光纖耦合型雙微腔做為激光器選模單元，3db輸出光譜帶寬小于0.01nm。該方法有效地提高了邊模抑制比，壓縮了激光器帶寬，提高了激光器輸出效率和穩(wěn)定性。

如圖8所示為幾種不同形狀的微腔，包括球形、環(huán)形、盤形或者柱形。

從以上描述中應當理解，雖然已經(jīng)說明和描述了特定實現(xiàn)，但可以對其作出并在此設想到各種修改。本發(fā)明也不旨在由說明書內(nèi)所提供的具體示例所限制。雖然已參考前述說明書描述了本發(fā)明，但本說明書對優(yōu)選實施方式的描述和說明不應以限制性的意義來解釋。此外，應當理解，本發(fā)明的所有方面均不限于以上所述的取決于多種條件和變量的具體描繪、配置或相對比例。對本發(fā)明實施方式的形式和細節(jié)上的各種修改對于本領域技術人員而言將會是顯而易見的。