本發(fā)明涉及光纖激光器領(lǐng)域，具體地說是一種基于重疊光纖光柵的半開腔多波長隨機(jī)光纖激光器。

背景技術(shù)：

隨機(jī)激光器不具有嚴(yán)格的光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)，其激光形成由隨機(jī)增益介質(zhì)中光波的多重分布散射放大。與傳統(tǒng)激光器相比，隨機(jī)激光器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如輻射方向與強(qiáng)度分布隨機(jī)、泵浦閾值低、單縱模輸出等特性。隨機(jī)光纖激光器（又稱隨機(jī)分布反饋光纖激光器）是近幾年剛被提出（2010年，由turitsyn等人在naturephotonics期刊發(fā)表論文報道）的一種新型光纖激光器，其也不具有標(biāo)準(zhǔn)的諧振腔，結(jié)構(gòu)簡單、輸出連續(xù)穩(wěn)定、相干距離長、容易實(shí)現(xiàn)寬帶連續(xù)調(diào)諧、成本低，且比傳統(tǒng)隨機(jī)激光器具有更好的方向性，有望在非線性光學(xué)、光纖傳感、光學(xué)測量、光通信、醫(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮極大的應(yīng)用價值。

可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)光纖激光器的結(jié)構(gòu)包括全開腔、半開腔和環(huán)形腔，且有研究表明：半開腔具有最低的激光閾值，原則上可以降為全開腔的一半。半開腔意思是采用光纖布拉格光柵（簡稱光纖光柵）作為諧振腔的一端腔鏡，而另一端采用長距離光纖中的瑞利散射進(jìn)行隨機(jī)分布反饋。通過窄帶光纖光柵的加入，不僅可以實(shí)現(xiàn)欲得到的任意波長，而且激光輸出線寬可以大大減小，提升隨機(jī)激光器的整體性能。由于隨機(jī)光纖激光器的提出是基于普通單模光纖中的受激拉曼增益放大效應(yīng)，隨后的研究大都集中在基于拉曼放大的隨機(jī)光纖激光器上，然而拉曼增益放大閾值普遍很高，基本上在w量級以上，故需要高功率泵浦激光器，使得成本較高。最近，基于受激布里淵散射放大效應(yīng)的隨機(jī)光纖激光器也被提出，其可以實(shí)現(xiàn)低噪聲、窄線寬、較高光信噪比的激光輸出，然而系統(tǒng)需要一臺光束質(zhì)量很好的布里淵泵浦激光器，同樣造成隨機(jī)光纖激光器造價的提升。稀土摻雜增益光纖具有增益高、帶寬大等優(yōu)點(diǎn)，且制作增益光纖放大器的技術(shù)成熟、制作成本低（例如，目前商用摻鉺光纖放大器（edfa）的價格已很低廉），如果用于制作隨機(jī)光纖激光器有望大幅度降低成本，而且可以大大縮短用于產(chǎn)生隨機(jī)反饋光纖的長度。另外，基于目前很成熟的半導(dǎo)體光放大技術(shù)，也有望利用同一波段的半導(dǎo)體光放大器（soa）實(shí)現(xiàn)低成本的隨機(jī)光纖激光器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種半開腔式可調(diào)諧多波長隨機(jī)光纖激光器，該激光器基于重疊光纖光柵而制成，可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、簡單、低成本的可調(diào)諧多波長隨機(jī)光纖激光輸出。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于重疊光纖光柵的半開腔多波長隨機(jī)光纖激光器，包括重疊光纖光柵、激光增益單元、分布反饋單模光纖、隔離器和重疊光纖光柵軸向應(yīng)變調(diào)節(jié)裝置；所述重疊光纖光柵通過光纖夾具或膠水固定在所述重疊光纖光柵軸向應(yīng)變調(diào)節(jié)裝置的上表面；

所述重疊光纖光柵的一端與所述激光增益單元的輸入端口相接，所述重疊光纖光柵的另一端閑置并制成斜8°角端面，所述激光增益單元的輸出端口與所述分布反饋單模光纖的一端連接，所述分布反饋單模光纖的另一端與所述隔離器的輸入端連接，所述隔離器的輸出端作為激光輸出端口；

所述重疊光纖光柵、所述激光增益單元、所述分布反饋單模光纖和所述隔離器之間的連接均為光纖熔接機(jī)熔接連接或光纖連接器連接（簡稱熔接連接或連接器連接）。

所述激光增益單元的其中一個設(shè)計(jì)方案為：激光增益單元包括稀土摻雜增益光纖、波分復(fù)用器和泵浦激光光源；所述稀土摻雜增益光纖的一端作為所述激光增益單元的輸入端口，所述稀土摻雜增益光纖的另一端與所述波分復(fù)用器的單光纖端口熔接連接或連接器連接，所述波分復(fù)用器的雙光纖端的信號光端口作為所述激光增益單元的輸出端口，所述波分復(fù)用器的雙光纖端的泵浦光端口與所述泵浦激光光源的輸出端熔接連接或連接器連接。

優(yōu)選的，所述稀土摻雜增益光纖為摻鉺增益光纖，所述泵浦激光光源為980nm半導(dǎo)體激光器。所述稀土摻雜增益光纖可以根據(jù)需要發(fā)射激光的波長值更換為摻鐿增益光纖、摻銩增益光纖或其他可能的稀土摻雜光纖；所述泵浦激光光源可以根據(jù)所述稀土摻雜增益光纖種類的不同更換為793nm半導(dǎo)體激光器或其他類型激光光源；所述稀土摻雜增益光纖的長度及特性參數(shù)需要通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定。

所述激光增益單元的另一設(shè)計(jì)方案為：激光增益單元包括第一三端口環(huán)形器、第一光放大器和第二三端口環(huán)形器；所述第一三端口環(huán)形器的第2端口作為所述激光增益單元的輸入端口，所述第一三端口環(huán)形器的第3端口與所述第二三端口環(huán)形器的第1端口熔接連接或連接器連接，所述第一三端口環(huán)形器的第1端口與所述第一光放大器的輸出端口熔接連接或連接器連接，所述第一光放大器的輸入端口與所述第二三端口環(huán)形器的第3端口熔接連接或連接器連接，所述第二三端口環(huán)形器的第2端口作為所述激光增益單元的輸出端口。

優(yōu)選的，所述第一光放大器為商用摻鉺光纖放大器或者半導(dǎo)體光放大器。所述第一光放大器可以根據(jù)需要發(fā)射激光的波長值更換為摻鐿光纖放大器、摻銩光纖放大器或其他可能的稀土摻雜光纖放大器或半導(dǎo)體光放大器。

所述激光增益單元的第三設(shè)計(jì)方案為：激光增益單元包括四端口環(huán)形器和第二光放大器；所述四端口環(huán)形器的第1端口作為所述激光增益單元的輸入端口，所述四端口環(huán)形器的第2端口作為所述激光增益單元的輸出端口，所述四端口環(huán)形器的第3端口與所述第二光放大器的輸入端口熔接連接或連接器連接，所述第二光放大器的輸出端口與所述四端口環(huán)形器的第4端口熔接連接或連接器連接。

所述第二光放大器同所述第一光放大器，可以為商用摻鉺光纖放大器或者半導(dǎo)體光放大器，也可以根據(jù)需要發(fā)射激光的波長值更換為摻鐿光纖放大器、摻銩光纖放大器或其他可能的稀土摻雜光纖放大器或半導(dǎo)體光放大器。

所述重疊光纖光柵可以為二重重疊光纖光柵，也可以為二重以上多重重疊光纖光柵，重疊的各個子光纖光柵的中心反射波長及各個子光纖光柵中心反射波長間隔根據(jù)欲實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)光纖激光器輸出需要設(shè)定；重疊光纖光柵的長度為2cm，也可以根據(jù)需要制成大于或小于2cm。

所述重疊光纖光柵軸向應(yīng)變調(diào)節(jié)裝置為應(yīng)力調(diào)節(jié)架手動調(diào)節(jié)裝置或壓電陶瓷控制的自動調(diào)節(jié)裝置。

所述分布反饋單模光纖的長度為2km，也可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的輸出激光特性而改變。

重疊光纖光柵是在同一光纖軸向位置寫入多個具有不同反射中心波長的光纖光柵，在光譜上各個光柵具有疊加效果，反射波長互不影響，在光纖激光器領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價值。將重疊光纖光柵用于隨機(jī)光纖激光器上，同時利用稀土摻雜光纖增益放大或者直接利用商用edfa或soa，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、低閾值、窄線寬的多波長隨機(jī)光纖激光輸出，加上對重疊光纖光柵進(jìn)行軸向應(yīng)變可實(shí)現(xiàn)激光的多波長可調(diào)諧，從而可大大拓展將來隨機(jī)光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域。

本發(fā)明所提供的半開腔式可調(diào)諧多波長隨機(jī)光纖激光器，可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、簡單、低成本的可調(diào)諧多波長隨機(jī)光纖激光輸出，在非線性光學(xué)、光纖傳感、光學(xué)測量、光通信、微波光子學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的基于重疊光纖光柵的半開腔多波長隨機(jī)光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中激光增益單元的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是圖1中激光增益單元的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是圖1中激光增益單元的第三種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中重疊光纖光柵的透射譜和反射譜的測量結(jié)果圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例1中基于重疊光纖光柵的半開腔雙波長隨機(jī)光纖激光器的光譜測量結(jié)果圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例1中基于重疊光纖光柵的半開腔雙波長隨機(jī)光纖激光器輸出功率隨泵浦功率變化關(guān)系測量結(jié)果圖。

圖中：101、重疊光纖光柵，102、激光增益單元，103、分布反饋單模光纖，104、隔離器，105、重疊光纖光柵軸向應(yīng)變調(diào)節(jié)裝置，201、稀土摻雜增益光纖，202、波分復(fù)用器，203、泵浦激光光源，301、第一三端口環(huán)形器，302、第一光放大器，303、第二三端口環(huán)形器，401、四端口環(huán)形器，402、第二光放大器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施方式。

如圖1所示，本發(fā)明所提供的基于重疊光纖光柵的半開腔多波長隨機(jī)光纖激光器包括重疊光纖光柵101、激光增益單元102、分布反饋單模光纖103（即分布反饋普通單模光纖）、隔離器104和重疊光纖光柵軸向應(yīng)變調(diào)節(jié)裝置105。重疊光纖光柵101、激光增益單元102、分布反饋單模光纖103和隔離器104按序依次連接；重疊光纖光柵軸向應(yīng)變調(diào)節(jié)裝置105用于對重疊光纖光柵101的軸向應(yīng)變力進(jìn)行調(diào)節(jié)，重疊光纖光柵101通過光纖夾具或膠水固定在重疊光纖光柵軸向應(yīng)變調(diào)節(jié)裝置105的上表面。

重疊光纖光柵101的一端（可稱為首端）與激光增益單元102的輸入端口p1相接，重疊光纖光柵101的另一端（可稱為尾端）閑置且光纖尾端制成斜8°角端面，以抑制端面反射，斜8°角端面制作使用光纖研磨機(jī)研磨或者高功率激光器切割制成。激光增益單元102的輸出端口p2與分布反饋單模光纖103的一端連接，分布反饋單模光纖103的另一端與隔離器104的輸入端連接，隔離器104的輸出端作為激光輸出端口。

重疊光纖光柵101與激光增益單元102之間、激光增益單元102與分布反饋單模光纖103之間、分布反饋單模光纖103與隔離器104之間均通過光纖熔接機(jī)熔接連接或通過光纖連接器連接（簡稱熔接連接或連接器連接）。

激光增益單元的其中一個設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括稀土摻雜增益光纖201、波分復(fù)用器202和泵浦激光光源203。稀土摻雜增益光纖201的一端作為激光增益單元的輸入端口p1，稀土摻雜增益光纖201的另一端與波分復(fù)用器202的單光纖端口熔接連接或連接器連接，波分復(fù)用器202的雙光纖端的信號光端口作為激光增益單元的輸出端口p2，波分復(fù)用器202的雙光纖端的泵浦光端口與泵浦激光光源203的輸出端熔接連接或連接器連接。

稀土摻雜增益光纖201例如可以為摻鉺增益光纖，泵浦激光光源203可以為980nm半導(dǎo)體激光器。稀土摻雜增益光纖201可以根據(jù)需要發(fā)射激光的波長值更換為摻鐿增益光纖、摻銩增益光纖或其他可能的稀土摻雜光纖。泵浦激光光源203可以根據(jù)稀土摻雜增益光纖201種類的不同更換為793nm半導(dǎo)體激光器或其他類型激光光源。稀土摻雜增益光纖201的長度及特性參數(shù)需要通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)確定。

激光增益單元的另一設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括第一三端口環(huán)形器301、第一光放大器302和第二三端口環(huán)形器303。第一三端口環(huán)形器301的第2端口作為激光增益單元的輸入端口p1，第一三端口環(huán)形器301的第3端口與第二三端口環(huán)形器303的第1端口熔接連接或連接器連接，第一三端口環(huán)形器301的第1端口與第一光放大器302的輸出端口熔接連接或連接器連接，第一光放大器302的輸入端口與第二三端口環(huán)形器303的第3端口熔接連接或連接器連接，第二三端口環(huán)形器303的第2端口作為激光增益單元的輸出端口p2。

第一光放大器302為稀土摻雜光纖放大器（例如商用高質(zhì)量的摻鉺光纖放大器）或半導(dǎo)體光放大器。第一光放大器302可以根據(jù)需要發(fā)射激光的波長值更換為摻鐿光纖放大器、摻銩光纖放大器、其他可能的稀土摻雜光纖放大器或半導(dǎo)體光放大器。

激光增益單元的第三種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括四端口環(huán)形器401和第二光放大器402。四端口環(huán)形器401的第1端口作為激光增益單元的輸入端口p1，四端口環(huán)形器401的第2端口作為激光增益單元的輸出端口p2，四端口環(huán)形器401的第3端口與第二光放大器402的輸入端口熔接連接或連接器連接，第二光放大器402的輸出端口與四端口環(huán)形器401的第4端口熔接連接或連接器連接。四端口環(huán)形器401的第4端口到第1端口為通光狀態(tài)。

第二光放大器402同第一光放大器302一樣，可以為稀土摻雜光纖放大器（例如商用高質(zhì)量摻鉺光纖放大器）或半導(dǎo)體光放大器，也可以根據(jù)需要發(fā)射激光的波長值更換為摻鐿光纖放大器、摻銩光纖放大器、其他可能的稀土摻雜光纖放大器或半導(dǎo)體光放大器。

重疊光纖光柵101可以為二重重疊光纖光柵，也可以為二重以上多重重疊光纖光柵，使用紫外光重復(fù)曝光的相位掩膜法刻寫在光敏光纖上，重疊的各個子光纖光柵的中心反射波長及各個子光纖光柵中心反射波長間隔根據(jù)欲實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)光纖激光器輸出需要設(shè)定，重疊光纖光柵101的長度為2cm，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要制成大于或小于2cm。

重疊光纖光柵軸向應(yīng)變調(diào)節(jié)裝置105為應(yīng)力調(diào)節(jié)架手動調(diào)節(jié)裝置或壓電陶瓷控制的自動調(diào)節(jié)裝置。使用應(yīng)力調(diào)節(jié)架手動調(diào)節(jié)裝置時，需要使用固定在應(yīng)力調(diào)節(jié)架上的光纖夾具將重疊光纖光柵101兩端夾緊后拉伸，以產(chǎn)生所需要的軸向應(yīng)變，但不能對其進(jìn)行壓縮。使用壓電陶瓷控制的自動調(diào)節(jié)裝置時，需要將重疊光纖光柵101軸向平行粘貼于條形壓電陶瓷或堆疊壓電陶瓷片長度方向表面，當(dāng)使用合適的電壓驅(qū)動條形壓電陶瓷或堆疊壓電陶瓷片時可以產(chǎn)生所需要的軸向應(yīng)變，且不但可以拉伸還可以壓縮重疊光纖光柵101。根據(jù)光纖光柵的特性，重疊光纖光柵101發(fā)生軸向應(yīng)變時，所有子光纖光柵的反射中心波長都會產(chǎn)生漂移，且偏移量與應(yīng)變量存在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系；通過調(diào)節(jié)重疊光纖光柵101的子光纖光柵的反射中心波長以實(shí)現(xiàn)多波長隨機(jī)光纖激光器的波長可調(diào)諧運(yùn)行。

分布反饋單模光纖103的長度為2km，也可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的輸出激光特性而改變。

本發(fā)明所提供的基于重疊光纖光柵的半開腔多波長隨機(jī)光纖激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本、易產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的優(yōu)點(diǎn)，其輸出具有多波長同時穩(wěn)定激射、高功率、波長可調(diào)諧、窄線寬等特性，在非線性光學(xué)、光纖傳感、光學(xué)測量、光通信、微波光子學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

以下將通過一個具體實(shí)施例說明和演示本發(fā)明提出的基于重疊光纖光柵的半開腔多波長隨機(jī)光纖激光器的運(yùn)行及輸出性能。

實(shí)施例1：基于重疊光纖光柵的半開腔多波長隨機(jī)光纖激光器制作及運(yùn)行光譜測量。

激光器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，但本實(shí)施例中沒有設(shè)置重疊光纖光柵軸向應(yīng)變調(diào)節(jié)裝置105，采用的重疊光纖光柵101是反射中心波長分別為1545nm和1555nm的二重重疊光纖光柵，光柵柵區(qū)長度為2cm，采用的激光增益單元102的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖5給出的是本實(shí)施例使用的反射中心波長分別為1545nm和1555nm的二重重疊光纖光柵的透射譜和反射譜，其波長間隔為10nm，反射率均>90%，反射帶寬<0.1nm。使用的稀土摻雜增益光纖201為7m的摻鉺光纖（fibercorem12_980/125），泵浦激光光源203為980nm的半導(dǎo)體激光器（單模光纖輸出，最大功率350mw），分布反饋單模光纖103為2km的smf-28光纖。雙波長隨機(jī)激光器系統(tǒng)搭建好以后，打開泵浦激光光源203并維持輸出功率80mw運(yùn)行，由于重疊光纖光柵101提供的雙波長反射反饋和分布反饋單模光纖103提供的分布反饋，無需對激光器系統(tǒng)做任何調(diào)整即可得到良好的雙波長激光輸出，使用光譜儀測量輸出激光光譜結(jié)果如圖6所示，激光輸出波長分別為1545.096nm和1555.096nm，波長間隔為10nm，與重疊光纖光柵的反射中心波長具有良好的對應(yīng)關(guān)系。據(jù)此可以預(yù)想到，當(dāng)重疊光纖光柵的反射中心波長被調(diào)諧時，激光輸出波長將表現(xiàn)出良好的可調(diào)諧特性。同時，由圖6可知，雙波長輸出的激光信噪比均高于50db，激光輸出質(zhì)量良好。圖7給出的是使用激光功率計(jì)測量得到的激光器輸出功率與泵浦激光輸入功率的關(guān)系結(jié)果，通過對測量結(jié)果做線性擬合，可見激光器的泵浦閾值僅為17.40mw，且當(dāng)泵浦功率高于閾值以后，激光器輸出功率隨泵浦輸入功率變化具有良好的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度高達(dá)0.99964。另外，激光器的斜率效率達(dá)到10.73%，當(dāng)泵浦功率為300mw時，激光輸出為30.40mw，且在每一泵浦功率下，激光輸出功率都表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性。通過實(shí)施例可見，本發(fā)明提出的基于重疊光纖光柵的半開腔多波長隨機(jī)光纖激光器在各方面都表現(xiàn)出了良好的性能。

以上對本發(fā)明所提供的基于重疊光纖光柵的半開腔多波長隨機(jī)光纖激光器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了一個具體實(shí)施例對本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證和闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。