本發(fā)明屬于光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于相位差光纖光柵和馬赫增德爾濾波器超窄線寬激光器，可以應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、光纖遙感、材料技術(shù)以及高精度光譜等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光器按工作物質(zhì)主要分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器和其他激光器，其他激光器中包括染料激光器、準(zhǔn)分子激光器、化學(xué)激光器、自由電子激光器和光纖激光器，激光產(chǎn)生的基本思想是受激輻射的光放大，激光器基本結(jié)構(gòu)包括泵浦源、工作物質(zhì)和諧振腔，泵浦光源是形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的外部條件，工作物質(zhì)是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的內(nèi)在因素，諧振腔提供選模和反饋?zhàn)饔谩?/p>

其中，光纖激光器因其線寬窄、低噪聲、抗電磁干擾、增益區(qū)長、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛使用?，F(xiàn)有光纖激光器中，按腔形結(jié)構(gòu)可以分為線形腔和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其中線形腔可以通過使用重?fù)诫s的摻雜光纖等作為增益介質(zhì)，通過縮短腔長的方法保證大的縱模間隔，獲得單縱模輸出，但增益介質(zhì)的線寬通常都比較寬，要實(shí)現(xiàn)單模輸出，則要腔長非常短，這對光纖摻雜要求很高，而且輸出功率低。對于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，泵浦光經(jīng)波分復(fù)用器耦合進(jìn)環(huán)形腔內(nèi)，經(jīng)過摻雜光纖增益從而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)粒子，大量反轉(zhuǎn)粒子發(fā)生受激輻射過程，受激輻射產(chǎn)生光，其中部分光又經(jīng)耦合器再次進(jìn)入環(huán)形腔內(nèi)，如此反復(fù)，受激輻射出的光在環(huán)形腔內(nèi)多次進(jìn)行增益放大，有效利用了泵浦功功率。

針對環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的光纖激光器通常包括摻雜光纖、波分復(fù)用器、光纖耦合器、光纖隔離器、偏振控制器以及濾波器件，在光纖纖芯中摻入稀土離子，泵浦光通過光纖時(shí)，纖芯中的稀土離子吸收泵浦光，躍遷到上能級，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的粒子在自發(fā)輻射光子或者特別注入的光子誘導(dǎo)下以受激輻射躍遷到激光下能級，同時(shí)發(fā)射出與誘導(dǎo)光子相同的光子，這樣的過程雪崩般發(fā)生并產(chǎn)生激光，通過濾波器件對激光進(jìn)行濾波，發(fā)射出線寬較窄激光。窄線寬激光器廣泛應(yīng)用精細(xì)測量領(lǐng)域，比如在激光外差探測系統(tǒng)中，激光線寬越窄則外差探測時(shí)系統(tǒng)分辨能力較好，以及在量子儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)中，激光線寬越窄，則保真度越好，儲(chǔ)存時(shí)間越長，再比如在光刻過程中，較寬的激光線寬會(huì)導(dǎo)致空間像對比度降低。目前為獲得光纖激光器窄線寬的激光輸出，國內(nèi)外常用的技術(shù)主要集中在優(yōu)化腔形結(jié)構(gòu)，使用光纖光柵或光學(xué)梳狀濾波器等濾波器件，運(yùn)用飽和吸收體等來實(shí)現(xiàn)窄線寬激光輸出。但存在以下問題：

在環(huán)形腔中加入一個(gè)窄帶的濾波器實(shí)現(xiàn)窄線寬輸出，由于這種結(jié)構(gòu)中采用的有源纖長度較長，這會(huì)導(dǎo)致激光頻率穩(wěn)定性變差,容易出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象。同時(shí)，其它環(huán)形腔光纖激光器不能實(shí)現(xiàn)窄線寬要求主要是由于其中濾波器濾波功能不能滿足窄線寬選擇要求，因此造成環(huán)形腔光纖激光器輸出線寬較寬。比如潘洪剛等，在《紅外與激光工程》2014年第43卷第12期，發(fā)表了名稱為“基于級聯(lián)多模布拉格光柵和高精細(xì)度濾波器的可調(diào)諧雙波長窄線寬摻鉺光纖激光器”的文章，其中采用了級聯(lián)多模光纖布拉格光柵作為第一級濾波器和光纖耦合器及摻鉺光纖組成的精細(xì)濾波器作為第二級濾波器，得到了中心波長為1552.9nm和1553.3nm、線寬為0.05nm的激光輸出，換算成頻率寬度則為6.22ghz，線寬較寬。再比如申請公布號為cn103208725a，名稱為“一種雙向互易單縱模光纖環(huán)形腔激光器”的專利申請，公開了一種一種雙向互易單縱模光纖環(huán)形腔激光器，其中采用窄帶濾波器和精細(xì)濾波器進(jìn)行了濾波，得到了中心波長1549.922nm、線寬為0.015nm的激光輸出，換算成頻率寬度則為1.87ghz，線寬較寬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供了一種基于相位差光纖光柵和馬赫增德爾濾波器超窄線寬激光器，用于解決現(xiàn)有光纖激光器存在的激光線寬較寬的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

基于相位差光纖光柵和馬赫增德爾濾波器超窄線寬激光器，包括泵浦源以及依次連接成環(huán)形結(jié)構(gòu)的第一光纖波分復(fù)用器、第一摻雜光纖、第一光纖隔離器、第二光纖波分復(fù)用器、偏振控制器、濾波器、第一光纖耦合器和第二光纖隔離器，其中：

所述泵浦源，用于提供泵浦激光；

所述第一波分復(fù)用器，用于將泵浦激光耦合進(jìn)第一摻雜光纖；

所述第一摻雜光纖，用于對泵浦激光進(jìn)行增益；

所述第一光纖隔離器，用于對增益后的泵浦激光在激光系統(tǒng)空腔中向后傳播的反射和散射光進(jìn)行隔離；

所述第二波分復(fù)用器，用于對第一光纖隔離器未完全隔離的泵浦激光進(jìn)行分離；

所述偏振控制器，用于對增益后的泵浦激光偏振方向進(jìn)行控制；

所述第一光纖耦合器，用于通過一個(gè)輸出端將濾波后的激光耦合進(jìn)第二光纖隔離器中，通過另一個(gè)輸出端將濾波后的激光輸出；

所述第二光纖隔離器，用于對濾波后的激光在激光系統(tǒng)空腔中向后傳播的反射和散射光進(jìn)行隔離；

所述濾波器，采用相位差光纖光柵和平衡式三環(huán)諧振相位光學(xué)梳狀濾波器兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述相位差光纖光柵，包括兩個(gè)光纖光柵串聯(lián)形成法布里-珀羅結(jié)構(gòu)，用于粗略選擇泵浦激光的縱向模式；所述平衡式三環(huán)諧振相位光學(xué)梳狀濾波器，包括第一馬赫增德爾濾波器、第二馬赫增德爾濾波器和第三馬赫增德爾濾波器，用于通過對三個(gè)馬赫增德爾濾波器的梳狀透射譜的相互疊加，實(shí)現(xiàn)對粗略選擇縱向模式后的泵浦激光進(jìn)行縱模選擇，其中：

第一馬赫增德爾濾波器，包括依次連接的第二光纖耦合器、環(huán)形器組件與第三光纖耦合器；

第二馬赫增德爾濾波器，包括依次連接的第二光纖耦合器、環(huán)形器組件與第四光纖耦合器；

第三馬赫增德爾濾波器，包括依次連接的第三光纖耦合器、環(huán)形器組件與第四光纖耦合器；

其中，環(huán)形器組件由并聯(lián)的第一環(huán)形器和第二環(huán)形器組成；

所述第三光纖耦合器連接有飽和吸收體，該飽和吸收體由相互連接的第二摻雜光纖和光纖布拉格光柵構(gòu)成，用于抑制粗略選擇后的泵浦激光縱向模式跳變，并對粗略選擇后的泵浦激光縱向模式進(jìn)行選擇。

由泵浦源發(fā)出泵浦激光，經(jīng)過第一波分復(fù)用器耦合進(jìn)光纖激光器的環(huán)形腔中，增益光纖對泵浦激光進(jìn)行增益，再經(jīng)第一光纖隔離器對增益后的泵浦激光在激光系統(tǒng)空腔中向后傳播的反射和散射光進(jìn)行隔離，然后通過第二波分復(fù)用器對第一光纖隔離器未完全隔離的泵浦激光進(jìn)行分離，同時(shí)將增益后的泵浦激光傳輸?shù)狡窨刂破?，偏振控制器對增益后的泵浦激光偏振方向進(jìn)行控制并將其傳輸進(jìn)濾波器中相位差光纖光柵進(jìn)行粗略選擇增益后的泵浦激光的縱向模式，接著進(jìn)入第二光纖耦合器并分為兩路經(jīng)第一環(huán)形器和第二環(huán)形器并聯(lián)組成的環(huán)形器組件傳輸進(jìn)第三光纖耦合器和第四光纖耦合器，則由依次連接的第二光纖耦合器、環(huán)形器組件與第三光纖耦合器組成第一馬赫增德爾濾波器并形成一個(gè)光學(xué)梳狀譜對增益后的泵浦激光進(jìn)行模式選擇，同時(shí)依次連接的第二光纖耦合器、環(huán)形器組件與第四光纖耦合器組成第二馬赫增德爾濾波器并形成一個(gè)光學(xué)梳狀譜對增益后的泵浦激光進(jìn)行模式選擇，同時(shí)經(jīng)第三光纖耦合器傳輸?shù)接上嗷ミB接的第二摻雜光纖和光纖布拉格光柵構(gòu)成的飽和吸收體，抑制了粗略選擇后的泵浦激光縱向模式跳變，并對粗略選擇后的泵浦激光縱向模式進(jìn)行選擇，同時(shí)將經(jīng)飽和吸收體選擇后的激光傳輸回第三光纖耦合器，隨后經(jīng)第三光纖耦合器并分為兩路經(jīng)兩路經(jīng)第一環(huán)形器和第二環(huán)形器并聯(lián)組成的環(huán)形器組件傳輸進(jìn)第四光纖耦合器，則由依次連接的第三光纖耦合器、環(huán)形器組件與第四光纖耦合器組成第三馬赫增德爾濾波器并形成一個(gè)光學(xué)梳狀譜對增益后的泵浦激光進(jìn)行模式選擇，至此三個(gè)馬赫增德爾濾波器形成三個(gè)光學(xué)梳狀譜都共同對增益后的泵浦激光進(jìn)行模式選擇，實(shí)現(xiàn)了窄帶濾波，最終進(jìn)入1×2的80:20的第四光纖耦合器，通過另一個(gè)20％輸出端將濾波后的激光輸出，通過另一個(gè)80％輸出端將濾波后的激光耦合進(jìn)第二光纖隔離器中，濾波后的激光經(jīng)第二光纖耦合器對在激光系統(tǒng)空腔中向后傳播的反射和散射光進(jìn)行隔離后傳輸進(jìn)第一波分復(fù)用器回到環(huán)形腔中，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)超窄線寬和高穩(wěn)定性激光輸出。

上述基于相位差光纖光柵和馬赫增德爾濾波器超窄線寬激光器，所述相位差光纖光柵，其兩個(gè)光纖光柵的間隙小于一個(gè)布拉格波長。

上述基于相位差光纖光柵和馬赫增德爾濾波器超窄線寬激光器，所述相位差光纖光柵和光纖布拉格光柵，其反射率為r∈(0,1)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的濾波器采用了相位差光纖光柵和平衡式三環(huán)諧振相位光學(xué)梳狀濾波器兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中相位差光纖光柵采用兩個(gè)光纖光柵形成法布里-珀羅結(jié)構(gòu)的相位差光纖光柵，只允許6到8個(gè)縱模起振，具有更好的縱模選擇效果，平衡式三環(huán)諧振相位光學(xué)梳狀濾波器具有三個(gè)光學(xué)梳狀譜，實(shí)現(xiàn)了超窄帶濾波，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有效降低了激光線寬的寬度，且制備方法簡單，成本低。

2、本發(fā)明由于在平衡式三環(huán)諧振相位光學(xué)梳狀濾波器中的第三光纖耦合器上連接有飽和吸收體，可以抑制環(huán)形激光器由于環(huán)形腔摻雜光纖長度過長引起的模式跳變，實(shí)現(xiàn)了激光高穩(wěn)定性輸出。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明相位差光纖光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明激光縱模選擇流程示意圖；

圖4是本發(fā)明無模式選擇激光輸出光譜圖；

圖5是本發(fā)明激光輸出光譜圖；

圖6是本發(fā)明激光輸出偏振極化圖；

圖7是本發(fā)明延遲自外差法測量線寬結(jié)果圖；

圖8是本發(fā)明激光穩(wěn)定輸出圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述具體事例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。

參照圖1，基于相位差光纖光柵和馬赫增德爾濾波器超窄線寬激光器，包括泵浦源以及依次連接成環(huán)形結(jié)構(gòu)的第一光纖波分復(fù)用器、第一摻雜光纖、第一光纖隔離器、第二光纖波分復(fù)用器、偏振控制器、濾波器、第一光纖耦合器和第二光纖隔離器，其中：

所述泵浦源，是半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、光纖激光器或拉曼激光器，用于提供泵浦激光，半導(dǎo)體激光器具有泵浦效率高、壽命長熱光畸變小、光束質(zhì)量好、可靠性強(qiáng)、重量輕和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，這里采用400mw功率的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生980nm激光；

所述第一波分復(fù)用器，是波長為980/1550nm的雙通道波分復(fù)用器，用于將980nm的激光耦合進(jìn)第一摻雜光纖；

所述第一摻雜光纖，摻有稀土元素的光纖或光子晶體光纖,其中摻雜的稀土元素是鐿(yb)、餌(er)、鈥(ho)、銩(tm)、釤(nd)、鉻(cr)、杉(sm)、鉍(bi)中的一種或幾種，這里采用餌摻雜光纖，餌摻雜光纖具有成本較低、工藝比較成熟的優(yōu)點(diǎn)。第一摻鉺光纖長為6m，在980nm波長處吸收為7db/m，用于對980nm的激光進(jìn)行增益；

所述第一光纖隔離器，中心波長1530nm，用于對增益后的泵浦激光在激光系統(tǒng)空腔中向后傳播的反射和散射光進(jìn)行隔離；

所述第二波分復(fù)用器，用于對第一光纖隔離器未完全隔離的泵浦激光進(jìn)行分離；

所述偏振控制器，用于對增益后的泵浦激光偏振方向進(jìn)行控制；

所述濾波器，采用相位差光纖光柵和平衡式三環(huán)諧振相位光學(xué)梳狀濾波器兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，所述相位差光纖光柵，如圖2所示，包括兩個(gè)光纖光柵串聯(lián)形成法布里-珀羅結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)光纖光柵分別具有分布反饋結(jié)構(gòu)，并且反射率都是99％，用于粗略選擇泵浦激光的縱向模式，在1530nm附近選擇出多個(gè)縱模；所述平衡式三環(huán)諧振相位光學(xué)梳狀濾波器，包括第一馬赫增德爾濾波器、第二馬赫增德爾濾波器和第三馬赫增德爾濾波器，三個(gè)馬赫增德爾濾波器臂長差依次為0.6m、0.35m和0.25m，三個(gè)馬赫增德爾濾波器對應(yīng)的透射光譜的自由光譜范圍依次是345m、591m和827m，用于通過對三個(gè)馬赫增德爾濾波器的梳狀透射譜的相互疊加，實(shí)現(xiàn)對粗略選擇縱向模式后的泵浦激光進(jìn)行縱模選擇，上述濾波器縱模選擇示意圖如圖3所示，其中：

第一馬赫增德爾濾波器，包括依次連接的第二光纖耦合器、環(huán)形器組件與第三光纖耦合器；

第二馬赫增德爾濾波器，包括依次連接的第二光纖耦合器、環(huán)形器組件與第四光纖耦合器；

第三馬赫增德爾濾波器，包括依次連接的第三光纖耦合器、環(huán)形器組件與第四光纖耦合器；

其中，環(huán)形器組件由并聯(lián)的第一環(huán)形器和第二環(huán)形器組成；

以上的3個(gè)光纖耦合器都為1×2的50:50的3db耦合器，

所述第三光纖耦合器連接有可飽和吸收體，該可飽和吸收體由相互連接的第二摻雜光纖和光纖布拉格光柵構(gòu)成，第二摻雜光纖為0.5m長未泵浦的摻鉺光纖，光纖布拉格光柵的帶寬為0.03nm、反射率為99％，用于抑制粗略選擇后的泵浦激光縱向模式跳變，并對粗略選擇后的泵浦激光縱向模式進(jìn)行選擇。

所述第一光纖耦合器，是1×2的80:20的光纖耦合器，用于通過一個(gè)80％輸出端將濾波后的激光耦合進(jìn)第二光纖隔離器中，通過另一個(gè)20％輸出端將濾波后的激光輸出，其中未進(jìn)行濾波器模式選擇的激光縱模輸出如圖4所示，可以看出未進(jìn)行模式選擇時(shí)，有多個(gè)縱模起振。通過光電光譜儀測得輸出光譜圖如圖5所示，可以看出經(jīng)濾波器模式選擇后只有一個(gè)縱模起振，濾波效果明顯，通過極化分析儀測得輸出極化程度如圖6所示，可以看出輸出激光偏振方向只有一個(gè)，極化程度高。為了測量環(huán)形激光器的超窄線寬，使用延遲自外差法，延遲光纖為20公里長，對應(yīng)于103μs的延遲時(shí)間，由聲光調(diào)制器器產(chǎn)生50mhz的頻移，外差信號由放大寬度為3ghz的光檢測器檢測。外差信號由帶寬為3ghz的光檢測器檢測，其中3db帶寬小于2.5khz(半高全寬)，表示大約1.2khz的激光線寬，如圖7所示。同時(shí)將整個(gè)激光系統(tǒng)封裝在我們的光學(xué)減震器上的隔離箱中，以避免光纖布拉格光柵的中心波長變化。其中，輸出功率穩(wěn)定性小于0.05％，泵功率效率約為15％，當(dāng)泵浦從50mw增加到400mw，輸出功率線性增加。整個(gè)激光器兩個(gè)小時(shí)后穩(wěn)定輸出光譜圖如圖8所示，主波長功率變化小于0.2db，穩(wěn)定性很高。

所述第二光纖隔離器，用于對濾波后的激光在激光系統(tǒng)空腔中向后傳播的反射和散射光進(jìn)行隔離；

上述的基于相位差光纖光柵和馬赫增德爾濾波器超窄線寬激光器，所述相位差光纖光柵，其兩個(gè)光纖光柵的間隙小于一個(gè)布拉格波長。

上述的基于相位差光纖光柵和馬赫增德爾濾波器超窄線寬激光器，所述相位差光纖光柵和光纖布拉格光柵，其反射率為r∈(0,1)。