一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器及系统的制作方法

1.本实用新型涉及激光技术领域，具体涉及一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器及系统。


背景技术：

2.窄线宽单频激光凭借其单频特性以及光谱纯度高，激光线宽窄等优点在量子光学、冷原子物理、高功率激光系统、激光雷达和相干通信等领域有着重要应用价值。其中量子光学和冷原子研究领域除了要求单频激光的线宽的要求之外往往还对输出波长有着特殊的需求，只有当单频激光波长对应的光子能量正好满足能级差时才可实现应用，所需的具体波长可以从160nm的极紫外波段到6um的远红外波段。
3.现有的技术可以采用固体激光器，半导体激光器，光纤激光器等类型的激光器结合不同的增益介质再加以各种非线性频率变换技术来实现不同波段的窄线宽单频激光输出，其中单频钛宝石激光器作为最成熟的固体单频激光器可以在800nm附近实现瓦量级的单频激光器输出，进一步结合非线性频率变换可以将波长拓展至紫外波段，但其整个系统为全空间光路结构，存在着体积大，稳定性不佳，易受环境干扰的问题；单频半导体激光器通过灵活设计芯片中pn结间隔可以实现各个波段的单频激光输出，且体积小巧，稳定性好，但存在着输出功率较低的缺点，在某些情况下无法满足应用需求；单频光纤激光器一般采用单频种子激光器加光纤放大器的结构，通过选择不同的增益，已经可以在950-2200nm实现高功率单频激光输出，但是功率不够，进一步结合非线性频率变换技术可以将波长拓展至全波段。但在掺铥光纤激光器波段，也就是1700-2200nm，现有技术仅有采用单频半导体种子激光器结合光纤放大器可输出单频激光信号，但输出的单频激光线宽大于1mhz，在很多应用中无法满足需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足之处，本技术提供一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器及系统，旨在提供高功率、线宽小于1mhz的单频激光信号，具体地：
5.一方面，本技术提供一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，包括掺铥光纤，其中，还包括：
6.分布反馈光纤布拉格光栅，写在所述掺铥光纤上，所述分布反馈光纤布拉格光栅预置有相移，用以形成相移光栅；
7.泵浦光源单元，用以形成一泵浦光信号，并输入到相移光栅中；
8.所述掺铥光纤用以接收所述泵浦光信号，所述泵浦光信号被传输至相移光栅处，所述相移光栅基于所述泵浦光信号形成一激光振荡并输出一单频激光信号。
9.优选地，上述的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，其中，所述单频激光信号的波长范围为1700nm～2200nm。
10.优选地，上述的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，其中，还包括，
11.一波分复用器，设置于单频激光信号输出光路轨迹上，用以接收所述泵浦光信号并输出泵浦所述光信号至所述相移光栅，或者，
12.用以接收所述单频激光信号和所述泵浦光信号的混合信号，并将两个信号分开至两路光纤中。
13.优选地，上述的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，其中，还包括，
14.一隔离单元，设置于所述单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述单频激光信号，所述隔离单元的输出端形成所述窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器的输出端。
15.另一方面，本技术再提供一种高功率单频掺铥光纤激光系统，其中，包括上述任一项所述的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，还包括，
16.光纤放大模块，连接窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器的输出端，所述光纤放大模块用以对所述单频激光信号做放大处理以形成一单频激光放大信号。
17.优选地，上述的一种高功率单频掺铥光纤激光系统，其中，还包括，
18.非线性频率变换模块，连接所述光纤放大模块，用以接收所述单频激光放大信号，并对所述单频激光放大信号做非线性频率变换处理以形成一单频激光变换放大信号输出。
19.优选地，上述的一种高功率单频掺铥光纤激光系统，其中，所述单频激光变换放大信号的波长范围为212.5nm～1100nm。
20.再一方面，本技术再提供一种高功率单频光纤激光系统，其中，包括：
21.第一激光单元，由上述任一项所述的高功率单频掺铥光纤激光系统或基于增益介质的单频光纤激光系统形成，用以输出第一单频激光信号；
22.第二激光单元，由上述任一项所述的高功率单频掺铥光纤激光系统或基于其它增益介质的单频光纤激光系统形成，用以输出第二单频激光信号；
23.光纤耦合单元，用以接收所述第一单频激光信号和/或所述第二单频激光信号，根据所述第一单频激光信号和/或所述第二单频激光信号形成一激光耦合信号；
24.非线性频率变换单元，用以接收所述激光耦合信号，对所述激光耦合信号做非线性变换以形成一单频激光变换信号输出。
25.优选地，上述的一种高功率单频掺铥光纤激光系统，其中，所述单频激光变换信号的波长不小于55.5nm。
26.与现有技术相比，本技术的有益效果是：
27.有效利用了分布反馈单频光纤激光器输出激光单频性好，不易跳模，线宽窄、输出波长可调谐等优点，而且这些优点在经过功率放大和非线性频率变换后仍能保持。由于掺铥光纤放大模块的高功率输出能力，经过非线性频率变换后的窄线宽单频激光功率可达数十瓦。整个系统除了非线性频率变换模块以外为全光纤结构，具有结构紧凑，效率高且不易受到环境干扰等优点，能够有效抵御外界环境温度和振动的影响，具有极佳的稳定性，且非线性频率变换也可在波导中进行，此时整个单频激光系统具有最佳抗干扰能力和稳定性。
附图说明
28.图1为本技术实施例提供的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器的结构示意图；
29.图2为本技术实施例提供的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器的结构示意
图；
30.图3为本技术实施例提供的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器的光栅透射谱图；
31.图4为本技术实施例提供的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器的光栅透射谱图；
32.图5为本技术实施例提供的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器的光栅透射谱图；
33.图6为本技术实施例提供的一种窄线宽单频高功率掺铥光纤激光系统的结构图；
34.图7为本技术实施例提供的一种窄线宽单频高功率光纤激光系统的结构图。
具体实施方式
35.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.实施例一
37.如图1所示，一方面，本技术提供一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，其中，包括：
38.掺铥光纤1，预置有相移光栅11，掺铥光纤用以接收一泵浦光信号，于所述泵浦光信号被传输至相移光栅处，所述相移光栅基于所述泵浦光信号形成一激光振荡并输出一单频激光信号；其中，所述相移光栅的相移量为(2n+p)π，n为不小于0的整数，p为大于0并小于2的任意数，所述相移光栅可位于所述单频掺铥分布光纤的任意位置，所述光栅的相移量可为任意值。进一步地，所述相移光栅可为光纤布拉格光栅。
39.泵浦光源单元3，连接所述波分复用器，用以形成一泵浦信号。
40.波分复用器2，设置于单频激光信号输出光路轨迹上，用以接收所述泵浦光信号并输出所述泵浦光信号至所述相移光栅。
41.上述技术方案的工作原理是：
42.通过在增益光纤上掺杂铥离子以形成掺铥增益光纤，于所述掺铥光纤设置有带相移的光栅。于泵浦光照射的状态下，泵浦光信号通过所述掺铥光纤被传输至相移光栅，相移光栅建立激光谐振腔、引入预置的相移以实现滤波，将所述光信号转化为窄线宽单频激光输出，窄线宽单频激光波长范围在1700-2200nm。
43.示意性地，相移光栅的相移量为(2n+p)π，p取值为0.5时，预置的相移量为(2n+0.5π)，如图3所示，透射峰位于光栅反射谱的正中间的短波侧。当n取值为0，p取值为1时，预置的相移量为 (2n+1)π，如图4所示，透射峰位于光栅反射谱的正中间。当n 取值为0，p取值为1.5时，预置的相移量为(2n+1.5)π，如图5 所示，透射峰位于光栅反射谱的正中间的短波侧。其中图3、图4、图5中的凹陷为光栅反射区域，所述光栅反射谱的3db带宽大于等于 0.01nm。
44.上述的窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，具有结构紧凑、抗环境干扰能力强、输出单频激光线宽窄，频率稳定性好等特点，波长可覆盖1700-2200nm，输出的单频激光线
宽小于1mhz。
45.作为进一步优选实施方案，上述的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，其中，还包括，
46.包括隔离单元4，设置于所述单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述波分复用器输出的所述单频激光信号，所述隔离单元的输出端形成所述窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器的输出端。
47.所述隔离单元用于保护相移光栅，波分复用器和泵浦光源单元，防止被反向输入的光损坏相移光栅，波分复用器和泵浦光源单元。该结构为反向泵浦状态。
48.实施例二
49.如图2所示，一方面，本技术提供一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，其中，包括：
50.掺铥光纤1，预置有相移光栅11。
51.波分复用器2，用以接收所述单频激光信号和泵浦光信号的混合信号，并将两个光信号分到两路不同的光纤中。
52.泵浦光源单元3，连接掺铥光纤，用以形成一泵浦光信号，并输入到相移光栅中。
53.作为进一步优选实施方案，上述的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，其中，还包括，
54.隔离单元4，设置于所述单频激光信号光路轨迹上，用以接收所述波分复用器输出的所述单频激光信号，所述隔离单元的输出端形成所述窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器的输出端。
55.所述隔离单元用于保护相移光栅，波分复用器和泵浦光源单元，防止被反向输入的光损坏相移光栅，波分复用器和泵浦光源单元。
56.该结构为正向泵浦状态。
57.实施例三
58.如图6所示，再一方面，一种高功率单频掺铥光纤激光系统，其中，包括上述任一项所述的一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器，还包括，
59.光纤放大模块21，连接窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器20 的输出端，所述光纤放大模块用以对所述单频激光信号做放大处理以形成一单频激光放大信号。
60.进一步地，上述的一种高功率单频掺铥光纤激光系统，其中，还包括，
61.非线性频率变换模块22，连接所述光纤放大模块21，用以接收所述单频激光放大信号，并对所述单频激光放大信号做非线性频率变换处理以形成一单频激光变换放大信号输出。其中，所述单频激光变换放大信号的波长范围为212.5nm～1100nm。
62.非线性频率变换模块的频率变换方式可以是倍频、三倍频、四倍频、五倍频、六倍频、七倍频和八倍频等，旨在将单频激光放大信号的波长范围从1700-2200nm变换至212.5-1100nm，输出功率可达数十瓦量级。
63.实施例四
64.如图7所示，最后，本技术再提供一种高功率单频光纤激光系统，其中，包括：
65.第一激光单元30，用以输出第一单频激光信号；所述第一激光单元包括一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器、连接窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器输出端的光纤
放大模块。所述第一单频激光信号为高功率单频激光信号。
66.第二激光单元31，用以输出第二单频激光信号；所述第二激光单元包括一种窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器和连接窄线宽单频掺铥分布反馈光纤激光器输出端的光纤放大模块，或者是基于其它增益介质的高功率单频光纤激光系统。所述第二单频激光信号为高功率单频激光信号，且所述第一单频激光信号的功率或波长与第二单频激光信号的功率和/或波长不相同。
67.光纤耦合单元32，用以接收所述第一单频激光信号和所述第二单频激光信号，根据所述第一单频激光信号和所述第二单频激光信号形成一激光耦合信号；所述第一单频激光信号和所述第二单频激光信号耦合至同一路光纤中再进入到非线性频率变换，此时光纤耦合单元为光纤输入和输出的光纤耦合器；当第一激光单元和第二激光单元中至少有一路为空间光输出时，可以用光纤耦合单元将第一单频激光信号和/或所述第二单频激光信号耦合到同一个光路中再进入到非线性频率变换，示意性地，光纤耦合单元可为空间光输入和输出的耦合器。
68.非线性频率变换单元33，用以接收所述激光耦合信号，对所述激光耦合信号做非线性变换以形成一单频激光变换信号输出。非线性频率变换单元的变换方式可以是和频、差频和先和频后倍频等。进一步地，所述单频激光变换信号的波长不小于55.5nm，输出功率最大可达数十瓦。
69.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
70.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。