[发明专利]基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器

说明书

本发明提出了一种基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，用于解决现有窄线宽光纤激光器存在的激光线宽较宽的技术问题，包括泵浦源以及依次连接成环形结构的第一光纤波分复用器、第一掺杂光纤、第一光纤隔离器、第二光纤波分复用器、偏振控制器、滤波器、第一光纤耦合器和第二光纤隔离器，其中滤波器采用相位差光纤光栅和平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器两级级联结构，相位差光纤光栅包括两个光纤光栅串联形成法布里‑珀罗结构，用于粗略选择泵浦激光的纵向模式，平衡式三环谐振相位光学梳状滤波器包括三个马赫增德尔滤波器，实现对粗略选择纵向模式后的泵浦激光进行纵模选择。本发明实现了超窄线宽和高稳定性激光输出。

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，特别涉及一种基于相位差光纤光栅和马赫增德尔滤波器超窄线宽激光器，可以应用于光纤通信、光纤传感、光纤遥感、材料技术以及高精度光谱等领域。

背景技术

激光器按工作物质主要分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和其他激光器，其他激光器中包括染料激光器、准分子激光器、化学激光器、自由电子激光器和光纤激光器，激光产生的基本思想是受激辐射的光放大，激光器基本结构包括泵浦源、工作物质和谐振腔，泵浦光源是形成粒子数反转的外部条件，工作物质是实现粒子数反转的内在因素，谐振腔提供选模和反馈作用。

其中，光纤激光器因其线宽窄、低噪声、抗电磁干扰、增益区长、能量密度高等优点受到广泛使用。现有光纤激光器中，按腔形结构可以分为线形腔和环形腔结构，其中线形腔可以通过使用重掺杂的掺杂光纤等作为增益介质，通过缩短腔长的方法保证大的纵模间隔，获得单纵模输出，但增益介质的线宽通常都比较宽，要实现单模输出，则要腔长非常短，这对光纤掺杂要求很高，而且输出功率低。对于环形腔结构，泵浦光经波分复用器耦合进环形腔内，经过掺杂光纤增益从而产生反转粒子，大量反转粒子发生受激辐射过程，受激辐射产生光，其中部分光又经耦合器再次进入环形腔内，如此反复，受激辐射出的光在环形腔内多次进行增益放大，有效利用了泵浦功功率。

针对环形腔结构的光纤激光器通常包括掺杂光纤、波分复用器、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器以及滤波器件，在光纤纤芯中掺入稀土离子，泵浦光通过光纤时，纤芯中的稀土离子吸收泵浦光，跃迁到上能级，产生粒子数反转，反转后的粒子在自发辐射光子或者特别注入的光子诱导下以受激辐射跃迁到激光下能级，同时发射出与诱导光子相同的光子，这样的过程雪崩般发生并产生激光，通过滤波器件对激光进行滤波，发射出线宽较窄激光。窄线宽激光器广泛应用精细测量领域，比如在激光外差探测系统中，激光线宽越窄则外差探测时系统分辨能力较好，以及在量子储存实验中，激光线宽越窄，则保真度越好，储存时间越长，再比如在光刻过程中，较宽的激光线宽会导致空间像对比度降低。目前为获得光纤激光器窄线宽的激光输出，国内外常用的技术主要集中在优化腔形结构，使用光纤光栅或光学梳状滤波器等滤波器件，运用饱和吸收体等来实现窄线宽激光输出。但存在以下问题：

在环形腔中加入一个窄带的滤波器实现窄线宽输出，由于这种结构中采用的有源纤长度较长，这会导致激光频率稳定性变差,容易出现跳模现象。同时，其它环形腔光纤激光器不能实现窄线宽要求主要是由于其中滤波器滤波功能不能满足窄线宽选择要求，因此造成环形腔光纤激光器输出线宽较宽。比如潘洪刚等，在《红外与激光工程》2014年第43卷第12期，发表了名称为“基于级联多模布拉格光栅和高精细度滤波器的可调谐双波长窄线宽掺铒光纤激光器”的文章，其中采用了级联多模光纤布拉格光栅作为第一级滤波器和光纤耦合器及掺铒光纤组成的精细滤波器作为第二级滤波器，得到了中心波长为1552.9nm和1553.3nm、线宽为0.05nm的激光输出，换算成频率宽度则为6.22GHz，线宽较宽。再比如申请公布号为CN 103208725A，名称为“一种双向互易单纵模光纤环形腔激光器”的专利申请，公开了一种一种双向互易单纵模光纤环形腔激光器，其中采用窄带滤波器和精细滤波器进行了滤波，得到了中心波长1549.922nm、线宽为0.015nm的激光输出，换算成频率宽度则为1.87GHz，线宽较宽。

发明内容