基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器

1.本发明属于光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器。


背景技术：

2.多波长光纤激光器在光通信、光纤传感、激光测距和光谱分析等领域应用广泛。目前多波长光纤激光器主要采用两种方式实现多波长激射：
3.(1)腔内加入多波长选择器件，如法布里-珀罗滤波器、光纤布拉格光栅、sagnac环和lyot滤波器等，这种方式可以通过调节多波长选择器件实现多波长激射参数的调控，但是会破坏原有腔结构并引入附加损耗；
4.(2)利用受激布里渊散射、受激拉曼散射和四波混频等非线性效应，这种方式可以通过调节泵浦光波长控制激射波长，但是多波长参数如波长间隔由光纤确定，可调性较差；
5.近些年随机光纤激光器逐渐成为产生多波长激光的一个重要方式。相较于采用稀土掺杂光纤提供增益的传统多波长光纤激光器，随机光纤激光器具有结构简单、无模式和相干性低等优点，同时可以方便地结合受激拉曼散射提高泵浦利用效率以及实现更多波段的激射。随着飞秒激光直写技术的发展，使用飞秒激光可以灵活制备各种参数的光纤光栅，基于这种技术并结合随机光纤激光技术，有望实现一种多参数灵活可调谐的多波长随机光纤激光器，有利于实际应用。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器，其目的在于通过将光纤光栅阵列固定于光栅轴向拉伸装置上以通过应变调节中心波长，从而提供增益光的反馈和波长选择，由此解决现有技术中多波长随机光纤激光器可调性较差的技术问题。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器，所述激光器为半开腔结构，包括泵浦光源、光纤光栅阵列、光栅轴向拉伸装置、波分复用器和增益放大单元；
8.所述泵浦光源连接所述波分复用器的输入端；所述波分复用器的输出端连接所述增益放大单元；所述光纤光栅阵列固定设置于所述光栅轴向拉伸装置；
9.所述泵浦光源用于产生泵浦光，所述泵浦光通过所述波分复用器耦合进入所述增益放大单元对其进行激励，所述增益放大单元用于受激产生铒离子增益、拉曼增益和瑞利散射反馈并对光路中的泵浦光源增益放大；所述光纤光栅阵列经所述光栅轴向拉伸装置应变调节改变其中心波长后，提供增益光的反馈和波长选择；经所述光纤光栅阵列反射的增益光在所述增益放大单元中进行放大，随着所述泵浦光源功率的提高逐渐形成多波长随机激光输出。
10.优选地，所述光纤光栅阵列包括光纤纤芯及多个高反射率光纤光栅，所述多个高
反射率光纤光栅沿所述光纤纤芯轴向平行分布。
11.优选地，所述多个高反射率光纤光栅的反射率相同，但中心波长均不同。
12.优选地，所述多个高反射率光纤光栅均由飞秒激光采用逐点法刻写。
13.优选地，所述光纤光栅阵列的制作方法具体为：将光纤置于位移平台上，借助飞秒激光使用逐点法刻写出第一个光纤光栅后再将光纤沿轴向移动一段距离，并再次刻写一个中心波长更长的光纤光栅；刻写过程中实时监测光纤光栅的透射谱和反射谱，直至获得具有目标透射谱和反射谱的倾斜平行刻写光纤光栅阵列。
14.优选地，所述增益放大单元包括增益光纤和拉曼光纤；所述增益光纤的一端连接于所述波分复用器的输出端，另一端连接所述拉曼光纤。
15.优选地，所述增益光纤为掺铒光纤。
16.优选地，还包括隔离器，所述隔离器作为激光输出端连接于所述拉曼光纤的一端。
17.优选地，所述泵浦光源的中心波长为1455nm。
18.优选地，将所述光纤光栅阵列的一端倾斜切割以消除端口的寄生反馈。
19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
20.1、本发明提出的基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器相较于需要额外添加多波长选择器件的传统多波长光纤激光器，使用倾斜平行刻写光纤光栅阵列同时作为多波长选择器件和一端激光腔高反镜，另一端使用拉曼光纤提供瑞利散射反馈，减少了构成激光器的器件数量，因而结构更简单。
21.2、本发明提出的基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器容易制备在各个波段，使得发明的多波长随机光纤激光器可以灵活选择增益光纤种类、拉曼光纤种类和泵浦光源波长。
22.3、本发明提出的基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器，其中倾斜平行刻写光纤光栅阵列由飞秒激光使用倾斜平行刻写方法制备，具有制备简单快速、波长间隔和波长数量控制灵活、器件尺寸小的优点。
23.4、本发明提出的基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器相较于基于单个增益机制的随机光纤激光器，同时利用增益光纤的增益和单模光纤的受激拉曼散射增益，因而能有效降低激射阈值和提高输出功率。
附图说明
24.图1是本发明的倾斜平行刻写光纤光栅阵列示意图；
25.图2(a)是本发明制备的倾斜平行刻写光纤光栅阵列的反射谱；
26.图2(b)是本发明制备的倾斜平行刻写光纤光栅阵列的透射谱；
27.图3是本发明基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器的示意图；
28.图4是本发明基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器的输出功率曲线图；
29.图5是本发明基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器使用不同波长数目倾斜平行刻写光纤光栅阵列时的输出光谱图。
30.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：11-第一个高反射率光纤光栅；12-第二个高反射率光纤光栅；13-第三个高反射率光纤光栅；14-最后一个高反射率光纤光栅；15-相邻高反射率光纤光栅轴向间距；16-光纤纤芯；17-光纤包层；31-泵浦光源；32-倾斜切割；33-光栅轴向拉伸装置；34-光纤光栅阵列；35-波分复用器；36-增益光纤；37-拉曼光纤；38-隔离器。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
32.如图1-5所示，本发明提出一种基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器，包括泵浦光源31、光栅轴向拉伸装置33、倾斜平行刻写的光纤光栅阵列34、波分复用器35、增益光纤36、拉曼光纤37和隔离器38；所述光纤光栅阵列34由多个中心波长不同但反射率相同的高反射率光纤光栅组成；所述光纤光栅阵列34的中心波长应与所述增益光纤36和所述拉曼光纤37的增益谱线基本对应；所述光纤光栅阵列34由飞秒激光使用倾斜平行刻写技术制备；所述光纤光栅阵列34通过胶水或光纤夹具固定在所述光栅轴向拉伸装置33上；所述光纤光栅阵列34的一端倾斜切割32。
33.进一步地，所述泵浦光源31通过所述波分复用器35耦合进入所述增益光纤36和拉曼光纤37对多波长激光进行放大；所述拉曼光纤37同时提供受激拉曼散射增益和瑞利散射反馈；所述隔离器38隔离反射光并作为激光输出端。
34.作为本发明的优选实施例，所述增益光纤36为掺铒光纤。
35.作为本发明的优选实施例，所述拉曼光纤37为普通单模光纤，长度为10km。
36.本发明的工作原理：
37.中心波长为1455nm的泵浦光源同时为掺铒光纤和拉曼光纤提供泵浦，最初产生的宽带自发辐射光经由一端的高反射率光纤光栅阵列选择并反射对应波长的光回到腔内进行放大，再结合另一端拉曼光纤提供的瑞利散射反馈，最终形成多波长激射。
38.下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
39.实施例一
40.一种基于倾斜平行刻写光纤光栅阵列的多波长随机光纤激光器，倾斜平行刻写的光纤光栅阵列的示意图如图1所示，由若干个在光纤纤芯16轴向上平行分布的中心波长不同但反射率相同的第一个高反射率光纤光栅11、第二个高反射率光纤光栅12、第三个高反射率光纤光栅13和最后一个高反射率光纤光栅14组成，所述的每个高反射率光纤光栅由飞秒激光采用逐点法刻写。
41.更进一步的说明，光纤光栅的中心波长、反射率和轴向间距15根据实际需要和制备效果确定；所述反射率应在保证光纤光栅插入损耗较小的情况下尽量高以降低激光器阈值；所述轴向间距应在保证相邻光纤光栅不互相干扰的情况下尽量小以缩短倾斜平行刻写光纤光栅阵列的总长度。
42.实施例二
43.一种用于多波长随机光纤激光器的倾斜平行刻写光纤光栅阵列的制备方法，用于制备所述的倾斜平行刻写的光纤光栅阵列，其操作方法如下：
44.步骤一：将一段光纤固定于位移平台上，使飞秒激光光束垂直入射并聚焦于光纤纤芯中
45.步骤二：控制光纤相对于飞秒激光聚焦光斑沿倾斜于光纤轴向一定角度的直线移动，使用逐点法刻写第一个目标光纤光栅，并监测透射谱和反射谱；
46.步骤三：控制光纤沿光纤轴向移动一定轴向间距，然后再次刻写一个中心波长更长但其他参数相同的光纤光栅，并监测透射谱和反射谱；
47.步骤四：重复步骤三直到获得具有目标透射谱和反射谱的倾斜平行刻写光纤光栅阵列。
48.在本实施例中，所述光纤为普通单模光纤；所述光纤光栅轴向长度为4000μm，轴向间距为1000μm；一个3波长倾斜平行刻写光纤光栅阵列的反射谱和透射谱如图2(a)和图2(b)所示，光纤光栅反射率为65％，中心波长间距为4nm，长波长损耗为15％。
49.实施例三
50.本实验的实验装置如图3所示，包括一个泵浦光源31，所述泵浦光源31通过波分复用器35进入增益光纤36和拉曼光纤37进行激励；所述增益光纤为掺铒光纤，利用铒离子提供增益；所述拉曼光纤为普通单模光纤，长度为10km，同时提供拉曼增益和瑞利散射反馈；倾斜平行刻写光纤光栅阵列34用于提供反馈和波长选择，并固定于光栅轴向拉伸装置33上以通过应变调节中心波长；经所述光纤光栅阵列34反射的光在所述增益光纤36和拉曼光纤37中进行放大，随着泵浦功率的提高逐渐形成随机激光输出；一端倾斜切割32用于避免寄生反馈；偏振无关隔离器38隔离反射光并作为激光输出端；整个激光器为半开腔结构。
51.基于实施例二中的倾斜平行刻写光纤光栅阵列的激光器输出功率曲线如图4所示，阈值功率约为0.7w，线性拟合表明激光器斜率效率约为49.6％，在最大2.49w泵浦功率下可以获得0.883w输出功率，对应光光转化效率约为35.5％，且激光输出功率和激射的多波长光谱都保持稳定。更换倾斜平行刻写光纤光栅阵列即可获得如图5所示的不同波长数目激光输出，且每个波长与所用倾斜平行刻写光纤光栅阵列对应良好。另外利用光栅轴向拉伸装置提供应变可以轻松改变输出激光的中心波长。
52.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。