[发明专利]一种基于高圆度三维旋转对称微腔的单频窄带光纤激光器

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种基于高圆度三维旋转对称微腔的单频窄带光纤激光器。

背景技术

单频窄带宽光纤激光器具有相干性高、频率可调谐、噪声低、结构紧凑等特点，在光谱学、光纤传感、石油勘探、电力系统、军事国防等众多领域具有广泛的应用前景。

实现单频窄带激光输出，关键技术在于设计合理的腔结构、采用合适的滤波技术，以达到谐振腔内的窄带选频。目前，可以通过超短腔、内置饱和吸收体的线形腔、复合腔、窄带滤波器件(如布拉格光纤光栅、F-P腔等)实现单频窄带激光输出。然而，超短腔需要在高浓度稀土掺杂光纤上刻写光栅，其制作成本高、技术难度大且激光器输出光功率受到腔长限制；内置饱和吸收体的线形腔稳定性差，光转换效率低；复合腔结构复杂且降低了系统的紧凑性和稳定性；布拉格光纤光栅、F-P腔等窄带滤波器件的3dB带宽通常在0.05nm以上，限制了激光器激光输出，线宽进一步压缩，并且易出现跳模现象。因此，如何在压缩激光输出带宽的同时，提高系统的稳定性和紧凑性、降低制作成本、增加输出功率成为实现单频窄带激光器的关键。

发明内容

本发明针对现有技术存在的制作成本高、稳定性差、紧凑性低、输出带宽大等缺点，提出了一种高圆度三维旋转对称微腔选频的单频窄带宽光纤激光器。该光纤激光器的谐振腔采用高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元进行选频，在高圆度、三维旋转对称微腔内激发超窄带回音壁模共振谱(3dB带宽达1pm)，实现了光纤激光器输出带宽的深压缩，并具有高稳定性、低成本、结构简单等特点。此外，本发明还采用二维超高精度耦合系统，以纳米级精度控制锥形光纤与微球腔的耦合距离和耦合位置，进一步提高微腔耦合系统的Q值、压缩回音壁模共振谱带宽、减少高阶模、增加边模抑制比，压缩激光器带宽、提升稳定性。

本发明为解决上述技术问题，本发明的技术方案是该单频窄带宽光纤激光器包括半导体激光器泵浦源、波分复用器、光隔离器、稀土掺杂光纤、偏振控制器以及光耦合器，还包括高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元，半导体激光器泵浦源经波分复用器与 光隔离器相连，并通过光隔离器的输出端与稀土掺杂光纤相连，稀土掺杂光纤的输出端依次通过偏振控制器、高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元、光耦合器，最后由光耦合器输出端与波分复用器输入端相连闭合成腔。

进一步，上述高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元采用二维超高倍率显微系统和高精度位移台控制微球腔和锥形光纤的耦合距离和耦合位置。

上述微球腔具有高圆度、高对称性、高洁净度的特点，能有效抑制回音壁模共振谱中的高阶模，提高共振谱边模抑制比，压缩共振谱带宽，提升共振谱Q值，实现单频窄带激光输出。

本发明还进一步提出一种利用上述基于高圆度三维旋转对称微腔的单频窄带光纤激光器进行谐振腔内的窄带选频方法，选频时入射光从锥形光纤的一端进入锥区，通过倏逝场耦合进入微球腔，以全反射方式在微球腔赤道面传输，并形成超窄带回音壁模共振谱，实现光纤激光器谐振腔内的窄带选频。

进一步，选频时锥形光纤与微球腔在赤道面进行耦合，且耦合距离可精确控制到纳米级别。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用高圆度微球腔-锥形光纤耦合单元进行选频，所含高圆度、高对称性、高洁净度微球腔内形成的超窄带宽回音壁模共振谱(3dB带宽约为1pm)使得输出激光具有超窄带宽的优点。

2、本发明采用二维超高倍率显微系统和高精度位移台控制微球腔和锥形光纤的耦合距离和位置，精度可达纳米级别，有效增加了耦合效率，激发超窄带回音壁模共振谱，进一步压缩激光器输出带宽和提高激光器稳定性。

3、本发明激光器采用全光纤器件搭建并实现窄带选频，具有相干性好、稳定性高、结构紧凑、成本低、损耗小等特点。

附图说明

图1为光在微球腔内以不同角度传输的原理示意图。

图2为本发明高圆度、三维旋转球对称微腔选频的单频光纤激光器的结构示意图。

图3为微球实物图及不同椭圆度。

标识说明：(3a)高圆度、高对称性微球；(3b)低圆度、非对称微球。

图4为经过洁净处理的表面无瑕疵的微球和表面有瑕疵的微球实物图。

标识说明：(4a)经过处理的洁净微球；(4b)有瑕疵的微球。

图5为在不同耦合状态下的锥形光纤-微球腔耦合实物图。

标识说明：(5a)临界耦合状态下；(5b)欠耦合状态下；(5c)过耦合状态下。