基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器

1.本发明属于激光器领域，具体涉及一种基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器。


背景技术：

2.具有波长可控输出特性的超窄线宽光纤激光器因其具有相干长度长、光谱纯度高以及与其他光纤器件简单兼容等独特的优点而引起了人们的广泛关注。为了获得参数性能优越、结构紧凑且波长可调的光纤激光器的方法，人们进行了大量的研究。近年来，光纤激光器研究主要集中在具有长光纤谐振腔的单纵模光纤激光器上，其中线宽窄化效率取决于激光腔中光纤的长度。然而，具有太长的光纤谐振腔不可避免地耦合更多的环境噪声，并且更糟的是额外的频率边带。另外，也可通过采用短谐振腔的方法实现光纤激光器的单纵模运转，在此基础上利用伺服电路回馈的方式降低激光相位噪声，窄化激光线宽以提高激光相干性的目的。但是，这种激光频率稳定技术对实时匹配主腔激光波长变化的技术要求较高，因此在保证大范围且高性能波长调谐的激光输出中存在挑战。此外，这种技术结构复杂，成本较高，不利于高性能波长可调激光器的产业化发展。可见，现有光纤激光器在实现单纵模激光输出时，存在腔长长且引入噪声多或者虽腔长短但结构复杂、成本高的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器，以解决现有光纤激光器在实现单纵模激光输出时，存在的腔长长且引入噪声多或者虽腔长短但结构复杂、成本高的问题。
4.根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器，其特征在于，包括光纤激光器主腔和分布式外反馈结构，所述光纤激光器主腔包括增益光纤以及分别位于所述增益光纤两端的低反射率光纤反射镜和中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅，所述增益光纤在泵浦源的激励下产生自发辐射能量并将所述自发辐射能量传递给所述中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅，所述高反射率光纤布拉格光栅从所述自发辐射能量中选择出特定波长的辐射信号并将所述辐射信号传输给所述分布式外反馈结构；
5.所述分布式外反馈结构根据所述辐射信号产生分布反馈信号并将所述分布反馈信号反向传输回所述光纤激光器主腔，对所述光纤激光器主腔内所述辐射信号的性能参数进行极致调控，并且所述辐射信号在所述光纤激光器主腔内通过所述增益光纤不断增益放大，最终形成特定波长的单纵模超窄线宽激光从所述光纤激光器主腔输出。
6.在一种可选的实现方式中，所述分布反馈信号为具有连续相位变化特征和波长自适应特性的分布式弱散射信号。
7.在另一种可选的实现方式中，所述分布反馈信号实时自动匹配所述光纤激光器主腔内的共振模式，抑制所述光纤激光器主腔内的自发辐射，增强所述光纤激光器主腔内的
受激辐射，以对所述光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号的模式进行选择。
8.在另一种可选的实现方式中，所述分布反馈信号对所述特定波长的辐射信号进行微扰，使输出的单纵模激光的线宽得以压缩。
9.在另一种可选的实现方式中，所述分布反馈信号对所述特定波长的辐射信号进行微扰，使输出的单纵模激光的相位噪声和强度噪声得以降低。
10.在另一种可选的实现方式中，还包括波分复用耦合器，所述高反射率光纤布拉格光栅位于所述增益光纤的第一端侧，所述增益光纤的第二端通过该波分复用耦合器分别与泵浦源结构、分布式外反馈结构、低反射率光纤反射镜连接，所述泵浦源结构通过所述波分复用耦合器将所述泵浦源提供给所述增益光纤；
11.所述增益光纤在泵浦源的激励下，产生自发辐射能量并将所述自发辐射能量传递给所述中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅，所述高反射率光纤布拉格光栅从所述自发辐射能量中选择出特定波长的辐射信号并依次通过所述增益光纤、波分复用耦合器将所述辐射信号传输给所述分布式外反馈结构；
12.所述分布式外反馈结构根据所述辐射信号产生分布反馈信号并通过所述波分复用耦合器将所述分布反馈信号提供给所述增益光纤，对在所述增益光纤处进行增益放大的所述辐射信号的性能参数进行极致调控，最终在所述光纤激光器主腔内形成特定波长的单纵模超窄线宽激光，从所述低反射率光纤反射镜输出。
13.在另一种可选的实现方式中，还包括隔离器，所述低反射率光纤反射镜的输出端与所述隔离器连接，所述低反射率光纤反射镜通过所述隔离器将所述特定波长的单纵模超窄线宽激光输出。
14.在另一种可选的实现方式中，所述分布式外反馈结构为分布式高散射系数波导。
15.在另一种可选的实现方式中，所述增益光纤为高掺杂增益光纤。
16.在另一种可选的实现方式中，所述光纤激光器利用所述分布反馈信号对所述光纤激光器主腔内所述辐射信号的性能参数进行极致调控，在输出的超窄线宽单纵模激光的波长发生变化时，能实时自动匹配实现线宽深压缩。
17.本发明的有益效果是：
18.1、本发明增加了中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅，可以对增益光纤产生的自发辐射能量的波长进行选择，得到特定波长的辐射信号，即本发明激光器的输出激光波长在大范围内可调；本发明提出了一个独立运行的短腔光纤激光器主腔，其本身受环境影响较小，输出功率相对较为稳定，且该光纤激光器主腔仅由三个组件构成，大大简化了可调谐激光器主腔的结构；本发明还增加了分布式外反馈结构，分布式外反馈结构根据光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号产生分布反馈信号，利用分布反馈信号对特定波长的辐射信号的性能参数进行极致调控，以使光纤激光器主腔输出特定波长的超窄线宽单纵模激光，本发明中单纵模激光的输出以及线宽的压缩，均不再依赖于调节腔长，解决了实现单纵模输出时，采用单腔光反馈线宽压缩方式难以实现线宽极致压缩的问题，即利用分布反馈信号对选择出的特定波长的辐射信号进行性能参数调控，不仅可以实现单纵模激光输出，而且可以使线宽得到极致压缩，此外本发明激光器结构在输出激光波长发生变化时也能实时自动匹配实现线宽深压缩；本发明激光器所涉及的器件较少，结构简单，光纤激光器主腔中各个组件均由体积较小的光纤制成，如此便于激光器朝着集成式小型化发展，
并且分布外反馈结构可以规模化生产，在未来的产业化中可以降低其成本，为高性能单频光纤激光器的发展提供了新的视角，至此，通过本发明可以获得结构简单、成本低、输出激光性能参数好、波长可调、体积小便于集成、易操作、抗环境干扰能力强且结构稳定性好的激光器；
19.2、本发明设置有分布式外反馈结构，分布式外反馈结构根据选择出的特定波长的辐射信号产生分布反馈信号，并将分布反馈信号提供给光纤激光器主腔，由该分布反馈信号对光纤激光器主腔内的共振模式进行实时自动匹配，抑制光纤激光器主腔内的自发辐射，增强光纤激光器主腔内的受激辐射，由此实现了光纤激光器主腔内的模式选择，本发明模式选择方法并不依赖于光纤激光器主腔的腔长长短，而是利用分布反馈信号对光纤激光器主腔内选择出的辐射信号进行模式选择，因而本发明激光器结构在模式选择上更具普适性；
20.3、本发明利用分布反馈信号对光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号进行线宽压缩，不再依赖于调节腔长，并且在对不同波长的激光进行线宽深压缩时也不必实时调节腔长来进行线宽压缩匹配，因而本发明激光器结构在输出激光波长发生变化时也能实时自匹配实现线宽深压缩；
21.4、由于本发明线宽压缩不再依赖于调节腔长，同样地，实现单纵模激光输出时本发明也不再依赖于腔长的调节，因而本发明解决了实现单纵模输出时，采用单腔光反馈线宽压缩方式难以实现线宽极致压缩的问题，即利用分布反馈信号对主腔激光进行性能参数调控，不仅可以实现单纵模激光输出，而且可以使线宽得到极致压缩；
22.5、本发明所述分布反馈信号对所述光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号进行微扰，还可使所述单纵模激光的相位噪声和强度噪声得以降低，从而可以进一步提高输出的单纵模激光的参数性能，提高输出激光的相干性，并且本发明对模式选择、线宽压缩、降低相位噪声和强度噪声均具有普适性；
23.6、本发明通过设置波分复用耦合器，减少了激光器冗余的链路，使得激光器的结构更加紧凑，进一步提高了激光器的稳定性，并为朝着集成式小型化发展提供了方向；
24.7、本发明通过设置隔离器，可以防止外界其他散射光对主腔激光产生影响，从而可以保证分布反馈信号对主腔激光的调控效果；
25.8、本发明增益光纤为高掺杂增益光纤，用于提高其增益放大效果，缩短增益光纤长度，这样虽然便于激光器集成化小型化，但是腔长太短会导致输出的激光线宽较宽，相干性较低，本发明通过利用分布反馈信号可以对输出激光的线宽进行极致压缩，从而可以提高输出激光相干性，解决了激光器小型化与线宽压缩之间的矛盾。
附图说明
26.图1是本发明基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器的一个实施例结构示意图；
27.图2是本发明基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器的另一实施例结构示意图。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
29.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
30.参见图1，为本发明基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器的一个实施例结构示意图。该基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器可以包括光纤激光器主腔和分布式外反馈结构05，所述光纤激光器主腔包括增益光纤02以及分别位于所述增益光纤02两端的低反射率光纤反射镜06和中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅01，所述增益光纤02在泵浦源的激励下产生自发辐射能量并将所述自发辐射能量传递给所述中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅01，所述高反射率光纤布拉格光栅01从所述自发辐射能量中选择出特定波长的辐射信号并将所述辐射信号传输给所述分布式外反馈结构05；所述分布式外反馈结构05根据所述辐射信号产生分布反馈信号并将所述分布反馈信号反向传输回所述光纤激光器主腔，对所述光纤激光器主腔内所述辐射信号的性能参数进行极致调控，并且所述辐射信号在所述光纤激光器主腔内通过所述增益光纤02不断增益放大，最终形成特定波长的单纵模超窄线宽激光从所述光纤激光器主腔输出。
31.本实施例中，中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅01位于增益光纤02的第一端，低反射率光纤反射镜06位于增益光纤02的第二端。增益光纤02在泵浦源的激励下产生自发辐射能量并向两端传递自发辐射能量，自发辐射能量传递至中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅01后，高反射率光纤布拉格光栅01对自发辐射能量进行波长选择，选择出特定波长的辐射信号，并将辐射信号传输给增益光纤02的第一端，辐射信号在增益光纤02处发生受激增益放大，放大后的辐射信号从增益光纤02的第二端输出，其中一部分被传输给分布式外反馈结构05，另一部分被传输给低反射率光纤反射镜06。低反射率光纤反射镜06在接收到辐射信号后，将部分辐射信号反射回增益光纤02的第二端进行循环增益放大，部分辐射信号传输出去，分布式外反馈结构05在接收到辐射信号后，根据辐射信号产生分布反馈信号并反向传输回增益光纤02，该分布反馈信号对从增益光纤02的第一端和第二端输入的辐射信号的性能参数进行极致调控，而辐射信号在高反射率光纤布拉格光栅01和低反射率光纤反射镜06的共同作用下，在光纤激光器主腔内被增益光纤02不断增益放大，从而在低反射率光纤反射镜06处会输出性能参数得到极致调控的特定波长的超窄线宽单纵模激光。
32.其中，所述分布反馈信号可以为具有连续相位变化特征和波长自适应特性的分布式弱散射信号，其可以自动匹配选择出的辐射信号的波长并与光纤激光器主腔的腔模信号实现共振，泵浦源作为激励信号被提供给增益光纤02。分布反馈信号实时自动匹配所述光纤激光器主腔内的共振模式，抑制所述光纤激光器主腔内的自发辐射，增强所述光纤激光器主腔内的受激辐射，以对所述光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号的模式进行选择。传统地，在对激光单纵模进行选择时，通常采用短腔法。由谐振腔原理可知两相邻
纵模间的频率差，因此，纵模频率间隔和谐振腔的腔长成反比。要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使频率差的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度即可，因而选取不同的单纵模激光时，需要选用不同的腔长。本发明设置有分布式外反馈结构，分布式外反馈结构根据选择出的特定波长的辐射信号产生分布反馈信号，并将分布反馈信号提供给光纤激光器主腔，由该分布反馈信号对光纤激光器主腔内的共振模式进行实时自动匹配，抑制光纤激光器主腔内的自发辐射，增强光纤激光器主腔内的受激辐射，由此实现了光纤激光器主腔内的模式选择，本发明模式选择方法并不依赖于光纤激光器主腔的腔长长短，而是利用分布反馈信号对光纤激光器主腔内辐射信号进行模式选择，因而本发明激光器结构在模式选择上更具普适性。
33.另外，本发明分布式外反馈结构产生的分布反馈信号可以是瑞利散射信号，相比于光纤激光器主腔内产生的主腔激光，分布反馈信号的强度很小，因而分布反馈信号只会作为激光参数调控信号，对光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号进行微扰，不会影响单纵模激光的输出，该微扰会使输出的单纵模激光的线宽得以压缩。传统地，在利用单腔光反馈来压缩线宽，提高输出激光相干性时，虽然固定的外腔反馈可以在一定程度上实现线宽压缩，并且通过增加腔长的方式也可以在一定程度上实现激光线宽压缩，但是增加腔长会引入新的共振模式，也更容易受到外界环境及热动力学噪声等的干扰，这些因素的存在使激光的线宽得不到极致压缩，从而限制了激光相干性的提高。本发明利用分布反馈信号对光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号进行线宽压缩，不再依赖于调节腔长，并且在对不同波长的激光进行线宽深压缩时也不必实时调节腔长来进行线宽压缩匹配，因而本发明激光器结构在输出的超窄线宽单纵模激光的波长发生变化时，也能实时自动匹配实现线宽深压缩。
34.由于本发明线宽压缩不再依赖于调节腔长，同样地，实现单纵模激光输出时本发明也不再依赖于腔长的调节，因而本发明解决了实现单纵模输出时，采用单腔光反馈线宽压缩方式难以实现线宽极致压缩的问题，即利用分布反馈信号对主腔激光进行性能参数调控，不仅可以实现单纵模激光输出，而且可以使线宽得到极致压缩。另外，所述分布反馈信号对所述光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号进行微扰，还可使所述单纵模激光的相位噪声和强度噪声得以降低，从而可以进一步提高了输出的单纵模激光的参数性能，提高输出激光的相干性，并且本发明对模式选择、线宽压缩、降低相位噪声和强度噪声均具有普适性。该分布式外反馈结构可以为分布式高散射系数波导，例如由具有分布式散射的微粒形成的高散射人工波导结构。
35.本实施例中，该增益光纤可以为高掺杂增益光纤，用于提高其增益放大效果，缩短增益光纤的长度，这样虽然便于激光器集成化小型化，但是腔长太短会导致输出的激光线宽较宽，相干性较低。本发明通过利用分布反馈信号可以对输出激光的线宽进行极致压缩，从而可以提高输出激光相干性，解决了激光器小型化与线宽压缩之间的矛盾。
36.由上述实施例可见，本发明增加了中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅，可以对增益光纤产生的自发辐射能量的波长进行选择，得到特定波长的辐射信号，即本发明激光器的输出激光波长在大范围内可调；本发明提出了一个独立运行的短腔光纤激光器主腔，其本身受环境影响较小，输出功率相对较为稳定，且该光纤激光器主腔仅由三个组件构成，大大简化了可调谐激光器主腔的结构；本发明还增加了分布式外反馈结构，分布式外反
馈结构根据光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号产生分布反馈信号，利用分布反馈信号对特定波长的辐射信号的性能参数进行极致调控，以使光纤激光器主腔输出特定波长的单纵模超窄线宽激光，本发明中单纵模激光的输出以及线宽的压缩，均不再依赖于调节腔长，解决了实现单纵模输出时，采用单腔光反馈线宽压缩方式难以实现线宽极致压缩的问题，即利用分布反馈信号对选择出的特定波长的辐射信号进行性能参数调控，不仅可以实现单纵模激光输出，而且可以使线宽得到极致压缩，此外本发明激光器结构在输出激光波长发生变化时也能实时自匹配实现线宽深压缩；本发明激光器所涉及的器件较少，结构简单，光纤激光器主腔中各个组件均由体积较小的光纤制成，如此便于激光器朝着集成式小型化发展，并且分布外反馈结构可以规模化生产，在未来的产业化中可以降低其成本，为高性能单频光纤激光器的发展提供了新的视角，至此，通过本发明可以获得结构简单、成本低、输出激光性能参数好、波长可调、体积小便于集成、易操作、抗环境干扰能力强且结构稳定性好的激光器。
37.参见图2，为本发明基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器的另一实施例结构示意图。图2与图1所示实施例的区别在于，该基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器还可以包括波分复用耦合器03，所述高反射率光纤布拉格光栅01位于所述增益光纤02的第一端侧，所述增益光纤02的第二端通过该波分复用耦合器03分别与泵浦源结构04、分布式外反馈结构05、低反射率光纤反射镜06连接，所述泵浦源结构04通过所述波分复用耦合器03将所述泵浦源提供给所述增益光纤02；所述增益光纤02在泵浦源的激励下，产生自发辐射能量并将所述自发辐射能量传递给所述中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅01，所述高反射率光纤布拉格光栅01从所述自发辐射能量中选择出特定波长的辐射信号并依次通过所述增益光纤02、波分复用耦合器03将所述辐射信号传输给所述分布式外反馈结构05；所述分布式外反馈结构05根据所述辐射信号产生分布反馈信号并通过所述波分复用耦合器03将所述分布反馈信号提供给所述增益光纤02，对在所述增益光纤处进行增益放大的所述辐射信号的性能参数进行极致调控，最终在所述光纤激光器主腔内形成特定波长的单纵模超窄线宽激光，从所述低反射率光纤反射镜06输出。其中，该波分复用耦合器可以为集成式波分复用耦合器，可实现上述信号转发复用功能的波分复用耦合器有很多，在此不再对其结构予以赘述。本发明通过设置波分复用耦合器，减少了激光器冗余的链路，使得激光器的结构更加紧凑，进一步提高了激光器的稳定性，并为朝着集成式小型化发展提供了方向。
38.另外，图2与图1所示实施例的区别在于，该基于分布式外反馈的波长可调超窄线宽集成式光纤激光器还可以包括隔离器07，所述低反射率光纤反射镜06的输出端与所述隔离器07连接，所述低反射率光纤反射镜06通过所述隔离器07将所述特定波长的超窄线宽单纵模激光输出。本发明通过设置隔离器，可以防止外界其他散射光对辐射信号产生影响，从而可以保证分布反馈信号对选择出的特定波长辐射信号的调控效果。
39.由上述实施例可见，本发明增加了中心波长可调的高反射率光纤布拉格光栅，可以对增益光纤产生的自发辐射能量的波长进行选择，得到特定波长的辐射信号，即本发明激光器的输出激光波长在大范围内可调；本发明提出了一个独立运行的短腔光纤激光器主腔，其本身受环境影响较小，输出功率相对较为稳定，且该光纤激光器主腔仅由三个组件构成，大大简化了可调谐激光器主腔的结构；本发明还增加了分布式外反馈结构，分布式外反
馈结构根据光纤激光器主腔内选择出的特定波长的辐射信号产生分布反馈信号，利用分布反馈信号对特定波长的辐射信号的性能参数进行极致调控，以使光纤激光器主腔输出特定波长的单纵模超窄线宽激光，本发明中单纵模激光的输出以及线宽的压缩，均不再依赖于调节腔长，解决了实现单纵模输出时，采用单腔光反馈线宽压缩方式难以实现线宽极致压缩的问题，即利用分布反馈信号对选择出的特定波长的辐射信号进行性能参数调控，不仅可以实现单纵模激光输出，而且可以使线宽得到极致压缩，此外本发明激光器结构在输出激光波长发生变化时也能实时自动匹配实现线宽深压缩；本发明激光器所涉及的器件较少，结构简单，光纤激光器主腔中各个组件均由体积较小的光纤制成，如此便于激光器朝着集成式小型化发展，并且分布外反馈结构可以规模化生产，在未来的产业化中可以降低其成本，为高性能单频光纤激光器的发展提供了新的视角，至此，通过本发明可以获得结构简单、成本低、输出激光性能参数好、波长可调、体积小便于集成、易操作、抗环境干扰能力强且结构稳定性好的激光器。
40.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
41.应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。