基于分布式外反馈的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超窄线宽集成式光纤激光器。


背景技术：

2.窄线宽激光器具有光束质量高、频率稳定性好等特点，在各种先进的激光应用中具有很大的吸引力。例如光通信、光学精密测量和医疗诊断等领域，都需要高相干可调激光器来优化其参数性能。在大多数情况下，人们会使用具有优良单色性的激光器来满足这些需求。然而，目前激光器的增益谱中会产生大量密集的纵模振荡，原因在于纵模间隔较窄，模间增益和损耗差很小，因而大量的纵向模式被激活，模式竞争使激光器难以实现单纵模运行。当前为实现单纵模激光输出，最常用的一个方法是缩短激光器主腔(即谐振腔)的腔长，增大激光的自由光谱区以抑制均匀增益展宽效应所产生的模态竞争。
3.此外，光谱线宽作为表征光源相干性的关键参数之一，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。为了获得高相干光源，已经提出了许多激光配置方式，主要有两种类型，即外部电路控制和光反馈。对于外部电路控制，相干性的提高主要依赖于电反馈的激光稳频技术，但受到外部控制元件和光源运行环境的限制，这种激光稳频技术结构复杂，成本高，不利于激光的大规模集成开发。单腔光反馈方法基于固定的外腔，主要依靠增加腔长来提高激光源的相干性。但是，增加腔长会引入新的共振纵向模式，也容易受到环境因素、热动力学噪声等干扰，这些干扰可能会限制激光相干性的进一步提高。
4.由上述可知，为实现单纵模激光输出，需要缩短激光器主腔的腔长，而利用单腔光反馈来压缩线宽，提高输出激光相干性时，需要增加腔长且腔长的增加会引入其他干扰因素，使线宽不能得到极致压缩。可见，目前激光器采用光反馈来压缩线宽的方法，与实现单纵模激光输出的方法存在不可调和的矛盾，在实现单纵模输出的同时，采用单腔光反馈线宽压缩方式难以实现线宽极致压缩。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于分布式外反馈的超窄线宽集成式光纤激光器，以解决目前激光器在实现单纵模输出的同时，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。
6.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超窄线宽集成式光纤激光器，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在泵浦源的激励下，产生主腔激光并将所述主腔激光提供给所述分布式外反馈结构，所述分布式外反馈结构根据所述主腔激光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；所述分布反馈信号对所述主腔激光的性能参数进行极致调控，以使所述光纤激光器主腔输出超窄线宽单纵模激光。
7.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的分布式
弱散射信号。
8.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产生的主腔激光的模式进行选择。
9.在另一种可选的实现方式中，所述分布反馈信号对所述光纤激光器主腔内产生的主腔激光进行微扰，使输出的单纵模激光的线宽得以压缩。
10.在另一种可选的实现方式中，所述分布反馈信号对所述光纤激光器主腔内产生的主腔激光进行微扰，使输出的单纵模激光的相位噪声和强度噪声得以降低。
11.在另一种可选的实现方式中，还包括波分复用耦合器，所述光纤激光器主腔的一输入输出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光纤激光器主腔；
12.所述光纤激光器主腔在泵浦源的激励下，产生主腔激光并通过所述波分复用耦合器将所述主腔激光提供给所述分布式外反馈结构，所述分布式外反馈结构根据所述主腔激光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光纤激光器主腔；
13.所述光纤激光器主腔通过所述波分复用耦合器将所述超窄线宽单纵模激光输出。
14.在另一种可选的实现方式中，还包括隔离器，所述光纤激光器主腔的该输入、输出端通过该波分复用耦合器与所述隔离器连接，所述光纤激光器主腔依次通过所述波分复用耦合器、隔离器将所述超窄线宽单纵模激光输出。
15.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。
16.在另一种可选的实现方式中，所述光纤激光器主腔采用高掺杂光纤作为增益介质。
17.在另一种可选的实现方式中，所述光纤激光器主腔为高掺杂π相移光纤光栅。
18.本发明的有益效果是：
19.1、本发明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提供的主腔激光产生分布反馈信号，利用分布反馈信号对所述主腔激光的性能参数进行极致调控，以使光纤激光器主腔输出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，本发明激光器所涉及的器件较少，结构简单，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；
20.2、本发明设置有分布式外反馈结构，分布式外反馈结构根据光纤激光器主腔提供的主腔激光产生分布反馈信号，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，由此实现了主腔激光的模式选择，本发明模式选择方法并不依赖于激光器主腔的腔长长短，而是利用分布反馈信号对激光器主腔内产生的主腔激光进行模式选择，因而本发明模式选择方法使得激光器在结构上更具有普适性；
21.3、本发明利用分布反馈信号对光纤激光器主腔内的主腔激光进行线宽压缩，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；
22.4、所述分布反馈信号对所述光纤激光器主腔内产生的主腔激光进行微扰，还可使所述单纵模激光的相位噪声和强度噪声得以降低，容易隔绝环境因素和热力学噪声的干扰，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；
23.5、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；
24.6、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；
25.7、本发明将高掺杂π相移光纤光栅作为光纤激光器主腔，即采用较高掺杂浓度的光纤作为增益介质，并在增益介质上刻写π相移光栅，这在很大程度上简化了激光器主腔的结构，便于激光器朝着集成化小型化方向发展，并且采用高掺杂π相移光纤光栅作为光纤激光器主腔，可以进一步提高输出单纵模激光的性能参数。
附图说明
26.图1是本发明基于分布式外反馈的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集成式光纤超窄线宽激光器可以包括光纤激光器主腔01和分布式外反馈结构02，所述光纤激光器主腔01在泵浦源的激励下，产生主腔激光并将所述主腔激光提供给所述分布式外反馈结构02，所述分布式外反馈结构02根据所述主腔激光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01；所述分布反馈信号对所述主腔激光的性能参数进行极致调控，以使所述光纤激光器主腔01输出超窄线宽单纵模激光。
31.其中，所述分布反馈信号可以为具有连续相位变化特征的分布式弱散射信号，且
分布反馈信号可以为与输出单纵模激光波长匹配的腔模信号，泵浦源作为产生激光的激励信号被提供给光纤激光器主腔。所述分布反馈信号可以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产生的主腔激光的模式进行选择。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光纤激光器主腔提供的主腔激光产生分布反馈信号，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，由此实现了主腔激光的模式选择，本发明模式选择方法并不依赖于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产生的主腔激光进行模式选择，因而本发明模式选择方法使得激光器的结构在模式选择上更具有普适性。
32.另外，本发明分布式外反馈结构根据主腔激光产生反向传输回该光纤激光器主腔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产生的主腔激光进行微扰，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的主腔激光进行线宽压缩，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产生的主腔激光进行微扰，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。
33.由上述实施例可见，本发明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提供的主腔激光产生分布反馈信号，利用分布反馈信号对所述主腔激光的性能参数进行极致调控，以使光纤激光器主腔输出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，本发明激光器所涉及的器件较少，结构简单，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、体积小便于集成、易操作且抗环境干扰能力强的激光器。
34.参见图2，为本发明基于分布式外反馈的超窄线宽集成式光纤激光器的另一实例结构示意图。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超窄线宽激光器还可以包括波分复用耦合器03，所述光纤激光器主腔01的一输入输出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02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光纤激光器主腔01；所述光纤激光器主腔01在泵浦源的激励下，产生主腔激光并通过所述波分复用耦合器03将所述主腔激光提供给所述分布式外反馈结构02，所述分布式外反馈结构02根据所述主腔激光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光纤激光器主腔01；所述光纤激光器主腔01通过所述波分复用耦合器03将所述超窄线宽单纵模激光输出。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。
35.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超窄线宽激光器还可以包括隔离器05，所述光纤激光器主腔01的该输入输出端通过该波分复用耦合器03与所述隔离器05连接，所述光纤激光器主腔01依次通过所述波分复用耦合器03、隔离器05将所述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。
36.由上述实施例可见，本发明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提供的主腔激光产生分布反馈信号，利用分布反馈信号对所述主腔激光的性能参数进行极致调控，以使光纤激光器主腔输出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，采用固定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，本发明激光器所涉及的器件较少，结构简单，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、体积小便于集成、易操作且抗环境干扰能力强的激光器。
37.在上述两个实施例中，所述光纤激光器主腔可以采用高掺杂光纤作为增益介质，例如所述光纤激光器主腔可以为高掺杂π相移光纤光栅，其由刻写了π相移光栅且高掺杂的较短增益光纤构成，π相移光栅形成激光振荡的谐振腔。本发明将高掺杂π相移光纤光栅作为光纤激光器主腔，即采用较高掺杂浓度的光纤作为增益介质，并在增益介质上刻写π相移光栅，这在很大程度上简化了激光器主腔的结构，便于激光器朝着集成化小型化方向发展，并且采用高掺杂π相移光纤光栅作为光纤激光器主腔，可以进一步提高输出单纵模激光的性能参数。
38.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。
39.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。