产生宽带连续可调谐激光系统的制作方法

1.本发明涉及光纤激光技术领域，具体是涉及一种产生宽带连续可调谐激光系统。


背景技术：

2.通讯波段激光器通常工作在1.55至1.62μm范围的光谱区域内，超出该光谱覆盖范围的连续可调谐激光源有望扩展激光通讯和传感的应用领域。在1.7μm波长附近，可调谐激光器有助于提高光学断层成像的分辨率，促进激光成像技术在生物和医疗的发展；如果可调谐激光器的光谱覆盖范围能够覆盖1.65μm至1.96μm，则能够满足远距离和微量化学气体探测的需求。针对这些日益增长的应用需求，近年来，已经发展出多种可调谐光纤激光技术，推进连续可调谐激光器的发展。基于掺铥光纤的连续可调谐激光器可以覆盖1.66至1.72μm范围内光谱区域；进一步对掺铥光纤的共掺离子进行优化，加入锗离子可以将掺铥光纤的光谱调谐范围向短波范围拓展，获得1.62至1.66μm之间的连续可调谐光纤激光器。另外一种获得覆盖超过1.60μm波长光纤激光的方法是使用掺铋光纤。通常铝硅酸盐基质掺铋光纤能够提供1.15μm的激光输出，而磷硅酸盐基质掺铋光纤则可以支持1.35μm波长的激光产生。值得注意的是掺杂锗硅酸盐的掺铋光纤，在长波长泵浦激光的激发下有潜力产生更长波长的激光输出。虽然上述两种稀土掺杂光纤可以提供宽带的激光输出，但是在现有技术框架下，在同一激光谐振腔内，产生兼顾两个输出波段的可调谐激光，仍然缺乏可靠的技术手段和方法。这种技术的限制一方面来源于稀土掺杂离子的吸收和激发特性，另一方面，广泛使用的驻波腔激光器结构对多种激光增益介质的融合使用设置了先天障碍。
3.因此基于上述问题，亟待发展一种能兼顾多种增益介质的光纤激光腔结构，解决现有的技术瓶颈。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种产生宽带连续可调谐激光系统，通过利用环形腔激光器支持多个激光模式并联产生和传输的特点，使用单个波长可调谐器件对激光环形腔结构内的激光波长进行选择调节，实现宽带连续可调谐激光输出。
5.第一方面，提供一种产生宽带连续可调谐激光系统，包括：
6.波长可调谐器件，用于对激光波长进行调节；
7.第一激光环形腔结构，与所述波长可调谐器件连接，用于输出长波段激光；
8.第二激光环形腔结构，与所述第一激光环形腔结构及所述波长可调谐器件连接，用于输出中波段激光；以及，
9.第三激光环形腔结构，与所述第一激光环形腔结构、所述第二激光环形腔结构及所述波长可调谐器件连接，用于输出短波段激光。
10.在一些实施例中，所述第一激光环形腔结构包括：第一泵浦激光器、第一波分复用器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、环形器、波长可调谐器件、第二波分复用器、第三波
分复用器以及掺铥光纤；
11.所述第一泵浦激光器与所述第一波分复用器的泵浦端连接，所述第一波分复用器的信号端与所述第一光纤耦合器的第一输入端连接，所述第一光纤耦合器的输出端与所述第二光纤耦合器的第一输入端连接，所述第二光纤耦合器的输出端与环形器的输入端连接，所述环形器的第一输出端与波长可调谐器件连接，所述环形器的第二输出端与所述第二波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的第一输出端与所述第三波分复用器的输入端连接，所述第三波分复用器的第一输出端与所述掺铥光纤的输入端连接，所述掺铥光纤的输出端与所述第一波分复用器的公共端连接；
12.其中，在所述第一激光环形腔结构中，所述第二光纤耦合器的波长可调谐输出端输出长波段激光。
13.在一些实施例中，所述第二激光环形腔结构包括：第二泵浦激光器、所述第一光纤耦合器、所述第二光纤耦合器、所述环形器、所述波长可调谐器件、所述第二波分复用器、所述第三波分复用器、掺铋光纤以及第四波分复用器；
14.所述第二泵浦激光器与所述第四波分复用器的泵浦端连接，所述第四波分复用器的信号端与所述第一光纤耦合器的第二输入端连接；
15.所述第三波分复用器的第二输出端与所述掺铋光纤的输入端连接，所述掺铋光纤的输出端与所述第四波分复用器的公共端连接；
16.其中，在所述第二激光环形腔结构中，所述第二光纤耦合器的波长可调谐输出端输出中波段激光。
17.在一些实施例中，所述第三激光环形腔结构包括：第三泵浦激光器、所述第二光纤耦合器、所述环形器、所述波长可调谐器件、所述第二波分复用器、掺铒光纤以及第五波分复用器；
18.所述第三泵浦激光器与所述第五波分复用器的泵浦端连接，所述第五波分复用器的信号端与所述第二光纤耦合器的第二输入端连接；
19.所述第二波分复用器的第二输出端与所述掺铒光纤的输入端连接，所述掺铒光纤的输出端与所述第五波分复用器的公共端连接；
20.其中，在所述第三激光环形腔结构中，所述第二光纤耦合器的波长可调谐输出端输出短波段激光。
21.在一些实施例中，所述长波段激光为1.80μm-1.98μm波段激光;所述中波段激光为1.60-1.80μm波段激光;所述短波段激光为1.54-1.60μm波段激光。
22.在一些实施例中，所述波长可调谐器件包括与所述环形器的第一输出端连接的准直透镜，设于所述准直透镜的激光输出端一侧的衍射光栅，以及设于所述衍射光栅的底部、且驱动所述衍射光栅旋转的旋转装置。
23.在一些实施例中，所述波长可调谐器件包括与所述环形器的第一输出端连接的准直透镜，设于所述准直透镜的激光输出端一侧的体光栅，以及对所述体光栅进行周期结构调控的温度调节器。
24.与现有技术相比，本发明通过利用环形腔激光器支持多个激光模式并联产生和传输的特点，第一激光环形腔结构、第二激光环形腔结构及第三激光环形腔结构中的各种增益介质采用串并联连接的方式，再使用单个波长可调谐器件对激光环形腔结构内的激光波
长进行选择调节，实现宽带连续可调谐激光输出，即第一激光环形腔结构输出长波段激光，第二激光环形腔结构输出中波段激光，第三激光环形腔结构输出短波段激光。
附图说明
25.图1是本发明一种产生宽带连续可调谐激光系统的结构示意图；
26.图2是本发明一种波长可调谐器件的结构示意图。
27.附图标号：
28.101、第一泵浦激光器；102、第一波分复用器；103、掺铥光纤；104、第一光纤耦合器；105、第二光纤耦合器；106、波长可调谐输出端；107、环形器；108、波长可调谐器件；109、第二波分复用器；110、第三波分复用器；111、第二泵浦激光器；112、第四波分复用器；113、掺铋光纤；114、第三泵浦激光器；115、第五波分复用器；116、掺铒光纤；201、准直透镜；202、衍射光栅；203、旋转装置；204、体光栅；205、温度调节器。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.参见图1所示，本发明实施例提供一种产生宽带连续可调谐激光系统，包括：
31.波长可调谐器件108，用于对激光波长进行调节；
32.第一激光环形腔结构，与所述波长可调谐器件108连接，用于输出长波段激光；
33.第二激光环形腔结构，与所述第一激光环形腔结构及所述波长可调谐器件108连接，用于输出中波段激光；以及，
34.第三激光环形腔结构，与所述第一激光环形腔结构、所述第二激光环形腔结构及所述波长可调谐器件108连接，用于输出短波段激光。
35.具体的，本实施例中，由于可调谐光纤激光器的输出波长受到增益介质自发辐射带宽的限制，难以实现1.5-1.98μm光谱范围内的连续调谐输出；因此本发明通过利用环形腔激光器支持多个激光模式并联产生和传输的特点，第一激光环形腔结构、第二激光环形腔结构及第三激光环形腔结构中的各种增益介质采用串并联连接的方式，再使用单个波长可调谐器件108对激光环形腔结构内的激光波长进行选择调节，实现宽带连续可调谐激光输出，即第一激光环形腔结构输出长波段激光，第二激光环形腔结构输出中波段激光，第三激光环形腔结构输出短波段激光。
36.可选的，所述第一激光环形腔结构包括：第一泵浦激光器101、第一波分复用器102、第一光纤耦合器104、第二光纤耦合器105、环形器107、波长可调谐器件108、第二波分复用器109、第三波分复用器110以及掺铥光纤103；
37.所述第一泵浦激光器101与所述第一波分复用器102的泵浦端连接，所述第一波分复用器102的信号端与所述第一光纤耦合器104的第一输入端连接，所述第一光纤耦合器104的输出端与所述第二光纤耦合器105的第一输入端连接，所述第二光纤耦合器105的输出端与环形器107的输入端连接，所述环形器107的第一输出端与波长可调谐器件108连接，
所述环形器107的第二输出端与所述第二波分复用器109的输入端连接，所述第二波分复用器109的第一输出端与所述第三波分复用器110的输入端连接，所述第三波分复用器110的第一输出端与所述掺铥光纤103的输入端连接，所述掺铥光纤103的输出端与所述第一波分复用器102的公共端连接；
38.其中，在所述第一激光环形腔结构中，所述第二光纤耦合器105的波长可调谐输出端106输出长波段激光。
39.具体的，本实施例中，第一泵浦激光器101，可根据应用需求选择不同的激光器，用于泵浦掺铥光纤103，可以为793nm半导体激光器或1180nm光纤激光器或1567nm光纤激光器等。
40.第一光纤耦合器104，为三端口光纤器件，兼容1.54-1.94μm激光波段的耦合和分束。第二光纤耦合器105，为四端口光纤器件，兼容1.54-1.94μm波段的耦合和分束。
41.环形器107的输出端分别与第二波分复用器109及波长可调谐器件108连接，用于固定三个环形腔结构内激光的运行方向；
42.波长可调谐器件108属于反射式元件，具有波长选择性，在外部控制信号的控制下能够实现波长选择和连续调谐。
43.第一泵浦激光器101与第一波分复用器102连接，其公共端与掺铥光纤103连接，进行反向泵浦。一部分激光经过第一光纤耦合器104的第一输入端并在第二光纤耦合器105的波长可调谐输出端106输出1.80μm至1.98μm的可调谐激光；另外一部分激光则经过环形器107的输入端输入，经环形器107的第一输出端输入至波长可调谐器件108；剩余的1.80μm至1.98μm的可调谐激光经过第二波分复用器109和第三波分复用器110后耦合到掺铥光纤103中，形成1.8μm至1.98μm的可调谐环型腔-第一激光环形腔结构，因此，在第一激光环形腔结构中，第二光纤耦合器105的波长可调谐输出端106输出的长波段激光为1.80μm至1.98μm波段。
44.可选的，所述第二激光环形腔结构包括：第二泵浦激光器111、所述第一光纤耦合器104、所述第二光纤耦合器105、所述环形器107、所述波长可调谐器件108、所述第二波分复用器109、所述第三波分复用器110、掺铋光纤113第四波分复用器112；
45.所述第二泵浦激光器111与所述第四波分复用器112的泵浦端连接，所述第四波分复用器112的信号端与所述第一光纤耦合器104的第二输入端连接；
46.所述第三波分复用器110的第二输出端与所述掺铋光纤的输入端连接，所述掺铋光纤的输出端与所述第四波分复用器112的公共端连接；
47.其中，在所述第二激光环形腔结构中，所述第二光纤耦合器105的波长可调谐输出端106输出中波段激光。
48.具体的，本实施例中，第二泵浦激光器111，可根据应用需求选择不同的激光器，用于泵浦掺铋光纤，可以为1270nm半导体激光器或1540nm光纤激光器等。
49.第二泵浦激光器111通过第四波分复用器112的泵浦端耦合，其公共端与掺铋光纤连接，一部分激光经过第一光纤耦合器104的第二输入端耦合到第二光纤耦合器105的波长可调谐输出端106输出1.60μm至1.80μm的可调谐激光；另外一部分则经过环形器107的输入端输入，经环形器107的第一输出端输入至波长可调谐器件108，剩余的1.60μm至1.80μm的可调谐激光经过第二波分复用器109和第三波分复用器110后耦合到掺铋光纤中，形成1.60
μm至1.80μm的可调谐环型腔-第二激光环形腔结构；因此，在第二激光环形腔结构中，第二光纤耦合器105的波长可调谐输出端106输出中波段激光为1.60μm至1.80μm波段。
50.可选的，所述第三激光环形腔结构包括：第三泵浦激光器114、所述第二光纤耦合器105、所述环形器107、所述波长可调谐器件108、所述第二波分复用器109、掺铒光纤116以及第五波分复用器115；
51.所述第三泵浦激光器114与所述第五波分复用器115的泵浦端连接，所述第五波分复用器115的信号端与所述第二光纤耦合器105的第二输入端连接；
52.所述第二波分复用器109的第二输出端与所述掺铒光纤116的输入端连接，所述掺铒光纤116的输出端与所述第五波分复用器115的公共端连接；
53.其中，在所述第三激光环形腔结构中，所述第二光纤耦合器105的波长可调谐输出端106输出短波段激光。
54.可选的，所述长波段激光为1.80μm-1.98μm波段激光;所述中波段激光为1.60-1.80μm波段激光;所述短波段激光为1.54-1.60μm波段激光。
55.具体的，本实施例中，第二波分复用器109可以将环形腔内的激光信号分为1.54-1.60μm和1.60μm-1.98μm两个波段，长波段1.60μm-1.98μm进入第三波分复用器110，短波段1.54-1.60μm进入第五波分复用器115，形成产生短波段激光的第三激光环形腔结构；第三波分复用器110再将环形腔内的激光信号1.60μm-1.98μm分为1.60-1.80μm和1.80μm-1.98μm两个波段，长波段1.80μm-1.98μm进入掺铥光纤103中，形成产生长波段激光的第一激光环形腔结构，短波段1.60-1.80μm进入掺铋光纤中，形成产生中波段激光的第二激光环形腔结构。
56.波长可调谐器件108工作时，三个串并联第三激光环形腔结构内的运行方向如图1箭头所示。
57.因此，波长可调谐光纤激光器的输出波长受到增益介质自发辐射带宽的限制，难以实现1.54-198μm光谱范围内的连续调谐输出，因此本发明提出使用多种增益光纤并联的方式予以解决。并且利用掺铥和掺铋光纤吸收光谱，及掺铒光纤激发光谱重叠的特点，在环形腔内实现级联泵浦，提高激光器的光-光转换效率。
58.需要注意的是，其中第二波分复用器109可以将残余的1.54μm自发辐射光注入到第二环形腔内，用于泵浦掺铋光纤，而掺铋光纤产生的部分1.57μm自发辐射光则可以用于泵浦掺铥光纤103。实现残余自发辐射的再次利用。
59.由于如何实现宽波段的激光调谐，是获得覆盖1.54μm-1.98μm连续可调谐激光输出的的关键环节；因此波长可调谐器件108可有如下两种结构形式。
60.同时参见图2（a）所示，第一种结构形式，所述波长可调谐器件108包括与所述环形器107的第一输出端连接的准直透镜201，设于所述准直透镜201的激光输出端一侧的衍射光栅202，以及设于所述衍射光栅202的底部、且驱动所述衍射光栅202旋转的旋转装置203。
61.具体的，本实施例中，准直透镜201输出的激光经过衍射光栅202后，衍射光直接输出，其为可调谐激光器的输出端，而满足littrow角的反射光重新耦合进入准直透镜201中，回到激光环形腔结构内；通过控制旋转装置203的角度实现波长可调谐输出。
62.同时参见图2（b）所示，第二种结构形式，所述波长可调谐器件108包括与所述环形器107的第一输出端连接的准直透镜201，设于所述准直透镜201的激光输出端一侧的体光
栅204，以及对所述体光栅204进行周期结构调控的温度调节器205。
63.具体的，本实施例中，准直透镜201输出的激光经过体光栅204后，透射光直接输出，作为可调谐激光器的输出端，而经过体光栅204反射后的激光重新耦合进入准直透镜201中，回到激光腔内；通过改变温度控制器的稳定，实现体光栅204周期结构的调控，从而控制反射波长，获得波长可调谐输出。
64.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。
65.需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
66.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种产生宽带连续可调谐激光系统，其特征在于，包括：波长可调谐器件，用于对激光波长进行调节；第一激光环形腔结构，与所述波长可调谐器件连接，用于输出长波段激光；第二激光环形腔结构，与所述第一激光环形腔结构及所述波长可调谐器件连接，用于输出中波段激光；以及，第三激光环形腔结构，与所述第一激光环形腔结构、所述第二激光环形腔结构及所述波长可调谐器件连接，用于输出短波段激光；第一激光环形腔结构、第二激光环形腔结构及第三激光环形腔结构中的各种增益介质采用串并联连接的方式，再使用单个波长可调谐器件对激光环形腔结构内的激光波长进行选择调节，实现宽带连续可调谐激光输出。2.如权利要求1所述的产生宽带连续可调谐激光系统，其特征在于，所述第一激光环形腔结构包括：第一泵浦激光器、第一波分复用器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、环形器、波长可调谐器件、第二波分复用器、第三波分复用器以及掺铥光纤；所述第一泵浦激光器与所述第一波分复用器的泵浦端连接，所述第一波分复用器的信号端与所述第一光纤耦合器的第一输入端连接，所述第一光纤耦合器的输出端与所述第二光纤耦合器的第一输入端连接，所述第二光纤耦合器的输出端与环形器的输入端连接，所述环形器的第一输出端与波长可调谐器件连接，所述环形器的第二输出端与所述第二波分复用器的输入端连接，所述第二波分复用器的第一输出端与所述第三波分复用器的输入端连接，所述第三波分复用器的第一输出端与所述掺铥光纤的输入端连接，所述掺铥光纤的输出端与所述第一波分复用器的公共端连接；其中，在所述第一激光环形腔结构中，所述第二光纤耦合器的波长可调谐输出端输出长波段激光。3.如权利要求2所述的产生宽带连续可调谐激光系统，其特征在于，所述第二激光环形腔结构包括：第二泵浦激光器、所述第一光纤耦合器、所述第二光纤耦合器、所述环形器、所述波长可调谐器件、所述第二波分复用器、所述第三波分复用器、掺铋光纤以及第四波分复用器；所述第二泵浦激光器与所述第四波分复用器的泵浦端连接，所述第四波分复用器的信号端与所述第一光纤耦合器的第二输入端连接；所述第三波分复用器的第二输出端与所述掺铋光纤的输入端连接，所述掺铋光纤的输出端与所述第四波分复用器的公共端连接；其中，在所述第二激光环形腔结构中，所述第二光纤耦合器的波长可调谐输出端输出中波段激光。4.如权利要求2所述的产生宽带连续可调谐激光系统，其特征在于，所述第三激光环形腔结构包括：第三泵浦激光器、所述第二光纤耦合器、所述环形器、所述波长可调谐器件、所述第二波分复用器、掺铒光纤以及第五波分复用器；所述第三泵浦激光器与所述第五波分复用器的泵浦端连接，所述第五波分复用器的信号端与所述第二光纤耦合器的第二输入端连接；所述第二波分复用器的第二输出端与所述掺铒光纤的输入端连接，所述掺铒光纤的输出端与所述第五波分复用器的公共端连接；
其中，在所述第三激光环形腔结构中，所述第二光纤耦合器的波长可调谐输出端输出短波段激光。5.如权利要求1所述的产生宽带连续可调谐激光系统，其特征在于，所述长波段激光为1.80μm-1.98μm波段激光;所述中波段激光为1.60-1.80μm波段激光;所述短波段激光为1.54-1.60μm波段激光。6.如权利要求2所述的产生宽带连续可调谐激光系统，其特征在于，所述波长可调谐器件包括与所述环形器的第一输出端连接的准直透镜，设于所述准直透镜的激光输出端一侧的衍射光栅，以及设于所述衍射光栅的底部、且驱动所述衍射光栅旋转的旋转装置。7.如权利要求2所述的产生宽带连续可调谐激光系统，其特征在于，所述波长可调谐器件包括与所述环形器的第一输出端连接的准直透镜，设于所述准直透镜的激光输出端一侧的体光栅，以及对所述体光栅进行周期结构调控的温度调节器。

技术总结
本发明公开了一种产生宽带连续可调谐激光系统，包括波长可调谐器件、第一激光环形腔结构、第二激光环形腔结构及第三激光环形腔结构；波长可调谐器件用于对激光波长进行调节；第一激光环形腔结构与所述波长可调谐器件连接，用于输出长波段激光；第二激光环形腔结构与所述第一激光环形腔结构及所述波长可调谐器件连接，用于输出中波段激光；第三激光环形腔结构与所述第一激光环形腔结构、所述第二激光环形腔结构及所述波长可调谐器件连接，用于输出短波段激光。通过利用环形腔激光器支持多个激光模式并联产生和传输的特点，使用单个波长可调谐器件对激光环形腔结构内的激光波长进行选择调节，实现宽带连续可调谐激光输出。实现宽带连续可调谐激光输出。实现宽带连续可调谐激光输出。


技术研发人员：刘洋
受保护的技术使用者：武汉中科锐择光电科技有限公司
技术研发日：2023.09.12
技术公布日：2023/10/20