專利名稱：波長可調諧的隨機光纖激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在光纖中的分布式瑞利散射經拉曼放大后形成激光的系統。特別地涉及通過產生可控的分布式拉曼增益而產生可調諧的隨機光纖激光。與傳統的光纖激光器相比，該系統沒有激光諧振腔，屬于新型激光器件領域。
背景技術：
在文獻中 Sergei K. Turitsyn, Sergey A. Babin, Atalla Ε.El-Taher, Paul Harper, Dmitriy V. Churkin, Sergey I. Kablukov, Juan Diego Ania—Castanon, Vassilis Karalekas and Evgenii V. Podivilov. Random distributed feedback fibre laser. Nature Photon. 2010，4，231-235中介紹一種隨機光纖激光器系統。在該系統中兩束等功率的1455nm的泵浦光從從光纖的中點處沿相反方向耦合進光纖(光纖的總長度是83km。在光纖中傳輸的光子由于折射率不均勻發生相干散射，形成了分布式的瑞利散射(RS，其中少數瑞利后向散射的光子沿著光纖傳輸。泵浦光沿著光纖提供了分布式拉曼增益。當總增益大于總損耗時瑞利后向散射的光被放大，形成隨機激光從光纖的兩端射出，出射激光的波長是 1550nm。此技術的問題和不足是1.波長問題。由于系統采用的波長為1455nm的泵浦源，所以瑞利后向散射光經過一級拉曼放大后產生的隨機激光波長為固定的1550nm。2.激光器的斜率效率問題。該系統中拉曼泵浦光經拉曼放大后剩余的光雖然有部分利用，但不是全部利用，不利于提高激光器的量子效率。3.拉曼增益譜的形狀固定不變問題。上述系統中拉曼增益譜形狀是固定的，一方面使得激光器的閾值較高，達到了 1. 6W，所以必須想辦法降低閾值。另一方面也不利于進一步研究這種新型的隨機激光的動力學特性。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述隨機激光器的不足，提出了基于對級聯的分布式拉曼放大的增益和增益譜形狀進行控制以實現波長可調諧的隨機光纖激光器的方法。采用高功率波長可調諧激光器作為泵浦源，低能量波長可調諧激光器作為種子源，一方面可以在通信窗口內獲得波長可連續調諧的隨機激光，另一方面可以動態的控制拉曼增益的幅度和拉曼增益譜的形狀等，對深入研究隨機激光的動力學特性具有更好的靈活性和可操作性。同時，可以降低隨機激光的閾值和提高激光的輸出功率。還通過附加反射器，對拉曼泵浦光和一級種子光的剩余能量重復利用，提高了隨機激光器的斜率效率。本發明的基本思想如下本發明提供了一種以光纖作為增益介質的隨機光纖激光器系統。采用級聯的分布式拉曼放大方案，由高功率波長可調諧激光器作為第一泵浦源通過級聯多級低能量的波長可調諧的種子源激光器，產生分布式拉曼放大光，光纖中產生的分布式瑞利后向散射光，經過多級拉曼放大后產生隨機激光。第一種子源激光器的頻率比第一泵浦源激光器的頻率下移一個拉曼頻移，例如13THz (設為光纖中的拉曼頻移，一般與光纖種類有關，對于不同的光纖拉曼頻移會有變化，第二種子源激光器的頻率比第一種子源的激光頻率下移13THz， 以此類推，最終輸出的隨機激光的頻率是最后一級種子源激光的頻率下移13THz以后的結果。這種泵浦方法中可以通過控制泵浦光和種子光的波長，達到動態控制隨機激光的波長的目的。還可以通過附加種子源，控制拉曼增益的大小和拉曼增益譜的形狀，增加了系統的靈活性。還可以通過反饋拉曼作用后剩余的泵浦能量或種子光能量，提高輸出隨機激光的斜率效率。泵浦源的波長短于最終期望得到的隨機激光的波長，第一泵浦源通過和一系列低能量、低成本的種子源級聯作用后，發生一系列拉曼變換，最終在光纖中的分布式瑞利后向散射光經過連續拉曼頻移的高能量泵浦光的拉曼放大作用，形成隨機激光，從耦合器中輸
出O在進一步的實驗方案中，提供了一種系統，這種系統通過在作為激光增益介質的光纖的末端加上反射器，將第一次受激拉曼放大作用后第一泵浦光或第一種子光剩余的能量反饋回光纖中，經過再次的拉曼放大作用，在光纖中產生的分布式瑞利后向散射光經過拉曼放大后產生的隨機激光和之前產生的隨機激光一起從耦合器中輸出。這種方法提高了輸出隨機激光的斜率效率，使其高于30%，提高了能量利用率。在更進一步的實驗方案中，選一個比第一種子源波長小的波長可調諧的低能量源作為附加種子源和其他各級種子源一起被發射到光纖中。這樣，在拉曼放大過程中，附加的額外種子源可以擴寬拉曼增益譜，而且，拉曼增益譜的形狀可以通過改變附加的低能量種子源來動態的調節和控制。在上述幾種特殊的實例方案中，都可以通過調諧泵浦源和種子源的波長，得到一定范圍內的波長可以連續改變的隨機激光。本發明的技術方案如下WDM是波分復用器。在圖1中，本發明提供的波長可調諧的隨機光纖激光器系統，其特征在于包括第一泵浦源1、第一種子源2、第二種子源組3、第一 WDM4、第二 WDM5、第三WDM6、耦合器7、光纖 8 ；通過光纖將第一泵浦源1與第一 WDM4連接，第一 WDM4和第一種子源2 —起與第二 WDM5 連接，第二 WDM5和第二種子源組3 —起與第三WDM6連接，第三WDM6與耦合器7連接，耦合器7與光纖8的一端連接；第一泵浦源1、第一種子源2、第二種子源組3都是波長工作在單模光纖通信窗口的波長可調諧激光器。第一泵浦源1的能量要比第一種子源2、第二種子源組3的能量都要高。第二種子源組3是由多臺激光源組成的，其中每一臺激光源的頻率比前一臺激光源的頻率下移一個拉曼頻移，并且每臺激光源都通過第三WDM6耦合到光路中。第一種子源2的頻率比第一泵浦源1的頻率下移一個拉曼頻移；第二種子源組3 中的第一臺種子源的激光頻率比第一種子源2的頻率下移一個拉曼頻移；第二種子源組3 中第三臺激光源的頻率比第二臺激光源的頻率下移一個拉曼頻移；以此類推，第二種子源組3中的每一臺激光源的頻率都比前一臺種子源的頻率下移一個拉曼頻移，從而保證了在光纖中分布式拉曼增益的產生。耦合器7保證了將泵浦光和種子光耦合進光纖中。所有作為第一泵浦源1、第一種子源2和第二種子源組3的可調諧激光器的波長都工作在拉曼放大區域上，波長可以同步連續調諧，并在調諧中滿足拉曼放大的條件，這樣可以保證可調諧隨機激光的輸出。進一步，附加選用第四WDM9、第一反射器10。其中光纖8的一端和耦合器7相連， 第四WDM9連接到光纖8的另一端，第一反射器10和第四WDM9相連。通過調節第一反射器 10的波長與第一泵浦光1的波長相對應，第一反射器10反射第一級拉曼放大剩余的第一泵浦光1能量反饋回光纖中再次利用，選用的第一反射器10的峰值反射波長是可變的。進一步，附加選用第四WDM9、第二反射器11。其中光纖8的一端和耦合器7相連， 第四WDM9連接到光纖8的另一端，第二反射器11連接到第四WDM9。通過調節第二反射器 11的波長與第一種子光2的波長相對應，第二反射器11反射第一級拉曼放大剩余的第一種子光2的能量反饋回光纖中再次利用，選用的第二反射器11的峰值反射波長是可變的。進一步，附加選用第四WDM9、第一反射器10、第二反射器11。其中光纖8的一端和耦合器7相連，第四WDM9連接到光纖8的另一端，第一反射器10和第二反射器11 一起連接到第四WDM9。通過調節第一反射器10和第二反射器11的波長分別與第一泵浦光1和第一種子光2的波長相對應，第一反射器10和第二反射器11分別將第一級拉曼放大剩余的第一泵浦光1和第一種子光2能量反饋回光纖中再次利用，選用的第一反射器10和第二反射器11的峰值反射波長是可變的。在圖3中，附加選用第五WDM12、附加種子源組13。第五WDM12連接在第三WDM6和第二種子源組3之間，附加種子源組13是連接在第五WDM12上的。附加種子源組13是由一臺或多臺激光器組成的，附加種子源組13選用一臺波長在第一種子源2和第二種子源組 3之間波長的激光器，或者選用兩臺或兩臺以上波長在第一種子源2和第二種子源組3之間波長的激光器；并且附加種子源組13中的一臺或多臺激光器分別直接連接在第五WDM12 上或者每臺激光器通過WDM連接在第五WDM12上。選用的附加種子源組13中激光源可以控制和動態調整拉曼增益譜形狀和拉曼增益的強度。本發明中級聯的泵浦源和各級種子源中每一級的頻率都要比前一級的頻率下移一個拉曼頻移，在光纖中可形成分布式的拉曼增益，通過同步連續調諧泵浦源和各級種子源的波長，可以調諧在光纖中形成的隨機激光的波長。并且通過控制附加種子源的波長和能量可以控制拉曼增益譜的形狀和增益強度。方案中的反射器可以提高整個隨機激光系統的斜率效率。本發明的有益效果主要有一、本發明采用波長可調諧激光器作為泵浦源和種子源，通過同步調諧泵浦源和種子源的波長，可以實現隨機激光器的波長連續可調諧。二、本系統通過增加反射器，可以提高隨機激光系統的斜率效率，高于30%，節約能源。三、本系統通過附加種子源組可以擴寬拉曼增益譜，控制拉曼增益譜形狀和增益強度，在一定程度上可以降低激光器的閾值，低于1.6W，提高隨機激光的輸出功率。拉曼增益譜的動態可控調節，有利于深入研究隨機激光的動力學特性。
圖1至圖3是發明技術系統原理圖。圖中1.第一泵浦源、2.第一種子源、3.第二種子源組、4.第一WDM(波分復用器、 5.第二 WDM、6.第三WDM、7.耦合器、8.光纖、9.第四WDM、10.第一反射器、11.第二反射器、 12.第五WDM、13.附加種子源組。
具體實施例方式下面結合附圖1至圖3對系統的具體實施方式
進行詳細的描述本發明中的波長可調諧隨機激光器系統，系統圖參見圖1至圖3，包括第一泵浦源 1、第一種子源2、第二種子源組3、第一 WDM4、第二 WDM5、第三WDM6、耦合器7、光纖8、第四 WDM9、第一反射器10、第二反射器11、第五WDM12、附加種子源組13。在圖1中，通過光纖將第一泵浦源1與第一 WDM4連接，第一 WDM4和第一種子源2 一起與第二 WDM5連接，第二 WDM5和第二種子源組3 —起與第三WDM6連接，第三WDM6與耦合器7連接，耦合器7與光纖8連接。將高功率波長可調諧激光器的第一泵浦源1和低能量波長可調諧激光器的第一種子源2和第二種子源組3 —起發射到光纖8中。經過多級拉曼放大，其中第一級拉曼放大是由第一泵浦源1與第一種子源2產生的；第二級拉曼放大是由第一種子源2與第二種子源組3中頻率緊鄰第一種子源2的激光產生的；第三級拉曼放大是由第二種子源組3中的頻率相鄰的兩個激光器源產生的。拉曼放大的級數是由第二種子源組中的激光器的個數決定的。每級拉曼放大都比前一級的光頻率向下頻移13THz，最后在光纖8中產生了分布式的拉曼放大光，分布式的瑞利后向散射光經過拉曼放大后成為隨機激光從耦合器7中輸出。例如，第一泵浦源1發出的波長為1276nm的高能量激光經過第一 WDM4進入到光纖中，和經第二 WDM5輸出的第一種子源2發出的波長為1355nm低能量種子光在光纖8中相遇并發生受激拉曼散射相互作用，經過拉曼放大后，第一泵浦源1的 1276nm的部分高能量激光向下頻移13THz變為1355nm的激光，與經過第三WDM6的第二種子源組3發出的波長為1455nm的低能量種子光在光纖8中相遇并發生相互作用，經過拉曼放大作用后，1355nm激光的部分能量向下頻移13THz，變為1455nm的激光，在光纖8中產生的分布式瑞利后向散射光經過拉曼放大后，向下頻移13THz，變為1550nm的隨機激光沿著與泵浦光相反方向從光纖中通過耦合器7輸出。這時如果同步調諧第一泵浦源1的1276nm 激光、第一種子源1355nm激光和第二種子源1455nm激光的輸出波長，并使他們分別滿足級聯拉曼放大的波長條件，就可以實現在1550nm附近的波長可調諧的隨機激光輸出。在圖2中，通過光纖將第一泵浦源1與第一 WDM4連接，第一 WDM4和第一種子源2 一起與第二 WDM5連接，第二 WDM5和第二種子源組3 —起與第三WDM6連接，第三WDM6與耦合器7連接，耦合器7與光纖8的一端連接，在光纖8的另一端通過第四WDM9加了第一反射器10和第二反射器11，他們的作用是將整個系統在第一次拉曼作用后剩余的第一泵浦光1和第一種子光2的能量再反射回光纖8中，再次和第一種子源2、第二種子源組3發生拉曼放大作用，與之前產生的隨機激光一起沿著光纖8從耦合器7輸出，這樣可以提高整個隨機激光系統的斜率效率。例如，在與隨機激光輸出端相反的光纖8的另一端附加反射光波長為1276nm和1355nm的兩塊反射型光纖光柵，第一級拉曼放大作用后剩余的第一泵浦光和第二種子光的能量被兩塊反射光柵反饋回光纖，重新發生拉曼放大作用。因為隨機激光的輸出波長為1550nm，所以這兩塊光柵對于隨機光纖激光器是不構成腔的，所以這兩塊光纖光柵只是起到重復利用第一泵浦光和第一種子光能量的作用。在圖3中，通過光纖將第一泵浦源1與第一 WDM4連接，第一 WDM4和第一種子源2 一起與第二 WDM5連接，第二 WDM5和第二種子源組3 —起與第三WDM6連接，第三WDM6與耦合器7連接，耦合器7與光纖8連接，第三WDM6與第五WDM12連接，通過第五WDM12加了一個附加種子源組13作為額外的種子源，附加種子源組可以由多臺低能量可調諧激光器組成，每臺激光器都會通過一個附加的WDM連接到光路中，它們的波長處于每一級拉曼相互作用的兩個激光波長的中間，目的是為了擴寬拉曼增益譜的帶寬、調控拉曼增益譜的形狀和改變拉曼增益強度。例如，第一泵浦源1發出波長為1276nm的高能量光，在第一級拉曼轉換中變為1355nm高能量光，第二種子源組3的波長為1455nm，附加種子源組13中的波長如果處在第二級拉曼的兩個波長之間，如果為1410nm，這樣在第二級拉曼轉換中，1355nm 的高能量的轉換就在HlOnm和1455nm之間被共享，可以使這兩個波長達到高能量，從而擴寬了拉曼增益譜寬，并且通過控制低能量種子源的強度，可以動態的控制拉曼增益譜的形狀和拉曼增益強度，在一定程度上降低了隨機激光器的閾值，使其低于1. 6W，并提高輸出功率。為了舉例說明本發明的實現，描述了上述的具體實例。但本發明的其他變化和修改，對本領域技術人員是顯而易見的，在本發明無公開內容的實質和基本原則范圍內的任何修改/變化或仿效變換都屬于本發明的權利要求保護范圍。
權利要求
1.波長可調諧的隨機光纖激光器系統，其特征在于包括第一泵浦源(1)、第一種子源(2)、第二種子源組(3)、第一WDM、第二 WDM(5)、第三WDM(6)、耦合器(7)、光纖(8)；通過光纖將第一泵浦源(1)與第一 WDM(4)連接，第一 WDM(4)和第一種子源( 一起與第二 WDM (5)連接，第二 WDM (5)和第二種子源組(3) —起與第三WDM (6)連接，第三WDM (6)與耦合器(7)連接，耦合器(7)與光纖(8)的一端連接；第一泵浦源(1)、第一種子源O)、第二種子源組C3)都是波長工作在單模光纖通信窗口的波長可調諧激光器；第一泵浦源(1)的能量要比第一種子源O)、第二種子源組(3)的能量都要高；第二種子源組C3)是由多臺激光源組成的，其中每一臺激光源的頻率比前一臺激光源的頻率下移一個拉曼頻移，并且每臺激光源都通過第三WDM(6)耦合到光路中；第一種子源O)的頻率比第一泵浦源(1)的頻率下移一個拉曼頻移；第二種子源組(3)中的第一臺種子源的激光頻率比第一種子源O)的頻率下移一個拉曼頻移；第二種子源組(3)中第三臺激光源的頻率比第二臺激光源的頻率下移一個拉曼頻移；以此類推，第二種子源組(3)中的每一臺激光源的頻率都比前一臺種子源的頻率下移一個拉曼頻移。
2.根據權利要求1所述的波長可調諧的隨機光纖激光器系統，其特征在于附加選用第四WDM(9)、第一反射器(10)；其中光纖⑶的一端和耦合器(7)相連，第四WDM(9)連接到光纖(8)的另一端，第一反射器(10)和第四WDM(9)相連；第一反射器(10)的波長與第一泵浦光(1)的波長相同。
3.根據權利要求1所述的波長可調諧的隨機光纖激光器系統，其特征在于附加選用第四WDM(9)、第二反射器(11)；其中光纖⑶的一端和耦合器(7)相連，第四WDM(9)連接到光纖⑶的另一端，第二反射器(11)連接到第四WDM(9)；調節第二反射器(11)的波長與第一種子光O)的波長相同。
4.根據權利要求1所述的波長可調諧的隨機光纖激光器系統，其特征在于附加選用第四WDM(9)、第一反射器(10)、第二反射器(11)；其中光纖(8)的一端和耦合器(7)相連， 第四WDM(9)連接到光纖(8)的另一端，第一反射器(10)和第二反射器(11) 一起連接到第四WDM(9)；第一反射器(10)和第二反射器(11)的波長分別與第一泵浦光(1)和第一種子光O)的波長相同。
5.根據權利要求1所述的波長可調諧的隨機光纖激光器系統，其特征在于附加選用第五WDM(12)、附加種子源組(13)；第五WDM(12)連接在第三WDM(6)和第二種子源組(3) 之間，附加種子源組(1 是連接在第五WDM(U)上的；附加種子源組(1 是由一臺或多臺激光器組成的，附加種子源組(1 選用一臺波長在第一種子源( 和第二種子源組(3) 之間波長的激光器，或者選用兩臺或兩臺以上波長在第一種子源( 和第二種子源組(3) 之間波長的激光器；并且附加種子源組(1 中的一臺或多臺激光器分別直接連接在第五 WDM (12)上或者每臺激光器通過WDM連接在第五WDM(U)上。
全文摘要
本發明公開了波長可調諧的隨機光纖激光器系統，屬于激光器件領域。該系統通過將波長可調諧的第一泵浦源激光和一系列的低能量種子源激光注入到光纖中，經過一系列的拉曼放大作用，在傳輸光纖中產生分布式拉曼放大光，分布式瑞利后向散射光經過拉曼放大后形成了隨機激光。本發明中的隨機激光器可實現波長連續可調諧。在可選擇的方案中，本發明將第一泵浦源或第一種子源在第一次拉曼放大后剩余的能量反饋回光纖中并再次利用，提高了最終形成的隨機激光的斜率效率。該系統還可以通過附加種子光對拉曼增益和拉曼增益譜的形狀進行控制，降低激光器的閾值，提高輸出功率。
文檔編號H01S3/094GK102437500SQ20111039658
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者丁迎春, 孟慶云, 滕瑞新, 許海軍, 陳露露 申請人:北京化工大學