[发明专利]基于全光纤慢光元件的窄线宽单频光纤激光器

说明书

技术领域

本发明涉及窄线宽激光，特别是一种基于全光纤慢光元件的窄线宽单频光纤激光器。

背景技术

高光谱纯度是激光的一个基本特性。基于激光的极窄光谱线宽，国内外发展了一系列具有重要意义和经济价值的仪器装备。在光学干涉测量中，窄线宽意味着高的干涉对比度，大的相干长度和工作距离。在激光光谱技术中，窄线宽是提高监测精度和灵敏度的基本保证。在多种光纤传感器中，线宽大小决定了传感器的灵敏度。比如在光纤水听器中，窄线宽低噪声的光源是传感系统的核心。在冷原子物理中，窄线宽激光是实现原子冷却、原子囚禁和凝聚的基本工具。在相干光通信方面，窄线宽光源大大提高了光信息传输的容量和速度。因此窄线宽单频激光器一直是研究和开发的热点。

根据肖洛－汤斯的基本理论，激光器的线宽决定于谐振腔的Q值，即腔内能量与输出能量之比。要提高Q值，就必须延长腔内光子寿命。大的腔长是长的光子寿命的基本条件之一。然而，大的腔长意味着大的器件体积。这不仅不利于实际应用，而且由于震动、温度变化等因素对腔长的影响，导致器件工作的不稳定性，大的强度噪声和频率噪声。光纤激光器的激活区是可以弯曲缠绕的柔软材料，有利于在延长腔长的同时缩小器件整体体积。但是，由于光纤的折射率对于温度和应变的敏感性，过长的光纤也不利于器件的稳定性。随着应用需求对窄线宽的要求越来越高，需要研究新的方法，在维持小的体积的同时，获得大的等效腔长，也就是说要采用某种慢光元件。

现有技术之一是在腔内插入多层介质膜干涉滤波片[参见Y.Shevy等,Optical Fiber Communication Conference2010,paper OThQ6]，其典型结构是一个高精细度的法布里－珀罗(F-P)腔，如图1所示。图中11为有源光纤，12为由两个高反射镜构成的F-P腔，13为高反射率的光纤布拉格光栅(FBG)，14为中等反射率的光纤布拉格光栅，作为输出镜，15为泵浦光源，16为输出光隔离器。根据F-P干涉仪的基本原理，在谐振峰波长上的光子在腔内多次来回传输，大大延长了在腔内的时间。理论推导表明，F-P腔产生的群时延可以表示为

τ=ndc1-R2(1-R)2+4Rsin2Δφ→Δφ=mπndc1+R1-R]]>

可见对于反射率R接近于1的高精细度F-P腔，群时延大大高于F-P腔介质厚度的传输时间。这一技术要求插入元件的谐振峰与激光器的纵模保持严格一致。这就带来实际运行中激光器的稳定性问题。对于光纤激光器来说，需要采用带尾纤的F-P元件，不可避免地引入一定的损耗；或者插入体光学元件，需要一系列准直耦合的元件，不利于器件的稳定性。