本實(shí)用新型屬于光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于高圓度三維旋轉(zhuǎn)對稱微腔的單頻窄帶光纖激光器。

背景技術(shù)：

單頻窄帶寬光纖激光器具有相干性高、頻率可調(diào)諧、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，在光譜學(xué)、光纖傳感、石油勘探、電力系統(tǒng)、軍事國防等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

實(shí)現(xiàn)單頻窄帶激光輸出，關(guān)鍵技術(shù)在于設(shè)計(jì)合理的腔結(jié)構(gòu)、采用合適的濾波技術(shù)，以達(dá)到諧振腔內(nèi)的窄帶選頻。目前，可以通過超短腔、內(nèi)置飽和吸收體的線形腔、復(fù)合腔、窄帶濾波器件(如布拉格光纖光柵、F-P腔等)實(shí)現(xiàn)單頻窄帶激光輸出。然而，超短腔需要在高濃度稀土摻雜光纖上刻寫光柵，其制作成本高、技術(shù)難度大且激光器輸出光功率受到腔長限制；內(nèi)置飽和吸收體的線形腔穩(wěn)定性差，光轉(zhuǎn)換效率低；復(fù)合腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜且降低了系統(tǒng)的緊湊性和穩(wěn)定性；布拉格光纖光柵、F-P腔等窄帶濾波器件的3dB帶寬通常在0.05nm以上，限制了激光器激光輸出，線寬進(jìn)一步壓縮，并且易出現(xiàn)跳?，F(xiàn)象。因此，如何在壓縮激光輸出帶寬的同時，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和緊湊性、降低制作成本、增加輸出功率成為實(shí)現(xiàn)單頻窄帶激光器的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的制作成本高、穩(wěn)定性差、緊湊性低、輸出帶寬大等缺點(diǎn)，提出了一種高圓度三維旋轉(zhuǎn)對稱微腔選頻的單頻窄帶寬光纖激光器。該光纖激光器的諧振腔采用高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元進(jìn)行選頻，在高圓度、三維旋轉(zhuǎn)對稱微腔內(nèi)激發(fā)超窄帶回音壁模共振譜(3dB帶寬達(dá)1pm)，實(shí)現(xiàn)了光纖激光器輸出帶寬的深壓縮，并具有高穩(wěn)定性、低成本、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。此外，本實(shí)用新型還采用二維超高精度耦合系統(tǒng)，以納米級精度控制錐形光纖與微球腔的耦合距離和耦合位置，進(jìn)一步提高微腔耦合系統(tǒng)的Q值、壓縮回音壁模共振譜帶寬、減少高階模、增加邊模抑制比，壓縮激光器帶寬、提升穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是該單頻窄帶寬光纖激光器包括半導(dǎo)體激光器泵浦源、波分復(fù)用器、光隔離器、稀土摻雜光纖、偏振控制器以及光耦合器，還包括高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元，半導(dǎo)體激光器泵浦源經(jīng)波分復(fù)用器與光隔離器相連，并通過光隔離器的輸出端與稀土摻雜光纖相連，稀土摻雜光纖的輸出端依次通過偏振控制器、高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元、光耦合器，最后由光耦合器輸出端與波分復(fù)用器輸入端相連閉合成腔。

進(jìn)一步，上述高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元采用二維超高倍率顯微系統(tǒng)和高精度位移臺控制微球腔和錐形光纖的耦合距離和耦合位置。

上述微球腔具有高圓度、高對稱性、高潔凈度的特點(diǎn)，能有效抑制回音壁模共振譜中的高階模，提高共振譜邊模抑制比，壓縮共振譜帶寬，提升共振譜Q值，實(shí)現(xiàn)單頻窄帶激光輸出。

與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果：

1、本實(shí)用新型采用高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元進(jìn)行選頻，所含高圓度、高對稱性、高潔凈度微球腔內(nèi)形成的超窄帶寬回音壁模共振譜(3dB帶寬約為1pm)使得輸出激光具有超窄帶寬的優(yōu)點(diǎn)。

2、本實(shí)用新型采用二維超高倍率顯微系統(tǒng)和高精度位移臺控制微球腔和錐形光纖的耦合距離和位置，精度可達(dá)納米級別，有效增加了耦合效率，激發(fā)超窄帶回音壁模共振譜，進(jìn)一步壓縮激光器輸出帶寬和提高激光器穩(wěn)定性。

3、本實(shí)用新型激光器采用全光纖器件搭建并實(shí)現(xiàn)窄帶選頻，具有相干性好、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、損耗小等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1為光在微球腔內(nèi)以不同角度傳輸?shù)脑硎疽鈭D。

圖2為本實(shí)用新型高圓度、三維旋轉(zhuǎn)球?qū)ΨQ微腔選頻的單頻光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為微球?qū)嵨飯D及不同橢圓度。

標(biāo)識說明：(3a)高圓度、高對稱性微球；(3b)低圓度、非對稱微球。

圖4為經(jīng)過潔凈處理的表面無瑕疵的微球和表面有瑕疵的微球?qū)嵨飯D。

標(biāo)識說明：(4a)經(jīng)過處理的潔凈微球；(4b)有瑕疵的微球。

圖5為在不同耦合狀態(tài)下的錐形光纖-微球腔耦合實(shí)物圖。

標(biāo)識說明：(5a)臨界耦合狀態(tài)下；(5b)欠耦合狀態(tài)下；(5c)過耦合狀態(tài)下。

圖6為錐形光纖在微球腔赤道面和偏離赤道面的實(shí)物圖。

標(biāo)識說明：(6a)-錐形光纖在微球赤道面；(6b)錐形光纖偏離微球赤道面。

圖7為錐區(qū)直徑3.512μm錐形光纖分別與直徑為195.172μm的高圓度微球和直徑為195.713μm的低圓度微球耦合得到的回音壁模式耦合透射譜對比。

圖8為錐形光纖在微球腔赤道面和偏離微球腔赤道面的回音壁模式耦合透射譜對比。

圖9為在臨界耦合、欠耦合以及過耦合狀態(tài)下得到的回音壁模式耦合透射譜。

圖10為用高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元實(shí)現(xiàn)環(huán)形光纖激光器腔內(nèi)單頻選擇和帶寬壓縮的光譜測試圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)用新型提出的光纖激光器，其結(jié)構(gòu)包括：半導(dǎo)體激光器泵浦源、波分復(fù)用器、光隔離器、稀土摻雜光纖、偏振控制器、高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元以及光耦合器；所述半導(dǎo)體激光器泵浦源經(jīng)波分復(fù)用器與光隔離器相連，并通過光隔離器的輸出端與稀土摻雜光纖相連，稀土摻雜的輸出端依次通過偏振控制器、高對稱微球腔-錐形光纖選頻單元、光耦合器，最后由光耦合器輸出端與波分復(fù)用器輸入端相連閉合成腔。

本實(shí)用新型的光纖激光器諧振腔中設(shè)有高圓度微球腔-錐形光纖選頻單元：入射光從錐形光纖的一端進(jìn)入錐區(qū)，通過倏逝場耦合進(jìn)入微球腔，以全反射方式在微球腔赤道面?zhèn)鬏?，再由錐形光纖另一端與光纖激光器諧振腔中的光耦合器輸入端相連。光在微腔內(nèi)形成窄帶回音壁模共振譜，實(shí)現(xiàn)光纖激光器諧振腔內(nèi)的窄帶選頻。本實(shí)用新型采用二維超高倍率顯微系統(tǒng)(放大倍數(shù)達(dá)1900倍、分辨率達(dá)0.01μm)和高精度位移臺(精度達(dá)20nm)控制微球腔和錐形光纖的耦合距離和耦合位置，有效增加了耦合效率，提升系統(tǒng)的Q值，激發(fā)超窄帶回音壁模共振譜，從而進(jìn)一步壓縮激光器輸出帶寬、提高激光器穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型的微球腔具有高圓度、高對稱性、高潔凈度等特點(diǎn)，能有效抑制回音壁模共振譜中的高階模，提高共振譜邊模抑制比，壓縮共振譜帶寬，提升共振譜Q值，實(shí)現(xiàn)單頻窄帶激光輸出。

本實(shí)用新型利用高圓度、三維旋轉(zhuǎn)對稱微球腔內(nèi)的回音壁模共振譜實(shí)現(xiàn)光纖激光器的窄帶選模，并且通過錐形光纖錐區(qū)的模式泄露實(shí)現(xiàn)該高圓度微球腔與激光器諧振腔的全光纖、高效耦合。所用微球腔具有高圓度、高對稱性、高潔凈度的特點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)使得錐形光纖與微球處于臨界耦合狀態(tài)(即：微球與錐形光纖的耦合距離為0，且微球與錐形光纖在赤道面進(jìn)行耦合)，能有效提高耦合單元Q參數(shù)，增加邊模抑制比，實(shí)現(xiàn)諧振腔的窄帶選頻，從而實(shí)現(xiàn)窄帶寬激光輸出。下面對本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案進(jìn)行簡要說明。

圖1為光在微球腔中以不同的角度(α或β)傳輸?shù)氖疽鈭D，其選頻原理如下：

根據(jù)折射定律,當(dāng)入射角為α?xí)r：

n₁sinα＝n₂sinα₀ (1)

式中，n₁為微球腔的折射率，n₂為空氣折射率，α₀為折射角。由于微球腔的折射率大于空氣的折射率，因此當(dāng)入射角滿足時，光在微球腔內(nèi)以全反射方式進(jìn)行傳輸，傳輸一周的實(shí)際距離為：

式中，L為光傳輸一周的實(shí)際距離，R為微球腔的半徑。光在微腔中傳輸時，只有滿足如下相位匹配條件時，才能形成回音壁模式共振：

式中，n_eff為微球腔的有效折射率，λ為共振波長。將(2)式代入(3)式，可以得到下式：

4πn_effRcosα/α＝mλ(m取整數(shù)) (4)

分析(3)、(4)式可知：

1、共振波長與光傳輸一周的有效距離有關(guān)，只有滿足相位匹配條件的波長才能產(chǎn)生回音壁模式共振，達(dá)到選頻的作用。

2、若微球腔的圓度低、對稱性差，則光沿不同赤道面?zhèn)鬏數(shù)膶?shí)際距離不同，導(dǎo)致不同共振波長的產(chǎn)生，形成回音壁模透射譜高階模，不利于激光器選頻。

3、回音壁模共振波長與入射角度有關(guān)，因此為了抑制高階模式的產(chǎn)生，需要滿足入射角度的相同，即錐形光纖與高圓度微球腔應(yīng)在赤道面進(jìn)行耦合。

如圖2所示，本實(shí)用新型單頻窄帶光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)包括：半導(dǎo)體激光器泵浦源1、波分復(fù)用器2、光隔離器3、稀土摻雜光纖4、偏振控制器5、高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元6以及光耦合器7。所有器件通過光纖熔接的方式依次相互連接。圖中所示E₁為入射光場強(qiáng)度，E₂為微球腔內(nèi)光場強(qiáng)度，E₃為出射光場強(qiáng)度。

微球腔制備的基本流程包括光纖拉錐、切割、加熱，基本方法是利用高溫加熱光纖一端，受熱的光纖端面在表面張力的作用下形成球形結(jié)構(gòu)。微球的圓對稱性越好，其光在球腔內(nèi)傳輸?shù)膿p耗越小，光子壽命越長，即Q值越高。

常見的通過加熱光纖利用表面張力形成微球的方法包括：電弧放電、大功率CO₂激光器、氫氧焰加熱等方法。電弧放電受光纖與放電電極相對位置、放電電流、放電時間以及放電次數(shù)影響，直徑偏差較大，且制備出的微球圓度不高、對稱性不好。氫氧焰方法潔凈度不高，制備出的微球表面污染嚴(yán)重，增加了微球腔損耗。本實(shí)用新型中微球是通過大功率可調(diào)諧CO₂激光器加熱形成的。由于CO2激光器潔凈度高、輸出光束光斑大小可精確控制，熱量分布均勻，加熱成球過程穩(wěn)定性高，所獲得的微球具有高圓對稱性、低損耗、高Q值的特點(diǎn)

如圖3所示為對稱微球腔和非對稱微球腔赤道面截面圖對比。圖3a為高圓度、高對稱性微球；圖3b為低圓度、非對稱微球。根據(jù)圖中所測外徑及橢圓度(橢圓度越低，圓對稱性越好)計(jì)算公式：橢圓度＝(b-a)/c*100％，(b為最大外徑，a為最小外徑，c為標(biāo)稱外徑，此處標(biāo)稱外徑取最大外徑值)可以求得對稱微球和非對稱微球的橢圓度分別為0.18％和1.31％。對稱微球腔的橢圓度明顯小于非對稱微球腔，因此圓度高，對稱性好。

如圖4所示為經(jīng)過潔凈處理的表面無磨損的微球和表面有磨損的微球?qū)Ρ?。圖4a為經(jīng)過處理的潔凈微球；圖4b為有瑕疵的微球。

根據(jù)品質(zhì)因子Q(衡量微球腔的重要參數(shù))的計(jì)算公式：

式中，Q為微球腔的品質(zhì)因子，Q_int為與微球腔內(nèi)部損耗相關(guān)的品質(zhì)因子，Q_ext為與微球腔外部損耗相關(guān)的品質(zhì)因子，Q_rad為與微球腔輻射損耗相關(guān)的品質(zhì)因子，Q_abs為與微球腔吸收損耗相關(guān)的品質(zhì)因子，Q_sca為與微球腔散射損耗相關(guān)的品質(zhì)因子。上式表明，回音壁模式微球腔的Q值與吸收損耗、散射損耗有關(guān)，當(dāng)微球表面出現(xiàn)磨損或有雜質(zhì)時，會使得吸收損耗、散射損耗增加，相應(yīng)的品質(zhì)因子降低，導(dǎo)致微球腔品質(zhì)因數(shù)的降低。綜上，采用高潔凈度、無磨損微球腔有利于提高Q值，形成超窄帶寬回音壁模共振譜，實(shí)現(xiàn)單頻窄帶寬激光輸出。

如圖5所示為在臨界耦合(圖5a)、欠耦合(圖5b)和過耦合狀態(tài)下(圖5c)，高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元的實(shí)物圖，耦合狀態(tài)可以通過調(diào)節(jié)精度為20nm的耦合平臺加以控制。

如圖6所示為錐形光纖在微球腔赤道面(圖6a)和偏離微球腔赤道面(圖6b)的實(shí)物圖，調(diào)節(jié)豎直顯微鏡和水平顯微鏡，可以使得光纖位于微腔赤道面。

如圖7所示為用高對稱微球腔和非對稱微球腔與錐形光纖耦合得到的WGM回音壁模式透射譜。分析比較實(shí)驗(yàn)得出的回音壁模式透射譜，與圖1中的理論有著較好的符合：用橢圓度為0.18％的高圓度、高對稱性微球腔與錐形光纖進(jìn)行耦合時，可以得到在1552.52nm處，錐形光纖中有22dB的光進(jìn)入到了微球腔中，3dB帶寬僅為0.1pm，Q值可以達(dá)到1.55*10⁶,對應(yīng)的邊模抑制比為14.5dB；而用橢圓度為1.31％的非對稱性微球與錐形光纖進(jìn)行耦合時，可以得到在1552.62nm處，錐形光纖中有19.9dB的光進(jìn)入到了微球腔中，3dB帶寬為0.18pm，Q值為1.04*10⁶,對應(yīng)的邊模抑制比為7.3dB。兩相比較，可以得出結(jié)論；高圓度、高對稱性微球能明顯提高耦合效率、壓縮回音壁模共振譜帶寬、提高系統(tǒng)的Q值、增加邊模抑制比。

如圖8所示為錐形光纖在微球赤道面和偏離微球赤道面耦合時得到的回音壁模式耦合透射譜。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖1中的理論分析相符：當(dāng)光纖偏離微球腔的赤道面時，可以明顯發(fā)現(xiàn)此時出現(xiàn)大量的高階模式，Q值減小，邊模抑制比降低。

如圖9所示為在臨界耦合、欠耦合以及過耦合狀態(tài)下得到的回音壁模式透射譜。相比于臨界耦合狀態(tài)，欠耦合狀態(tài)下的耦合效率降低，過耦合狀態(tài)下的高階模增多，不利于激光的高效選模。

基于如圖2所示的光纖激光器結(jié)構(gòu)圖，圖10展示了用高圓度微球腔-錐形光纖耦合單元實(shí)現(xiàn)環(huán)形光纖激光器腔內(nèi)單頻選擇和帶寬壓縮的光譜測試圖。與無選頻單元的激光器相比，高圓度微球腔-錐形光纖選頻單元有效抑制了跳?，F(xiàn)象，并且將激光3dB輸出帶寬由0.03nm壓縮至0.01nm，實(shí)現(xiàn)單頻窄帶激光輸出。

本實(shí)用新型從提升微球腔的圓度、增加微球腔的對稱性、提高微球腔的潔凈度、尋找最佳耦合位置這幾個方面進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)證明有效提高了激光的輸出性能。