基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统及稳频激光产生方法

基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统及稳频激光产生方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体传感技术领域，具体地指一种基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统及稳频激光产生方法。
【背景技术】
[0002]光纤激光器具有与光纤及光纤器件兼容、线宽窄、输出功率高、低强度噪声、稳定性优良等优点，在光纤通信、光传感和高分辨率光学测试等领域有着重要的应用。目前由于性能稳定的多波长掺铒光纤激光器在光纤通信、光纤传感检测以及微波光子学等领域有着广泛的应用，因而日益成为各国科学家研宄的热点问题。
[0003]目前，由于掺铒光纤在1.55 μ m波段具有宽带宽、能和光纤系统兼容的优点，如果采取适当的方法，可以在单一介质中实现多波长同时输出，因此引起了人们的极大兴趣。在室温下，掺铒光纤具有均匀展宽特性，会引起强烈的模式竞争，无法得到稳定的多波长激射。如果把掺铒光纤浸入液氮，对铒纤进行冷却，使得其均匀展宽减少至Inm左右，抑制均匀展宽效应和交叉增益饱和效应的目的，从而获得稳定的多波长激射。但是由于无法实现室温操作，因此具有非常大的局限性，很难在实际中推广应用。综述近几年文献的研宄成果，要实现光纤多波长的输出，光纤激光器一般都用梳状谱滤波器或者光纤光栅进行模式选择，而能够用于多波长光纤激光器的梳状滤波器主要有基于F-P滤波器、Sagnac环形滤波器、马赫-增德尔干涉滤波器。但是由于梳状滤波器在制作上比较麻烦，结构复杂且成本高。而利用多个光纤光栅选择波长实现多波长振荡，一方面由于需要多对不同的FBG来构成谐振腔，成本比较高；另一方面，光纤光栅对环境因素比如温度、振动应力等比较敏感，客观上增加了不稳定因素。

【发明内容】

[0004]本发明的目的就是要提供一种基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统及稳频激光产生方法，该系统和方法能有效地解决激光频漂问题，，利用共轭干涉滤波器得到与给定气体吸收谱严格对应的激光的输出，根据气体吸收谱线本质稳定的特性，得到稳频激光的输出。
[0005]为实现此目的，本发明所设计的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:它包括谐振模块、光放大模块、滤光模块和光分路器，其中，所述谐振模块包括第一准直器、共轭干涉式滤波器和第二准直器，所述光放大模块的输出端连接第一准直器的输入端，第一准直器的输出端正对共轭干涉式滤波器的输入端，共轭干涉式滤波器输出端正对第二准直器的输入端，第二准直器的输出端连接光分路器的输入端，光分路器的第一输出端通过滤光模块连接光放大模块的输入端，所述光分路器的第二输出端用于作为稳频激光系统的输出2而。
[0006]所述共轭干涉式滤波器包括相互独立的参考气室和吸收气室，第一准直器的输出端正对参考气室和吸收气室的输入端，参考气室和吸收气室输出端正对第二准直器的输入端。
[0007]所述光放大模块为掺铒光纤放大器。
[0008]一种利用上述基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统产生激光的方法，它包括如下步骤:
[0009]步骤1:所述光放大模块启动并自发辐射产生波长范围为1520?1570纳米的初始宽带光；
[0010]步骤2:该初始宽带光经过第一光电隔离器后进入第一准直器，第一准直器对初始宽带光进行准直处理，输出准直的宽带光；
[0011]步骤3:所述第一准直器将上述准直的宽带光分别射入参考气室和吸收气室，通过调整经过参考气室和吸收气室的光程差，使得上述准直宽带光经过参考气室和吸收气室后得到与吸收气体的吸收谱相对应的反转梳状光谱；
[0012]步骤4:步骤3得到的反转梳状光谱经过第二准直器准直处理后输出给光分路器，光分路器在预设的分光比的作用下将准直的反转梳状光谱分别输送给滤光模块和稳频激光系统的输出端；
[0013]步骤5:滤光模块对输入的准直反转梳状光谱进行滤波处理，当稳频激光系统需要输出多波长稳频激光时，滤光模块选用宽带滤光器；当稳频激光系统需要输出单波长激光时，滤光模块选用窄带滤光器；
[0014]步骤6:准直反转梳状光谱分路通过滤光模块滤光后经过第二光电隔离器输入到光放大模块的输入端；
[0015]步骤7:光放大模块对输入的准直反转梳状光谱分路进行放大后继续按照步骤2?步骤6的方式进行循环处理，光放大模块在每个循环对准直反转梳状光谱分路进行逐级放大，直到达到光放大模块放大能力的饱和值，光放大模块输出的最大放大倍数对应的激光按照步骤2?步骤4的方式进行处理，产生的最终激光由稳频激光系统的输出端输出。
[0016]本发明的有益效果:
[0017]本发明利用共轭干涉式滤波器吸收气室中气体的吸收谱，通过滤光模块得到与气体吸收谱相对应的单个光谱或多个光谱，再结合掺铒光纤放大器形成单波长或多波长的稳频激光器，由于气体吸收谱的本质稳定特性，该激光器能保证输出频率锁定在气体的吸收峰位置。
[0018]本发明提出的基于共轭干涉式滤波器产生稳频激光的方案，相比较其他的梳状滤波器，经过共轭干涉式滤波器后获得与气体吸收谱线反转的梳状光谱，再结合环形激光器技术形成了多波长稳频激光器。而且共轭干涉式滤波器对外界环境的影响不敏感，可以有效地解决激光波长频漂的问题。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的结构示意图；
[0020]其中，I一谐振模块、1.1一第一准直器、1.2—共轭干涉式滤波器、1.3—第二准直器、1.4一参考气室、1.5一吸收气室、2—第一光电隔离器、3—光放大模块、4一第二光电隔离器、5—滤光模块、6—光分路器。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0022]如图1所示的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，它包括谐振模块1、光放大模块3、滤光模块5和光分路器6，其中，所述谐振模块I包括第一准直器1.1、共轭干涉式滤波器1.2和第二准直器1.3，所述光放大模块3的输出端连接第一准直器1.1 (大光斑准直器)的输入端，第一准直器1.1的输出端正对共轭干涉式滤波器1.2的输入端，共轭干涉式滤波器1.2输出端正对第二准直器1.3的输入端，第二准直器1.3 (大光斑准直器)的输出端连接光分路器6的输入端，光分路器6的第一输出端通过滤光模块5连接光放大模块3的输入端，所述光分路器6的第二输出端用于作为稳频激光系统的输出端。
[0023]上述技术方案中，稳频激光系统还包括第一光电隔离器2和第二光电隔离器4，所述光放大模块3的输出端通过第一光电隔离器2连接第一准直器1.1的输入端，滤光模块5的输出端通过第二光电隔离器4连接光放大模块3的输入端。光隔离器保证激光只沿着光输出的方向传播。
[0024]上述技术方案中，所述共轭干涉式滤波器1.2包括相互独立的参考气室1.4和吸收气室1.5，第一准直器1.1的输出端正对参考气室1.4和吸收气室1.5的输入端，参考气室1.4和吸收气室1.5输出端正对第二准直器1.3的输入端。共轭干涉式滤波器1.2中的参考气室1.4和吸收气室1.5，用于得到与共轭干涉式滤波器中给定气体的吸收谱对应的反转谱。
[0025]上述技术方案中，所述吸收气室1.5内充入给定浓度的吸收气体，所述参考气室
1.4内充入给定浓度的非吸收气体，所述非吸收气体与吸收气体具有不同的气体吸收谱。
[0026]上述技术方案中，所述吸收气室1.5内的吸收气体为乙炔，吸收气体的浓度为99%，吸收气体的吸收谱范围为1510?1550纳米。所述参考气室1.4的非吸收气体为甲烷，非吸收气体的浓度为99%。
[0027]上述技术方案中，所述光放大模块3为掺铒光纤放大器，所述非吸收气体的吸收谱不在吸收气体的吸收谱范围内。上述掺铒光纤放大器作为系统的光源及放大器。本发明不仅利用掺铒光纤放大器的自发辐射作为系统的光源，整个系统形成环路后，掺铒光纤放大器又作为光放大器对环路信号进行放大。
[0028]上述技术方案中，所述滤光模块5为宽带滤光器或窄带滤光器。滤光模块5用于控制光源的出光范围，当稳频激光系统需要输出多波长稳频激光时，滤光模块5选用宽带滤光器(输出的多波长激光的波长与给定气体的吸收谱的位置严格对应)；当稳频激光系统需要输出单波长激光时，滤光模块5选用窄带滤光器(此时稳频激光系统可以输出与 气体吸收谱对应的单波长激光)。
[0029]上述技术方案中，所述光分路器6的第一输出端与第二输出端的分光比为3比7或I比9等。上述光分路器6的分光比决定了激光输出的消光比和光强。
[0030]上述光放大模块3、第一光电隔离器2、谐振模块1、光分路器6、滤光模块5和第二光电隔离器4依次连接形成环路。掺铒光纤放大器在形成环路后会对系统进行放大。
[0031]本发明以掺铒光纤放大器为光源及放大器，利用共轭干涉式滤波器作为谐振模块，能得到与气体吸收谱波长对应的激光输出，由于气体吸收谱线的本质的稳定特性，使得该激光系统具有很好的稳频特性。
[0032]一种利用上述基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统产生激光的方法，其特征在于，它包括如下步骤:
[0033]步骤1:所述光放大模块3启动并自发辐射产生波长范围为1520?1570纳米的初始宽带光；
[0034]步骤2:该初始宽带光经过第一光电隔离器2后进入第一准直器1.1，第一准直器1.1对初始宽带光进行准直处理，输出准直的宽带光；
[0035]步骤3:所述第一准直器1.1将上述准直的宽带光分别射入参考气室1.4和吸收气室1.5，通过调整经过参考气室1.4和吸收气室1.5的光程差，使得上述准直宽带光经过参考气室1.4和吸收气室1.5后得到与吸收气体的吸收谱相对应的反转梳状光谱；
[0036]步骤4:步骤3得到的反转梳状光谱经过第二准直器1.3准直处理后输出给光分路器6，光分路器6在预设的分光比的作用下将准直的反转梳状光谱分别输送给滤光模块5和稳频激光系统的输出端；
[0037]步骤5:滤光模块5对输入的准直反转梳状光谱进行滤波处理，当稳频激光系统需要输出多波长稳频激光时，滤光模块5选用宽带滤光器(输出的多波长激光的波长与给定的气体吸收谱的位置严格对应)；当稳频激光系统需要输出单波长激光时，滤光模块5选用窄带滤光器(输出的单波长激光的波长与给定的气体吸收谱的位置严格对应)；
[0038]步骤6:准直反转梳状光谱分路通过滤光模块5滤光后经过第二光电隔离器4输入到光放大模块3的输入端；
[0039]步骤7:光放大模块3对输入的准直反转梳状光谱分路进行放大后继续按照步骤2?步骤6的方式进行循环处理，光放大模块3在每个循环对准直反转梳状光谱分路进行逐级放大，直到达到光放大模块3放大能力的饱和值，光放大模块3输出的最大放大倍数对应的激光按照步骤2?步骤4的方式进行处理，产生的最终激光由稳频激光系统的输出端输出。稳频激光系统的输出端输出的激光信号由光谱分析仪进行检测。检测结果表明激光不存在波长频漂的问题。
[0040]本发明通过共轭干涉式滤波器得到了气体的反转谱激光，与掺铒光纤放大器形成系统的环路，将激光的输出波长严格控制在与气体的吸收谱一一对应的位置上，有效的解决了激光的频漂问题。
[0041]本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1.一种基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:它包括谐振模块(1)、光放大模块(3)、滤光模块(5)和光分路器(6)，其中，所述谐振模块(I)包括第一准直器(1.D、共轭干涉式滤波器(1.2)和第二准直器(1.3)，所述光放大模块(3)的输出端连接第一准直器(1.1)的输入端，第一准直器(1.1)的输出端正对共轭干涉式滤波器(1.2)的输入端，共轭干涉式滤波器(1.2)输出端正对第二准直器(1.3)的输入端，第二准直器(1.3)的输出端连接光分路器(6)的输入端，光分路器(6)的第一输出端通过滤光模块(5)连接光放大模块(3)的输入端，所述光分路器(6)的第二输出端用于作为稳频激光系统的输出端。2.根据权利要求1所述的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:它还包括第一光电隔离器(2)和第二光电隔离器(4)，所述光放大模块(3)的输出端通过第一光电隔离器(2)连接第一准直器(1.1)的输入端，滤光模块(5)的输出端通过第二光电隔离器(4)连接光放大模块(3)的输入端。3.根据权利要求1所述的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:所述共轭干涉式滤波器(1.2)包括相互独立的参考气室(1.4)和吸收气室(1.5)，第一准直器(1.D的输出端正对参考气室(1.4)和吸收气室(1.5)的输入端，参考气室(1.4)和吸收气室(1.5)输出端正对第二准直器(1.3)的输入端。4.根据权利要求3所述的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:所述吸收气室(1.5)内充入给定浓度的吸收气体，所述参考气室(1.4)内充入给定浓度的非吸收气体，所述非吸收气体与吸收气体具有不同的气体吸收谱。5.根据权利要求4所述的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:所述吸收气室(1.5)内的吸收气体为乙炔，吸收气体的浓度为99%，吸收气体的吸收谱范围为1510?1540纳米。6.根据权利要求1或5所述的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:所述参考气室(1.4)的非吸收气体为甲烷，非吸收气体的浓度为99%，所述非吸收气体的吸收谱不在吸收气体的吸收谱范围内。7.根据权利要求1所述的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:所述光放大模块(3)为掺铒光纤放大器。8.根据权利要求1所述的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:所述滤光模块(5)为宽带滤光器或窄带滤光器。9.根据权利要求1所述的基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，其特征在于:所述光分路器(6)的第一输出端与第二输出端的分光比为3比7或I比9。10.一种利用权利要求3所述基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统产生激光的方法，其特征在于，它包括如下步骤: 步骤1:所述光放大模块(3)启动并自发辐射产生波长范围为1520?1570纳米的初始宽带光； 步骤2:该初始宽带光经过第一光电隔离器(2)后进入第一准直器(1.1)，第一准直器(1.D对初始宽带光进行准直处理，输出准直的宽带光； 步骤3:所述第一准直器(1.1)将上述准直的宽带光分别射入参考气室(1.4)和吸收气室(1.5)，通过调整经过参考气室(1.4)和吸收气室(1.5)的光程差，使得上述准直宽带光经过参考气室(1.4)和吸收气室(1.5)后得到与吸收气体的吸收谱相对应的反转梳状光谱； 步骤4:步骤3得到的反转梳状光谱经过第二准直器(1.3)准直处理后输出给光分路器(6)，光分路器(6)在预设的分光比的作用下将准直的反转梳状光谱分别输送给滤光模块(5)和稳频激光系统的输出端； 步骤5:滤光模块(5)对输入的准直反转梳状光谱进行滤波处理，当稳频激光系统需要输出多波长稳频激光时，滤光模块(5)选用宽带滤光器；当稳频激光系统需要输出单波长激光时，滤光模块(5)选用窄带滤光器； 步骤6:准直反转梳状光谱分路通过滤光模块(5)滤光后经过第二光电隔离器(4)输入到光放大模块(3)的输入端； 步骤7:光放大模块(3)对输入的准直反转梳状光谱分路进行放大后继续按照步骤2?步骤6的方式进行循环处理，光放大模块(3)在每个循环对准直反转梳状光谱分路进行逐级放大，直到达到光放大模块(3)放大能力的饱和值，光放大模块(3)输出的最大放大倍数对应的激光按照步骤2?步骤4的方式进行处理，产生的最终激光由稳频激光系统的输出端输出。
【专利摘要】本发明公开了一种基于共轭干涉式滤波器的稳频激光系统，它包括谐振模块、光放大模块、滤光模块和光分路器，其中，所述谐振模块包括第一准直器、共轭干涉式滤波器和第二准直器，所述光放大模块的输出端连接第一准直器的输入端，第一准直器的输出端正对共轭干涉式滤波器的输入端，共轭干涉式滤波器输出端正对第二准直器的输入端，第二准直器的输出端连接光分路器的输入端，光分路器的第一输出端通过滤光模块连接光放大模块的输入端，所述光分路器的第二输出端用于作为稳频激光系统的输出端。本发明的共轭干涉式滤波器对外界环境的影响不敏感，可以有效地解决激光波长频漂的问题。
【IPC分类】H01S3/137
【公开号】CN104882779
【申请号】CN201510323166
【发明人】李政颖, 郑楼, 王洪海
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月12日