CN101924319B - 一种产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***，旨在解决目前掺铒光纤激光器脉冲能量低、稳定性差的技术问题。该全光纤结构激光***包括用于产生高能量脉冲的环形激光器和用于脉冲压缩的单模光纤，其中环形激光器包括依次通过腔内单模光纤连接的波分复用器、掺铒光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器和输出耦合器，其中波分复用器的输入端设置有泵浦光源。输出耦合器的输出端连接有位于腔外的单模光纤，用以压缩腔内产生的高能量脉冲。本发明具有结构简单、价格低廉、稳定性好等应用上的优点，尤其与产生高能量飞秒脉冲的固体激光器相比，它具有泵浦效率高、调节方便、易于光纤耦合等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤激光***，具体涉及一种产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***。
背景技术
全光纤激光器由于其结构简单、成本低廉、稳定性高且无需进行光路对准等优点，在光通信、超连续谱产生、医疗等领域得到了深入研究和广泛应用。光纤激光器可以工作在不同的状态，包括连续光输出和脉冲输出。根据锁模后输出脉冲特性的不同，目前研究的光脉冲主要分为四类。第一种是工作在负色散区的传统孤子(conventional soliton)。通过光纤激光器腔内光纤反常色散和克尔非线性效应的相互作用达到平衡状态，实现了自启动锁模脉冲输出。然而由于孤子的能量量子化效应，这种脉冲的能量被限制在0.1纳焦(nJ)内。第二种是展宽脉冲(stretched-pulse)。展宽脉冲激光器通过在腔内加入色散延迟线，腔内净色散接近于0。脉冲在腔内传输过程中周期性的压缩和展宽，由于增大了平均脉宽，减弱了非线性效应，单脉冲能量可以达到1nJ左右，峰值功率可以达到千瓦量级。第三种是腔内净色散为微正色散的自相似脉冲(self-similar pulse)。自相似脉冲激光器通过在腔内加上负色散器件以实现脉冲自洽演化，脉冲在腔内传播过程中形状基本保持不变，具有一定的抵抗光波***的能力。第四种是耗散型孤子(dissipative soliton)。它是最近几年来发现的一种新型孤子脉冲，产生于具有大的正色散的光纤激光器内。这种孤子的形成是增益色散、增益饱和与正色散效应、非线性损耗等的综合效果，其中增益和损耗起了主导作用，故称之为耗散型孤子。与传统孤子相比，其脉宽增大了二、三个数量级，非线性效应得到明显的抑制，光脉冲具有极强的抵御光波***能力，单脉冲能量可达几十nJ的水平。
虽然耗散型孤子具有较高的脉冲能量，但是这种脉冲宽度一般比较大，达到几十皮秒(ps)，脉冲带有极大的频率啁啾。这就需要对脉冲进行去啁啾，实现脉冲在时域上的压缩，从而得到高的峰值功率。一般的压缩方法包括使用棱镜对、光栅对、布拉格光栅等负色散器件对脉冲进行啁啾补偿。但是这些器件都是非光纤结构，不易调节，且在与光纤激光器耦合时不方便。同时，这些光学器件制作难度大，价格也较高，不利于光纤激光器在工程上的推广和使用。
为了得到更高能量的超短脉冲，可以通过光纤放大器来放大传统的飞秒脉冲，但是这使激光***变得复杂，不利于工程使用，而且放大后的脉冲可能发生畸变。其它获得高能量脉冲的方法是在激光腔内加入特殊器件等，例如使用大模场的光子晶体光纤(PCF)，通过增大模场面积，降低光脉冲的能量密度，从而提高光脉冲的能量。但是PCF和单模光纤的芯径不统一，无法直接进行耦合，需要空间光学器件进行连接，光纤激光***就不再是全光纤结构，导致调节繁琐、成本增高、稳定性降低。目前国内还没有一种结构简单、工作在通信波长，可以产生高能量飞秒脉冲的光纤激光器。
发明内容
本发明提供一种产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***，旨在解决目前掺铒(Er3+)光纤激光器脉冲能量低、稳定性差等技术问题，使其在光通信、光学传感、光学检测领域得到广泛应用。
本发明的技术方案如下：
该全光纤结构激光***包括用于产生高能量脉冲的环形激光器和单模光纤，所述单模光纤分为两部分，一部分位于环形激光器腔内，另一部分位于环形激光器腔外用于脉冲压缩；所述环形激光器包括依次通过腔内单模光纤连接的波分复用器、掺铒光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器和输出耦合器，其中波分复用器的输入端设置有泵浦光源；所述掺铒光纤的长度为3至50m，其在1550nm附近具有正色散；所述输出耦合器的输出端连接有位于腔外的单模光纤，此单模光纤在1550nm附近具有负色散，长度为50至500m。
上述波分复用器的波分范围为980nm/1550nm。
上述输出耦合器的输出比率为10％-80％，选择较佳的输出比率为70％。
上述泵浦光源输出功率为100-200mW。
上述泵浦光源为工作波长为980nm附近的单模半导体激光器，该单模半导体激光器工作参数与掺铒光纤匹配。上述泵浦光源较适宜的输出功率为125mW，所述掺铒光纤的长度为18m左右。
本发明的优点如下：
该光纤激光器所用器件皆为普通光纤激光器所用的普通器件，都已经商用化，故成本非常低廉。
该光激光器采用了全光纤结构，不用空间光调整器件，故其结构简单、易于调节、稳定性好。
该光纤激光器采用单模光纤压缩光脉冲，与光栅对等其他压缩器件相比，极大地降低了成本。
该光纤激光器单脉冲能量高、脉宽窄、峰值功率达到十万瓦量级，无需进行放大就可以作为飞秒源使用。
该掺铒光纤激光器工作在1550nm波段，对应与光通信波段，因此在光通信、光学传感、光学检测方面有很大的应用前景。
在对单模光纤、掺铒光纤的长度和输出耦合器输出比等参数进行优化后，单脉冲能量还会进一步增大，压缩后的脉宽还可以进一步减小，峰值功率还有进一步增大的可能。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明耗散型脉冲在泵浦功率为125mW的光谱图；
图3为本发明示波器测得的的脉冲序列图；
图4为本发明脉冲的频谱图；
图5为本发明脉冲的自相关曲线图；
图6为本发明脉冲被压缩后的自相关曲线图。
附图标记如下：
1-泵浦光源；2-波分复用器；3-掺铒光纤；4-第一偏振控制器；5-偏振相关隔离器；6-第二偏振控制器；7-输出耦合器；8-压缩用单模光纤。
具体实施方式：
参见图1，本发明提供的产生高能量飞秒脉冲的光纤激光激光***包括依次通过单模光纤相连的泵浦源1，波分复用器2、掺铒光纤3、第一偏振控制器4、偏振相关隔离器5、第二偏振控制器6、输出耦合器7、单模光纤8。波分复用器2与第一偏振控制器4之间设置有掺铒光纤3。掺铒光纤3的长度为3至50m，其选用20m效果最佳。泵浦光源1选用工作波长为980nm的单模半导体激光器，当泵浦功率为125mW时，输出脉冲宽度为23.1ps，光谱宽度为18nm。脉冲经过约80m的单模光纤后，脉冲在时域上被压缩到300fs以内。波分复用器2的频分范围为980nm/1550nm；输出耦合器4的输出比率为70％。掺铒光纤3的型号为Nufern EDFC-980-HP。
本发明工作原理以及具体器件参数如下所述：
参见图1，本发明采用工作波长为980nm的半导体激光器作为泵浦光源，最大输出功率为550mW，其通一个980nm/1550nm的WDM对一段18m的铒纤进行泵浦抽运，该掺铒光纤的型号为Nufern EDFC-980-HP，在1550nm处色散参数D约为-42ps/nm/km。通过偏振相关隔离器抑制后向反馈，以保证激光器的单向运转。第一偏振控制器、第二偏振控制器和偏振相关隔离器共同作用等效为可饱和吸收体，从而实现激光器的自启动锁模。其中输出耦合器的输出率为70％，30％能量留在环形激光器，该输出率能保证输出的单脉冲有较大的能量，同时不影响锁模的稳定性。
WDM、偏振相关隔离器、输出耦合器的尾纤是普通的单模光纤，其总长度为7.5m，在1550nm处色散系数D约为17ps/nm/km。
该激光器的总长度为25.5m，对应于腔的基频为8.2MHz，其中铒纤的长度为18m，腔内的净色散β2为+0.8ps2。
用于脉冲压缩的器件是一段约80m长的单模光纤，色散系数D约为17ps/nm/km，所用压缩光纤的最佳长度由出射脉冲的特性确定。
试验中采用光谱分析仪(YOKOGAWA-6370B)来测量输出脉冲的光谱，利用自相关仪分别测量压缩前和压缩后脉冲的宽度。对输出脉冲进行光电转化后，分别用示波器和频谱仪来观察激光器的输出脉冲序列和锁模状态。采用该结构腔形设计，通过合理选铒纤的长度和器件尾纤的长度来控制腔内净色散的大小。在大的正色散条件下，通过调节偏振控制器，便可得到高能量的脉冲。这时直接输出的脉冲宽度一般为几十ps，通过一段单模光纤对脉冲进行压缩，脉冲宽度可以达到飞秒(fs)量级。
实验所用的环形光纤激光器的组成部分全部使用传统光纤激光器的器件，具有结构简单、价格低廉、稳定性好等应用上的优点。它可以解决传统飞秒光纤激光器脉冲能量低的缺点。其输出脉冲经过压缩后峰值功率可以达到十万瓦量级。与产生高能量飞秒脉冲的固体激光器相比，它具有泵浦效率高、调节方便、易于光纤耦合等优点。
本发明的具体原理及实验结果如下：
该类型的激光器可以利用非线性偏振旋(NPR：Nonlinear PolarizationRotation)技术来实现锁模。当泵浦功率达到自启动锁模的阈值后，通过调整第一偏振控制器和第二偏振控制器来改变光纤的偏振态，激光器可以实现稳定的锁模脉冲输出。在实验过程中，当泵浦功率达到100mW以上时，通过调节两个偏振控制器，激光器可以实现稳定的锁模脉冲输出。继续调节两个偏振控制器使锁模脉冲光谱达到较宽，然后固定两个偏振控制器。增加泵浦光的功率，在100到200mW之间激光器为单脉冲输出。在泵浦达到200mW以上时，激光器倾向于工作在多脉冲状态。保持泵浦功率在125mW，所输出的单脉冲的光谱、脉冲序列、频谱和自相关曲线分别如图2、图3、图4、图5所示。如图所示的实验结果可以由以下原理解释：
光纤激光器谐振腔内的最初的白噪声脉冲在进入铒纤后通过泵浦得到增益放大，同时由于强烈的自相位调制(SPM)等非线性效应导致脉冲光谱的随之展宽。然而，由于腔内增益铒纤的光谱滤波作用，脉冲的光谱宽度不能无限增大，SPM所引起的光谱展宽和增益铒纤所导致的光谱滤波就会达到动态平衡。在时域上，由于铒纤具有极大的正色散，脉冲在增益放大过程中也随之展宽。此后脉冲进入到偏振控制器及偏振相关隔离器所形成的等效可饱和吸收体，脉冲的两翼部分被消除，导致时域上脉宽减小。该过程循环往复，直至初始输入光波脉冲在腔内形成自洽演化，最终可以得到稳定的锁模脉冲输出，而且输出脉冲的光谱具有陡峭的边沿。由此可见，所形成的脉冲是激光器增益、非线性偏振旋转与非线性损耗等共同作用的结果，因此又被称为耗散型脉冲。由于SPM等非线性效应引入的啁啾为正，同时腔内色散也为较大的正值，两者共同作用导致耗散型脉冲的脉宽比较大，相比于传统负色散孤子增大了二、三个数量级，腔内的脉冲峰值功率将维持在较低的水平，从而能够有效避免光波***效应，输出脉冲能量也提高了两个数量级以上。
参见图2，当泵浦功率为125mW时，输出的光谱近似为矩形，其宽度为18nm，中心波长为1565nm。脉冲的自相关曲线如图5所示，其半峰值全宽度为32.4ps，以高斯形脉冲来拟合，可以得到脉冲宽度为23.1ps。通过计算可以得到其时间带宽积约为40，远大于无啁啾脉冲的时间带宽积。这说明耗散型脉冲带有巨大的啁啾，同时也与理论分析相符。测得输出的功率约为50mW，通过计算可得到单脉冲能量接近8nJ，这时的脉冲虽然已经具有较大的能量，然而其脉宽也较宽，峰值功率还比较低，不能满足应用要求，例如还达不到作为飞秒源使用的要求。
利用单模光纤对耗散型脉冲进行去啁啾实现了脉冲的压缩，其原理为：
出射的耗散型脉冲产生于具有极大正色散的腔内，脉冲具有很大的正的线性啁啾。当此类脉冲在具有负色散单模光纤中传输时，单模光纤会导致脉冲产生负啁啾。这样初始脉冲在单模光纤中传输时，其啁啾的线性部分就被单模光纤补偿了，啁啾脉冲就变成了近似无啁啾的脉冲，从而实现光脉冲在时域上的压缩。如图6所示。原始啁啾脉冲在经过约80m的单模光纤压缩到300fs以下。两边的旁瓣主要由于无法压缩的非线性啁啾引起的。其它的压缩脉冲方法有利用光栅对、啁啾镜等进行色散补偿，其原理和单模光纤压缩脉冲的原理类似，都是利用色散补偿原理。但是这些空间光学器件都非光纤结构，不利于调节。此外，与单模光纤相比，其价格昂贵、制作困难而且环境稳定性低，限制了它们在工程中的使用。
综上所述，该类型的光纤激光器解决了传统激光纤激光器脉冲能量低、脉宽大的缺点。利用耗散型激光***产生了能量高达8nJ的脉冲，其脉宽为23.1ps。经过一段单模光纤的压缩，脉冲宽度变为290fs，峰值功率达到26kW。这种飞秒光纤激光器具有脉冲能量高、结构简单、易于调节、稳定性好等优点，它不经过放大就可以直接作为飞秒源使用，在光通信、光学探测、医疗等方面具有广泛的应用前景。
Claims (7)
1.一种产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***，该***包括环形激光器和单模光纤，其特征在于：所述单模光纤分为两部分，一部分位于环形激光器腔内，另一部分位于环形激光器腔外；所述环形激光器包括依次通过腔内单模光纤连接的波分复用器、掺铒光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器和输出耦合器，其中所述波分复用器的输入端设置有泵浦光源；所述掺铒光纤的长度为3至50m，其在1550nm附近具有正色散；所述输出耦合器的输出端连接有位于腔外的单模光纤，所述位于腔外的单模光纤在1550nm附近具有负色散，长度为50至500m。
2.根据权利要求1所述的产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***，其特征在于：所述波分复用器的波分范围为980nm/1550nm。
3.根据权利要求2所述的产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***，其特征在于：所述输出耦合器的输出比率为10％-80％。
4.根据权利要求3所述的产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***，其特征在于：所述泵浦光源输出功率为100-200mW。
5.根据权利要求4所述的产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***，其特征在于：所述输出耦合器的输出比率为70％。
6.根据权利要求1至5任一所述的产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***，其特征在于：所述泵浦光源为工作波长为980nm的单模半导体激光器，该单模半导体激光器工作参数与掺铒光纤匹配。
7.根据权利要求6所述的产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光***，其特征在于：所述泵浦光源输出功率为125mW，所述掺铒光纤的长度为18m。
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