CN106911063B - 偏振随机光纤脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种偏振随机光纤脉冲激光器，包括激光器、光束合成装置、由串联的正色散光纤和负色散光纤构成的周期性色散分布光纤、超弱倏逝场光纤以及耦合器，激光器的输出端连接光束合成装置的第一输入端，光束合成装置的输出端连接周期性色散分布光纤的第一端，周期性色散分布光纤的第二端通过超弱倏逝场光纤连接耦合器的输入端，耦合器的第一输出端连接光束合成装置的第二输出端，第二输出端用于输出偏振随机激光。本发明利用周期性色散分布光纤的周期性色散特性，使激光产生参量不稳定现象，并利用超弱倏逝场光纤的非线性特性实现四波混频，使耦合器的第二输出端输出偏振随机激光。
Description
技术领域
本发明属于激光器领域，具体涉及一种偏振随机光纤脉冲激光器。
背景技术
偏振随机光纤脉冲激光器具有结构简单、散热效果好、输出耦合方便等优点，在保密光通信、随机比特源等领域具有广泛的应用前景。然而，现有的全光纤偏振随机激光源主要利用绕偏器对光纤脉冲激光进行随机偏振处理。受绕偏器速度的限制，其带宽较低。现阶段暂无直接产生具有随机偏振的光纤脉冲激光器。
发明内容
本发明提供一种偏振随机光纤脉冲激光器，以解决目前脉冲激光器无法直接产生具有随机偏振的激光的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种偏振随机光纤脉冲激光器，包括激光器、光束合成装置、由串联的正色散光纤和负色散光纤构成的周期性色散分布光纤、超弱倏逝场光纤以及耦合器，所述激光器的输出端连接所述光束合成装置的第一输入端，所述光束合成装置的输出端连接所述周期性色散分布光纤的第一端，所述周期性色散分布光纤的第二端通过所述超弱倏逝场光纤连接所述耦合器的输入端，所述耦合器的第一输出端连接所述光束合成装置的第二输出端，耦合器的第二输出端用于输出偏振随机激光；
利用所述周期性色散分布光纤的周期性色散特性，使激光产生参量不稳定现象，并利用所述超弱倏逝场光纤的非线性特性实现四波混频，从而使所述耦合器的第二输出端输出所述偏振随机激光。
在一种可选的实现方式中，所述光束合成装置包括合束器、泵浦增益光纤和包层功率剥离器，其中所述合束器的第一输入端连接所述激光器的输出端，第二输入端连接所述耦合器的第一输出端，输出端依次通过所述泵浦增益光纤和包层功率剥离器连接所述周期性色散分布光纤的第一端。
在另一种可选的实现方式中，所述泵浦增益光纤采用高功率双包层饵镱共掺光纤，利用基于所述合束器和高功率双包层铒镱共掺光纤的高功率双包层泵浦技术，来提高所述耦合器第二输出端输出的激光的功率和重频。
在另一种可选的实现方式中，所述包层功率剥离器与所述周期性色散分布光纤之间设置有偏振无关隔离器。
在另一种可选的实现方式中，所述周期性色散光纤与超弱倏逝场光纤之间设置有偏振控制器。
在另一种可选的实现方式中，所述超弱倏逝场光纤与所述耦合器之间设置有宽带滤波器。
在另一种可选的实现方式中，所述超弱倏逝场光纤为以下三种结构中的一种：
结构一、所述超弱倏逝场光纤采用拉锥光纤，所述拉锥光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述拉锥光纤由标准单模光纤经拉锥处理而得，拉锥光纤上的最小直径大于15微米，拉锥光纤上的最大直径小于30微米，拉锥光纤上的拉锥平衡区长度大于1厘米；
结构二、所述超弱倏逝场光纤采用腐蚀光纤，所述腐蚀光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述腐蚀光纤为的包层经部分腐蚀后的标准单模光纤；
结构三、所述超弱倏逝场光纤采用光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的内孔壁上吸附有可饱和吸收材料。
在另一种可选的实现方式中，所述可饱和吸收材料采用石墨烯、碳纳米管、量子点或拓扑绝缘体。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过利用周期性色散分布光纤的周期性色散特性，可以使激光产生参量不稳定现象，并且利用超弱倏逝场光纤的非线性特性实现四波混频，可以使耦合器的第二输出端直接输出偏振随机激光，另外，本发明通过采用超弱倏逝场光纤，可以更快速地产生激光，并且可以实现在瓦量级光功率下也能正常运行，产生超短的激光脉冲；
2、本发明并未采用单模的980/1550的波分复用器来引入泵浦光，而是使所述泵浦增益光纤为高功率双包层铒镱共掺光纤，利用基于所述合束器和高功率双包层饵镱共掺光纤的高功率双包层泵浦技术，这样不仅可以提高泵浦功率及效率，还可以提高所述耦合器第二输出端输出的激光的功率和重频；
3、本发明通过增加偏振无关隔离器，可以实现激光腔内的单向运行；
4、本发明通过增加偏振控制器，可以优化整个激光腔的偏振状态；
5、本发明通过设置带宽滤波器，可以实现整个激光腔的带宽滤波，以满足偏振随机激光的输出要求。
附图说明
图1是本发明偏振随机光纤脉冲激光器的一个实施例结构示意图；
图2是本发明偏振随机光纤脉冲器的另一个实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本发明偏振随机光纤脉冲激光器的一个实施例结构示意图。该偏振随机光纤脉冲激光器可以包括激光器110、光束合成装置120、由串联的正色散光纤131和负色散光纤132构成的周期性色散分布光纤130、超弱倏逝场光纤140以及耦合器150，所述激光器110的输出端连接所述光束合成装置120的第一输入端，所述光束合成装置120的输出端连接所述周期性色散分布光纤130的第一端，所述周期性色散分布光纤130的第二端通过所述超弱倏逝场光纤140连接所述耦合器150的输入端，所述耦合器150的第一输出端连接所述光束合成装置120的第二输出端，耦合器150的第二输出端用于输出偏振随机激光；利用所述周期性色散分布光纤130的周期性色散特性，使激光产生参量不稳定现象，并利用所述超弱倏逝场光纤140的非线性特性实现四波混频，从而使耦合器150的第二输出端输出所述偏振随机激光。
本实施例中，该激光器110可以具有强耗散性和高非线性，且其可以为 980nm泵浦激光器，采用正向泵浦的方式，该耦合器150可以为单输入双输出，且其第一输出端和第二输出端的光分比为：9:1；超弱倏逝场光纤140可以为以下三种结构中的一种：
结构一、所述超弱倏逝场光纤采用拉锥光纤，所述拉锥光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述拉锥光纤由标准单模光纤经拉锥处理而得，拉锥光纤上的最小直径大于15微米，拉锥光纤上的最大直径小于30微米，拉锥光纤上的拉锥平衡区长度大于1厘米。该结构一的制作方法可以为：将标准单模光纤拉锥处理后浸泡在可饱和吸收材料溶液中，待可饱和吸收材料吸附到光纤表面后，将光纤取出置于真空箱内干燥，待干燥完成后，该结构一即制成。其中，光纤在溶液中浸泡的时间越长，光纤表面附着的可饱和吸收材料的量就越多，附着的可饱和吸收材料越多，光纤损耗就越大，因此，在制作时，应将光纤损耗控制在一定范围，一种较为简单的控制手段是，将光纤的一端通入100mW的980nm激光，光纤的另一端接功率计，浸泡过程中，实时观察功率计的读数，当光纤损耗达到1～3dB时，就应停止浸泡操作。
结构二、所述超弱倏逝场光纤采用腐蚀光纤，所述腐蚀光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述腐蚀光纤为的包层经部分腐蚀后的标准单模光纤。其中，所述腐蚀光纤由标准单模光纤经氢氟酸溶液腐蚀而得：标准单模光纤的包层被氢氟酸溶液部分腐蚀，腐蚀后，标准单模光纤的直径为20～40微米。该结构二的制作方法可以为：将标准单模光纤腐蚀后浸泡在可饱和吸收材料溶液中，待可饱和吸收材料吸附到光纤表面后，将光纤取出置于真空箱内干燥，待干燥完成后，该结构二制成。其中，光纤在溶液中浸泡的时间越长，光纤表面附着的可饱和吸收材料的量就越多，附着的可饱和吸收材料越多，光纤损耗就越大，因此，在制作时，应将光纤损耗控制在一定范围，一种较为简单的控制手段是，将光纤的一端通入100mW的980nm激光，光纤的另一端接功率计，浸泡过程中，实时观察功率计的读数，当光纤损耗达到1～3dB 时，就应停止浸泡操作。另外，该腐蚀光纤的长度可以为1至5厘米。
结构三、所述超弱倏逝场光纤采用光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的内孔壁上吸附有可饱和吸收材料。其中，所述光子晶体光纤的型号为：大孔薄壁柚子型PCF(photoniccrystal fiber，光子晶体光纤)。该结构三的制作方法可以为：采用虹吸效应，使可饱和吸收材料溶液填充到光子晶体光纤的空气孔内，然后将光纤置于真空箱内干燥，待干燥完成后，该结构三即制成。
需要注意的是：本发明中可饱和吸收材料可以采用石墨烯、碳纳米管、量子点或拓扑绝缘体，其中石墨烯可以为颗粒状；所述碳纳米管可以为颗粒状(超短单壁碳纳米管，直径1-2nm,长度1-3nm)；所述量子点为以MoS2 为例，为黑色固体粉末；所述拓扑绝缘体，以Sb2Te3为例，为晶体状。此外，无论超弱倏逝场光纤为上述三种结构中的哪种结构，为了对超弱倏逝场光纤进行保护，都可以在应用时将该超弱倏逝场光纤封闭在密封的容器内使用。另外，该光子晶体光纤的长度可以为1至5厘米。
输入至超弱倏逝场光纤140的泵浦光不仅可以在超弱倏逝场光纤140的非线性特性下实现四波混频，而且泵浦光在进入超弱倏逝场光纤140后，泵浦光并不是直接与可饱和吸收材料发生相互作用，而是只有微弱的倏逝场能够突破光纤的模场束缚，与可饱和吸收材料发生相互作用。具体地，现有脉冲激光器中通常采用直接透射可饱和吸收材料的方式，即把可饱和吸收材料制成很薄的膜片贴敷在光纤的端面，但是由于受到模场面积的限制，瓦量级的光功率很容易烧坏可饱和吸收材料膜片。本专利通过采用超弱倏逝场光纤，将可饱和吸收材料吸附在光纤内，而非光纤端面，可以使超弱倏逝场光纤具有超快的饱和吸收特性以及吸收恢复时间，这样可以使超弱倏逝场光纤能够主动快速地调制激光腔内的损耗，使原本相位随机分布的各激光纵模实现相位锁定，即便在瓦量级光功率下也能正常运行，产生超短的激光脉冲。由此可见，本发明通过采用超弱倏逝场光纤，可以更快速地产生激光，并且可以实现在瓦量级光功率下也能正常运行，产生超短的激光脉冲。
由上述实施例可见，本发明通过利用周期性色散分布光纤130 的周期性色散特性，可以使激光产生参量不稳定现象，并且利用超弱倏逝场光纤140 的非线性特性实现四波混频，可以使耦合器150的第二输出端直接输出偏振随机激光。
参见图2，为本发明偏振随机光纤脉冲激光器的另一个实施例结构示意图。图2与图1所示偏振随机光纤脉冲激光器的区别在于，该光束合成装置 120可以包括合束器121、泵浦增益光纤122和包层功率剥离器123，其中所述合束器121的第一输入端连接所述激光器110的输出端，第二输入端连接所述耦合器150的第一输出端，输出端依次通过所述泵浦增益光纤122和包层功率剥离器123连接所述周期性色散分布光纤130的第一端。
本实施例中，合束器为双输入单输出。泵浦激光器110输出980nm的连续激光首先被合束器121耦合到泵浦增益光纤122中，由泵浦增益光纤122 进行增益处理，然后传输给包层功率剥离器123，由包层功率剥离器123滤掉泵浦增益光纤122包层中的泵浦光。在进行光束合成时，本发明并未采用单模的980/1550的波分复用器来引入泵浦光，而是使所述泵浦增益光纤为高功率双包层铒镱共掺光纤，利用基于所述合束器和高功率双包层铒镱共掺光纤的高功率双包层泵浦技术，这样不仅可以提高泵浦功率及效率，还可以提高所述耦合器150第二输出端输出的激光的功率和重频。
图2与图1所示偏振随机光纤脉冲激光器的区别还在于，所述包层功率剥离器123与所述周期性色散分布光纤130之间设置有偏振无关隔离器210。本发明通过增加偏振无关隔离器，可以实现激光腔内的单向运行。
图2与图1所示偏振随机光纤脉冲激光器的区别还在于，所述周期性色散光纤130与超弱倏逝场光纤140之间设置有偏振控制器220。本发明通过增加偏振控制器，可以优化整个激光腔的偏振状态。
图2与图1所示偏振随机光纤脉冲激光器的区别还在于，所述超弱倏逝场光纤140与所述耦合器150之间设置有宽带滤波器230。本发明通过设置带宽滤波器，可以实现整个激光腔的带宽滤波，以满足偏振随机激光的输出要求。其中，该带宽滤波器230可以为高功率带宽滤波器，其滤波带宽在15-25 nm之间，并且能承受瓦量级以上的光功率。
由上述实施例可见，本发明通过利用周期性色散分布光纤的周期性色散特性，可以使激光产生参量不稳定现象，并且利用超弱倏逝场光纤的非线性特性实现四波混频，可以使耦合器的第二输出端直接输出偏振随机激光。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (8)
1.一种偏振随机光纤脉冲激光器，其特征在于，包括激光器、光束合成装置、由串联的正色散光纤和负色散光纤构成的周期性色散分布光纤、超弱倏逝场光纤以及耦合器，所述激光器的输出端连接所述光束合成装置的第一输入端，所述光束合成装置的输出端连接所述周期性色散分布光纤的第一端，所述周期性色散分布光纤的第二端通过所述超弱倏逝场光纤连接所述耦合器的输入端，所述耦合器的第一输出端连接所述光束合成装置的第二输出端，耦合器的第二输出端用于输出偏振随机激光；
利用所述周期性色散分布光纤的周期性色散特性，使激光产生参量不稳定现象，并利用所述超弱倏逝场光纤的非线性特性实现四波混频，从而使所述耦合器的第二输出端输出所述偏振随机激光。
2.根据权利要求1所述的偏振随机光纤脉冲激光器，其特征在于，所述光束合成装置包括合束器、泵浦增益光纤和包层功率剥离器，其中所述合束器的第一输入端连接所述激光器的输出端，第二输入端连接所述耦合器的第一输出端，输出端依次通过所述泵浦增益光纤和包层功率剥离器连接所述周期性色散分布光纤的第一端。
3.根据权利要求2所述的偏振随机光纤脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦增益光纤采用高功率双包层铒镱共掺光纤，利用基于所述合束器和高功率双包层饵镱共掺光纤的高功率双包层泵浦技术，来提高所述耦合器第二输出端输出的激光的功率和重频。
4.根据权利要求2所述的偏振随机光纤脉冲激光器，其特征在于，所述包层功率剥离器与所述周期性色散分布光纤之间设置有偏振无关隔离器。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的偏振随机光纤脉冲激光器，其特征在于，所述周期性色散光纤与超弱倏逝场光纤之间设置有偏振控制器。
6.根据权利要求5所述的偏振随机光纤脉冲激光器，其特征在于，所述超弱倏逝场光纤与所述耦合器之间设置有宽带滤波器。
7.根据权利要求1所述的偏振随机光纤脉冲激光器，其特征在于，所述超弱倏逝场光纤为以下三种结构中的一种：
结构一、所述超弱倏逝场光纤采用拉锥光纤，所述拉锥光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述拉锥光纤由标准单模光纤经拉锥处理而得，拉锥光纤上的最小直径大于15微米，拉锥光纤上的最大直径小于30微米，拉锥光纤上的拉锥平衡区长度大于1厘米；
结构二、所述超弱倏逝场光纤采用腐蚀光纤，所述腐蚀光纤表面吸附有可饱和吸收材料；所述腐蚀光纤为的包层经部分腐蚀后的标准单模光纤；
结构三、所述超弱倏逝场光纤采用光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的内孔壁上吸附有可饱和吸收材料。
8.根据权利要求7所述的偏振随机光纤脉冲激光器，其特征在于，所述可饱和吸收材料采用石墨烯、碳纳米管、量子点或拓扑绝缘体。
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