CN111404005A - 一种全光纤锁模光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请属于光纤激光器技术领域，特别是涉及一种全光纤锁模光纤激光器。现有的锁模光纤激光器损伤阈值较低，稳定性也不高，同时结构不紧凑。本申请提供了一种全光纤锁模光纤激光器，包括依次连接的激光发出组件、波分复用器、全光纤可饱和吸收组件、耦合器、增益光纤和偏振无关隔离器，所述偏振无关隔离器与所述波分复用器相连接；所述全光纤可饱和吸收组件包括偏振控制器和光纤组，所述光纤组包括依次连接的单模光纤、单包层多模光纤和输出单模光纤。多模光纤中的非线性多模干涉效应实现锁模，得到了1.5μm波段的传统孤子输出，并且实现了高阶次谐波锁模。具有全光纤结构，损伤阈值高，稳定性高，结构紧凑。

Description

一种全光纤锁模光纤激光器
技术领域
本申请属于光纤激光器技术领域，特别是涉及一种全光纤锁模光纤激光器。
背景技术
谐波是一个数学或物理学概念，是指周期函数或周期性的波形中能用常数、与原函数的最小正周期相同的正弦函数和余弦函数的线性组合表达的部分。1.5μm谐波脉冲光纤激光器在光通信、材料处理、光频梳、生物医学和非线性光学等领域具有广泛的应用前景，是激光领域最活跃和最具创造力的一个分支。锁模是光学里一种用于产生极短时间激光脉冲的技术，脉冲的长度通常在皮秒(10负十二次方秒)甚至飞秒(10负十五次方秒)。该技术的理论基础是在激光共振腔中的不同模式间引入固定的相位关系，这样产生的激光被称为锁相激光或锁模激光。这些模式之间的干涉会使激光产生一系列的脉冲。根据激光的性质，这些脉冲可能会有极短的持续时间，甚至可以达到飞秒的量级。
实现1.5μm谐波脉冲输出的一种主要途径是被动锁模光纤激光器。在1.5μm被动锁模光纤激光器发展中，基于不同原理的可饱和吸收器件，可分为真实材料可饱和吸收体，非线性偏振旋转技术，半导体可饱和吸收镜以及多模干涉效应。而现有的锁模光纤激光器损伤阈值较低，稳定性也不高，同时结构不紧凑。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于实现1.5μm谐波脉冲输出的一种主要途径是被动锁模光纤激光器。在1.5μm被动锁模光纤激光器发展中，基于不同原理的可饱和吸收器件，可分为真实材料可饱和吸收体，非线性偏振旋转技术，半导体可饱和吸收镜以及多模干涉效应。而现有的锁模光纤激光器损伤阈值较低，稳定性也不高，同时结构不紧凑的问题，本申请提供了一种全光纤锁模光纤激光器。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种全光纤锁模光纤激光器，包括依次连接的激光发出组件、波分复用器、全光纤可饱和吸收组件、耦合器、增益光纤和偏振无关隔离器，所述偏振无关隔离器与所述波分复用器相连接；
所述全光纤可饱和吸收组件包括偏振控制器和光纤组，所述光纤组包括依次连接的单模光纤、单包层多模光纤和输出单模光纤。
可选地，所述激光发出组件、波分复用器、全光纤可饱和吸收组件、耦合器、增益光纤和偏振无关隔离器依次熔接，所述偏振无关隔离器与所述波分复用器熔接。
可选地，所述的增益光纤为单模掺铒光纤。
可选地，所述单包层多模光纤的长度为0.6m。
可选地，所述激光发出组件为单模输出的980nm的半导体激光器。
可选地，所述耦合器为10：90的输出耦合器，其中10％为输出端。
可选地，所述偏振控制器为手动旋转式偏振控制器。
可选地，所述耦合器与激光观测组件相连接。
可选地，波分复用器、全光纤可饱和吸收组件、耦合器、增益光纤和偏振无关隔离器依次连接组成光纤环形腔结构。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的全光纤锁模光纤激光器的有益效果在于：
本申请提供的全光纤锁模光纤激光器，单模-多模-单模结构即SMS(Single-mode-Multimode-Single-mode)结构是利用光传输至多模光纤中激发高阶模，再耦合进入单模光纤发生干涉效应，通过手动式旋转偏振控制器改变激光器谐振腔内的非线性及损耗，对光强进行调制，实现被动锁模脉冲激光输出。SMS结构能够容忍更高的能量运行，相对于真实可饱和吸收体可以大大提高损伤阈值而不至于锁模器件损坏，因为基于多模干涉效应的SMS全光纤结构的光纤激光器具有很大的应用和研究价值。采用的锁模器件是一个由单模-多模-单模依次熔接的光纤结构，其锁模机制是利用非线性多模干涉效应，同时通过手动旋转式偏振控制器改变腔内的非线性和损耗，对光强进行调制得以实现锁模。多模光纤中的非线性多模干涉效应实现锁模，得到了1.5μm波段的传统孤子输出，并且实现了高阶次谐波锁模。具有全光纤结构，损伤阈值高，稳定性高，结构紧凑。
附图说明
图1是本申请的全光纤锁模光纤激光器结构示意图；
图2是本申请的全光纤锁模光纤激光器输出的光谱示意图；
图3是本申请的全光纤锁模光纤激光器输出的脉冲序列示意图；
图4是本申请的全光纤锁模光纤激光器输出的脉冲波形示意图；
图5是本申请的全光纤锁模光纤激光器输出的高重复频率脉冲序列示意图；
图6是本申请的全光纤锁模光纤激光器的SMS可饱和吸收体在不同偏振态的可饱和吸收体特性曲线；
图中：1-激光发出组件，2-波分复用器，3-全光纤可饱和吸收组件，4-耦合器，5-增益光纤，6-偏振无关隔离器，7-偏振控制器，8-光纤组，9-激光观测组件。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
参见图1～6，本申请提供一种全光纤锁模光纤激光器，包括依次连接的激光发出组件1、波分复用器2、全光纤可饱和吸收组件3、耦合器4、增益光纤5和偏振无关隔离器6，所述偏振无关隔离器6与所述波分复用器2相连接；
所述全光纤可饱和吸收组件3包括偏振控制器7和光纤组8，所述光纤组8包括依次连接的单模光纤、单包层多模光纤和输出单模光纤。
图1为本申请的基于SMF-MMF-SMF光纤结构的1.5μm谐波锁模光纤激光器结构示意图。由图可见，激光发出组件1即泵浦源通过波分复用器2耦合注入激光腔中，增益光纤5为增益介质。偏振无关隔离器6保证激光单向运转。使用时，调整SMF-MMF-SMF可饱和吸收器件的弯曲状态，实现1.5μm传统孤子锁模后，将SMF-MMF-SMF可饱和吸收器固定在该弯曲状态。之后增加单模980nm半导体激光器泵浦功率并且微调偏振控制器可以减小该可饱和吸收体的非饱和损耗以及调制深度，非饱和损耗的减小使得激光器中透过光强增大，脉冲在腔内承受了更高的能量。调制深度的减小可以使得脉冲宽度减小，同时也可以使得腔内最大单脉冲的能量和脉冲的峰值功率提高。在以上两点的影响下，脉冲宽度减小，脉冲能量提高，传统孤子受到峰值功率限制效应以及无法再满足孤子面积定理。传统孤子最终***，在受到腔内脉冲能量量子化效应的影响下，***后的孤子受到腔内同样的增益和损耗影响，在模式竞争的情况下趋于稳定，最后***脉冲形成谐波锁模。
Figure BDA0002418027260000031
以上公式为负色散去腔损耗系数的公式，其中αc为非饱和损耗，αo为调制深度，Psat为饱和功率。可以看到整个腔的损耗是跟可饱和吸收体的非饱和损耗、调制深度以及饱和功率存在重要影响。
Figure BDA0002418027260000032
此公式为负色散区脉冲宽度的表达式，其中Ts为脉冲宽度，β2为群速度色散系数，q为啁啾参量，d为增益色散参量，gc为饱和增益在腔长L上的平均值。当我们的激光器搭建完成以后，以上数值均为定值，但是当改变偏振控制器的角度时，偏振态的改变影响了调制深度以及非饱和损耗的大小，由图可知，非饱和损耗和调制深度均减小，由此公式可以看出，脉冲宽度随之减小。
再考虑本文中可饱和吸收体的透过率，我们将其非饱和损耗的改变通过两部分来说明。首先，当光从单模光纤进去多模光纤中时，会在多模光纤中激发不同阶模式的光，这些光在多模光纤中存在一定的模式干涉，此处分析我们假定只有两种高低阶模式光，以此作为参考，首先我们给出输入光在多模光纤中的归一化光功率：
Figure BDA0002418027260000041
其中Δβn为传播常数，ΔφNL为非线性相移，L为多模光纤的长度。由此公式可以看出光功率的大小与引入的非线性相移存在一定的关系，当改变偏振控制器的角度时(由透射率低向透射率高缓慢旋转)，偏振态的改变引入的非线性相移使得光功率的大小得以改变。
其次，我们在考虑当光从多模光纤进入单模光纤时，我们给出多种模式光耦合进入单模光纤的耦合公式：
Figure BDA0002418027260000042
此公式为一个完全对称张量。因为多磨光纤与单模光纤芯径模式的不匹配，光从多模光纤耦合进入单模光纤时，必定会有一部分的光被耦合进入包层，此处光功率存在的损失被认为是SMS可饱和吸收器件的非饱和损耗。而非饱和损耗又与偏振态存在一定的关系，所以本实验中我们通过改变偏振态实现了对于光强的调制。并且在获得基频脉冲时，我们通过增加泵浦功率以及调整偏振控制器的角度实现了高次谐波。
在一定的泵浦功率下，通过弯曲SMF-MMF-SMF光纤可饱和吸收组件3，并且调整偏振控制器7，改变激光腔内的非线性相移以及高低阶模式光的光强，实现1.5μm传统孤子锁模，图2为传统孤子锁模状态输出时的光谱，图3为激光器基本重复频率为1.28MHz的传统孤子锁模脉冲序列，图4为激光器传统孤子锁模脉冲输出时，脉冲波形图。图5为激光器高重频输出时的脉冲序列图，重复频率为1.127GHz。
本申请利用多模光纤中的非线性多模干涉效应，也就是所谓的自聚焦效应引起的可饱和吸收性，并通过偏振控制器调节腔内非线性相移和损耗，使得干涉光强处在相位差为π的奇数倍点上实现锁模输出，具有全光纤结构、较高的脉冲能量以及优异的散热特性。本申请中使用的多模光纤为商用单包层多模光纤，长度为0.6米。相同长度的多模光纤制备的可饱和吸收组件3在盘入偏振控制器7后，通过调节偏振控制器7，可以获得不同的调制深度。
进一步地，所述激光发出组件1、波分复用器2、全光纤可饱和吸收组件3、耦合器4、增益光纤5和偏振无关隔离器6依次熔接，所述偏振无关隔离器6与所述波分复用器2熔接。
进一步地，所述的增益光纤5为单模掺铒光纤。
进一步地，所述单包层多模光纤的长度为0.6m。
进一步地，所述激光发出组件1为单模输出的980nm的半导体激光器。
进一步地，所述耦合器4为10:90的输出耦合器，其中10％为输出端。
进一步地，所述偏振控制器7为手动旋转式偏振控制器。
偏振控制器7采用手动旋转式偏振控制器，用来调整激光腔内非线性相移和光强损耗，以提高脉冲激光输出稳定性。
进一步地，所述耦合器4与激光观测组件9相连接。这里的连接方式也是熔接。
进一步地，波分复用器2、全光纤可饱和吸收组件3、耦合器4、增益光纤5和偏振无关隔离器6依次连接组成光纤环形腔结构。
本申请提供的全光纤锁模光纤激光器，单模-多模-单模结构结构是利用光传输至多模光纤中激发高阶模，再耦合进入单模光纤发生干涉效应，通过手动式旋转偏振控制器改变激光器谐振腔内的非线性及损耗，对光强进行调制，实现被动锁模脉冲激光输出。SMS结构能够容忍更高的能量运行，相对于真实可饱和吸收体可以大大提高损伤阈值而不至于锁模器件损坏，因为基于多模干涉效应的SMS全光纤结构的光纤激光器具有很大的应用和研究价值。采用的锁模器件是一个由单模-多模-单模依次熔接的光纤结构，其锁模机制是利用非线性多模干涉效应，同时通过手动旋转式偏振控制器改变腔内的非线性和损耗，对光强进行调制得以实现锁模。多模光纤中的非线性多模干涉效应实现锁模，得到了1.5μm波段的传统孤子输出，并且实现了高阶次谐波锁模。具有全光纤结构，损伤阈值高，稳定性高，结构紧凑。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的或范围所包含的全部修改。

Claims (9)

1.一种全光纤锁模光纤激光器，其特征在于：包括依次连接的激光发出组件(1)、波分复用器(2)、全光纤可饱和吸收组件(3)、耦合器(4)、增益光纤(5)和偏振无关隔离器(6)，所述偏振无关隔离器(6)与所述波分复用器(2)相连接；
所述全光纤可饱和吸收组件(3)包括偏振控制器(7)和光纤组(8)，所述光纤组(8)包括依次连接的单模光纤、单包层多模光纤和输出单模光纤。
2.如权利要求1所述的全光纤锁模光纤激光器，其特征在于：所述激光发出组件(1)、波分复用器(2)、全光纤可饱和吸收组件(3)、耦合器(4)、增益光纤(5)和偏振无关隔离器(6)依次熔接，所述偏振无关隔离器(6)与所述波分复用器(2)熔接。
3.如权利要求1所述的全光纤锁模光纤激光器，其特征在于：所述的增益光纤(5)为单模掺铒光纤。
4.如权利要求1所述的全光纤锁模光纤激光器，其特征在于：所述单包层多模光纤的长度为0.6m。
5.如权利要求1所述的全光纤锁模光纤激光器，其特征在于：所述激光发出组件(1)为单模输出的980nm的半导体激光器。
6.如权利要求1所述的全光纤锁模光纤激光器，其特征在于：所述耦合器(4)为10:90的输出耦合器，其中10％为输出端。
7.如权利要求1所述的全光纤锁模光纤激光器，其特征在于：所述偏振控制器(7)为手动旋转式偏振控制器。
8.如权利要求1～7中任一项所述的全光纤锁模光纤激光器，其特征在于：所述耦合器(4)与激光观测组件(9)相连接。
9.如权利要求8所述的全光纤锁模光纤激光器，其特征在于：波分复用器(2)、全光纤可饱和吸收组件(3)、耦合器(4)、增益光纤(5)和偏振无关隔离器(6)依次连接组成光纤环形腔结构。
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