CN114122877A - 1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、保偏增益光纤、相移器、2×2耦合器、第一偏振相关隔离器、第二偏振相关隔离器、偏振控制器、可饱和吸收体和3dB耦合器。本发明利用保偏掺铒增益光纤作为增益介质，可饱和吸收体作为被动锁模器件，相移器及偏振控制器调节损耗，实现了1.5微米波段、全保偏、重复频率存在固定差值的双向相干超短脉冲输出。本发明结构实现了全光纤结构，具有成本低廉、结构简单、***锁模稳定可靠的优点，在双光梳技术中可作为性能优良的激光光源使用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体的涉及一种1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器。
背景技术
近年来，双光梳光谱技术在大气污染监测、呼吸气体检测等重要的民生领域得到了深入研究。双光梳光谱技术是通过采用两台具有微小重复频率差的锁模激光器，再由这两台锁模激光器输出相干脉冲序列之间的异步光采样来实现光谱测量与分析。与传统的傅里叶变换光谱技术相比，双光梳光谱技术无需动镜实现光谱扫描，减少了机械结构，且同时实现了宽光谱覆盖、高检测灵敏度、高分辨率和快速测量等指标集一身。然而包含两台锁模激光器的***光源结构复杂，且体积较大。目前，利用体积小巧的锁模光纤激光器作为***光源被认为是减少双光梳光谱***体积及复杂程度的有效方法。
现有技术中，光纤激光器是以掺杂稀土元素的光纤作为增益介质的激光器，通过掺杂不同的稀土元素，可以获得不同波长的激光输出，从而将光纤激光器的工作波段覆盖到近中红外波段。其中，1.5微米光纤激光器的光谱波段，覆盖了许多气体的吸收峰，如一氧化碳、氰化氢、乙炔等。借助被动锁模技术，在光纤激光器中加入可饱和吸收体，构建的锁模光纤激光器可以获得皮秒、飞秒量级的超短脉冲输出。与双光梳光谱技术结合，可使得1.5微米锁模光纤激光器被广泛应用于大气污染监测、呼吸气体检测、危化品等重要领域。
与其他激光器相比，锁模光纤激光器具有体积小巧、启动阈值低、光转换效率高、光束质量好、光路无需机械调整等优点，在科学研究和工业应用中发挥着重要作用。但是，相对于普通的激光器，锁模光纤激光器难于自启动、易受到外界干扰。目前在光纤技术中利用全保偏光纤的锁模激光器被认为是能够抵抗环境干扰的有效方法。
锁模光纤激光器大部分采用环形腔结构。这种腔结构大部分都采用了非互易性的光学隔离器，实现单向锁模，这可以降低锁模阈值，减少腔内熔接点的反射。然而这种腔结构一般只能输出一种重复频率的超快脉冲。当这种锁模光纤激光器作为双光梳光谱技术的光源时，必须同时采用两台锁模光纤激光器，且两台锁模光纤激光器必须进行锁相操作，使得两台激光器的输出脉冲具有相干性。与其他激光器相比，锁模光纤激光器由于其自身体积小巧的优势，已经减小了***的体积及复杂程度。但需要两台锁模光纤激光器作为光源，仍使得双光梳光谱技术的***结构复杂，增加了应用成本。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，成本较低、结构简单并且可以实现脉冲相干。
根据本发明实施例的一种1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，包括：泵浦源，所述泵浦源用于输出泵浦光；谐振腔，所述谐振腔包括波分复用器、保偏增益光纤、相移器、2×2耦合器、偏振控制器和可饱和吸收体，所述泵浦源与所述波分复用器的光输入端相连，所述波分复用器的反射端与所述保偏增益光纤一个端口相连；所述保偏增益光纤的另一个端口与所述相移器的输入端相连；所述相移器的输出端与所述2 ×2耦合器的第一端口相连，所述2×2耦合器的第二端口与所述偏振控制器的一端相连，所述偏振控制器的另一端与所述可饱和吸收体的一个端口相连，所述可饱和吸收体的另一个端口与所述波分复用器的公共端相连以形成回路；第一偏振相关隔离器和第二偏振相关隔离器，所述2 ×2耦合器的第三端口与所述第一偏振相关隔离器相连作为逆时针方向的脉冲输出端，所述2×2耦合器的第四端口与所述第二偏振相关隔离器相连作为顺时针方向的脉冲输出端；3dB耦合器，所述2×2耦合器的第三端口与所述3dB耦合器的第一端口相连，所述2×2耦合器的第四端口与所述3dB耦合器第二端口相连，所述3dB耦合器的第三端口作为双向相干脉冲的干涉信号输出端。
根据本发明实施例的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，至少具有如下技术效果：
1、本发明实施方式通过波分复用器的双向同时泵浦，向光纤激光器内部注入泵浦光，通过保偏增益光纤吸收两个方向的光能量，为双向激光脉冲的产生提供持续的光增益。
2、本发明实施方式通过偏振控制器改变光路的偏振状态，实现激光器内双向光信号的锁模状态调节，易于激光器快速实现自启动锁模操作。
3、本发明实施方式通过非互易性相移器调整两个方向上的损耗，易于激光器快速同时实现两个方向上的自启动锁模操作。
4、本发明实施方式在一个环形腔内同时实现双向锁模操作，输出的双向脉冲重复频率存在固定差值，使得双向脉冲无需复杂的锁相操作就具有相干性。
5、本发明实施方式通过3dB耦合器将两个方向的输出脉冲耦合，可直接得到干涉信号输出。
6、本发明实施方式中重复频率存在固定差值的两种相干超短脉冲输出，可用于精密光谱测量、精密距离测量、飞行时间绝对测量等诸多领域。
7、本发明实施方式采用全保偏器件，对环境干扰不敏感，稳定性好。
8、本发明实施方式采用全光纤结构，无需任何外部器件，使得激光器具有结构紧凑、体积小巧、价格低廉、易于散热和维护多种特点。
根据本发明的一些实施例，所述泵浦源为半导体激光器或者光纤激光器，所述泵浦源输出泵浦光的中心波长为980nm或976nm。
根据本发明的一些实施例，所述波分复用器为反射型保偏波分复用器，其波分范围为980nm/1550nm。
根据本发明的一些实施例，所述保偏增益光纤为保偏掺铒增益光纤。
根据本发明的一些实施例，所述相移器为非互易性相移器以用于在两个锁模激光运转方向上提供不同的相移。
根据本发明的一些实施例，所述2×2耦合器中，从第一端口输入的光，由第二端口和第四端口按90/10的分光比输出；从第二端口输入的光，由第一端口和第三端口按90/10的分光比输出。
根据本发明的一些实施例，所述偏振控制器为手动挤压式偏振控制器。
根据本发明的一些实施例，所述可饱和吸收体为碳纳米管可饱和吸收体或者石墨烯可饱和吸收体。
根据本发明的一些实施例，所述泵浦源、波分复用器、保偏增益光纤、相移器、2×2耦合器、第一偏振相关隔离器、第二偏振相关隔离器、偏振控制器、可饱和吸收体和3dB耦合器的尾纤均为熊猫型保偏单模光纤。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1a为本发明实施例中1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器的结构示意图；
图1b为本发明实施例中实现逆时针方向脉冲和顺时针方向脉冲耦合的装置结构示意图；
图2a为本发明实施例中逆时针方向输出脉冲的时域图；
图2b为本发明实施例中顺时针方向输出脉冲的时域图；
图3a为本发明实施例中逆时针方向输出脉冲的射频图；
图3b为本发明实施例中顺时针方向输出脉冲的射频图；
图4a为本发明实施例中逆时针方向输出的脉冲波形图；
图4b为本发明实施例中顺时针方向输出的脉冲波形图；
图5为本发明实施例中双向脉冲耦合后的输出脉冲射频图；
图6为本发明实施例中逆时针方向输出脉冲、顺时针方向输出脉冲和双向脉冲耦合后的频谱图；
图7为本发明实施例中双向脉冲耦合后的时域干涉图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1a所示，本发明提供了一种1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，具有顺时针和逆时针两个方向输出相干的超短脉冲。本发明实施例的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器包括泵浦源1、波分复用器2、保偏掺铒增益光纤3、相移器4、2×2耦合器5、第一偏振相关隔离器6、第二偏振相关隔离器7、偏振控制器8、可饱和吸收体9。泵浦源1与波分复用器2的泵浦光输入端2a相连，波分复用器2的反射端2b 与保偏掺铒增益光纤3一个端口相连，保偏掺铒增益光纤3另一个端口与相移器4的一个端口相连，相移器4的另一个端口与2×2耦合器5的第一端口5a相连，2×2耦合器5的第二端口5b与偏振控制器8的一端相连,偏振控制器8的另一端与可饱和吸收体9的一个端口相连，可饱和吸收体9的另一个端口与波分复用器2的公共端2c相连形成回路，构成环形腔；2×2耦合器5的第三端口5c与第一偏振相关隔离器6相连，作为逆时针方向的脉冲输出端，2×2耦合器5的第四端口5d与第二偏振相关隔离器7相连，作为顺时针方向的脉冲输出端。
泵浦源用于实现泵浦光的输入，在谐振腔内通过受激辐射放大形成激光。泵浦光由波分复用器2端口2a输入谐振腔内，50％的泵浦光由波分复用器2端口2b反射进入保偏掺铒增益光纤3，经相移器4、2×2耦合器5、偏振控制器8、可饱和吸收体9后，再次经过波分复用器2端口 2b进入保偏掺铒增益光纤3，构成顺时针方向运转的激光***；50％的泵浦光由波分复用器2端口2c进入可饱和吸收体9，经偏振控制器8、2× 2耦合器5、相移器4、保偏掺铒增益光纤3后，再次经过波分复用器2 端口2c进入可饱和吸收体9，构成逆时针方向运转的激光***。
其中，泵浦源1为半导体激光器或者光纤激光器，优选的，本发明实施例中泵浦源1采用中心波长976nm的光纤激光器。波分复用器2的波分范围为980nm/1550nm。保偏掺铒增益光纤3可采用LIEKKI公司生产的高增益光纤。2×2耦合器5两个输出端的输出比率均为10％。偏振控制器8为手动挤压式偏振控制器。相移器4为非互易性相移器，在两个锁模激光运转方向上提供不同的相移。
第一偏振相关隔离器6、第二偏振相关隔离器7、2×2耦合器5以及相移器4均为本领域常用标准器件。可饱和吸收体9为碳纳米管可饱和吸收体或者石墨烯可饱和吸收体，优选的，本发明实施例中可饱和吸收体9采用碳纳米管可饱和吸收体。
其中，谐振腔内所有光纤均为熊猫型保偏单模光纤。利用保偏光纤的双折射效应，引入偏振损耗；相移器4为非互易性相移器，会在顺时针和逆时针方向上引入不同相移和损耗，使得两个相反方向上的光脉冲产生频率差；并利用可饱和吸收体9对两个相反方向上同一的可饱和吸收效应，对两方向的光脉冲进行整形，从2×2耦合器5的第三端口5c 及第四端口5d同时输出两个相干的超短脉冲。
通过合适的设定偏振控制器8的状态，将泵浦源1的泵浦能量调节至55mW以上，使锁模光纤激光器逆时针和顺时针同时实现锁模操作。
如图2a至图4b和图6所示，为本实施例中1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器稳定运转时的输出结果，图2a和图2b分别为逆时针和顺时针方向输出脉冲的时域图，从图中可看出激光器同时得到了两路光脉冲输出，且脉冲周期有一定的差值，证明两方向上输出脉冲的重复频率存在一定的差值；图3a和图3b分别为逆时针和顺时针方向输出脉冲的射频图，可进一步证明两个方向上的光脉冲重复频率存在一定的差值；图4a和图4b分别为逆时针和顺时针方向输出的脉冲波形图，可以看出脉冲的强度分布符合Sech2曲线，脉冲宽度为ps量级；图6有两个方向输出脉冲的光谱图，从图中可以看到光谱有Kelly边带，是传统的孤子锁模光谱具有的特征，证明激光器此时为锁模输出。从图2a至图4b 和图6的锁模输出特性结果得出，1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器可以同时实现两个方向上稳定的ps量级的超短脉冲输出。
如图1b所示，将2×2耦合器5的第三端口5c与3dB耦合器10第一端口10a相连，2×2耦合器5的第四端口5d与3dB耦合器10的第二端口10b相连，3dB耦合器的第三端口10c可作为双向脉冲的干涉信号输出端。
如图5至图7所示，为1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器稳定运转时通过图1b的装置干涉后的输出结果，图5为两方向脉冲干涉后的输出脉冲射频图，从图中可以看出两方向上超短脉冲的重复频率存在一个固定的差值；图6为两方向脉冲干涉后的光谱图，输出光谱较为光滑且存在Kelly边带，证明激光器此时为锁模输出；图7为两个方向脉冲耦合后的输出脉冲时域干涉图，证明了逆时针和顺时针方向上的脉冲存在相干性，并进一步证明了两方向上超短脉冲的重复频率存在一个固定的差值。从图5至图7的干涉输出特性结果得出，本发明实施例的1.5 微米波段全保偏双向锁模光纤激光器可实现重复频率存在固定差值的稳定双向相干超短脉冲输出。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，其特征在于，包括：
泵浦源，所述泵浦源用于输出泵浦光；
谐振腔，所述谐振腔包括波分复用器、保偏增益光纤、相移器、2×2耦合器、偏振控制器和可饱和吸收体，所述泵浦源与所述波分复用器的光输入端相连，所述波分复用器的反射端与所述保偏增益光纤一个端口相连；所述保偏增益光纤的另一个端口与所述相移器的输入端相连；所述相移器的输出端与所述2×2耦合器的第一端口相连，所述2×2耦合器的第二端口与所述偏振控制器的一端相连，所述偏振控制器的另一端与所述可饱和吸收体的一个端口相连，所述可饱和吸收体的另一个端口与所述波分复用器的公共端相连以形成回路；
第一偏振相关隔离器和第二偏振相关隔离器，所述2×2耦合器的第三端口与所述第一偏振相关隔离器相连作为逆时针方向的脉冲输出端，所述2×2耦合器的第四端口与所述第二偏振相关隔离器相连作为顺时针方向的脉冲输出端；
3dB耦合器，所述2×2耦合器的第三端口与所述3dB耦合器的第一端口相连，所述2×2耦合器的第四端口与所述3dB耦合器第二端口相连，所述3dB耦合器的第三端口作为双向相干脉冲的干涉信号输出端。
2.根据权利要求1所述的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源为半导体激光器或者光纤激光器，所述泵浦源输出泵浦光的中心波长为980nm或976nm。
3.根据权利要求1所述的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器为反射型保偏波分复用器，所述反射型保偏波分复用器的波分范围为980nm/1550nm。
4.根据权利要求1所述的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，其特征在于：所述保偏增益光纤为保偏掺铒增益光纤。
5.根据权利要求1所述的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，其特征在于：所述相移器为非互易性相移器以用于在两个锁模激光运转方向上提供不同的相移。
6.根据权利要求1所述的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，其特征在于：所述2×2耦合器中从第一端口输入的光，由第二端口和第四端口按90/10的分光比输出；所述2×2耦合器中从第二端口输入的光，由第一端口和第三端口按90/10的分光比输出。
7.根据权利要求1所述的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，其特征在于：所述偏振控制器为手动挤压式偏振控制器。
8.根据权利要求1所述的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体为碳纳米管可饱和吸收体或者石墨烯可饱和吸收体。
9.根据权利要求1所述的1.5微米波段全保偏双向锁模光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源、波分复用器、保偏增益光纤、相移器、2×2耦合器、第一偏振相关隔离器、第二偏振相关隔离器、偏振控制器、可饱和吸收体和3dB耦合器的尾纤均为熊猫型保偏单模光纤。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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