CN206850211U - 一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，属于激光技术、光纤光学及非线性光学领域。该1微米全光纤超短脉冲激光器在光路方向上依次包括：泵浦及相关装置、1.5微米光纤锁模激光器、1.5微米波段光纤隔离器、光纤合束器、增益光纤、非线性光纤、1微米波段光纤隔离器。其中1.5微米光纤锁模激光器可采用线性腔结构或环形腔结构；利用非线性光纤中的非线性效应将1.5微米激光进行频率转换可产生1微米波段宽带超短脉冲激光输出。该装置设计简单、结构紧凑、节约成本，可应用于生物医学、环境监测、科学研究等领域中。

Description

一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器

技术领域

本实用新型公开了基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，属于激光技术、光纤光学及非线性光学领域。

背景技术

光纤激光器具有体积小、重量轻、结构紧凑、转换效率高、输出光束质量好等优点，近年来得到了迅猛发展。超短脉冲光纤激光器以其优良的光束质量、无可比拟的散热特性、高效的电光转换效率、紧凑的装置结构、稳定的激光性能以及较低的维修操作费用而逐步在材料加工、激光医疗、工业制造、国防军事以及科学研究等领域获得越来越多的用户青睐与市场份额，并进一步成为各研究机构研究与开发的热点。

在目前1微米全光纤超短脉冲激光器的研究中，获得皮秒或飞秒超短脉冲的方法主要为被动锁模技术，通常是将一个可饱和吸收体放置在激光腔内，利用其快速可饱和吸收特性引发光波的自调制，从而产生脉冲输出。其中根据腔内色散量的不同又可分为全正色散耗散孤子锁模和色散管理孤子锁模。

目前最常用的全正色散耗散孤子锁模技术中，谐振腔中所有元件及光纤在1微米波段均为正色散，需要在腔内加入光谱滤波器提供耗散机制以获得稳定的锁模输出，此方法只能产生皮秒脉冲，需要通过腔外空间压缩才能获得飞秒激光输出，不利于全光纤化设计。而在腔内引入负色散光纤的色散管理孤子锁模技术可以直接获得飞秒激光输出，但目前在1微米波段能提供负色散的光纤器件(如啁啾光纤光栅、带隙型光子晶体光纤、高阶模光纤等) 基本依赖进口、价格昂贵，限制了全光纤超短脉冲激光器生产成本的降低，不利于产业化发展。

随着光纤非线性技术的发展，利用1.5微米飞秒激光通过频率变换可产生1微米波段飞秒激光输出。1.5微米波段激光作为通讯激光已发展的较为成熟，此波段各种光纤种类齐全、可国产化且价格相对便宜，1.5微米被动锁模谐振腔可直接输出飞秒激光脉冲，随后将其放大后利用非线性光纤产生超连续光谱可获得1微米波段的色散波光源，可直接得到1微米波段的飞秒激光输出。此方法为全光纤化设计、无空间元器件、结构紧凑、成本低、无需进口，令产品拥有更好的推广前景，增强了其行业竞争力。

实用新型内容

为了解决1微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器中难以直接光纤输出飞秒脉冲输出、压缩***复杂、成本高等问题，本实用新型基于色散波产生技术，利用1.5微米被动锁模光纤激光器泵浦非线性光纤产生1微米超短脉冲激光输出，其全光纤化设计无需额外的调制器件及空间压缩器件，大大降低***复杂性，实现高度集成的稳定超短脉冲激光输出。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案。

一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，该激光器包括1.5 微米光纤锁模激光器、1.5微米光纤放大器、非线性光纤、激光输出装置和其它辅助装置组成。其中1.5微米光纤锁模激光器包括泵浦源、光纤合束器或波分复用器、增益光纤、激光谐振腔及可饱和吸收体。1.5微米光纤放大器包括泵浦源、光纤合束器或波分复用器、增益光纤。非线性光纤包括非线性光纤；激光输出装置包括光纤隔离器或光纤分束器；其它辅助装置包括光谱滤波器、光纤环形器、偏振控制器。

1.5微米光纤锁模激光器中泵浦源产生的泵浦光通过光纤合束器或者波分复用器耦合进入谐振腔中，在增益光纤的作用下首先产生连续激光，随后受到可饱和吸收元件的作用产生脉冲激光，之后产生的脉冲激光在谐振腔中进行振荡放大，通过激光输出装置实现1.5微米超短脉冲激光输出。将此激光通过波分复用器导入光纤放大器中进一步进行功率放大提高平均功率及峰值功率，实现高功率1.5微米超短脉冲激光输出，随后将其导入非线性光纤中进行频率变换直接获得1微米超短脉冲激光。并通过激光输出装置输出。

一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，1.5 微米光纤锁模激光器1连接1.5微米光纤隔离器2输入端；光纤隔离器2输出端连接波分复用器4信号端，泵浦源3连接波分复用器4泵浦端；波分复用器4公共端连接增益光纤5进行功率放大；增益光纤5另一端连接非线性光纤6；非线性光纤6输出端连接1微米光纤隔离器输入端；1微米光纤隔离器输入端进行激光输出。

所述的1.5微米光纤锁模激光器可以分为线型腔或者环形腔结构的光纤激光器。

1.5微米线型腔锁模光纤激光器，其特征在于，泵浦源111与波分复用器 112的泵浦端连接；波分复用器112的公共端与增益光纤113相连；增益光纤 113另一端与可饱和吸收体114连接；可饱和吸收体114反射的激光经过增益光纤和波分复用器公共端后到达波分复用器信号端与反射型光纤布拉格光栅 115相连；反射型光纤布拉格光栅115另一端与1.5微米光纤隔离器116相连进行激光输出。

1.5微米环型腔锁模光纤激光器，其特征在于，泵浦源111与波分复用器 112的泵浦端连接；波分复用器112的公共端与增益光纤113相连；增益光纤另一端与光纤分束器117公共端相连，光纤分束器的分束端1作为激光输出端口；光纤分束器的分束端2与光纤环形器119的端口A相连；光由环形器端口B出来经可饱和吸收体114反射后回到环形器端口B，到达环形器端口C；环形器端口C与光谱滤波器121连接；光谱滤波器121另一端与波分复用器112信号端相连形成环形谐振腔。

所述1.5微米线型腔锁模光纤激光器中反射型光纤布拉格光栅115也可以由全反镜118代替构成谐振腔，同时在谐振腔内加入光纤分束器117和光纤隔离器116作为激光输出装置。

所述1.5微米环型腔锁模光纤激光器中光纤环形器119、可饱和吸收体114 可替换为一对偏振控制器120、122及偏振敏感隔离器116进行锁模。

所述线形谐振腔结构中反射型光纤布拉格光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，其反射率R及反射波长可按需要定制,其中0<R<1。

所述泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长的范围为：700nm-1000nm。

所述增益光纤是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱(Yb)、钕(Nd)、铒(Er)、铥(Tm)、钬(Ho)、钐(Sm)、铋(Bi)中的一种或几种。

所述的非线性光纤是掺重金属离子氧化玻璃光纤或光学晶体光纤中的一种。

所述可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、拓扑绝缘体中的一种或几种。

所述泵浦方式是纤芯单端泵浦、纤芯双端泵浦、包层单端泵浦或包层双端泵浦。

所述光纤合束器是偏振光合束器或非偏振光合束器中的一种。所述光纤合束器还可以换成波分复用器；

所述的光纤分束器的分束比在0到1之间。

所述的滤波器是熔锥光纤滤波器、Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器、马赫-曾德干涉滤波器、体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器(AWG)、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器中的一种。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果。

1、本实用新型利用1.5微米光纤激光器在非线性光纤中进行频率变换可直接产生1微米波段超短脉冲激光输出。

2、本实用新型不需要使用1微米波段色散管理光纤，全部使用1.5微米波段商业化光纤，光纤种类齐全、成本低，易于产业化。

3、本实用新型采用全光纤结构设计可直接产生1微米超短脉冲激光输出，不需要外界附加脉冲压缩器，设计简单、结构紧凑。

附图说明

图1为实施例1基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器基本原理图。

图2为实施例2谐振腔为线形结构时的结构图。

图3为实施例3谐振腔为线形结构时的结构图。

图4为实施例4谐振腔为环形结构时的结构图。

图5为实施例5谐振腔为环形结构时的结构图。

图中：1、1.5微米锁模光纤激光器，2、光纤隔离器，3、泵浦源，4、波分复用器，5、增益光纤，6、非线性光纤，7、光纤隔离器，111、泵浦源， 112、波分复用器，113、增益光纤，114、可饱和吸收体，115、反射性光纤布拉格光栅，116、光纤隔离器，117、光分束器，118、全反射镜，119、光纤环形器，120、第一偏振控制器，121、光谱滤波器、122、第二偏振控制器。

具体实施方式

以下结合图示1-5对本实用新型作进一步详细说明，但不仅限于以下几种实例。

实施例1

一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器如图1所示。图中 1.5微米锁模光纤激光器1为全光纤结构设计，使用线型腔或环形腔被动锁模技术获得1.5微米超短脉冲激光输出；随后连接1.5微米光纤隔离器2，其作用是防止回光反射、提高输出功率稳定性，将输出光连接波分复用器4的信号端，波分复用器4的泵浦端可连接中心波长为976nm的半导体激光二极管泵浦源3，波分复用器4的公共端连接一段1m长的单包层掺铒光纤5进行功率放大；掺铒光纤输出端直接与非线性光纤6熔接，利用非线性效应进行频率转换产生1微米波段超短脉冲激光输出，随后连接1微米光纤隔离器7防止回光反射、提高输出功率稳定性。

实施例2

谐振腔为线形结构时的结构图如图2所示。图中泵浦源111可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；将其与波分复用器112的泵浦端连接，为激光器提供泵浦光；波分复用器112的公共端与掺铒光纤113相连为激光器提供增益；可饱和吸收体114是产生锁模脉冲的关键器件，可选用半导体可饱和吸收镜、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管或拓扑绝缘体；波分复用器 112的信号端与反射型光纤布拉格光栅115相连，作为腔镜的同时起到定义谐振腔波长的作用；随后连接1.5微米光纤隔离器116防止回光反射、提高输出功率稳定性。

实施例3

谐振腔为线形结构时的结构图如图3所示。图中泵浦源111可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；将其与波分复用器112的泵浦端连接，为激光器提供泵浦光；波分复用器112的公共端与掺铒光纤113相连为激光器提供增益；可饱和吸收体114是产生锁模脉冲的关键器件，可选用半导体可饱和吸收镜、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管或拓扑绝缘体；波分复用器 112的信号端与光纤分束器117公共端相连，作为腔内输出器件，光纤分束器 117分束端1与带通全反镜118相连作为腔镜的同时起到定义谐振腔波长的作用；光纤分束器117分束端2与1.5微米光纤隔离器116相连，起到防止回光反射、提高输出功率稳定性的作用。

实施例4

谐振腔为环形结构时的结构图如图4所示。图中泵浦源111可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；将其与波分复用器112的泵浦端连接，为激光器提供泵浦光；波分复用器112的公共端与掺铒光纤113相连为激光器提供增益；掺铒光纤与光纤分束器117公共端相连，光纤分束器的分束端1 作为激光输出端口，分束端2与光纤环形器119的端口A相连，由环形器端口B出来的光经可饱和吸收体114反射后回到环形器端口B，到达环形器端口C，可饱和吸收体114是产生锁模脉冲的关键器件，可选用半导体可饱和吸收镜、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管或拓扑绝缘体；环形器端口C连接光谱滤波器121起到定义谐振腔波长的作用；输出光与波分复用器112信号端相连形成环形谐振腔。

实施例5

谐振腔为环形结构时的结构图如图5所示。图中泵浦源111可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；将其与波分复用器112的泵浦端连接，为激光器提供泵浦光；波分复用器112的公共端与掺铒光纤113相连为激光器提供增益；掺铒光纤与光纤分束器117公共端相连，光纤分束器的分束端1 作为激光输出端口，分束端2与一对偏振控制器120,122相连，两个偏振控制器之间加入偏振敏感隔离器116，两个偏振控制器与偏振敏感隔离器共同起到可饱和吸收体的作用，用于产生锁模脉冲输出。输出光进入光谱滤波器121 中进行波长选择、稳定输出波长。光谱滤波器121输出端与波分复用器信号端相连形成环形谐振腔。

Claims (10)

1.一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于：该激光器包括1.5微米光纤锁模激光器、1.5微米光纤放大器、非线性光纤、激光输出装置；其中1.5微米光纤锁模激光器包括泵浦源、光纤合束器或波分复用器、增益光纤、激光谐振腔及可饱和吸收体；1.5微米光纤放大器包括泵浦源、光纤合束器或波分复用器、增益光纤；激光输出装置包括光纤隔离器或光纤分束器；

1.5微米光纤锁模激光器中泵浦源产生的泵浦光通过光纤合束器或者波分复用器耦合进入谐振腔中，在增益光纤的作用下首先产生连续激光，随后受到可饱和吸收元件的作用产生脉冲激光，之后产生的脉冲激光在谐振腔中进行振荡放大，通过激光输出装置实现1.5微米超短脉冲激光输出；将此激光通过波分复用器导入光纤放大器中进一步进行功率放大提高平均功率及峰值功率，实现更高功率1.5微米超短脉冲激光输出，随后将其导入非线性光纤中进行频率变换直接获得1微米超短脉冲激光；并通过激光输出装置输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述增益光纤是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱、钕、铒、铥、钬、钐、铋中的一种或几种；所述的非线性光纤是掺重金属离子氧化玻璃光纤或光学晶体光纤中的一种；所述可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、拓扑绝缘体中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦方式是纤芯单端泵浦、纤芯双端泵浦、包层单端泵浦或包层双端泵浦；所述光纤合束器是偏振光合束器或非偏振光合束器中的一种；所述的光纤分束器的分束比在0到1之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长的范围为：700nm-2000nm。

5.一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，1.5微米光纤锁模激光器(1)连接1.5微米光纤隔离器(2)输入端；光纤隔离器(2)输出端连接波分复用器(4)信号端，泵浦源(3)连接波分复用器(4)泵浦端；波分复用器(4)公共端连接增益光纤(5)的一端进行功率放大；增益光纤(5)另一端连接非线性光纤(6)；非线性光纤输出端连接1微米光纤隔离器输入端；1微米光纤隔离器输入端进行激光输出。

6.根据权利要求5所述的一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长的范围为：700nm-2000nm。

7.根据权利要求5所述的一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述1.5微米线型腔锁模光纤激光器中反射型光纤布拉格光栅由全反镜代替构成谐振腔，同时在谐振腔内加入光纤分束器和光纤隔离器作为激光输出装置。

8.根据权利要求7所述的一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，谐振腔结构中反射型光纤布拉格光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，其反射率R及反射波长可按需要定制,其中0<R<1。

9.一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，1.5微米光纤锁模激光器分为线型腔或者环形腔结构的光纤激光器；

1.5微米线型腔锁模光纤激光器，泵浦源与波分复用器的泵浦端连接；波分复用器的公共端与增益光纤的一端相连；增益光纤另一端与可饱和吸收体连接；可饱和吸收体反射的激光经过增益光纤和波分复用器公共端后到达波分复用器信号端与反射型光纤布拉格光栅的一端相连；反射型光纤布拉格光栅另一端与1.5微米光纤隔离器相连进行激光输出；

1.5微米环型腔锁模光纤激光器，泵浦源与波分复用器的泵浦端连接；波分复用器的公共端与增益光纤的一端相连；增益光纤另一端与光纤分束器公共端相连，光纤分束器的一个分束端作为激光输出端口；光纤分束器的另一分束端与光纤环形器的端口A相连；光由环形器端口B出来经可饱和吸收体反射后回到环形器端口B，到达环形器端口C；环形器端口C与光谱滤波器的一端连接；光谱滤波器另一端与波分复用器112信号端相连形成环形谐振腔。

10.根据权利要求9所述的一种基于色散波产生的1微米全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述1.5微米环型腔锁模光纤激光器中光纤环形器、可饱和吸收体替换为一对偏振控制器及偏振敏感隔离器进行锁模。