CN212257989U - 一种能量可调脉冲簇光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种能量可调脉冲簇光纤激光器，包括：主谐振腔和附属腔；所述主谐振腔用于产生基频锁模脉冲；所述主谐振腔包括：抽运光源、波分复用器、增益光纤、光纤环路器、材料饱和吸收体、偏振控制器和第一光纤耦合器；所述附属腔用于对所述基频锁模脉冲进行调制；所述附属腔包括：分光比可调X型光纤耦合器、光纤延时线和第二光纤耦合器。附属腔所构成的等效Fabry–Pérot滤波效应，可通过调节X型光纤耦合器的分光比来改变附属腔的滤波效应强度，从而对锁模脉冲序列进行幅值调制；可通过加热光纤延时线来改变附属腔的腔长，从而对锁模脉冲序列进行脉动轮廓宽度调制，最终实现激光器输出能量可调的脉冲簇。本实用新型主要用于激光器技术领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光器技术领域，特别涉及一种能量可调脉冲簇光纤激光器。
背景技术
锁模激光器一直是激光物理领域、工业应用领域、精密测量领域、生物医学成像领域中的首选光源。被动锁模光纤激光器相对于主动锁模激光器，其产生超短脉冲具有峰值功率高、光束质量好等显著优点而备受关注。一般情况下，被动锁模光纤激光器以单模光纤为基质，光纤的波导结构及光波能量量子化效应的约束，导致产生的锁模脉冲能量局限在纳焦量级范围。但是，传统激光加工产业的要求是在加工时间内激光脉冲能量要达到微焦量级以上。为此，具有微焦能量量级的脉冲光纤激光器是当前激光技术领域的产业关键技术与前沿课题。要产生微焦量级的高能量脉冲，通常需要对锁模激光脉冲在激光器谐振腔外通过啁啾脉冲放大(CPA)、主振荡功率放大(MOPA)、脉冲光学参量振荡放大(MOPO)和主振荡功率再放大(MOPRA)等技术方案进行放大或多级放大，才能达到工业激光加工的应用要求。例如，通过三级MOPA放大技术，在2μm波段可获得能量为36.7μJ的激光脉冲【参考文献1.P.Wan,et al.High pulse energy 2μm femtosecond fiber laser.Optics Express,2013,21(2):1798-1803】，在1.0μm波段可获得能量为1.65μJ的激光脉冲【参考文献2.X.-Y.Li,et al.Vector Effects of Dissipative Soliton in All-Fiber MOPASystem.IEEE Photonics Journal,2019,11(6):1505008】。但是，CPA、MOPA、MOPO和MOPRA等放大方案，不仅增加了激光***的工作成本，而且在脉冲能量放大的过程中还会额外引入更高的非线性效应，导致这些腔外放大技术方案往往需要采用额外的处理手段去处理剩余高非线性效应问题。这些激光器谐振腔外的能量放大方案，无疑增加了激光器***的复杂性、不稳定性和成本。
Mamyshev振荡器【参考文献3.P.Sidorenko,et al.Self-seeded,multi-megawatt,Mamyshev oscillator.Opt.Lett.,2018,43(11):2672-2675】是一种可以在激光器中直接产生大能量光脉冲的方案。但是Mamyshev振荡器的锁模自启动阈值非常高，当Mamyshev振荡器的两个滤波器带通中心波长的间隔大于4nm时，一般无法产生自启动锁模。如果要使Mamyshev振荡器容易产生自启动锁模激光脉冲，就需要借助外注入种子脉冲或对抽运功率进行强度调制的方法，才能获得自启动锁模脉冲。高的自启动阈值限制了Mamyshev激光器的广泛应用。
现有的光纤激光器存在锁模脉冲能量低、脉冲能量可控性差的技术难题。寻求从光纤激光器直接获取微焦量级高能量激光脉冲，是当前激光应用领域的一个产业共性要求，也是当今高功率激光脉冲的重要发展方向。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种能量可调脉冲簇光纤激光器，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本实用新型解决其技术问题的解决方案是：一种能量可调脉冲簇光纤激光器，包括：主谐振腔和附属腔；
所述主谐振腔用于产生基频锁模脉冲；所述主谐振腔包括：抽运光源、波分复用器、增益光纤、光纤环路器、材料饱和吸收体、偏振控制器和第一光纤耦合器；所述抽运光源的输出端通过单模光纤与波分复用器的第一输入端连接，所述波分复用器的输出端通过单模光纤与增益光纤的一端连接，所述增益光纤的另一端通过单模光纤与光纤环路器的第一端连接，所述光纤环路器的第三端通过单模光纤与材料饱和吸收体的一端连接，所述材料饱和吸收体的另一端通过单模光纤与偏振控制器的一端连接，所述偏振控制器的另一端通过单模光纤与第一光纤耦合器的输入端连接，所述第一光纤耦合器的第一输出端通过单模光纤与波分复用器的第二输入端连接，所述第一光纤耦合器的第二输出端用于输出激光；
所述附属腔用于对所述基频锁模脉冲进行调制；所述附属腔包括：分光比可调X型光纤耦合器、光纤延时线和第二光纤耦合器，所述分光比可调X型光纤耦合器的第一输入端通过单模光纤与光纤环路器的第二端连接，所述分光比可调X型光纤耦合器的第二输入端通过单模光纤与光纤延时线的一端连接；所述分光比可调X型光纤耦合器的第一输出端通过单模光纤与其的第二输出端连接形成闭环，所述光纤延时线的另一端通过单模光纤与第二光纤耦合器的第一输入端连接，所述第二光纤耦合器的第一输出端和第二输出端通过单模光纤连接形成闭环。
进一步，本激光器还包括加热器，所述光纤延时线放置在加热器的加热面上，所述加热器用于给光纤延时线加热。
进一步，所述材料饱和吸收体的材质包括：石墨烯、碳纳米管、黑磷、二硫化钼、半导体饱和吸收镜或者酒精任意一项。
进一步，所述第一光纤耦合器为Y型光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的固定分光比范围在99:1到60:40之间。
进一步，所述分光比可调X型光纤耦合器的分光比可以动态调节，调节范围在99:1到50:50，所形成的物理功能等效于附属腔的一个腔镜，其腔镜反射率在4％-100％范围动态可调。
进一步，所述第二光纤耦合器的固定分光比为50:50，所形成的物理功能等效于附属腔的另一腔镜，其腔镜反射率为100％。
进一步，所述附属腔构成一个物理效应上的动态可调滤波器，对产生的基频锁模脉冲序列进行幅值调制与脉动轮廓调制。
本实用新型的有益效果是：提供一种激光器，该激光器通过附属腔所构成的等效Fabry–Pérot滤波效应，可简单地通过调节光纤耦合器的分光比，就能轻松地改变附属腔的滤波效应强度，从而对主谐振腔中的锁模脉冲序列进行不同的幅值调制，产生能量动态可调的激光脉冲簇；通过调节附属腔的腔长，对主谐振腔中的锁模脉冲序列进行不同脉动轮廓的宽度调制，更容易地直接从激光器中获得高能量的激光脉冲簇。
本实用新型解决了传统光纤激光器输出脉冲能量低、Mamyshev振荡器中高能量脉冲自启动困难的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是激光器的结构示意图；
图2是锁模脉冲的调制原理示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本实用新型的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本实用新型保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本实用新型创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1和图2，一种能量可调脉冲簇光纤激光器，包括：主谐振腔和附属腔110；所述主谐振腔用于产生基频锁模脉冲；所述主谐振腔包括：抽运光源100、波分复用器200、增益光纤300、光纤环路器400、材料饱和吸收体500、偏振控制器600和第一光纤耦合器700；所述抽运光源100的输出端通过单模光纤与波分复用器200的第一输入端连接；所述波分复用器200的输出端通过单模光纤与增益光纤300的一端连接，所述增益光纤300的另一端通过单模光纤与光纤环路器400的第一端连接，所述光纤环路器400的第三端通过单模光纤与材料饱和吸收体500的一端连接；所述材料饱和吸收体500的另一端通过单模光纤与偏振控制器600的一端连接；所述偏振控制器600的另一端通过单模光纤与第一光纤耦合器700的输入端连接；所述第一光纤耦合器700的第一输出端通过单模光纤与波分复用器200的第二输入端连接；所述第一光纤耦合器700的第二输出端710用于输出激光；所述附属腔110用于对所述基频锁模脉冲进行调制；所述附属腔110包括：分光比可调X型光纤耦合器800、光纤延时线900和第二光纤耦合器920；所述分光比可调X型光纤耦合器800的第一输入端通过单模光纤与光纤环路器400的第二端连接；所述分光比可调X型光纤耦合器800的第二输入端通过单模光纤与光纤延时线900的一端连接；所述分光比可调X型光纤耦合器800的第一输出端通过单模光纤与其的第二输出端连接形成闭环；所述光纤延时线900的另一端通过单模光纤与第二光纤耦合器920的第一输入端连接，所述第二光纤耦合器920的第一输出端和第二输出端通过单模光纤连接形成闭环。
本实施例中，主谐振腔的锁模脉冲的产生机理是：抽运光源100通过波分复用器200对增益光纤300进行抽运，产生激光信号。激光信号受到色散与非线性、增益与损耗、饱和吸收与增益滤波三种平衡效应的联合作用，使得激光光波周期性地经历由非线性效应、饱和吸收效应引起的频谱展宽和增益滤波效应引起的频谱滤波过程。当达到稳态时，在周期性短时间隙内出现了激光能量的瞬态局域分布，即锁模脉冲。锁模脉冲的时间间隔等于光波在激光器中运转一周的时间时，锁模脉冲工作于基频状态。工作于在负群速度色散区的锁模脉冲，由于能量量子化效应，其脉冲能量被约束在纳焦量级。主谐振腔中锁模脉冲序列见图2的示意图。
附属腔110对主谐振腔锁模脉冲序列进行调制产生脉动高能量激光簇的工作机理是：当锁模脉冲进入到附属腔110中时，附属腔110等效于一个Fabry–Pérot滤波器，对锁模脉冲进行调制，从而出现脉冲序列的脉动现象。脉动现象的一旦出现，激光器蕴藏的能量不再在基态锁模脉冲序列中均匀分配，而是在某个特定激光运转圈数上出现爆发性地能量释放，从而可产生高达微焦量级的强能量激光脉冲簇输出。具体调节方式可以通过分光比可调X型光纤耦合器800进行调节。激光脉冲簇的调制效果见图2的示意图。
附属腔110拥有两个重要调制功能：
1、调制深度的调节。动态地调节附属腔110中的分光比可调X型光纤耦合器800的分光比，可以得到调制深度不同的脉冲簇输出。当滤波调制深度达到100％时，输出的激光脉冲簇能量最大。
2、脉动时间轮廓的调节。通过加热附属腔110中的光纤延时线900，呈现出的脉动时间轮廓发生改变，脉动轮廓中所包含的锁模脉冲个数将随之变化，激光脉冲簇能量也随之变化。
在附属腔110中，分光比可调X型光纤耦合器800和第二光纤耦合器920的连接方式，构成了附属腔110的两个等效腔镜。其中，分光比可调X型光纤耦合器800等效于反射率可调腔镜，反射率可调节范围：4％—100％；第二光纤耦合器920等效于反射率为100％的腔镜。入射光波从第二光纤耦合器920的入射端口输入，然后又从入射端口反向输出全部入射能量；入射光波从分光比分光比可调X型光纤耦合器的入射端口输入，只有部分能量的光波将从入射端口反向输出。分光比ρ和等效腔镜反射率r的数学关系为：
为此，附属腔110形成了Fabry–Pérot腔结构。
通过调节分光比可调X型光纤耦合器800的分光比，相当于调节附属腔110的腔镜反射率，使得附属腔110的滤波效应强度随着等效腔镜反射率的变化而变化，即附属腔110具有了动态的滤波效应，能对主谐振腔中的锁模脉冲进行幅值调制，幅值调制深度范围可从0％—100％，从而使得激光器输出能量动态可调的激光脉冲簇。
在对光纤延时线900进行加热时，能使在其传输的光波产生附加的光程(相位)。当光纤延时线900受温度调制时，光纤延时线900的参数将发生变化，导致在其中传输的光波附加光程(相位)也发生变化。特别地，由温度引起的光纤纵向应变效应使光纤延时线900的长度L有ΔL的变化量；由温度引起的光纤横向泊松效应使光纤延时线900的芯径2a有Δa的变化量，进而导致传播常数β有Δβ的变化量；由弹光效应和热光效应使光纤延时线900的纤芯折射率n有Δn的变化量。可见，温度的引起光纤延时线900参数的变化将引起在其中传输的光波附加相位Δφ为：
为此，用加热器910对光纤延时线900加热，可使附属腔110的腔长发生变化。附属腔110所形成的等效Fabry–Pérot滤波效应，对在其中传输的光波进行随温度变化的附加光程调制，在时间上表现为对锁模脉冲进行时间调制，产生脉动现象，调制函数的脉动时间宽度轮廓范围在几到几百ns量级，从而使得激光器输出不同能量的激光脉冲簇。
本激光器的总体工作原理可概述为：激光光波在主谐振腔中运转时，受到色散与非线性、增益与损耗、饱和吸收与增益滤波三种平衡效应的联合作用，使得激光光波周期性地经历由非线性效应、饱和吸收效应引起的频谱展宽和增益滤波效应引起的频谱滤波过程。当达到稳态时，无规律的背景连续光被有效地抑制，在周期性短时间隙内出现了激光能量的瞬态局域分布，即锁模脉冲。当脉冲的时间间隔等于光波在激光器中运转一周的时间，锁模脉冲就工作于基频状态。基频锁模脉冲在时域上表现出均匀序列的排布。主谐振腔中基频锁模脉冲，可由材料饱和吸收体500诱导产生，也可由类饱和吸收效应，如非线性偏振旋转技术(NPR)、非线性环路镜技术(NOLM)、非线性放大环路镜技术(NALM)等诱导产生。由于受光纤波导结构与光波能量量子化的约束，工作于负群速度色散区的光纤激光器，锁模脉冲能量一般被限制在纳焦量级。当锁模脉冲进入到附属腔110中时，附属腔110等效于一个Fabry–Pérot滤波器，可对锁模脉冲序列进行强度调制，使得均匀的基态锁模脉冲序列出现类似三角弦函数分布的脉动现象。脉动现象的一旦出现，激光器蕴藏的能量不再在基态锁模脉冲序列中均匀分配，而是在某个特定激光运转圈数上出现爆发性地能量释放，从而产生高达微焦量级的强能量激光脉冲簇输出。如果动态地调节附属腔110中的分光比可调X型光纤耦合器800的分光比，等效于动态地调节了Fabry–Pérot滤波器的滤波强度，就可以动态地得到调制深度不同的脉冲簇输出。当对基频锁模脉冲的调制深度达到100％，所对应的激光脉冲簇能量最大。同时，通过对光纤延时线900进行加热，即改变附属腔110的腔长，导致附属腔110中等效的滤波函数的周期发生改变。为此，附属腔110对主谐振腔产生的锁模脉冲序列进行时间调制后，呈现的脉动现象时间轮廓将发生改变，即一个脉动轮廓时间宽度发生变化，脉动轮廓中所包含的锁模脉冲个数将随腔长变化而变化。温度越高，脉动时间轮廓宽度越大，脉动轮廓中包含的锁模脉冲个数越多，一个脉动所对应产生的激光簇能量也越大。
本激光器，具有以下鲜明的特点与成效：
1、附属腔110所构成的等效Fabry–Pérot滤波效应，可简单地通过调节分光比可调X型光纤耦合器800的分光比，就能轻松地改变附属腔110的滤波效应强度，从而对主谐振腔中的锁模脉冲序列进行不同的幅值调制，产生能量动态可调的激光脉冲簇。本实用新型更容易地直接从激光器中获得高能量的激光簇，解决了传统光纤激光器输出脉冲能量低、Mamyshev振荡器中高能量脉冲自启动困难的难题。
2、附属腔110的滤波函数周期，可通过加热附属腔110中的光纤延时线900来实现。附属腔110的滤波函数周期的改变，导致附属腔110对主谐振腔锁模脉冲序列进行调制而产生脉动轮廓的改变，从而改变一个脉动所对应产生的激光簇能量。
3、尽管主谐振腔与附属腔110联合构成了复合式结构的光纤激光器，但是跟目前常见的一些复合式结构的光纤激光器相比，其特点是两腔的物理功能是相对独立的，倘若它们分别进行独立的结构再设计与再改善，其功能均并不会相互影响。
在主谐振腔与附属腔110的连接部位，光纤环形器400的第一端与增益光纤300连接，光纤环形器400的第二端与附属腔110中的分光比可调X型光纤耦合器800的输入端连接，光纤环形器400的第三端与材料饱和吸收体500连接。其作用是：主谐振腔产生的锁模脉冲从光纤环形器400的第一端传输到其的第二端进入到附属腔110中，再由附属腔110对锁模脉冲进行滤波调制而产生脉动现象，输出激光脉冲簇。激光脉冲簇被附属腔110反射后从光纤环形器400的第二端传输到其第三端，从而返回到主谐振腔中。
其中，所述材料饱和吸收体500的材质包括：石墨烯、碳纳米管、黑磷、二硫化钼、半导体饱和吸收镜或者酒精任意一项。所述材料饱和吸收体500为具有饱和吸收效应的物质或者类饱和吸收效应的技术。其中，NPR、NOLM、NALM等物理技术方案可以实现光学饱和吸收效应。
在一些优选的实施例中，本激光器还包括加热器910，所述光纤延时线900放置在加热器910的加热面上，所述加热器910用于给光纤延时线900加热。
在一些优选的实施例中，所述第一光纤耦合器700作为整个激光器的输出，采用的是Y型光纤耦合器，其的分光比范围在99:1到60:40之间。在实际应用时，可以根据需要选择不同的分光比端口作为激光器的输出。
在一些优选的实施例中，所述分光比可调X型光纤耦合器800的分光比可以动态调节，调节范围在99:1到50:50，所形成的物理功能等效于附属腔的一个腔镜，其腔镜反射率在4％-100％范围动态可调。所述第二光纤耦合器920的固定分光比为50:50，所形成的物理功能等效于附属腔的另一腔镜，其腔镜反射率为100％。
在一些优选的实施例中，所述单模光纤为SMF-28e光纤。所述增益光纤300包括：掺Nd3+增益光纤、掺Yb3+增益光纤、掺Pr3+增益光纤、掺Er3+增益光纤或者掺Tm3+增益光纤。
以上对本实用新型的较佳实施方式进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (7)
1.一种能量可调脉冲簇光纤激光器，其特征在于，包括：主谐振腔和附属腔；
所述主谐振腔用于产生基频锁模脉冲；所述主谐振腔包括：抽运光源、波分复用器、增益光纤、光纤环路器、材料饱和吸收体、偏振控制器和第一光纤耦合器；所述抽运光源的输出端通过单模光纤与波分复用器的第一输入端连接，所述波分复用器的输出端通过单模光纤与增益光纤的一端连接，所述增益光纤的另一端通过单模光纤与光纤环路器的第一端连接，所述光纤环路器的第三端通过单模光纤与材料饱和吸收体的一端连接，所述材料饱和吸收体的另一端通过单模光纤与偏振控制器的一端连接，所述偏振控制器的另一端通过单模光纤与第一光纤耦合器的输入端连接，所述第一光纤耦合器的第一输出端通过单模光纤与波分复用器的第二输入端连接，所述第一光纤耦合器的第二输出端用于输出激光；
所述附属腔用于对所述基频锁模脉冲进行调制；所述附属腔包括：分光比可调X型光纤耦合器、光纤延时线和第二光纤耦合器，所述分光比可调X型光纤耦合器的第一输入端通过单模光纤与光纤环路器的第二端连接，所述分光比可调X型光纤耦合器的第二输入端通过单模光纤与光纤延时线的一端连接；所述分光比可调X型光纤耦合器的第一输出端通过单模光纤与其第二输出端连接形成闭环，所述光纤延时线的另一端通过单模光纤与第二光纤耦合器的第一输入端连接，所述第二光纤耦合器的第一输出端和第二输出端通过单模光纤连接形成闭环。
2.根据权利要求1所述的一种能量可调脉冲簇光纤激光器，其特征在于，还包括加热器，所述光纤延时线放置在加热器的加热面上，所述加热器用于给光纤延时线加热。
3.根据权利要求1所述的一种能量可调脉冲簇光纤激光器，其特征在于，所述材料饱和吸收体的材质包括：石墨烯、碳纳米管、黑磷、二硫化钼、半导体饱和吸收镜或者酒精任意一项。
4.根据权利要求1所述的一种能量可调脉冲簇光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤耦合器为Y型光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的固定分光比范围在99:1到60:40之间。
5.根据权利要求1所述的一种能量可调脉冲簇光纤激光器，其特征在于，所述分光比可调X型光纤耦合器的分光比可以动态调节，调节范围在99:1到50:50，所形成的物理功能等效于附属腔的一个腔镜，其腔镜反射率在4％-100％范围动态可调。
6.根据权利要求5所述的一种能量可调脉冲簇光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤耦合器的固定分光比为50:50，所形成的物理功能等效于附属腔的另一腔镜，其腔镜反射率为100％。
7.根据权利要求1所述的一种能量可调脉冲簇光纤激光器，其特征在于，所述附属腔构成一个物理效应上的动态可调滤波器，对产生的基频锁模脉冲序列进行幅值调制与脉动轮廓调制。
Priority Applications (1)
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| CN202021425153.8U CN212257989U (zh) | 2020-07-17 | 2020-07-17 | 一种能量可调脉冲簇光纤激光器 |
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