CN102368584A - 一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器 - Google Patents

一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器 Download PDF

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本发明涉及一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，属于激光技术以及非线性光学领域。主要包括激光泵浦源、泵浦合束器、掺铥或铥钬共掺的稀土掺杂光纤、环形器、可饱和吸收体、激光分束器、隔离器、光纤光栅、偏振控制器等。利用掺铥或铥钬共掺的稀土掺杂光纤作为增益介质，可饱和吸收体作为被动锁模器件，实现了2.0微米波段、高脉冲能量、超短激光脉冲输出。该发明采用全光纤化结构设计具有结构简单、环境稳定性好等优点，易于实现产业化应用。

Description

一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，属于激光技术以及非线性光学领域。
背景技术
掺铥或铥钬共掺光纤激光器可以发射2.0微米波段的激光，也可实现1.7～2.1微米波段光谱范围的宽调谐，另外，通过上转换方式还可实现其他波段的激光输出。由于2.0微米波段输出的激光正处于人眼安全波段范围内，并且水分子有很强的中红外吸收峰，因此2.0微米波段掺铥或铥钬共掺光纤激光器在人眼安全、激光手术、激光雷达、超快光学等领域有着重要的应用前景。此外，2.5～5.0微米和8.0～12.0微米波段是大气传输中的两个窗口，此波段的激光在激光雷达、光电对抗和激光通讯等军事应用上极其重要，因此高功率2.0微米波段掺铥或铥钬共掺光纤激光器可作为光学参量振荡器(OPO)的泵浦源，从而产生2.5～12.0微米波段范围内的激光输出。目前，国外的研究组已经实现了千瓦量级的2.0微米波段连续掺铥光纤激光器，而国内也有几家单位开展了2.0微米波段掺铥光纤激光器的研究，但绝大部分的研究工作都集中于传统空间结构的连续掺铥光纤激光器的研究，激光系统结构复杂、环境稳定性差、限制了其在某些领域的广泛应用。而全光纤结构、高脉冲能量输出的被动锁模超短脉冲掺铥或铥钬共掺的光纤激光器的研究还未见任何报道。
发明内容
本发明提出了一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，利用掺铥或铥钬共掺的稀土掺杂光纤作为增益介质，可饱和吸收体作为被动锁模器件，实现了2.0微米波段高脉冲能量超短激光脉冲输出。该发明采用全光纤化结构设计、环境稳定性好，易于实现产业化应用。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
主要包括激光泵浦源、泵浦合束器、掺铥或铥钬共掺的稀土光纤、环形器、可饱和吸收体、激光分束器、隔离器、光纤光栅、偏振控制器等。
一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，激光泵浦源连接泵浦合束器的泵浦输入端；泵浦合束器的公共端连接稀土掺杂光纤；稀土掺杂光纤的另一端连接环形器的输入端，反射式结构的可饱和吸收体位于环形器公共端的位置；环形器的输出端连接激光分束器；激光分束器有两路输出，一路作为锁模超短激光脉冲的输出端，另一路与泵浦合束器的信号端相连。激光泵浦源、泵浦合束器、稀土掺杂光纤、环形器、可饱和吸收体、激光分束器一起构成环形腔结构的2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器。
一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，激光泵浦源连接泵浦合束器的泵浦输入端；泵浦合束器的公共端连接稀土掺杂光纤；稀土掺杂光纤的另一端连接隔离器；隔离器的另一端与激光分束器的输入端之间设置有透射式结构的可饱和吸收体；激光分束器有两路输出，一路作为锁模超短激光脉冲的输出端，而另一路与泵浦合束器的信号端连接。激光泵浦源、泵浦合束器、稀土掺杂光纤、隔离器、可饱和吸收体、激光分束器一起构成环形腔结构的2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器。所述的隔离器为偏振无关型。
一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，激光泵浦源连接泵浦合束器的泵浦输入端；泵浦合束器的公共端连接光纤光栅；光纤光栅的另一端连接稀土掺杂光纤；稀土掺杂光纤的另一端与反射式结构的可饱和吸收体直接耦合；泵浦合束器的信号端作为锁模超短激光脉冲的输出端。激光泵浦源、泵浦合束器、光纤光栅、稀土掺杂光纤、可饱和吸收体一起构成线形腔结构的2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器。所述的光纤光栅反射光的中心波长为λ；反射率为R，其中：1700nm＜λ＜2100nm；1％＜R＜99％。
一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，激光泵浦源连接泵浦合束器的泵浦输入端；泵浦合束器的公共端连接稀土掺杂光纤；稀土掺杂光纤的另一端连接激光分束器；激光分束器有两路输出，一路作为锁模超短激光脉冲的输出端，而另一路与偏振控制器的一端相连；偏振控制器的另一端连接隔离器，隔离器的另一端与偏振控制器相连；偏振控制器的另一端连接泵浦合束器的信号端。激光泵浦源、泵浦合束器、稀土掺杂光纤、激光分束器、偏振控制器、隔离器、偏振控制器一起构成环形腔结构的2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器。所述的隔离器为偏振相关型。
上述的激光泵浦源为半导体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，其中：半导体激光器输出激光的中心波长位于700～900nm之间；光纤激光器或拉曼激光器输出激光的中心波长位于1400～1600nm之间。
上述的稀土掺杂光纤为单模光纤或大芯径多模光纤或光子晶体光纤，其掺稀土元素为铥或铥钬共掺。
上述的可饱和吸收体可以为半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)、石墨烯(Graphene)等。
上述的泵浦合束器、稀土掺杂光纤、环形器、激光分束器、隔离器、光纤光栅为保偏型或非保偏型。
上述的2.0微米被动锁模超短脉冲全光纤激光器直接使用或作为光纤放大器的种子源使用。
上述的激光分束器的分束比为：T∶(1-T)，其中0＜T＜1。
本发明一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器具有以下优点：
本发明采用的全光纤化结构设计使整个激光系统具有结构简单、光-光转化效率高、环境稳定性好、输出脉冲能量大等优点，易于实现工业产业化应用。
附图说明
图1为实施例1的原理结构示意图。
图2为实施例1的被动锁模脉冲串。
图3为实施例1的被动锁模光谱图。
图4为实施例2的原理结构示意图。
图5为实施例3的原理结构示意图。
图6为实施例4的原理结构示意图。
图中：1、激光泵浦源，2、泵浦合束器，3、掺铥或铥钬共掺的稀土光纤，4、环形器，5、可饱和吸收体，6、激光分束器，7、隔离器，8、光纤光栅，9、偏振控制器，10、偏振控制器。
具体实施方式
下面结合图示1-6对本发明作进一步说明，但不仅限于以下几种实施例。
实施例1
一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器采用如图1所示的环形腔结构设计。主要包括：中心波长为790nm、输出功率为6W的多模半导体激光器作为激光泵浦源1；(2+1)x1结构的泵浦合束器2；10m长的掺铥双包层单模光纤3作为增益介质，掺铥双包层单模光纤3的纤芯直径为6μm，包层直径为125μm；三端口光纤环形器4；调制深度为30％的反射式结构的半导体可饱和吸收镜(SESAM)；1x2结构、分束比为30∶70的激光分束器6。其中：中心波长为790nm，输出功率为6W的多模半导体激光器1连接(2+1)x1泵浦合束器2的泵浦输入端；(2+1)x1泵浦合束器2的公共端连接10m长的掺铥双包层单模光纤3的一端；掺铥双包层单模光纤3的另一端连接三端口光纤环形器4的输入端；由于光只能单向顺序通过环形器4的三个端口，因而光由光纤环形器4的输入端进入，从光纤环形器4公共端出来的光经过反射式的半导体可饱和吸收镜5后，进入分光比为30∶70的激光分束器6的输入端；激光分束器6将光分为两束，70％的光从分束器6的输出端输出，另外30％的光到达泵浦合束器2的信号端。反射式结构的半导体可饱和吸收镜5作为锁模器件，锁模超短激光脉冲将从激光分束器6的70％的输出端输出。如图2所示，整个激光谐振腔的长度在24m左右，其被动锁模激光脉冲的重复频率为8.3MHz。图3所示为被动锁模掺铥光纤激光器的输出光谱，其中心波长为2007nm，3dB光谱带宽为1.3nm。由于反馈回激光腔内的光功率只占30％左右，激光腔内功率密度低，非线性效应弱，不易发生脉冲分裂现象，所以能够实现高脉冲能量超短激光脉冲输出。另外采用包层泵浦方式也提高了锁模激光脉冲的输出能量。
实施例2
一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器采用如图4所示的环形腔结构设计。主要包括：中心波长为1550nm、输出功率为3W的单模掺铒光纤激光器作为激光泵浦源1；1550/2000nm波分复用器(WDM)作为泵浦光合束器2；3m长的掺铥双包层单模光纤3作为增益介质，掺铥双包层单模光纤3的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm；隔离度为30dB的偏振无关隔离器7；透射式结构的石墨烯可饱和吸收体5；1x2结构、分束比为20∶80的激光分束器6。其中：中心波长为1550nm、输出功率为3W的单模掺铒光纤激光器1连接波分复用器2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接3m长的掺铥双包层单模光纤3；掺铥双包层单模光纤3的另一端连接偏振无光隔离器7的一端；石墨烯可饱和吸收体5位于偏振无光隔离器7与激光分束器6之间；激光分束器6将光分为两束，20％的光从分束器6的输出端输出，另外80％的光反馈回波分复用器2的信号端。3m长的掺铥双包层单模光纤3作为增益介质，透射式结构的石墨烯可饱和吸收体5作为锁模器件，从而实现2.0微米高脉冲能量超短激光脉冲输出。
实施例3
一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器采用如图5所示的线形腔结构设计。主要包括：中心波长为1550nm、输出功率为3W的单模掺铒光纤激光器作为激光泵浦源1；1550/2000nm波分复用器(WDM)作为泵浦光合束器2；中心波长为2000nm、3dB光谱带宽为2nm、反射率为90％的光纤布拉格光栅8；3m长的掺铥双包层单模光纤3作为增益介质，掺铥双包层单模光纤3的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm；调制深度为40％的反射式结构的半导体可饱和吸收镜(SESAM)5。其中：中心波长为1550nm、输出功率为3W的单模掺铒光纤激光器1连接波分复用器2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接反射率为90％光纤布拉格光栅8的一端；反射率为90％布拉格光栅8的另一端连接3m长的掺铥双包层单模光纤3；掺铥双包层单模光纤3的另一端与反射式结构的半导体可饱和吸收镜(SESAM)5直接耦合；1550/2000nm波分复用器2的信号端作为被动锁模超短激光脉冲的输出端。反射率为90％的光纤布拉格光栅8与反射式结构的半导体可饱和吸收镜(SESAM)5构成线形激光谐振腔，从而实现2.0微米被动锁模超短激光脉冲从波分复用器2的信号端输出。
所述的光纤光栅8反射光的中心波长λ；反射率为R，其取值范围为：1700nm＜λ＜2100nm；1％＜R＜99％。
实施例4
一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器采用如图6所示的环形腔结构设计。主要包括：中心波长为1550nm、输出功率为3W的单模掺铒光纤激光器作为激光泵浦源1；1550/2000nm波分复用器(WDM)作为泵浦光合束器2；3m长的掺铥双包层单模光纤3作为增益介质，掺铥双包层单模光纤3的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm；1x2结构、分束比为30∶70的激光分束器6；偏振相关隔离器7；偏振控制器9和10。其中：中心波长为1550nm、输出功率为3W的单模掺铒光纤激光器1连接波分复用器2的泵浦输入端；波分复用器2的公共端连接3米长的掺铥双包层单模光纤3；掺铥双包层单模光纤3的另一端连接激光分束器6的输入端；激光分束器6将光分为两束，30％的光从激光分束器6的输出端输出，另外70％的光进入偏振控制器9的一端；在偏振控制器9的另一端与偏振控制器10的一端之间连接有偏振相关隔离器7；偏振控制器10的另一端连接波分复用器2的信号端。3m长的掺铥双包层单模光纤3作为激光增益介质，偏振相关隔离器7与偏振控制器9和10组成被动锁模器件，适当的调节偏振控制器9和10的偏振态从而实现2.0微米被动锁模超短激光脉冲从激光分束器6的30％的一端输出。
在上述的四个实施例中，所述的激光泵浦源1为半导体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，其中，半导体激光器输出激光的中心波长可位于700～900nm之间；光纤激光器或拉曼激光器输出激光的中心波长可位于1400～1600nm之间。

Claims (10)

1.一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：激光泵浦源(1)连接泵浦合束器(2)的泵浦输入端；泵浦合束器(2)的公共端连接稀土掺杂光纤(3)；稀土掺杂光纤(3)的另一端连接环形器(4)的输入端，反射式结构的可饱和吸收体(5)位于环形器(4)公共端的位置；环形器(4)的输出端连接激光分束器(6)；激光分束器(6)有两路输出，一路作为锁模超短激光脉冲的输出端，另一路与泵浦合束器(2)的信号端相连。激光泵浦源(1)、泵浦合束器(2)、稀土掺杂光纤(3)、环形器(4)、可饱和吸收体(5)、激光分束器(6)一起构成环形腔结构的2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器。
2.一种0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：激光泵浦源(1)连接泵浦合束器(2)的泵浦输入端；泵浦合束器(2)的公共端连接稀土掺杂光纤(3)；稀土掺杂光纤(3)的另一端连接隔离器(7)；隔离器(7)的另一端与激光分束器的输入端之间设置有透射式结构的可饱和吸收体(5)；激光分束器(6)有两路输出，一路作为锁模超短激光脉冲的输出端，而另一路与泵浦合束器(2)的信号端连接。激光泵浦源(1)、泵浦合束器(2)、稀土掺杂光纤(3)、隔离器(7)、可饱和吸收体(5)、激光分束器(6)一起构成环形腔结构的2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器。所述的隔离器(7)为偏振无关型。
3.一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：激光泵浦源(1)连接泵浦合束器(2)的泵浦输入端；泵浦合束器(2)的公共端连接光纤光栅(8)；光纤光栅(8)的另一端连接稀土掺杂光纤(3)；稀土掺杂光纤(3)的另一端与反射式结构的可饱和吸收体(5)直接耦合；泵浦合束器(2)的信号端作为锁模超短激光脉冲的输出端。激光泵浦源(1)、泵浦合束器(2)、光纤光栅(8)、稀土掺杂光纤(3)、可饱和吸收体(5)一起构成线形腔结构的2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器；所述的光纤光栅(8)的中心波长为λ；反射率为R，其中：1700nm＜λ＜2100nm；1％＜R＜99％。
4.一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：激光泵浦源(1)连接泵浦合束器(2)的泵浦输入端；泵浦合束器(2)的公共端连接稀土掺杂光纤(3)；稀土掺杂光纤(3)的另一端连接激光分束器(6)；激光分束器(6)有两路输出，一路作为锁模超短激光脉冲的输出端，而另一路与偏振控制器(9)的一端相连；偏振控制器(9)的另一端连接隔离器(7)，隔离器(7)的另一端与偏振控制器(10)相连；偏振控制器(10)的另一端连接泵浦合束器(2)的信号端。激光泵浦源(1)、泵浦合束器(2)、稀土掺杂光纤(3)、激光分束器(6)、偏振控制器(9)、隔离器(7)、偏振控制器(10)一起构成环形腔结构的2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器；所述的隔离器(7)为偏振相关型。
5.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的激光泵浦源(1)为半导体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，其中，半导体激光器输出激光的中心波长位于700～900nm之间；光纤激光器或拉曼激光器输出激光的中心波长位于1400～1600nm之间。
6.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的稀土掺杂光纤(3)为单模光纤或大芯径多模光纤或光子晶体光纤，其掺稀土元素为铥或铥钬共掺。
7.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的可饱和吸收体(5)为半导体可饱和吸收镜(SESAM)或碳纳米管(SWNT)或石墨烯(Graphene)。
8.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦合束器(2)、稀土掺杂光纤(3)、环形器(4)、激光分束器(6)、隔离器(7)、光纤光栅(8)为保偏型或非保偏型。
9.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的2.0微米被动锁模超短脉冲全光纤激光器直接使用或作为光纤放大器的种子源使用。
10.根据权利要求1或权利要求2或权利要求4所述的一种2.0微米波段被动锁模超短脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的激光分束器(6)的分束比为：T∶(1-T)，其中0＜T＜1。
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