CN105932526A - 基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器 - Google Patents

基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器，包括半导体光泵浦源、泵浦合束器和环形谐振腔，环形谐振腔内包括顺次连接的双包层掺Tm3+光纤、耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、偏振无关隔离器及真实可饱和吸收体，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器之间还连接有全光纤立奥滤光器结构，全光纤立奥滤光器结构包括顺次连接的第一45°倾斜光纤光栅、保偏光纤及第二45°倾斜光纤光栅。本发明有效的避免了单纯利用非线性特性锁模需要对泵浦光进行调制而无法自启动，并且通过混合锁模的方式可以缩短腔长，提高重复频率，实现超短锁模脉冲输出，可集成度高。

Description

基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种中红外光纤激光器，属于光纤激光器领域，更具体的说是涉及一种基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器。
背景技术
高效率、低损耗和体积小的2.0μm波段光纤激光光源目前已被广泛应用于光谱学、红外制导、激光通信以及激光医疗等科研、国防以及民用等领域。特别是由于水分子在近2.0μm区域具有一系列强烈的吸收谱线，人体中含有大量水分子的软组织机体对此波段激光吸收非常强烈，已被广泛用于诸如前列腺增生切割、膀胱肿瘤切除和泌尿结石碎石手术等生物软组织切割医疗领域，值得一提的是，由于2.0μm皮秒量级超短脉冲激光对生物组织作用具有微小热损伤和低震荡波附带损伤，目前高精确度2.0μm皮秒脉冲激光手术刀已经在脑干肿瘤和脑积水等神经外科手术中有临床研究。相对于目前激光医疗中常用2.0μmTm:YAG固体激光光源，光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、耦合损耗低和易于集成等显著优势。因此发展2.0μm中红外光纤激光器，特别是新型超短脉冲光纤激光器有着重要的科学意义和应用价值。
目前获得脉冲宽度为皮秒以及飞秒量级超短脉冲的常用方法是锁模，鉴于对激光器稳定性、普遍性、紧凑性和成本以及技术难度的考虑，中红外波段大多采用被动锁模的方式实现超短脉冲。而传统的2.0μm中红外被动锁模光纤激光器主要包括：(1)利用光纤非线性效应的锁模，如非线性放大环形镜、非线性偏振旋转等；(2)基于真实可饱和吸收体的锁模，如半导体可饱和吸收镜、单壁碳纳米管等；(3)基于真实可饱和吸收体和利用光纤非线性效应的混合锁模。由于单纯利用光纤非线性效应锁模需要较长的光纤满足非线性效应和腔内色散值相互平衡，因此产生的超短脉冲重复频率不高，并且无法自启动；单纯基于真实可饱和吸收体的锁模弛豫时间较长，不易实现超短锁模脉冲输出。
近年来，俄罗斯科学院M.A.Chernysheva等人同时基于光纤非线性效应和真实可饱和吸收体的锁模结构，采用非线性放大环形镜和单壁碳纳米管混合锁模结构、以及非线性偏振旋转和单壁碳纳米管混合锁模结构实现了2.0μm波段的被动锁模掺铥光纤激光器。然而，这两种结构存在以下缺陷：(1)结构中只能使用偏振相关光隔离器，目的是作为起偏器；(2)引入非线性放大环形镜的被动锁模结构相较于非线性偏振旋转结构是比较复杂的，并且引入较多的光器件将带来更多额外的耦合损耗；(3)采用上述结构产生的锁模孤子脉冲，其光谱具有明显的克里边带，脉冲光谱克里边带阻碍了脉冲时域进一步窄化和峰值功率提高。而且，光谱边带会引起相邻孤子脉冲间的相互作用，造成脉冲定时抖动，加剧长距离通信的误码率，严重制约了光纤信息容量的扩展，这对锁模光纤激光器在光纤通信领域的实际应用造成了很大的障碍。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器，解决了以往中红外光纤激光器无法自启动和重复频率低、弛豫时间较长及不易实现超短锁模脉冲输出的技术难题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器,包括半导体光泵浦源、泵浦合束器和环形谐振腔，环形谐振腔内包括顺次连接的双包层掺Tm3+光纤、耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、偏振无关隔离器及真实可饱和吸收体，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器之间还连接有全光纤立奥滤光器结构，全光纤立奥滤光器结构包括顺次连接的第一45°倾斜光纤光栅、保偏光纤及第二45°倾斜光纤光栅；
其中，
所述耦合器的耦合比为10:90，包括10％输出端口和90％输出端口共两个端口，所述10％输出端口连接有输出光纤，所述90％输出端口与所述第一偏振控制器连接；
所述半导体光泵浦源为二极管激光泵浦源。
所述半导体光泵浦源的泵浦源波长为793nm或1550nm。
所述真实可饱和吸收体为单壁碳纳米管。
上述所有元器件的尾纤均为单模光纤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用全光纤立奥滤光器结构有效的避免了单纯利用非线性特性锁模需要对泵浦光进行调制而无法自启动，并且通过混合锁模的方式可以缩短腔长，提高重复频率，实现超短锁模脉冲输出，可集成度高，有利于便携化和实际利用。
2、本发明采用45°倾斜光纤光栅作为起偏器，起偏器为全光纤结构，不需要选用偏振相关隔离器，能提供更多的隔离器选择性，结构简单，成本低。
3、本发明中温度对保偏光纤折射率的改变可以引起全光纤立奥滤光器透射波长可调谐特性，改变透过的光的中心波长，其透射谱将随着温度的升高而蓝移。
4、本发明可移植性高，可以有效地抑制光谱克里边带，作能有效地减弱光谱克里边带急剧放大导致的主峰放大效率低的问题，可以进一步缩短脉宽，提高功率放大效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1所示为本发明的结构示意图；
图2所示为本发明双包层掺Tm3+光纤中产生微米中红外激光能级示意图；
图中的标记分别表示为：1、半导体光泵浦源；2、泵浦合束器；3、双包层掺Tm3+光纤；4、耦合器；5、第一偏振控制器；6、第一45°倾斜光纤光栅；7、保偏光纤；8、第二45°倾斜光纤光栅；9、第二偏振控制器；10、偏振无关隔离器；11、真实可饱和吸收体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1所示的基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器,包括半导体光泵浦源1、泵浦合束器2和环形谐振腔，环形谐振腔内包括顺次连接的双包层掺Tm3+光纤3、耦合器4、第一偏振控制器5、第二偏振控制器9、偏振无关隔离器10及真实可饱和吸收体11，所述第一偏振控制器5和第二偏振控制器9之间还连接有全光纤立奥滤光器结构，全光纤立奥滤光器结构包括顺次连接的第一45°倾斜光纤光栅6、保偏光纤7及第二45°倾斜光纤光栅8；
其中，
所述耦合器4的耦合比为10:90，包括10％输出端口和90％输出端口共两个端口，所述10％输出端口连接有输出光纤，所述90％输出端口与所述第一偏振控制器5连接；
所述半导体光泵浦源1为二极管激光泵浦源。
所述半导体光泵浦源1的泵浦源波长为793nm或1550nm。
所述真实可饱和吸收体11为单壁碳纳米管。
上述所有元器件的尾纤均为单模光纤。
本实施例的所述半导体激光泵浦源1产生波长为793nm的连续泵浦光并由泵浦合束器2耦合进环形谐振腔，通过由双包层掺Tm3+(正三价铥离子)光纤3、耦合器4、第一偏振控制器5、第一45°倾斜光纤光栅6、保偏光纤7、第二45°倾斜光纤光栅8、第二偏振控制器9、偏振无关隔离器10和真实可饱和吸收体11组成的环形谐振腔中振荡形成2.0μm的激光，最后由耦合器4分光输出。
其中，如图2所示，双包层掺Tm3+光纤3对应于波长为793nm的泵浦源并产生波长为2.0μm的激光，即半导体激光泵浦源1为二极管激光泵浦源，产生波长为793nm的连续泵浦光，经过泵浦合束器2耦合进入双包层掺Tm3+光纤3的内包层中，基态能级3H6上的Tm3+吸收793nm泵浦光后被激发到激光上能级3H4，此时，若Tm3+的浓度足够高，相邻的两个Tm3+间将发生交叉驰豫过程(3H4，3H6→3F4，3F4)，一个Tm3+通过光子自猝灭过程从能级3H4弛豫到能级3F4，同时释放出光子，将另外一个Tm3+从基态能级3H6激发到能级3F4，能级3F4上的Tm3+再向基态跃迁，辐射2.0μm波段的激光。
所述的半导体激光泵浦源1为二极管激光泵浦源，产生波长为1550nm，经过泵浦合束器2耦合进入双包层掺Tm3+光纤3的内包层中，参与激光辐射的能级只有3H6和3F4，基态能级3H6上的Tm3+吸收1550nm泵浦光后被激发到激光上能级3F4，采用的泵浦方式为直接泵浦，若Tm3+的浓度足够高，一个Tm3+从能级3F4上向基态跃迁，辐射2.0μm波段的激光。
第一45°倾斜光纤光栅6、保偏光纤7和第二45°倾斜光纤光栅8共同组成全光纤立奥滤光器，具有周期性透光特性，通过改变保偏光纤的温度可以引起全光纤立奥滤光器透射波长可调谐特性，从而改变透过的光的中心波长，并且其透射谱将随着温度的升高而蓝移。
第一偏振控制器5和第二偏振控制器9经过调节，改变光纤的双折射，使脉冲峰值部分经过45°倾斜光纤光栅时受到损耗最小，而前后沿部分经历较大的损耗，形成一个等效可饱和吸收体。在双包层掺Tm3+光纤3与等效可饱和吸收体共同作用下，脉冲峰值部分不断受到放大，而前后沿则会不断受到削减，脉冲持续窄化，直到光谱宽度与激光器的增益带宽相匹配，最终增益作用与饱和吸收作用达到平衡，激光器产生被动锁模的超短脉冲。
真实可饱和吸收体11采用单壁碳纳米管，光脉冲通过单壁碳纳米管时，其边沿部分的损耗大于中央部分的损耗，使得光脉冲在通过吸收体过程中被窄化。有效的克服了单纯基于非线性光克尔效应需要引入额外单模光纤提供足够的非线性相移和脉冲无法自启动的缺陷。
如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器,其特征在于：
包括半导体光泵浦源(1)、泵浦合束器(2)和环形谐振腔，环形谐振腔内包括顺次连接的双包层掺Tm3+光纤(3)、耦合器(4)、第一偏振控制器(5)、第二偏振控制器(9)、偏振无关隔离器(10)及真实可饱和吸收体(11)，所述第一偏振控制器(5)和第二偏振控制器(9)之间还连接有全光纤立奥滤光器结构，全光纤立奥滤光器结构包括顺次连接的第一45°倾斜光纤光栅(6)、保偏光纤(7)及第二45°倾斜光纤光栅(8)；
其中，
所述耦合器(4)的耦合比为10:90，包括10％输出端口和90％输出端口共两个端口，所述10％输出端口连接有输出光纤，所述90％输出端口与所述第一偏振控制器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器,其特征在于：所述半导体光泵浦源(1)为二极管激光泵浦源。
3.根据权利要求1或2所述的基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器,其特征在于：所述半导体光泵浦源(1)的泵浦源波长为793nm或1550nm。
4.根据权利要求1所述的基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器,其特征在于：所述真实可饱和吸收体(11)为单壁碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的基于全光纤立奥滤光器结构的中红外光纤激光器,其特征在于：上述所有元器件的尾纤均为单模光纤。
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