CN107069398B - 双脉冲方波光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

双脉冲方波光纤激光器，属于光纤激光器领域，为了解决现有方波光纤激光器无法实现双脉冲方波输出的问题，第一激光泵浦源与第一波分复用器的a1端相连，第二激光泵浦源与第二波分复用器的a2端相连；单模掺铒光纤的一端与第一波分复用器的c1端相连，另一端与第二波分复用器的c2端相连；单模光纤的一端与第一波分复用器的b2端相连，另一端与色散补偿光纤的一端相连，单模光纤缠绕在非线性旋转控制器上；2×2耦合器的e端与色散补偿光纤的另一端相连，f端与第二波分复用器的b2端相连，d端与隔离器的输出端相连，g端与1×2输出耦合器的h端相连；1×2输出耦合器的j端与隔离器的输入端相连，i端输出；本发明适用于光通信等领域。

Description

双脉冲方波光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种双脉冲方波光纤激光器，属于光纤激光器领域，双脉冲方波激光在光通信和光纤激光器等领域中具有重要的研究价值。
背景技术
方波光纤激光器能产生宽脉宽、高能量和高信噪比的激光脉冲，在高功率光纤激光器系统、激光加工和光通信领域中有较好的应用前景。国内外对方波光纤激光器的研究时间较短，对它的一些性质研究还不完善，因此方波光纤激光器已成为当今最具发展潜力的激光技术之一。
双脉冲方波光纤激光器是方波光纤激光器中的一种，目前在光纤激光器领域，非线性偏振旋转(NPR)结构和非线性放大环形镜(NALM)结构都可实现方波脉冲输出，然而没有结构可以实现双脉冲方波。双脉冲方波的研究不仅丰富了光纤激光器的输出状态，有利于避免或加强脉冲间相互作用，而且在光通信、激光器及高分辨率光学具有潜在的应用价值。至今，还未有人在光纤激光器中发现双脉冲方波。
发明内容
本发明为了解决现有方波光纤激光器无法实现双脉冲方波输出的问题，提出一种双脉冲方波光纤激光器。
本发明采用以下技术方案：
双脉冲方波光纤激光器，其包括第一激光泵浦源、第二激光泵浦源、第一波分复用器、第二波分复用器、单模掺铒光纤、单模光纤、非线性旋转控制器、色散补偿光纤、2×2耦合器、隔离器和1×2输出耦合器，其特征是，
第一激光泵浦源与第一波分复用器的a1端相连，第二激光泵浦源与第二波分复用器的a2端相连；单模掺铒光纤的一端与第一波分复用器的c1端相连，另一端与第二波分复用器的c2端相连；单模光纤的一端与第一波分复用器的b2端相连，另一端与色散补偿光纤的一端相连，单模光纤缠绕在非线性旋转控制器上；2×2耦合器的e端与色散补偿光纤的另一端相连，f端与第二波分复用器的b2端相连，d端与隔离器的输出端相连，g端与1×2输出耦合器的h端相连；1×2输出耦合器的j端与隔离器的输入端相连，i端输出。
非线性控制器是一个对称结构，左右两边对称设置圆形旋转控制器、扭杆和支架，扭杆的一端与圆形旋转控制器的圆心连接，另一端与支架顶端连接；单模光纤缠绕在两个圆形旋转控制器上，通过扭转两个圆形控制器，可以很大程度地控制腔内的非线性效应，使激光器输出稳定的双脉冲方波。
第一激光泵浦源和第二激光泵浦源的工作波长是980nm，两个泵浦源的最大输出功率都是400mW。
第一波分复用器的a1、b1、c1端和第二波分复用器的a2、b2、c2端均分别为980nm端、1550nm端和公共端。
单模掺铒光纤长度为10m，色散系数是-9ps/km.nm；单模光纤长度为42m，色散系数是20ps/km.nm；色散补偿光纤长度为8m，色散系数是-100ps/km.nm。
隔离器为1550nm光隔离器。
2×2耦合器的规格是50：50；1×2输出耦合器的j端为95％端口，i端为5％端口。
本发明的有益效果：在NALM的结构的基础上，去掉偏振控制器(PC)，并在非线性环中加入了非线性旋转控制器(Nonlinear Rotation Controller,NRC)、第二泵浦源和一段色散补偿光纤，第二泵浦源的使用及较小的5％输出比能使腔内能量比传统的NALM大，更容易使腔内脉冲分裂，色散补偿光纤的使用能中和腔内的负色散，避免腔内色散对方波脉冲的影响。非线性旋转控制器件能大幅度改变腔内的非线性效应，使单个方波中间平顶处产生大量非线性啁啾分裂成两个束缚在一起的方波脉冲。
本发明结构简单、易于调节、制造成本低、稳定性高，并且易于与光纤系统集成，在光通信等领域具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明双脉冲方波光纤激光器结构示意图。
图2为所述非线性旋转控制器的三视图，2a是正视图，2b是左视图，2c是俯视图。
图3中3a为方波单脉冲，3b为方波单脉冲输出时对应的光谱，3c为方波单脉冲对应的时域序列和频域序列，3d为方波单脉冲的基频信噪比。
图4为随泵浦功率增加，方波单脉冲的变化图。
图5中5a为双方波脉冲的时域序列，5b为双方波脉冲的时间间隔，5c为5b中双方波脉冲左侧方波，5d为5b中双方波脉冲右侧方波。
图6中6a为双方波脉冲的频谱(调制)，6b为双方波脉冲的基频信噪比，6c为双方波脉冲随泵浦功率变化，6d为随泵浦功率增加，双方波脉冲间隔变化(左)和输出功率变化(右)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1所示，双脉冲方波光纤激光器，包括第一激光泵浦源1、第二激光泵浦源2、第一波分复用器3、第二波分复用器4、单模掺铒光纤5、单模光纤6、非线性旋转控制器(NRC)7、色散补偿光纤8、2×2耦合器9、隔离器10和1×2输出耦合器11。
第一激光泵浦源1与第一波分复用器3的a1端相连，第二激光泵浦源2与第二波分复用器的a2端相连；单模掺铒光纤5的一端与第一波分复用器3的c1端相连，另一端与第二波分复用器4的c2端相连；单模光纤6的一端与第一波分复用器3的b2端相连，另一端与色散补偿光纤8的一端相连，单模光纤6缠绕在非线性旋转控制器7上；2×2耦合器9的e端与色散补偿光纤8的另一端相连，f端与第二波分复用器的b2端相连，d端与隔离器10的输出端相连，g端与输出耦合器11的h端相连；输出耦合器11的j端与隔离器10的输入端相连，i端输出光脉冲接入仪器探测。上述器件的连接全部采用光纤熔接。
第一激光泵浦源1和第二激光泵浦源2的工作波长是980nm，两个泵浦源的最大输出功率都是400mW。
两个波分复用器的a、b、c端分别是980端、1550端和公共端。
单模掺铒光纤5长度为10m，色散系数是-9ps/km.nm；单模光纤6长度为42m，色散系数是20ps/km.nm；色散补偿光纤8长度为8m，色散系数是-100ps/km.nm。这样使腔内的总色散为0.06ps2，近似为零色散。激光器运转在近零色散区，避免了色散对腔内脉冲的影响。
隔离器10为1550nm光隔离器。
2×2耦合器9的规格是50：50；1×2输出耦合器11的j端为95％端口，i端为5％端口。
如图2a-2c所示，非线性控制器7是一个对称结构，左右两边对称设置圆形旋转控制器12、扭杆13和支架14，扭杆13的一端与圆形旋转控制器12的圆心连接，另一端与支架14顶端连接；单模光纤6缠绕在两个圆形旋转控制器12上，轻微扭转两个圆形控制器，就可以大量改变腔内的非线性效应，在它的影响下脉冲容易分裂，使激光器输出稳定的双脉冲方波。得到的双脉冲方波间隔是41ns，由于两个方波脉冲的间隔较小所以两个脉冲间会相互干涉，使得频谱发生周期性的调制，对应的的频谱调制周期为0.2pm，对应的脉冲间隔为41ns，双脉冲方波持续时间分别为1.5ns，为单方波脉冲3ns的一半，并且可以稳定工作数个小时。
开启第一激光泵浦源1增加泵浦功率，当第一泵浦源达到最大时，再开启第二泵浦源2增加泵浦功率，泵浦光经单模掺铒光纤5放大，放大后的光由2×2耦合器9的f端进入,经过g端输出到单向环中单向传输，再从2×2耦合器9的d端进入，在2×2耦合器9的e和f端光被分成相等且反向的两束光在非线性环中相向传输，其中逆时针传输的光线经单模掺铒光纤5放大再经单模光纤6和色散补偿光纤8积累非线性相移，而顺时针传输的光先经过单模光纤6和色散补偿光纤8积累非线性相移再经过单模掺铒光纤7放大，顺时针传输的光和逆时针传输的光同时进入2×2耦合器9时积累了不同的非线性相移，形成稳定的相位差，在2×2耦合器9的g端输出实现稳定的锁模，锁模后的谐振腔拥有非线性的透射率，一旦脉冲能量达到最大的投射能量，峰值功率钳制效应就会产生。当泵浦功率为275mW时，达到方波脉冲的启动阈值，可以实现方波脉冲输出。泵浦功率达到760mW时，轻微扭动非线性控制器，这会大幅度增加腔内的非线性效应，使方波脉冲平顶中央处产生大量的非线性啁啾，使单个方波脉冲分裂成两个方波脉冲。由于两个方波脉冲距离较近(41ns<312ns)，会发生干涉，产生频谱的周期性调制。
图3中的图3a为泵浦功率是800mW时的单脉冲方波，脉冲持续时间为3ns；图3b为泵浦功率是800mW时对应的光谱，光谱的3dB线宽为7.81nm；图3c为方波脉冲的时域图，右上角为对应的频域图，重复频率为3.2MHz，可以看出两图中脉冲没有明显的起伏，很稳定；图3d展示方波脉冲信噪比超过60dB，输出的方波信号很稳定。
图4为随着泵浦功率的变大，单个方波脉冲逐渐展宽的过程，这符合方波脉冲的耗散孤子共振特性，即在谐振腔中随着泵浦功率增加，峰值功率不变，而脉宽会逐渐增加。
图5中图5a为双方波脉冲的时域序列，它的重复频率不变依然是3.2MHz；图5b为单个束缚态方波，两方波的时间间隔为41ns；图5c、5d显示了两个束缚在一起的单脉冲脉宽分别为1.5ns，是上述单方波脉冲脉宽(3ns)的一半。
图6中图6a为双方波脉冲的频谱，频谱调制周期为25MHz(0.2pm)；图6b为双方波脉冲的信噪比，信噪比高达60dB，因此双方波脉冲有良好的稳定性；图6c为随着泵浦功率增加，双方波脉冲的脉宽也有微小的增加；图6d随着泵浦功率的增加，双方波脉冲间隔几乎不变(左箭头)，输出功率线性增加(右箭头)。

Claims (6)

1.双脉冲方波光纤激光器，其包括第一激光泵浦源（1）、第二激光泵浦源（2）、第一波分复用器（3）、第二波分复用器（4）、单模掺铒光纤（5）、单模光纤（6）、非线性旋转控制器（7）、色散补偿光纤（8）、2×2耦合器（9）、隔离器（10）和1×2输出耦合器（11），其特征是，
第一激光泵浦源（1）与第一波分复用器（3）的a1端相连，第二激光泵浦源（2）与第二波分复用器（4）的a2端相连；单模掺铒光纤（5）的一端与第一波分复用器（3）的c1端相连，另一端与第二波分复用器（4）的c2端相连；单模光纤（6）的一端与第一波分复用器（3）的b2端相连，另一端与色散补偿光纤（8）的一端相连，单模光纤（6）缠绕在非线性旋转控制器（7）上；2×2耦合器（9）的e端与色散补偿光纤（8）的另一端相连，f端与第二波分复用器（4）的b2端相连，d端与隔离器（10）的输出端相连，g端与1×2输出耦合器（11）的h端相连；1×2输出耦合器（11）的j端与隔离器（10）的输入端相连，i端输出；
非线性控制器（7）是一个对称结构，左右两边对称设置圆形旋转控制器（12）、扭杆（13）和支架（14），扭杆（13）的一端与圆形旋转控制器（12）的圆心连接，另一端与支架（14）顶端连接；单模光纤（6）缠绕在两个圆形旋转控制器（12）上，通过扭转两个圆形控制器（12），可以很大程度地控制腔内的非线性效应，应使激光器输出稳定的双脉冲方波。
2.根据权利要求1所述的双脉冲方波光纤激光器，其特征在于，第一激光泵浦源（1）和第二激光泵浦源（2）的工作波长是980nm，两个泵浦源的最大输出功率都是400mW。
3.根据权利要求1所述的双脉冲方波光纤激光器，其特征在于，第一波分复用器（3）的a1、b1、c1端和第二波分复用器（4）的a2、b2、c2端均分别为980端、1550端和公共端。
4.根据权利要求1所述的双脉冲方波光纤激光器，其特征在于，单模掺铒光纤（5）长度为10 m，色散系数是-9 ps/km.nm；单模光纤（6）长度为42m，色散系数是20 ps/km.nm；色散补偿光纤（8）长度为8 m，色散系数是-100 ps/km.nm。
5.根据权利要求1所述的双脉冲方波光纤激光器，其特征在于，隔离器（10）为1550nm光隔离器。
6.根据权利要求1所述的双脉冲方波光纤激光器，其特征在于，2×2耦合器（9）的规格是50：50；1×2输出耦合器（11）的j端为95%端口，i端为5%端口。
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