CN107800034A - 一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器 - Google Patents

一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器，光纤集成器件包括对准放置的两个双纤准直器以及放置于它们之间的隔离器和滤波器；锁模光纤激光器的谐振腔包括光纤集成器件和增益光纤，谐振腔光纤上夹持有偏振控制器。偏振相关光纤集成器件和偏振控制器构成的结构可以使激光器采用非线性偏振旋转锁模技术；光纤激光器谐振腔内净色散为正，同时光纤集成器件可以提供滤波效应，使锁模光纤激光器内支持耗散孤子的形成。本发明利用光纤集成器件极大简化了锁模光纤激光器的结构设计，有利于激光器的封装和小型化，并有助于高重复频率光纤激光器的实现。

Description

一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，具体涉及一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器。
背景技术
超短光脉冲在超快光学诊断、光学精密测量、精密机械加工、激光医疗和生物工程等领域有着广泛应用，同时也是非线性光学、超快光学等研究方向的前沿课题。锁模光纤激光器是目前超短脉冲产生研究的热点方向之一，其相对于传统固体激光，具有体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高等优点。为构成完整的光纤激光振荡器，通常需要使用波分复用器、耦合器、隔离器以及锁模器件等来实现泵浦、输出、单向运转、启动和维持锁模脉冲等功能。尽管目前使用的光纤器件采用了紧凑的封装结构，诸多器件的使用仍然不可避免的增加了激光装置的复杂程度，降低了装置的可靠性。同时，也增加了锁模光纤激光器封装和小型化的难度，必须要考虑器件的布局和固定，防止封装过程中对光纤产生应力。
耗散孤子是近年来提出的一种广义孤子理论，其能够承受较高的非线性相移，是产生高能量超短脉冲的有效途径。耗散孤子的形成是激光器内色散、非线性、增益和损耗、滤波效应等共同作用的结果，因此搭建耗散孤子光纤激光器通常需要滤波装置为脉冲的演化提供条件，然而这将进一步增加激光振荡器的器件数量。采用将多种功能集成在一起的光纤器件能够有效减少激光器中的器件数量，使激光器装置结构更加紧凑。根据功能的不同，目前光纤集成器件有许多种类，比如隔离与耦合的集成、耦合与反射的集成、波分复用与可饱和吸收的集成、隔离与空间输出的集成等等。
发明内容
本发明针对耗散孤子光纤激光器中对色散、非线性、增益和损耗以及滤波效应的要求，提出一种光纤集成器件，该光纤集成器件包含隔离、分束、波分复用、偏振起偏、以及滤波等五种功能，并设计了一种结构紧凑的耗散孤子锁模光纤激光器，其谐振腔仅由一个光纤集成器件和增益光纤构成。
本发明的技术方案如下：一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器，包括光纤集成器件、增益光纤和泵浦光源，所述光纤集成器件的信号输入端口、公共端口和增益光纤通过光纤连接成环型谐振腔，谐振腔内光纤上夹持有偏振控制器，通过挤压、旋转、扭曲光纤给予光纤应力，调节激光器内的双折射效应，谐振腔内净色散为正；所述光纤集成器件的泵浦输入端口连接泵浦光源，泵浦光源通过光纤集成器件将泵浦光耦合进入增益光纤；所述光纤集成器件包括对准放置的两个双纤准直器以及放置于两个双纤准直器之间的隔离器和滤波器；所述隔离器为偏振相关型。
进一步地，所述的光纤集成器件中，包含信号输入端口和信号输出端口的第一双纤准直器实现分束功能，在第一双纤准直器端面镀半透半反膜，或贴附分光片，或在第一双纤准直器前使用偏振分束棱镜；包含泵浦输入端口和公共端口的第二双纤准直器实现波分复用功能，在第二双纤准直器端面镀波分复用光学薄膜，或贴附波分复用滤光片，实现对泵浦光的反射和对信号光的透射。
进一步地，所述隔离器可以实现隔离和偏振起偏，优选地，采用两个45°夹角放置的偏振片、夹于两个偏振片中间的磁光晶体以及外面的磁环构成，隔离器表现为偏振相关特性，其透过方向为从第一双纤准直器到第二双纤准直器，反方向传播的光无法透过。
进一步地，所述双纤准直器由双纤尾纤和自聚焦透镜构成，在双纤尾纤和自聚焦透镜耦合端面上镀有增透膜。
进一步地，所述滤波器为带通滤波器，透射光谱在增益光纤增益带宽内，优选地，所述滤波器的带宽在5nm到15nm之间。
进一步地，所述增益光纤为掺杂有稀土离子的玻璃光纤，所述光纤集成器件的工作波段与增益光纤相对应，所述泵浦光源与增益光纤的吸收波长相对应。
偏振相关光纤集成器件和偏振控制器构成的结构可以使激光器采用非线性偏振旋转锁模技术；光纤集成器件的滤波效应可以限定锁模光纤激光器的工作波长和带宽；光纤激光器谐振腔内净色散为正，同时光纤集成器件可以提供滤波效应，使锁模光纤激光器内支持耗散孤子的形成。锁模光纤激光器的产生方法包括：调节偏振控制器至合适位置时，可以实现激光器的锁模，获得耗散孤子脉冲；保持偏振控制器的状态不变，重新开关泵浦光源，可以观测到耗散孤子脉冲的自启动。
本发明优点如下：
1、所述光纤集成器件和光纤激光器所用部件为构造光通信或光放大器系统中所用的通用器件，易于商品化，成本低廉。
2、所述光纤集成器件可以同时实现隔离、分束、波分复用、偏振起偏、以及滤波等功能，恰好为非线性偏振旋转锁模耗散孤子光纤激光器提供了必要的条件，能够减少激光器中的器件数量，简化激光器结构，降低了工业生产难度。
3、所述光纤激光器的谐振腔仅由光纤集成器件和增益光纤构成，具有紧凑的结构，有利于激光器的封装和小型化。
4、该光纤集成器件和光纤激光器的技术方案对于各个波段都适用，使用的部件易于获得，有助于不同波段耗散孤子光纤激光器的商品化。
附图说明
图1为本发明中耗散孤子光纤激光器示意图；
图2为本发明中光纤集成器件示意图；
图3为本发明中光纤集成器件中滤波器透射光谱；
图4为本发明中耗散孤子光纤激光器输出脉冲的光谱图；
图中：101—光纤集成器件；102—增益光纤；103—偏振控制器；104—泵浦光源；201—第一光纤尾纤；202—第一自聚焦透镜；203—第一偏振片；204—磁光晶体；205—第二偏振片；206—磁环；207—滤波器；208—第二自聚焦透镜；209—第二光纤尾纤；210—玻璃套管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供一种结构紧凑的耗散孤子锁模光纤激光器，包括通过光纤连接成环型谐振腔的光纤集成器件101和增益光纤102，光纤集成器件101的a端口(信号输入端口)和c端口(公共端口)分别与增益光纤102采用光纤熔接的方式连接，谐振腔内光纤上夹持有偏振控制器103；增益光纤102采用掺镱光纤；泵浦光源104选用工作波长为976nm的单模半导体激光器，通过光纤集成器件101为掺镱光纤提供泵浦；掺镱光纤的型号为Yb1200-4/125，在1064nm处色散系数为-38ps/nm/km，长度为0.2m；输出通过光纤集成器件101实现，输出比为10％；光纤集成器件尾纤长度为2m，在1064nm处色散系数D约为-43ps/nm/km，谐振腔总长度约为2.2m，谐振腔内净色散值为0.132ps2。
如图2所示，光纤集成器件101包括依次放置的第一光纤尾纤201、第一自聚焦透镜202、隔离器、滤波器207、第二自聚焦透镜208、第二光纤尾纤209，光纤集成器件101外部使用玻璃套管210封装；隔离器由第一偏振片203、磁光晶体204、第二偏振片205、以及磁环206构成，第一偏振片203与第二偏振片205呈45°放置；第一自聚焦透镜202端面镀半透半反膜，透过率为90％，反射为10％；第二自聚焦透镜208端面为波分复用镀膜，可以反射980nm附近的光，透过1020-1080nm的光；滤波器207为采用介质膜构成的带通滤波器，中心波长为1064nm，3-dB带宽为10nm。
信号光(1020-1080nm)由a端口(信号输入端口)进入，10％的光被反射从b端口(信号输出端口)输出，90％的光透射，透射光依次经过隔离器后入射到滤波器207上，仅有滤波器透射带宽内的光可以经过滤波器进入第二光纤准直器，从c端口(公共端口)输出；泵浦光(976nm)由d端口(泵浦输入端口)输入，被第二自聚焦透镜208端面的波分复用膜反射，从c端口(公共端口)输出。
本发明工作原理如下：
本发明中光纤集成器件利用自聚焦透镜端面镀膜实现分束和波分复用的功能；利用由偏振片和磁光晶体组成的隔离器实现隔离和偏振起偏的功能；利用放置于光路中的滤波器实现滤波功能。在光纤集成器件和增益光纤构成的激光器中，光纤集成器件的偏振起偏功能为非线性偏振旋转技术的发生提供了条件。当光脉冲在光纤内传播时，由于非线性双折射效应，光脉冲不同位置的偏振态会随其强度发生改变，此时脉冲峰值位置的偏振态与两翼偏振态不同；调节偏振控制器，使脉冲在经过光纤集成器件时损耗最小，而脉冲两翼被衰减，可以起到窄化脉冲的作用，可以看作是人工可饱和吸收体。
本发明的实验结果如下：
如图3所示，为光纤集成器件中滤波器的透射光谱。测量时将掺镱光纤的放大自发辐射从a端口输入，测量c端口输出光的光谱。滤波器的中心波长为1064nm，3-dB带宽约为10nm，透射光谱形状为超高斯型。可以看出，透射光谱带宽内光强在长波长位置较低，这是使用的放大自发辐射源导致的。
当泵浦功率约300mW时，适当调节偏振控制器可以获得稳定的锁模状态，图4为锁模状态下输出脉冲的光谱图，其中心波长为1064nm，光谱宽度在15nm以上。由于激光器内净色散为正，支持耗散孤子脉冲的产生，然而图4中光谱与通常耗散孤子具有的矩形光谱有一定区别，这是因为脉冲具有较高的脉冲能量，在光纤内传输时，非线性效应使得脉冲光谱展宽变性，这也导致锁模光谱宽度大于滤波器带宽。此外，掺镱光纤在长波长处的增益明显小于短波长，导致光谱在长波长位置的强度明显偏低。

Claims (7)

1.一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，包括光纤集成器件、增益光纤和泵浦光源，所述光纤集成器件的信号输入端口、公共端口和增益光纤通过光纤连接成环型谐振腔，谐振腔内光纤上夹持有偏振控制器，谐振腔内净色散为正；所述光纤集成器件的泵浦输入端口连接泵浦光源；所述光纤集成器件包括对准放置的两个双纤准直器以及放置于两个双纤准直器之间的隔离器和滤波器；所述隔离器为偏振相关型。
2.根据权利要求1所述的一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，所述的光纤集成器件中，包含信号输入端口和信号输出端口的第一双纤准直器实现分束功能，在第一双纤准直器端面镀半透半反膜，或贴附分光片，或在第一双纤准直器前使用偏振分束棱镜；包含泵浦输入端口和公共端口的第二双纤准直器实现波分复用功能，在第二双纤准直器端面镀波分复用光学薄膜，或贴附波分复用滤光片。
3.根据权利要求2所述的一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，所述隔离器由两个偏振片、磁光晶体和磁环构成，其透过方向为从第一双纤准直器到第二双纤准直器，反方向传播的光无法透过。
4.根据权利要求1所述的一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，所述双纤准直器由双纤尾纤和自聚焦透镜构成，在双纤尾纤和自聚焦透镜耦合端面上镀有增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，所述滤波器为带通滤波器，透射光谱在增益光纤增益带宽内。
6.根据权利要求1所述的一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为掺杂有稀土离子的玻璃光纤，所述光纤集成器件的工作波段与增益光纤相对应，所述泵浦光源与增益光纤的吸收波长相对应。
7.根据权利要求1所述的一种应用光纤集成器件的耗散孤子锁模光纤激光器，其特征在于，偏振相关光纤集成器件和偏振控制器构成的结构可以使激光器采用非线性偏振旋转锁模技术；光纤集成器件的滤波效应可以限定锁模光纤激光器的工作波长和带宽；光纤激光器谐振腔内净色散为正，同时光纤集成器件可以提供滤波效应，使锁模光纤激光器内支持耗散孤子的形成。
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