CN109616862A - 一种基于sms结构的锁模脉冲光纤激光器 - Google Patents

一种基于sms结构的锁模脉冲光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发涉及一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、偏振单模‑多模‑单模结构、输出耦合器、增益光纤、偏振无关隔离器；所述泵浦源与波分复用器连接；波分复用器与偏振单模‑多模‑单模结构连接，偏振单模‑多模‑单模结构与输出耦合器连接，输出耦合器与增益光纤连接，增益光纤与偏振无关隔离器连接，偏振无关隔离器与波分复用器连接，波分复用器、偏振单模‑多模‑单模结构、输出耦合器、增益光纤、偏振无关隔离器依次连接组成光纤环形腔结构。本发明将SMS结构与偏振控制器结合的方式实现全光纤锁模，简化了锁模结构与锁模器件的制作，与传统锁模光纤激光器相比，结构更加简单，紧凑，损伤阈值更高。

Description

一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种锁模光纤激光器，尤其涉及一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器。
背景技术
光纤激光器与传统固体激光器相比具有结构简单、紧凑方便携带的特点。光纤激光器激发超短脉冲分为主动锁模与被动锁模两种，被动锁模较于主动锁模更容易获得超短脉冲。
常用的被动锁模包括材料锁模方式与结构锁模方式，其中材料锁模：制备具有非线性可饱和吸收效应的材料，放入激光器内，利用这种材料的非线性性质实现锁模脉冲输出，这种材料锁模方法由于需要制备材料，且激光器功率较大时会将这种可饱和吸收体材料损坏，材料锁模具有较低的损伤阈值；结构锁模：常见的结构锁模有8字腔锁模与非线性偏振旋转锁模(NPR)，结构锁模利用偏振控制器控制腔内光的偏振态，以及偏振相关隔离器等器件的使用共同作用实现类可饱和吸收效果，这种传统的锁模结构需要其他器件的使用以及复杂的结构。
因此，研究一种结构简单，且具有较高损伤阈值的被动锁模结构具有重要的意义。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器，该系统结构简单、便于操作、成本较低，拓展了光学捕获微粒的适用性。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器，其特殊之处在于：
包括泵浦源(LD)、波分复用器(WDM)、偏振单模-多模-单模结构(PC-SMS)、输出耦合器(Coupler)、增益光纤(Gain fiber)、偏振无关隔离器(PI-ISO)；
所述泵浦源与波分复用器连接；所述波分复用器与偏振单模-多模-单模结构连接，所述偏振单模-多模-单模结构与输出耦合器连接，所述输出耦合器增益光纤连接，所述输出耦合器与偏振无关隔离器连接，所述偏振无关隔离器与波分复用器连接，所述波分复用器、偏振单模-多模-单模结构、输出耦合器、增益光纤、偏振无关隔离器依次连接组成光纤环形腔结构；
所述偏振单模-多模-单模结构包括将偏振控制器(PC)，所述偏振控制器中缠绕SMS结构，所述SMS结构由单模光纤熔接到渐变折射率多模光纤两端组成；
所述泵浦源为光纤激光器提供用于激发激光的基础光源；
所述波分复用器用于将两个波长的光整合到一根光纤中，即将泵浦光源和激发的激光整合进同一根光纤；
所述偏振单模多模单模结构用于进行锁模，获得锁模脉冲的输出；
所述输出耦合器用于将一束光分流，一部分光输出进行观测，一部分光返回腔内进行继续振荡反馈；
所述增益光纤的作用是经由泵浦源发出的光激发增益光纤中的物质使增益光纤中产生激光；
所述偏振无关隔离器用于使环形腔内传输光进行单方向传输。
进一步地，上述泵浦源通过光纤接入波分复用器。
进一步地，上述波分复用器通过光纤熔接与偏振单模-多模-单模结构连接。
进一步地，上述偏振单模-多模-单模结构通过光纤熔接与输出耦合器连接，所述输出耦合器通过光纤熔接与增益光纤连接，所述增益光纤通过光纤熔接与偏振无关隔离器连接，所述偏振无关隔离器通过光纤熔接与波分复用器连接。
本发明的优点：
本发明提供了一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器，将SMS结构与偏振控制器结合的方式实现全光纤锁模，简化了锁模结构与锁模器件的制作，与传统锁模光纤激光器相比，结构更加简单，紧凑，损伤阈值更高，这种结构的锁模光纤激光器增强了其实用性，用途更加广泛；本发明通过调整偏振控制器调整腔内传输光的偏振态，SMS结构对不同偏振态光透过率呈非线性规律，利用这种非线性效果实现类可饱和吸收体作用，实现锁模脉冲输出；本发明利用光纤熔接机将两根单模光纤分别熔接在渐变折射率光纤两端组成SMS结构，将熔接好的SMS结构缠绕进PC中，SMS具有模式干涉效应，模式干涉效应对波长具有敏感性，不同波长光通过SMS结构具有不同透过率，即SMS可以作为滤波器使用。
附图说明
图1为单模多模单模光纤结构(SMS)原理图；
图2为基于SMS结构锁模光纤激光器结构示意图。
其中：1-泵浦源；2-波分复用器；3-偏振-单模多模-单模结构；4-输出耦合器；5-增益光纤；6-偏振无关隔离器。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
参见图1，图1为单模多模单模光纤结构(SMS)原理图，图中有两种不同波长的光，图中SMF1表示单模光纤1(SMS结构中渐变折射率多模光纤前端输入光纤)，GIMF表示渐变折射率多模光纤，SMF2表示单模光纤2(SMS结构中渐变折射率多模光纤末端输出光纤)。
依据SMS结构的模式干涉效应，不同波长在结构中形成自成像点，自成像点呈周期性纵向分布在SMS结构内，当自成像点恰巧生成在多模光纤与单模光纤末端熔接处，此时对应的波长透过率为100％，其余波长将不能完全透过。不仅如此，自成像点位置也光的功率也呈现非线性关系，即改变腔内传输光的功率也会改变自成像点位置。换句话说，SMS结构可以做为滤波器，滤波器的光透过率与波长与光的功率有关。基于这个原理SMS结构具有一种非线性的光强歧视效应，这种效应与传统可饱和吸收材料和结构锁模相同，是一种非线性可饱和吸收效应。非线性可饱和吸收效应为对光强高的光进行透过，对光强弱的光吸收。
如图2所示，一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器，包括泵浦源1、波分复用器2、偏振单模-多模-单模结构3、输出耦合器4、增益光纤5、偏振无关隔离器6。
所述泵浦源1与波分复用器2连接；所述波分复用器2与偏振单模-多模-单模结构3连接，所述偏振单模-多模-单模结构偏振单3与输出耦合器4连接，所述输出耦合器4与增益光纤5连接，所述增益光纤5与偏振无关隔离器6连接，所述偏振无关隔离器6与波分复用器2连接，所述波分复用器2、偏振单模-多模-单模结构3、输出耦合器4、增益光纤5、偏振无关隔离器6依次连接组成光纤环形腔结构。
所述偏振单模-多模-单模结构3包括将偏振控制器，所述偏振控制器中缠绕SMS结构，所述SMS结构由单模光纤熔接到渐变折射率多模光纤两端组成。
所述泵浦源1为光纤激光器提供用于激发激光的基础光源；所述波分复用器2用于将两个波长的光整合到一根光纤中，即将泵浦源1和激发的激光整合进同一根光纤；所述增益光纤5的作用是经由泵浦源1发出的光激发增益光纤5中的物质使增益光纤5中产生激光；所述偏振单模-多模-单模结构3用于进行锁模，获得锁模脉冲的输出；所述输出耦合器4用于将一束光分流，一部分光输出进行观测，一部分光返回腔内进行继续振荡反馈例如将一束能量为1的光按1:9比例分成两束能量分别为0.1与0.9的光。
本实施例中泵浦源1通过波分复用器2对增益光纤5进行泵浦并产生1.55μm的激射光，激射光通过偏振单模-多模-单模结构3后，再通过输出耦合器5时，90％的光在环形腔内继续循环，10％的激射光从环形腔输出。
以下通过原理说明将SMS结构缠绕进偏振控制器内，实现锁模脉冲输出。可以假设单模光纤与多模光纤轴心一致，模式转换应该被忽略。沿多模光纤的光场分布可写为
其中，Cn是模式膨胀系数，β1和βn为基模与n阶模传输系数，当多模光纤缠绕进PC中，自成像点位置，满足如下条件：
其中，Δβn＝(βn-β1)；是由缠绕进PC中引入的应力双折射导致的相移；δ1和δn是对应模态双折射应力强度；Ω为偏振快轴角度与偏振X轴的角度；mn为任一正整数。
从公式(2)可以看出，可以通过调试PC改变Ω的值，从而改变值，通过相位变量的引入可以实现自成像点的选择。
将上式进行变形：
式中，从上式可以更加看出，未引入相移变量时，自成像点与多模光纤长度有关，无法实现指定波长的滤波特性，引入相移变量后，可以通过调节偏振解决多模光纤长度对自成像点位置的局限。
通过以上公式可以发现，利用传统SMS结构作为锁模器件，受到多模光纤长度，光强，波长等因素限制，通过将SMS结构缠绕进PC中，由此引入一个的相移变量，将这些限制因素解除，因此利用本结构装置，将SMS结构缠绕进PC中可以作为锁模器件使用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器，其特征在于：
包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、偏振单模-多模-单模结构(3)、输出耦合器(4)、增益光纤(5)、偏振无关隔离器(6)；
所述泵浦源(1)与波分复用器(2)连接；所述波分复用器(2)与偏振单模-多模-单模结构(3)连接，所述偏振单模-多模-单模结构(3)与输出耦合器(4)连接，所述输出耦合器(4)与增益光纤(5)连接，所述增益光纤(5)与偏振无关隔离器(6)连接，所述偏振无关隔离器(6)与波分复用器(2)连接，所述波分复用器(2)、偏振单模-多模-单模结构(3)、输出耦合器(4)、增益光纤(5)、偏振无关隔离器(6)依次连接组成光纤环形腔结构；
所述偏振单模-多模-单模结构(3)包括将偏振控制器，所述偏振控制器中缠绕SMS结构，所述SMS结构由单模光纤熔接到渐变折射率多模光纤两端组成；
所述泵浦源(1)为光纤激光器提供用于激发激光的基础光源；
所述波分复用器(2)用于将两个波长的光整合到一根光纤中，即将泵浦源(1)和激发的激光整合进同一根光纤；
所述偏振单模-多模-单模结构(3)用于进行锁模，获得锁模脉冲的输出；
所述输出耦合器(4)用于将一束光分流，一部分光输出进行观测，一部分光返回腔内进行继续振荡反馈；
所述增益光纤(5)的作用是经由泵浦源(1)发出的光激发增益光纤(5)中的物质使增益光纤(5)中产生激光；
所述偏振无关隔离器(6)用于使环形腔内传输光进行单方向传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)通过光纤接入波分复用器(2)。
3.根据权利要求2所述的一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器(2)通过光纤熔接与偏振单模-多模-单模结构(3)连接。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种基于SMS结构的锁模脉冲光纤激光器，其特征在于：所述偏振单模-多模-单模结构(3)通过光纤熔接与输出耦合器(4)熔接，所述输出耦合器(4)通过光纤熔接与增益光纤(5)连接，所述增益光纤(5)通过光纤熔接与偏振无关隔离器(6)连接，偏振无关隔离器(6)通过光纤熔接与波分复用器(2)连接。
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