CN109936044A - 一种可调谐锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种可调谐锁模光纤激光器。现有的可调谐光纤激光器结构复杂，成本较高；同时传统的锁模结构复杂，使用器件较多。本申请提供了一种可调谐锁模光纤激光器，包括依次连接的激光发出组件、激光整合组件、激光分离组件、滤波组件和锁模脉冲输出组件；激光整合组件包括依次连接的波分复用器、增益光纤和偏振无关隔离器；激光分离组件包括相互连接的输出耦合器和激光观测组件；滤波组件包括第一偏振控制器和第一单模多模单模结构部件；锁模脉冲输出组件包括第二偏振控制器和第二单模多模单模结构部件。结构更加简单，紧凑，损伤阈值更高，基于SMS的滤波器可以通过改变偏振控制器桨的方位角实现波长选择。

Description

一种可调谐锁模光纤激光器

技术领域

本申请属于光纤激光器技术领域，特别是涉及一种可调谐锁模光纤激光器。

背景技术

可调谐激光器tunable laser是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。可调谐光纤激光器在很多领域获得了广泛应用，例如军工、医疗、通讯，等等。为了获得可调谐光纤激光器，已经有很多方法被研究，例如采用马赫曾德结构、塞格纳克干涉结构、利用布拉格光栅滤波、实用长周期光栅滤波。这些方法在实验中，都获得了成功，但是存在结构复杂，成本较高问题。

锁模是光学里一种用于产生极短时间激光脉冲的技术，脉冲的长度通常在皮秒(10负十二次方秒)甚至飞秒(10负十五次方秒)。该技术的理论基础是在激光共振腔中的不同模式间引入固定的相位关系，这样产生的激光被称为锁相激光或锁模激光。这些模式之间的干涉会使激光产生一系列的脉冲。根据激光的性质，这些脉冲可能会有极短的持续时间，甚至可以达到飞秒的量级。为了获得锁模脉冲输出，常用的锁模方法有材料锁与结构锁模的方式，其中材料锁模：制备具有非线性可饱和吸收效应的二维材料，利用可饱和吸收体的可饱和吸收特性实现锁模脉冲输出。或者利用结构锁模的方式，比如8字腔锁模与非线性偏振旋转锁模，结构锁模利用光的偏振特性，实现类可饱和吸收体的效果，这种传统的锁模结构较复杂，使用器件较多。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于由于现有的可调谐光纤激光器结构复杂，成本较高；同时传统的锁模结构复杂，使用器件较多的问题，本申请提供了一种可调谐锁模光纤激光器。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种可调谐锁模光纤激光器，包括依次连接的激光发出组件、激光整合组件、激光分离组件、滤波组件和锁模脉冲输出组件，所述激光整合组件与所述锁模脉冲输出组件相连接；

所述激光整合组件包括依次连接的波分复用器、增益光纤和偏振无关隔离器，所述波分复用器与所述激光发出组件相连接，所述波分复用器与所述锁模脉冲输出组件相连接；

所述激光分离组件包括相互连接的输出耦合器和激光观测组件，所述输出耦合器与所述偏振无关隔离器相连接；

所述滤波组件包括第一偏振控制器，所述第一偏振控制器上设置有第一单模多模单模结构部件，所述第一单模多模单模结构部件与所述输出耦合器相连接；

所述锁模脉冲输出组件包括第二偏振控制器，所述第二偏振控制器上设置有第二单模多模单模结构部件，所述第二单模多模单模结构部件与所述第一单模多模单模结构部件相连接，所述第二单模多模单模结构部件与所述波分复用器相连接。

可选地，所述波分复用器与所述增益光纤熔接，所述增益光纤与所述偏振无关隔离器熔接。

可选地，所述偏振无关隔离器与所述输出耦合器熔接。

可选地，所述第一单模多模单模结构部件与所述输出耦合器熔接，所述第一单模多模单模结构部件缠绕在所述第一偏振控制器上，所述第二单模多模单模结构部件缠绕在所述第二偏振控制器上，所述第二单模多模单模结构部件与所述波分复用器熔接。

可选地，所述第一单模多模单模结构部件与所述第二单模多模单模结构部件级联。

可选地，所述第一单模多模单模结构部件与所述第二单模多模单模结构部件熔接。

可选地，所述第一单模多模单模结构部件包括依次连接的单模光纤、多模光纤和单模光纤。

可选地，所述多模光纤为渐变折射率多模光纤。

可选地，所述激光发出组件为泵浦源。

可选地，所述波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、输出耦合器、滤波组件和锁模脉冲输出组件依次连接组成光纤环形腔结构。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的可调谐锁模光纤激光器的有益效果在于：

本申请提供的可调谐锁模光纤激光器，将单模多模单模结构部件(SMS部件)与偏振控制器结合的方式实现全光纤锁模与波长选择滤波器效果，该结构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，基于SMS的滤波器可以通过改变偏振控制器桨的方位角实现波长选择。

附图说明

图1是本申请的单模多模单模结构部件原理示意图；

图2是本申请的可调谐锁模光纤激光器结构示意图；

图3是本申请的锁模波长调谐范围示意图；

图中：1-激光发出组件，2-滤波组件，3-锁模脉冲输出组件，4-波分复用器，5-增益光纤，6-偏振无关隔离器，7-输出耦合器，8-激光观测组件。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

参见图1～3，本申请提供一种可调谐锁模光纤激光器，包括依次连接的激光发出组件1、激光整合组件、激光分离组件、滤波组件2和锁模脉冲输出组件3，所述激光整合组件与所述锁模脉冲输出组件相连接；

所述激光整合组件包括依次连接的波分复用器4、增益光纤5和偏振无关隔离器6，所述波分复用器4与所述激光发出组件1相连接，所述波分复用器4与所述锁模脉冲输出组件3相连接；

所述激光分离组件包括相互连接的输出耦合器7和激光观测组件8，所述输出耦合器7与所述偏振无关隔离器6相连接；

所述滤波组件2包括第一偏振控制器，所述第一偏振控制器上设置有第一单模多模单模结构部件，所述第一单模多模单模结构部件与所述输出耦合器7相连接；

所述锁模脉冲输出组件3包括第二偏振控制器，所述第二偏振控制器上设置有第二单模多模单模结构部件，所述第二单模多模单模结构部件与所述第一单模多模单模结构部件相连接，所述第二单模多模单模结构部件与所述波分复用器4相连接。

泵浦源(LD)、波分复用器(WDM)、增益光纤(Gainfiber)、偏振无光隔离器(PI-ISO)、输出耦合器(Output Coupler)、单模多模单模结构(SMS)，偏振控制器(PC)；

波分复用器4用于将两个波长的光整合到一根光纤中，激将泵浦光源和激发的激光整合进同一根光纤；

增益光纤5用于经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；

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；

输出耦合器7将腔内光分成两束，一束输出至激光观测组件8进行观测，另一束光返回腔内进行持续振荡反馈。

SMS部件设置在PC上，一个用于实现波长选择的滤波效果，另一个SMS部件设置在PC上用于实现锁模脉冲输出。

进一步地，所述波分复用器4与所述增益光纤5熔接，所述增益光纤5与所述偏振无关隔离器6熔接。

进一步地，所述偏振无关隔离器6与所述输出耦合器7熔接。

进一步地，所述第一单模多模单模结构部件与所述输出耦合器7熔接，所述第一单模多模单模结构部件缠绕在所述第一偏振控制器上，所述第二单模多模单模结构部件缠绕在所述第二偏振控制器上，所述第二单模多模单模结构部件与所述波分复用器4熔接。

级联的SMS被缠绕在PC上，一个用于实现波长选择的滤波效果，另一个被SMS缠绕的PC用于实现锁模脉冲输出。

进一步地，所述第一单模多模单模结构部件与所述第二单模多模单模结构部件级联。

进一步地，所述第一单模多模单模结构部件与所述第二单模多模单模结构部件熔接。

实现锁模与波长调谐滤波公功能需将两个SMS结构分别缠绕进两个偏振控制器中，通过掰动两个偏振控制器的桨分别实现两个SMS结构的锁模与调谐滤波功能。SMS部件由两根单模光纤熔接到渐变折射率多模光纤两端组成，将两个SMS缠绕进两个PC中，级联的SMS分别实现滤波器功能与可饱和吸收体功能。利用这种级联SMS结构实现波长选择与可饱和吸收特性。这种结构的可调谐锁模光纤激光器增强了其实用性，用途更加广泛；本申请通过调整偏振控制器桨实现可调谐宽范围波长锁模脉冲输出；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，通过将SMS缠绕进PC中，将光纤引入双折射，改变偏振控制器桨的方位角实现对SMS内部传输光的调制，使SMS具有可饱和吸收特性或调谐滤波特性。

进一步地，所述第一单模多模单模结构部件包括依次连接的单模光纤、多模光纤和单模光纤。

SMS结构为将两根标准商用单模光纤熔接到渐变折射率的多模光纤两端，级联SMS将两个SMS结构进行熔接。偏振缠绕单模-多模-单模结构用于进行锁模与波长调谐功能，获得可调谐锁模脉冲的输出。

进一步地，所述多模光纤为渐变折射率多模光纤。

进一步地，所述激光发出组件1为泵浦源。

泵浦源为光纤激光器提供用于激发激光的基础光源。

进一步地，所述波分复用器4、增益光纤5、偏振无关隔离器6、输出耦合器7、滤波组件2和锁模脉冲输出组件3依次连接组成光纤环形腔结构。

根据图1，图1为单模多模单模结构部件(SMS部件)原理示意图，图中有两种不同波长的光，图中SMF1表示单模光纤1(SMS部件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部件中渐变折射率多模光纤末端输出光纤)。

利用SMS部件的模式干涉效应，即当光从SMF1传入GIMF中，基模传输的光在多模光纤中激发出高阶模式，这些高阶模式在多模光纤中相干叠加，当所有激发模式之间相位差满足2π得整数倍时，高阶模式相干叠加汇聚形成一个与单模光纤传入的基模光相似的重现光场。这种相干叠加效应被称为模式干涉效应，形成的重现光场沿着SMS纵向周期分布，重现光场被称为自成像点。

依据模式干涉效应，当激发的各高阶模式之间相位差满足π/4+2π的整数倍时，SMS可以做为低通滤波器使用；当激发的各高阶模式之间相位差满足2π+3π/4整数倍时，SMS可以做为高通滤波器使用；当激发的各高阶模式之间相位差满足2π的整数倍时，SMS结构可以做为带通滤波器使用；当激发的各高阶模式之间相位差满足π的奇整数倍时，SMS可以具有强度歧视效果，可以作为可饱和吸收体使用。

以下通过原理将SMS部件缠绕进偏振控制器内，实现可调谐锁模脉冲输出。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。当多模光纤长度等于自成像点拍长一半的奇整数倍时，此时SMS部件具有可饱和吸收特性，即强光透过，弱光被吸收。作为可饱和吸收体的条件如下：

L＝mL_B (1)

L为多模光纤长度，L_B为自成像点拍长一半，m为奇整数。从公式(1)可以发现光纤长度成为SMS做为可饱和吸收体的限制因素。此时将SMS缠绕进PC中，由于光被弯曲，SMS部件被引入双折射。光经过双折射光纤会产生附加的非线性相移，非线性的相移与双折射度有关，关系如下

Δφ_NL＝γL(1-B)(P_x-P_y) (2)

γ是非线性系数，B是双折射度，P_x,P_y为两个垂直偏振分量的强度。从公式(2)可以看出附加的非线性相移与双折射度有关。通过掰动偏振控制器的桨可以实现对双折射度改变，因此将SMS部件缠绕进PC中，使SMS做为可饱和吸收体的相位条件变为：

Δβ_nL+Δφ_NL＝mπ (3)

根据进行等效代换，

因此，可以从公式证明SMS部件缠绕进PC中掰动桨的方位角可以作为可饱和吸收体使用，利用SMS缠绕进PC这种方法降低了SMS作为可饱和吸收体的要求。获得锁模脉冲输出。

当各个激发模式之间相位差满足不同相位关系时，会具有不同功效，本申请将一个SMS部件作为锁模另一个SMS部件作为波长选择装置，作为波长选择装置时，各激发模式之间相位差为2π整数倍，条件如下：

Δβ_nL＝2kπ (5)

其中，k为正整数，将SMS部件可以看做是多通道的马赫曾德结构，因此其输出光强与波长关系如下：

上述已知，当SMS缠绕进PC中时，各激发模式之间会引入一个非线性相移，因此强度公式改写为：

通过上式可以看出，当改变PC桨的角度会改变光纤的双折射度，从而改变传输光的附加非线性的大小，这就导致公式(7)的波长与光强等式发生变化，根据激光器中的模式竞争实现掰动桨的位置实现波长选择，达到波长选择功能。

综上所述，利用SMS可以分别实现锁模与波长选择，获得大范围可调谐锁模脉冲输出，如图3所示。经试验验证，单个SMS的调谐范围受自身的自由光谱范围限制，调谐范围较小，通过级联SMS可以实现更宽范围的波长调谐。

本申请提供的可调谐锁模光纤激光器，将单模多模单模结构部件(SMS部件)与偏振控制器结合的方式实现全光纤锁模与波长选择滤波器效果，该结构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，基于SMS的滤波器可以通过改变偏振控制器桨的方位角实现波长选择。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：包括依次连接的激光发出组件(1)、激光整合组件、激光分离组件、滤波组件(2)和锁模脉冲输出组件(3)，所述激光整合组件与所述锁模脉冲输出组件相连接；

所述激光整合组件包括依次连接的波分复用器(4)、增益光纤(5)和偏振无关隔离器(6)，所述波分复用器(4)与所述激光发出组件(1)相连接，所述波分复用器(4)与所述锁模脉冲输出组件(3)相连接；

所述激光分离组件包括相互连接的输出耦合器(7)和激光观测组件(8)，所述输出耦合器(7)与所述偏振无关隔离器(6)相连接；

所述滤波组件(2)包括第一偏振控制器，所述第一偏振控制器上设置有第一单模多模单模结构部件，所述第一单模多模单模结构部件与所述输出耦合器(7)相连接；

所述锁模脉冲输出组件(3)包括第二偏振控制器，所述第二偏振控制器上设置有第二单模多模单模结构部件，所述第二单模多模单模结构部件与所述第一单模多模单模结构部件相连接，所述第二单模多模单模结构部件与所述波分复用器(4)相连接。

2.如权利要求1所述的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器(4)与所述增益光纤(5)熔接，所述增益光纤(5)与所述偏振无关隔离器(6)熔接。

3.如权利要求1所述的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述偏振无关隔离器(6)与所述输出耦合器(7)熔接。

4.如权利要求1所述的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一单模多模单模结构部件与所述输出耦合器(7)熔接，所述第一单模多模单模结构部件缠绕在所述第一偏振控制器上，所述第二单模多模单模结构部件缠绕在所述第二偏振控制器上，所述第二单模多模单模结构部件与所述波分复用器(4)熔接。

5.如权利要求1所述的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一单模多模单模结构部件与所述第二单模多模单模结构部件级联。

6.如权利要求5所述的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一单模多模单模结构部件与所述第二单模多模单模结构部件熔接。

7.如权利要求1所述的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一单模多模单模结构部件包括依次连接的单模光纤、多模光纤和单模光纤。

8.如权利要求7所述的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述多模光纤为渐变折射率多模光纤。

9.如权利要求1～8中任一项所述的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述激光发出组件(1)为泵浦源。

10.如权利要求8所述的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器(4)、增益光纤(5)、偏振无关隔离器(6)、输出耦合器(7)、滤波组件(2)和锁模脉冲输出组件(3)依次连接组成光纤环形腔结构。