CN110021871A - 一种实现高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器及系统的方法 - Google Patents

一种实现高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器及系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实现高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器及系统的方法，系统包括：三合一波分复用‑保偏隔离‑输出器件、偏振控制器、增益光纤和锁模器件。其中，增益光纤用于对泵浦光产生信号光；锁模器件用于对连续的信号光转变为锁模脉冲激光；三合一波分复用‑保偏隔离‑输出器件集合了波分复用器，保偏隔离器和输出耦合器，波分复用端用于与外设泵浦光源相连，获取外设泵浦光源的泵浦光；输出耦合器端用于输出激光器的锁模脉冲激光；保偏隔离器与其两端的偏振控制器用于实现激光器的波长可调谐输出。本发明结构紧凑、方法简单，激光器中的三合一器件大幅度地缩短了激光谐振腔的长度，可以同时实现高重频和波长可调谐的脉冲激光输出。

Description

一种实现高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器及系统的 方法
(一)技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其是涉及高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器及系统。
(二)背景技术
高重复频率(高重频)波长可调超快脉冲激光器由于其具有高的重复频率、优良的光束质量、良好兼容特性、以及波长可调谐的特点，可应用于通信、医疗、工业等不同领域，是激光技术发展的前沿方向，也是目前激光器研究领域的热点问题。目前可以实现高重频的锁模光纤激光器，大多结构比较复杂，不易得到高重复频率激光脉冲输出。以一种掺铒光纤激光器为例，该激光器由波分复用器、增益光纤、偏振控制器、可调谐滤波器、锁模器件和输出耦合器组成，不仅结构复杂，而且由于受到光纤激光器腔长的限制，不易得到高重频的锁模激光脉冲。而对于少数可以实现高重频输出的脉冲激光器而言，仍然存在一些问题。以一种掺铥锁模脉冲光纤激光器为例，该激光器由三合一波分复用-偏振相关隔离-输出器件、增益光纤和偏振控制器组成，实现了较短腔长的高重频锁模激光脉冲输出。然而，该掺铥锁模脉冲光纤激光器利用非线性偏振旋转技术锁模，该锁模机制容易受到环境振动的影响，锁模的稳定性不好，而且激光器的输出波长不具备可调谐性。
因此，现有的脉冲激光器在激光器结构、波长可调谐性以及脉冲重复频率等方面都有待进一步优化。
(三)发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器及系统的方法，兼具结构紧凑、方法简单，可同时实现高重频锁模和波长的可调谐输出。
第一方面，本发明实施例提供了一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器，包括：通过光纤依次连接的三合一波分复用-保偏隔离-输出器件、偏振控制器、增益光纤和锁模器件；其中，三合一波分复用-保偏隔离-输出器件集合了波分复用器，保偏隔离器，以及输出耦合器的作用；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件用于与外设泵浦光源连接，获取外设泵浦光源传输的泵浦光，并对泵浦光进行耦合处理；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件也用于输出锁模脉冲激光；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件与其两端的保偏尾纤以及两个偏振控制器构成了双折射滤波器；双折射滤波单元用于调谐信号光；增益光纤用于对基于泵浦光产生信号光；锁模器件用于基于信号光得到锁模脉冲激光。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件(WDM-PMISO-OC)集合了波分复用器，保偏隔离器，以及输出耦合器的作用，该器件的使用可以简化光纤激光器的结构。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述双折射滤波单元包括通过光纤依次相连的第一偏振控制组件、三合一波分复用-保偏隔离-输出器件与其两端的保偏尾纤和第二偏振控制组件；第一偏振控制组件和所述第二偏振控制组件均用于调谐所述信号光的偏振状态；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件用于控制所述信号光的传输方向。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述第一偏振控制组件和第二偏振控制组件均为偏振控制器(PC)。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件的隔离作用的组件为保偏隔离 (PM-ISO)。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述锁模器件为可饱和吸收体(SA)。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述激光器为全光纤环形结构。
第二方面，本发明实施例还提供高重频波长可调全光纤超快脉冲激光系统，包括：依次连接的外设泵浦光源和第一方面至第一方面的第六种可能的实施方式任一项的一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，外设泵浦光源为激光二极管或连续光激光器。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器及系统，通过光纤依次连接的三合一波分复用-保偏隔离-输出器件、偏振控制器、增益光纤和锁模器件，形成环形结构；其中，三合一波分复用-保偏隔离-输出器件集合了波分复用器，保偏隔离器，以及输出耦合器的作用；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件用于与外设泵浦光源连接，以接收外设泵浦光源传输的泵浦光，还用于对泵浦光进行耦合处理；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件与其两端的保偏尾纤以及两个偏振控制器构成了双折射滤波器；双折射滤波单元用于调谐所述信号光；增益光纤基于上述泵浦光产生信号光；锁模器件可以基于信号光得到锁模脉冲激光，并通过三合一波分复用-保偏隔离-输出器件输出。
本发明实施例提供的激光器通过光纤连接，得到结构简单的全光纤超快脉冲激光器。同时，相较于现有技术通过在激光腔内加入可调谐滤波器或光纤光栅来实现激光器的可调谐输出，本发明实施例通过采用双折射滤波器来实现激光器波长的可调谐输出，利用三合一波分复用-保偏隔离-输出器件获得高重频输出。由此获得的激光器方案简单、结构紧凑、，可以实现激光器的高重频可调谐脉冲激光输出。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
(四)附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光系统的结构示意图。
图标：
100-高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器；110-双折射滤波器；111-第一偏振控制组件；112-第一保偏光纤；113-三合一波分复用-保偏隔离-输出器件；114-第二保偏光纤；115- 第二偏振控制组件；120-增益光纤；130-锁模器件；200-外设泵浦光源。
(五)具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，现有的脉冲激光器在激光器结构、波长可调谐性以及高重频锁模等方面有待进一步优化，基于此，本发明实施例提供的一种实现高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器及系统的方法，结构紧凑、方案简单，同时可以实现高重频锁模和波长的可调谐输出。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器进行详细介绍，参见图1所示的一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器的结构示意图，该激光器包括：通过光纤依次连接双折射滤波器110、增益光纤120和锁模器件130，双折射滤波器110还与锁模器件130连接，得到全光线环形结构的激光器。
具体的，双折射滤波器110包括三合一波分复用-保偏隔离-输出器件与其两端的保偏尾纤以及两个偏振控制器；双折射滤波单元也即双折射滤波器，用于调谐信号光，以实现激光器波长的宽带可调节输出；
三合一波分复用-保偏隔离-输出器件(WDM-PMISO-OC)113集合了波分复用器(Wavelength Division Multiplexing,WDM)，保偏隔离器(Polarization MaintainingIsolator,PMISO)，以及输出耦合器(Output Coupler,OC)的作用；三合一波分复用- 保偏隔离-输出器件113用于与外设泵浦光源连接，以获取外设泵浦光源传输的泵浦光，还用于对泵浦光进行耦合处理，将泵浦光耦合至激光器内，也即将泵浦光耦合至激光谐振腔内；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件113，用于输出锁模脉冲激光。
增益光纤120用于对基于泵浦光产生信号光，同时还可以起到放大信号光的作用，其中，增益光纤可以采用掺铒光纤(Erbium Doped Fiber,EDF)、掺镱光纤(Yb-DopedFiber,YDF) 或掺铥光纤(Tm-Doped Fiber,TDF)等。
锁模器件130用于基于信号光得到锁模脉冲激光，通过锁模器件实现激光器的锁模脉冲输出。
本发明实施例提供的一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器，包括通过光纤依次连接的双折射滤波器、增益光纤、锁模器件，锁模器件与双折射滤波器相连，形成环形结构；具体的，三合一波分复用-保偏隔离-输出器件集合了波分复用器，保偏隔离器，以及输出耦合器的作用；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件用于与外设泵浦光源连接，以接收外设泵浦光源传输的泵浦光，还用于对泵浦光进行耦合处理；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件与其两端的保偏尾纤以及两个偏振控制器构成了双折射滤波器；双折射滤波单元用于调谐所述信号光；增益光纤基于上述泵浦光产生信号光；锁模器件可以基于信号光得到锁模脉冲激光，并通过三合一波分复用-保偏隔离-输出器件输出。
本发明实施例提供的激光器通过光纤连接，得到结构简单的全光纤超快脉冲激光器，同时，相较于现有技术中通过在激光器内加入可调谐滤波器或光纤光栅来实现激光器的可调谐输出，本发明实施例通过采用双折射滤波器来实现激光器波长的可调谐输出，利用三合一波分复用-保偏隔离-输出器件获得高重频输出。由此获得的激光器方案简单、结构紧凑、，可以实现激光器的高重频可调谐脉冲激光输出。
进一步的，上述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件集合了波分复用器，保偏隔离器，以及输出耦合器的作用。
为了便于对上述实施例提供的激光器进行理解，本发明实施例还提供了另一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器，参见图2所示的另一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器的结构示意图，该激光器包括：
通过光纤依次连接111-第一偏振控制组件；112-第一保偏尾纤；113-三合一波分复用- 保偏隔离-输出器件；114-第二保偏尾纤；115-第二偏振控制组件；120-增益光纤；130-锁模器件；其中，115-第二偏振控制组件还与锁模器件130连接，形成全光纤环形结构。
其中，上述第一偏振控制组件111、第一保偏尾纤112、三合一波分复用-保偏隔离-输出器件113、第二保偏尾纤114、第二偏振控制组件115组成双折射滤波单元，具体的，第一偏振控制组件和第二偏振控制组件均为偏振控制器(polarization controller,PC)，并且第一偏振控制组件PC1和第二偏振控制组件PC2均用于调谐信号光的偏振状态；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件中的保偏隔离器(Polarization Maintaining Isolator,PMISO)，用于控制信号光的传输方向。
进一步的，上述利奥滤波单元通过调节两个偏振控制器PC1和PC2优化激光器的偏振状态，使入射到三合一波分复用-保偏隔离-输出器件上的信号光具有不同的偏振状态，使得信号光在保偏隔离器中快轴和慢轴折射率的差异不断积累，从而改变激光器输出光谱的中心波长。进而可以通过简单的调节两个偏振控制器，来实现在不同波段输出的锁模脉冲光谱，并实现波长的可调谐输出。
在一种实施方式中，锁模器件为可饱和吸收体(Saturable Absorber,SA)，具体的，可饱和吸收体可以为石墨烯(Graphene)、碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNT)、过渡金属硫属化物(Transition Metal Disulfide,TMD)或半导体饱和吸收镜(SemiconductorSaturable Absorption Mirrors,SESAM)等，其所具有的超宽的工作波段、超快的恢复时间、低的线性吸收、高的损伤阈值等特性更有利于获取超短的锁模脉冲激光输出。
进一步的，上述偏振控制器一端与锁模器件连接，三合一波分复用-保偏隔离-输出器件的另一端作为输出端，在维持激光器的增益和继续运转的同时，还可以获得高重频、波长可调谐的锁模脉冲激光输出。
可以理解的，上述激光器为全光纤环形结构。
综上所述，本发明实施例提供的高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器，通过两个偏振控制器、一个三合一波分复用-保偏隔离-输出器件和可饱和吸收体的组合，巧妙的在全光纤激光器中实现了高重频脉冲激光输出。另外，通过两个偏振控制器、一个三合一波分复用- 保偏隔离-输出器件及其两端保偏尾纤组成的双折射滤波器，可以使激光装置具有波长可调的特点。
对于前述实施例提供的高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器，本发明实施例还提供了一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光系统，参见图3所示的一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光的结构示意图，该系统包括以下部分：前述实施例提供的高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器100，以及与高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器100连接的外设泵浦光源200。
本发明实施例提供的一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光系统，通过外设泵浦光源获取泵浦光，并通过上述实施例提供的高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器，可获得高重频、波长可调谐的锁模脉冲激光输出。
本发明实施例提供的激光系统通过光纤连接，得到结构简单的全光纤超快脉冲激光器，同时，相较于现有技术中通过在激光器内加入可调谐滤波器或光纤光栅来实现激光的可调谐输出，本发明实施例通过双折射滤波器，即可以实现激光器波长的可调谐输出输出。另外，本发明实施例提供的激光器还可以实现高重频、波长可调谐的锁模脉冲输出。
其中，外设泵浦光源为激光二极管或连续光激光器。
进一步的，为了便于理解，本发明实施例还提供另一种宽带波长可调色散管理型全光纤超快脉冲激光系统，参见图4所示的另一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光系统的结构示意图，该系统包括通过光纤依次连接第一偏振控制组件111、第一保偏光纤112、三合一波分复用-保偏隔离-输出器件113、第二保偏尾纤114、第二偏振控制组件115、增益光纤 120、锁模器件130，其中，第二偏振控制组件115还与锁模器件130连接；三合一波分复用-保偏隔离-输出器件113还与外设泵浦光源200连接，以获取泵浦光。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的高重频波长可调全光纤超快脉冲激光系统的具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应装置，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器，其特征在于，包括：通过光纤相连接的三合一波分复用-保偏隔离-输出器件、偏振控制器、增益光纤和锁模器件；其中，所述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件(WDM-PMISO-OC)集合了波分复用器，保偏隔离器，以及输出耦合器的作用；
所述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件用于与外设泵浦光源连接，获取所述外设泵浦光源传输的泵浦光，并对所述泵浦光进行耦合处理；所述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件也用于输出所述锁模脉冲激光；所述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件与其两端的保偏尾纤以及两个偏振控制器构成了双折射滤波器；所述双折射滤波单元用于调谐所述信号光；
所述增益光纤用于对基于所述泵浦光产生信号光；
所述锁模器件用于基于所述信号光得到锁模脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件集合了波分复用器，保偏隔离器，以及输出耦合器的作用，该器件的使用可以简化光纤激光器的结构，并实现超短激光谐振腔的光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述双折射滤波单元包括通过光纤依次相连的第一偏振控制组件、三合一波分复用-保偏隔离-输出器件与其两端的保偏尾纤和第二偏振控制组件；其中，
所述第一偏振控制组件和所述第二偏振控制组件均用于调谐所述信号光的偏振状态；
所述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件同时用于控制所述信号光的传输方向。
4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述第一偏振控制组件和所述第二偏振控制组件均为偏振控制器(PC)。
5.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述三合一波分复用-保偏隔离-输出器件的隔离作用的组件为保偏隔离器(PM-ISO)。
6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述锁模器件为可饱和吸收体(SA)。
7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述激光器为全光纤环形结构。
8.一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光系统，其特征在于，包括：依次连接的外设泵浦光源和权利要求1至7任一项所述的一种高重频波长可调全光纤超快脉冲激光器。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述外设泵浦光源为激光二极管或连续光激光器。
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