一种宽带类噪声激光器及宽带类噪声脉冲的产生方法
技术领域
本发明属于光学工程、超快非线性光纤光学动力学研究、光纤激光器研究领域,尤其涉及一种宽带类噪声激光器及宽带类噪声脉冲的产生方法。
背景技术
类噪声脉冲是被动锁模光纤激光器中一种特殊的脉冲状态,属于“怪波”的一种。一般情况下,类噪声脉冲有一个宽而平滑的波包,波包内部聚集着脉冲宽度和脉冲峰值功率随机变化超短脉冲,它的时域相干性较弱[1-5]。“类噪声”脉冲可被用于光纤光栅解调技术、光纤信息存储及再现技术等低相干光谱干涉技术应用上[6-8]。此外,光纤激光器在激光加工应用方面主要运用纳秒级别脉宽的脉冲,随着经济的发展,在脉冲宽度和峰值功率上逐渐产生了新的需求,由于类噪声脉冲里包含从纳秒至飞秒级别的不同宽度小脉冲,具有较为广阔的应用前景。
常见类噪声脉冲光纤激光器,有环形腔和8字型腔。常见的环形腔采用非线性偏振旋转技术,使用的基本光学器件有波分复用器、光纤偏振器、光隔离器、光纤耦合器、偏振控制器等。8字型光纤激光腔和环形光纤激光腔相比,锁模机理不同,光纤激光器腔内脉冲在连接两环的光纤耦合器处,相干的成分被多次循环放大,非相干成分逐渐被损耗和抑制。在8字型光纤激光腔里,使用的基本光学器件有:波分复用器、光纤耦合器、偏振控制器等。目前,对类噪声的产生机理,还没有统一的解释。在净正色散光纤激光器中,接受度比较高的解释是峰值功率钳制效应,即在光纤激光器中形成锁模状态后,继续增加泵浦功率,脉冲耗散波和孤子的成分走离,陡峭的光谱两端逐渐出现噪声背景,并且噪声背景逐渐增大,由于光谱仪采集的数据是一段时间的平均值,故最终形成光滑的类噪声光谱,通常情况下,光谱宽度超过增益带宽。但是在净负色散光纤激光器中,类噪声被认为是锁模状态塌陷引起的,即在锁模状态中,当泵浦功率增加时,锁模状态崩塌,孤子转化类噪声脉冲。
上述常见的产生类噪声脉冲的光纤激光器存在着原理性的制约。理论上,掺铒光纤的自发辐射峰在1550nm附近,当腔内形成的脉冲峰值功率达到一定的阈值时,产生拉曼散射效应,但是在不同波长处,拉曼散射的激发系数不同。正常情况下,在激发光波长后13THz附近,拉曼光最易被激发,即波长1662m附近。因此,若不能激发出其拉曼光谱,则形成的类噪声宽度范围,长波段的端点不超过1661nm,和中心波长相距约110nm。由于1550nm波长的光,很难转化成短波段成分,用传统的方法,很难在向短波段激发110nm光谱宽度。因此,现实中在传统的光纤激光器里,很难实现类噪声脉冲的光谱宽度超过200nm。此外,传统方法没有注意到,由于双折射的存在,类噪声脉冲包络里大量的随机脉冲,经过相同的一段光纤后,偏转角度不完全相同,类噪声脉冲由偏振光变成了椭圆偏振光。通过对脉冲不同偏振态的选择,滤除部分波长的短脉冲,光谱最终展宽。
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发明内容
发明目的:针对以上问题,本发明提出一种宽带类噪声激光器及宽带类噪声脉冲的产生方法。该激光器及脉冲产生方法基于非线性偏振旋转技术,利用拉曼散射效应,旨在光纤激光器中,产生光谱半高宽超过200nm的类噪声脉冲。
技术方案:本发明所述的宽带类噪声激光器,包括波分复用器(WavelengthDivision Multiplexers)1、色散位移光纤(dispersion shift fiber)21-23、超高数值孔径光纤(Ultra-High NA fibers)31-32、高非线性光纤(High Nonlinear Fiber)4、光纤耦合器(Coupler)5、偏振控制器(Polarization Controllers)61-63、光隔离器(OpticalIsolators)7、掺铒光纤(Earth Doped Optical Fiber)8、偏振光束分束器(PolarizationBeam Splitters)9、光纤偏振器(Fiber Polarizer)10、标准单模光纤(Standard SingleMode Fiber)14。其中,所述光隔离器7和光纤偏振器10可以采用偏振相关隔离器(Polarization Dependent Optical Isolators)替代,所述偏振相关隔离器是光隔离器7和光纤偏振器10的功能集成。
所述波分复用器1选用反射式波分复用器,包含三个端口,即Reflection端口11、Common端口12、Pass端口13。所述光纤耦合器5包含三个端口,即脉冲输入端口51和输出端口52、53;所述输出端口52、53的脉冲强度成比例输出。所述偏振光束分束器9包含三个端口,即非保偏输入端口91和保偏输出端口92、93;输出端口92和93的偏振方向相互垂直。所述色散位移光纤21-23、超高数值孔径光纤31-32、高非线性光纤4、掺铒光纤8、单模光纤14、偏振相关隔离器7、单模光纤7、偏振控制器61-63分别都有两个相同的端口。
波分复用器1、色散位移光纤21、超高数值孔径光纤31、高非线性光纤4、超高数值孔径光纤32、色散位移光纤22、光纤耦合器5、偏振控制器61、色散位移光纤23、光隔离器7、光纤偏振器10、偏振控制器62以及掺铒光纤8通过标准单模光纤14依次连接成光纤环形腔。光纤耦合器5的输出端口53通过单模光纤14依次连接偏振控制器63以及偏振光束分束器9。
在波分复用器1的Reflection端口11输入连续泵浦光,Pass端口13连接色散位移光纤21的一端,所述色散位移光纤21的另一端熔接超高数值孔径光纤31的一端,超高数值孔径光纤31的另一端熔接高非线性光纤4的一端,高非线性光纤4的另一端熔接超高数值孔径光纤32的一端,超高数值孔径光纤32的另一端连接色散位移光纤22的一端,色散位移光纤22的另一端连接光纤耦合器5的信号输入端口51;光纤耦合器5的输出端口52连接偏振控制器61的一端,偏振控制器61的另一端熔接色散位移光纤23的一端,色散位移光纤23的另一端熔接光隔离器7的输入端口,光隔离器7的输出端口连接光纤偏振器10的输入端口,光纤偏振器10的输出端口连接偏振控制器62的一端,偏振控制器62的另一端连接掺铒光纤8的一端,掺铒光纤8的另一端连接波分复用器1的Common端口12;光纤耦合器5的输出端口53连接偏振控制器63的一端,偏振控制器63的另一端连接偏振光束分束器9的非保偏输入端口91,偏振光束分束器9的两个保偏输出端口92、93,分别输出类噪声脉冲包络里偏振方向相互垂直的两个分量。
优选地,所述偏振控制器61选用挤压式偏振控制器,偏振控制器62选用三桨式偏振控制器。
一种宽带类噪声脉冲的产生方法,具体步骤如下:通过波分复用器将泵浦连续光耦合进光纤激光器内;掺铒光纤吸收了泵浦连续光,受激辐射出长波段的增益脉冲;增益脉冲在光纤激光器腔内震荡;光隔离器使光纤激光器内的脉冲单向运行;增益脉冲经过光纤激光器腔内器件的滤波作用、非线性作用、色散作用、损耗作用,衍化成包含类噪声和拉曼散射光谱成分的脉冲;由于产生的类噪声光谱和拉曼散射光谱是非连续状态,光谱间有凹陷,通过控制高非线性光纤的长度,实现对光纤激光器内脉冲非线性效应的调控,从而控制产生的新光谱成分,产生的光谱成分填补类噪声光谱和拉曼散射光谱之间的凹陷,最终使类噪声光谱和拉曼散射光谱合成宽带类噪声光谱;通过偏振控制器调节宽带类噪声脉冲内超短脉冲的相位,使宽带类噪声光谱的半高宽增大;使用光纤耦合器,输出生成的宽带类噪声脉冲;在光纤激光器腔外,通过调节偏振控制器,调节输出宽带类噪声脉冲包络内的超短脉冲的相位和偏振态;使用偏振光束分束器,将经过光纤激光器腔外偏振控制器调制的宽带类噪声脉冲包络内不同偏振态的超短脉冲,在偏振光束分束器的两个正交偏振输出方向上投影并合成,从而实现对宽带类噪声脉冲不同波长成分的选择,使偏振光束分束器某一输出端口的宽带类噪声光谱的半高宽再次增大。
有益效果:与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下有益的技术效果:使类噪声脉冲光谱和拉曼光谱展宽并连接,形成宽带类噪声脉冲光谱。基于上述的理论,最终可将类噪声脉冲的光谱半高宽拓宽至200nm。并且,在腔外的偏振调控系统,使光谱半高宽拓宽至298nm。
附图说明
图1是本发明的结构图;
图2是本发明的具体实施方案;
图3是宽带类噪声脉冲的光谱图;
图4是宽带类噪声脉冲的时域特性图;
图5是宽带类噪声脉冲的序列图;
图6是形成的宽带类噪声脉冲的自相关检测图;
图7是形成的宽带类噪声脉冲射频谱;
图8是宽带类噪声脉冲光谱宽度随着泵浦功率变化图;
图9是端口92输出的宽带类噪声脉冲光谱图;
图10是端口93输出的宽带类噪声脉冲的光谱图;
其中,1-波分复用器,11-Reflection端口,12-Common端口,13-Pass端口,21、22、23-色散位移光纤,31、32-超高数值孔径光纤,4-高非线性光纤,5-光纤耦合器,51-信号输入端口,52、53-光纤耦合器的输出端口,61、62、63-偏振控制器,7-光隔离器,8-掺铒光纤,9-偏振光束分束器,91-偏振光束分束器输入端口,92、93-偏振光束分束器的两个保偏输出端口,10-光纤偏振器,14-标准单模光纤。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的一种宽带类噪声激光器对于脉冲成分的选择,采用非线性偏振旋转技术通过对脉冲成分进行选择,在色散、非线性、增益和损耗条件达到平衡条件下,实现脉冲的稳定输出。结构图如图1所示。
本实施例所述的一种宽带类噪声激光器,包括波分复用器1、色散位移光纤21-23、超高数值孔径光纤31-32、高非线性光纤4、光纤耦合器5、偏振控制器61-63、偏振相关隔离器7、掺铒光纤8、偏振光束分束器9、标准单模光纤14。所述偏振相关隔离器7是光隔离器和光纤偏振器的功能集成。
所述标准单模光纤14选用28e标准单模光纤,该光纤的色散系数为-48ps/nm/km。
本实施例中,所述波分复用器1选用反射式波分复用器,工作波长为980/1550nm,包含三个端口,即Reflection端口11、Common端口12、Pass端口13;所述光纤耦合器5选用5%的输出耦合比,包含三个端口,即脉冲输入端口51和输出端口52、53,所述输出端口52、53的脉冲强度成比例输出,端口52输出的脉冲强度为输入脉冲强度的95%,端口53输出的脉冲强度为输入脉冲强度的5%;所述偏振光束分束器9包含三个端口,即非保偏输入端口91和保偏输出端口92、93,输出端口92和93的偏振方向相互垂直;所述色散位移光纤21-23、超高数值孔径光纤31-32、高非线性光纤4、掺铒光纤8、单模光纤14、偏振相关隔离器7、偏振控制器61-63分别都有两个相同的端口。
波分复用器1、色散位移光纤21、超高数值孔径光纤31、高非线性光纤4、超高数值孔径光纤32、色散位移光纤22、光纤耦合器5、偏振控制器61、色散位移光纤23、偏振相关隔离器7、偏振控制器62以及掺铒光纤8通过标准单模光纤14依次连接成光纤环形腔。光纤耦合器5的输出端口53通过单模光纤14依次连接偏振控制器63以及偏振光束分束器9。
在波分复用器1的Reflection端口11输入连续泵浦光,Pass端口13连接色散位移光纤21的一端,所述色散位移光纤21的另一端熔接超高数值孔径光纤31的一端,超高数值孔径光纤31的另一端熔接高非线性光纤4的一端,高非线性光纤4的另一端熔接超高数值孔径光纤32的一端,超高数值孔径光纤32的另一端连接色散位移光纤22的一端,色散位移光纤22的另一端连接光纤耦合器5的信号输入端口51;光纤耦合器5的输出端口52连接偏振控制器61的一端,偏振控制器61的另一端熔接色散位移光纤23的一端,色散位移光纤23的另一端熔接偏振相关隔离器7的一端,偏振相关隔离器7的另一端连接偏振控制器62的一端,偏振控制器62的另一端连接掺铒光纤8的一端,掺铒光纤8的另一端连接波分复用器1的Common端口12;光纤耦合器5的输出端口53连接偏振控制器63的一端,偏振控制器63的另一端连接偏振光束分束器9的非保偏输入端口91,偏振光束分束器9的两个保偏输出端口92、93,输出宽带类噪声脉冲的两个相互垂直的成分。具体结构连接如图2所示。
本实施例中,所述色散位移光纤21的长度为13m;超高数值孔径光纤31的长度为10cm;高非线性光纤4的长度为3.9m,非线性系数γ=10W-1/km;超高数值孔径光纤32的长度为10cm;色散位移光纤22的长度为28.5m;色散位移光纤23的长度为20m;掺铒光纤8的长度为2m,掺铒光纤作为光纤激光器的增益介质,在1560nm波长处的色散系数为-48ps/nm/km。
为了便于遍历光纤激光器腔内的相位,在光纤激光器内脉冲运行方向上,在掺铒光纤8前放置三桨式偏振控制器62;为了有效控制光纤激光器的腔长,偏振控制器61采用挤压式偏振控制器;为了有效控制光纤激光器腔内的净色散值,经过三桨式偏振控制器和挤压式偏振控制器部分的光纤,采用色散位移光纤。
高非线性光纤4的数值孔径大小和普通单模光纤不同,它和普通单模光纤熔接时损耗大于普通单模之间的熔接损耗,为了降低高非线性光纤4接入光纤激光器腔内的熔接损耗,分别在其两端熔接一段超高数值孔径光纤,形成光纤桥,再接入光纤激光器腔内。
为了使能量保存在光纤激光器腔内运行,采用了5%输出比例的光纤耦合器5。为了降低运行过程中光纤偏振器和隔离器在光纤激光器腔内造成的功率损耗,本实施例采用了偏振相关隔离器7,如图2所示。
类噪声脉冲包络是由大量随机脉冲组成的,通过相同的一段光纤,脉冲不同波长成分的偏转角度不同,产生双折射效应。腔外的偏振控制器63改变了输出脉冲包络内随机脉冲的相位关系,偏振光束分束器9将脉冲成分分解在两正交垂直的方向上,实现不同偏振脉冲成分的选择。
一种宽带类噪声脉冲的产生方法,具体步骤如下:通过980/1550nm波分复用器将泵浦连续光耦合进光纤激光器内;长度2m掺铒光纤吸收了980nm泵浦连续光,受激辐射出中心波长为1550nm的增益脉冲;基于光纤激光器内的光纤偏振器、偏振控制器和光纤激光腔里光纤,本发明采用了非线性偏振旋转技术;增益脉冲在光纤激光器腔内震荡,经过波长竞争,脉冲的波长成分趋于稳定;光隔离器使光纤激光器内的脉冲单向运行;增益脉冲经过光纤激光器腔内器件的滤波作用、非线性作用、色散作用、损耗作用,衍化成包含类噪声和拉曼散射光谱成分的脉冲;由于产生的类噪声光谱和拉曼散射光谱是非连续状态,光谱间有凹陷,通过控制高非线性光纤的长度,实现对光纤激光器内脉冲非线性效应的调控,从而控制产生的新光谱成分,产生的光谱成分填补类噪声光谱和拉曼散射光谱之间的凹陷,最终使类噪声光谱和拉曼散射光谱合成宽带类噪声光谱;通过偏振控制器调节宽带类噪声脉冲内超短脉冲的相位,使宽带类噪声光谱的半高宽增大;使用光纤耦合器,输出生成的宽带类噪声脉冲;在光纤激光器腔外,通过调节偏振控制器,调节输出宽带类噪声脉冲包络内的超短脉冲的相位和偏振态;使用偏振光束分束器,将经过光纤激光器腔外偏振控制器调制的宽带类噪声脉冲包络内不同偏振态的超短脉冲,在偏振光束分束器的两个正交偏振输出方向上投影并合成,从而实现对宽带类噪声脉冲不同波长成分的选择,使偏振光束分束器某一输出端口的宽带类噪声光谱的半高宽再次增大。
本发明所采用的检测仪器包括:示波器Agilent Technologies DSO9104H,1GHz,用于检测产生的类噪声脉冲的总包络;光谱仪YOKOGAWA AQ6375B,用于检测产生的类噪声光谱;自相关仪FEMTOCHROME TESEARCH,INC.FR-103HS,用于检测类噪声的相干程度;射频测量仪型Agilent N9320B 9kHz-3.0GHz,用于检测脉冲的频率和信噪比;功率计Agilent81618A,用于检测输出类噪声的平均功率。
图3是宽带类噪声脉冲的光谱图。当输入泵浦功率为1.544W时,光纤耦合器输出4.201mW光功率,此时光谱半高宽203.3nm。10dB光谱宽度约474.9nm,从波长1417.0nm分布至1891.9nm。20dB光谱宽度约677.9nm,从波长1315.5nm分布至1993.4nm。光谱在1350nm和1800nm处表现出大量的抖动,光谱不光滑,这并非由于“类噪声”脉冲本身的不稳定性,而是这两个波段附近为水吸收峰的波段。宽带类噪声光谱顶端存在凸起的小峰,第一个峰的中心波长为1557nm,第三个峰的中心波长是1668nm,此波段恰是第一个峰的拉曼散射峰,由此也证明了可以实现双波长的“类噪声”脉冲,其中长波分量是短波分量的拉曼频移,使得“类噪声”脉冲的两个光谱分量扩展并重合,形成的宽带的“类噪声”脉冲。在中间1622nm处的小峰低于第一和第三个峰,调节偏振控制器可以实现其幅值的微调,此峰是由自相关调制和交叉相位调制联合效应引起的。
图4是使用带宽2GHz的光电探测器,检测产生的宽带类噪声脉冲的时域特性。由于类噪声脉冲内部包含大量随机脉冲,且这些随机脉冲的持续时间涵盖了从飞秒至纳秒时长,故示波器显示的脉冲包络是平均后的效果,此时脉冲半高宽约0.75ns。
图5是宽带类噪声脉冲的间隔图;图中显示了宽带类噪声脉冲的间隔是0.407μs,这和光纤激光腔的长度一致。
图6是形成的宽带类噪声脉冲的自相关检测图,其典型的特征是在宽的方形基地上有一个细窄的峰,如同倒置的钉子,这也进一步证实了类噪声脉冲是一堆随机的超短脉冲的集合。由于自相关仪的扫描时间窗口有限,无法展示整个宽带类噪声脉冲自相关结果的全部轨迹,检测出的图形两侧呈现突然截止的、垂直的形状。
图7是形成的宽带类噪声脉冲射频谱。横轴范围31.5MHz-3.5MH,此时形成的脉冲一阶信噪比约59.4dB,中心频率为2.46MHz。
图8是不同泵浦功率下,获得的宽带类噪声脉冲光谱宽度。当泵浦功率从859.1mW上升至1430.1mW时,光谱半高宽逐渐从156nm上升到192nm,横坐标的泵浦功率间隔是100mW。基于此趋势,当泵浦功率增加时,其光谱宽度还有进一步展宽的空间。
图9是在输出端口92获得的宽带类噪声脉冲光谱,光谱的半高宽可达到298.5nm。
图10是端口93的输出脉冲的光谱图,输出的轴向与端口92的轴向垂直,端口93输出的脉冲光谱半高宽约170.5nm。端口92输出脉冲的光谱宽度,明显高于直接输出的宽带类噪声光谱的宽度。由于光纤的双折射效应的作用,从光纤激光器中输出的线偏振光,经过腔外的一段单模光纤后,变成椭圆偏振光。由于聚集在宽带类噪声脉冲内部的大量随机脉冲,其中心波长、持续时间、峰值功率等均有不同,经过相同的光纤后偏转角度不同,调节偏振光束分束器,加强双折射的效果。当脉冲经过偏振光束分束器时,脉冲不同的偏振成分在两垂直的方向上投影,可在某一方向减少第一个峰所在波长处的成分,达到滤波的效果,从而使光谱更加平整光滑,进而展宽类噪声脉冲光谱。