CN111509537A - 一种全光纤超短脉冲锁模激光产生方法及激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全光纤超短脉冲锁模激光产生方法及激光器，解决现有被动锁模光纤激光器由于锁模器件低的损伤阈值，限制了激光器的输出功率和使用寿命；以及整形器件的制作工艺限制输出激光参数实时动态调控的问题。其中激光器包括泵浦光源、以及依次连接构成全光纤环形激光腔的波分复用器、增益光纤、分束器、偏振相关隔离器、保偏光纤、起偏器、第一单模光纤、渐变折射率光纤、第二单模光纤；泵浦光源与波分复用器的泵浦端连接；偏振相关隔离器与分束器的第二输出端连接，分束器的第一输出端用于超短激光脉冲的输出；偏振相关隔离器、起偏器的偏振光轴分别按45°角与保偏光纤的偏振光轴熔接，偏振相关隔离器与起偏器的偏振光轴呈0°。

Description

一种全光纤超短脉冲锁模激光产生方法及激光器
技术领域
本发明涉及激光技术和非线性光学技术，具体涉及一种全光纤超短脉冲锁模激光产生方法及激光器。
背景技术
被动锁模光纤激光器因其结构紧凑、性能稳定等优势，成为了超快激光器研究中的重要方向。被动锁模光纤激光器中最为关键的器件为可饱和吸收器件和频域脉冲整形器件。其中，可饱和吸收体器件和频域脉冲整形器件的性能对于超短脉冲的输出特性有着至关重要的影响。
首先，目前被动锁模光纤激光器所采用的可饱和吸收体锁模器件主要包括半导体可饱和吸收镜、碳纳米管以及石墨烯等。其中，半导体可饱和吸收镜作为应用最为广泛且最为成熟的可饱和吸收体材料，仍然存在一些缺点，例如，其特性由制作时的设计参数决定，使得价格昂贵，并且极易热损伤。除了上述半导体可饱和吸收镜、碳纳米管以及石墨烯等锁模器件外，其他二维材料包括氧化石墨烯、拓扑绝缘体，如碲化铋和过渡金属硫化物等也被观察到具有良好的非线性可饱和吸收效应，可以作为可饱和吸收体锁模器件，且目前已经应用到锁模光纤激光器中。但上面提到的锁模器件低的损伤阈值也极大的限制了锁模激光器输出功率和应用性能的提升。此外，在长时间高峰值功率光脉冲作用下，上述提到的可饱和吸收体也会很快老化、烧毁，严重地限制了锁模激光器的输出功率和使用寿命。
其次，传统频域脉冲整形器件由于受限于镀膜等制作工艺限制，其滤波带宽及中心波长范围都被限制到某一特定区域，基本不可能实现精细调整。实际上，在绝大多数的超短脉冲锁模光纤激光产生过程中，为了获得最优激光性能的输出(如低阈值、高功率、宽带宽、窄脉冲飞秒激光输出)，通常情况下，频域脉冲整形器件的关键参数,如滤波带宽、中心波长等参数都需要实时在线调整优化。因此在以传统频域脉冲整形器件作为被动锁模超短脉冲激光器中的脉冲整形器件时，超短脉冲锁模激光器输出激光特性受到了很大的局限性，很难对锁模阈值、锁模光谱带宽、脉冲宽度等参数实现实时动态调控。
发明内容
为了解决现有被动锁模光纤激光器由于锁模器件低的损伤阈值，限制了激光器的输出功率和使用寿命；以及整形器件的制作工艺限制输出激光参数实时动态调控的技术问题，本发明提供了一种基于偏振相关45°熔接保偏光纤形成的等效光谱滤波机制与单模光纤-渐变折射率光纤-单模光纤形成的等效时域可饱和吸收机制的全光纤超短脉冲锁模激光产生方法及激光器。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种全光纤超短脉冲锁模激光产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)通过波分复用器将泵浦光源出射的激光耦合后进入增益光纤中，为锁模激光的产生提供足够的激光增益；
2)增益光纤产生的激光脉冲通过分束器后，一部分导出激光腔作为超短激光脉冲的输出，其余部分激光脉冲通过基于偏振特性的全保偏光纤45°熔接带通滤波器进行频率域光谱整形和时域上的窄化；
3)经频率域光谱整形和时域上的窄化后的脉冲通过渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件，进一步回到波分复用器、增益光纤、分束器形成闭环通路，实现锁模运转。
进一步地，步骤2)中，所述带通滤波器由偏振相关隔离器、保偏光纤、起偏器构成；通过调控保偏光纤的长度实现带通滤波器的实时动态光谱整形。
进一步地，步骤3)中，所述渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件由渐变折射率光纤、分别连接在渐变折射率光纤两端的第一单模光纤、第二单模光纤构成；通过调控渐变折射率光纤的弯曲曲率和长度实现渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件的可饱和吸收功能。
本发明还提供了一种全光纤超短脉冲锁模激光器，其特殊之处在于：包括泵浦光源、以及依次连接构成全光纤环形激光腔的波分复用器、增益光纤、分束器、偏振相关隔离器、保偏光纤、起偏器、第一单模光纤、渐变折射率光纤、第二单模光纤；
所述泵浦光源与所述波分复用器的泵浦端连接；
所述偏振相关隔离器与分束器的第二输出端连接，分束器的第一输出端用于超短激光脉冲的输出；
所述偏振相关隔离器、起偏器的偏振光轴分别按45°角与保偏光纤的偏振光轴熔接，偏振相关隔离器与起偏器的偏振光轴呈0°。
进一步地，所述分束器第一输出端和第二输出端的分束比为10％:90％。
进一步地，所述第一单模光纤、渐变折射率光纤、第二单模光纤依次熔接相连构成渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件，用于启动以及稳定锁模。
进一步地，所述保偏光纤的长度为10cm。
进一步地，所述偏振相关隔离器、保偏光纤、起偏器的光纤模场直径均为6.2μm。
进一步地，所述增益光纤为单模保偏增益光纤，其模场直径为4.2μm，长度为50cm，对976nm泵浦光的吸收系数为1200dB/m。
进一步地，所述波分复用器为单轴工作光纤波分复用器，其三个端口均为保偏单模光纤；
所述分束器为单轴工作光纤分束器，其三个端口均为保偏单模光纤。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明激光产生方法及激光器是基于偏振相关的45°熔接保偏光纤形成的等效光谱滤波机制、单模光纤-渐变折射率光纤-单模光纤形成的等效时域可饱和吸收机制，采用全保偏光纤45°熔接带通滤波器，可实现超短脉冲锁模过程中脉冲频率域的实时动态光谱整形和时域上的窄化，不仅能够实现低锁模阈值，而且可以实现输出光谱整形带宽与对应脉冲宽度、中心波长等参数的实时调控；渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件用于锁模的启动与维持，也提供了真正严格意义上的全光纤锁模器件，显著提升了激光器的输出功率和工作寿命。
2、本发明激光产生方法及激光器通过合理的控制渐变折射率光纤的长度和弯曲曲率，可实现等效时域可饱和吸收机制的可饱和吸收功能。
3、本发明激光产生方法及激光器通过优化保偏光纤的长度，不仅可以有效降低锁模阈值，也可以实现全光纤超短脉冲锁模激光器输出激光参数特性(如锁模阈值、光谱带宽、脉冲宽度)的可控控制。
4、本发明激光器第一单模光纤、渐变折射率光纤、第二单模光纤构成真正严格意义上的全光纤化结构，具有功率耐受力强、稳定性好、寿命长的优点，可以实现高平均功率锁模激光输出。
附图说明
图1是本发明全光纤超短脉冲锁模激光器实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例中带通滤波器的滤波特性示意图；
其中，附图标记如下：
1-泵浦光源，2-波分复用器，3-增益光纤，4-分束器，5-偏振相关隔离器，6-保偏光纤，7-起偏器，8-第一单模光纤，9-渐变折射率光纤，10-第二单模光纤。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明基于偏振相关的45°熔接保偏光纤形成的等效光谱滤波机制与单模光纤-渐变折射率光纤9-单模光纤形成的等效时域可饱和吸收机制，提供了一种全光纤超短脉冲锁模激光产生方法，包括以下步骤：
1)通过波分复用器2将泵浦出射的激光耦合后进入增益光纤3中，为锁模激光的产生提供足够的激光增益；
2)增益光纤3产生的激光脉冲通过分束器4后，一部分导出激光腔作为超短激光脉冲的输出，其余部分激光脉冲通过基于偏振特性的全保偏光纤45°熔接带通滤波器进行频率域光谱整形和时域上的窄化；
3)经频率域光谱整形和时域得到窄化后的脉冲进一步通过渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件，实现超短脉冲锁模；
4)通过渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件后的脉冲，进一步回到波分复用器2、增益光纤3、分束器4形成闭环通路，实现锁模运转。
同时，本实施例还提出了一种全光纤超短脉冲锁模激光器，如图1所示，该激光器包括泵浦光源1、波分复用器2、增益光纤3、分束器4、带通滤波器、渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件。
带通滤波器用于实现超短脉冲锁模过程中脉冲频率域的实时动态光谱整形，不仅可以有效降低锁模阈值，而且可以实现光谱整形带宽、中心波长等参数的实时调控。该带通滤波器由偏振相关隔离器5、保偏光纤6、起偏器7共同组成。该滤波器的实时动态光谱整形主要是通过调控保偏光纤6的长度来实现。
渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件是由一段渐变折射率光纤9两端分别熔接第一单模光纤8、第二单模光纤10构成的，构成单模光纤8-渐变折射率光纤9-单模光纤10组合器件，该器件主要功能是用于锁模的启动与维持。其工作原理为：当超短脉冲激光从第一单模光纤8进入渐变折射率光纤9中非线性传输时，由于自相位调制和交叉相位调制等非线性效应的影响，使得每个受激导波高阶模式的传播常数发生变化，进而影响了超短脉冲激光在渐变折射率光纤9中的多模干涉结果，使得在渐变折射率光纤9中传输的激光脉冲输出耦合特性发生了变化。即对于线性传输情况下最小的透射渐变折射率光纤9长度，在非线性区域，由于自相位调制和交叉相位调制等非线性效应的影响，高峰值功率的激光部分可以无损耗的透射进入单模光纤，而低功率的激光部分(类似于线性传输)，其透射进入单模光纤的透过率为0。因此，通过合理的控制渐变折射率光纤9的结构参数，可以实现可饱和吸收功能。在本发明中其可饱和吸收功能主要是通过控制渐变折射率光纤9的弯曲曲率和长度来实现。基于单模光纤8-渐变折射率光纤9-单模光纤10的锁模器件由于是真正的全光纤锁模器件，因此本实施例激光器其损伤阈值和光纤的损伤阈值相同，不仅提升了激光器的输出功率，而且显著提升了激光器的使用寿命。
波分复用器2的输出端与增益光纤3的输入端连接，增益光纤3的输出端与分束器4的输入端连接，分束器4的第一输出端用于输出激光脉冲，分束器4的第二输出端与偏振相关隔离器5的输入端连接，偏振相关隔离器5的输出端与保偏光纤6的输入端连接，保偏光纤6的输出端连接与起偏器7的输入端连接，起偏器7的输出端与第一单模光纤8的输入端连接，第一单模光纤8的输出端与渐变折射率光纤9的输入端连接，渐变折射率光纤9的输出端与第二单模光纤10的输入端连接，第二单模光纤10的输出端与波分复用器2的第二输入端连接，则波分复用器2、增益光纤3、分束器4、偏振相关隔离器5、保偏光纤6、起偏器7、第一单模光纤8、渐变折射率光纤9、第二单模光纤10依次连接构成全光纤环形激光腔。泵浦光源1的输出端与波分复用器2的泵浦端连接。
本实施例中泵浦光源1采用普通的单模泵浦激光二极管，中心波长为976nm的窄线宽激光器，且输出光纤是单模光纤，模场直径为6.2um。
本实施例中波分复用器2为单轴工作光纤波分复用器，其三个端口光纤均为保偏单模光纤。
本实施例中增益光纤3为单模保偏增益光纤，其模场直径为4.2μm，长度为50cm，对976nm泵浦光的吸收系数为1200dB/m，能够为本发明全光纤超短脉冲激光的产生提供足够的激光增益。
本实施例中分束器4为单轴工作光纤分束器，其三个端口均为保偏单模光纤。分束器4第一输出端和第二输出端的的分束比10％:90％，10％用于输出，90％用于提供全光纤环形激光腔内反馈信号。
本实施例中带通滤波器为基于偏振特性的全保偏光纤45°熔接带通滤波器，其包括依次熔接的偏振相关隔离器5、保偏光纤6和起偏器7，且偏振相关隔离器5、起偏器7的偏振光轴分别按45°角与保偏光纤6的偏振光轴熔接，偏振相关隔离器5与起偏器7的偏振光轴呈0°；其中，偏振相关隔离器5、保偏光纤6、起偏器7的光纤模场直径均为6.2μm，偏光纤的长度为10cm。
当高峰值功率脉冲在回路中传输的时候，经过增益光纤3实现脉冲放大,并且由于受到自相位调制的影响其光谱展宽，其产生的宽带光谱进入偏振相关隔离器5、保偏光纤6、起偏器7构成的带通滤波器，对光谱进行选择滤波。
基于偏振特性的全保偏光纤45°熔接带通滤波器具有等效光谱滤波机制，即频率域光谱整形，使得中间所选择的少部分光谱能够通过带通滤波器进行激光腔内脉冲振荡，其它部分被损耗掉。当保偏光纤6的长度为10cm时，基于保偏单模光纤偏振特性的45°熔接带通滤波器的滤波特性如图2所示。通过改变熔接带通滤波器偏振光纤的长度，可以实现对带通滤波器的光谱宽度和中心波长的控制。
本实施例中渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件是由普通单模光纤、渐变折射率光纤9、单模光纤依次熔接构成的；其中，渐变折射率光纤9的长度为15cm。渐变折射率光纤9等效可饱和吸收体器件的可饱和吸收效应主要通过调控渐变折射率光纤9长度与弯曲状态实现。通过渐变折射率光纤9等效可饱和吸收体器件的脉冲进一步回到波分复用器2、增益光纤3、分束器4形成闭环通路。
渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件主要基于渐变折射率光纤9中的非线性多模干涉效应。激光从单模光纤入射进入渐变折射率光纤9时，激发出诸多高阶传播模式，在这些光进入渐变折射率多模光纤中后，受自相位调制和交叉相位调制的影响，使得每个受激导波模式的传播常数发生变化，进而影响了超短脉冲激光在渐变折射率光纤9中的多模干涉结果，使得在渐变折射率光纤9中传输的激光脉冲输出耦合特性发生了变化。不同强度和波长的光的自聚焦点不一致，这些光在经过渐变折射率光纤9与其后单模光纤之间的熔点时，自聚焦点与单模光纤纤芯耦合程度越高的光透射率越高。通过调节渐变折射率光纤9长度与弯曲状态，达到激光峰值功率较高的部分透过率更高，峰值功率较低的部分光透过率比较低的状态，此时可以起到启动以及稳定锁模的作用。
本发明全光纤超短脉冲锁模激光器的工作原理：
通过波分复用器2将泵浦光源1出射的激光耦合后进入增益光纤3中，为锁模激光的产生提供足够的激光增益；增益光纤3产生的激光脉冲通过分束器4后，一部分导出激光腔作为超短激光脉冲的输出，其余部分激光脉冲通过基于偏振特性的全保偏光纤45°熔接带通滤波器，基于偏振特性的45°熔接带通滤波器具有偏振相关的等效光谱滤波机制，即频率域光谱整形，使得所选择的少部分光谱能够通过带通滤波器继续在环形激光腔内振荡，其它部分被损耗掉。由于本发明是全正色散结构，因此，经过基于偏振特性的45°熔接带通滤波器进行光谱滤波后的激光脉冲在时域上也得到窄化。经过基于偏振特性的45°熔接带通滤波器且时域得到窄化的脉冲，进一步通过渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件全光纤锁模器件，实现超短脉冲锁模；通过渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件的脉冲，进一步回到波分复用器2、增益光纤3、分束器4形成闭环通路，实现锁模运转。
由于本发明渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件是真正严格意义上的全光纤化结构，因此本发明激光器具有功率耐受力强、稳定性好、寿命长等优点，可以实现高平均功率锁模激光输出。
此外，由于基于偏振特性的全保偏光纤45°熔接带通滤波器具有滤波带宽可调、中心波长可调等特性，因此通过优化保偏光纤6的长度，不仅可以有效降低锁模阈值，而且也可以实现全光纤超短脉冲锁模激光器输出激光参数特性(如锁模光谱带宽、脉冲宽度)的可控控制。
本发明全光纤超短脉冲锁模激光器通过调控保偏光纤6的长度、渐变折射率光纤9的长度及弯曲曲率，不仅能够实现低阈值、且输出光谱带宽与对应脉冲宽度可调控的超短脉冲锁模激光输出，而且第一单模光纤8-渐变折射率光纤9-第二单模光纤10形成的等效可饱和吸收效应也提供了真正严格意义上的全光纤锁模器件，显著提升了激光器的输出功率和工作寿命。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种全光纤超短脉冲锁模激光产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过波分复用器(2)将泵浦光源(1)出射的激光耦合后进入增益光纤(3)中，为锁模激光的产生提供激光增益；
2)增益光纤(3)产生的激光脉冲通过分束器(4)后，一部分导出激光腔作为超短激光脉冲的输出，其余部分激光脉冲通过基于偏振特性的全保偏光纤45°熔接带通滤波器进行频率域光谱整形和时域上的窄化；
3)经频率域光谱整形和时域上的窄化后的脉冲通过渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件，进一步回到波分复用器(2)、增益光纤(3)、分束器(4)形成闭环通路，实现锁模运转。
2.根据权利要求1所述的全光纤超短脉冲锁模激光产生方法，其特征在于：步骤2)中，所述带通滤波器由偏振相关隔离器(5)、保偏光纤(6)、起偏器(7)构成；通过调控保偏光纤(6)的长度实现带通滤波器的实时动态光谱整形。
3.根据权利要求1或2所述的全光纤超短脉冲锁模激光产生方法，其特征在于：步骤3)中，所述渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件由渐变折射率光纤(9)、分别连接在渐变折射率光纤(9)两端的第一单模光纤(8)、第二单模光纤(10)构成；通过调控渐变折射率光纤(9)的弯曲曲率和长度实现渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件的可饱和吸收功能。
4.一种全光纤超短脉冲锁模激光器，其特征在于：包括泵浦光源(1)、以及依次连接构成全光纤环形激光腔的波分复用器(2)、增益光纤(3)、分束器(4)、偏振相关隔离器(5)、保偏光纤(6)、起偏器(7)、第一单模光纤(8)、渐变折射率光纤(9)、第二单模光纤(10)；
所述泵浦光源(1)与所述波分复用器(2)的泵浦端连接；
所述偏振相关隔离器(5)与分束器(4)的第二输出端连接，分束器(4)的第一输出端用于超短激光脉冲的输出；
所述偏振相关隔离器(5)、起偏器(7)的偏振光轴分别按45°角与保偏光纤(6)的偏振光轴熔接，偏振相关隔离器(5)与起偏器(7)的偏振光轴呈0°。
5.根据权利要求4所述全光纤超短脉冲锁模激光器，其特征在于：所述分束器(4)第一输出端和第二输出端的分束比为10％:90％。
6.根据权利要求5所述全光纤超短脉冲锁模激光器，其特征在于：所述第一单模光纤(8)、渐变折射率光纤(9)、第二单模光纤(10)依次熔接相连构成渐变折射率光纤可饱和吸收体全光纤锁模器件，用于启动以及稳定锁模。
7.根据权利要求4或5或6所述全光纤超短脉冲锁模激光器，其特征在于：所述保偏光纤(6)的长度为10cm。
8.根据权利要求7所述全光纤超短脉冲锁模激光器，其特征在于：所述偏振相关隔离器(5)、保偏光纤(6)、起偏器(7)的光纤模场直径均为6.2μm。
9.根据权利要求8所述全光纤超短脉冲锁模激光器，其特征在于：所述增益光纤(3)为单模保偏增益光纤，其模场直径为4.2μm，长度为50cm，对976nm泵浦光的吸收系数为1200dB/m。
10.根据权利要求4所述全光纤超短脉冲锁模激光器，其特征在于：所述波分复用器(2)为单轴工作光纤波分复用器，其三个端口均为保偏单模光纤；
所述分束器(4)为单轴工作光纤分束器，其三个端口均为保偏单模光纤。
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