CN112490834A - 基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器 - Google Patents

基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器 Download PDF

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金亮
张贺
徐英添
李岩
王海珠
范杰
徐莉
邹永刚
石琳琳
赵鑫
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Abstract

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，包括依次连接的泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、偏振控制器和输出耦合器，波分复用器的输入端与输出耦合器的输出端连接，偏振控制器内设有可饱和吸收结构，可饱和吸收结构包括依次熔接的第一单模光纤、偏芯熔接的多模光纤和第二单模光纤。本发明提出的一种基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，解决了现有的光纤激光器对多模光纤长度的苛刻要求的问题。

Description

基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器。
背景技术
全光纤激光器与固体体脉冲激光器相比，被动锁模产生超短脉冲的全光纤激光器因其无对准结构、成本效益高、空间光束轮廓质量好、结构紧凑等优点而备受关注。光纤激光器激发超短脉冲的方法分为主动锁模与被动锁模两种，而主动锁模需要一个额外加一个调制器件增加了光纤激光器的复杂性，而被动锁模较于主动锁模更容易实现超短脉冲。
超快激光在现代技术的众多领域发挥着重要作用，是光学频率梳理、非线性光学和材料加工不可或缺的研究工具。用SA能够实现激光模式的快速锁定。一些可饱和吸收材料(SA)已广泛应用于光纤激光器中，包括Bi2Te3、黑磷、MoS2、石墨烯和WS2。然而，这些材料制造成本高或损伤阈值相对较低，阻碍了其实际应用。而一些天然的可饱和吸收体(利用光纤本身的非线性效应)，常见的天然SA锁模有8字腔锁模与非线性偏振旋转锁模(NPR)结构锁模。它们的锁模产生需要使用偏振控制器来精确控制腔中光纤的偏振状态，并使用偏振相关隔离器和其他设备来实现可饱和的吸收效果。这种传统的锁模结构需要精确控制光纤的偏振态，抗外界环境干扰的能力较差。
发明内容
本发明提出一种基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，以解决现有的光纤激光器对多模光纤长度的苛刻要求的问题。
本发明解决上述问题的技术方案是：基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，其特殊之处在于，包括
泵浦源，用于产生泵浦光；
环形谐振腔，包括依次连接的波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、偏振控制器和输出耦合器，所述波分复用器的输入端分别与泵浦源的输出端以及输出耦合器的输出端相连接，所述偏振控制器内设有可饱和吸收结构，所述可饱和吸收结构包括依次熔接的第一单模光纤、偏芯熔接的多模光纤和第二单模光纤。
优选的是，所述偏芯熔接的多模光纤为渐变折射率多模光纤。
优选的是，所述偏芯熔接的多模光纤包括轴心错位熔接的第一多模光纤和第二多模光纤。
优选的是，所述偏芯熔接的多模光纤还包括第三多模光纤，所述第三多模光纤与第二多模光纤轴心错位熔接，所述第三多模光纤和第一多模光纤同轴。
优选的是，所述第一多模光纤与第二多模光纤之间、第二多模光纤和第三多模光纤之间的轴心偏移量均为2-8微米。
优选的是，所述增益光纤为掺镱光纤。
优选的是，所述第一单模光纤和第二单模光纤的材质相同。
优选的是，所述输出耦合器为10:90的输出耦合器。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1)本发明在1μm波段实现了稳定的耗散孤子锁模，增强了光纤激光器的实用性，用途更加广泛。与传统锁模光纤激光器相比，不需要使用其他器件，结构更加简单，抗干扰能力强，损伤阈值更低。
2)利用三小段渐变折射率多模光纤(GIMF)对称偏移熔接，引入适当的偏移量，摆脱了多模干涉效应锁模对多模光纤长度的苛刻要求，使光纤激光器具有更加简单的结构。
3)在偏芯熔接的多模光纤的两端接上第一单模光纤和第二单模光纤构成可饱和吸收结构，并将可饱和吸收结构缠绕进偏振控制器中。可饱和吸收结构具有类马赫泽德尔滤波作用，不同波长光通过可饱和吸收结构具有不同透过率，即可饱和吸收结构可以作为滤波器使用。
4)将可饱和吸收结构缠绕到偏振控制器中，通过弯曲该结构，可以在一定范围内有效地调节多模光纤和单模光纤之间的界面处的模场，从多模光纤到单模光纤的耦合效率将可以通过调偏振控制器来改变，通过调偏振控制器并引入适当的偏移量可以形成可饱和吸收材料。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明可饱和吸收结构示意图；
图3为本发明可饱和吸收结构的示意图；
图4为本发明偏芯熔接的多模光纤的示意图；
图5为本发明偏芯熔接的多模光纤的示意图；
图6为本发明耗散孤子锁模示意图；
图7为本发明耗散孤子锁模示意图；
图8为本发明耗散孤子锁模示意图。
图中：1-泵浦源，2-波分复用器，3-增益光纤，4-输出耦合器，5-偏振控制器，6-偏振无关隔离器，7-可饱和吸收结构，71-第一单模光纤，72-偏芯熔接的多模光纤，73-第二单模光纤，721-第一多模光纤，722-第二多模光纤，723-第三多模光纤。
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。
实施例1：如图1-图8所示，一种基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，包括用于产生泵浦光的泵浦源1和环形谐振腔；环形谐振腔包括依次连接的波分复用器2、增益光纤3、偏振无关隔离器6、偏振控制器5和输出耦合器4，波分复用器2的输入端分别与泵浦源1的输出端以及输出耦合器4的输出端相连接，偏振控制器6内设有可饱和吸收结构7，可饱和吸收结构7包括依次熔接的第一单模光纤71、偏芯熔接的多模光纤72和第二单模光纤73。
本发明将可饱和吸收结构7缠绕到偏振控制器5中，能够实现锁模脉冲输出。本发明在偏芯熔接的多模光纤72中通过引入偏芯结构可以增加偏芯熔接的多模光纤72中的激发模总数，弯曲的偏芯熔接的多模光纤72可以实现透射率的调节。随着偏芯熔接的多模光纤72弯曲度的增加，激发的高阶模的数量也相应变化。同时，连续弯曲的偏芯熔接的多模光纤72的输出光功率沿着长度方向周期性地振荡并耦合在基本模和初始激发导模之间，并且振荡周期和干扰长度相等。如图4、图5所示，可饱和吸收结构7可以激发更多的高阶模式。偏芯熔接的多模光纤72和第一单模光纤71、第二单模光纤73之间的耦合效率与多模光纤中的非线性系数γ和模总数M有关；这与多模光纤和单模光纤的耦合效率有关。通过引入适当的偏移，可以增加偏芯熔接的多模光纤72中激发模式的总数。另外，这种结构可以有效地多模光纤单模光纤之间的接口处的模场。因此，可以控制从多模光纤到单模光纤的光耦合效率。通过调节结构的曲率并引入适当的偏移量，可以形成稳定的饱和吸收，从而消除长度限制。
作为本发明一个优选的实施例，偏芯熔接的多模光纤72为渐变折射率多模光纤。
作为本发明一个优选的实施例，如图3所示，偏芯熔接的多模光纤72包括轴心错位熔接的第一多模光纤721和第二多模光纤722。固定的衰减效果是通过将两个多模光纤的磁芯偏移2微米来实现的。来自第一多模光纤721的光分为两种方式，一部分光在第二多模光,722的纤芯中传播，其余部分以包层模式在第二多模光纤722包层中传输。
作为本发明一个优选的实施例，偏芯熔接的多模光纤72包括轴心错位熔接的第一多模光纤721、第二多模光纤722和第三多模光纤723，第三多模光纤723与第二多模光纤722轴心错位熔接，第三多模光纤723和第一多模光纤721同轴。
耗散孤子机制的重要因素是通过频谱滤波来提供耗散机制。基于多模干涉效应的锁模归因于克尔效应，使得高功率光的折射率变化比低功率光的折射率变化大，从而导致多模光纤中自成像周期的分离。因此，脉冲翼的自成像长度与其峰值不同。激发模式之间的相位失配逐渐累积，这使得高功率光束的扩展区域远小于低功率光束的扩展区域。因此，高功率光可以以低损耗耦合到单模光纤，而低功率光由于其大的光束损耗而难以耦合到单模光纤，从而形成SA。但是，由于饱和吸收体结构中的多模干涉周期与多模光纤的长度直接相关，因此必须精确调整上述结构中的GIMF长度参数，以实现最佳的饱和吸收，但实际上长度非常难以精确控制。因此，本发明采用偏芯熔接的多模光纤72，偏芯熔接的多模光纤72包括轴心错位熔接的第一多模光纤721、第二多模光纤722和第三多模光纤723，无须精确调整长度就可实现锁模。
作为本发明一个优选的实施例，第一多模光纤721与第二多模光纤722之间、第二多模光纤722和第三多模光纤723之间的轴心偏移量均为2-8微米。
作为本发明一个优选的实施例，增益光纤3为掺镱光纤。
作为本发明一个优选的实施例，第一单模光纤71和第二单模光纤73的材质相同。
作为本发明一个优选的实施例，输出耦合器4为10:90的耦合器。
光纤激光器的工作原理：泵浦源1为光纤激光器提供用于激发激光的基础光源，波分复用器2用于将两个波长的光整合到一根光纤中，即将泵浦光源和激发的激光整合进同一根光纤；增益光纤3的作用是经由泵浦源1发出的光激发增益光纤3中的增益介质使在增益光纤3中形成粒子数反转产生激光；通过调盘有可饱和吸收结构7的偏振控制器5来进行锁模，获得锁模脉冲的输出；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。本实施例中泵浦源1通过波分复用器2对增益光纤3进行泵浦并产生1.03μm的激射光，激射光通过可饱和吸收结构后，再通过输出耦合器4时，有90％的光回到环形腔内继续振荡放大，有10％的激射光从光纤激光器环形腔输出。
如图6-8所示，对于基于DOS-GIMFs(由第一多模光纤-第二多模光纤-第三多模光纤构成的偏芯熔接的多模光纤72)和SOS-GIMFs(由第一多模光纤-第二多模光纤构成的偏芯熔接的多模光纤72)的全正态色散区，分别可以得到稳定的耗散孤子。随着抽运功率的逐渐增大，基于DOS-GIMFs的耗散孤子在116mw的阈值下工作，由于SOS-GIMFs的损耗更大，因此基于SOS-GIMFs的耗散孤子的锁模阈值为134mw。DOS-GIMFs和SOS-GIMFs相比于现有的光纤激光器具有更低的激光锁模阈值。
它们的光谱如图6所示，基于DOS-GIMFs和SOS-GIMFs的脉冲的中心波长记录在1030nm和1036nm处。边到边的光谱带宽分别为6.98nm和6.27nm。基于DOS-GIMFs和SOS-GIMFs的谱线呈现出陡峭的边缘，这是全正色散激光器中典型的耗散孤子锁模的特征。值得注意的是，在基于SOS-GIMFs的光谱前沿可以观察到约1030nm的尖峰，并且在1030nm处有激光峰值的趋势。这主要是由于镱离子在1030nm处的增益谱高于其他波长，导致了纵向模竞争，部分功率转移到1030nm。所有正常色散区的输出脉冲都有较大的法向啁啾，假设脉冲为高斯分布，基于DOS-GIMFs得到～7.3ps的脉冲宽度，对应的基本重复率为～20.52mhz。
本发明简化了锁模光纤激光器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，抗干扰能力强，损伤阈值更低。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。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，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保护范围内。

Claims (8)

1.基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，其特征在于，包括
泵浦源(1)，用于产生泵浦光；
环形谐振腔，包括依次连接的波分复用器(2)、增益光纤(3)、偏振无关隔离器(6)、偏振控制器(5)和输出耦合器(4)，所述波分复用器(2)的输入端分别与泵浦源(1)的输出端以及输出耦合器(4)的输出端相连接，所述偏振控制器(6)内设有可饱和吸收结构(7)，所述可饱和吸收结构(7)包括依次熔接的第一单模光纤(71)、偏芯熔接的多模光纤(72)和第二单模光纤(73)。
2.根据权利要求1所述的基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，其特征在于，所述偏芯熔接的多模光纤(72)为渐变折射率多模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，其特征在于，所述偏芯熔接的多模光纤(72)包括轴心错位熔接的第一多模光纤(721)和第二多模光纤(722)。
4.根据权利要求3所述的基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，其特征在于，所述偏芯熔接的多模光纤(72)还包括第三多模光纤(723)，所述第三多模光纤(723)与第二多模光纤(722)轴心错位熔接，所述第三多模光纤(723)和第一多模光纤(721)同轴。
5.根据权利要求3所述的基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，其特征在于，所述第一多模光纤(721)与第二多模光纤(722)之间、第二多模光纤(722)和第三多模光纤(723)之间的轴心偏移量均为2-8微米。
6.根据权利要求1所述的基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(3)为掺镱光纤。
7.根据权利要求1所述的基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，其特征在于，所述第一单模光纤(71)和第二单模光纤(73)的材质相同。
8.根据权利要求1所述的基于多模光纤偏芯熔接的锁模掺镱光纤激光器，其特征在于，所述输出耦合器(4)为10:90的耦合器。
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