CN115021058B - 一种锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种锁模光纤激光器，其特征在于，锁模光纤激光器包括：泵浦源、泵浦光耦合器件、增益光纤、锁模器件、隔离器以及滤波器件；泵浦源与泵浦光耦合器件连接；泵浦源用于向泵浦光耦合器件发出泵浦光；泵浦光耦合器件与增益光纤连接；增益光纤与锁模器件连接；锁模器件与隔离器连接，锁模器件用于使锁模光纤激光器工作在锁模状态，并输出光脉冲；隔离器与滤波器件连接；隔离器用于对激光进行单向循环处理；滤波器件用于将收到的激光分为多路，基于多路激光之间的光程差产生干涉效应，通过改变光程差以改变滤波带宽，以使锁模光纤激光器基于滤波带宽的不同，输出耗散孤子脉冲或自相似孤子脉冲。

Description

一种锁模光纤激光器

技术领域

本申请涉及激光器技术领域，尤其涉及一种锁模光纤激光器。

背景技术

锁模激光器产生的脉冲激光具有光束质量好、峰值功率高、脉冲持续时间短以及光谱范围宽等优势，在材料微加工、微观世界探测、生物医学等领域有重要应用。为提高锁模光纤激光器的性能，人们提出了各种各样的激光器结构及脉冲演化方式。其中激光器腔内总色散为负时，激光器输出传统孤子，脉冲能量一般不超过0.1nJ，脉冲光谱具有明显的边带。在激光腔内引入正色散，使腔内总色散接近零，激光器输出色散管理孤子，脉冲在腔内循环时周期性展宽压缩，降低了脉冲的平均峰值功率，从而降低了非线性效应的影响，使脉冲能量达到1nJ左右。继续增大腔内正色散数值，并插入滤波器以便在频域辅助对脉冲整形，激光器同样能够输出稳定的孤子脉冲。较大的正色散使脉冲进一步展宽，从而进一步降低了光纤中非线性效应的影响，使输出脉冲的能量达到几十nJ水平。此时根据激光腔参数的不同，激光器可输出耗散孤子或自相似孤子脉冲。耗散孤子光谱范围窄，脉冲持续时间长，滤波器引入的损耗小。而自相似脉冲光谱范围宽，压缩后脉冲持续时间短，但滤波器引入的损耗大，不同类型孤子脉冲适用于不同的场合。

一般来说，较大的非线性效应、较小的色散或较窄的滤波器带宽，利于产生自相似脉冲；而当滤波器带宽较大时，一般产生耗散孤子。因此，需要通过搭建不同的激光器结构，获得不同类型的脉冲，以致激光器的应用成本较高。

发明内容

本申请实施例提供了一种锁模光纤激光器及其使用方法，用于解决如下技术问题：现有技术为了获取不同类型的脉冲，需要搭建不同的激光器，以致激光器的应用成本较高。

本申请实施例采用下述技术方案：

本申请实施例提供一种锁模光纤激光器，其特征在于，所述锁模光纤激光器包括：泵浦源、泵浦光耦合器件、增益光纤、锁模器件、隔离器以及滤波器件；所述泵浦源与所述泵浦光耦合器件连接；所述泵浦源用于向所述泵浦光耦合器件发出泵浦光；所述泵浦光耦合器件与所述增益光纤连接；所述泵浦光耦合器件用于将接收到的所述泵浦光耦合至所述增益光纤；所述增益光纤与所述锁模器件连接；所述增益光纤基于接收到的所述泵浦光产生激光，并对所述激光进行放大处理；所述锁模器件与所述隔离器连接，所述锁模器件用于使所述锁模光纤激光器工作在锁模状态，并输出光脉冲；所述隔离器与所述滤波器件连接；所述隔离器用于对所述激光进行单向循环处理；所述滤波器件用于将收到的激光分为多路，基于多路激光之间的光程差产生干涉效应，通过改变所述光程差以改变滤波带宽，以使所述锁模光纤激光器基于所述滤波带宽的不同，输出耗散孤子脉冲或自相似孤子脉冲。

在本申请的一种实现方式中，锁模器件还包括有输出耦合器件；所述输出耦合器件与所述泵浦光耦合器件连接，所述输出耦合器件用于将所述激光进行分束，使得一部分激光继续在腔内循环，另一部分输出腔外。

在本申请的一种实现方式中，所述泵浦光耦合器件、所述增益光纤、所述锁模器件、所述隔离器、所述滤波器件以及所述输出耦合器件组成环形腔结构。

在本申请的一种实现方式中，所述所述滤波器件为基于马赫-曾德干涉效应的干涉滤波器。

在本申请的一种实现方式中，所述滤波器件包括第一3dB耦合器与第二3dB耦合器；所述第一3dB耦合器用于将接收到的激光进行分束处理，以得到多束激光；所述第二3dB耦合器用于将经过不同光路的所述多束激光进行汇合处理。

在本申请的一种实现方式中，所述泵浦光耦合器件为单包层光纤制作的波分复用器。

在本申请的一种实现方式中，所述泵浦光耦合器件为双包层光纤制作的合束器。

在本申请的一种实现方式中，所述增益光纤为掺稀土元素的光纤。

在本申请的一种实现方式中，所述锁模光纤激光器还包括驱动电路；所述驱动电路用于驱动所述泵浦源产生所述泵浦光。

本申请实施例还提供一种锁模光纤激光器的输出脉冲调节方法。包括，锁模光纤激光器通过泵浦源向泵浦光耦合器件发出泵浦光；其中，所述泵浦源与所述泵浦光耦合器件连接；所述锁模光纤激光器通过所述泵浦光耦合器件将接收到的所述泵浦光耦合至增益光纤；其中，所述泵浦光耦合器件与所述增益光纤连接；所述锁模光纤激光器通过所述增益光纤基于接收到的所述泵浦光产生激光，并对所述激光进行放大处理，并通过锁模器件使所述锁模光纤激光器工作在锁模状态，并输出光脉冲；其中，所述增益光纤与所述锁模器件连接；所述锁模光纤激光器通过隔离器对所述激光进行单向循环处理；其中，所述隔离器与滤波器件连接；所述锁模光纤激光器通过所述滤波器件将收到的激光分为多路，基于多路激光之间的光程差产生干涉效应，通过改变所述光程差以改变滤波带宽，以使所述锁模光纤激光器输出耗散孤子脉冲或自相似孤子脉冲；其中，所述滤波器件与所述输出耦合器件进行连接。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

1.本申请实施例中的锁模激光器，通过选用自由光谱范围可调的干涉仪作为滤波器，实现在同一激光器中获得耗散孤子脉冲或自相似孤子脉冲。该滤波器的原理是将光进行分束，基于各路光之间的光程差产生干涉效应。通过调节光程差调节干涉曲线的自由光谱范围，从而调节滤波器的带宽，以实现在同一激光器中耗散孤子和自相似孤子脉冲的切换。从而可以根据实际需求对激光器进行调节以得到所需的不同类型的脉冲。因此，本申请实施例无需建立多个激光器结构，不仅扩大了激光器的使用范围，同时也降低了激光器的使用成本。

2.本申请实施例选用的滤波器件为全光纤器件，便于搭建全光纤锁模脉冲激光器，降低了锁模光纤激光器的难度，利于其进行推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种锁模光纤激光器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种锁模光纤激光器的不同器件之间的连接示意图；

图3为本申请实施例提供的一种耗散孤子的光谱及自相关曲线图；

图4为本申请实施例提供的一种自相似孤子脉冲的光谱及自相关曲线图。

其中，

1泵浦源，2泵浦光耦合器件，3增益光纤，4锁模器件，5隔离器，6滤波器件，7输出耦合器件；

22泵浦信号合束器，23双包层掺镱增益光纤，24第一准直器，210第二准直器，25二分之一波片，26第一四分之一波片，29第二四分之一波片，27偏振分束器，211第一3dB耦合器，212第二3dB耦合器。

具体实施方式

本申请实施例提供一种锁模光纤激光器及其工作方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书实施例，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例，都应当属于本申请保护的范围。

另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1所示，本申请实施例提供锁模光纤激光器，其特征在于，所述锁模光纤激光器包括：泵浦源1、泵浦光耦合器件2、增益光纤3、锁模器件4、隔离器5以及滤波器件6。泵浦源1与泵浦光耦合器件2连接；泵浦源1用于向泵浦光耦合器件2发出泵浦光。泵浦光耦合器件2与增益光纤3连接；泵浦光耦合器件2用于将接收到的泵浦光耦合至增益光纤3。增益光纤3与锁模器件4连接；增益光纤3基于接收到的泵浦光产生激光，并对激光进行放大处理。锁模器件4与隔离器5连接，锁模器件4用于使锁模光纤激光器工作在锁模状态，并输出光脉冲。隔离器5与滤波器件6连接；隔离器5用于对激光进行单向循环处理。滤波器件6用于将收到的激光分为多路，基于多路激光之间的光程差产生干涉效应，通过改变光程差以改变滤波带宽，以使锁模光纤激光器基于滤波带宽的不同，输出耗散孤子脉冲或自相似孤子脉冲。

进一步地，泵浦源1输出的泵浦光通过泵浦光耦合器件2输入增益光纤3，使增益光纤3的产生激光并对其进行放大。锁模器件4用于使激光器工作在锁模状态，以便产生脉冲。隔离器5用于保证光的单向循环，滤波器件6实现光谱滤波，通过削去光谱边缘的方式在频域对脉冲进行整形，输出耦合器件7使腔内循环的部分激光输出激光腔外。

作为一种实施方式，锁模光纤激光器还包括驱动电路(图中未示出)，驱动电路用于驱动泵浦源1产生泵浦光。

进一步地，通过锁模光纤激光器中的驱动电路，驱动泵浦源1产生泵浦光。并将该泵浦光传输至泵浦光耦合器件2。其中，该泵浦光耦合器件2为单包层光纤制作的波分复用器，且泵浦光耦合器件2为双包层光纤制作的合束器。泵浦源输出的泵浦光通过泵浦光耦合器件2输入增益光纤3。

作为一种实施方式，参照图1所示，增益光纤3为掺稀土元素的光纤。

进一步地，泵浦光入射到增益光纤3后，吸收了光子能量的稀土离子会发生能级跃迁。跃迁到激发态的粒子会以辐射形式回到基态，同时将能量以光子的形式释放，产生激光。

作为一种实施方式，参照图1所示，锁模器件4为非线性器件，其损耗随入射光强度的增加而减小。当激光脉冲通过锁模器件4时，其中心部分强度大，损耗小，边缘部分强度小，损耗大，因此，当光脉冲通过锁模器件4时会被窄化，以便实现激光脉冲的形成及窄化。

作为一种实施方式，参照图1所示，锁模光纤激光器还包括有输出耦合器件7。输出耦合器件7与所述泵浦光耦合器件2连接，输出耦合器件7用于将激光进行分束，使得一部分激光继续在腔内循环，另一部分输出腔外。

作为一种实施方式，参照图1所示，滤波器件6与输出耦合器件7进行连接，本申请实施例中的滤波器件用于对光谱进行滤波。其工作原理是将收到的激光分为多路，基于多路激光之间的光程差产生干涉效应，从而对输入激光进行滤波。该滤波器的带宽与多路激光间的光程差有关，改变光程差可以改变滤波带宽，从而使激光器输出耗散孤子脉冲或自相似孤子脉冲。

进一步地，本申请实施例中的滤波器件6为基于马赫-曾德干涉效应的滤波器。光输入该滤波器后被分成两路或以上，不同部分的光通过不同的光路后进行汇合。由于各路之间存在光程差，从而产生干涉现象。梳状干涉曲线用于实现滤波。滤波带宽依赖于干涉曲线的自由光谱范围，从而依赖于各光路之间的光程差。通过拉伸等方式改变其中一路光的光程，从而使各路之间光程差发生变化，进一步的使得干涉曲线的自由光谱范围发生变化，滤波器的带宽随之改变。激光器的工作状态跟滤波器的带宽有关，当滤波器带宽较宽时，激光器输出耗散孤子，当滤波器带宽较窄时，激光器输出自相似孤子脉冲。从而通过改变光路的光程差，实现耗散孤子跟自相似孤子脉冲的切换。

作为一种实施方式，参照图1与图2所示，滤波器件6包括第一3dB耦合器211与第二3dB耦合器212。第一3dB耦合器211用于将接收到的激光进行分束处理，以得到多束激光。第二3dB耦合器212用于将经过不同光路的所述多束激光进行汇合处理。

具体地，两个3dB耦合器组成马赫-曾德干涉滤波器件6。置于空间光路部分的隔离器5用于保证光的单向循环。当光传输至第一个3dB耦合器时被分成两束，另一个3dB耦合器用于将分开的两束光汇合成一束。两束光在光纤中传输时，因两路光纤的物理长度不同从而产生光程差，从而使得两束光在第二个3dB耦合器处汇合时产生干涉现象。被分开的两路光中的一路固定在两个可沿水平方向移动的位移台上，通过移动位移台，对光纤进行拉伸，从而改变两路光的光程差，从而使得干涉曲线的自由光谱范围发生变化。根据自由光谱范围的不同，可获得耗散孤子脉冲和自相似孤子脉冲。

作为一种实施方式，参照图1所示，泵浦光耦合器件2、所述增益光纤3、所述锁模器件4、所述隔离器5、所述滤波器件6以及所述输出耦合器件7组成环形腔结构。

作为一种实施方式，参照图2所示，锁模光纤激光器包括泵浦源1，以及组成环路的泵浦信号合束器22，双包层掺镱增益光纤23，第一准直器24、第二准直器210，二分之一波片25，第一四分之一波片26、第二四分之一波片29，偏振分束器27，隔离器28，第一3dB耦合器211以及第二3dB耦合器212。

进一步地，泵浦源1输出的976nm泵浦光通过泵浦信号合束器22耦合至一段双包层掺镱增益光纤23，用于产生1μm附近波长的激光。第一准直器24与第二准直器210用于将光纤中的光耦合至空间部分并再次耦合回光纤。一个二分之一波片25，两个四分之一波片及一个偏振分束器27组成非线性偏振旋转锁模器件4，偏振分束器27同时具有输出耦合器的作用，将部分光输出至腔外。两个3dB耦合器组成马赫-曾德干涉滤波器件。置于空间光路部分的隔离器5用于保证光的单向循环。当光传输至第一个3dB耦合器时被分成两束，另一个3dB耦合器用于将分开的两束光汇合成一束。两束光在光纤中传输时，因两路光纤的物理长度不同从而产生光程差，从而使得两束光在第二个3dB耦合器处汇合时产生干涉现象。被分开的两路光中的一路固定在两个可沿水平方向移动的位移台上，通过移动位移台，对光纤进行拉伸，从而改变两路光的光程差，从而使得干涉曲线的自由光谱范围发生变化。根据自由光谱范围的不同，可获得耗散孤子脉冲和自相似孤子脉冲。

需要说明的是，锁模器件分很多种，可以是石墨烯、黑磷等基于材料的锁模器件，也可以是非线性偏振旋转、非线性光纤环镜等基于光纤非线性效应的锁模器件。本申请实施例对锁模器件的选用并不做限制。

本申请实施例提供一种锁模光纤激光器的输出脉冲调节方法，其特征在于，方法包括：锁模光纤激光器通过泵浦源1向泵浦光耦合器件2发出泵浦光；其中，泵浦源1与泵浦光耦合器件2连接。锁模光纤激光器通过泵浦光耦合器件2将接收到的泵浦光耦合至增益光纤3；其中，泵浦光耦合器件2与增益光纤3连接。锁模光纤激光器通过增益光纤3基于接收到的泵浦光产生激光，并对激光进行放大处理，并通过锁模器件4使锁模光纤激光器工作在锁模状态，并输出光脉冲；其中，增益光纤3与锁模器件4连接。锁模光纤激光器通过隔离器5对激光进行单向循环处理；其中，隔离器5与滤波器件6连接。锁模光纤激光器通过滤波器件6将收到的激光分为多路，基于多路激光之间的光程差产生干涉效应，通过改变光程差以改变滤波带宽，以使所述锁模光纤激光器输出耗散孤子脉冲或自相似孤子脉冲；其中，滤波器件6与输出耦合器件7进行连接。

图3为本申请实施例提供的一种耗散孤子的光谱及自相关曲线图。如图3所示，左侧图像为一种耗散孤子的光谱图，图中，横坐标为波长，纵坐标为输出功率值。右侧为一种耗散孤子的自相关曲线图，其中，自相关曲线用于表示脉冲的宽度，即脉冲的持续时间。

图4为本申请实施例提供的一种自相似孤子脉冲的光谱及自相关曲线。如图4所示，左侧图像为一种自相似孤子脉冲的光谱图，图中，横坐标为波长，纵坐标为输出功率值。右侧为一种自相似孤子脉冲的自相关曲线图，其中，自相关曲线用于表示脉冲的宽度，即脉冲的持续时间。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、设备、非易失性计算机存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本申请特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请的实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种锁模光纤激光器，其特征在于，所述锁模光纤激光器包括：泵浦源、泵浦光耦合器件、增益光纤、锁模器件、隔离器以及滤波器件；

所述泵浦源与所述泵浦光耦合器件连接；所述泵浦源用于向所述泵浦光耦合器件发出泵浦光；

所述泵浦光耦合器件与所述增益光纤连接；所述泵浦光耦合器件用于将接收到的所述泵浦光耦合至所述增益光纤；

所述增益光纤与所述锁模器件连接；所述增益光纤基于接收到的所述泵浦光产生激光，并对所述激光进行放大处理；

所述锁模器件与所述隔离器连接，所述锁模器件用于使所述锁模光纤激光器工作在锁模状态，并输出光脉冲；

所述隔离器与所述滤波器件连接；所述隔离器用于对所述激光进行单向循环处理；

所述滤波器件用于将收到的激光分为多路，基于多路激光之间的光程差产生干涉效应，通过改变所述光程差以改变滤波带宽，以使所述锁模光纤激光器基于所述滤波带宽的不同，输出耗散孤子脉冲或自相似孤子脉冲；

所述锁模光纤激光器还包括有输出耦合器件；所述输出耦合器件与所述泵浦光耦合器件连接，所述输出耦合器件用于将所述激光进行分束，使得一部分激光继续在腔内循环，另一部分输出腔外；

所述泵浦光耦合器件、所述增益光纤、所述锁模器件、所述隔离器、所述滤波器件以及所述输出耦合器件组成环形腔结构。

2.根据权利要求1所述的一种锁模光纤激光器，其特征在于，所述滤波器件为基于马赫-曾德干涉效应的干涉滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种锁模光纤激光器，其特征在于，所述滤波器件包括第一3dB耦合器与第二3dB耦合器；

所述第一3dB耦合器用于将接收到的激光进行分束处理，以得到多束激光；

所述第二3dB耦合器用于将经过不同光路的所述多束激光进行汇合处理。

4.根据权利要求1所述的一种锁模光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光耦合器件为单包层光纤制作的波分复用器。

5.根据权利要求1所述的一种锁模光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光耦合器件为双包层光纤制作的合束器。

6.根据权利要求1所述的一种锁模光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为掺稀土元素的光纤。

7.根据权利要求1所述的一种锁模光纤激光器，其特征在于，所述锁模光纤激光器还包括驱动电路；

所述驱动电路用于驱动所述泵浦源产生所述泵浦光。