CN102437501A - 基于掺杂光纤阵列的锁模激光器 - Google Patents

基于掺杂光纤阵列的锁模激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，属于超短脉冲激光领域。主要部件用一根置于谐振腔内的掺杂光纤阵列同时完成激光产生和克尔锁模两个过程，直接输出锁模脉冲。本激光器的谐振腔可采用直线形和环形两种设计。对于直线形谐振腔，由掺杂光纤阵列(3)和光纤光栅(4)构成。对于环形谐振腔，由掺杂光纤阵列(3)弯成环形，且在该环形上有两个耦合器(5)、两个耦合器(5)之间设有隔离器(6)。泵浦光(1)进入谐振腔后，泵浦光纤阵列中间的掺杂光纤部分，产生激光；周边的光纤小孔阵列具有非线性克尔效应，对产生的光进行调制，得到锁模脉冲输出(2)。整个系统结构简单紧凑、稳定性高、散热性好、转化效率高。

Description

基于掺杂光纤阵列的锁模激光器
技术领域
本发明涉及一种用于产生锁模激光脉冲的光纤激光器，属于超短脉冲激光领域。
背景技术
目前，被动锁模技术是一种广泛应用于产生超短脉冲的技术，而超短脉冲激光在生物医学、光通讯、光时钟信号等领域有很重要的应用价值。利用非线性晶体的克尔锁模可以得到超短脉冲，但此种技术无法应用于全光纤激光器，基于克尔锁模的激光器也就不可避免地具有固体激光器的一切缺点，稳定性差、散热性能差等。此外，基于可饱和吸收体的被动锁模激光器在近些年得到了广泛的研究，较多使用的可饱和吸收体有SESAM、碳纳米管、石墨烯等，其中，SESAM以其造价高、热损伤阈值低著称，而且其工作时需要的功率密度较高，所以降低了稳定性。碳纳米管、石墨烯也具有热损伤阈值低、稳定性差等缺点。
本发明“基于掺杂光纤阵列的锁模激光器”使用掺杂光纤阵列作为增益介质的同时，使用其克尔效应对脉冲锁模，产生锁模脉冲输出。其中关键技术在于掺杂光纤阵列有效地结合了掺杂光纤、光纤阵列的功能，将掺杂的光纤的增益性质和光纤的非线性效应同时集成到光纤芯区，使得一根置于谐振腔内的掺杂光纤阵列能同时完成激光的产生和克尔锁模这两个过程，直接输出锁模脉冲，并可以制作成全光纤激光器。
本发明的优点在于易于制作成全光纤激光器，结构紧凑、稳定性高、输出效率高且易于锁模。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种既包括增益介质，同时又能进行克尔锁模的光纤。本发明的目的之二是提出基于该种光纤的激光器。
为了实现产生激光和锁模的目标，本发明采取了如下技术方案：掺杂光纤阵列的每个芯周围都有多个芯包围。其中，只有其中一个芯是掺有增益粒子的，并且所有芯都处于包层之内。可以利用这种光纤制作直线型激光器、环形激光器。
一种用于产生锁模激光脉冲的光纤激光器，其特征在于：本激光器的谐振腔采用直线形或环形腔设计；对于直线形谐振腔，由掺杂光纤阵列3和光纤光栅构成4；对于环形谐振腔，由掺杂光纤阵列3弯成环形，且在该环形上有两个耦合器5、两个耦合器5之间设有隔离器6；泵浦光1进入谐振腔后，腔内产生激光，并在克尔效应的作用下，得到输出锁模脉冲2；所述掺杂光纤阵列3的光纤内包含的芯的个数大于等于三个，其中包括一个掺杂稀土元素的芯，其它的芯未掺杂稀土元素。
进一步所述掺杂光纤阵列的某一芯与其相邻芯所形成六边形或正方形，相邻芯的距离为1-50μm，芯直径为1-20μm。
进一步泵浦光1波长在980-1051nm，掺杂光纤阵列6中掺杂纤芯中包含的稀土元素为镨，直线型光纤激光器中光纤光栅4反射中心波长在1290-1315nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1290-1315nm波段。
进一步泵浦光1波长在800nm、980nm或1480nm，掺杂光纤阵列6中掺杂纤芯中包含的稀土元素为铒，直线型光纤激光器中光纤光栅4反射中心波长在1520-1570nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1520-1570nm波段。
进一步泵浦光1波长在915nm或976nm，掺杂光纤阵列6中掺杂纤芯中包含的稀土元素为镱，直线型光纤激光器中光纤光栅4反射中心波长在1000nm-1100nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1000nm-1100nm波段。
进一步泵浦光1波长在800nm-1064nm，掺杂光纤阵列6中掺杂纤芯中包含的稀土元素为铒、镱共掺元素，直线型光纤激光器中光纤光栅4反射中心波长在1520-1570nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1520-1570nm波段。
进一步泵浦光1波长在808nm，掺杂光纤阵列6中掺杂纤芯中包含的稀土元素为钕，直线型光纤激光器中光纤光栅4反射中心波长在1000nm-1100nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1000nm-1100nm波段。
进一步泵浦光1波长在1.06μm、1.2μm或790nm，掺杂光纤阵列6中掺杂纤芯中包含的稀土元素为铥，或铥、钬共掺，直线型光纤激光器中光纤光栅4反射中心波长在1400nm-2300nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1400nm-2300nm波段。
进一步泵浦光1波长在890nm或1.1μm-1.2μm，掺杂光纤阵列6中掺杂纤芯中包含的稀土元素为钬，直线型光纤激光器中光纤光栅4反射中心波长在1μm-3μm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1μm-3μm波段波段。
对于1米或5米长的掺杂光纤阵列构成的环形激光器，得到腔内波形在每次经过1米或5米长的掺杂纤芯的变化过程如图7、图8所示，腔内的噪声逐渐演变为稳定存在的锁模脉冲。参数取值如下：掺杂纤芯增益系数0.45，增益带宽0.1，耦合系数0.774，克尔系数4，掺杂纤芯损耗系数0.1，非掺杂芯损耗系数1。
根据设计要求，激光在芯内传播时无需满足全反射条件，这样，对于弱光来讲，非线性项可以忽略，则其在芯内的行为完全符合几何光学，每反射一次都有一部分能量进入其他芯。对于强光来讲，非线性项起重要作用，耦合项可以忽略，强光由于非线性效应会保持在当前的芯内传播。
当外界的干扰导致掺杂纤芯内的光强出现噪声时，弱光部分会由于传播到其它芯而迅速衰减，强光部分由于非线性效应而稳定地存在于掺杂纤芯内。这最终会导致激光的相位满足特定的关系，实现锁模，得到超短脉冲。
非掺杂芯内的弱光有可能与掺杂纤芯内的超短脉冲一起输出，导致影响脉冲质量。由理论模型可知，加大非掺杂芯的损耗系数，可以有效地去除这种弱光的干扰。
需要强调的是，本发明中的光纤阵列的某一芯与其相邻芯所形成的关系不只局限于六边形、正方形，也可以是其他规则形状或不规则形状，其中的掺杂纤芯也不是必须位于中央的。
光纤阵列与光子晶体光纤的本质区别在于：光纤阵列中的芯与芯的间距以及芯的直径都远远大于激光的波长，而光子晶体光纤中的芯与芯的间距以及芯的直径都与激光的波长相当。
现有激光器的增益芯与阵列锁模部分是分开的，要实现锁模就需要两个独立的元器件，而阵列结构的光纤在焊接时会出现结合面处缺陷及损伤，使激光器输出损耗加大，工作效率低。本发明使这两个部分合而为一，减少了后期工序及损耗，提高工作效率。
附图说明
图1为基于掺杂光纤阵列的直线型全光纤激光器。
图2为基于掺杂光纤阵列的环型全光纤激光器。。
图3为掺杂光纤阵列的截面图。
图4为掺杂光纤阵列的截面图。
图5为掺杂光纤阵列的截面图。
图6为掺杂光纤阵列的截面图。
图7为掺杂光纤阵列纤芯长度为1米时构成的环形激光器的理论模拟结果。
图8为掺杂光纤阵列纤芯长度为5米时构成的环形激光器的理论模拟结果。
图中：1、包层，2、内包层，3、无掺杂芯，4、掺杂纤芯，5、光纤光栅，6、掺杂光纤阵列，7、泵浦光，8、输出光，9、耦合器，10、隔离器。
具体实施方式
下面结合附图1、图2、图3、图4、图5、图6及一些实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示，光纤阵列的芯呈蜂窝状排列，相邻芯的距离为1-50μm，芯直径为1-20μm，只有一个芯是掺杂的，掺杂浓度在1％-20％之间，其余都没有掺杂。掺杂率不会影响波长，但是和输出功率以及光纤长短相关。
如图2所示，光纤阵列的包层中的芯呈蜂窝状排列，相邻芯的距离为1-50μm，芯直径为1-20μm，只有一个芯是掺杂的，掺杂浓度在1％-20％之间，其余都没有掺杂。
如图3所示，光纤阵列的包层中的芯呈正方形排列，相邻芯的距离为1-50μm，芯直径为1-20μm，只有一个芯是掺杂的，掺杂浓度在1％-20％之间，其余都没有掺杂。
如图4所示，光纤阵列的包层中的芯呈蜂窝状排列，相邻芯的距离为1-50μm，芯直径为1-20μm，内外包层形状均为D形，只有一个芯是掺杂的，掺杂浓度在1％-20％之间，其余都没有掺杂。
实施例1：
如图5，增益介质为掺铒光纤阵列，谐振腔两端采用光纤光栅作为腔镜，掺铒光纤阵列的两端与反射波长在1.5μm附近的光纤光栅熔接在一起，从左端开始向内包层中注入波长在800nm附近、980nm附近或1480nm附近的泵浦光，泵浦光在包层内反射途中进入掺铒纤芯时被吸收，激发基态铒离子，实现上能级粒子反转，谐振腔内产生激光。在轻微震动所导致的激光强度波动的情况下，弱光部分将传播到其它芯内，强光部分由于非线性效应继续在掺杂纤芯内传播，达到克尔锁模条件，得到波长1.5μm附近的超短脉冲。
实施例2：
如图6，掺镱光纤阵列的两端熔接在一起，在其中加入耦合器，并熔接两个耦合器，一个耦合器注入波长在915nm附近或976nm附近的泵浦光，泵浦光在包层内反射途中进入掺镱纤芯时被吸收，激发基态镱离子，实现上能级粒子反转，环形腔内产生激光，同时隔离器能有效地杜绝环形腔内出现反向激光。在轻微震动所导致的激光强度波动的情况下，弱光部分将传播到其它芯内，强光部分由于非线性效应继续在掺杂纤芯内传播，达成克尔锁模条件，波长在1000nm-1100nm附近的超短脉冲从另一个耦合器输出。
实施例3：
将实施例1中的泵浦光波长换成980-1051nm附近，掺杂元素换成镨，光纤光栅反射中心波长换成1290-1315nm附近，就可以获得该范围内的锁模脉冲光输出。
实施例4：
将实施例1中的泵浦光波长换成915nm附近或976nm附近，掺杂元素换成镱，光纤光栅反射中心波长换成1000nm-1100nm附近，就可以获得该范围内的锁模脉冲光输出。
实施例5：
将实施例1中的泵浦光波长换成800nm-1064nm附近，掺杂元素换成铒、镱共掺，光纤光栅反射中心波长换成1520-1570nm附近，就可以获得该范围内的锁模脉冲光输出。
实施例6：
将实施例1中的泵浦光波长换成808nm附近，掺杂元素换成钕，光纤光栅反射中心波长换成1000nm-1100nm附近，就可以获得该范围内的锁模脉冲光输出。
实施例7：
将实施例1中的泵浦光波长换成1.06μm附近、1.2μm附近或790nm附近，掺杂元素换成铥(或铥、钬共掺)，光纤光栅反射中心波长换成1400nm-2300nm附近，就可以获得该范围内的锁模脉冲光输出。
实施例8：
将实施例1中的泵浦光波长换成890nm附近或1.1μm-1.2μm附近，掺杂元素换成钬，光纤光栅反射中心波长换成1μm-3μm附近，就可以获得该范围内的锁模脉冲光输出。
实施例9：
将实施例2中的泵浦光波长换成980-1051nm附近，掺杂元素换成镨，就可以获得锁模脉冲光输出。
实施例10：
将实施例2中的泵浦光波长换成800nm附近、980nm附近或1480nm附近，掺杂元素换成铒，就可以获得锁模脉冲光输出。
实施例11：
将实施例2中的泵浦光波长换成800nm-1064nm附近，掺杂元素换成铒、镱共掺，就可以获得锁模脉冲光输出。
实施例12：
将实施例2中的泵浦光波长换成808nm附近，掺杂元素换成钕，就可以获得锁模脉冲光输出。
实施例13：
将实施例2中的泵浦光波长换成1.06μm附近、1.2μm附近或790nm附近，掺杂元素换成铥(或铥、钬共掺)，就可以获得锁模脉冲光输出。
实施例14：
将实施例2中的泵浦光波长换成890nm附近或1.1μm-1.2μm附近，掺杂元素换成钬，就可以获得锁模脉冲光输出。

Claims (9)

1.一种基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，其特征在于：本激光器的谐振腔采用直线形或环形腔设计；对于直线形谐振腔，由掺杂光纤阵列(3)和光纤光栅构成(4)；对于环形谐振腔，由掺杂光纤阵列(3)弯成环形，且在该环形上有两个耦合器(5)、两个耦合器(5)之间设有隔离器(6)；泵浦光(1)进入谐振腔后，腔内产生激光，并在克尔效应的作用下，得到输出锁模脉冲(2)；所述掺杂光纤阵列(3)的光纤内包含的芯的个数大于等于三个，其中包括一个掺杂稀土元素的芯，其它的芯未掺杂稀土元素。
2.如权利要求1所述的基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，其特征在于：所述掺杂光纤阵列的某一芯与其相邻芯所形成六边形或正方形，相邻芯的距离为1-50μm，芯直径为1-20μm。
3.如权利要求1所述的基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，其特征在于：泵浦光(1)波长在980-1051nm，掺杂光纤阵列(6)中掺杂纤芯中包含的稀土元素为镨，直线型光纤激光器中光纤光栅(4)反射中心波长在1290-1315nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1290-1315nm波段。
4.如权利要求1所述的基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，其特征在于：泵浦光(1)波长在800nm、980nm或1480nm，掺杂光纤阵列(6)中掺杂纤芯中包含的稀土元素为铒，直线型光纤激光器中光纤光栅(4)反射中心波长在1520-1570nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1520-1570nm波段。
5.如权利要求1所述的基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，其特征在于：泵浦光(1)波长在915nm或976nm，掺杂光纤阵列(6)中掺杂纤芯中包含的稀土元素为镱，直线型光纤激光器中光纤光栅(4)反射中心波长在1000nm-1100nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1000nm-1100nm波段。
6.如权利要求1所述的基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，其特征在于：泵浦光(1)波长在800nm-1064nm，掺杂光纤阵列(6)中掺杂纤芯中包含的稀土元素为铒、镱共掺元素，直线型光纤激光器中光纤光栅(4)反射中心波长在1520-1570nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1520-1570nm波段。
7.如权利要求1所述的基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，其特征在于：泵浦光(1)波长在808nm，掺杂光纤阵列(6)中掺杂纤芯中包含的稀土元素为钕，直线型光纤激光器中光纤光栅(4)反射中心波长在1000nm-1100nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1000nm-1100nm波段。
8.如权利要求1所述的基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，其特征在于：泵浦光(1)波长在1.06μm、1.2μm或790nm，掺杂光纤阵列(6)中掺杂纤芯中包含的稀土元素为铥，或铥、钬共掺，直线型光纤激光器中光纤光栅(4)反射中心波长在1400nm-2300nm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1400nm-2300nm波段。
9.如权利要求1所述的基于掺杂光纤阵列的锁模激光器，其特征在于：泵浦光(1)波长在890nm或1.1μm-1.2μm，掺杂光纤阵列(6)中掺杂纤芯中包含的稀土元素为钬，直线型光纤激光器中光纤光栅(4)反射中心波长在1μm-3μm波段，环形激光器中耦合器输出波长在1μm-3μm波段波段。
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