CN103022861A - 全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可整形的全正色散耗散型纳秒级锁模脉冲光纤激光器系统，该系统包括全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统、脉冲展宽子系统以及带有滤波功能的三级放大子系统；全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统通过脉冲展宽子系统接入带有滤波功能的三级放大子系统。本发明提供了一种脉冲能量高、散热效果好、易于调节、操作简便以及可作为啁啾脉冲放大的前端系统的全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统。

Description

全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种光纤激光器系统，尤其涉及一种可整形的全正色散耗散型纳秒级锁模脉冲光纤激光器系统。

背景技术

纳秒量级的锁模光纤激光器具有结构紧凑、成本低廉、性能稳定、调节简便、便于耦合等优势，在国防，军事，以及科研方面都有重要的用途。

与传统的固体锁模激光器相比，光纤激光器自身的色散、非线性以及偏振态等特性使其在锁模脉冲激光器领域具有独特的优势。基于全正色散的耗散型脉冲，其形成机理不同于保守态下的群速色散和自相位调制平衡而形成的孤子脉冲。孤子脉冲能量受到孤子面积理论的限制，脉冲能量限制在0.1nJ以下。而耗散型脉冲是基于全正色散，光谱滤波，以及光纤非线性和激光腔内增益和损耗共同作用的结果，因而具有脉冲能量高、脉宽相对较宽(皮秒量级)，峰值功率小，易于进行展宽而受光纤非线性影响相对较小的特点。传统的调Q锁模脉冲是基于Q开关调节腔内的增益和损耗形成低Q值存储能量，高Q值释放能量的工作模式，其产生的脉冲虽然在纳秒量级但是脉冲和脉冲之间无相干性，因而不能进行脉冲展宽或压缩，因此其应用受到局限。而基于全正色散的锁模激光器本身能够产生皮秒量级的啁啾脉冲，在经过一定量的色散光纤展宽，就能产生纳秒级的锁模脉冲。通过设计合适的负色散器件(如光栅对)，就能使得脉冲再次压回皮秒甚飞秒量级。此外，通过调节激光腔内的偏振状态，可以得到不同形状的光谱，由于锁模脉冲的光谱和脉冲是严格意义上的傅里叶变换关系，因而光谱不同，脉冲形状也就不同。基于这一思想，可以通过调节锁模光纤激光器的锁模状态以及外加滤波器等手段控制光谱的形状来控制脉冲的特性。近年来也有文献报道利用长腔光纤激光器产生纳秒脉冲，但是经过验证这种光纤激光器产生的纳秒脉冲经过长距离传输其特性很难改变，说明长腔产生的纳秒级脉冲相位复杂不能用普通的线性色散器件进行展宽或者压缩。因而其应用也受到限制。而基于全正色散的皮秒量级的光纤激光器所产生的啁啾脉冲经过色散光纤展宽后，其脉冲特性和光谱特性严格满足傅里叶变换关系。大的啁啾保证锁模脉冲受光纤非线性影响小，高的输出能量保证脉冲经过长的色散光纤还有足够的剩余能量。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种脉冲能量高、散热效果好、易于调节、操作简便以及可作为啁啾脉冲放大的前端系统的全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统，其特殊之处在于：所述全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统包括全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统、脉冲展宽子系统以及带有滤波功能的三级放大子系统；所述全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统通过脉冲展宽子系统接入带有滤波功能的三级放大子系统。

上述全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统包括光纤耦合的半导体泵浦光源、波分复用器、掺镱光纤、偏振相关隔离器、输出耦合器、偏振控制器以及光学滤波器；所述光纤耦合的半导体泵浦光源产生泵浦光；所述光纤耦合的半导体泵浦光源所产生的泵浦光通过波分复用器注入掺镱光纤；所述偏振相关隔离器、输出耦合器、偏振控制器以及光学滤波器依次连接；所述光学滤波器接入波分复用器。

上述掺镱光纤是Yb164的光纤；所述波分复用器的频分范围为980nm/1053nm；所述输出耦合器的输出比率为30％；所述半导体泵浦光源的工作波长是976nm的单模半导体激光器，其输出功率为0-250mW；所述滤波器是1064±5nm滤波器；所述半导体泵浦光源、波分复用器、掺镱光纤、偏振相关隔离器、输出耦合器、偏振控制器以及光学滤波器之间采用HI 1060光纤连接。

上述脉冲展宽子系统是G 652标准单模光纤；所述输出耦合器接入G 652标准单模光纤。

上述带有滤波功能的三级放大子系统包括泵浦激光器、第一分束器、第二分束器、第一波分复用器、第一增益光纤、第二波分复用器、第二增益光纤、第三波分复用器、第三增益光纤、偏振无关隔离器以及滤波器；所述G 652标准单模光纤接入第一分束器；所述泵浦激光器通过第一分束器分别接入第一波分复用器以及第二分束器；所述第一波分复用器通过第一增益光纤接入第二波分复用器；所述泵浦激光器通过第一分束器接入第二分束器后分别接入第二波分复用器以及第三波分复用器；所述第二波分复用器通过第二增益光纤接入第三波分复用器；所述第三波分复用器通过第三增益光纤和偏振无关隔离器相连；所述偏振无关隔离器接入滤波器。

上述第一分束器的分束比例是70∶30；所述第二分束器的分束比例是60∶40；所述泵浦激光器是980nm泵浦激光器；所述滤波器是1064±4nm滤波器；所述增益光纤的吸收系数是20dB/m。

本发明的优点是：

本发明提供了一种全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统，该系统包括全正色散耗散型锁模脉冲产生子系统A、展宽子系统B、具有滤波特性的三级脉冲放大子系统C；全正色散耗散型锁模脉冲产生子系统A连接展宽子系统B，之后进入具有滤波特性的三级脉冲放大子系统C。该光纤激光器系统所用种子光源为基于光谱滤波效应的全正色散被动锁模光纤激光器所产生的耗散型脉冲，具有线性啁啾，脉宽在皮秒量级，脉冲能量高(大于1nJ)；同时，该激光器系统采用全光纤结构，转换效率高，光束质量好，散热效果好，易于与其他器件耦合；第三，该激光器系统易于调节，操作简便；第四，该激光器系统利用标准通讯波段的G 652单模光纤进行展宽，价格便宜，效果明显，相比于HI-1060光纤性价比更高；第五，该激光器的三级放大子系统可以将原始弱信号(微瓦量级)放大1000倍(毫瓦量级)，放大效率高，并带有滤波功能，不但能够很好的抑制自发辐射背景噪声，还能有效的进行二次脉冲整形，使得所输出的脉冲更能接近用户需要。第六，该激光器系统可作为啁啾脉冲放大的前端系统。

附图说明

图1是本发明所提供的光纤激光器系统的结构示意图；

图2是本发明所包括三个子系统的详细结构示意图。

其中：

1-半导体泵浦光源、2-波分复用器、3-掺镱光纤、4-偏振相关隔离器、5-输出耦合器、6-偏振控制器、7-光学滤波器、8-标准通讯用光纤、9-第一分束器、10-第二分束器、11-泵浦激光器、12-第一波分复用器、13-第一增益光纤、14-第二波分复用器、15-第二增益光纤、16-第三波分复用器、17-第三增益光纤、18-偏振无关隔离器、19-滤波器。

具体实施方式

参见图1，本发明提供的产生纳秒级全正色散耗散型锁模脉冲新型光纤激光系统包括：依次通过光路连接的全正色散耗散型锁模脉冲产生子系统A、脉冲展宽子系统B、具有滤波特性的三级脉冲放大子系统C。

全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统A激发脉冲展宽子系统B产生纳秒量级的脉冲；带有滤波功能的三级放大子系统C将所产生的纳秒量级的脉冲进行放大到所需功率和脉冲能量。

参见图2，其中全正色散耗散型锁模脉冲产生子系统A包括光纤耦合的半导体泵浦光源1、波分复用器2、掺镱光纤3、偏振相关隔离器4、70∶30输出耦合器5、偏振控制器6、光学滤波器7、以及用于连接的HI 1060光纤。泵浦光源1的泵浦光通过波分复用器2注入掺镱光纤3，所激发出的自发辐射光(ASE)以及残余泵浦光进入偏振相关隔离器4以产生线偏振光，进入输出耦合器5，70％端口进入偏振控制器6，以改变光的偏振态，再经过光学滤波器7、最后通过波分复用器2再次循环。其中掺镱光纤型号为CorActive公司生产的型号为Yb164的光纤，长度为0.8m，谐振腔内仅用一个偏振控制器；在输出耦合器之后和1064±5nm滤波器相连；波分复用器的频分范围为980nm/1053nm；输出耦合器的输出比率为30％；泵浦光源工作波长为976nm的单模半导体激光器，输出功率为0-250mW；构成激光器谐振腔的HI-1060光纤总长13.21m包括器件尾纤和所用光纤。

光通过非线性偏振旋转效应，产生重复频率与腔长有关的啁啾脉冲。通过光谱仪和自相关仪可以得到种子光源的输出特性。在锁模状态下通过仔细调节偏振控制器4可以改变锁模的光谱特性，也就对应着改变了锁模的脉冲特性。

全正色散耗散型锁模脉冲产生子系统中的偏振控制器可以改变光谱特性和对应输出脉冲波形。

将锁模脉冲注入展宽子系统B之中，包括25km G 652标准通讯用光纤8。所输出的脉冲在纳秒量级。通过高速示波器即可清楚地看到纳秒量级的脉冲波型，和展宽后的光谱为傅里叶变换关系。

带有滤波功能的三级脉冲放大子系统C包括分束比分别为第一分束器9和第二分束器10，980nm泵浦激光器300mW 11，第一波分复用器12，第一增益光纤13，第二波分复用器14，第二增益光纤15，第三波分复用器16，第三增益光纤17，偏振无关隔离器18，1064±4nm滤波器19。输出的纳秒级锁模脉冲经过第一波分复用器12接入具有滤波特性的三级脉冲放大子系统C。980nm泵浦激光器300mW 11通过两个分束器分为三个泵浦不同功率，分别经过30％端口、70％-40％端口、70％-60％端口与第一波分复用器12、第二波分复用器14、第三波分复用器16波分复用器相连接。泵浦光和信号光经过第一波分复用器12进入第一增益光纤13，之后放大的信号同第二泵浦光通过第二波分复用器14进入第二增益光纤15，再次放大的信号和第三泵浦光通过第三波分复用器16进入第三增益光纤17，所输出的放大信号经过偏振无关隔离器18，进入滤波器19，最后输出。增益光纤吸收系数为20dB/m，具有滤波特性的三级脉冲放大子系统所用泵浦光源通过70∶30，60∶40的两个分束器分成三级放大的泵浦端。

全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统，随泵浦功率增加谱宽增加，脉冲宽度也线形增加。在200mW泵浦功率下，直接输出15mW。通过改变腔内偏振状态可以调整不同的锁模光谱。通过展宽子系统后，输出为纳秒级锁模脉冲，输出功率150μW。通过具有滤波特性的三级脉冲放大子系统之后，脉冲进一步被整形，输出功率18mW。根据需要还可进一步放大。

Claims (6)

1.一种全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统，其特征在于：所述全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统包括全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统、脉冲展宽子系统以及带有滤波功能的三级放大子系统；所述全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统通过脉冲展宽子系统接入带有滤波功能的三级放大子系统。

2.根据权利要求1所述的全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统，其特征在于：所述全正色散耗散型皮秒脉冲产生子系统包括光纤耦合的半导体泵浦光源、波分复用器、掺镱光纤、偏振相关隔离器、输出耦合器、偏振控制器以及光学滤波器；所述光纤耦合的半导体泵浦光源产生泵浦光；所述光纤耦合的半导体泵浦光源所产生的泵浦光通过波分复用器注入掺镱光纤；所述偏振相关隔离器、输出耦合器、偏振控制器以及光学滤波器依次连接；所述光学滤波器接入波分复用器。

3.根据权利要求2所述的全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统，其特征在于：所述掺镱光纤是Yb164的光纤；所述波分复用器的频分范围为980nm/1053nm；所述输出耦合器的输出比率为30％；所述半导体泵浦光源的工作波长是976nm的单模半导体激光器，其输出功率为0-250mW；所述滤波器是1064±5nm滤波器；所述半导体泵浦光源、波分复用器、掺镱光纤、偏振相关隔离器、输出耦合器、偏振控制器以及光学滤波器之间采用HI 1060光纤连接。

4.根据权利要求2或3所述的全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统，其特征在于：所述脉冲展宽子系统是G 652标准单模光纤；所述输出耦合器接入G 652标准单模光纤。

5.根据权利要求4所述的全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统，其特征在于：所述带有滤波功能的三级放大子系统包括泵浦激光器、第一分束器、第二分束器、第一波分复用器、第一增益光纤、第二波分复用器、第二增益光纤、第三波分复用器、第三增益光纤、偏振无关隔离器以及滤波器；所述G 652标准单模光纤接入第一分束器；所述泵浦激光器通过第一分束器分别接入第一波分复用器以及第二分束器；所述第一波分复用器通过第一增益光纤接入第二波分复用器；所述泵浦激光器通过第一分束器接入第二分束器后分别接入第二波分复用器以及第三波分复用器；所述第二波分复用器通过第二增益光纤接入第三波分复用器；所述第三波分复用器通过第三增益光纤和偏振无关隔离器相连；所述偏振无关隔离器接入滤波器。

6.根据权利要求5所述的全正色散耗散型纳秒级脉冲可整形的被动锁模光纤激光器系统，其特征在于：所述第一分束器的分束比例是70∶30；所述第二分束器的分束比例是60∶40；所述泵浦激光器是980nm泵浦激光器；所述滤波器是1064±4nm滤波器；所述增益光纤的吸收系数是20dB/m。

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