CN103414093A - 一种全光纤脉冲激光器 - Google Patents

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本发明公开了一种全光纤脉冲激光器,属于激光技术与非线性光学领域。本发明主要包括泵浦源(1)、光纤合束器（2）、第一增益光纤（3）、第二增益光纤（4）、第一反射型光纤布拉格光栅（5）、第二反射型光纤布拉格光栅（6）、光隔离器（7）、全反镜（8）和环形器（9），采用线性腔结构，或者环形腔结构。本发明采用掺杂稀土元素的增益光纤作为激光调制器件，不需要外界附加的调制源，全光纤结构，实现高稳定性、高功率、高能量、高效率的超短脉冲激光输出。相对于半导体可饱和吸收镜（SESAM）和石墨烯（Graphene）调Q、锁模技术，利用增益光纤直接进行脉冲调制，设计简单、结构紧凑且具有高稳定性，更易于产业化实用。

Description

一种全光纤脉冲激光器
技术领域
本发明公开了一种全光纤脉冲激光器,属于激光技术与非线性光学领域。
背景技术
光纤激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、输出光束质量好等优点，近年来得到了迅猛发展。具有高输出功率、高光束质量、高稳定性的脉冲激光器是激光领域人们关注的热点之一，特别是调Q、锁模光纤激光器由于能够产生高频率的超短脉冲，在光通信系统、光电传感、探测诊断、生物医学、精密微加工和和军事等众多领域有着广阔的前景。
在目前的光纤激光器调Q技术研究中，有些人采用了声光调Q、电光调Q等技术。采用声光调Q是利用声光晶体的声光效应，通过周期性的改变谐振腔的增益来实现调Q的。采用电光调Q是利用电光晶体的电光效应，通过周期性的改变谐振腔的增益来实现调Q的。还有人采用全光纤调Q方式,如Sagnac环调Q、周期可调的光纤光栅(FBG)调Q、光纤型可饱和吸收体调Q等。总之,光纤激光器的调Q技术正朝着全光纤化发展。
然而谐振腔内加入声光、电光调制器件带来了插入损耗大、转换效率较低的问题；同时半导体可饱和吸收镜（SESAM）、碳纳米管(SWNT)和石墨烯用于调Q存在制作工艺难、生产成本高、调节步骤繁琐等问题。
发明内容
为了解决谐振腔内加入声光、电光调制器件所带来的插入损耗大、转换效率较低；同时半导体可饱和吸收镜（SESAM）、碳纳米管(SWNT)和石墨烯用于调Q存在的制作工艺难、生产成本高、调节步骤繁琐等问题，本发明采用一种基于掺稀土光纤和光纤布拉格光栅的方案，实现激光器的全光纤化，无需额外调制器件，大大降低谐振腔损耗，实现稳定的高功率脉冲激光输出。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种全光纤脉冲激光器，包括泵浦源(1)、光纤合束器（2）、第一增益光纤（3）、第二增益光纤（4）、第一反射型光纤布拉格光栅（5）、第二反射型光纤布拉格光栅（6）、光隔离器（7）；泵浦源（1）连接光纤合束器（2）的泵浦输入端；光纤合束器（2）的信号端连接第一光纤布拉格光栅（5）；光纤合束器（2）的公共端连接第一增益光纤（3）；第一增益光纤（3）的另一端连接第二增益光纤（4）；第二增益光纤（4）的另一端连接第二光纤布拉格光栅（6）；第二光纤布拉格光栅（6）另一端与光隔离器（7）相连，光通过隔离器（7）后输出。此结构即为线性结构。
所述的第一反射型光纤布拉格光栅（5）或者第二反射型光纤布拉格光栅（6）还可以换成全反镜（8），第一反射型光纤布拉格光栅（5）、第二反射型光纤布拉格光栅（6）和全反镜（8）的反射率为R，其中0<R<1。
一种全光纤脉冲激光器，包括泵浦源(1)、光纤合束器（2）、第一增益光纤（3）、第二增益光纤（4）、反射型光纤布拉格光栅（6）、光隔离器（7）、以及环行器（9）；泵浦源（1）连接光纤合束器（2）的泵浦输入端；光纤合束器（2）的信号端连接第二增益光纤（4）的一端；光纤合束器（2）的公共端连接第一增益光纤（3），第一增益光纤（3）的另一端连接环形器（9）的入射端；环形器（9）的公共端连接光纤布拉格光栅（6），光纤布拉格光栅（6）的另一端连接光隔离器（7），环形器（9）的出射端与第二增益光纤（4）连接，形成环形腔，光纤布拉格光栅（6）另一端与光隔离器（7）相连，光通过隔离器（7）后输出。此结构即为环形结构。
所述的第二增益光纤（4）还可以设置在环形器（9）的公共端与光纤布拉格光栅（6）之间，所述的光纤合束器（2）还可以换成波分复用器（2’）。
根据权利要求2或4所述的一种全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述的泵浦源（1）是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长λ的范围为：700nm≤λ≤2000nm。
所述的第一增益光纤（3）和第二增益光纤（4）是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱（Yb）、铒(Er)、钬(Ho)、铥(Tm)、钐(Sm)、铋(Bi)中的一种或几种。
所述的泵浦方式是纤芯单端泵浦、纤芯双端泵浦、包层单端泵浦或包层双端泵浦。
所述的光纤合束器（2）是（2+1）x1或（6+1）x1合束器。
有益效果
1、本发明利用增益光纤的可饱和吸收特性产生激光超短脉冲，不需要外界附加的调制源，全光纤设计
2、本发明采用增益光纤作为调制器件，降低了脉冲调制器件的制造成本和工艺难度，节省激光器成本。
3、本发明设计简单、结构紧凑，同时可以输出稳定性高、脉冲能量大的超短脉冲激光，易于实现产业化。
附图说明：
图1为实施例1全光纤脉冲激光器基本原理图
图2为实施例2全光纤脉冲激光器基本原理图
图3为实施例3全光纤脉冲激光器基本原理图
图4为实施例4全光纤脉冲激光器基本原理图
图中：1、泵浦源；2、光纤合束器；2’、波分复用器；3第一增益光纤；4第二增益光纤；5第一反射型光纤布拉格光栅；6第二反射型光纤布拉格光栅；7、光隔离器；8、全反镜；9、环形器
具体实施方式
下面结合图示1、2、3、4对本发明作进一步说明，但不仅限于以下几种实施例。
实施例1
一种全光纤脉冲激光器结构如图1所示。图中1为泵浦源，可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；2为光纤合束器，可选用（2+1）×1泵浦信号合束器，如6/125型或20/125型；3、4是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺镱光纤；5、6是反射型光纤布拉格光栅，可选全反型或部分反射型光栅，反射率为R，其中0<R<1；7是光隔离器，可选偏振无关光隔离器。
泵浦光通过光纤合束器2的泵浦端进入到第一增益光纤3，然后到达起可饱和吸收作用的第二增益光纤4，接下来到达第二反射型光纤布拉格光栅6，其反射率为R（0<R<1），该中心波长处的光会被反射回去，反射光依次经第一增益光纤3、光纤合束器2后到达第一反射型光纤布拉格光栅5，然后再经第一反射型光纤布拉格光栅5反射，在第一反射型光纤布拉格光栅5和第二反射型光纤布拉格光栅6之间构成线形腔；在线形腔内由于第二增益光纤4的可饱和吸收作用，即光纤的透过率随光强的增加而增加的特性，光强较强的部分通过光纤时损耗小，透过率高；光强较弱的部分通过光纤时损耗大，透过率低，从而产生脉冲输出，经过光隔离器7之后输出。
实施例2
一种全光纤脉冲激光器结构如图2所示。与实施例1不同之处仅在于将反射型光纤布拉格光栅5替换为全反镜8。也可以将第二反射型光纤布拉格光栅6替换为全反镜。
实施例3
一种全光纤脉冲激光器结构如图3所示。图中1为泵浦源，可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；2为光纤合束器，可以选用（2+1）×1泵浦信号合束器，如6/125型或20/125型；3、4是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺镱光纤；6是反射型光纤布拉格光栅，可选全反型或部分反射型光栅，其反射率为R（0<R<1）；7是光隔离器，可选偏振无关光隔离器。
泵浦光通过光纤合束器2的泵浦端进入，通过第一增益光纤3，由环形器9的入射端进入，环形器的工作方向为入射端→公共端→出射端，方向不可逆，公共端连接第二反射型光纤布拉格光栅6进行波长选择，光栅反射回的光经出射端回到环形腔内，通过第二增益光纤4，到达光纤合束器2的信号端，形成环形谐振腔，在环形腔腔内由于第二增益光纤4的可饱和吸收作用，即光纤的透过率随光强的增加而增加的特性，光强较强的部分通过光纤时损耗小，透过率高；光强较弱的部分通过光纤时损耗大，透过率低，从而产生脉冲输出，经光隔离器7后输出。
实施例4
一种全光纤脉冲激光器结构如图4所示。图中1为泵浦源，可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管；2’为波分复用器，可选980/1064nm单模波分复用耦合器；3、4是掺稀土光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能掺镱光纤；6是反射型光纤布拉格光栅，反射率为R（0<R<1）；7是光隔离器，可选偏振无关光隔离器。
泵浦光通过波分复用器2’的980nm端进入，然后通过第一增益光纤3经入射端进入环形器，环形器公共端连接第二增益光纤4，第二增益光纤4主要起可饱和吸收体的作用，第二增益光纤4一端连接环形器公共端，第二增益光纤4另一端连接反射型光纤布拉格光栅6，,反射型光纤布拉格光栅6中心波长处的光会被反射回去，沿环形器工作方向（入射端→公共端→出射端）经出射端回到波分复用器的1064nm端，形成环形腔，在环形腔腔内由于第二增益光纤4的可饱和吸收作用，即光纤的透过率随光强的增加而增加的特性，光强较强的部分通过光纤时损耗小，透过率高；光强较弱的部分通过光纤时损耗大，透过率低，在满足激光振荡的条件下输出激光经光隔离器7输出。

Claims (8)

1.一种全光纤脉冲激光器，其特征在于：包括泵浦源(1)、光纤合束器（2）、第一增益光纤（3）、第二增益光纤（4）、第一反射型光纤布拉格光栅（5）、第二反射型光纤布拉格光栅（6）、光隔离器（7）；泵浦源（1）连接光纤合束器（2）的泵浦输入端；光纤合束器（2）的信号端连接第一光纤布拉格光栅（5）；光纤合束器（2）的公共端连接第一增益光纤（3）；第一增益光纤（3）的另一端连接第二增益光纤（4）；第二增益光纤（4）的另一端连接第二光纤布拉格光栅（6）；第二光纤布拉格光栅（6）另一端与光隔离器（7）相连，光通过隔离器（7）后输出。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述的第一反射型光纤布拉格光栅（5）或者第二反射型光纤布拉格光栅（6）还可以换成全反镜（8），第一反射型光纤布拉格光栅（5）、第二反射型光纤布拉格光栅（6）和全反镜（8）的反射率为R，其中0<R<1。
3.一种全光纤脉冲激光器，其特征在于：包括泵浦源(1)、光纤合束器（2）、第一增益光纤（3）、第二增益光纤（4）、反射型光纤布拉格光栅（6）、光隔离器（7）、以及环行器（9）；泵浦源（1）连接光纤合束器（2）的泵浦输入端；光纤合束器（2）的信号端连接第二增益光纤（4）的一端；光纤合束器（2）的公共端连接第一增益光纤（3），第一增益光纤（3）的另一端连接环形器（9）的入射端；环形器（9）的公共端连接光纤布拉格光栅（6），光纤布拉格光栅（6）的另一端连接光隔离器（7），环形器（9）的出射端与第二增益光纤（4）连接，形成环形腔，光纤布拉格光栅（6）另一端与光隔离器（7）相连，光通过隔离器（7）后输出。
4.根据权利要求3所述的一种全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述的第二增益光纤（4）还可以设置在环形器（9）的公共端与光纤布拉格光栅（6）之间，所述的光纤合束器（2）还可以换成波分复用器（2’）。
5.根据权利要求2或4所述的一种全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述的泵浦源（1）是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出泵浦光的中心波长λ的范围为：700nm≤λ≤2000nm。
6.根据权利要求2或4所述的一种全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述的第一增益光纤（3）和第二增益光纤（4）是掺有稀土元素的光纤或光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱（Yb）、铒(Er)、钬(Ho)、铥(Tm)、钐(Sm)、铋(Bi)中的一种或几种。
7.根据权利要求2或4所述的一种全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述的泵浦方式是纤芯单端泵浦、纤芯双端泵浦、包层单端泵浦或包层双端泵浦。
8.根据权利要求2或4所述的一种全光纤脉冲激光器，其特征在于：所述的光纤合束器（2）是（2+1）x1或（6+1）x1合束器。
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