CN103633538B - 可控皮秒双波长光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可控皮秒双波长光纤激光器。该可控皮秒双波长光纤激光器利用多个锁模器件共用一个增益光纤实现不同波长的锁模脉冲激光输出，靠偏振的特性实现对皮秒输出的可控，可以通过调制各不同谐振腔内的两个偏振控制器实现激光输出或抑制振荡。

Description

可控皮秒双波长光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种可控皮秒双波长光纤激光器。

背景技术

双波长激光器在光通讯、光计算、非线性频率变换、军事对抗、环境监测、激光遥感和雷达等领域都有重要应用。目前激光器产生双波长的主要方式有拉曼频移获得新波长(万勇，韩凯，韩鸿，李彤，邵怀宗.重频双波长输出(Nd，Ce)：YAG喇曼频移激光器研究.激光技术，26(2)，2002.)，基频光和倍频光同时输出获得双波长，选用具有宽带发射光谱的激光介质再外加选频器件获得双波长输出(N.Saito，K.Akagawa，S.Wada，H.Tashiro.Difference-frequencygenerationbymixingdual-wavelengthpulsesemittingfromanelectronicallytunedTi：sapphirelaser，Appl.Phys.B69，93-97(1999))，选取具有两个发射峰的激光介质实现双波长输出(Y.F.Chen.Cwdual-wavelengthoperationofadiodeendpumpedNd：YVO₄laser.Appl.Phys.B.70，475-478(2000))。

由于光纤激光器具有稳定性高、散热性好，体积小、易于集成等优点，是目前集成度最高和最稳定的激光器之一，具有广阔的应用空间。如能利用光纤激光器实现双波长输出将增加双波长激光器的应用性。如调制成脉冲的双波长光纤激光器可以增加双波长激光器在监测，遥感和雷达等领域的探测精度。同时在光纤色散测量、波分复用技术以及光纤传感和信号处理技术有更多的潜在应用。

上述实现双波长的方式在固体激光器上易于实现，但在光纤激光器领域多数是通过频移反馈方法、四波混频效应、偏振烧孔效应等实现双波长和多波长输出。这些效应方法都要求光纤激光器的精确设计，对腔内损耗、功率水平和增益饱和水平都要精确控制。在控制双波长的时候再实现脉冲输出，对光纤激光器提出了更高的要求。

在以往的双波长脉冲激光器的报道中如(张祖兴，聂义友，桑明煌，况庆强，叶志清.被动锁模光纤激光器中双波长脉冲的产生.光电子激光，20(7)，2009；杨石泉，李朝晖，项阳，张吴，袁树忠，董孝义.用半导体激光器作调制器的双波长可调谐锁模光纤激光器.光学学报，23(4)，2003；WYe，J.Wang，T.Chen，andYH.Shen.Multi-WavelengthMode-LockedEr／YbCo-DopedFiberLaserwithSquareNano-SecondPulseOutput.LaserPhysics，20(10)2011)等。大多是采用外调制或内部环形腔设计实现脉冲双波长输出，对于控制器件和光纤激光器腔形设计要求精确。此外文献中报道的双波长输出波长间距相距较近，容易引起模式竞争。目前在实现输出稳定，波长可控，宽的光谱范围和更多波长输出，高的输出功率和高转换效率等方面都还是双波长光纤激光器亟待解决的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种可控皮秒双波长光纤激光器，避免了环形腔光纤激光器存在的一些不稳定的问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种可控皮秒双波长光纤激光器。该可控皮秒双波长光纤激光器包括：激光器7，用于产生泵浦激光；波分复用器6，其P端连接至激光器7的输出端；增益光纤5，其第一端连接至波分复用器6的C端，用于在该泵浦激光作用下产生N个波长的增益激光；耦合器4，其合束端连接至所述增益光纤5的第二端；N个反馈端，分别通过对应的偏振控制器连接至所述耦合器4N个分束端口中相应的分束端口；以及依次连接的N个光纤光栅，其中，最靠近所述波分复用器的第1个光纤光栅的第一端通过偏振控制器连接至所述波分复用器的R端，最远离所述波分复用器的第N个光纤光栅的第二端作为该可控皮秒多波长光纤激光器的输出端。其中，第I个光纤光栅与第I个反馈端之间构成第I波长激光的谐振腔，1≤I≤N，通过控制第I个反馈端对应的偏振控制器与第I个光纤光栅对应的偏振控制器的状态，实现第I波长激光在相应谐振腔内振荡并由第N个光纤光栅的第二端输出。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明可控皮秒双波长光纤激光器具有以下有益效果：

(1)腔型结构简单，皮秒输出控制易操作，易实现稳定的皮秒脉冲双波长激光输出；

(2)输出的波长为1064nm和1550nm，1064nm的激光工作在正色散区域，1550nm的激光工作在负色散区域，两路激光同时传输不易发生非线性干扰，并且波长间距大，没有模式之间竞争，可以实现稳定的皮秒激光输出；

(3)通过偏振控制器调节偏振实现输出其中一种波长和两种波长同时输出，实现对激光脉冲输出的可控，一个激光器可以实现三种输出模式。且通过调节偏振控制器，实现不同的偏振模式的激光输出。

综上所述，本发明皮秒双波长光纤激光器，具备在室温下稳定输出，高光束质量、具备无需水冷，结构紧凑，免维护、易于集成和实现商业化生产等优点。

附图说明

图1为根据本发明实施例可控皮秒双波长光纤激光器的结构示意图。

【主要元件】

11-第一可饱和吸收体；12-第二可饱和吸收体；

21-第一偏振控制器；22-第二偏振控制器；

23-第三偏振控制器；31-第一光纤光栅；

32-第二光纤光栅；4-耦合器；

5-增益光纤；6-波分复用器；

7-半导体激光。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明利用多个锁模器件共用一个增益光纤实现不同波长的锁模脉冲激光输出，靠偏振的特性实现对皮秒输出的可控，可以通过调制各不同谐振腔内的两个偏振控制器实现激光输出或抑制振荡。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种可控皮秒双波长光纤激光器。图1为根据本发明实施例可控皮秒双波长光纤激光器的结构示意图。如图1所示，本实施例可控皮秒双波长光纤激光器包括：半导体激光器7、波分复用器6、耦合器4、增益光纤5、第一可饱和吸收体11、第二可饱和吸收体1、第一光纤光栅31和第二光纤光栅32。其中，半导体激光器7，用于产生泵浦激光。波分复用器6，其P端连接至激光器7的输出端，对于泵浦激光，P端到C端的损耗均小于0.1dB，C端到P端以及R端到P端的损耗均高于40dB；对于第一波长和第二波长的激光，C端到R端、R端到C端的损耗均小于0.1dB。耦合器4，其为第一波长和第二波成波长的耦合器。增益光纤5，其第一端连接至波分复用器的C端，其第二端连接至耦合器4的合束端，用于利用所述泵浦激光，增益产生第一波长和第二波长的增益激光。第一可饱和吸收体11，其对应的中心波长第一波长，其尾纤端通过第一偏振控制器21连接至耦合器4的第一波长的分束端头，该第一可饱和吸收体为第一波长的可饱和吸收体，其对第一波长激光反射率大于90％。第二可饱和吸收体1，其对应的中心波长第二波长，其尾纤端通过第二偏振控制器22连接至耦合器4的第二分束端头，该第二可饱和吸收体为第二波长的可饱和吸收体，其对第二波长的反射率大于90％。第一光纤光栅31，其中心波长为第一波长，其对第一波长激光的反射率大于60％，其第一端通过第三偏振器23连接至波分复用器6的R端，该第一光纤光栅31与第一可饱和吸收体11构成第一波长激光的谐振腔。第二光纤光栅32，其中心波长为第二波长，其第一端连接至第一光纤光栅31的第二端，其第二端作为本实施例可控皮秒双波长光纤激光器的输出端，其对第二波长激光的反射率大于60％，该第二光纤光栅32与第二可饱和吸收体12构成第二波长激光的谐振腔。

以下分别对本实施例可控皮秒双波长光纤激光器的各个组成部分进行详细说明。

半导体激光器7为单模激光器，其输出激光的相关参数为：中心波长976nm，半波全宽为0.5nm，输出功率为650mW。该半导体激光器7对应的增益光纤为单模保偏的Yb／Er共掺增益光纤，其中：该Yb／Er共掺增益光纤的泵浦波长为976nm，其能够增益产生第一波长，即1064nm，和第二波长，即1550nm的激光。

该Yb／Er共掺增益光纤中，Yb的掺杂浓度为65000ppm，Er的掺杂浓度也为65000ppm。选择高浓度掺杂的增益光纤5是为了避免Yb与Er离子的多光子作用削弱输出功率。

在半导体激光器7不变的情况下，可以通过改变增益光纤5的类型以使其产生其他增益波长的两路输出，并对应改变第一光纤光栅31、第一可饱和吸收体11、第二光纤光栅、第二可饱和吸收体12、波分复用器6的类型，来实现不同的激光输出，例如，增益光纤还采用Nd／Er共掺的增益光纤，其输出第一波长，即1064nm和第二波长，即1550nm的两路激光输出。

还需要说明的是，在半导体激光器7和增益光纤5不变的情况下，通过改变第一光纤光栅31和第二光纤光栅32的中心波长，来实现其他波长的激光输出，例如，选择第一光纤光栅31的中心波长为1064nm，第二光纤光栅的中心波长为2um，即可以实现1064nm和2um的两路激光输出。

上述两种技术方案对本领域技术人员来说，应当很容易理解和实现的，此处不再赘述。

波分复用器6内部采用多晶体镀膜结构，其中P端至C段对泵浦波长，即980±10nm波长无损通过，C端到P端对1060±40nm波长和1550±20nm的光的隔离度都大于50dB；R端到P端对1060±40nm波长和1550±20nm的光的隔离度都大于40dB，以保证腔内没有脉冲光可以反射到半导体激光器内，保护半导体激光器。

此外，C端和R端能通过1064nm和1550nm波长的激光。此外，该波分复用器6为高功率的波分复用器，能承受皮秒脉冲的kW级峰值功率。

可饱和吸收体主要是实现自动启动的被动锁模机制，利用其自身的非线性效应在激光达到锁模阈值的时候实现皮秒的脉冲输出，其选择应与对应的增益光纤及光纤光栅波长相匹配。

本实施例中，第一可饱和吸收体11为1064nm的第一波长锁模的可饱和吸收体，带尾纤封装。该第一可饱和吸收体11对第一波长的激光，即1064nm反射率大于85％，弛豫时间小于1ps，调制深度大于10％，饱和通量32μJ／cm²，损伤阈值大于2mJ／cm²。

本实施例中，第二可饱和吸收体12为1550nm的第二波长锁模的可饱和吸收体，带尾纤封装。该第二可饱和吸收体12对第二波长的激光1550nm反射率大于85％，弛豫时间小于1ps，调制深度大于10％，饱和通量32μJ／cm²，损伤阈值大于2mJ／cm²。

第一偏振控制器21、第二偏振控制器22和第三偏振控制器23均为挤压式机械偏振控制器，无插入损耗。其中：

(1)偏振控制器21与偏振控制器23组成一对使用，可以通过调整偏振控制器21与偏振控制器的23的偏振模式一致，使得第一波长，即1064nm的激光输出；

(2)偏振控制器22与偏振控制器23组成一对使用，可以通过调整偏振控制器22与偏振控制器的23的偏振模式一致，使得第二波长，即1550nm的激光输出；

(3)而当第一偏振控制器21、第二偏振控制器22和第三偏振控制器23的偏振模式相同时，可以同时输出第一波长，即1064nm和第二波长，即1550nm的激光。

反之在两波长激光都输出的情况下，通过调制第一偏振控制器21，使其的偏振模式与偏振控制器23的偏振模式不一致时，那么1064nm的激光振荡将被抑制，仅输出1550nm的皮秒脉冲光。在双波长皮秒同时输出时，通过调制第二偏振控制器22，使其的偏振模式与偏振控制器23的偏振模式不一致时，那么1550nm的激光振荡将被抑制，仅输出1064nm的皮秒脉冲光，实现对波长输出的可控。

可见，该两对偏振控制器组合是实现皮秒输出的控制单元，通过调整各组的偏振一致实现激光输出，反之则不输出该波段的激光。通过这种方式可以实现对双波长输出的控制，可以实现单一波长激光的输出，抑制另外一个波长激光的输出，也可以同时输出双波长，控制方式简单易行。本发明采用的是保偏单模光纤，传输过程中偏振态不会改变，使得偏振控制的效果明显。可根据实际需要来调整偏振态控制该光纤激光器。

耦合器4可以分束耦合第一波长，即1064nm和第二波长，即1550nm两个波长的激光，耦合器的插入损耗小于0.1dB。

第一光纤光栅31的中心波长为第一波长，即1064nm，线宽为0.5nm，对第一波长，即1064nm，的反射率为60％，栅区能在kW级的脉冲峰值功率下工作。

第二光纤光栅32的中心波长为第二波长，即1550nm，线宽为0.5nm，对第二波长，即1550nm的反射率为60％，栅区能在kW级的脉冲峰值功率下工作。该第二光纤光栅32的第二端作为输出端，输出端的光纤端面切割成8°角，防止端面反射的返回光影响激光器的输出稳定性。

为了防止Yb掺杂离子在Yb／Er共掺光纤中仅仅起敏化作用，不振荡输出1064nm波长的激光，故将1064nm波长的光纤光栅31前置，其与增益光纤5和可饱和吸收体11组成一个第一波长，即1064nm波长的激光谐振腔，同时Yb的掺杂浓度与Er的掺杂浓度相当，保证首先起振荡Yb激光增益介质，通过光纤直线腔振荡自锁模输出1064nm的皮秒激光。将1550nm波长的光纤光栅32后置，其与增益光纤5和饱和吸收体12组成一个第二波长，即1550nm波长的激光谐振腔，振荡自锁模输出1550nm波长的皮秒激光。

本实施例可控皮秒双波长光纤激光器中，可饱和吸收体11，可饱和吸收体12，耦合器4，第一偏振控制器21，第二偏振控制器22，偏振控制器23，波分复用器6，光纤光栅31，光纤光栅32的链接尾纤都是单模的6／125um光纤，纤芯数值孔径0.14，以减少光纤之间的熔接损耗。

在上文介绍本实施例可控皮秒双波长光纤激光器结构的基础上，以下对其工作原理进行说明：

在半导体激光器产生泵浦激光时，通过调节偏振控制器使得第一偏振控制器21和第二偏振控制器22的偏振模式与偏振控制器31的偏振模式一致时，在半导体激光器7的泵浦功率加到可饱和吸收体11和可饱和吸收体12的阈值都达到时，可饱和吸收体11和可饱和吸收体12会自启动锁模机制，即可输出1064nm和1550nm的双波长皮秒脉冲光输出，加大泵浦光功率时候，皮秒脉冲光的输出功率也随之增加。

此外，与现有技术相比，本实施例可控皮秒双波长光纤激光器采用的直线腔型光纤激光器，不具备光纤环形镜功能，在调制偏振控制器的时候对锁模脉冲不会起非线性偏转的作用，不影响锁模脉冲宽度，可以实现稳定的脉宽输出。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明可控皮秒双波长光纤激光器有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)可以更换可饱和吸收体，采用不同参数的可饱和吸收体实现飞秒和纳秒的脉冲激光输出；

(2)可饱和吸收体可以采用其他能够实现连续可控的双波长激光输出反馈端来替换，例如：高反射的端面等；

(3)在上述实施例的基础上，还可以增加可饱和吸收体和对应光纤光栅来实现多波长输出，如增加1040nm的可饱和吸收体和光栅，1.3um的可饱和吸收体和光栅等来实现三个或者N个波长脉冲激光输出，其中，1≤N≤10，优选地，N=2或3。

综上所述，本发明提供一种可控皮秒双波长光纤激光器，其对激光的输出特性的可控性强，且易于实现，全光纤结构，激光腔型紧凑，易于集成和封装。具备输出波长可控、输出功率可控、输出偏振可控等优点。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，包括：

激光器(7)，用于产生泵浦激光；

波分复用器(6)，其P端连接至激光器(7)的输出端；

增益光纤(5)，其第一端连接至波分复用器(6)的C端，用于在该泵浦激光作用下产生N个波长的增益激光；

耦合器(4)，其合束端连接至所述增益光纤(5)的第二端；

N个反馈端，分别通过对应的偏振控制器连接至所述耦合器(4)N个分束端口中相应的分束端口；以及

依次连接的N个光纤光栅，其中，最靠近所述波分复用器的第1个光纤光栅的第一端通过偏振控制器连接至所述波分复用器的R端，最远离所述波分复用器的第N个光纤光栅的第二端作为该可控皮秒多波长光纤激光器的输出端；

其中，第I个光纤光栅与第I个反馈端之间构成第I波长激光的谐振腔，通过控制第I个反馈端对应的偏振控制器与第I个光纤光栅对应的偏振控制器的状态，实现第I波长激光在相应谐振腔内振荡并由第N个光纤光栅的第二端输出，1≤I≤N。

2.根据权利要求1所述的可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，第I个反馈端为对应第I波长激光的可饱和吸收体或反射端面，其对第I波长激光的反射率大于85％。

3.根据权利要求1所述的可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，所述第I个光纤光栅对第I波长激光的反射率大于60％。

4.根据权利要求1所述的可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，所述第N个光纤光栅的第二端的光纤端面被切割为8°。

5.根据权利要求1所述的可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为Yb/Er共掺增益光纤或Nd/Er共掺的增益光纤。

6.根据权利要求5所述的可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，所述N＝2；

所述激光器为单模半导体激光器，泵浦激光的中心波长为976nm；

所述增益光纤为Yb/Er共掺增益光纤，2个增益激光的波长为1064nm和1550nm。

7.根据权利要求6所述的可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为高浓度掺杂的增益光纤，其中Yb的掺杂浓度为65000ppm，Er的掺杂浓度也为65000ppm。

8.根据权利要求1所述的可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，所述波分复用器为能承受皮秒脉冲kW级峰值功率的波分复用器，其中：

P端至C端对于泵浦激光无损通过，对于增益激光隔离；

C端至R端、R端至C端对于增益激光无损通过；

C端至P端、R端至P端对于泵浦激光和增益激光均隔离。

9.根据权利要求8所述的可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，所述波分复用器为晶体端面镀膜结构的波分复用器。

10.根据权利要求1至5、8至9中任一项所述可控皮秒双波长光纤激光器，其特征在于，所述N＝2或3。