CN103633546A - 双波长耗散孤子锁模激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双波长耗散孤子锁模激光器，涉及激光技术领域，以解决现有装置采用空间耦合的方式实现，系统的耦合效率比较低，空间耦合设备体积庞大，系统稳定性差不便于实际应用的问题。本发明包括波分复用器、增益光纤、隔离器与耦合输出元件，其中，还包括带通滤波器、第一偏振控制器与第二偏振控制器，波分复用器、增益光纤、带通滤波器、第一偏振控制器、隔离器、第二偏振控制器与耦合输出元件按光纤顺序连接构成全光纤环形腔，增益光纤的长度为使其既有四能级起振又有三能级起振的长度。本发明采用双端泵浦方式，全光纤环形腔结构，腔内插入带通滤波器，采用偏振旋转锁模方式实现了稳定的双波长激光输出。

Description

双波长耗散孤子锁模激光器

技术领域

本发明涉及一种激光技术领域，特别是涉及一种双波长耗散孤子锁模激光器。 

背景技术

多波长锁模脉冲光纤激光器能够同时在不同波长上产生超短脉冲，这在光传感、光学测量、微波光子学、光信号处理、太赫兹波产生和波分复用光传输系统等都有着非常重要的应用。而基于非线性偏振旋转锁模双波长光纤激光器由于其结构简单和紧凑，近年得到了广泛的关注，其输出的双波长脉冲可以应用于泵浦-探测实验，相比主动锁模双波长光纤激光器、双波长锁模蓝宝石激光器、超短脉冲宽谱滤波和双注入锁模双波长激光器等这些基于主动锁模或者在固体激光器中取得双波长脉冲技术，基于非线偏振旋转被动锁模光纤激光器直接产生双波长脉冲将是一种潜在的产生双波长的简单而直接的方法。 

目前双波长非线性偏振旋转锁模脉冲激光器主要是基于掺饵光纤激光器，但是近几年双波长掺镱非线性偏振旋转锁模激光器也引起了人们的广泛关注及研究。相比于掺饵多波长脉冲激光器，掺镱脉冲光纤激光器其增益光纤具有从800nm到1100nm的较宽吸收谱和975nm到1200nm宽的发射谱，其不存在激发态的吸收、浓度淬灭以及多声子跃迁等消激发过程，可采用多种泵浦源进行泵浦，并且有利于实现宽范围的波长可调谐和超短脉冲输出。目前双波长掺镱偏振旋转锁模光纤激光器主要用于空间通信、光传感、光谱分析以及光学测试等领域，有着广泛的应用前景。 

目前，对于双波长偏振旋转锁模掺镱光纤激光器国内外鲜有研究及报道。2011年，Xiaojun Zhou等人报道了，空间耦合的全正色散环形腔中 插入一个长周期的相移光栅作为光谱滤波器，非线性偏振旋转锁模获得最大输出功率530mW，脉冲能量25.76nJ，锁模重频2.499MHz，脉宽310ps，输出光谱中心波长在1033nm和1046.6nm，该系统采用空间耦合方式，耦合效率比较低，且空间耦合设备体积庞大，系统稳定性差不便于实际应用。 

因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新的提出一种有效的措施，以满足实际应用的需求。 

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明采用双端泵浦方式，以新型的高掺杂掺镱磷酸盐光纤作为增益光纤，全光纤环形腔结构，腔内插入带通滤波器，采用偏振旋转锁模方式实现了稳定的双波长激光输出。 

为了解决上述问题，本发明提供一种双波长耗散孤子锁模激光器，包括波分复用器、增益光纤、隔离器与耦合输出元件，其特征在于，还包括带通滤波器、第一偏振控制器与第二偏振控制器，所述波分复用器、所述增益光纤、所述带通滤波器、所述第一偏振控制器、所述隔离器、所述第二偏振控制器与所述耦合输出元件按光纤顺序连接构成全光纤环形腔，所述增益光纤的长度为其既有四能级起振又有三能级起振的长度，通过所述带通滤波器对脉冲输出光谱的抑制作用，实现中心波长在980nm和1000nm的激光输出。 

优选的，所述带通滤波器为中心波长是980nm的带通滤波器，其两端采用熔接方式分别与所述波分复用器以及所述第一偏振控制器相连，所述带通滤波器为980nm光束提供附加的振幅调制作用，切削全正色散腔中被展宽成啁啾宽脉冲的脉冲边带，窄化脉冲；耗散孤子脉冲由所述带通滤波器产生。 

优选的，所述第一偏振控制器与所述第二偏振控制器均为嵌入式的偏振控制器，通过调节所述第一偏振控制器与所述第二偏振控制器的压力及偏转角度以实现锁模。 

优选的，所述增益光纤为掺镱光纤，其采用熔接方式与所述波分复用 器相连，所述掺镱光纤选用高掺杂的普通掺镱光纤、掺镱磷酸盐光纤、或以石英为基质的掺镱光纤。 

优选的，所述耦合输出元件为偏振分束器，其两端分别与所述第二偏振控制器以及所述波分复用器相连；所述偏振分束器的分光比为3：7，光束经偏振分束器分束后，30%的信号光被耦合输出，70%的信号光被保留继续传输。 

优选的，还包括泵浦光源，所述泵浦光源的输出端与所述波分复用器的输入端相连，调节波分复用器以增加泵浦光束输出的光功率，所述泵浦光源为915nm半导器激光器。 

优选的，所述泵浦光源的数量与所述波分复用器的数量相同。 

优选的，所述泵浦光源包括第一泵浦光源与第二泵浦光源，所述波分复用器包括第一波分复用器与第二波分复用器，所述第一泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端相连，所述第二泵浦光源的输出端与所述第二波分复用器的输入端相连。 

优选的，所述第一波分复用器与所述第二波分复用器分别设置在所述增益光纤的两端，并且采用熔接方式分别与所述增益光纤相连。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

本发明通过光纤熔接工艺实现全光纤结构，以915nm单模半导体激光器为泵浦源，采用双端泵浦方式，以非线性偏振旋转锁模方式实现锁模，在腔内插入通带范围960-990的带通滤波器限制输出光谱范围及实现稳定锁模，锁模阈值140mW，重频19.422MHz，最大输出功率47mW，输出光谱中心波长分别在980nm和1000nm处；本发明主要用于空间通信、光传感、光谱分析以及光学测试等领域，有着广泛的应用前景。 

附图说明

图1是本发明第一实施例的结构示意图； 

图2是本发明第二实施例的结构示意图。 

主要元件符号说明如下： 

1-第一泵浦光源    2-第二泵浦光源 

3-第一波分复用器  4-第二波分复用器 

5-增益光纤        6-带通滤波器 

7-第一偏振控制器  8-第二偏振控制器 

9-隔离器          10-偏振分束器 

11-泵浦光源       12-波分复用器 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图与实例对本发明作进一步详细说明，但所举实例不作为对本发明的限定。 

如图1所示，本实施例包括波分复用器、增益光纤5、隔离器9与耦合输出元件，其中，还包括带通滤波器6、第一偏振控制器7与第二偏振控制器8，波分复用器、增益光纤5、带通滤波器6、第一偏振控制器7、隔离器9、第二偏振控制器8与耦合输出元件按光纤顺序连接构成全光纤环形腔，增益光纤的长度为使其在四能级起振长度。 

在增益光纤中存在三、四能级的增益竞争问题，通过合理的选择增益光纤的长度，使得该光纤处于一种过渡光纤的特殊状态，即增益光纤中即有四能级起振又有三能级起振，980nm对应正三能级系统的，而四能级的1030nm对应着镱离子的一个发射峰，但是由于所采用的带通滤波器通6带中心波长范围在960-990nm之间，其对脉冲输出光谱有限制作用，1030nm光不在带通滤波器6的通带范围内而被抑制，使得受激发射截面相对比较大且在带通滤波器6通带范围内的1000nm波段的光起振，因此实现了中心波长在980nm、1000nm的双波长激光输出。 

全光纤环形腔结构紧凑，稳定性相比空间耦合方式要好，具有较低的激光阈值和损耗。 

泵浦光源的最大输出功率250mW，采用双端泵浦方式经行泵浦，泵浦光通过带有滤波作用的波分复用器耦合进入环形腔中，带尾纤的单模 915nm半导体激光器通过熔接的方式与915/980的波分复用器相连。本发明也可以采用单端泵浦方式，但是相比双端泵浦方式，输出功率会大大减小。带有滤波作用的波分复用器是作为泵浦光的耦合系统而且由于其特殊的结构对泵浦起到保护作用，防止反馈光将泵浦打坏。 

增益光纤，其对915nm泵浦光具有高的吸收系数，吸收系数589dB/m。 

带通滤波器是实现双波长耗散孤子锁模的关键器件之一，其两端分别和波分复用器及隔离器9熔接相连，中心波长为980nm的带通滤波器6可以提供附加的振幅调制作用，切削全正色散腔中被展宽成啁啾宽脉冲的脉冲边带，窄化脉冲，对稳定的锁模和脉冲成型发挥重要的作用，并且由于带通滤波器6在全正色散腔中是一种耗散作用，因此其也是耗散孤子脉冲产生的原因。 

偏振控制器及隔离器9是偏振旋转锁模的核心元件，隔离器决定了全光纤环形腔的光传输的方向，保证腔内光单向传输；而嵌入式的偏振控制器，通过调节第一偏振控制器7和第二偏振控制器8的压力及偏转角度实现锁模。 

采用偏振旋转锁模方式来实现双波长耗散孤子锁模激光器，泵浦光经过耦合进入环形腔，经隔离器，将光的偏振态变为线偏光，通过调节偏振控制器的压力及旋转角度，使线偏振光变为椭圆偏振光，偏振光在腔内传输受到非线性效应作用，由于非线性效应与光强有关，使整个脉冲的不同部分偏振态发生不同旋转，调节偏振控制器，使脉冲中心高强度部分通过隔离器，而比较弱的边翼被抑制，从而实现脉冲的窄化，在带通滤波器的辅助作用下实现稳定锁模，最后经偏振分束器10耦合输出。 

掺镱磷酸盐光纤是以磷酸盐为基质的光纤，对镱离子具有较高的溶解度、较长的荧光寿命、较小的非线性和较大的光致暗化阈值，可以获得很高浓度的掺杂，从而对915nm的泵浦光有很高的吸收系数，用很短的光纤就可以实现高功率输出，同时也有利于抑制四能级起振，获得三能级的980nm激光，用掺杂浓度很高并以石英为基质的掺镱光纤或者掺 杂浓度很高的普通掺镱光纤替换掺镱磷酸盐光纤可以达到相同的效果。 

本实施例中包括两个最大功率250mW的915nm半导体激光器，即第一半导体激光器和第二半导体激光器，两个915/980带有滤波作用的波分复用器，即第一波分复用器3和第二波分复用器4，对915nm光吸收系数589dB/m，长4m的掺镱磷酸盐光纤，通带范围960nm-990nm的带通滤波器6、两个嵌入式偏振控制器，即第一偏振控制器7和第二偏振控制器8、2W的隔离器9、耦合比30:70的偏振分束器10。其中除了嵌入式的第一偏振控制器7和第二偏振控制器8，其他元件均通过熔接连接在一起，组成一个全光纤环形腔，再将两个嵌入式的第一偏振控制器7和第二偏振控制器8分别安装在紧挨隔离器9两边的光纤上。腔内激光的方向由隔离器9决定，915nm泵浦光经过915/980的FWDM耦合进入环形腔，一个周期内光依此经过带通滤波器6、第一偏振控制器7、隔离器9、第二偏振控制器8、30:70的偏振分束器10，调节第一偏振控制器7和第二偏振控制器8，使输出光功率最大，然后调节第一偏振控制器7和第二偏振控制器8实现锁模。观测示波器上出现稳定的连续锁模，锁模重频19.422MHz，锁模阈值140mW，当泵浦功率240mW时最大输出功率47mW，输出光谱中心波长为980nm和1000nm，出现耗散孤子锁模光谱的典型特征，光谱两端有陡峭的边沿且两端有尖峰出现。 

如图2所示，本实施例中包括一个最大功率250mW的915nm半导体激光器，一个915/980带有滤波作用的波分复用器12，对915nm光吸收系数589dB/m，长4m的掺镱磷酸盐光纤，通带范围960nm-990nm的带通滤波器6、两个嵌入式偏振控制器，即第一偏振控制器7和第二偏振控制器8、2W的隔离器9、耦合比30:70的偏振分束器10。其中除了嵌入式的第一偏振控制器7和第二偏振控制器8，其他元件均通过熔接连接在一起，组成一个全光纤环形腔，再将两个嵌入式的第一偏振控制器7和第二偏振控制器8分别安装在紧挨隔离器9两边的光纤上。腔内激光的方向由隔离器9决定，915nm泵浦光经过915/980的FWDM耦合进入环形腔，一个周期内光依此经过带通滤波器6、第一偏振控制器7、隔离器9、第二偏振控制器8、30:70的偏振分束器10，调节第一偏振 控制器7和第二偏振控制器8，使输出光功率最大，然后调节第一偏振控制器7和第二偏振控制器8实现锁模。观测示波器上出现稳定的连续锁模，输出光谱中心波长为980nm和1000nm，出现耗散孤子锁模光谱的典型特征，光谱两端有陡峭的边沿且两端有尖峰出现。 

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 

Claims (9)

1.一种双波长耗散孤子锁模激光器，包括波分复用器、增益光纤、隔离器与耦合输出元件，其特征在于，还包括带通滤波器、第一偏振控制器与第二偏振控制器，所述波分复用器、所述增益光纤、所述带通滤波器、所述第一偏振控制器、所述隔离器、所述第二偏振控制器与所述耦合输出元件按光纤顺序连接构成全光纤环形腔，所述增益光纤的长度为其既有四能级起振又有三能级起振的长度，通过所述带通滤波器对脉冲输出光谱的抑制作用，实现中心波长在980nm和1000nm的激光输出。

2.根据权利要求1所述的双波长耗散孤子锁模激光器，其特征在于，所述带通滤波器为中心波长是980nm的带通滤波器，其两端采用熔接方式分别与所述波分复用器以及所述第一偏振控制器相连，所述带通滤波器为980nm光束提供附加的振幅调制作用，切削全正色散腔中被展宽成啁啾宽脉冲的脉冲边带，窄化脉冲；耗散孤子脉冲由所述带通滤波器产生。

3.根据权利要求2所述的双波长耗散孤子锁模激光器，其特征在于，所述第一偏振控制器与所述第二偏振控制器均为嵌入式的偏振控制器，通过调节所述第一偏振控制器与所述第二偏振控制器的压力及偏转角度以实现锁模。

4.根据权利要求3所述的双波长耗散孤子锁模激光器，其特征在于，所述增益光纤为掺镱光纤，其采用熔接方式与所述波分复用器相连，所述掺镱光纤选用高掺杂的普通掺镱光纤、掺镱磷酸盐光纤、或以石英为基质的掺镱光纤。

5.根据权利要求4所述的双波长耗散孤子锁模激光器，其特征在于，所述耦合输出元件为偏振分束器，其两端分别与所述第二偏振控制器以及所述波分复用器相连；所述偏振分束器的分光比为3：7，光束经偏振分束器分束后，30%的信号光被耦合输出，70%的信号光被保留继续传输。

6.根据权利要求1至5中任一所述的双波长耗散孤子锁模激光器，其特征在于，还包括泵浦光源，所述泵浦光源的输出端与所述波分复用器的输入端相连，调节波分复用器以增加泵浦光束输出的光功率，所述泵浦光源为915nm半导器激光器。

7.根据权利要求6所述的双波长耗散孤子锁模激光器，其特征在于，所述泵浦光源的数量与所述波分复用器的数量相同。

8.根据权利要求7所述的双波长耗散孤子锁模激光器，其特征在于，所述泵浦光源包括第一泵浦光源与第二泵浦光源，所述波分复用器包括第一波分复用器与第二波分复用器，所述第一泵浦光源的输出端与所述第一波分复用器的输入端相连，所述第二泵浦光源的输出端与所述第二波分复用器的输入端相连。

9.根据权利要求8所述的双波长耗散孤子锁模激光器，其特征在于，所述第一波分复用器与所述第二波分复用器分别设置在所述增益光纤的两端，并且采用熔接方式分别与所述增益光纤相连。

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