CN104733993A - 基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调q激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、可饱和吸收光纤和输出耦合器等光纤器件；所述的波分复用器、增益光纤、隔离器、可饱和吸收光纤和输出耦合器通过光纤熔接机依次熔接，形成光纤环路；所述的泵浦源通过波分复用器熔接在光纤环路上。本发明利用可饱和吸收光纤同时实现了对光纤激光器的多波长选择和被动调Q；其多波长间隔可由可饱和吸收光纤的长度进行调节，其输出重频可由泵浦源进行调节。本发明实现了严格意义上的全光纤结构，具有体积紧凑、输出参数稳定以及环境适应性强等优点。

Description

基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器

技术领域

本发明涉及一种全光纤多波长被动调Q激光器，尤其涉及一种基于可饱和吸收光纤的新型全光纤多波长被动调Q激光器。

背景技术

多波长脉冲光纤激光器在密集波分复用光通信、光学传感、光谱学以及光信息处理等领域都有十分重要的应用。

要获得多波长输出，就需要在激光器系统内加入波长选择装置。最常用的就是利用光纤光栅来对波长进行选择。中国发明专利“一种多波长输出光纤激光器”(专利号ZL 01133233)中给出了一中利用阵列波导光栅实现多波长输出的方法和装置。其原理是利用阵列波导光栅的波长选择性实现对掺杂光纤激光器的波长选择，从而获得不同波长的激光输出。中国发明专利“单纤多波长光纤激光器”(专利号ZL 201110086194.8)中则提出了一种利用有源相移光纤光栅获得多波长激光输出的方法和装置。2014年，墨西哥研究人员通过在环形腔掺铒光纤激光器中插入一段刻有长周期光纤光栅的拉锥光纤，获得了稳定的多波长输出(G.Anzueto-Sanchez and A.Martinez-Rios,Short-wavelength multiline erbium-dopedfiber ring laser by a broadband long-period fiber grating inscribed in a taper transition,Laser Phys.,2014,24,015101.)。但是，这些方法都相对比较复杂，主要是其所使用的阵列波导光栅、有源相移光纤光栅以及拉锥长周期光纤光栅等对制作工艺要求较高。

基于可饱和吸收光纤的全光纤被动调Q是一种较新的调Q技术，与半导体可饱和吸收镜等可饱和吸收元件相比，可饱和光纤的使用可以使光纤激光器实现更加严格意义上的全光纤结构；而且，可饱和吸收光纤可直接用于高能量脉冲的产生，这对新型光纤激光的高平均功率输出和应用具有重要价值。2010年，台湾成功大学T.Tsai(T.Tsai,Y.Fang,and S.Huang,Passively Q-switched erbiumall-fiber lasers by use of thulium-doped saturable-absorber fibers,Opt.Express,2010,18,10049-10054.)和俄罗斯科学院A.S.Kurkov等人(A.S.Kurkov,Y.E.Sadovnikova,A.V.Marakulin,and E.M.Sholokhov,All fiber Er-Tm Q-switchedlaser,Laser Phys.Lett.,2010,7,795-797.)利用掺铥光纤作为可饱和吸收体分别实现了对单包层掺铒光纤激光器和双包层掺铒光纤激光器的被动调Q，其输出激光皆为单波长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，无需外加辅助设备的全光纤结构的多波长被动调Q激光器。

本发明的基本思路是在通过利用可饱和吸收光纤同时实现对光纤激光器的波长选择和被动调Q，获得多波长脉冲输出。激光器中增益光纤为单模光纤，可饱和吸收光纤在激光器输出光谱范围内为多模光纤，而且在增益光纤的发射谱范围内存在较强的吸收。将可饱和吸收光纤熔接到激光腔内，就形成了一个“单模-多模-单模”结构的空间模式拍频滤波器，从而实现对激光器的多波长选择。同时，激光信号被可饱和吸收光纤吸收，实现对激光信号的被动调Q，这样就获得了多波长脉冲输出。

本发明的技术方案如下：

基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、隔离器、可饱和吸收光纤和输出耦合器；波分复用器、增益光纤、隔离器、可饱和吸收光纤和输出耦合器构成成光纤环路；泵浦源通过波分复用器为调Q激光器提供泵浦光，调Q激光通过输出耦合器输出，在激光输出波段范围内增益光纤为单模光纤，而可饱和吸收光纤为多模光纤，且可饱和吸收光纤的吸收谱段包含激光输出波段。

上述基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器中，增益光纤和可饱和吸收光纤的纤芯直径比为1:1～1:1.2。

上述基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器中，增益光纤和可饱和吸收光纤的纤芯直径均为9微米。

上述基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器中，输出耦合器的输出端设置有增益补偿光纤。

本发明的有益技术效果如下：

1、本发明利用可饱和吸收光纤同时实现了对光纤激光器的多波长选择和被动调Q；其多波长间隔可由可饱和吸收光纤的长度进行调节，其输出重频可由泵浦源功率的调节而改变，可控性好。

2、本发明实现了严格意义上的全光纤结构，具有体积紧凑、性能可靠、输出参数稳定以及环境适应性强等优点。

3、本发明不仅适用于增益光纤为掺铒光纤、可饱和吸收光纤为掺铥光纤或铥钬共掺光纤的系统，同样也可用于其他波长的激光产生。

附图说明

图1是本发明基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q装置的结构原理示意图；

图2是1550nm波段激光信号经“单模-多模-单模”结构的空间模式拍频滤波器后典型的强度函数；

图3是作为增益光纤的普通单模掺铒光纤在1550nm波段的发射谱；

图4是作为可饱和吸收光纤的铥钬共掺光纤在1550nm波段的吸收谱；

图5为激光器在1550nm波段多波长输出的理论模拟结果；

图6是该激光器在1550nm波段被动调Q脉冲输出的理论模拟结果。

图中1—泵浦源；2—波分复用器；3—增益光纤；4—隔离器；5—可饱和吸收光纤；6—输出耦合器；7—第一熔接点；8—第二熔接点。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器，包括泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、隔离器4、可饱和吸收光纤5和输出耦合器6；所述的波分复用器2、增益光纤3、隔离器4、可饱和吸收光纤5和输出耦合器6构成成光纤环路；泵浦源1通过波分复用器2为调Q激光器提供泵浦光，调Q激光通过输出耦合器6输出，在激光输出波段范围内增益光纤3为单模光纤，而可饱和吸收光纤5为多模光纤，且可饱和吸收光纤5的吸收谱段包含激光输出波段。

本发明的基本思路是在通过利用可饱和吸收光纤5同时实现对光纤激光器的波长选择和被动调Q，获得多波长脉冲输出。激光器中增益光纤3为单模光纤，可饱和吸收光纤5在激光器输出光谱范围内为多模光纤，而且在增益光纤的发射谱范围内存在较强的吸收。将可饱和吸收光纤5熔接到激光腔内，就形成了一个“单模-多模-单模”结构的空间模式拍频滤波器，从而实现对激光器的多波长选择。同时，激光信号被可饱和吸收光纤吸收，实现对激光信号的被动调Q，这样就获得了多波长脉冲输出。

空间模式拍频滤波器的原理如下：在泵浦源的泵浦下，单模增益光纤内产生单模激光信号。由于可饱和吸收光纤在激光信号波长处为多模光纤，单模激光信号在增益光纤和可饱和吸收光纤的第一个熔接点处由单模变为多模。简便起见，这里假设只存在两个激光模式LP₀₁和LP₁₁。这两个激光模式在可饱和吸收光纤内部传播，设其相位分别为和其中，n_eff01和n_eff11分别为LP₀₁和LP₁₁的有效折射率，L_s为可饱和吸收光纤长度，λ为信号光波长。在增益光纤和可饱和吸收光纤的第二个熔接点处两个不同模式的信号光耦合进入单模的增益光纤，其光场为两个模式的光场之和，即E＝k₀₁exp(iφ₀₁)+k₁₁γexp(iφ₁₁)，其中，k₀₁和k₁₁分别为LP₀₁和LP₁₁的耦合入单模增益光纤的耦合效率，γ为高阶模LP₁₁的激发系数。其强度为 $I\left(\mathrm{\λ}\right)=k_{01}^2+{\mathrm{\γ}}^2{k}_{11}^2+2\mathrm{\γ}{k}_{01}{k}_{11}\cos \left[\frac{2\mathrm{\π}{L}_s(n_{\mathrm{eff}01}-n_{\mathrm{eff}11})}{\mathrm{\λ}}\right].$ 在可饱和吸收光纤参数固定的情况下，该强度就表现为一个随波长变化的余弦函数，见图2。该余弦函数即为一个波长滤波器，实现对激光信号的多波长选择。该滤波器的滤波周期由两个激光模式在可饱和吸收光纤内的有效折射率差以及可饱和吸收光纤的长度所决定。

下面以掺铒光纤作为增益光纤为例对本发明的技术解决方案进行阐述。

上述基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器中，增益光纤3为普通单模掺铒光纤；可饱和吸收光纤5可选择普通单模掺铥光纤或铥钬共掺光纤，虽然单模掺铥光纤或铥钬共掺光纤在2000nm波段只支持单模传输，但是在1550nm波段，其为多模光纤。根据光纤理论，其输出模式与光纤内传播的波长相关，可按照归一化频率为界，当归一化频率小于2.4时为单模，归一化频率大于2.4时为多模。掺铥光纤以Nufern公司生产的SM-TSF-9/125为例，其纤芯直径为9μm，数值孔径为0.15，计算可得其在2000nm处的归一化频率为2.12，为单模光纤；但是其在1550nm处的归一化频率为2.74，为多模光纤。铥钬共掺光纤以CorActive公司生产的TH512铥钬共掺光纤为例，其纤芯直径为9μm，数值孔径为0.16，计算可得其在2000nm处的归一化频率为2.26，为单模光纤；但是其在1550nm处的归一化频率为2.92，为多模光纤。

上述基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器中，泵浦源为980nm连续半导体激光器，波分复用器为980nm/1550nm宽带光纤波分复用器，隔离器为1550nm波段宽带光纤隔离器，输出耦合器为1550nm波段宽带光纤耦合器。图3给出了作为增益光纤的普通单模掺铒光纤在1550nm波段的发射谱，图4给出了作为可饱和吸收光纤的铥钬共掺光纤在1550nm波段的吸收谱。

图1中的泵浦源1为980nm连续半导体激光，波分复用器2为980nm/1550nm宽带光纤波分复用器，增益光纤3为普通单模掺铒光纤，隔离器4为1550nm波段宽带光纤隔离器，可饱和吸收光纤5为掺铥光纤或铥钬共掺光纤，输出耦合器6为1550nm波段宽带光纤耦合器。

可饱和吸收光纤5与两边光纤熔接产生的“单模-多模-单模”结构的熔点分别为第一熔接点7和第二熔接点8，该结构形成的滤波器的函数如图2所示。在所搭建的掺铒光纤激光器中，光信号在图2所示的滤波函数的作用下输出的典型光谱如图5所示。由图3可以看出，该光谱呈明显的多波长结构，验证了本发明产生多波长输出的可行性。

需要强调的是，本发明采用的“单模-多模-单模”结构中增益光纤3和可饱和吸收光纤5的芯径都为9μm，可保证在整个光纤环路中每个耦合节点具有较高的耦合效率，从而确保激光器具有较高的转换效率。在实际应用中也可通过选取不同芯径的光纤实现“单模-多模-单模”结构，通常选择增益光纤3和可饱和吸收光纤5的纤芯直径比为1:1～1:1.2，在满足模式的前提下，芯径尽量相近，确保具有较高的耦合效率。

作为一种优选的实施方式，在输出耦合器6是输出端可以设置增益补偿光纤，增益补偿光纤的增益谱段与激光输出的谱段相匹配，从而获得增益较为平坦的多波长输出。

可饱和吸收光纤5中的基态掺杂离子吸收增益光纤3产生的激光信号，使谐振腔处于低Q值状态，谐振腔无法达到阈值；随着对信号光的不断吸收，可饱和吸收光纤5逐渐达到饱和，对信号光的吸收能力也就下降，使谐振腔处于高Q值状态，谐振腔超过阈值，于是产生一个激光脉冲输出。与此同时，可饱和吸收光纤5中激发态的掺杂离子通过无辐射跃迁等过程衰减到基态，然后重新开始对信号光的吸收过程。这样，就实现了对信号光的脉冲调制，脉冲的重频可通过调节泵浦光的功率来改变，理论模拟的脉冲输出如图6所示。由图6可以看出，激光器处于脉冲输出状态，且输出脉冲十分稳定，验证了本发明产生被动调Q脉冲的可行性。

掺铥光纤和铥钬共掺光纤在1064nm附近也有着比较明显的吸收，因此，本发明所述的基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器同样可以应用到对掺镱光纤激光器的多波长被动调Q中。对于发射谱在1064nm波段的掺镱光纤，泵浦源1仍为980nm连续半导体激光器，波分复用器2为980nm/1064nm宽带波分复用器，增益光纤3为单模掺镱光纤，隔离器4为1064nm波段宽带光纤隔离器，可饱和吸收光纤5仍为普通单模掺铥光纤或铥钬共掺光纤，输出耦合器6为1064nm波段宽带光纤耦合器。

本发明不局限于上述具体实施方式，例如本发明中，只需要求增益光纤3的发射波长在可饱和吸收光纤5的吸收光谱范围内，且在增益光纤3的发射波长处可饱和吸收光纤5为多模光纤即可。对于本发明所属技术领域来说，在本发明构思的前提下，还可以做出若干简单替换和变化，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器，其特征在于：包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、隔离器(4)、可饱和吸收光纤(5)和输出耦合器(6)；所述的波分复用器(2)、增益光纤(3)、隔离器(4)、可饱和吸收光纤(5)和输出耦合器(6)构成光纤环路；所述的泵浦源(1)通过波分复用器(2)为调Q激光器提供泵浦光，所述的调Q激光通过输出耦合器(6)输出，其特征在于：在激光输出波段范围内增益光纤(3)为单模光纤，而可饱和吸收光纤(5)为多模光纤，且可饱和吸收光纤(5)的吸收谱段包含激光输出波段。

2.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器，其特征在于：所述的增益光纤(3)和可饱和吸收光纤(5)的纤芯直径比为1:1～1:1.2。

3.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器，其特征在于：所述的增益光纤(3)和可饱和吸收光纤(5)的纤芯直径均为9微米。

4.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收光纤的全光纤多波长被动调Q激光器，其特征在于：所述的输出耦合器(6)的输出端设置有增益补偿光纤。