CN106058620B - 基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器 - Google Patents

基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，包括半导体激光器、波分复用器、增益光纤、第一准直镜、第一半波片、第一四分之一波片、第一偏振分光器、法拉第隔离器、闪耀光栅、银镜、半波片，采用非线性偏振旋转技术进行锁模，避免了使用易坏的可饱和吸收体，增大了激光器的稳定性。同一激光增益光纤和非线性偏振锁模器件，增大了两个波长在激光腔中的交叉相位调制相互作用的距离，即可以增大同步锁模时两个激光腔腔长失调范围。通过改变分光光栅的角度可以调谐激光器的输出波长，通过改变准直器在光谱空间上的位置可以改变双波长间的间隔，通过改变准直器离分光光栅的位置可以改变激光输出脉冲的脉冲谱宽和脉冲宽度。

Description

基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器
技术领域
本发明专利涉及一种光纤激光器，特别涉及一种被动激光脉冲同步、脉冲宽度可变、脉冲波长可调谐、双波长、超短光脉冲输出的被动锁模光纤激光器结构，并且该激光器的各个波长间可以自由转换。
背景技术
相邻波长可互相切换并可同步双波长锁模激光输出的光纤激光器可用于很多的科学技术领域，包括泵浦-探测超快激光光谱学、双光梳光谱学、光传感与测量、光通信等。目前主要可采用主动锁模技术和被动锁模技术两种方式实现双波长锁模输出的光纤激光器。其中主动锁模技术可提供高重复频率、锁模稳定的激光脉冲输出，但主动调制器件成本较高，并且主动锁模获得的激光脉冲输出一般线宽较窄，很难提供超短激光脉冲输出。被动锁模技术包括了非线性偏振旋转技术、非线性环形镜、半导体可饱和吸收鏡、以及各种基于可饱和吸收特性(包括单壁碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等)的锁模器件。目前，具有可饱和吸收特性的器件被广泛适用于光纤激光其中以实现同步双波长，该方式具有结构简单，锁模波长可调谐等特点。但是目前可饱和吸收体一般来说损伤阈值不高，随着激光运行时间增长，比较容易坏掉。而非线性偏振旋转技术相比具有可饱和吸收特性的器件更加稳定，并且不容易打坏，而被较为广泛地适用于商业应用中。但是基于非线性偏振旋转技术的双波长锁模激光器一般都是依靠腔内双折射引起的梳状滤波器对腔内激光增益产生滤波作用而获得，因此两个波长间的间隔不能大范围调谐，并且无法获得同步双波长脉冲输出。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，该激光器可提供同步的双波长锁模激光输出，并且该输出的两相近波长间可以实现自由转换，同时，激光器的输出波长以及波长间隔都可调谐，并且激光输出的脉冲谱宽及脉冲宽度也可以在一定程度上进行人为控制。
本发明一种基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器是通过以下技术方案来实现的：
基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，包括半导体激光器(1)，波分复用器(2)，增益光纤(3)，第一准直镜(4)，第一半波片(5)，第一四分之一波片(6)，第一偏振分光器(7)，法拉第隔离器(8)，闪耀光栅(9)，银镜(10)，半波片(11)，第二偏振 分光器(12)，第二半波片(13)，第二准直镜(14)，第一色散补偿光纤(15)，第三半波片(16)， 第二四分之一波片(17)，第三准直镜(18)，第二色散补偿光纤(19)，50：50耦合器(20)，其特征在于：半导体激光器(1)作为泵浦源与波分复用器(2)的泵浦波长输入端通过光纤熔接联结，泵浦源通过波分复用器(2)为增益光纤(3)提供泵浦光，增益光纤(3)的一端与波分复用器(2)的输出端通过光纤熔接联结，增益光纤(3)的另一端与第一准直器(4)通过光纤熔接联结，增益激光通过第一准直镜(4)准直后依次入射到第一半波片(5)、第一四分之一波片(6)、第一偏振分光器(7)和法拉第隔离器(8)上，通过法拉第隔离器(8)的激光为p偏振光，p偏振光入射到分光组件上，分光组件包括闪耀光栅(9)、银镜(10)、半波片(11)和第二 偏振分光器(12)，通过闪耀光栅(9)将激光光谱从空间上分开，并通过半波片(11)和第 二偏振分光器(12)控制入射到第一激光腔和第二激光腔的增益激光的比例。
p偏振光通过第二偏振分光器(12)入射到第二半波片(13)后通过第二准直器(14)进入第一激光腔中；s偏振光通过第二偏振分光器(12)入射到第三半波片(16)，第二四分之一波片(17)后通过第三准直器(14)进入第二激光腔中。
第二准直器(14)与第一色散补偿光纤(15)的一端通过光纤熔接联结，第三准直器(18)与第二色散补偿光纤(19)的一端通过光纤熔接联结。
第一色散补偿光纤(15)以及第二色散补偿光纤(19)的另一端与50：50耦合器(20)的分光端分别通过光纤熔接联结，50：50耦合器(20)的另一端与波分复用器(2)的激光波长输入端通过光纤熔接联结。
第一激光腔和第二激光腔共同使用同一激光增益光纤和非线性偏振锁模器件，并且第一激光腔和第二激光腔的输出端都为第一偏振分光器的发射输出口，第一激光腔和第二激光腔可共线激光输出，保证了很长的双色波长激光脉冲的重合作用区，从而产生两个激光脉冲交叉相位调制的相互作用，使得两个激光器波长发生移动，从而较大腔长失调范围内的自动实现两个波长的脉冲激光重复频率锁定而实现同步。
通过旋转半波片(11)与入射增益激光偏振器的角度，可以调节入射到第一激 光腔以及第二激光腔中的增益激光比例，从而达到两个激光波长互相切换的作用。
通过闪耀光栅(9)可以调谐入射到第二准直器(14)和第三准直器(18)中的光谱频段，从而达到同时调谐激光双波长输出的输出波长。
通过闪耀光栅(9)可以将增益激光的光谱从空间上分开，第二准直器(14)和第三准直器(18)除了担任准直器接受激光的功能外，还同时起到小孔选择输入光谱的功能，通过改变准直器的的横向位置，即准直器在光谱散开空间上的位置，可以改变进入激光器中的光谱频段，从而控制输出激光脉冲的波长。并且两个准直器可以分别移动，即通过改变两个准直器的横向位置可以调谐双波长间的间隔距离；因为准直器的通光口径大小固定，所以通过改变该准直器的纵向位置，即准直器到光栅的距离，可以改变进入激光腔中的光谱宽度从而控制输出激光脉冲的谱宽和脉冲宽度。
增益光纤(3)为掺稀土增益介质光纤，例如铒3+光纤、Yb3+光纤、Tm3+光纤。
本发明具有的有益效果：
1、采用非线性偏振旋转技术进行锁模，避免了使用易坏的可饱和吸收体，增大了激光器的稳定性。
2、采用同一激光增益光纤和非线性偏振锁模器件，增大了两个波长在激光腔中的交叉相位调制相互作用的距离，即可以增大同步锁模时两个激光腔腔长失调范围。
3、可以通过旋转腔内半波片的角度调节入射到第一激光腔以及第二激光腔中的增益激光比例，从而达到两个激光波长互相切换的作用。
4、通过改变分光光栅的角度可以调谐激光器的输出波长，通过改变准直器在光谱空间上的位置可以改变双波长间的间隔，通过改变准直器离分光光栅的位置可以改变激光输出脉冲的脉冲谱宽和脉冲宽度。
附图说明
图1为本发明所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器的结构示意图。
图2为发明实施例所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器输出激光经光栅分光后在红外激光上转换片上形成的光斑分布情况。
图3为本发明实施例所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器不同工作状态下的双波长锁模激光输出:(a)同步双波长锁模脉冲输出；(b)切换为1540nm情况下的锁模激光输出；(c)切换为1555nm情况下的锁模激光输出。
图4为本发明实施例所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器输出的分别两个波长的激光脉冲宽度
图5为本发明实施例所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器的腔长失调长度对两个波长脉冲输出的重复频率的影响，由图可知，在该情况下可容忍的腔长失调长度为0.46mm。
图6为本发明实施例所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器的不同腔长失调情况下同步双波长激光输出的光谱图。
图7为本发明实施例所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器的输出波长随光栅9的角度变化而变化的情况
图8为本发明实施例所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器的输出双波长间的间隔随第二准直器在横向位置的变化而变化的情况。
图中标记：半导体激光器1，波分复用器2，增益光纤3，第一准直镜4，第一 半波片5，第一四分之一波片6，第一偏振分光器7，法拉第隔离器8，闪耀光栅9， 银镜10，半波片11，第二偏振分光器12，第二半波片13，第二准直镜14，第一 色散补偿光纤15，第三半波片16，第二四分之一波片17，第三准直镜18，第二色散 补偿光纤19，50：50耦合器20。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器包括半导体激光器，波分复用器，增益光纤，第一准直镜，第一半波片，第一四分之一波片，第一偏振分光器，法拉第隔离器，闪耀光栅，银镜，半波片，第二偏振分光器，第二半波片，第二准直镜，第 一色散补偿光纤，第三半波片，第二四分之一波片，第三准直镜，第二色散补偿光纤，50：50 耦合器，泵浦光源1为光纤耦合输出的半导体激光器，其输出波长为976nm的泵浦光，输出功率为450mW；光纤芯径为8μm，数值孔径为0.12；该光纤耦合输出的半导体激光器与波分复用器2中976nm的接收端通过光纤熔接联结；波分复用器2中976nm以及1550nm的结合端与掺铒光纤通过光纤熔接联结；该掺铒光纤3为Thorlabs铒80-8/125，长度为75cm。闪耀光栅9的光纤刻度为600线/毫米，闪耀角为28度41分。第一准直镜4，第二准直镜14与第三准直镜18的焦距为18mm。由于铒光纤在1.55微米为正色散光纤，所以第一色散补偿光纤16以及第二色散补偿光纤19均为普通的单模光纤即可。
基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器的输出激光经光栅分光后在红外激光上转换片上形成的光斑分布情况如图2所示，由图2可以清楚地表明，所述激光器为双波长输出。
基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器在转动半波片11下 获得的不同工作状态的双波长锁模激光输出如图3所示，其中图3(a)表示同步双波长锁模 脉冲输出；图3(b)表示切换为1540nm情况下的锁模激光输出；图3(c)表示切换为1555nm情 况下的锁模激光输出。
基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器输出的两个波长分别的激光脉冲宽度有自相关仪测量分别为1.38ps和1.70ps，如图4所示。
基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器输出的两个波长激光的锁模重复频率随第三准直镜的纵向位置的变化而变化的情况如图5所示。由图5所知，当第三准直镜移动的时候，第二激光腔的激光脉冲输出重复频率发生变化，第三准直透镜远离第二偏振分光器12的时候，第二激光腔的激光脉冲输出重复频率减小。由于交叉相位调制相互作用，第一激光腔的激光脉冲输出重复频率随第二激光腔的激光脉冲输出重复频率变化而变化，以达到同步双波长锁模激光脉冲输出，直到第三准直镜移动距离超过腔长失调可容忍范围。在该实施例中，腔长失调可容忍范围为0.46mm。
基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器的不同腔长失调情况下同步双波长激光输出的光谱情况如图6所示。由图6所知，当第三准直镜远离第二偏振分光器12的时候，双波长中较短波长锁模的脉冲峰值波长从1540.7nm频移到1545.7nm，而双波长中较长波长锁模的脉冲峰值波长从1559.4nm频移到1563.2nm。激光输出波长的频移是因为腔内强的交叉向位调制作用强迫激光输出通过改变波长从而改变激光腔中的色散，以达到同步输出的目的。当第三准直镜移动距离超过腔长失调可容忍范围时，激光器不再输出双波长，而只有单波长锁模激光输出。
基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器的双波长随闪耀光栅9的角度变化的情况如图7所示。在本实施例中我们获得了约5.6nm的可调谐范围。
基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器的双波长锁模波长间的间隔随第二准直器在横向位置的变化而变化的情况如图8所示。在本实施例中我们实现了波长间隔从10.5nm到28.2nm可调的范围，远大于一般的采用非线性偏振旋转技术锁模的波长间隔可调谐范围。

Claims (8)

1.基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，包括半导体激光器(1)，波分复用器(2)，增益光纤(3)，第一准直镜(4)，第一半波片(5)，第一四分之一波片(6)，第一偏振分光器(7)，法拉第隔离器(8)，闪耀光栅(9)，银镜(10)，半波片(11)，第二偏振分光器(12)，第二半波片(13)，第二准直镜(14)，第一色散补偿光纤(15)，第三半波片(16)，第 二四分之一波片(17)，第三准直镜(18)，第二色散补偿光纤(19)，50：50耦合器(20)，半导体激光器(1)作为泵浦源与波分复用器(2)的泵浦波长输入端通过光纤熔接联结，泵浦源通过波分复用器(2)为增益光纤(3)提供泵浦光，其特征在于：增益光纤(3)的一端与波分复用 器(2)的输出端通过光纤熔接联结，增益光纤(3)的另一端与第一准直器(4)通过光纤熔接 联结，增益激光通过第一准直镜(4)准直后依次入射到第一半波片(5)、第一四分之一波片(6)、第一偏振分光器(7)和法拉第隔离器(8)上，通过法拉第隔离器(8)的激光为p偏振光，p偏振光入射到分光组件上，分光组件包括闪耀光栅(9)、银镜(10)、半波片(11)和第二 偏振分光器(12)，通过闪耀光栅(9)将激光光谱从空间上分开，并通过半波片(11)和第 二偏振分光器(12)控制入射到第一激光腔和第二激光腔的增益激光的比例。
2.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，其特征在于：p偏振光通过第二偏振分光器(12)入射到第二半波片(13)后通过第二准直器(14)进入第一激光腔中；s偏振光通过第二偏振分光器(12)入射到第三半波片(16)，第二四分之一波片(17)后通过第三准直器(14)进入第二激光腔中。
3.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，其特征在于：第二准直器(14)与第一色散补偿光纤(15)的一端通过光纤熔接联结，第三准直器(18)与第二色散补偿光纤(19)的一端通过光纤熔接联结。
4.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，其特征在于：第一色散补偿光纤(15)以及第二色散补偿光纤(19)的另一端与50：50耦合器(20)的分光端分别通过光纤熔接联结，50：50耦合器 (20)的另一端与波分复用器(2)的激光波长输入端通过光纤熔接联结。
5.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，其特征在于：第一激光腔和第二激光腔共同使用同一激光增益光纤和非线性偏振锁模器件，并且第一激光腔和第二激光腔的输出端都为第一偏振分光器的发射输出口，第一激光腔和第二激光腔可共线激光输出，保证了很长的双色波长激光脉冲的重合作用区，从而产生两个激光脉冲交叉相位调制的相互作用，使得两个激光器波长发生移动，从而较大腔长失调范围内的自动实现两个波长的脉冲激光重复频率锁定而实现同步。
6.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，其特征在于：通过旋转半波片(11)与入射增益激光偏振器的角度，可以调节入射到第一 激光腔以及第二激光腔中的增益激光比例，从而达到两个激光波长互相切换的作用。
7.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，其特征在于：通过闪耀光栅(9)可以调谐入射到第二准直器(14)和第三准直器(18)中的光谱频段，从而达到同时调谐激光双波长输出的输出波长。
8.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转锁模的多波长同步输出光纤激光器，其特征在于：通过闪耀光栅(9)可以将增益激光的光谱从空间上分开，第二准直器(14)和第三准直器(18)除了担任准直器接受激光的功能外，还同时起到小孔选择输入光谱的功能，通过改变准直器的横向位置，即准直器在光谱散开空间上的位置，可以改变进入激光器中的光谱频段，从而控制输出激光脉冲的波长。并且第二准直器(14)和第三 准直器(18)可以分别移动，即通过改变第二准直器(14)和第三准直器(18)的横向位置可以调谐双波长间的间隔距离；因为准直器的通光口径大小固定，所以 通过改变该准直器的纵向位置，即准直器到光栅的距离，可以改变进入激光腔中的光谱宽 度从而控制输出激光脉冲的谱宽和脉冲宽度。
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