CN106129786A - 基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，包括首尾顺次连接的(2+1)×1合束器、掺铥光纤、耦合器、偏振控制器、偏振无关隔离器、拉锥光纤及单壁碳纳米管，所述(2+1)×1合束器还连接有泵浦光源；所述耦合器的耦合比为10:90，包括10％输出端口和90％输出端口共两个端口，所述10％输出端口连接有输出光纤，所述90％输出端口与所述偏振控制器连接；所述拉锥光纤的调制周期为6.8～7.2纳米，所述拉锥光纤的锥腰为7.0～7.5微米。本发明通过具有特定调制周期和调制深度的拉锥光纤，利用拉锥光纤成功抑制激光模式竞争的问题，实现了基于拉锥光纤的可调谐2μm波段双波长锁模光纤激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调谐双波长锁模光纤激光器，属于光纤激光器领域，更具体的说是涉及一种基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器。
背景技术
超短脉冲激光在光纤通信、生物技术、医疗、激光光谱学、超精细加工、时间分辨光谱学等领域具有广泛的应用。锁模技术是获得超短光脉冲的一种常用方法。因此,对输出飞秒脉冲的锁模光纤激光器的研究成为近几年激光技术领域研究的一个热点。一般来说，根据锁模方式的不同，可以将锁模光纤激光器分为两大类：一类是主动锁模光纤激光器，其腔内必须插入微波信号驱动的强度调制器或相位调制器，提供主动锁模所必须的振幅调制或相位调制。另一类是被动锁模光纤激光器，这类光纤激光器采用的是全光纤腔的结构，腔内除了增益介质，并不需要调制器和其他的有源器件。近年来被动锁模光纤激光器得到了迅猛发展，在皮秒和飞秒量级光源方面具有广泛的应用。
被动锁模是获取超短脉冲的一个非常重要的途径，它的基本原理是利用腔内非线性器件的光透过率对输入脉冲光强的依赖性，使得脉冲在腔内循环时被不断地窄化。相比于主动锁模，被动锁模光纤激光器的结构简单、紧凑，能够输出飞秒量级的超短脉冲，不需要额外的调制器件即可以实现锁模，而且锁模脉冲脉宽更窄，脉冲能量更高，是目前获取光孤子脉冲的理想平台。此外，被动锁模光纤激光器输出的孤子脉冲具有一些独特的特征，比如光谱边带、泵浦迟滞、脉冲能量量子化、多脉冲输出和被动谐波锁模等现象。目前，利用真实可饱和吸收体的锁模技术以及基于非线性光环形镜(NOLM)、非线性放大环 形镜(NALM)和非线性偏振旋转效应(Nonlinear polarization rotation,NPR)的人工可饱和吸收体锁模技术是被动锁模光纤激光器中最常用的两种方式。
可饱和吸收体已经被广泛地用于被动锁模光纤激光器中，其锁模原理主要是基于光脉冲在激光腔内受到的可饱和吸收体和增益介质的共同作用来实现锁模的，因此可饱和吸收体的特征参数，如吸收波长、弛豫时间和饱和通量等，将决定锁模脉冲的质量。常见的基于可饱和吸收体的被动锁模掺铒光纤激光器的锁模机制如下：当光脉冲经过可饱和吸收体时，峰值功率高时吸收体饱和，损耗小，峰值功率低时吸收体未饱和，损耗大；因此，脉冲中心透过率高，而脉冲两翼透过率低，从而脉冲不断变窄。由于可饱和吸收体的弛豫时间通常都比较长，因此受限于这个弛豫时间，锁模脉冲的脉冲宽度都比较宽，但是随着孤子脉冲的形成，脉冲宽度会不再由可饱和吸收体的弛豫时间所决定，在腔内光纤非线性效应的作用下，锁模脉冲宽度能够变得比弛豫时间更窄。在孤子脉冲形成之后，可饱和吸收体就会通过抑制背景噪声来进一步稳定孤子脉冲的输出。此外，可饱和吸收体还具有能够实现激光器的自启动锁模的优点。。
当前，半导体可饱和吸收镜(Semiconductor saturable absorber mirror,SESAM)作为典型的可饱和吸收体，由于其可饱和吸收特性与偏振无关，因此，在研究孤子脉冲的矢量特性方面具有优势，但是SESAM的损伤阈值低，限制了其在高功率情况下的应用。近年来，基于单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotube,SWCNT)材料的可饱和吸收体和基于石墨烯(Graphene)材料的可饱和吸收体作为被动锁模器件，已经成功地应用于光纤激光器中并且表现出良好的锁模特性，有望成为新一代的商用可饱和吸收体锁模器件。
由于在光纤传感、光信号处理和波分复用通信等领域的良好应用前景，多波长被动锁模光纤激光器在近年引起了广泛的关注。传统技术中，为了能在室温下实现多波长输出，需要使用诸如李约滤镜、Sagnac滤波器、马赫-增德尔干涉仪等光梳滤波器作为波长选择器件。当光梳滤波器与传统的非线性偏转技术(NPR)、非线性光环形镜(NOLM)和非线性放大环形镜(NALM)等锁模技术结合时，实现多波长锁模光纤输出就成为了可能。2007年，一种基于马赫-增德尔干涉仪和NPR技术的1μm波段四波长光纤激光器被实现。随着技术发展，为了降低结构复杂度，一种基于偏振器件和激光腔内双折射的简单光梳滤波器被广泛用于超短脉冲NPR激光器的波长选择。类似的，2015年有研究者采用激光偏振方向敏感的可饱和吸收体作为偏振器件，发明了一种可用于多波长锁模的双折射光梳滤波器。也有其它种类的基于双折射的光梳滤波器被证实可用于实现多波长超短脉冲。然而，绝大多数研究都聚焦于1至1.5μm激光波段，仅有少数研究报道2μm波段的多波长激光输出。2015年有人证实了一种可选可调的2μm波段双波长掺铥锁模光纤激光器，该激光器利用双折射光纤和锁模技术实现波长选择。同年有人利用一段双折射光纤在基于NALM的锁模光纤激光器中实现了从1935至1965nm的四波长可选激光输出。值得注意的是，采用上述方法进行波长调谐时并不能精确地控制输出激光的中心波长，这是因为在调节偏振控制器时双折射光纤光梳滤波器会导致随机的波长漂移。
为了精准的控制和调谐多波长激光的中心波长，就必须采用一种对激光偏振态极为敏感的滤波器。级联光纤布拉格光栅(CFBGs)是比较合适的滤波器件，通过在掺铒锁模光纤激光器的谐振腔内加入CFBGs，有人实现了1540、1550、1560nm三波长精确可调激光器。但是，拉制不同中心波长的光纤布拉格光栅需要采用多相位掩模法，其成本较高。另一种方案是采用具有正弦曲线光谱响应 的拉锥光纤实现光梳滤波器，因为在拉锥光纤锥腰处将会发生多模干涉，导致周期性的滤波效应，通过轻微拉伸拉锥光纤可实现稳定的激光输出波长调谐。与CFBGs相比，拉锥光纤结构简单且容易拉制。基于拉锥光纤的滤波效应，一种1546nm至1566nm可调的掺铒连续激光器被人实验证实。采用相似的方法，一种可调范围为50nm的掺铥锁模光纤激光器被报道证实。但是基于拉锥光纤的多波长锁模激光器还未见到相关报道和证实。这其中存在着一个关键技术问题，基于拉锥光纤研制多波长被动锁模光纤激光器时，激光腔内的模式竞争往往会被双折射所致的滤波效应抑制而不是受较弱的拉锥光纤滤波效应控制。所以，为了通过拉锥光纤本身来更好的抑制模式竞争，设计拉锥光纤时需要考虑合理的调制周期和大的调制深度。
如图1所示为一种基于双折射光纤和锁模技术的可调谐双波长激光装置图，其中掺铥单模光纤长度为1.5m，利用两个793nm激光二极管双向泵浦，一个激光二极管的泵浦光使用波分复用器耦合进腔内，另一个激光二极管的泵浦光通过40/60耦合器注入腔内，也当作输出耦合器，100％的793nm泵浦光耦合进腔内，40％的1860nm激光将继续在腔内循环，60％的1860nm激光输出。将70m长的石英光纤用作双折射光纤改变偏振光的偏振态，实现波长选择功能。利用两个偏振控制器和一个偏振相关隔离器构成的非线性偏振旋转结构实现锁模功能，由于偏振相关隔离器包含有偏振片，隔离器的输出光是线性偏振的。然后激光的偏振态被偏振控制器1改变，再通过双折射光纤和偏振控制器2到达隔离器的入口，此时偏振方向变为另一角度。整个激光装置通过偏振相关隔离器的偏振片、两个偏振控制器以及双折射光纤来改变腔内功率相关损耗，使得激光功率高时透过率高，激光功率低时透过率低，形成脉冲调制过程。通过旋转偏振控制器，将出现双波长锁模输出。该方案实现的双波长间的间隔在10nm左右。通过轻旋 转偏振控制器，能够实现1852/1862nm、1863/1874nm和1874/1886nm三对双波长孤子锁模脉冲输出。
由于利用双折射光纤作为波长选择器件，在调节偏振控制器时双折射光纤光梳滤波器会产生随机的波长漂移，其对波长不够敏感，不能精确地控制输出激光的中心波长，且所产生的激光波长仅为1886nm，该波段激光应用较少。
图2为一种基于拉锥光纤和锁模技术的单波长可调谐锁模激光器装置，该激光器装置包括2.2m长的铥钬共掺光纤，采用1571nm的激光二极管作为泵浦，并使用1550/2000nm波分复用器耦合进铥钬共掺光纤的纤芯。该激光器采用可饱和吸收体锁模技术，FTCNT作为可饱和吸收体。与传统锁模技术相比，基于CNT的可饱和吸收体避免了复杂的结构和不稳定性。利用插入的拉锥光纤实现波长选择，最终实现了1866nm-1916nm跨度为50nm的单波长调谐。
该方案虽然用拉锥光纤实现了2μm波段的调谐激光输出，但其仅仅为单波长激光。由于没有克服模式竞争问题，无法实现双波长调谐激光输出。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的技术问题，提供一种基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，解决了以往激光器的双折射光纤技术并不能精确的控制波长、无法解决拉锥光纤引起的抑制模式竞争的技术问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，
包括首尾顺次连接的(2+1)×1合束器、掺铥光纤、耦合器、偏振控制器、偏振无关隔离器、拉锥光纤及单壁碳纳米管，所述(2+1)×1合束器还连接有泵浦光源；
其中，
所述耦合器的耦合比为10:90，包括10％输出端口和90％输出端口共两个端口，所述10％输出端口连接有输出光纤，所述90％输出端口与所述偏振控制器连接；
所述拉锥光纤的调制周期为6.8～7.2纳米，所述拉锥光纤的锥腰为7.0～7.5微米。
所述拉锥光纤的调制周期为7.0纳米，所述拉锥光纤的锥腰为7.2微米。
所述耦合器和偏振无关隔离器之间还连接有色散补偿光纤。
所述掺铥光纤3为2m长的双包层掺铥光纤。
所述双包层掺铥光纤为八边形内包层掺铥光纤。
所述拉锥光纤的两端均设置有微位移光纤夹，微位移光纤夹包括三维平移平台，三维平移平台上端固定有带有V型槽的夹体，夹体上端设置有压铁，所述拉锥光纤通过压铁压紧在V型槽内。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过具有特定调制周期和调制深度的拉锥光纤，利用拉锥光纤成功抑制激光模式竞争的问题，实现了基于拉锥光纤的可调谐2μm波段双波长锁模光纤激光输出。
2、本发明通过轻微拉伸拉锥光纤可精确调谐双波长脉冲的中心波长，可广泛用于光信号处理、光传感、材料工程和光通信，使用范围广，效果好。
3、本发明的可调谐双波长锁模光纤激光器方案为全光纤结构，其结构紧凑、光光转换效率高、运行稳定，便于制造使用，功能性好。
4、本发明的可扩展性好，通过改变泵浦功率可获得连续/多孤子、双孤子、孤子/多孤子多种双波长激光，同时在内加入一段色散补偿光纤 即可实现2μm波段双波长耗散孤子输出，使其同样能够适用于中红外高能脉冲激光领域，且性能优越。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1所示为本发明背景技术中，基于双折射光纤和锁模技术的可调谐双波长激光装置的结构示意图；
图2所示为本发明背景技术中，基于拉锥光纤和锁模技术的单波长可调谐锁模激光器装置的结构示意图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是不同拉锥光纤长度时对于的双波长锁模脉冲光谱图；
图5是1956nm和1979nm双波长耗散孤子光谱图；
图6是本发明微位移光纤夹的结构示意图；
图7是拉锥光纤锥腰直径与拉伸距离的关系示意图；
图中的标记分别表示为：1、泵浦光源；2、(2+1)×1合束器；3、掺铥光纤；4、耦合器；5、输出光纤；6、色散补偿光纤；7、偏振控制器；8、偏振无关隔离器；9、拉锥光纤；10、单壁碳纳米管；11、压铁；12、夹体；13、三维平移平台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图3-图7所示，基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，
包括首尾顺次连接的(2+1)×1合束器2、掺铥光纤3)、耦合器4、偏振控制器7、偏振无关隔离器8、拉锥光纤9及单壁碳纳米管10，所述(2+1)×1合 束器2还连接有泵浦光源1；
其中，
所述耦合器4的耦合比为10:90，包括10％输出端口和90％输出端口共两个端口，所述10％输出端口连接有输出光纤5，所述90％输出端口与所述偏振控制器7连接；
所述拉锥光纤9的调制周期为7.0纳米，所述拉锥光纤9的锥腰为7.2微米。
所述耦合器4和偏振控制器7之间还连接有色散补偿光纤6。
所述掺铥光纤3为2m长的双包层掺铥光纤。
所述双包层掺铥光纤为八边形内包层掺铥光纤。
所述拉锥光纤9的两端均设置有微位移光纤夹，微位移光纤夹包括三维平移平台13，三维平移平台13上端固定有带有V型槽的夹体12，夹体12上端设置有压铁11，所述拉锥光纤9通过压铁11压紧在V型槽内。
本实施例泵浦光源1选用793nm的激光二极管，其最大输出功率为6W，泵浦光源1产生的泵浦光通过(2+1)×1合束器2进入掺铥光纤3中，(2+1)×1合束器2的作用是将泵浦光和在腔内传输一周后的激光耦合进掺铥光纤3中，掺铥光纤3的作用是作为增益光纤为产生2μm波段激光提供能级结构，掺铥光纤3中稀土离子吸收793nm泵浦光后通过能级跃迁产生2μm波段的激光。
耦合器4将产生的2μm激光分为两部分，分别占输入光的10％和90％，10％输出端口输出10％的2μm激光并通过输出光纤5输出，90％输出端口输出90％的2μm激光并通过偏振控制器7继续在激光腔内传输，偏振控制器7的作用是改变和控制激光的偏振态。
为防止激光在腔内反向传输，需要在腔内插入一个偏振无关隔离器8，当 激光正向通过时损耗极低，当激光反向通过偏振无关隔离器8时损耗极高，以此原理来阻隔反向激光。
在偏振无关隔离器9后插入拉锥光纤9用以对激光波长进行选择和调谐，拉锥光纤9两端固定在微位移光纤夹上以便于拉伸拉锥光纤9的长度。
为了对激光进行脉冲调制实现锁模脉冲需要在腔内插入单壁碳纳米管10，单壁碳纳米管10作为可饱和吸收体，其透过率对激光的功率敏感，随着激光功率增加，其透过率增加，可饱和调制深度为21.6％，非饱和损耗为59.6％，具有宽带宽和高稳定性两个特点。
本实施例的掺铥光纤3为一段2m长的双包层掺铥光纤，双包层掺铥光纤为八边形内包层掺铥光纤，其它器件连接光纤和器件尾纤长度合计为6.5m的单模光纤，光纤总腔长约为8.5m；掺铥光纤3和单模光纤的色散值分别为-84ps2/km和-80ps2/km，腔内的净色散约为-0.688ps2，产生的2μm激光工作在反常色散区，所以将会以孤子形式存在。
通过调整偏振控制器6，自启动的1979.2nm的连续、孤子、多孤子激光将分别在泵浦功率为544mW、569mW、618mW时获得。继续增加泵浦功率至992mW，一种自启动的1956/1979nm双波长能够被产生。通过调节微位移光纤夹拉伸拉锥光纤9时，这种2μm波段双波长锁模技术还表现出良好的可调谐性；图4为不同拉伸情况下的三种输出光谱图，可见其双波长的中心波长随着拉锥光纤长度变化而变化，最大的可调范围为7nm，这与拉锥光纤9的调制周期一致，1956nm和1979nm激光光谱的半高全宽分别为2.32nm和2.04nm。
在上述的方案中，在腔内插入一段10m长的色散补偿光纤6，如图3所示，色散补偿光纤6的色散值为89ps2/km，此时激光腔内净色散值约为0.202ps2，激光工作在正常色散区，即可支持耗散孤子的存在，按照此方案可实现1956nm 和1979nm的双波长耗散孤子输出，其光谱如图5所示，从其近似矩形的光谱形状也可判断出此时的激光脉冲为耗散孤子。
如图6所示，拉锥光纤9两端均设置有微位移光纤夹，拉锥光纤9两端直接放置在两个夹体12的V型槽上，夹体12固定在三维平移平台13上，并使用压铁11将拉锥光纤9压在V型槽内，便于通过调节三维平移平台13对拉锥光纤9进行小距离拉伸。
拉锥光纤9在制作时，首先需要将光纤要进行拉锥区域的涂覆层去掉，然后利用脱脂棉蘸酒精擦掉残留的涂覆层碎屑，否则残留的涂覆层碎屑会被火焰烧着，在光纤表面留下一层碳化物质，对光纤表面造成污染，增加损耗，而且也会产生废气污染环境，采用氢氧焰作为热源，氢氧焰温度较高，且燃烧产物是水，不会污染拉锥光纤，采用真空吸附方式将光纤定位并夹紧在熔融型光纤拉锥机的拉锥平台上，然后将洁净的光纤在氢氧焰下加热到熔融状态，同时两端的夹具以一定的速度向两边拉伸，从而最终在加热区形成拉细拉长的拉锥光纤。
拉锥机的拉伸工作距离为12.8cm，拉锥速度范围1400μm/s，火焰扫描速度范围6000μm/s，火头的直径为3mm。
随着拉伸距离的增加，拉锥光纤直径减小，二者关系可拟合成
式中，d为光纤锥腰直径，x为拉伸距离。拉锥光纤锥腰直径与拉伸距离的关系如图7所示。
本实施例将拉锥光纤运用于可调谐2μm波段双波长锁模光纤激光器中和可调谐2μm波段双波长耗散孤子光纤激光器中，通过轻微拉伸拉锥光纤实现中心波长的精确调谐，同时通过改变泵浦功率实现了连续/多孤子、双孤子和 孤子/多孤子三种2μm波段双波长激光输出工作状态的切换，且通过在腔内插入或者去除色散补偿光纤即可实现2μm波段双波长锁模脉冲和双波耗散孤子脉冲的切换，解决了拉锥光纤会抑制2μm波段激光模式竞争的问题，运行稳定，光光转换效率高，可广泛用于光信号处理、光传感、材料工程和光通信领域中。
如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，其特征在于：
包括首尾顺次连接的(2+1)×1合束器(2)、掺铥光纤(3)、耦合器(4)、偏振控制器(7)、偏振无关隔离器(8)、拉锥光纤(9)及单壁碳纳米管(10)，所述(2+1)×1合束器(2)还连接有泵浦光源(1)；
其中，
所述耦合器(4)的耦合比为10:90，包括10％输出端口和90％输出端口共两个端口，所述10％输出端口连接有输出光纤(5)，所述90％输出端口与所述偏振控制器(7)连接；
所述拉锥光纤(9)的调制周期为6.8～7.2纳米，所述拉锥光纤(9)的锥腰为7.0～7.5微米。
2.根据权利要求1所述的基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，其特征在于：所述拉锥光纤(9)的调制周期为7.0纳米，所述拉锥光纤(9)的锥腰为7.2微米。
3.根据权利要求1所述的基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，其特征在于：所述耦合器(4)和偏振控制器(7)之间还连接有色散补偿光纤(6)。
4.根据权利要求1所述的基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，其特征在于：所述掺铥光纤(3)为2m长的双包层掺铥光纤。
5.根据权利要求4所述的基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，其特征在于：所述双包层掺铥光纤为八边形内包层掺铥光纤。
6.根据权利要求1所述的基于拉锥光纤的可调谐双波长锁模光纤激光器，其特征在于：所述拉锥光纤(9)的两端均设置有微位移光纤夹，微位移光纤夹包括三维平移平台(13)，三维平移平台(13)上端固定有带有V型槽的夹体(12)，夹体(12)上端设置有压铁(11)，所述拉锥光纤(9)通过压铁(11)压紧在V型槽内。
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