CN106711748A - 一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统及方法，旨在解决现有光纤激光器难以实现高能量矩形脉冲输出的技术问题。所述系统包括依次通过单模光纤(8)连接的泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺镱增益光纤(3)、新型可饱和吸收体(4)、偏振无关隔离器(5)、输出耦合器(6)和偏振控制器(7)。本发明具有结构简单，成本低廉，稳定性好等优点，在应用上可直接作为皮秒以及纳秒脉冲光源使用，也可以作为高能量脉冲放大器的种子源。本发明提出的产生高能量矩形脉冲的方法，对于设计满足特定要求的新型可饱和吸收体具有十分重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统及方法的设计。
背景技术
高能量的超短脉冲光纤激光器在通信、传感、精密机械加工、材料处理、生物医学和国防军事等领域均有重要的应用。一般采用锁模技术获得超短脉冲(脉冲宽度在皮秒或飞秒量级)，锁模技术主要可以分为主动锁模、被动锁模两种。相比于主动锁模，被动锁模技术由于不需要额外引入调制器，具有结构简单紧凑、易于实现全光纤化等优势，成为研究热点，具有重要的应用价值。
被动锁模技术是利用可饱和吸收体(saturable absorber)的非线性损耗特性实现锁模。其基本原理是利用光纤或其他器件的非线性光学效应对输入脉冲的强度依赖性，实现腔内各纵模间相位锁定，进而获得超短脉冲。各种锁模技术，如非线性偏振旋转(NPR)、半导体可饱和吸收体镜(SESAM)、单壁碳纳米管(SWCNT)等已经被成功用于实现稳定的锁模脉冲输出。但这些技术都存在一些不足，NPR锁模技术对偏振态十分敏感，容易受到外界环境扰动；SESAM制作工艺复杂，生产成本高；SWCNT可饱和吸收体制作时其直径不可控，使得其对特定的激光波长具有较大的插入损耗，导致可饱和吸收效应不明显。以上的这些缺点激励了研究人员不断探寻新的锁模器件。
2004年英国曼彻斯特大学的A.K.Geim和K.S.Novoselov等人利用机械剥离法从块状石墨上得到二维纳米材料石墨烯。由于石墨烯具有优异的电子学、光学特性，已在纳米电子学、超级电容器、新能源电池、超快光学等领域获得广泛应用。随着石墨烯的成功应用，研究人员将目光投向其他类石墨烯(Graphene-like)二维材料上。MoS2、WS2等过渡金属硫化物相继被用作可饱和吸收体用于光纤激光器锁模。同时，科研人员也尝试通过将这些新型二维材料像搭积木的方式堆叠起来，形成范德瓦尔斯异质结(Van der Waalsheterostructures)，它是一种人造二维材料，其最大特点是材料的结构及其电子学、光学特性可根据需要人为设计。
一般而言，随着泵浦功率的增加，锁模光纤激光器中的脉冲将积累很强的非线性相移。过度的非线性相移在色散的作用下，脉冲将发生畸变，引起光波分裂(wave-breaking)，腔内形成多脉冲(multipulse)。这极大地限制了输出脉冲的单脉冲能量。因此，为了得到高能量的脉冲，必须对激光腔内非线性效应进行合理的控制。通常的方案是在激光腔内进行色散设计，根据输出锁模脉冲的不同特性，可将其大致分为传统孤子(conventional soliton)、展宽脉冲(stretched pulse)、自相似脉冲(self-similarpulse)以及耗散孤子(dissipative soliton)四类。
当腔内仅含有负色散光纤时，由于腔内负群速度色散(negative GVD)和非线性效应(nonlinearity)的平衡作用，锁模脉冲将整形为孤子脉冲。但传统孤子脉冲的能量量子化效应限制了这类光纤激光器输出脉冲的最大能量。由于受孤子面积理论(soliton areatheory)的限制，孤子脉冲能量被限制在0.1nJ左右。通过采用色散管理(dispersionmanagement)技术设计腔结构，实现了光纤激光器输出展宽脉冲。由于锁模脉冲在腔内周期性的经历展宽和压缩，有效降低了脉冲的峰值功率，因而可以承受较大的非线性相移而不引起光波分裂。展宽脉冲的输出能量相比传统孤子提高了一个数量级，达到1nJ左右。理论研究表明，在正色散增益光纤中脉冲将自相似地演化为抛物线型脉冲，在放大过程中，脉冲形状保持不变，但脉宽和谱宽不断增加，实现无波分裂自相似演化。自相似脉冲数学上是考虑增益的非线性薛定谔方程(Nonlinear Schrodinger Equation)在正色散区的自相似解。自相似脉冲由于腔内增益带宽的限制，单脉冲能量在10nJ左右。
为了进一步提高脉冲能量，研究人员通过将腔内色散移至净正色散(net normaldispersion)或全正色散(all normal dispersion)区，获得了一种新型孤子脉冲。一般采用立方-五次方金兹堡-朗道方程(Cubic-quintic Ginzburg-Landau equation)描述在正色散光纤激光器中的脉冲演化。与传统孤子不同的是，在正色散光纤激光器中形成的脉冲是增益、损耗、色散、非线性效应等共同作用的结果，其中增益和损耗在脉冲形成过程中起主导作用，故称之为耗散孤子或者增益导引型孤子(gain-guided soliton)。典型的耗散孤子脉冲具有较大的脉宽，可达到几十皮秒，脉冲具有极大的频率啁啾，单脉冲能量可以达到几十nJ的水平。
尽管通过改变腔内净色散值，输出锁模脉冲的能量得到显著提高，但是这四类脉冲都无法完全避免光波分裂，多脉冲的产生极大地限制了单脉冲能量。
矩形光脉冲在光通信、光纤光栅、超快光学等领域都有广泛的应用前景。一般情况下，被动锁模光纤激光器的输出脉冲在时域上为高斯或双曲正割形。目前，国内外大部分在被动锁模光纤激光器中获得矩形脉冲输出的报道都是基于等效可饱和吸收体(如NPR锁模技术)实现的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有光纤激光器中难以直接输出高能量脉冲的问题，提出了一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统及方法。
本发明的技术方案为：一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，包括泵浦源、波分复用器、掺镱增益光纤、新型可饱和吸收体、偏振无关隔离器、输出耦合器以及偏振控制器；波分复用器、掺镱增益光纤、新型可饱和吸收体、偏振无关隔离器、输出耦合器、偏振控制器依次通过单模光纤闭环连接，泵浦源与波分复用器的输入端连接，输出耦合器的输出端输出矩形脉冲。
优选地，泵浦源为半导体激光器或者光纤激光器，输出泵浦光的中心波长λ为：980nm。
优选地，波分复用器的波分范围为980nm/1060nm。
优选地，的掺镱增益光纤的长度为0.6m，在1060nm附近具有正色散。
优选地，输出耦合器的输出比率为10％。
优选地，单模光纤的长度为3m，在1060nm附近具有正色散。
优选地，新型可饱和吸收体采取机械分离、化学剥离或气相沉积的制备方法制得，其组成成分包括由石墨烯、过渡金属硫化物或拓扑绝缘体构成的二维异质结材料。
优选地，新型可饱和吸收体具有可饱和吸收和激发态吸收两种效应，在输入脉冲峰值功率超过激发态吸收效应产生的功率阈值后，表现为透射率随入射脉冲功率的增加而减少。
优选地，新型可饱和吸收体具有光谱滤波器的作用。
本发明还提出了一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生方法，包括以下步骤：
S1、当泵浦源的功率超过锁模阈值后，系统腔内最初由于自发辐射产生的噪声脉冲在腔内多次经过掺镱增益光纤后得到放大；
S2、腔内非线性效应导致脉冲光谱展宽，并产生正的频率啁啾，同时腔内正色散导致脉冲在时域上展宽，正色散和自相位调制的共同作用使得脉冲具有很强的频率正啁啾；
S3、新型可饱和吸收体作为锁模器件，当入射脉冲峰值功率小于使锁模器件产生激发态吸收效应的功率阈值时，锁模器件使脉冲中心透射率高于脉冲前后沿，使得脉冲每次通过后前后沿得到抑制，脉宽被压缩，同时将脉冲高频分量和低频分量滤掉；
S4、偏振无关隔离器抑制后向反馈，保证系统单向运转；
S5、重复步骤S1-S4，直至在腔内形成自洽演化，最终获得稳定的锁模脉冲，并通过输出耦合器输出；
S6、增加泵浦源的功率，使得腔内脉冲的峰值功率不断增加，直至超过激发态吸收效应产生的功率阈值；
S7、新型可饱和吸收体产生激发态吸收效应，脉冲中心部分的透射率减小，从而使得脉冲峰值功率受到钳制，脉冲时域形状逐渐变为矩形；随着泵浦源的功率进一步增大，脉冲宽度不断增加，从而形成高能量矩形激光脉冲，并通过输出耦合器输出。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所用器件均为普通光纤激光器所用的普通器件，都已经商用化，新型可饱和吸收体的制备工艺也较为成熟，使得本发明的方法结构简单，成本低廉。
(2)本发明采用全光纤结构，光束质量好，转换效率高，散热好，无需准直。
(3)本发明相比于基于等效可饱和吸收体(如NPR锁模技术)实现矩形脉冲输出而言，对环境扰动不敏感，激光系统工作稳定性好。
(4)本发明由于不含有偏振相关器件，可作为研究矢量耗散孤子演化的理想平台。
(5)本发明产生的矩形脉冲具有稳定的脉冲宽度和超高的脉冲能量，其脉冲宽度在很大范围内连续可调，可以作为皮秒以及纳秒脉冲光源使用。
(6)本发明产生的矩形脉冲可作为高能量脉冲放大器的种子源。
(7)本发明对于设计满足特定要求的可饱和吸收体具有指导意义。
(8)本发明提供的满足特殊要求的新型可饱和吸收体对于获得稳定的锁模脉冲以及进而实现高能量的矩形脉冲输出起到了关键作用。
附图说明
图1为本发明提供的一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统结构示意图。
图2为本发明提供的新型可饱和吸收体的非线性透射率曲线图。
图3为传统可饱和吸收体的非线性透射率曲线图。
图4为本发明实施例的不同泵浦功率条件下的脉冲时域形状示意图。
图5为本发明实施例的不同泵浦功率条件下的脉冲频谱图。
图6为本发明实施例的输出脉冲的自相关曲线图。
图7为本发明实施例的锁模脉冲能量与泵浦功率的关系图。
附图标记说明：1—泵浦源、2—波分复用器、3—掺镱增益光纤、4—新型可饱和吸收体、5—偏振无关隔离器、6—输出耦合器、7—偏振控制器、8—单模光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，如图1所示，包括泵浦源1、波分复用器2、掺镱增益光纤3、新型可饱和吸收体4、偏振无关隔离器5、输出耦合器6以及偏振控制器7。波分复用器2、掺镱增益光纤3、新型可饱和吸收体4、偏振无关隔离器5、输出耦合器6、偏振控制器7依次通过单模光纤8闭环连接。泵浦源1与波分复用器2的输入端连接，输出耦合器6的输出端输出矩形脉冲。
其中，泵浦源1为半导体激光器或者光纤激光器，本发明实施例中，泵浦源1采用中心波长为980nm的单模半导体激光器。
波分复用器2的波分范围为980nm/1060nm。
掺镱增益光纤3可采用美国Nufern公司生产的高增益光纤，其长度为0.6m，在1060nm处其色散系数D为-60ps/nm/km。
输出耦合器6的输出比率为10％。
偏振无关隔离器5和偏振控制器7均为本领域常用标准器件。
单模光纤8可采用美国Nufern公司生产的高性能单模光纤，其总长度为3m，在1060nm处其色散系数D为-38ps/nm/km。
新型可饱和吸收体4采取机械分离、化学剥离或气相沉积的制备方法制得，其组成成分包括由石墨烯、过渡金属硫化物或拓扑绝缘体构成的二维异质结材料。本发明实施例中，新型可饱和吸收体4可采用化学气相沉积法制备获得，并通过特殊的转移工艺转移到光纤连接头端面上，并与另一个连接头通过法兰连接，形成光纤型锁模器件。新型可饱和吸收体4在输入脉冲峰值功率超过激发态吸收效应产生的功率阈值后，表现为透射率随入射脉冲功率的增加而减少。新型可饱和吸收体4具有光谱滤波器的作用。
本发明中涉及的物理模型及数值模拟方法具体如下：
为了真实、准确地模拟本发明提供的系统中矩形脉冲的产生和演化过程，采用的物理模型充分考虑系统内各个分立器件对腔内脉冲传输的影响，并通过分步傅立叶算法进行数值模拟。当光脉冲经过腔内器件(如输出耦合器6，偏振控制器7等)时，将光场乘以该器件的传输矩阵；当光脉冲经过腔内光纤时，采用耦合的非线性薛定谔方程描述脉冲在光纤中的传输特性：
式中u和v是脉冲两个正交分量的振幅包络；t和z分别是时间和传输距离；i为虚数单位；α，δ，β2，γ和Ωg分别代表光纤损耗，两个偏振分量对应的群速度差，光纤色散，非线性参量和增益带宽。g是光纤增益系数，对于普通单模光纤而言，g＝0。考虑增益饱和效应，增益系数g可表示为：
g＝g0exp(-Ep/Es) (2)
式中g0，Ep和Es分别代表小信号增益系数，脉冲能量以及增益饱和能量，g0与泵浦源1的功率成正比。
当光脉冲经过新型可饱和吸收体4时，将光场乘以对应的传输方程。采用公式(3)描述新型可饱和吸收体4的透射率T(I)随入射脉冲功率I的变化规律：
式中α0，αNS，I和Is分别是调制深度，非饱和吸收系数，入射脉冲功率以及饱和光功率；β代表激发态吸收系数。
与传统的可饱和吸收体不同的是，本发明提供的可用来产生高能量矩形脉冲的新型可饱和吸收体4需要具有激发态吸收效应。
本发明实施例中，采用高斯型滤波函数描述新型可饱和吸收体对脉冲光谱的滤波效应，滤波带宽设为10nm。根据本发明提出的全光纤结构高能量矩形脉冲产生系统建立数值模型，为了精确模拟本发明提出的全光纤结构高能量矩形脉冲产生系统，我们充分考虑了腔内各个元器件对脉冲演化的影响。仿真参数为：掺镱增益光纤3长为0.6m，在1060nm处其色散系数D为-60ps/nm/km；腔内单模光纤8总长度为3m，在1060nm处其色散系数D为-38ps/nm/km；非线性参量γ为5.8/W/km；增益带宽Ωg为40nm；增益饱和能量Es为1nJ；调制深度α0为0.7，非饱和吸收系数αNS设为0，饱和光功率Is设为10W，激发态吸收系数β为0.006/W，由此给出的新型可饱和吸收体的透射率随入射脉冲功率的变化规律如图2所示。对于不具有激发态吸收效应的传统可饱和吸收体，即激发态吸收系数β为0/W，其透射率随入射脉冲功率的变化规律如图3所示。仿真中发现，对于采用传统可饱和吸收体作为锁模器件的激光系统，随着泵浦功率的不断增加，锁模脉冲由典型耗散孤子塌陷为类噪声脉冲，无法获得矩形脉冲。
本发明还提供了一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生方法，包括以下步骤：
S1、当泵浦源1的功率超过锁模阈值后，系统(本发明中系统均指本发明提供的全光纤结构高能量矩形脉冲产生系统)腔内最初由于自发辐射产生的噪声脉冲在腔内多次经过掺镱增益光纤3后得到放大。
S2、腔内由于自相位调制(self-phase modulation)等非线性效应导致脉冲光谱展宽，并产生正的频率啁啾，同时腔内正色散导致脉冲在时域上展宽，正色散和自相位调制的共同作用使得脉冲具有很强的频率正啁啾。
S3、新型可饱和吸收体4作为锁模器件，当入射脉冲峰值功率小于使锁模器件产生激发态吸收效应的功率阈值时，锁模器件使脉冲中心透射率高于脉冲前后沿，使得脉冲每次通过后前后沿得到抑制，脉宽被压缩。同时由于新型可饱和吸收体4自身的光谱滤波效应，脉冲高频分量和低频分量被滤掉。
S4、偏振无关隔离器5抑制后向反馈，保证系统单向运转。
S5、重复步骤S1-S4，直至在腔内形成自洽演化，最终获得稳定的锁模脉冲，并通过输出耦合器6输出。此时得到的是典型的耗散孤子，脉冲时域形状为高斯型，对应的光谱具有陡峭的边沿。
S6、增加泵浦源1的功率，对应于不断增加小信号增益系数g0，使得脉冲的峰值功率不断增加，直至超过激发态吸收效应产生的功率阈值(即图2曲线上透射率拐点位置对应的入射脉冲功率值)。
S7、新型可饱和吸收体4产生激发态吸收效应，脉冲中心部分的透射率减小，从而使得脉冲峰值功率受到钳制，脉冲时域形状逐渐变为矩形。随着泵浦源1的功率进一步增大，脉冲宽度不断增加，从而形成高能量矩形激光脉冲，并通过输出耦合器6输出。因此，高能量矩形脉冲的产生是新型可饱和吸收体4的激发态吸收效应作用的结果。
对本发明提供的全光纤结构的高能量矩形脉冲产生系统进行了数值模拟，其结果如下：
图4所示是不同泵浦功率下的锁模脉冲时域形状。从中可以清楚的看到，随着小信号增益系数的不断增加，脉冲峰值功率逐渐增大，随后脉冲峰值功率因受到钳制而保持不变。脉冲逐渐由高斯型变为矩形，脉冲宽度不断增加。
图5所示是不同泵浦功率条件下的脉冲频谱图。随着小信号增益系数的不断增加，脉冲3dB光谱宽度几乎不变，峰值功率不断增加。
图6所示是在小信号增益系数g0为15000时输出脉冲的自相关曲线，其形状为三角形，验证了产生的脉冲是矩形单脉冲而不是类噪声脉冲。
图7所示是矩形脉冲能量与泵浦功率之间的关系，可以看到随着小信号增益系数的不断增加，脉冲能量线性增加，系统始终保持无光波分裂的单脉冲输出。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺镱增益光纤(3)、新型可饱和吸收体(4)、偏振无关隔离器(5)、输出耦合器(6)以及偏振控制器(7)；所述波分复用器(2)、掺镱增益光纤(3)、新型可饱和吸收体(4)、偏振无关隔离器(5)、输出耦合器(6)、偏振控制器(7)依次通过单模光纤(8)闭环连接；所述泵浦源(1)与波分复用器(2)的输入端连接；所述输出耦合器(6)的输出端输出矩形脉冲。
2.根据权利要求1所述的全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述泵浦源(1)为半导体激光器或者光纤激光器，输出泵浦光的中心波长λ为：980nm。
3.根据权利要求1所述的全光纤结构的高能量矩形脉冲产生系统，其特征在于，所述波分复用器(2)的波分范围为980nm/1060nm。
4.根据权利要求1所述的全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述的掺镱增益光纤(3)的长度为0.6m，在1060nm附近具有正色散。
5.根据权利要求1所述的全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述输出耦合器(6)的输出比率为10％。
6.根据权利要求1所述的全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述单模光纤(8)的长度为3m，在1060nm附近具有正色散。
7.根据权利要求1所述的全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述新型可饱和吸收体(4)采取机械分离、化学剥离或气相沉积的制备方法制得，其组成成分包括由石墨烯、过渡金属硫化物或拓扑绝缘体构成的二维异质结材料。
8.根据权利要求1所述的全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述新型可饱和吸收体(4)具有可饱和吸收和激发态吸收两种效应，在输入脉冲峰值功率超过激发态吸收效应产生的功率阈值后，表现为透射率随入射脉冲功率的增加而减少。
9.根据权利要求1所述的全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述新型可饱和吸收体(4)具有光谱滤波器的作用。
10.一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、当泵浦源(1)的功率超过锁模阈值后，系统腔内最初由于自发辐射产生的噪声脉冲在腔内多次经过掺镱增益光纤(3)后得到放大；
S2、腔内非线性效应导致脉冲光谱展宽，并产生正的频率啁啾，同时腔内正色散导致脉冲在时域上展宽，正色散和自相位调制的共同作用使得脉冲具有很强的频率正啁啾；
S3、新型可饱和吸收体(4)作为锁模器件，当入射脉冲峰值功率小于使锁模器件产生激发态吸收效应的功率阈值时，锁模器件使脉冲中心透射率高于脉冲前后沿，使得脉冲每次通过后前后沿得到抑制，脉宽被压缩，同时将脉冲高频分量和低频分量滤掉；
S4、偏振无关隔离器(5)抑制后向反馈，保证系统单向运转；
S5、重复步骤S1-S4，直至在腔内形成自洽演化，最终获得稳定的锁模脉冲，并通过输出耦合器(6)输出；
S6、增加泵浦源(1)的功率，使得腔内脉冲的峰值功率不断增加，直至超过激发态吸收效应产生的功率阈值；
S7、新型可饱和吸收体(4)产生激发态吸收效应，脉冲中心部分的透射率减小，从而使得脉冲峰值功率受到钳制，脉冲时域形状逐渐变为矩形；随着泵浦源(1)的功率进一步增大，脉冲宽度不断增加，从而形成高能量矩形激光脉冲，并通过输出耦合器(6)输出。
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