CN107039876A - 类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器 - Google Patents

类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，包括激光二极管，激光二极管顺次连接有首尾相连的泵浦合束器、掺铥光纤、单模光纤、色散补偿光纤、耦合器、保偏光纤和偏振相关隔离控制器。本发明通过选用单模光纤和色散补偿光纤进行调节，以实现同时输出类噪声脉冲和谐波锁模脉冲，通过耦合器输出，并送入保偏光纤中产生梳状滤波效应，以实现双波长输出；还利用偏振相关隔离控制器来产生NPE效应，形成波长相关损耗，从而实现模式竞争的抑制，以达到双波长锁模的目的；综上所述，通过采用上述方案，本发明能够解决现有技术不能实现同时输出高重频和高脉冲能量的技术问题。

Description

类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种掺铥光纤激光器。
背景技术
首先，实现光纤激光器的高重频一般有两种方式，一种是减小腔长，另一种是通过谐波锁模。第一种方式，光纤激光器受限于自身腔长，基频一般都小于100MHz。若想重复频率达到百兆赫兹，腔长需要控制在2m以内，这将限制增益光纤的长度和输出功率，同时还要采用空间光学元件，严重影响了激光器的可移动性和实用性，实际应用很困难。而谐波锁模则可较容易的实现高重复频率的脉冲光，同时不需要空间光学元件，且无需控制腔长，构建方便，但目前在2微米波段实现的还较少，其原因主要是由于负色散值较大时，孤子分裂阈值高，不易产生高频谐波锁模，重频无法提高，而2微米波段光纤大都是负色散的，而在近零色散区，孤子分裂的阈值低，易于产生高重频，因此若要在2微米波段实现谐波锁模，则需要在腔内加一段正色散光纤进行色散补偿，使激光器工作在近零色散区。
此外，由于脉冲能量作为被动锁模脉冲光纤激光器的一项重要参数指标之一，在一些如激光加工、超连续谱的产生等特殊领域尤为关注。传统的反常色散孤子锁模脉冲光纤激光器受非线性效应影响单脉冲能量一般低于0.1nJ，而类噪声脉冲光纤激光器由于具有较宽的光谱带宽和较高的脉冲能量特性，脉冲能量可达10nJ量级，常用作产生超连续谱的激光光源。
目前的光纤激光器，或者可实现高重复频率的脉冲光输出，但脉冲能量很低；或者可实现高脉冲能量的类噪声脉冲输出，但重复频率很低。可同时输出高重频和高脉冲能量的光纤激光器目前还从未有报道过。
如图3所示，非保偏谐波锁模光纤激光器通过高速带宽强度调制器作为锁模器件，器件两端各连接一个偏振控制器PC1和PC2，12.5Gb/s速率的PPG(Pulse PatternGenerator脉冲发生器)为强度调制器(Intensity modulator)提供高速信号，通过PPG中LDATA的长度适当调节，光纤激光器(Fiber optic laser)就能实现谐波锁模状态运转，当LDATA变为20并适当的调节PC1和PC2即可实现最高30阶谐波锁模，谐波锁模脉冲的重复频率为209.844MHZ，脉冲的SNR达到57dB。
其缺点是：
(1)采用高速宽带强度调制器实现锁模的实验结构相对较为复杂，引入较多的光器件将带来更多额外的耦合损耗；
(2)只实现了一种谐波锁模脉冲的输出，没有类噪声脉冲的输出。
如图4所示，该光纤激光器利用PS-ISO和两个PC所产生的类饱和吸收效应实现了环形腔的锁模机制，利用一段长为14.5cm的掺铥光纤作为激光器的增益介质，PS-ISO的后端接一段长为30m的SMF-28e光纤用于确保稳定的锁模脉冲运行。通过对泵浦功率和PC的调节，当泵浦功率为860mW时，调节两个PC，光谱带宽不断展宽，获得了中心波长为1955nm，对应3-dB带宽达60.2nm的光滑类噪声锁模激光光谱，对应的脉冲能量为17.3nJ。
其缺点是：激光器只有类噪声脉冲的输出。
对应上述现有技术的缺点，本发明具体采用如下方式，提出了一种可同时输出高脉冲能量的类噪声脉冲和高重频的谐波锁模脉冲的光纤激光器结构设计方案，利用激光腔中与波长相关的双折射引起的线性相位延迟，仅通过PC的调节，即可在一个较大的泵浦范围内实现两者的共存。
发明内容
本发明的目的在于：提供类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，以解决现有技术不能实现同时输出高重频和高脉冲能量的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，包括激光二极管，激光二极管顺次连接有首尾相连的泵浦合束器、掺铥光纤、单模光纤、色散补偿光纤、耦合器、保偏光纤和偏振相关隔离控制器。
进一步的，偏振相关隔离控制器为依次连接于保偏光纤的偏振控制器一、偏振相关隔离器和偏振控制器二。
进一步的，泵浦合束器为(N+1)×1泵浦合束器，N为大于或等于0的自然数。
进一步的，泵浦合束器为(2+1)×1泵浦合束器。
进一步的，激光二极管为793nm激光二极管。
进一步的，耦合器的耦合比为10:90。
进一步的，耦合器包括10％输出端口和90％输出端口，10％输出端口连接有输出光纤，90％输出端口与保偏光纤连接。
进一步的，掺铥光纤为双包层掺铥光纤。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明主要通过将顺次连接有首尾相连的泵浦合束器、掺铥光纤、单模光纤、色散补偿光纤、耦合器、保偏光纤和偏振相关隔离控制器的激光二极管连接于激光二极管，激光二极管产生的泵浦光源通过泵浦合束器进入掺铥光纤中，为产生2μm波段激光提供了能级结构，再通过选用单模光纤和色散补偿光纤进行调节，以实现同时输出类噪声脉冲和谐波锁模脉冲，并通过耦合器输出；经耦合器输出后，再送入保偏光纤中产生梳状滤波效应，以实现双波长输出；而为了实现双波长锁模，还利用偏振相关隔离控制器来产生NPE效应，形成波长相关损耗，从而实现模式竞争的抑制，以达到双波长锁模的目的，同时，还可利用偏振相关隔离控制器来确保光在腔内的单向传输；综上所述，通过采用上述方案，本发明能够解决现有技术不能实现同时输出高重频和高脉冲能量的技术问题。
2.将偏振相关隔离控制器设计为依次连接于保偏光纤的偏振控制器一、偏振相关隔离器和偏振控制器二，其好处是不但可以利用偏振相关隔离器来产生NPE效应，形成波长相关损耗，从而实现模式竞争的抑制，以达到双波长锁模的目的，同时，还可利用偏振相关隔离控制器来确保光在腔内的单向传输。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是激光器输出脉冲类型与腔长关系的示意图；
图3是非保偏谐波锁模光纤激光器实验装置图—现有技术；
图4是NPE 2微米全光纤结构类噪声锁模光纤激光器示意图—现有技术。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1～图2对本发明作详细说明。
如图1～图2所示，本发明提供的类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，，包括激光二极管1，激光二极管1顺次连接有首尾相连的泵浦合束器2、掺铥光纤3、单模光纤4、色散补偿光纤5、耦合器6、保偏光纤7和偏振相关隔离控制器；偏振相关隔离控制器为依次连接于保偏光纤7的偏振控制器一8、偏振相关隔离器9和偏振控制器二10。即相当于泵浦合束器2、掺铥光纤3、单模光纤4、色散补偿光纤5、耦合器6、保偏光纤7、偏振控制器一8、偏振相关隔离器9和偏振控制器二10构成一个循环，激光二极管1连接于泵浦合束器2上。其中，泵浦合束器2为(N+1)×1泵浦合束器，N为大于或等于0的自然数。
本方案泵浦光源选用793nm的激光二极管，泵浦光源产生的泵浦光源通过(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6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输出，90％输出端口输出90％的2μm激光并通过保偏光纤7(Polarization-maintaining fiber)继续在激光腔内传输，保偏光纤7被用来实现梳状滤波效应，从而实现激光器双波长输出。
同时防止激光在腔内反向传输，需要在腔内插入一个偏振相关隔离器9，当激光正向通过时损耗极低，当激光反向通过时损耗极高，以此原理来阻隔反向激光，同时由于偏振相关隔离器9(PDISO)用来产生NPE效应，结合其前后的偏振控制器8和偏振控制器10实现锁模，并实现模式竞争抑制，实现双波长的产生。
本专利使用的掺铥光纤3为一段双包层掺铥光纤，双包层掺铥光纤为八边形内包层掺铥光纤，选择合适长度的色散补偿光纤5可帮助实现腔内的近零色散值环境，而选择合适长度的单模光纤4可调节激光器总腔长，使激光器腔长处于既可产生类噪声脉冲也可产生谐波锁模脉冲的范围，以实现激光器同时输出类噪声脉冲和谐波锁模脉冲。保偏光纤7在腔中被用来作为梳状滤波器，产生双波长输出。
其中，保偏光纤7(PMF)用来产生梳状滤波效应，以实现双波长输出。而实现双波长锁模的另外一个必要条件是波长之间的模式竞争抑制，因此我们使用偏振相关隔离器9，产生NPE效应，形成波长相关损耗，从而实现模式竞争的抑制，以实现双波长锁模，同时还可确保光在腔内的单向传输。而两个PC(偏振控制器一8、偏振控制器二10)则用来优化锁模。同时，本结构中掺铥光纤和单模光纤具有较大的负色散值，而较大的负色散不易于产生孤子分裂，不易于实现高频谐波锁模，因此结构中通过具有正色散值的DCF的补偿，以保证激光器最终工作在近零色散区，这样孤子的分裂阈值低，有利于高频谐波锁模的产生。在锁模光纤激光器中，我们知道当腔长较短时，只输出谐波锁模脉冲；当腔长较长时，只输出类噪声脉冲，因此仅在腔长合适的过渡区域，既可能输出谐波锁模脉冲，也可能输出类噪声脉冲。所以我们拟通过选取合适长度的单模光纤和色散补偿光纤，在保证激光器工作在零色散区附近时，同时使激光器腔长长度处于既可输出谐波锁模又可输出类噪声脉冲的过渡区域，从而实现类噪声和谐波锁模的共存。该结构的激光器最后在输出端通过10/90的光耦合器把10％的激光输出激光器，进行观测。
为腔长影响激光器输出脉冲类型示意图，当腔长较短时，只输出谐波锁模脉冲，当腔长较长时只输出类噪声脉冲，仅在腔长合适的过渡区域，既可能输出谐波锁模脉冲，也可能输出类噪声脉冲。而过渡区域产生的脉冲类型则是由激光器的相位延迟决定的，锁模激光器锁模光纤激光器的相位延迟可以被表达为：
Dj＝DjPC+DjNL+Djbirefringence；
其中DjPC，DjNL和Djbirefringence分别指由偏振控制器导致的相位延迟，由高的脉冲峰值导致的非线性效应和由双折射光纤引起的非线性效应。其中DjPC和Djbirefringence的值均和波长有关。
因此在不同波长处，激光器的相位延迟也会不同，这样在腔长处于过渡区域的光纤激光器中，通过对偏振控制器(偏振控制器一8和偏振控制器二10)的调节，在不同波长处即可同时出现谐波锁模脉冲和类噪声脉冲的双波长输出。
在本设计方案中，我们通过调整偏振控制器，使泵浦功率被调整在要求范围内，即可实现类噪声脉冲和谐波锁模脉冲的双波长输出。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术，本领域技术人员根据已有的描述已能够在不付出创造性劳动的前提下进行实施，因此，不再赘述。

Claims (8)

1.类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，其特征在于，包括激光二极管(1)，激光二极管(1)顺次连接有首尾相连的泵浦合束器(2)、掺铥光纤(3)、单模光纤(4)、色散补偿光纤(5)、耦合器(6)、保偏光纤(7)和偏振相关隔离控制器。
2.如权利要求1所述的类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，其特征在于，偏振相关隔离控制器为依次连接于保偏光纤(7)的偏振控制器一(8)、偏振相关隔离器(9)和偏振控制器二(10)。
3.如权利要求1所述的类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，其特征在于，泵浦合束器(2)为(N+1)×1泵浦合束器，N为大于或等于0的自然数。
4.如权利要求3所述的类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，其特征在于，泵浦合束器(2)为(2+1)×1泵浦合束器。
5.如权利要求1所述的类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，其特征在于，激光二极管(1)为793nm激光二极管。
6.如权利要求1所述的类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，其特征在于，耦合器(6)的耦合比为10:90。
7.如权利要求6所述的类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，其特征在于，耦合器(6)包括10％输出端口和90％输出端口，10％输出端口连接有输出光纤，90％输出端口与保偏光纤(7)连接。
8.如权利要求1～7任一项所述的类噪声和高频谐波锁模共存的双波长掺铥光纤激光器，其特征在于，掺铥光纤(3)为双包层掺铥光纤。
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