CN107069410A - 一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统 - Google Patents

一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，旨在解决现有光纤激光器中难以同时输出两种类型的超短光脉冲的技术问题。所述系统包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺铒增益光纤(3)、2×2输出耦合器(4)、第一3dB光学耦合器(5)、第二3dB光学耦合器(6)、第一偏振相关隔离器(7)、第一偏振控制器(8)、第二偏振相关隔离器(9)、第二偏振控制器(10)、色散补偿光纤(11)以及单模光纤(14)。所述2×2输出耦合器(4)输出双向锁模脉冲，其第一输出端(12)连接有位于腔外的单模光纤(14)，用于输出脉冲的腔外时域压缩，以获得高峰值功率超短脉冲，第二输出端(13)直接输出高能量耗散孤子共振脉冲。本发明具有成本低廉，适用范围广等优点，在应用上可作为高峰值功率飞秒脉冲光源和高能量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。

Description

一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统的设计。
背景技术
超短脉冲光纤激光器是世界范围内的热门研究课题之一。超短脉冲因其具有极窄脉宽、高峰值功率、高能量等特点，广泛应用于基础科学研究、高速光通信、光信号处理、微机械加工、超快激光光谱、量子相干控制、医疗和精密计量等领域。具体的，高峰值功率超短脉冲可以用于激光微加工、激光惯性约束核聚变等领域；高能量超短脉冲则可以用于光纤传感、超连续谱产生等领域。被动锁模技术由于具有结构简单紧凑、易于实现全光纤化等优势，是获得超短脉冲的主要方法之一。
研究表明，当激光器工作在净正色散或全正色散区时，在腔内增益、损耗、色散、非线性效应等共同作用下，可以获得一种与传统孤子不同的新型孤子脉冲。由于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。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。因此，为了获得高峰值功率，需要对脉冲进行去啁啾，实现脉冲的时域压缩。一般采用棱镜对、光栅对等器件对脉冲实施啁啾补偿。然而这些器件都不是光纤结构，其空间光路结构对光束入射角和振动敏感，不易调节。
尽管耗散孤子的单脉冲能量得到了显著提高，但是随着泵浦功率的增加，脉冲将积累很强的非线性相移，引起光波分裂，极大地限制了单脉冲能量。为了获得更高能量的脉冲，一种方法是在腔内使用大模场的光子晶体光纤，通过增大模场面积，减少腔内非线性系数，从而提高脉冲能量。然而大模场光纤无法与单模光纤直接耦合，使得激光器的构造更加复杂，成本更高，而且丧失了光纤激光器无需准直或者可弯曲的优点。
最近的研究发现，当激光器的腔体参数满足特定条件时，随着泵浦功率的升高，脉冲的峰值功率保持不变而其时域脉宽持续增加，可以有效地避免脉冲分裂，其输出脉冲能量理论上可以达到无限大，这种现象被称为耗散孤子共振。
目前的环形腔光纤激光器大部分采用的是单向锁模，这可以减少腔内的寄生反射，降低锁模阈值。然而这种腔结构一般只能输出一种类型的脉冲(高能量超短脉冲或高峰值功率超短脉冲)，限制了该类型激光器的实际适用范围，增加了应用成本。
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同时输出两种类型的超短脉冲的问题，提出了一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统。
本发明的技术方案为：一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，包括泵浦源、波分复用器、掺铒增益光纤、2×2输出耦合器、第一3dB光学耦合器、第二3dB光学耦合器、第一偏振相关隔离器、第一偏振控制器、第二偏振相关隔离器、第二偏振控制器、色散补偿光纤以及单模光纤；波分复用器、掺铒增益光纤、第二3dB光学耦合器、第二偏振相关隔离器、第二偏振控制器、第一3dB光学耦合器、2×2输出耦合器依次通过色散补偿光纤闭环连接，构成顺时针方向运转的激光腔；波分复用器、2×2输出耦合器、第一3dB光学耦合器、第一偏振相关隔离器、第一偏振控制器、第二3dB光学耦合器、掺铒增益光纤依次通过色散补偿光纤闭环连接，构成逆时针方向运转的激光腔；泵浦源与波分复用器的输入端连接，2×2输出耦合器输出双向锁模脉冲，其第一输出端连接有位于腔外的单模光纤，用于输出脉冲的腔外时域压缩，以获得高峰值功率超短脉冲，第二输出端直接输出高能量耗散孤子共振脉冲。
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/1550nm。
优选地，掺铒增益光纤的长度为1m，在1550nm附近具有正色散。
优选地，顺时针运转的激光腔内色散补偿光纤总长度为5m，在1550nm附近具有正色散。
优选地，逆时针运转的激光腔内色散补偿光纤总长度为5m，在1550nm附近具有正色散。
优选地，第一3dB光学耦合器和第二3dB光学耦合器的耦合比率均为50/50。
优选地，2×2输出耦合器两个输出端的输出比率均为30％。
优选地，第一偏振相关隔离器(或第二偏振相关隔离器)的使用保证了在逆时针(或顺时针)运转的谐振腔内激光的单向传输，同时将经过的光波变成线偏振光，结合第一偏振控制器(或第二偏振控制器)共同构成了非线性偏振旋转锁模技术。
优选地，腔外单模光纤的长度为4.6m，在1550nm附近具有负色散。
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，使得本发明的系统成本低廉。
(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，易于调节，稳定性好。
(3)本发明采用单模光纤压缩脉冲，与棱镜对、光栅对等其他空间器件相比，极大地降低了成本，且对振动不敏感。
(4)本发明第一输出端输出的光脉冲经单模光纤压缩后，脉宽可达到飞秒量级，峰值功率可达到千瓦量级，可作为高峰值功率飞秒脉冲光源使用。
(5)本发明第二输出端输出的耗散孤子共振脉冲具有稳定的脉冲峰值功率和超高的脉冲能量，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)本发明第二输出端输出的耗散孤子共振脉冲可作为高能量脉冲放大器的种子源。
附图说明
图1为本发明提供的一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统结构示意图。
图2为本发明提供的锁模器的非线性透射率曲线图。
图3为本发明实施例的第一输出端输出脉冲时域图。
图4为本发明实施例的第一输出端输出脉冲频谱图。
图5为本发明实施例的第一输出端输出脉冲经腔外压缩后的时域图。
图6为本发明实施例的不同泵浦功率条件下耗散孤子共振脉冲时域图。
图7为本发明实施例的不同泵浦功率条件下耗散孤子共振脉冲频谱图。
附图标记说明：1—泵浦源、2—波分复用器、3—掺铒增益光纤、4—2×2输出耦合器、5—第一3dB光学耦合器、6—第二3dB光学耦合器、7—第一偏振相关隔离器、8—第一偏振控制器、9—第二偏振相关隔离器、10—第二偏振控制器、11—色散补偿光纤、12—2×2输出耦合器第一输出端、13—2×2输出耦合器第二输出端、14—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。
本发明提供了一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，如图1所示，包括泵浦源1、波分复用器2、掺铒增益光纤3、2×2输出耦合器4、第一3dB光学耦合器5、第二3dB光学耦合器6、第一偏振相关隔离器7、第一偏振控制器8、第二偏振相关隔离器9、第二偏振控制器10、色散补偿光纤11以及单模光纤14。波分复用器2、掺铒增益光纤3、第二3dB光学耦合器6、第二偏振相关隔离器9、第二偏振控制器10、第一3dB光学耦合器5、2×2输出耦合器4依次通过色散补偿光纤11闭环连接，构成顺时针方向运转的激光系统；波分复用器2、2×2输出耦合器4、第一3dB光学耦合器5、第一偏振相关隔离器7、第一偏振控制器8、第二3dB光学耦合器9、掺铒增益光纤3依次通过色散补偿光纤11闭环连接，构成逆时针方向运转的激光系统；泵浦源1与波分复用器2的输入端连接，2×2输出耦合器4输出双向锁模脉冲，其第一输出端12连接有位于腔外的单模光纤14，用于输出脉冲的腔外时域压缩，以获得高峰值功率超短脉冲，第二输出端13直接输出高能量耗散孤子共振脉冲。
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/1550nm。
掺铒增益光纤3可采用美国Nufern公司生产的高增益光纤，其长度为1m，在1550nm处其色散系数β2为25ps2/km。
顺时针运转的激光腔内色散补偿光纤11可采用美国Nufern公司生产的高性能色散补偿光纤，其总长度为5m，在1550nm处其色散系数β2为8ps2/km。
逆时针运转的激光腔内色散补偿光纤11可采用美国Nufern公司生产的高性能色散补偿光纤，其总长度为5m，在1550nm处其色散系数β2为8ps2/km。
2×2输出耦合器4两个输出端的输出比率均为30％。
第一3dB光学耦合器5和第二3dB光学耦合器6的耦合比率均为50/50。
第一偏振相关隔离器7、第二偏振相关隔离器9、第一偏振控制器8以及第二偏振控制器10均为本领域常用标准器件。
单模光纤14可采用美国Nufern公司生产的高性能单模光纤，其总长度为4.6m，在1550nm处其色散系数β2为-23ps2/km。
第一偏振相关隔离器7(或第二偏振相关隔离器9)的使用保证了在逆时针(或顺时针)运转的谐振腔内激光的单向传输，同时将经过的光波变成线偏振光，结合第一偏振控制器8(或第二偏振控制器10)共同构成了非线性偏振旋转锁模技术。
本发明中涉及的物理模型及数值仿真方法具体如下：
为了真实、准确地模拟本发明提供的系统中双向锁模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求解。当光脉冲经过腔内器件时，将光场乘以该器件对应的传输矩阵；当光脉冲经过腔内光纤时，采用耦合的金兹堡-朗道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。
采用公式(3)描述锁模器透射率T(I)随入射脉冲功率的变化规律，以模拟本发明提供的系统所采用的非线性偏振旋转锁模技术：
式中q是调制深度，I(t)是入射脉冲功率，Isat是饱和光功率。
采用高斯型滤波函数描述锁模器对脉冲光谱的滤波效应，滤波带宽设为16nm。
根据本发明提出的一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统进行数值仿真，为了精确模拟本发明提出的系统，我们设置了如下仿真参数：掺铒增益光纤3长为1m，在1550nm处β2为25ps2/km；顺时针及逆时针两个方向运转的激光腔内的色散补偿光纤11总长度均为5m，在1550nm处β2均为8ps2/km；系统内掺铒增益光纤3的非线性参量γ为5.8/W/km，色散补偿光纤11的非线性参量γ为3/W/km；增益带宽Ωg为30nm；增益饱和能量Es为1nJ；调制深度q为0.4，饱和光功率Isat为200W。腔外单模光纤14的长度为4.6m，在1550nm处β2为-23ps2/km，非线性参量γ为3/W/km。
本发明的具体原理及数值仿真结果如下：
本发明提供的系统(本发明中系统均指本发明提供的一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统)利用非线性偏振旋转锁模技术实现锁模。当泵浦源1的功率超过锁模阈值后，系统内最初由于自发辐射产生的噪声脉冲多次经过掺铒增益光纤3后得到放大。
腔内由于自相位调制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。
顺时针方向运转的脉冲经过掺铒增益光纤3放大后先通过由第二偏振相关隔离器9和第二偏振控制器10共同构成的锁模器，其入射脉冲峰值功率较高，非线性效应较强。随后再通过2×2输出耦合器4输出一定能量。
逆时针方向运转的脉冲经过掺铒增益光纤3放大后先通过2×2输出耦合器4输出了一定能量，随后再通过由第一偏振相关隔离器7和第一偏振控制器8共同构成的锁模器，其入射脉冲峰值功率较低，非线性效应较弱。
当入射脉冲峰值功率小于使锁模器产生峰值功率钳制效应的功率阈值时，锁模器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。同时由于锁模器自身的光谱滤波效应，脉冲高频分量和低频分量被滤掉。
随着泵浦源1功率的不断增加，顺时针运转的脉冲峰值功率不断增加直至超过峰值功率钳制效应产生的功率阈值(即图2曲线上透射率第一拐点位置对应的入射脉冲功率值)。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，从而形成高能量耗散孤子共振脉冲，并通过2×2输出耦合器4的第二输出端13输出腔外。而逆时针运转的脉冲由于先经过2×2输出耦合器4输出了一定能量，再通过锁模器时，其峰值功率始终小于使锁模器产生峰值功率钳制效应的功率阈值，因而最终自洽演化直至稳定的脉冲倾向于典型的耗散孤子脉冲。通过2×2输出耦合器4的第一输出端12输出腔外，再利用单模光纤14压缩得到高峰值功率飞秒脉冲。
对本发明提供的系统进行了数值仿真，其结果如下：
图3所示是2×2输出耦合器4的第一输出端12输出脉冲的时域形状。可以看到，脉冲时域形状为高斯型。
图4所示是2×2输出耦合器4的第一输出端12输出脉冲的频谱图。可以看到，脉冲光谱具有陡峭的边沿。
图5所示是通过第一输出端12输出的脉冲经腔外压缩后的时域形状。可以看到，脉冲具有飞秒量级的脉冲宽度，峰值功率达到千瓦量级。
图6所示是不同泵浦功率条件下耗散孤子共振脉冲的时域形状。可以看到，随着泵浦功率的不断增加，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7所示是不同泵浦功率条件下耗散孤子共振脉冲的频谱图。可以看到，随着泵浦功率的不断增加，脉冲3dB光谱宽度先显著变小，然后几乎不变，峰值功率不断增加。
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)

1.一种多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，其特征在于，包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺铒增益光纤(3)、2×2输出耦合器(4)、第一3dB光学耦合器(5)、第二3dB光学耦合器(6)、第一偏振相关隔离器(7)、第一偏振控制器(8)、第二偏振相关隔离器(9)、第二偏振控制器(10)、色散补偿光纤(11)以及单模光纤(14)；波分复用器(2)、掺铒增益光纤(3)、第二3dB光学耦合器(6)、第二偏振相关隔离器(9)、第二偏振控制器(10)、第一3dB光学耦合器(5)、2×2输出耦合器(4)依次通过色散补偿光纤(11)闭环连接，构成顺时针方向运转的激光腔；波分复用器(2)、2×2输出耦合器(4)、第一3dB光学耦合器(5)、第一偏振相关隔离器(7)、第一偏振控制器(8)、第二3dB光学耦合器(6)、掺铒增益光纤(3)依次通过色散补偿光纤(11)闭环连接，构成逆时针方向运转的激光腔；所述泵浦源(1)与波分复用器(2)的输入端连接，所述2×2输出耦合器(4)输出双向锁模脉冲，其第一输出端(12)连接有位于腔外的单模光纤(14)，用于输出脉冲的腔外时域压缩，以获得高峰值功率超短脉冲，第二输出端(13)直接输出高能量耗散孤子共振脉冲。
2.根据权利要求1所述的多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，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所述的多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，其特征在于，所述波分复用器(2)的波分范围为980nm/1550nm。
4.根据权利要求1所述的多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，其特征在于，所述的掺铒增益光纤(3)的长度为1m，在1550nm附近具有正色散。
5.根据权利要求1所述的多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，其特征在于，所述的顺时针运转的激光腔内色散补偿光纤(11)总长度为5m，在1550nm附近具有正色散。
6.根据权利要求1所述的多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，其特征在于，所述的逆时针运转的激光腔内色散补偿光纤(11)总长度为5m，在1550nm附近具有正色散。
7.根据权利要求1所述的多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，其特征在于，所述第一3dB光学耦合器(5)和第二3dB光学耦合器(6)的耦合比率均为50/50。
8.根据权利要求1所述的多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，其特征在于，所述2×2输出耦合器(4)两个输出端的输出比率均为30％。
9.根据权利要求1所述的多用途的双向被动锁模全光纤激光系统，其特征在于，所述的第一偏振相关隔离器(7)(或第二偏振相关隔离器(9))的使用保证了在逆时针(或顺时针)运转的谐振腔内激光的单向传输，同时将经过的光波变成线偏振光，结合第一偏振控制器(8)(或第二偏振控制器(10))共同构成了非线性偏振旋转锁模技术。
10.腔外单模光纤(14)的长度为4.6m，在1550nm附近具有负色散。
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