CN107800035A - 一种波长可切换的锁模光纤激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种波长可切换的锁模光纤激光装置，所述激光装置包括泵浦源，波分复用光纤耦合器，掺铒增益光纤，光隔离器，其特征在于，还包括石墨烯可饱和吸收体，可调衰减器和输出耦合器。本发明采用可调衰减器调节腔内信号强弱，调节增益平衡，实现两个中心波长激光锁模输出，结构简单，操作便利；同时本发明采用多层石墨烯饱和吸收体作为锁模器件，降低了制作成本和工艺难度，易于实现产业化。

Description

一种波长可切换的锁模光纤激光装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种锁模激光波长可切换的掺铒保偏光纤激光装置。
背景技术
光纤激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、输出激光光束质量好等优点，因此近年来得到迅猛发展。特别是锁模光纤激光器由于能够超短脉冲激光，在探测诊断、生物医药、精密微加工和军事等众多领域有着广阔的前景。锁模技术主要可分为主动锁模、被动锁模、自锁模和混合锁模技术。其中被动锁模技术由于不需要外界附加调制源，易于实现全光纤化的优势，成为研究的热点，有着重要的实际应用意义。
被动锁模光纤激光技术的基本原理是结合谐振腔中光纤的色散、激光的非线性效应、光纤对激光的增益与损耗四者之间的平衡，并且经过被动锁模元件对激光强度或相位的非线性吸收作用实现激光的相位锁定，从而获得超短脉冲激光输出。通常实现被动锁模的光纤激光技术有半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)等技术，但是这两种技术都存在不足。SESAM制作工艺复杂、生产成本高、可饱和吸收光谱范围相对较窄。SWNT因对激光波长有选择性而不能普适。最近，石墨烯(Graphene)材料被发现可用作新型的可饱和吸收体，可用于光纤激光器锁模。石墨烯是由单层碳原子精密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。作为饱和吸收体，石墨烯具有很宽的波长工作范围，并且制作简单，工艺多样化，可以利用物理机械剥离和化学沉积等方法实现。
全保偏锁模光纤激光器是可以实现线偏振超短脉冲激光输出的激光系统，激光腔内的增益光纤和传输光纤是由折射率横向异性的光纤组成，例如熊猫光纤等。相对于普通锁模光纤激光器，全保偏锁模光纤激光器的光纤双折射特征因不易受到周围环境温度及力矩的影响，输出的锁模激光更加稳定。并且，输出的线偏振激光在许多领域有更好的应用价值，例如精细微加工、科学研究等领域。
根据掺铒光纤的受激辐射光谱(ASE)，位于波长1530～1560nm之间的激光增益较大，如图1所示。通常掺铒锁模光纤激光器会在这个波段内实现锁模脉冲激光输出。
近些年，国内外已有报道，通过非线性偏振旋转(NPR)技术实现激光锁模和中心波长跳变，例如掺铒光纤激光器可以利用NPR技术实现1532nm和1558nm两个中心波长锁模。其工作原理是，通过偏振控制器调节光纤传输激光偏振态，实现相位锁定；同时调整快慢轴的相位延迟及起偏角度实现滤波功能，从而可以改变对应波长的激光透射率和增益与损耗，实现不同波长激光放大同时锁模。可以通过下列公式(1)(2)理解NPR技术的滤波功能。
Δφ＝ΔφPC+ΔφLB+ΔφNL，ΔφLB＝2πLBm/λ (1)(2)
在上面公式中，T代表传输系数，θ代表起偏角，代表检偏角，ΔφPC、ΔφLB和ΔφNL分别代表偏振控制器、光纤双折射和非线性效应引起的位相延迟，L和Bm分别代表激光腔长和光纤归一化双折射率。其中，光纤双折射引发的位相延迟随波长成反比例变化，所以NPR技术可以实现滤波功能。
发明内容
区别于以上NPR技术实现多波长锁模激光输出，本发明提供一种波长调节更为方便，并可实现高消光比线偏振激光输出的超短脉冲光纤激光系统。
本发明的技术方案：一种波长可切换的锁模光纤激光装置，所述激光装置包括泵浦源，波分复用光纤耦合器，掺铒增益光纤，光隔离器，其特征在于，还包括石墨烯可饱和吸收体，可调衰减器和输出耦合器，
其中，所述泵浦源与波分复用光纤耦合器连接，泵浦源出来的泵浦光通过波分复用光纤耦合器的泵浦端进入掺铒保偏增益光纤，
所述波分复用光纤耦合器，掺铒增益光纤，光隔离器，石墨烯可饱和吸收体，可调衰减器和输出耦合器顺次连接形成环形光路。
优选的，所述泵浦源包括平均功率大于200mW，中心波长为975nm的激光器和尾纤为单模光纤。
优选的，所述波分复用光纤耦合器中的信号传输光纤由保偏光纤组成。
优选的，所述掺铒增益光纤为对泵浦光高吸收比的高浓度保偏掺铒光纤，所述掺铒增益光纤的长度在50cm～150cm范围内。
优选的，所述输出耦合器为输出比例30:70的保偏光纤耦合器。
优选的，所述可调衰减器是保偏单模光纤输出，衰减精度达到0.1dB。
优选的，所述可调衰减器调节传输的锁模信号光强度，其中透射的偏振光方位角和正交偏振态的相位延迟与入射光的偏振态关系如公式所示：
tanαr＝Pe-iΔφtanαi
其中，αr和αi分别表示透射和入射线偏振态激光的方位角，P代表透射系数，Δφ代表快慢轴的相位延迟。
优选的，所述石墨烯饱和吸收体包括石墨烯膜和法兰输出头。
优选的，所述石墨烯饱和吸收体可通过机械剥离及化学合成方法制备出单层石墨烯膜，然后通过湿法转移或干法转移贴附在法兰输出头上，可通过层层叠加方法，制备出多层石墨烯可饱和吸收体。
优选的，所述锁模光纤激光装置的整体长度小于4m。
本发明的有益效果：1)本发明采用保偏光纤作为锁模光纤激光器的环形谐振腔，实现高消光比的线偏振激光输出；2)本发明采用可调衰减器调节腔内信号强弱，调节增益平衡，实现两个中心波长激光锁模输出，结构简单，操作便利；3)本发明采用多层石墨烯饱和吸收体作为锁模器件，降低了制作成本和工艺难度，易于实现产业化。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出掺铒光纤的受激辐射输出光谱；
图2示意性示出本发明石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图；
图3示意性示出本发明石墨烯可饱和吸收体装置图；
图4示意性示出本发明中心波长为1532nm的锁模激光输出光谱图；
图5示意性示出本发明双波长输出的锁模激光光谱图；
图6示意性示出本发明中心波长为1558nm的锁模激光输出光谱图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
图2所示为本发明石墨烯被动锁模光纤激光器的结构图，如图2所示，锁模脉冲光纤激光器包括泵浦源101，波分复用光纤耦合器102；掺铒增益光纤103；光隔离器104；石墨烯可饱和吸收体105；可调衰减器106和输出耦合器107。
所述泵浦源101与波分复用光纤耦合器102连接，泵浦源101出来的泵浦光通过波分复用光纤耦合器102的泵浦端进入掺铒保偏增益光纤103，其中所述波分复用光纤耦合器102，掺铒增益光纤103，光隔离器104，石墨烯可饱和吸收体105，可调衰减器106和输出耦合器107顺次连接形成环形光路。
所述泵浦源101包括平均功率大于200mW，中心波长为975nm的激光器和尾纤为单模光纤。
所述波分复用光纤耦合器102中的信号传输光纤由保偏光纤组成。
所述掺铒增益光纤103为对泵浦光高吸收比的高浓度保偏掺铒光纤，所述掺铒增益光纤103的长度在50cm～150cm范围内，本实施例中采用长度为1m的掺铒保偏增益光纤。
所述输出耦合器107为输出比例30:70的保偏光纤耦合器。
所述可调衰减器106是保偏单模光纤输出，衰减精度达到0.1dB。
其中本发明锁模光纤激光装置的整体长度小于4m。
图3所示为本发明石墨烯可饱和吸收体装置图，如图3所示，包括第一法兰输出头308，石墨烯薄309和第二法兰输出头310。
其中石墨烯薄309贴附于第一法兰输出头308和第二法兰输出头310的表面。
所述石墨烯饱和吸收体可通过机械剥离及化学合成等方法制备出单层石墨烯膜，然后通过湿法转移或干法转移等贴附在法兰输出头上，可通过层层叠加方法，制备出多层石墨烯可饱和吸收体。
从泵浦源101出来的泵浦光通过波分复用光纤耦合器102的泵浦端进入长度为1m的掺铒保偏增益光纤103，产生的C+L波段的信号光，所述信号光经过光隔离器104逆时针振荡放大。本实施例中光隔离器104对顺时针方向的信号光完全隔离，对逆时针方向的信号光振荡放大，这种设计优点是可以完全滤除信号光中剩余的泵浦光。最后，锁模放大的激光经过输出耦合器107分出30％功率的激光输出。
由保偏光纤组成的可调衰减器106调节传输的锁模信号光强度。如公式(3)所示的透射的偏振光方位角和正交偏振态的相位延迟与入射光的偏振态关系：
tanαr＝Pe-iΔφtanαi (3)
在上式中，αr和αi分别表示透射和入射线偏振态激光的方位角，P代表透射系数，Δφ代表快慢轴的相位延迟。所以，通过精密调节衰减器可改变信号的强弱，进而，根据公式(1)，实现调节不同波长位置的激光增益与损耗。最终，可分别在中心波长1532nm和1558nm处实现波长切换和双波长锁模激光输出。
图4所示为本发明中心波长为1532nm的锁模激光输出光谱图，如图4所示，中心波长为1532nm的输出功率最大。
图5所示为本发明双波长输出的锁模激光光谱图，如图5所示，中心波长1532nm和1558nm的输出功率最大。
图6所示为本发明中心波长为1558nm的锁模激光输出光谱图，如图6所示，中心波长为1558nm的输出功率最大。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种波长可切换的锁模光纤激光装置，所述激光装置包括泵浦源，波分复用光纤耦合器，掺铒增益光纤，光隔离器，其特征在于，还包括石墨烯可饱和吸收体，可调衰减器和输出耦合器，
其中，所述泵浦源与波分复用光纤耦合器连接，泵浦源出来的泵浦光通过波分复用光纤耦合器的泵浦端进入掺铒保偏增益光纤，
所述波分复用光纤耦合器，掺铒增益光纤，光隔离器，石墨烯可饱和吸收体，可调衰减器和输出耦合器顺次连接形成环形光路。
2.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，所述泵浦源包括平均功率大于200mW，中心波长为975nm的激光器和尾纤为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，所述波分复用光纤耦合器中的信号传输光纤由保偏光纤组成。
4.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，所述掺铒增益光纤为对泵浦光高吸收比的高浓度保偏掺铒光纤，所述掺铒增益光纤的长度在50cm～150cm范围内。
5.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，所述输出耦合器为输出比例30:70的保偏光纤耦合器。
6.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，所述可调衰减器是保偏单模光纤输出，衰减精度达到0.1dB。
7.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，所述可调衰减器调节传输的锁模信号光强度，其中透射的偏振光方位角和正交偏振态的相位延迟与入射光的偏振态关系如公式所示：
tanαr＝Pe-iΔφtanαi
其中，αr和αi分别表示透射和入射线偏振态激光的方位角，P代表透射系数，Δφ代表快慢轴的相位延迟。
8.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，所述石墨烯饱和吸收体包括石墨烯膜和法兰输出头。
9.根据权利要求8所述的光纤激光装置，其特征在于，所述石墨烯饱和吸收体可通过机械剥离及化学合成方法制备出单层石墨烯膜，然后通过湿法转移或干法转移贴附在法兰输出头上，可通过层层叠加方法，制备出多层石墨烯可饱和吸收体。
10.根据权利要求1所述的光纤激光装置，其特征在于，所述锁模光纤激光装置的整体长度小于4m。
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