CN108233158A - 一种光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤激光器。该光纤激光器包括：可饱和吸收体装置、掺镱光纤、波分复用器、泵浦源、单模光纤、光线隔离器、偏振控制器以及耦合器；所述可饱和吸收体装置熔接在所述光纤激光器的激光腔体内，用于通过调节所述可饱和吸收体装置的弯曲曲率以提高所述光纤激光器输出的激光波长的可调谐精度。采用本发明所提供的可饱和吸收体装置以及光纤激光器，能够以简单结构即可实现输出的脉冲激光波长可调谐。

Description

一种光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，特别是涉及一种光纤激光器。
背景技术
波长可调谐光纤激光器是高速大容量光通信系统、波分复用、时分复用系统中的关键部件，不仅可用作密集波分复用系统的光源，还可用作为生物测试、光互联网络、光测试系统等的重要光源，已广泛应用于光通信，光传感、光谱测试等领域；脉冲宽度在皮秒到纳秒量级的脉冲激光光源广泛应用与光刻、工业加工等领域。
目前，想要得到具有输出脉冲达到纳秒量级脉宽的激光器主要通过两种途径：一种途径是通过调Q激光器来实现，这也是比较传统也是主要使用的方法，然而调Q激光的脉宽一般在数十个纳秒到几十个纳秒，很难达到几百个皮秒到几个纳秒量级的脉宽。另一种途径是在光纤激光器腔体中，通过增加腔体光纤长度来控制输出脉冲的宽度，以此达到需求的脉冲宽度，而这种腔体一般是全正色散(all normal-dispersion，ANDi)激光腔。2008年，在掺镱全正色散激光腔体中，使用62m的单模光纤，得到了输出脉冲宽度为150ps，重复率频率为3MHz的大啁啾脉冲，在全正色散腔中，输出巨啁啾脉冲为线性啁啾，可以简单的通过增加激光腔体长度来展宽输出脉宽，而且输出线性啁啾脉冲刚好可以通过光栅直接进行压缩，这样就可以将输出脉冲作为种子光进行直接放大，来取代传统脉冲啁啾放大过程中的脉冲展宽、脉冲选择和脉冲预放大过程。此后利用全正色散激光腔体实现具有低重复频率、高脉冲能量的皮秒到纳秒量级的被动锁模脉冲成为研究的热点。在ANDi系统中，光谱滤波器是产生自相位调制，得到稳定锁模脉冲的关键因素，通过不同的滤波元件或滤波效应，可以实现可调谐多波长ANDi激光锁模脉冲输出；现有技术中利用块状光谱滤波器，得到了波长可调谐的皮秒脉冲输出；还利用保偏光纤作为滤波器，实现了激光系统的全光纤化；此外，利用腔体内双折射效应，得到可调谐的三波长锁模脉冲输出；利用双折射光纤滤波器，实现了多波长耗散孤子输出；利用长周期光纤光栅实现可调谐多波长掺镱光纤激光器。
近年来，利用二维材料作为可饱和吸收体(Saturable absorber，SA)由于其宽的工作波段、高的损伤阈值、短的开关时间，成为实现锁模激光以及调Q激光的研究热点，如拓扑绝缘体，过渡金属硫化物(Transition metal dichalcogenides，TMDs)、黑磷等。其中，TMDs(表达式为MX2，M为过渡金属如钼，钨W等；X为VI主族元素如硫，硒，碲等)是一类具有类似分子结构和物理性质的层状二维晶体材料，具有能带隙与原子层数有关的独特性质，成为材料科学和光电子学等领域的研究热点。相对比于其他TMDs(如二硫化钼，二碲化钼，二硒化钼，二硒化钨等)薄膜的正六边形结构以及层内各向同性，二碲化钨(MolybdenumTelluride，WTe2)结构比较特殊，单层WTe2薄膜由三层原子构成，中间一层为过渡金属原子(W)，上下两层均为碲原子(Te)，它们之间以较强的共价键结合；若干单层WTe2则以较弱的范德华力组合形成多层材料。由于同一层W-W原子之间是以偏心的之字形相链接，形成了一个扭曲了非对称的六边形网络，使得WTe2薄膜具有较强的层内各向异性。相关研究表明，WTe2具有卓越的非饱和正向磁阻以及极大的热电效应，同时预测WTe2将会是一种新型的拓扑半金属而拓扑非半导体在量子传输中得到应用，这些成果使得人们重新认识了WTe2，并引起研究者的兴趣开始成为研究的热点。对于TMDs来说，带隙随着硫族元素质量的增加(从硫到硒到碲)而减少，导致质量较大的TMDs具有更小的带隙和更高的电导率以及更高的非线性系数；对比于其他硫族元素，质量更大的WTe2具有更小的带隙更适合工作于近、中红外波段；高的非线性系数更有利于激光腔体内多波长的产生，这些工作为基于WTe2薄膜作为SA的多波长可调谐掺镱光纤激光系统，提供了科学依据和理论基础。2016年，利用了WTe2/MoTe2薄膜作为SA，在掺铒光纤中实现了锁模，证实了WTe2薄膜在1.5μm附近具有强的吸收峰。此后，有人提出基于块状WTe2薄片的SA，在掺铒光纤中实现了770fs的锁模脉冲输出。分析和掌握不同二维材料在不同波段的吸收特性以及光谱特性，对新型材料的应用和研究具有重要作用。
目前为止还没有WTe2薄膜在1μm波段附近的可饱和吸收特性，以及进行激光锁模的相关研究报道；另外，在激光器的锁模实验中，超短脉冲、高重复频率以及全光纤结构激光系统是激光研究者追求的目标，在激光系统中，输出脉冲重复频率和激光腔体长度密切相关，激光腔体越长，重复频率越小。在ANDi光纤激光系统中，激光腔体长度越长，输出脉冲越宽，所以为了得到高重复频率和超短脉冲，缩短激光腔体长度就是一个有效的途径；同时在ANDi激光腔体中，光谱滤波器对激光器的锁模和激光器的稳定性具有重要作用。而目前利用二维材料作为可饱和吸收体进行激光装置锁模的相关研究报道中，都是将可饱和吸收体作为的单一的锁模器件，且由于很多滤波器都为分立的固体元器件，因此，可饱和吸收体和滤波器相分离，结构复杂且难以缩短光纤长度以提高激光器的稳定性，从而导致输出的激光波长难以精确调谐。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤激光器，以解决现有技术中结构复杂且难以缩短光纤长度以及激光波长难以精确调谐的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光纤激光器，包括：可饱和吸收体装置、掺镱光纤、波分复用器、泵浦源、单模光纤、光线隔离器、偏振控制器以及耦合器；
所述可饱和吸收体装置熔接在所述光纤激光器的激光腔体内，用于通过调节所述可饱和吸收体装置的弯曲曲率以提高所述光纤激光器输出的激光波长的可调谐精度；所述掺镱光纤、所述波分复用器、所述泵浦源、所述单模光纤、所述光线隔离器、所述偏振控制器以及所述耦合器设于所述激光腔体的内部；
所述波分复用器的一端分别与所述泵浦源以及所述单模光纤的一端相连接；所述波分复用器的另一端与所述所述可饱和吸收体装置的一端相连接；所述可饱和吸收体装置的另一端与所述耦合器的输入端相连接；所述耦合器的输出端与所述偏正控制器的一端相连接；所述偏正控制器的另一端与所述光纤隔离器的一端相连接；所述光纤隔离器的另一端与所述单模光纤的另一端相连接。
可选的，所述可饱和吸收体装置具体包括：长周期光纤光栅、过渡金属硫化物薄膜以及涂覆层；
所述长周期光纤光栅包括纤芯、包裹在所述纤芯的外表面的包层；所述包层设有开口的凹槽，且所述凹槽的底部与所述纤芯存在距离阈值；所述过渡金属硫化物薄膜设于凹槽内部；所述涂覆层包裹在所述包层的外表面，所述涂覆层用于将所述过渡金属硫化物薄膜封装到所述长周期光纤光栅内。
可选的，所述过渡金属硫化物薄膜的材质为二碲化钨、二硫化钼、二碲化钼、二硒化钼或二硒化钨。
可选的，所述凹槽利用高频二氧化碳激光器通过单侧边缘烧制技术对所述长周期光纤光栅加工而成。
可选的，所述凹槽具有多个；
每个所述凹槽之间的距离为所述长周期光纤光栅的光栅周期。
可选的，所述凹槽的宽度为45μm，所述凹槽的深度为55μm，所述光栅周期为310μm，所述光栅周期的总数为75，所述长周期光纤光栅的π相位变化在所述长周期光纤光栅的中心。
可选的，所述长周期光纤光栅的中心波长为1030nm，所述长周期光纤光栅的光谱带宽为8nm，所述长周期光纤光栅的带通隔离度为15dB。
可选的，所述激光腔体为环形腔体；
所述环形腔体的长度为78m。
可选的，所述可饱和吸收体装置为所述光纤激光器的锁模；
所述锁模的锁模脉冲的重复频率为2.5MHz。
可选的，所述泵浦源为泵浦激光二极管；
所述泵浦激光二极管的最高功率为530mW；
所述泵浦激光二极管的波长为976nm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所提供的一种光纤激光器，通过可饱和吸收体装置熔接到光纤激光器中，从而通过调节所述可饱和吸收体装置的弯曲曲率以提高所述光纤激光器输出的激光波长的可调谐精度，进而提高光纤激光器的稳定性。
此外，可饱和吸收体装置既具有长周期光栅光纤的滤波特性又具有过渡金属硫化物的可饱和吸收特性，因此，无需格外添加分离滤波器以及可饱和吸收体，从而无需光路机械调整，机构紧凑便于集成。且与传统固体激光器和半导体激光器相比，具有光束质量高、稳定性好、抗环境干扰性强、免调节、免维护、结构小巧等技术和性能优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的光纤激光器被动锁模装置结构图；
图2为本发明所提供的可饱和吸收体装置结构图；
图3为本发明所提供的光栅透射光谱图；
图4a为本发明所提供的调节可饱和吸收体装置弯曲的结构图；
图4b为本发明所提供的透射光谱图；
图5为本发明所提供的可饱和吸收体装置在不同的弯曲状态下得到的锁模脉冲光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种光纤激光器，能够提高光纤激光器的稳定性，缩短光纤长度以及精确调谐激光波长。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的光纤激光器被动锁模装置结构图，如图1所示，一种光纤激光器，包括：可饱和吸收体装置1、掺镱光纤2、波分复用器3、泵浦源4、单模光纤5、光线隔离器6、偏振控制器7以及耦合器8；
所述可饱和吸收体装置1熔接在所述光纤激光器的激光腔体内，用于通过调节所述可饱和吸收体装置1的弯曲曲率以提高所述光纤激光器输出的激光波长的可调谐精度；所述掺镱光纤2、所述波分复用器3、所述泵浦源4、所述单模光纤5、所述光线隔离器6、所述偏振控制器7以及所述耦合器8设于所述激光腔体的内部；所述波分复用器3的一端分别与所述泵浦源4以及所述单模光纤5的一端相连接；所述波分复用器3的另一端与所述所述可饱和吸收体装置1的一端相连接；所述可饱和吸收体装置1的另一端与所述耦合器8的输入端相连接；所述耦合器8的输出端与所述偏正控制器的一端相连接；所述偏正控制器的另一端与所述光纤隔离器的一端相连接；所述光纤隔离器的另一端与所述单模光纤5的另一端相连接。
环形腔的增益是由一段长为28cm的掺镱光纤2提供(在976nm的吸收为612dB/m)；最高功率为530mW，波长为976nm的泵浦激光二极管通过波分复用器5-3(wavelength-division multiplexer，WDM)与掺镱光纤2一端连接，以提供激光泵浦；长为72.4m的单模光纤5与WDM另一端相连，可饱和吸收体装置1与增益的掺镱光纤2的另一端相连接作为带通滤波器；激光器的锁模机理为可饱和吸收体锁模，由制备的可饱和吸收体来完成，耦合比为90：10的耦合器8一端与可饱和吸收体装置1相连接，所述耦合器8的另一端连接偏振控制器7，偏振控制器7与偏振无关的光纤隔离器连接，激光从耦合器8输出端口输出，整个环形腔体的总长度为78m，相应的锁模脉冲的重复频率为2.5MHz。
图2为本发明所提供的可饱和吸收体装置结构图，如图2所示，一种可饱和吸收体装置，包括：长周期光纤光栅2-1、过渡金属硫化物薄膜2-2以及涂覆层2-3；所述长周期光纤光栅1包括纤芯2-1-1、包裹在所述纤芯2-1-1的外表面的包层2-1-2；所述包层2-1-2设有开口的凹槽2-1-3，且所述凹槽2-1-3的底部与所述纤芯2-1-1存在距离阈值；所述过渡金属硫化物薄膜2-2设于凹槽2-1-3内部；所述涂覆层2-3包裹在所述包层2-1-2的外表面，所述涂覆层2-3用于将所述过渡金属硫化物薄膜2-2封装到所述长周期光纤光栅2-1内。
在实际应用中，所述过渡金属硫化物薄膜2-2的材质可以为二碲化钨、二硫化钼、二碲化钼、二硒化钼或二硒化钨等；优选的为二碲化钨。
可饱和吸收体装置起到可饱和吸收体以及光谱滤波可调谐的作用。我们利用缺口型的相移光纤光栅填充WTe2薄膜作为具有滤波特性的可饱和吸收体，利用高频二氧化碳激光器通过单侧边缘烧制技术来制作缺口型长周期光纤光栅2-1，所述缺口为凹槽2-1-3。WTe2薄膜直接填充于光栅的缺口中，实现可饱和吸收功能，将经过填充的WTe2薄膜直接进行封装，制备完成了具有全光纤结构的具有滤波特性的可饱和吸收体。其中光栅缺口宽度为w为45μm、深度h为55μm、光栅周期Λ为310μm、光栅周期总数为75、π相位变化(π相变)发生在整个光栅中心，在实际应用中，可根据具体的需求设置凹槽的宽度以及深度，还可以根据实际需求设置光栅周期以及光栅周期的总数；同理，根据实际需求，缺口型长周期光纤光栅的参数不同，所述参数具体包括中心波长、光谱宽带以及带通隔离度等。
图3为本发明所提供的光栅透射光谱图，由图3可知，缺口型长周期光纤光栅1具有良好的带通滤波特性，其中，中心波长为1030nm，光谱带宽为8nm，带通隔离度为15dB。
通过调节光纤可饱和吸收体的弯曲就可以实现输出光谱的可调谐，图4a为本发明所提供的调节可饱和吸收体装置弯曲的结构图，其中全光纤可饱和吸收体自由放置在光纤夹具中心位置，两端分别固定，其中一端放置在可以自由伸缩位移平台上。探测光源为高功率1μm波段放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)宽带光源，宽带光源进行探测光输入，探测光经过烧写的长周期光纤光栅，输出至光谱分析仪，进行光栅制作过程的实时监测。我们假设光栅自由伸长时，位移平台的位置为零(z＝0)，当自由端(fiberholder2)向固定端(fiberholder 1)移动时，当可饱和吸收体发生弯曲，引起了透射光谱的整体偏移。
图4b为本发明所提供的透射光谱图，在光谱仪上显示的由于可饱和吸收体发生弯曲时，透射光谱的变化，可以看到当光栅弯曲曲率逐渐变大时，透射光谱整体向短波方向移动，因而由长周期光纤光栅1产生的带通(bandpass，BP)中心波长发生偏移，以此来实现可调谐的带通滤波器，其波长由1028.3nm～1039.1nm可调，可调谐范围为10.8nm。由于制备可饱和器件和光纤的天然兼容性，可以实现激光腔体的全光纤结构，并通过调节光栅的弯曲得到可调谐的锁模脉冲输出和连续激光输出。
基于可饱和吸收效应，得到了稳定的锁模脉冲输出，其中锁模阈值为250mW，当泵浦光能量大于锁模阈值时，通过调节偏振控制器，就可以实现稳定的激光锁模脉冲输出，通过调节可饱和吸收体的弯曲曲率就可以实现锁模脉冲的可调谐性。图5为本发明所提供的可饱和吸收体装置在不同的弯曲状态下得到的锁模脉冲光谱图，如图5所示，泵浦功率为480mW，锁模脉冲实现从1029nm～1039nm可调，波长可调谐范围为10nm。
在全正色散环形激光腔中，制备具有滤波特性的WTe2可饱和吸收体，实现了波长在1um的被动锁模输出，通过调节可饱和吸收体的弯曲曲率实现了输出激光波长的可调谐。这种全光纤的可饱和吸收体集成了长周期光纤光栅1的滤波特性以及WTe2可饱和吸收特性，同时WTe2薄膜封装于光纤中增加了可饱和吸收体的适用性和稳定性，这种新型的含有可饱和吸收体装置的全光纤结构(即：光纤激光器)为新型低维材料在光电系统中的应用提供了一种新的思路和方法。
本发明利用制备的具有滤波特性的可饱和吸收体装置实现光纤激光器的被动锁模。其中，具有滤波特性的可饱和吸收体装置熔接在激光腔体中，同时起到滤波以及锁模作用。
本发明提出了新型的ANDi掺镱光纤的光纤激光器，利用具有滤波特性的可饱和吸收体装置同时作为锁模和可调谐滤波元件熔接在光纤激光系统中，实现了1μm波段的锁模脉冲输出，同时通过调节调节可饱和吸收体，直接实现了输出锁模激光脉冲波长的可调谐，最大可调谐范围可以达到10nm，并且输出激光波长精确可控。这种集滤波和可饱和吸收于一体的激光结构，有效的减少了激光腔体长度，实现了超短脉冲以及高重复频率的光纤激光器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光纤激光器，其特征在于，包括：可饱和吸收体装置、掺镱光纤、波分复用器、泵浦源、单模光纤、光线隔离器、偏振控制器以及耦合器；
所述可饱和吸收体装置熔接在所述光纤激光器的激光腔体内，用于通过调节所述可饱和吸收体装置的弯曲曲率以提高所述光纤激光器输出的激光波长的可调谐精度；所述掺镱光纤、所述波分复用器、所述泵浦源、所述单模光纤、所述光线隔离器、所述偏振控制器以及所述耦合器设于所述激光腔体的内部；
所述波分复用器的一端分别与所述泵浦源以及所述单模光纤的一端相连接；所述波分复用器的另一端与所述所述可饱和吸收体装置的一端相连接；所述可饱和吸收体装置的另一端与所述耦合器的输入端相连接；所述耦合器的输出端与所述偏正控制器的一端相连接；所述偏正控制器的另一端与所述光纤隔离器的一端相连接；所述光纤隔离器的另一端与所述单模光纤的另一端相连接。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体装置具体包括：长周期光纤光栅、过渡金属硫化物薄膜以及涂覆层；
所述长周期光纤光栅包括纤芯、包裹在所述纤芯的外表面的包层；所述包层设有开口的凹槽，且所述凹槽的底部与所述纤芯存在距离阈值；所述过渡金属硫化物薄膜设于凹槽内部；所述涂覆层包裹在所述包层的外表面，所述涂覆层用于将所述过渡金属硫化物薄膜封装到所述长周期光纤光栅内。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述过渡金属硫化物薄膜的材质为二碲化钨、二硫化钼、二碲化钼、二硒化钼或二硒化钨。
4.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述凹槽利用高频二氧化碳激光器通过单侧边缘烧制技术对所述长周期光纤光栅加工而成。
5.根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于，所述凹槽具有多个；
每个所述凹槽之间的距离为所述长周期光纤光栅的光栅周期。
6.根据权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于，所述凹槽的宽度为45μm，所述凹槽的深度为55μm，所述光栅周期为310μm，所述光栅周期的总数为75，所述长周期光纤光栅的π相位变化在所述长周期光纤光栅的中心。
7.根据根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述长周期光纤光栅的中心波长为1030nm，所述长周期光纤光栅的光谱带宽为8nm，所述长周期光纤光栅的带通隔离度为15dB。
8.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述激光腔体为环形腔体；
所述环形腔体的长度为78m。
9.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体装置为所述光纤激光器的锁模；
所述锁模的锁模脉冲的重复频率为2.5MHz。
10.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为泵浦激光二极管；
所述泵浦激光二极管的最高功率为530mW；
所述泵浦激光二极管的波长为976nm。
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