CN108390248B - 一种双波长和波长可调谐被动锁模光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波长可调谐或双波长锁模光纤激光器，涉及光纤激光器领域。所述锁模光纤激光器结构属环形腔，其整体包括半导体泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、偏振控制器、偏振无关隔离器、“无芯光纤‑渐变折射率多模光纤”混合结构器件、输出耦合器。所述“无芯光纤‑渐变折射率多模光纤”混合结构器件基于多模光纤中的非线性多模干涉效应，可同时作为可饱和吸收体以及波长选择元件，简化了激光器结构，实现高稳定、高功率的波长可调谐或多波长锁模光纤激光器。所述“无芯光纤‑渐变折射率多模光纤”混合结构器件具有结构简单、损伤阈值高、损耗小等特性，是一种实用的锁模器件。

Description

一种双波长和波长可调谐被动锁模光纤激光器
技术领域
本发明专利涉及光纤激光器领域，具体涉及一种双波长和波长可调谐的被动锁模光纤激光器，尤其涉及一种用于双波长和波长可调谐被动锁模激光器的同时作为可饱和吸收体及波长选择元件的光纤器件及其制备方法。
背景技术
被动锁模光纤激光器因其结构紧凑、性能稳定、光束质量好、易维护和高性价比等优势，成为了激光器研究中的一个重要分支。其中，多波长和可调谐锁模光纤激光器在激光雷达系统、高频孤子脉冲、波分复用系统、光纤传感、高分辨率光谱学、作为THz源等领域获得了广泛的应用。
为实现被动锁模光纤激光器，需采用可饱和吸收体，其对于光的作用表现为一种独特的吸收性，光强越强，吸收越少。目前常用的可饱和吸收体主要包括半导体可饱和吸收镜、碳纳米管以及一些二维材料如石墨烯、二硫化钨、硒化铋等。此类可饱和吸收体材料使用寿命有限，损伤阈值较低，很难用于高功率的锁模光纤激光器。进一步，为实现波长可调谐或多波长锁模输出，实验中通常在锁模激光器中增加滤波组件如可调滤波器或采用拉锥结构以实现波长选择。这种方法使激光器的结构更加复杂，增加了成本。
近些年来，研究人员提出了利用渐变折射率多模光纤作为可饱和吸收体的数学模型。在该模型的基础上，基于渐变折射率多模光纤中的非线性多模干涉效应与自聚焦效应，本发明利用“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合光纤结构，最终实现了双波长与可调谐锁模激光输出。其中，所使用的“无芯光纤-渐变折射率多模”混合结构，不仅起到了常用可饱和吸收体的启动锁模作用，还能作为滤波元件，使激光器在不增加其余元件的情况下实现了可调谐锁模。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调谐和双波长锁模光纤激光器；本发明的另一个目的是提供一种可同时作为可饱和吸收体以及滤波元件的“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件的制备方法。该激光器结构简单，成本低廉，易于制造。
为了实现上述技术目标，达到上述技术效果，本发明通过下述技术方案加以实现：本发明提供的双波长和波长可调谐锁模光纤激光器结构属环形腔，包括腔外的半导体泵浦源，以及环行腔中的波分复用器、用于产生粒子数反转的掺铒光纤、用于改变激光偏振态的偏振控制器、用于确保激光单向传输的偏振无关隔离器、作为锁模元件以及波长选择元件的“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件、用于激光输出的输出耦合器。
所述输出耦合器的直接输出端与耦合输出端的分光比大于70:30，用于激光的输出。
进一步的所述半导体泵浦源的输出波长为976nm或者1480nm。
进一步的所述波分复用器、输出耦合器、隔离器工作波长在1530nm-1610nm。
进一步的所述应用于锁模光纤激光器的“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件，其构成包括第一单模光纤、第一无芯光纤、第一渐变折射率多模光纤以及第二单模光纤，所述第一单模光纤、第一无芯光纤、第一渐变折射率多模光纤、第二单模光纤依次熔接成一体。
作为优选方案，所述第一无芯光纤长度设置为<300μm。
作为优选方案，所述第一渐变折射率多模光纤采用商用的渐变折射率光纤，其纤芯直径为62.5μm或50μm。
作为优选方案，所述第一渐变折射率多模光纤长度设置为>7cm。
该锁模光纤激光器中，所述“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件不仅被用于锁模的维持与启动，还用于输出光谱中心波长的调谐，是本激光器中的关键器件。该混合结构光纤器件能作为可饱和吸收体与滤波器的原理说明如下：
1.可饱和吸收性：当无芯光纤内不同模式的激光进入到渐变折射率光纤后，由于受到与光强相关的自相位调制以及交叉相位调制影响，不同强度的激光的自聚焦长度会有所差别。通过调节渐变折射率光纤长度与弯曲状态，使光强较强的激光自聚焦点与渐变折射率多模光纤和单模光纤的熔接点相吻合，达到激光峰值功率较高的部分透过率更高，峰值功率较低的部分光透过率比较低的状态。此时所述混合结构光纤器件的透射模式于类似可饱和吸收效应，可以起到启动以及稳定锁模的作用。
2.滤波特性：光纤中波长不同的光透射率也不同，其自聚焦长度因此有所区别，这就使得不同波长的光在所述混合结构光纤器件中的透射率不同，通过腔的不断振荡后，部分光被腔有选择的滤除。
与现有技术相比，本发明的可调谐和双波长锁模全光纤激光器，带来的有益效果是：
(1)所述锁模光纤激光器中采用的所有光纤和其他器件，包括“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件，均为成熟商用产品，成本可控，而全光纤的腔结构提高了激光器的稳定与可靠性。
(2)所述可调谐锁模光纤激光器的调谐波段较宽，可以达到25nm以上的调谐输出。
(3)所述锁模光纤激光器实现了双波长锁模激光输出，能应用于光纤传感、波分复用系统等领域中。
(4)所述锁模光纤激光器采用的“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件能同时作为可饱和吸收体和滤波器，简化了激光器结构，提高了激光器整体稳定性。而在其作为可饱和吸收体发挥作用时，相比于二维材料更稳定，使用寿命长，损伤阈值高，透射率较高，能够适用于高功率的锁模光纤激光器。
附图说明
下面结合附图，说明本发明的目的、特征和效果。
图1为本发明实例中激光器结构示意图，图中：1、半导体泵浦源，2、波分复用器，3、掺铒光纤，4、偏振控制器，5、“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件，6、偏振无关隔离器，7、输出耦合器。
图2为本发明实例中“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件结构示意图，图中：5-1、第一单模光纤，5-2、第一无芯光纤，5-3、第一渐变折射率多模光纤，5-4、第二单模光纤。
图3为本发明实例中“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件调制深度曲线。
图4为本发明实例中“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件在不同弯曲下的透射谱。
图5为本发明实例中实现激光可调谐输出的光谱图。
图6为在获得可调谐锁模时，利用自相关仪测得的输出光谱中心波长为1588.7nm时的自相关曲线。
图7为本发明实例中实现双波长时的光谱图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
参照图1所示激光器结构示意图，泵浦源1激发出中心波长为980nm的泵浦光，通过波分复用器2将泵浦光耦合入掺铒光纤3中，掺铒光纤3吸收泵浦光并激发出中心波长在1550 nm波段的光，被激发的光经偏振控制器4、“无芯光纤-渐变折射率多模”混合结构光纤器件5、偏振无关隔离器6、输出耦合器7后，通过波分复用器2的信号端留在环形腔中，使激光继续振荡，从而产生激光。掺铒光纤3(Nufern,SM-ESF-7/125)长2.5m，吸收系数为55dB/m@1532nm。“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件5有光强越高透射率越高直至饱的可饱和吸收性和以及波长不同透射率不同的滤波特性，激发光受该混合结构作用后，经不断振荡脉冲发生窄化，而输出光谱中心波长亦受滤波特性影响而改变。偏振无关隔离器6的工作中心波长为1550nm，隔离度大于24dB，以确保激光的单向传输。输出耦合器7的工作中心波长在1550nm，输出耦合比为90:10。其中，10％输出的一端作为激光器输出。腔内所有的元件的尾纤都采用工作中心波长在1550nm的普通单模光纤。
参考图2所示“无芯光纤-渐变折射率多模”混合结构光纤器件结构示意图，采用的第一无芯光纤5-2长度为～180μm，第一渐变折射率多模光纤5-3长度为23.5cm。激光从第一单模光纤5-1，入射至第一无芯光纤5-2，并激发出诸多传播模式，其后，在这些光进入第一渐变折射率多模光纤5-3中后，受自相位调制和交叉相位调制的影响，不同强度和波长的光的自聚焦点不一致，这些光在经过第一渐变折射率多模光纤5-3与第二单模光纤5-4之间的熔点时，自聚焦点与第二单模光纤5-4纤芯耦合程度越高的光透射率越高，在调整各光纤长度后，能达到光强越强，透射率越高的效果。
参考图3所示，为测量所述可饱和吸收体器件的透射率曲线，经计算调制深度为4.77％。可以看到，随输入能量增加，该器件的透射率从42.6％逐渐增大47.7％，而后逐渐饱和。
参考图4所示，为测量所述可饱和吸收体器件在相同入射光下，不同弯曲状态下的五个透射谱。可以看到，在不同弯曲状态下，各波长的透射率有较大差别。
参考图5所示，为在获得可调谐锁模时，利用光谱仪测得的五个透射谱，其中心波长分别为1574.0nm，1581.5nm，1588.7nm，1593.1nm，1601.1nm，实验中输出光谱中心波长是连续可调的。同时，kelly边带的存在说明脉冲具有明显的负色散锁模下传统孤子的特性。
参考图6所示，为在获得可调谐锁模时，利用自相关仪测得的中心波长为1588.7nm时的自相关曲线，脉冲宽度为1.7ps。
参考图7所示，为在获得双波长锁模时，利用光谱仪测得的光谱，其中心波长分别为1575.4 nm和1603.0nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种波长可调谐被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述波长可调谐被动锁模光纤激光器结构属环形腔，包括腔外的半导体泵浦源，以及环形腔中的波分复用器、用于产生粒子数反转的掺铒光纤、用于改变激光偏振态的偏振控制器、用于确保激光单向传输的偏振无关隔离器、作为锁模元件以及波长选择元件的“无芯光纤-渐变折射率多模光纤”混合结构光纤器件、用于激光输出的输出耦合器，所有器件均通过单模光纤彼此相连，所述混合结构光纤器件由依次熔接成一体的第一单模光纤、第一无芯光纤、第一渐变折射率多模光纤以及第二单模光纤组成；当所述第一无芯光纤内不同模式的激光进入到所述第一渐变折射率多模光纤后，通过调节所述第一渐变折射率多模光纤的长度与弯曲状态，使光强较强的激光自聚焦点与所述第一渐变折射率多模光纤和所述第二单模光纤的熔接点相吻合，达到激光峰值功率较高的部分透过率更高，峰值功率较低的部分光透过率比较低的状态，同时不同波长的光在所述混合结构光纤器件中的透射率不同，部分光被有选择的滤除。
2.如权利要求1所述的波长可调谐被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述输出耦合器的直接输出端与耦合输出端的分光比大于70:30，用于激光的输出。
3.如权利要求1所述的波长可调谐被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一无芯光纤长度设置为<300μm。
4.如权利要求1所述的波长可调谐被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一渐变折射率多模光纤纤芯直径为62.5μm或50μm。
5.如权利要求1所述的波长可调谐被动锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一渐变折射率多模光纤长度设置为>7cm。
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