CN108521065A - 一种全光纤环形被动锁模激光器 - Google Patents

一种全光纤环形被动锁模激光器 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光器技术领域，公开了一种全光纤环形被动锁模激光器，包括光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤、光纤输出耦合器和泵浦源；所述光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器通过单模光纤连接构成环形谐振腔，所述光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器之间的相对位置可调；所述泵浦源的输出端与波分复用器相连，光纤输出耦合器的一端作为脉冲激光输出端；所述光纤光栅的第一端和第二端分别作为环形谐振腔的两端，光脉冲在谐振腔内单次往返时被光纤光栅反射两次；本发明提供的环形谐振腔结构简单，能够获得光谱形状更加稳定、脉冲能量更高的锁模脉冲。

Description

一种全光纤环形被动锁模激光器
技术领域
本发明属于激光器技术领域，更具体地，涉及一种全光纤环形被动锁模激光器。
背景技术
在激光领域，超短(皮秒或者飞秒)光脉冲一般通过锁模激光器来产生，锁模激光器分为主动锁模和被动锁模两类；其中，主动锁模激光器中需设置调制器，增加了系统复杂度和成本；被动锁模激光器可以实现腔内不插入任何调制器的情况下输出超短脉冲，结构简单，成本低，易于与光纤兼容。
全光纤锁模激光器通常使用可饱和吸收体来实现被动锁模；常见的全光纤锁模激光谐振腔结构包括法布里-帕罗(F-P)结构，环形结构，以及8字形和9字形结构；现有的锁模激光器存在以下缺点：
1、传统的法布里-帕罗(F-P)结构，谐振腔内由于存在光纤色散与非线性效应，导致脉冲不稳定，光谱展宽导致光谱发生变化，无法获得稳定的目标光脉冲；
2、传统的腔形结构或结构简单的全光纤环形结构，谐振腔中由于非线性效应对脉冲能量的限制，导致无法获得高能量脉冲。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种全光纤环形被动锁模激光器，其目的在于解决现有的锁模激光器存在输出光谱不稳定、能量低的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种全光纤环形被动锁模激光器，包括光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤、光纤输出耦合器和泵浦源；
光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器通过单模光纤连接构成环形谐振腔，光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器之间的相对位置可调；泵浦源的输出端与波分复用器相连，光纤输出耦合器的一端作为脉冲激光输出端；光纤光栅的第一端和第二端分别作为环形谐振腔的两端，光脉冲在谐振腔内单次往返时被光纤光栅反射两次。
优选的，上述全光纤环形被动锁模激光器，其泵浦源的输出端与波分复用器的第一端相连，波分复用器的第二端与掺稀土光纤的第一端相连，掺稀土光纤的第二端与光纤输出耦合器的第一端相连，光纤输出耦合器的第二端与光纤光栅的第一端相连，光纤光栅的第二端与透射式可饱和吸收体的第一端相连，透射式可饱和吸收体的第二端与波分复用器的第三端相连；所述光纤输出耦合器的第三端作为脉冲激光输出端。
优选的，上述全光纤环形被动锁模激光器，其光纤光栅为具有预设色散量的光纤啁啾布拉格光栅，从所述光纤啁啾布拉格光栅的第一端和第二端反射的信号光会获得相反的色散量；光纤啁啾布拉格光栅的脉冲展宽作用可以降低谐振腔内的非线性效应，减小非线性效应对信号脉冲的影响，获得更高的脉冲输出功率。
优选的，上述全光纤环形被动锁模激光器，其单模光纤是保偏光纤。
优选的，上述全光纤环形被动锁模激光器，其单模光纤是非保偏光纤。
优选的，上述全光纤环形被动锁模激光器，还包括色散补偿器，该色散补偿器设于环形谐振腔的任意位置处，用于补偿谐振腔内的各器件以及单模光纤的色散，使谐振腔产生更短的锁模脉冲。
优选的，上述全光纤环形被动锁模激光器，在保偏光纤的任意位置处设置一个或多个交叉焊点，该交叉焊点使通过光纤啁啾布拉格光栅的脉冲在快轴与慢轴上获得不同的色散量。
优选的，上述全光纤环形被动锁模激光器，其透射式可饱和吸收体选自纳米管、石墨烯。
优选的，上述全光纤环形被动锁模激光器，其泵浦源采用半导体激光二极管，掺稀土光纤为掺Yb光纤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的全光纤环形被动锁模激光器，光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器首尾相连构成环形谐振腔结构，以光纤光栅的第一端和第二端分别作为谐振腔的两端，光脉冲在谐振腔内单次往返时被光纤光栅反射两次，即光脉冲的光谱被光纤光栅整形过滤两次，在不增加器件数量的情况下，使得腔内光谱形状更稳定；相对于传统的腔形结构，或者结构简单的全光纤环形结构，本发明提供的环形结构使得谐振腔内的光脉冲因光谱展宽引起的光谱变化更少，光谱更加稳定；在对光谱形状比较敏感的锁模条件下，能够输出光谱形状更加稳定的脉冲；
(2)本发明提供的全光纤环形被动锁模激光器，采用具有预先设定的色散值的光纤啁啾布拉格光栅作为环形谐振腔的两端，从光纤啁啾布拉格光栅的第一端和第二端反射的信号光会获得相反的色散量，光纤啁啾布拉格光栅的脉冲展宽作用可以降低谐振腔内其他器件处的脉冲峰值功率，减小非线性效应对信号脉冲的影响，从而获得更高的脉冲输出功率；
(3)本发明提供的全光纤环形被动锁模激光器，通过在环形谐振腔的任意位置处设置交叉焊点或色散补偿器，可用来补偿谐振腔内其他器件的色散，产生更短的锁模脉冲；或者用来控制谐振腔的整体剩余色散量，使谐振腔工作在想要的工作区间，从而产生特定形状的锁膜脉冲。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的全光纤环形锁模激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的全光纤环形锁模激光器的工作原理图；
图3是本发明实施例二提供的全光纤环形锁模激光器的工作原理图；
图4是本发明实施例三提供的全光纤环形锁模激光器的结构示意图；
图5是本发明实施例四提供的全光纤环形锁模激光器的结构示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-光纤光栅，2-透射式可饱和吸收体，3-波分复用器，4-掺稀土光纤，5-光纤输出耦合器，6-泵浦源，7-光纤啁啾布拉格光栅，8-色散补偿器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种全光纤环形被动锁模激光器，包括光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤、光纤输出耦合器和泵浦源；
光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器通过单模光纤连接构成环形谐振腔，光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器之间的相对位置可调；泵浦源的输出端与波分复用器相连，光纤输出耦合器的一端作为脉冲激光输出端；光纤光栅的第一端和第二端分别作为环形谐振腔的两端，光脉冲在谐振腔内单次往返时被光纤光栅反射两次。
下面通过具体的实施例和附图对本发明提供的全光纤环形被动锁模激光器的结构和工作原理进行说明。
实施例一
图1是实施例一提供的全光纤环形锁模激光器的结构示意图，如图1所示，本实施例所提供的全光纤环形锁模激光器，包括光纤光栅1、透射式可饱和吸收体2、波分复用器3、掺稀土光纤4、光纤输出耦合器5和泵浦源6；
其中，泵浦源6的输出端与波分复用器3的第一端相连，波分复用器3的第二端与掺稀土光纤4的第一端相连，掺稀土光纤4的第二端与光纤输出耦合器5的第一端相连，光纤输出耦合器5的第二端与光纤光栅1的第一端相连，光纤光栅1的第二端与透射式可饱和吸收体2的第一端相连，透射式可饱和吸收体2的第二端与波分复用器3的第三端相连，光纤输出耦合器5的第三端作为脉冲激光输出端；光纤光栅1、透射式可饱和吸收体2、波分复用器3、掺稀土光纤4和光纤输出耦合器5首尾相连构成环形谐振腔结构；各器件之间均通过单模光纤相连，可以是保偏光纤或非保偏光纤；需要指出的是，由于谐振腔为环形结构，光纤光栅1、透射式可饱和吸收体2、波分复用器3、掺稀土光纤4和光纤输出耦合器5之间的相对位置可任意调节。
其工作原理示意图如图2所示，工作时，泵浦源6通电后产生泵浦光，泵浦光经波分复用器3耦合到掺稀土光纤4中，掺稀土光纤4吸收泵浦光发生粒子数反转，产生信号光；信号光经过光纤输出耦合器5进入光纤光栅1的第一端，光纤光栅1将符合设定反射波长范围的信号光从第一端反射回谐振腔，反射后的信号光经光纤输出耦合器5进入掺稀土光纤4，掺稀土光纤4对通过的信号光产生增益，掺稀土光纤4输出的信号光经波分复用器3进入透射式可饱和吸收体2，透射式可饱和吸收体2吸收信号光中的低脉冲峰值功率部分，使信号光脉冲变短；透射式可饱和吸收体2输出的信号光进入光纤光栅1的第二端，经光纤光栅1反射后从第二端反射回谐振腔；信号光在波分复用器3、掺稀土光纤4、光纤输出耦合器5、光纤光栅1和透射式可饱和吸收体2之间往返震荡，信号从噪声开始，不断往返接近稳定状态，直到腔内形成稳定往返的脉冲，从而产生锁模，谐振腔形成的锁模光脉冲经光纤输出耦合器5部分耦合并从光纤输出耦合器5的第三端输出。
透射式可饱和吸收体2在工作时会透射信号光脉冲峰值功率高的部分，同时对脉冲峰值功率低的部分有较高的吸收，脉冲在反复经过可饱和吸收体后会变得越来越短；掺稀土光纤4作为增益介质将泵浦光转换为信号光，并对通过的信号光增益放大；
光纤光栅1具有高反射率，能够将满足光纤光栅布拉格条件的信号光反射回谐振腔内；光纤光栅1的第一端和第二端分别作为谐振腔的两端，构成环形谐振腔结构，但信号光在谐振腔内的传输是以法布里-帕罗结构运行；光脉冲在谐振腔内单次往返时被光纤光栅1反射两次，即光脉冲的光谱被光纤光栅1整形过滤两次；相对于传统的腔形结构，或者结构简单的全光纤环形结构，本实施例提供的环形结构使得谐振腔内的光脉冲因光谱展宽引起的光谱变化更少，光谱形状易于控制，光谱更加稳定。
实施例二
本实施例所提供的全光纤环形锁模激光器，包括光纤啁啾布拉格光栅7、透射式可饱和吸收体2、波分复用器3、掺稀土光纤4、光纤输出耦合器5和泵浦源6；
各器件的连接关系具体为：泵浦源6的输出端与波分复用器3的第一端相连，波分复用器3的第二端与掺稀土光纤4的第一端相连，掺稀土光纤4的第二端与光纤输出耦合器5的第一端相连，光纤输出耦合器5的第二端与光纤啁啾布拉格光栅7的第一端相连，光纤啁啾布拉格光栅7的第二端与透射式可饱和吸收体2的第一端相连，透射式可饱和吸收体2的第二端与波分复用器3的第三端相连，由此构成环形谐振腔结构；光纤输出耦合器5的第三端作为脉冲激光输出端；各器件之间均通过单模光纤相连，可以是保偏光纤或非保偏光纤；
图3是本实施例提供的全光纤环形锁模激光器的工作原理图，光纤啁啾布拉格光栅7具有预先设定的色散值，从光纤啁啾布拉格光栅7的第一端和第二端反射的信号光会获得色散量相同(或非常接近)，但是符号相反的色散；如图3所示，由光纤啁啾布拉格光栅7的第一端进入的信号光获得色散从而展宽，展宽后的信号光经光纤啁啾布拉格光栅7反射后从第二端再次进入光纤啁啾布拉格光栅7，获得相反的色散量从而压缩；光纤啁啾布拉格光栅7的脉冲展宽作用可以降低谐振腔内其他器件处的脉冲峰值功率，从而降低谐振腔内的非线性效应，减小非线性效应对信号脉冲的影响，获得更高的脉冲输出功率，相对于未带色散的普通光纤光栅，本实施例提供的全光纤环形锁模激光器输出的脉冲能量更高。
实施例三
本实施例所提供的全光纤环形锁模激光器，在实施例一或实施例二的基础上，在环形谐振腔中的任意位置处设置色散补偿器8，该色散补偿器8具有色散补偿功能，用于补偿谐振腔内的其它器件以及单模光纤的色散，使谐振腔产生更短的锁模脉冲；或者用来控制谐振腔的整体剩余色散量，使谐振腔工作在想要的工作区间(比如soliton工作区间，总色散为负，self-similar或all-normal-dispersion工作区间，总色散为正)，产生特定形状的脉冲；色散补偿器8可选用具有特殊色散的光纤；
图4是本实施例提供的全光纤环形锁模激光器的结构示意图，如图4所示，色散补偿器8设于透射式可饱和吸收体2和波分复用器3之间，色散补偿器8的第一端与透射式可饱和吸收体2的第二端相连，第二端与波分复用器3的第三端相连。
实施例四
本实施例所提供的全光纤环形锁模激光器，包括光纤啁啾布拉格光栅7、透射式可饱和吸收体2、波分复用器3、掺稀土光纤4、光纤输出耦合器5和泵浦源6；
图5是本实施例提供的全光纤环形锁模激光器的结构示意图，各器件的连接关系与实施例二相同，此处不再赘述，与实施例二的区别在于：各器件之间均通过保偏光纤相连，在环形谐振器中保偏光纤的任意位置处设置一个或多个交叉焊点，该交叉焊点使通过光纤啁啾布拉格光栅7的脉冲在快轴与慢轴上获得不同的色散量，使得谐振腔内的总色散量为正值或负值，达到调节谐振腔色散量的目的，使谐振腔工作在想要的工作区间，比如soliton工作区间，总色散为负，self-similar或all-normal-dispersion工作区间，总色散为正，从而产生特定形状的脉冲；此外，设置交叉焊点还可以用来补偿谐振腔内其他器件的色散，使谐振腔产生更短的锁模脉冲。
上述各实施例中，泵浦源6采用半导体激光二极管，其波长范围为掺稀土光纤4的吸收波长，功率一般小于1W，输出形式为单模光纤；
透射式可饱和吸收体2选自纳米管、石墨烯；
掺稀土光纤4选自掺Yb光纤，掺Nd光纤，掺Er光纤，Yb/Er共掺光纤等稀土元素掺杂的单模光纤，本实施例优选掺Yb光纤，其吸收波长为915-975nm。
相比于现有的锁模激光器，本发明提供的全光纤环形被动锁模激光器，由光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器首尾相连构成的环形谐振腔结构使得谐振腔内的光脉冲因光谱展宽引起的光谱变化更少，光谱更加稳定；采用具有预先设定的色散值的光纤啁啾布拉格光栅作为环形谐振腔的两端，光纤啁啾布拉格光栅的脉冲展宽作用可以降低谐振腔内其他器件处的脉冲峰值功率，减小非线性效应对信号脉冲的影响，从而获得更高的脉冲输出功率。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，包括光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤、光纤输出耦合器和泵浦源；
所述光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器通过单模光纤连接构成环形谐振腔，所述光纤光栅、透射式可饱和吸收体、波分复用器、掺稀土光纤和光纤输出耦合器之间的相对位置可调；所述泵浦源的输出端与波分复用器相连，光纤输出耦合器的一端作为脉冲激光输出端；所述光纤光栅的第一端和第二端分别作为环形谐振腔的两端，光脉冲在谐振腔内单次往返时被光纤光栅反射两次。
2.如权利要求1所述的全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，所述泵浦源的输出端与波分复用器的第一端相连，所述波分复用器的第二端与掺稀土光纤的第一端相连，所述掺稀土光纤的第二端与光纤输出耦合器的第一端相连，所述光纤输出耦合器的第二端与光纤光栅的第一端相连，所述光纤光栅的第二端与透射式可饱和吸收体的第一端相连，所述透射式可饱和吸收体的第二端与波分复用器的第三端相连；所述光纤输出耦合器的第三端作为脉冲激光输出端。
3.如权利要求1或2所述的全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，所述光纤光栅为具有预设色散量的光纤啁啾布拉格光栅，从所述光纤啁啾布拉格光栅的第一端和第二端反射的信号光会获得相反的色散量；所述光纤啁啾布拉格光栅的脉冲展宽作用可以降低谐振腔内的非线性效应，减小非线性效应对信号脉冲的影响，获得更高的脉冲输出功率。
4.如权利要求1或2所述的全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，所述单模光纤是保偏光纤。
5.如权利要求3所述的全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，所述单模光纤是保偏光纤。
6.如权利要求3所述的全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，所述单模光纤是非保偏光纤。
7.如权利要求1或2所述的全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，还包括色散补偿器，所述色散补偿器设于环形谐振腔的任意位置处，用于补偿谐振腔内的各器件以及单模光纤的色散，使谐振腔产生更短的锁模脉冲。
8.如权利要求5所述的全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，在所述保偏光纤的任意位置处设置一个或多个交叉焊点，所述交叉焊点使通过光纤啁啾布拉格光栅的脉冲在快轴与慢轴上获得不同的色散量。
9.如权利要求1所述的全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，所述透射式可饱和吸收体选自纳米管、石墨烯。
10.如权利要求1所述的全光纤环形被动锁模激光器，其特征在于，所述泵浦源采用半导体激光二极管，所述掺稀土光纤为掺Yb光纤。
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