CN108565671A - 一种锁模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锁模光纤激光器，属于光纤激光器技术领域。一种锁模光纤激光器，包括锁模光纤激光器件及设置在锁模光纤激光器件腔外的重复频率调谐系统。重复频率调谐系统包括依次耦合的光分束器、光程差产生器和光合束器；光分束器被配置成接收锁模光纤激光器件产生的脉冲信号并将其分成多束传输至光程差产生器，光程差产生器被配成将多束脉冲信号产生光程差并传输至光合束器将其合并成同一光路。即可调节脉冲信号的重复频率，以此改变脉冲占空比与脉冲峰值功率等激光参数。重复频率调谐系统设置在锁模光纤激光器件的腔外，可以在系统中规避空间光路，使激光器有较好的环境适应性，可以适用于严苛应用环境。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体而言，涉及一种锁模光纤激光器。
背景技术
目前，现有的传统锁模光纤激光器基本依靠自身锁模后的状态满足应用需求，能达到的标的有限，难以满足其应用需求。在重复频率调谐系统制作中，需要在振荡腔中加入腔长调谐装置，如精密电机、压电陶瓷等。此方案可以调制锁模激光器的重复频率，实现精确频率控制。但由于光纤切割、光纤熔接均需要一定的操作长度，因此光纤长度不能无限截短。
限于光纤长度，现有锁模光纤激光器重复频率最多可达到数百MHz，更高重复频率的锁模光纤激光器无法制作，导致锁模光纤激光器的占空比较低，超短脉冲进一步放大时容易产生较大ASE(自发受激辐射放大)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锁模光纤激光器。
本发明是这样实现的：
一种锁模光纤激光器，包括锁模光纤激光器件及设置在锁模光纤激光器件腔外的重复频率调谐系统；
重复频率调谐系统包括依次耦合的光分束器、光程差产生器和光合束器；光分束器被配置成接收锁模光纤激光器件产生的脉冲信号并将其分成多束传输至光程差产生器，光程差产生器被配成将多束脉冲信号产生光程差并传输至光合束器将其合并成同一光路。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
锁模光纤激光器件包括具有线性腔结构的激光器振荡器和至少一个放大级；
激光器震荡器包括可饱和吸收体、第一增益光纤和光栅构成的谐振腔及第一光波分复器、第一泵浦保护滤波器、第一泵浦光源；
放大级包括光隔离器、第二增益光纤、第二光波分复器、第二泵浦保护滤波器和第二泵浦光源；
第一泵浦光源被配置成产生泵浦光；第一泵浦保护滤波器被配置成保护第一泵浦光源，使第一泵浦光源不受返回光损害。
第一光波分复器被配置成对第一光波分复器传输的泵浦光耦合至谐振腔产生脉冲信号，且将谐振腔内产生的脉冲信号输出至光隔离器；
第二泵浦光源被配置成产生泵浦光；第二泵浦保护滤波器被配置成保护第二泵浦光源，使第二泵浦光源不受返回光损害。
第二光波分复器被配置成对第二光波分复器传输的泵浦光传输至第二增益光纤，第二增益光纤将泵浦光吸收产生脉冲信号并传输至光隔离器被光隔离器吸收；
光隔离器被配置成将第二增益光纤和谐振腔传输的脉冲信号吸收，并将脉冲信号依次经过第二增益光纤、第二光波分复器后进入重复频率调谐系统；
重复频率调谐系统的光分束器被配置成将脉冲信号分成多束并传输至光程差产生器。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
光程差产生器设置有多个端口，多束脉冲信号可从不同的端口进入，光程差产生器内部具有多种介质，多个端口对应不同折射率的介质。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
光分束器被配置成可将脉冲信号分成两束。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
第一光波分复器包括第一信号端、第二信号端和第一合束端，第一信号端与第一泵浦保护滤波器耦合，第二信号端与光隔离器耦合，第一合束端与第一增益光纤耦合。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
第二光波分复器包括第三信号端、第四信号端和第二合束端，第三信号端与第二泵浦保护滤波器耦合，第四信号端与光分束器耦合，第二合束端与第二增益光纤耦合。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
光栅被配置成具有反射和透射能力，泵浦光进入光栅后经过第一增益光纤产生光信号进入可饱和吸收体；光栅对光信号的反射和透射比例为7-9:1-3。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
光栅的反射和透射能力的比例为8:2。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
可饱和吸收体为半导体可饱和吸收镜、石墨烯可饱和吸收镜、碳纳米管可饱和吸收镜或氧化石墨烯可饱和吸收镜中的任一种。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
第一泵浦光源与第二泵浦光源均为激光二极管。
本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的锁模光纤激光器，从锁模光纤激光器件产生的脉冲信号进入重复频率调谐系统，首先被传输至光分束器，光分束器将脉冲信号分成多束脉冲信号，并将多束脉冲信号传输至光程差产生器，光程差产生器将多束脉冲信号进行处理使得多束脉冲信号之间产生光程差，然后由光合束器将具有光程差的多束脉冲信号合并成同一光路，由于多束脉冲信号的具有光程差，通过调节多束脉冲信号的光程差，可调节脉冲信号的重复频率，以此改变脉冲占空比与脉冲峰值功率等激光参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的锁模光纤激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种锁模光纤激光器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的锁模光纤激光器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的锁模光纤激光器的结构示意图。
图标：10-锁模光纤激光器；100-锁模光纤激光器件；110-可饱和吸收体；120-第一增益光纤；130-光栅；140-第一光波分复器；141-第一信号端；142-第二信号端；143-第一合束端；150-第一泵浦保护滤波器；160-第一泵浦光源；170-光隔离器；180-第二增益光纤；190-第二光波分复器；191-第三信号端；192-第四信号端；193-第二合束端；210-第二泵浦保护滤波器；220-第二泵浦光源；300-重复频率调谐系统；310-光分束器；320-光程差产生器；330-光合束器。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
现有的传统锁模光纤激光器10基本依靠自身锁模后的状态满足应用需求，能达到的标的有限，难以满足其应用需求。在重复频率调谐系统300制作中，需要在振荡腔中加入腔长调谐装置，如精密电机、压电陶瓷等。此方案可以调制锁模激光器的重复频率，实现精确频率控制。但由于光纤切割、光纤熔接均需要一定的操作长度，因此光纤长度不能无限截短。
限于光纤长度，现有锁模光纤激光器10重复频率最多可达到数百MHz，更高重复频率的锁模光纤激光器10无法制作，导致锁模光纤激光器10的占空比较低，超短脉冲进一步放大时容易产生较大ASE(自发受激辐射放大)。受限于精密电机的体积与调节长度，传统重复频率调谐锁模光纤激光器10的重复频率调节范围较小，难于满足改变锁模脉冲占空比，改变锁模脉冲峰值功率进而实现短脉冲放大等需求；且由压电陶瓷、精密电机等器件组成的腔长调谐装置中，包含部分空间光路，难于适用于严苛应用环境。
基于此，本实施例提供一种锁模光纤激光器10，请参照图1。该锁模光纤激光器10可实现腔外重复频率调谐，在系统中规避空间光路，使激光器有较好的环境适应性，可以适用于严苛应用环境。
具体地，锁模光纤激光器10包括包括锁模光纤激光器件100及设置在锁模光纤激光器件100腔外的重复频率调谐系统300。
重复频率调谐系统300包括依次耦合的光分束器310、光程差产生器320和光合束器330；光分束器310被配置成接收锁模光纤激光器件100产生的脉冲信号并将其分成多束传输至光程差产生器320，光程差产生器320被配成将多束脉冲信号产生光程差并传输至光合束器330将其合并成同一光路。
从锁模光纤激光器件100产生的脉冲信号进入重复频率调谐系统300，首先被传输至光分束器310，光分束器310将脉冲信号分成多束脉冲信号，并将多束脉冲信号传输至光程差产生器320，光程差产生器320将多束脉冲信号进行处理使得多束脉冲信号之间产生光程差，然后由光合束器330将具有光程差的多束脉冲信号合并成同一光路，由于多束脉冲信号的具有光程差，通过调节多束脉冲信号的光程差，可调节脉冲信号的重复频率，以此改变脉冲占空比与脉冲峰值功率等激光参数。由于重复频率调谐系统300设置在锁模光纤激光器件100的腔外，因而可以在系统中规避空间光路，使激光器有较好的环境适应性，可以适用于严苛应用环境。
进一步地，光程差产生器320设置有多个端口，多束脉冲信号可从不同的端口进入，光程差产生器320内部具有多种介质，多个端口对应不同折射率的介质。其中，光分束器310被配置成可将脉冲信号分成两束。
由于光程差产生器320具有多个端口，且多个端口对应不同折射率的介质，则多束脉冲信号从不同的端口进入光程差产生器320，会入射到不同折射率的介质中，光在相同长度不同折射率的介质中传播时光程不同，从而使得多束脉冲信号产生光程差。通过选择介质的不同折射率，可以实现较宽范围的重复频率调节。
进一步地，请参照图2-图4，在本实施例中，锁模光纤激光器件100包括具有线性腔结构的激光器振荡器和至少一个放大级。
激光器震荡器包括可饱和吸收体110、第一增益光纤120和光栅130构成的谐振腔及第一光波分复器140、第一泵浦保护滤波器150、第一泵浦光源160。
第一泵浦光源160被配置成产生泵浦光。在本实施例中，第一泵浦光源160为激光二极管。在其他实施例中，也可采用激光器作为第一泵浦光源160。本申请对第一泵浦光源160的具体形式不做限定。
第一泵浦保护滤波器150被配置成保护第一泵浦光源160，使第一泵浦光源160不受返回光损害。
其中，第一光波分复器140包括第一信号端141、第二信号端142和第一合束端143，第一信号端141与第一泵浦保护滤波器150耦合，第二信号端142与光隔离器170耦合，第一合束端143与第一增益光纤120耦合。
第一光波分复器140被配置成对第一光波分复器140传输的泵浦光耦合至谐振腔产生脉冲信号，且将谐振腔内产生的脉冲信号输出至光隔离器170。
进一步地，放大级包括光隔离器170、第二增益光纤180、第二光波分复器190、第二泵浦保护滤波器210和第二泵浦光源220。
第二泵浦光源220被配置成产生泵浦光。在本实施例中，第二泵浦光源220为激光二极管。在其他实施例中，也可采用激光器作为第二泵浦光源220。本申请对第二泵浦光源220的具体形式不做限定。
第二泵浦保护滤波器210被配置成保护第二泵浦光源220，使第二泵浦光源220不受返回光损害。
其中，第二光波分复器190包括第三信号端191、第四信号端192和第二合束端193，第二信号端142与第二泵浦保护滤波器210耦合，第四信号端192与光分束器310耦合，第二合束端193与第二增益光纤180耦合。
第二光波分复器190被配置成对第二光波分复器190传输的泵浦光传输至第二增益光纤180，第二增益光纤180将泵浦光吸收产生脉冲信号并传输至光隔离器170被光隔离器170吸收。
光隔离器170被配置成将第二增益光纤180和谐振腔传输的脉冲信号吸收，并将脉冲信号依次经过第二增益光纤180、第二光波分复器190后进入重复频率调谐系统300。
锁模光纤激光器10工作时，第一泵浦光源160产生泵浦光，泵浦光传输至第一泵浦保护滤波器150，然后经过第一信号端141传输至第一光波分复器140。第一光波分复器140经第一合束端143将泵浦光耦合至可饱和吸收体110、第一增益光纤120和光栅130构成的谐振腔中。具体地，泵浦光经过光栅130进入第一增益光纤120，第一增益光纤120吸收泵浦光并产生光信号，光信号进入可饱和吸收体110，使脉冲高强度峰值部分增强通过，低强度前后沿部分被有效抑制，输出脉宽极窄的超短脉冲。短脉冲再经过第一增益光纤120从光栅130透过，然后经第一光波分复器140的第二信号端142输出至光隔离器170。
需要说明的是，在本实施例中，光栅130被配置成具有反射和透射能力，泵浦光进入光栅130后经过第一增益光纤120产生光信号进入可饱和吸收体110。可选地，光栅130对光信号的反射和透射比例为7-9:1-3。在本实施例中，光栅130对光信号的反射和透射比例为8:2。即20％的光信号可以透过光栅130，80％的光信号被光栅130反射后继续留在谐振腔内振荡放大。
需要说明的是，光栅130对光信号的反射和透射比例可以根据实际应用情况自行调节。
第二泵浦光源220产生泵浦光，泵浦光传输至第二泵浦保护滤波器210，第二泵浦保护滤波器210被配置成保护第二泵浦光源220，使第二泵浦光源220不受返回光损害。然后泵浦光传输至第二光波分复器190经第二合束端193将泵浦光耦合至第二增益光纤180，泵浦光被第二增益光纤180吸收部分，剩余部分被光隔离器170所吸收。
由于，光隔离器170是一种只允许单向光通过的无源光器件，光隔离器170将吸收到的第二增益光纤180和谐振腔传输的脉冲信号又传输至第二增益光纤180，脉冲信号在第二增益光纤180中被放大，然后经过第二光波分复器190经由其第四信号端192传输至重复频率调谐系统300的光分束器310中进行处理。
需要说明的是，本实施例列举了只有一个放大级的情况，本申请的放大级可以设置多个。从重复频率调谐系统300的光合束器330出来的光束可通过下一个放大级进一步进行光功率的放大。放大的功率大小决定重复频率调节的大小。
另外，在本实施例中，可饱和吸收体110为半导体可饱和吸收镜、石墨烯可饱和吸收镜、碳纳米管可饱和吸收镜或氧化石墨烯可饱和吸收镜中的任一种。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)
1.一种锁模光纤激光器，其特征在于，包括锁模光纤激光器件及设置在所述锁模光纤激光器件腔外的重复频率调谐系统；
所述重复频率调谐系统包括依次耦合的光分束器、光程差产生器和光合束器；所述光分束器被配置成接收所述锁模光纤激光器件产生的脉冲信号并将其分成多束传输至所述光程差产生器，所述光程差产生器被配成将多束所述脉冲信号产生光程差并传输至所述光合束器将其合并成同一光路。
2.根据权利要求1所述的锁模光纤激光器，其特征在于，所述锁模光纤激光器件包括具有线性腔结构的激光器振荡器和至少一个放大级；
所述激光器振荡器包括可饱和吸收体、第一增益光纤和光栅构成的谐振腔及第一光波分复器、第一泵浦保护滤波器、第一泵浦光源；
所述放大级包括光隔离器、第二增益光纤、第二光波分复器、第二泵浦保护滤波器和第二泵浦光源；
所述第一泵浦光源被配置成产生泵浦光；所述第一泵浦保护滤波器被配置成保护第一泵浦光源，使所述第一泵浦光源不受返回光损害；
所述第一光波分复器被配置成对所述第一光波分复器传输的所述泵浦光耦合至所述谐振腔产生脉冲信号，且将所述谐振腔内产生的所述脉冲信号输出至所述光隔离器；
所述第二泵浦光源被配置成产生泵浦光；所述第二泵浦保护滤波器被配置成保护第二泵浦光源，使所述第二泵浦光源不受返回光损害；
所述第二光波分复器被配置成对所述第二光波分复器传输的所述泵浦光传输至所述第二增益光纤，所述第二增益光纤将所述泵浦光吸收产生脉冲信号并传输至所述光隔离器被所述光隔离器吸收；
所述光隔离器被配置成将所述第二增益光纤和所述谐振腔传输的脉冲信号吸收，并将所述脉冲信号依次经过所述第二增益光纤、第二光波分复器后进入所述重复频率调谐系统；
所述重复频率调谐系统的所述光分束器被配置成将所述脉冲信号分成多束并传输至所述光程差产生器。
3.根据权利要求2所述的锁模光纤激光器，其特征在于，所述光程差产生器设置有多个端口，多束所述脉冲信号可从不同的所述端口进入，所述光程差产生器内部具有多种介质，多个所述端口对应不同折射率的介质。
4.根据权利要求2所述的锁模光纤激光器，其特征在于，所述光分束器被配置成可将所述脉冲信号分成两束。
5.根据权利要求2所述的锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一光波分复器包括第一信号端、第二信号端和第一合束端，所述第一信号端与所述第一泵浦保护滤波器耦合，所述第二信号端与所述光隔离器耦合，所述第一合束端与所述第一增益光纤耦合。
6.根据权利要求2所述的锁模光纤激光器，其特征在于，所述第二光波分复器包括第三信号端、第四信号端和第二合束端，所述第三信号端与所述第二泵浦保护滤波器耦合，所述第四信号端与所述光分束器耦合，所述第二合束端与所述第二增益光纤耦合。
7.根据权利要求2所述的锁模光纤激光器，其特征在于，所述光栅被配置成具有反射和透射能力，所述泵浦光进入所述光栅后经过所述第一增益光纤产生光信号进入所述可饱和吸收体；所述光栅对光信号的反射和透射比例为7-9:1-3。
8.根据权利要求7所述的锁模光纤激光器，其特征在于，所述光栅对光信号的反射和透射比例为8:2。
9.根据权利要求2所述的锁模光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体为半导体可饱和吸收镜、石墨烯可饱和吸收镜、碳纳米管可饱和吸收镜或氧化石墨烯可饱和吸收镜中的任一种。
10.根据权利要求2所述的锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦光源与所述第二泵浦光源均为激光二极管。
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