CN108988116A - 一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜 - Google Patents

一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜。包括：单模光纤、高非线性双芯光纤和反射镜；单模光纤包括单模光纤的纤芯(A1)和包裹在单模光纤纤芯外的包层(A2)；高非线性双芯光纤包括非线性双芯光纤的两个纤芯(B1)、纤芯(B2)和包裹在两个所述纤芯外的一个包层(B3)；光信号通过单模光纤耦合注入纤芯(B1)，光信号在高非线性双芯光纤的另外一端由反射镜反射，沿入射纤芯方向反向传输，并从单模光纤输出。本发明通过采用高非线性双芯光纤，增大光信号在腔内的非线性相移，减小体积以增强结构的紧凑性，并且通过可调整的非线性双芯光纤的纤芯距离可以调整饱和功率，在较高的功率损伤阈值的情况下，增加激光器的工作稳定性。

Description

一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜。
背景技术
超短脉冲光纤激光源在工业、医疗和非线性光学科研等领域具有重要的研究和应用价值。可饱和吸收体作为被动锁模光纤激光器的核心器件，对于提升激光器的性能起到关键作用。
目前可饱和吸收体主要分为两大类：基于光纤器件人工合成的，例如非线性偏振旋转可饱和吸收体，或者非线性光纤环形镜可饱和吸收体；基于材料的物理特性，例如，基于碳纳米管或者石墨烯的可饱和吸收特性。
上述两种现有可饱和吸收体的缺点为：基于光纤器件人工合成的可饱和吸收体，具有较高的功率损伤阈值，但是需要长距离的光纤以增大光信号在腔内的非线性相移，而腔长的增加会带来激光器工作的稳定性易受环境影响而变差的问题；基于材料的物理特性的可饱和吸收体相比较基于光纤器件人工合成的可饱和吸收体具有体积小的优势，但是材料的功率损伤阈值较低。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，以克服以上问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，包括：单模光纤、高非线性双芯光纤和反射镜；
所述的单模光纤包括单模光纤的纤芯(A1)和包裹在单模光纤纤芯外的包层(A2)；
所述的高非线性双芯光纤包括非线性双芯光纤的两个纤芯(B1)、纤芯(B2)和包裹在两个所述纤芯外的一个包层(B3)；
所述的单模光纤、高非线性双芯光纤和反射镜依次顺序连接，所述的高非线性双芯光纤的一个纤芯(B1)的位置在所述的高非线性双芯光纤的中心，所述纤芯(B1)与所述的单模光纤的纤芯(A1)对准耦合，光信号通过所述的单模光纤耦合注入到所述的高非线性双芯光纤的一个纤芯(B1)，光信号在所述高非线性双芯光纤的另外一端由所述的反射镜反射，沿所述入射纤芯方向反向传输，并从所述的单模光纤输出。
进一步地，所述单模光纤的纤芯的尺寸和折射率以最小的耦合损耗与所述高非线性双芯光纤的纤芯(B1)的尺寸和折射率相匹配；所述单模光纤的包层的尺寸和折射率以最小的耦合损耗与所述高非线性双芯光纤的包层(B3)的尺寸和折射率相匹配；所述高非线性双芯光纤的两个纤芯(B1)、(B2)的尺寸和折射率相同。
进一步地，所述的高非线性双芯光纤的两个纤芯(B1)、(B2)互相平行，并且相距的距离可调，通过改变所述纤芯(B1)和纤芯(B2)之间相距的距离来改变所述高非线性双芯光纤的饱和功率。
进一步地，所述的高非线性双芯光纤的光纤包层(B3)材料的折射率低于所述的高非线性双芯光纤的纤芯(B1)、(B2)材料的折射率,包裹在单模光纤纤芯外的包层(A2)的折射率低于单模光纤的纤芯(A1)的折射率。
进一步地，所述单模光纤的纤芯(A1)的材料包括高掺锗石英，所述单模光纤的包层(A2)的材料包括纯石英。
进一步地，所述的反射镜包括光纤端面镀金属膜、多层电介质反射膜、金属电介质反射膜中的任一种。
进一步地，所述的反射镜包括基于光纤的光信号反射器件。
进一步地，所述的基于光纤的光信号反射器件为光纤sagnac环路反射镜或啁啾光纤布拉格光栅。
进一步地，所述啁啾光纤布拉格光栅D在单模光纤上写入，所述啁啾光纤布拉格光栅D对一定波长带宽范围内的光信号反射，其余波长范围的光信号透射。
进一步地，光信号通过单模光纤耦合注入所述高非线性双芯光纤的一个纤芯(B1)，当所述光信号的功率超过饱和功率时，非线性双芯光纤的两个纤芯之间几乎不发生能量耦合，光信号在非线性双芯光纤的另外一端由反射镜反射，沿纤芯(B1)反向传输，并从所述的单模光纤输出；
当光信号功率小于饱和功率时，光信号能量通过线性耦合作用逐渐从高非线性双芯光纤的一个纤芯(B1)转移到高非线性双芯光纤的另一纤芯(B2)中，光信号在非线性双芯光纤的另外一端由反射镜反射，沿纤芯(B1)传输的光信号被反射镜反射，沿纤芯(B1)反向传输，沿纤芯(B2)传输的光信号被反射镜反射，沿纤芯(B2)反向传输，沿纤芯(B1)反向传输的光信号耦合到单模光纤的纤芯(A1)输出，沿纤芯(B2)反向传输的光信号耦合到单模光纤的包层(A2)衰减。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过采用高非线性双芯光纤，增大光信号在腔内的非线性相移，减小体积以增强结构的紧凑性，并且通过可调整的非线性双芯光纤的纤芯距离可以调整饱和功率，在较高的功率损伤阈值的情况下，增加激光器的工作稳定性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例提供的一种基于高非线性双芯光纤可饱和吸收镜的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于高非线性双芯光纤可饱和吸收镜的高非线性双芯光纤结构的横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于高非线性双芯光纤和啁啾光纤布拉格光栅的可饱和吸收镜的结构示意图。
图4为本发明实施例提供的一种基于高非线性双芯光纤和光纤Sagnac环形反射器的可饱和吸收镜的结构示意图。
附图标记说明：
A1为单模光纤的纤芯 A2为单模光纤的包层
B1为高非线性双芯光纤的纤芯1 B2为高非线性双芯光纤的纤芯2
B3为高非线性双芯光纤的包层 C为反射镜
D为啁啾光纤布拉格光栅 E为单模光纤
F为高非线性双芯光纤 G为Sagnac环形反射器
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明的实施例提供了一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，旨在简化可饱和吸收器件的结构，减小体积以增强结构的紧凑性，同时兼具较高的功率损伤阈值。
实施例一
图1为本发明实施例提供的基于高非线性双芯光纤可饱和吸收镜的结构示意图，包括：单模光纤、高非线性双芯光纤和反射镜；
单模光纤包括单模光纤的纤芯A1和包裹在单模光纤纤芯A1外的包层A2；
高非线性双芯光纤包括非线性双芯光纤的两个纤芯B1、B2和包裹在两个所述纤芯外的包层B3；
单模光纤、高非线性双芯光纤和反射镜依次顺序连接，实施例提供的基于高非线性双芯光纤可饱和吸收镜的高非线性双芯光纤结构示意图，如图2所示，高非线性双芯光纤的一个纤芯B1的位置在所述的高非线性双芯光纤的中心，纤芯B1与单模光纤的纤芯A1对准耦合，光信号通过单模光纤耦合注入高非线性双芯光纤的一个纤芯B1，光信号在非线性双芯光纤的另外一端由反射镜反射，沿纤芯反向传输，并从所述的单模光纤输出。
需要说明的是，所述单模光纤的纤芯A1的尺寸和折射率以最小的耦合损耗与所述高非线性双芯光纤的纤芯B1的尺寸和折射率相匹配，使得两端光纤的基模模场直径一致；所述单模光纤的包层A2的尺寸和折射率以最小的耦合损耗与所述高非线性双芯光纤的包层B3的尺寸和折射率相匹配；高非线性双芯光纤的两个纤芯B1、B2的尺寸和折射率相同。
光信号通过单模光纤耦合注入所述的高非线性双芯光纤的一个纤芯B1，当光信号功率足够大超过高非线性双芯光纤的饱和功率时，由于较大的非线性相移导致非线性双芯光纤的两个纤芯中模式的相位失配，导致非线性双芯光纤的两个纤芯之间几乎不发生能量耦合；光信号在非线性双芯光纤的另外一端由反射镜反射，沿纤芯B1反向传输，并从单模光纤的纤芯A1输出。
当光信号功率小于饱和功率时，非线性相位不影响两个纤芯中模式的相位匹配，光信号能量通过线性耦合作用逐渐从高非线性双芯光纤的纤芯B1转移到高非线性双芯光纤的另一纤芯B2中，光信号在非线性双芯光纤的另外一端由反射镜反射。在这种情况下，沿纤芯B1传输的光信号被反射镜反射，沿纤芯B1反向传输，沿纤芯B2传输的光信号被反射镜反射，沿纤芯B2反向传输。沿纤芯B1反向传输的光信号耦合到单模光纤纤芯A1输出；沿纤芯B2反向传输的光信号耦合到单模光纤的包层A2中衰减。
如图2所示，高非线性双芯光纤的两个纤芯B1、B2互相平行，纤芯B1和B2相距的距离可调，以改变高非线性双芯光纤的饱和功率。当纤芯B1和纤芯B2的距离增大后，高非线性光纤的饱和功率减小。相反，纤芯B1和纤芯B2的距离减小后，饱和功率增大。
高非线性双芯光纤的纤芯材料为具有高非线性折射率的材料，可以为二硫化碳、二硫化碳与四氯化碳混合液、硫系化合物玻璃和氟化物玻璃中的任一种，高非线性双芯光纤的包层材料可以为纯石英、掺锗石英、熔融石英、硫系化合物玻璃和氟化物玻璃中的任一种。
需要说明的是高非线性双芯光纤的光纤包层B3材料的折射率低于所述的高非线性双芯光纤的纤芯B1、B2材料的折射率。包裹在单模光纤纤芯A1外的包层A2的折射率低于单模光纤的纤芯A1的折射率。
优选地，单模光纤的纤芯A1和单模光纤的包层A2的材料可以是高掺锗石英和纯石英。
反射镜包括光纤端面镀金属膜、多层电介质反射膜、金属电介质反射膜中的任一种构成。需采用反射系数较大的金属膜，在红外区常用金、银、铜，有时也用铂和铬作为特种薄膜的材料。但银、铜很容易在空气中发生氧化而降低性能，所以必须用电介质加以保护。
图2为本发明实施例提供的基于高非线性双芯光纤可饱和吸收镜的高非线性双芯光纤结构的横截面示意图，如图2所示，高非线性双芯光纤的一个纤芯B1的位置在所述的高非线性双芯光纤的中心，与单模光纤的纤芯A1对准耦合，光信号通过单模光纤单模光纤纤芯A1耦合注入高非线性双芯光纤的一个纤芯B1，光信号在所述非线性双芯光纤的另外一端由反射镜反射，沿所述的纤芯反向传输，并从单模光纤输出，并且高非线性双芯光纤的纤芯B1和高非线性双芯光纤的纤芯B2相距的距离可以调整，以改变饱和功率。
示例性的，高非线性双芯光纤纤芯B1和B2直径均为2.2μm，纤芯材料为二硫化碳，包层材料为熔融石英，纤芯距离为在6至8μm，高非线性双芯光纤长度为脉冲中心波长对应耦合长度的一半，在工作波长为1900nm至2100nm范围内，饱和功率可以降到1000W以下。
需要说明的是，单模光纤的纤芯A1和单模光纤的包层A2的尺寸与折射率和高非线性双芯光纤的纤芯B1和高非线性双芯光纤的包层B3的尺寸与折射率相匹配，以获得最小的耦合损耗；高非线性双芯光纤的纤芯B1和高非线性双芯光纤的纤芯B2的尺寸和折射率相同，以获得最大的线性耦合效率。
优选地，单模光纤的纤芯A1和单模光纤的包层A2的材料可以分别是高掺锗石英和纯石英，高非线性双芯光纤的纤芯B1和高非线性双芯光纤的纤芯B2的材料可以是高非线性液体二硫化碳、二硫化碳和四氯化碳的混合液体和硫系化合物玻璃或者氟化物玻璃中的任一种，高非线性双芯光纤的包层B3的材料可以是纯石英、掺锗石英和硫系化合物玻璃或者氟化物玻璃中的任一种。
反射镜C可以包括金属膜、多层介质反射膜和金属电介质反射膜中的一种。
本领域技术人员应能理解上述单模光纤的纤芯A1和单模光纤的包层A2的材料的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的材料类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类元素的数量可能小于一个实际中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
实施例二
图3为本发明实施例的一种基于高非线性双芯光纤和啁啾光纤布拉格光栅的可饱和吸收镜的结构示意图，如图3所示，可饱和吸收镜由单模光纤的纤芯A1,单模光纤的包层A2,高非线性双芯光纤的纤芯B1,高非线性双芯光纤的纤芯B2，高非线性双芯光纤的包层B3，和啁啾光纤布拉格光栅D组成。
需要说明的是，单模光纤的纤芯A1和单模光纤的包层A2的尺寸与折射率，和高非线性双芯光纤的纤芯B1和高非线性双芯光纤的包层B3的尺寸与折射率相匹配，以获得最小的耦合损耗；高非线性双芯光纤的纤芯B1和高非线性双芯光纤的纤芯B2的尺寸和折射率相同，以获得最大的线性耦合效率。
优选地，单模光纤的纤芯A1和单模光纤的包层A2的材料可以分别是高掺锗石英和纯石英，高非线性双芯光纤的纤芯B1和高非线性双芯光纤的纤芯B2的材料可以是高非线性液体二硫化碳、二硫化碳和四氯化碳的混合液体和硫系化合物玻璃或者氟化物玻璃中的任一种，高非线性双芯光纤的包层B3的材料可以是纯石英、掺锗石英、硫系化合物玻璃或者氟化物玻璃中的任一种。
需要说明的是高非线性双芯光纤的光纤包层材料的折射率低于高非线性双芯光纤的纤芯材料的折射率。
需要说明的是，啁啾光纤布拉格光栅D是在单模光纤上写入，对一定波长带宽范围内的光信号反射，其余波长范围的光信号透射。
实施例三
图4为本发明实施例的一种基于高非线性双芯光纤和光纤Sagnac环形反射器的可饱和吸收镜结构示意图，如图4所示，可饱和吸收镜由单模光纤E，双芯光纤F，光纤Sagnac环形反射器G组成，光纤Sagnac环形反射器G的反射谱可以通过调整环形光纤光路中信号的偏振态，以及光纤的长度来实现。
综上所述，本发明实施例通过采用高非线性双芯光纤，增大光信号在腔内的非线性相移，减小体积以增强结构的紧凑性，并且通过可调整的非线性双芯光纤的纤芯距离可以调整饱和功率，在较高的功率损伤阈值的情况下，增加激光器的工作稳定性。
本发明提供的一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，光信号通过单模光纤耦合注入高非线性双芯光纤的一个纤芯，当光信号功率足够大且超过饱和功率时，由于较大的非线性相移导致两个纤芯中模式的相位失配，因此两个纤芯之间几乎不发生能量耦合，光信号在双芯光纤另外一端由反射镜反射，沿入射纤芯反向传输，并从单模光纤输出；当光信号功率小于饱和功率时，非线性相位不足以影响两个纤芯中模式的相位匹配，光信号能量通过线性耦合作用逐渐转移到高非线性双芯光纤的另一纤芯中，经反射镜反射返回，最终耦合到单模光纤的包层。本发明所涉及的一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，通过改变高非线性双芯光纤的纤芯距离可以调整饱和功率，例如高非线性双芯光纤纤芯直径为2.2μm，纤芯材料为二硫化碳，包层材料为熔融石英，纤芯距离为6至8μm，高非线性双芯光纤长度为脉冲中心波长对应耦合长度的一半，在工作波长为1900nm至2100nm范围，饱和功率可以降到1000W以下。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，包括：单模光纤、高非线性双芯光纤和反射镜；
所述的单模光纤包括单模光纤的纤芯(A1)和包裹在单模光纤纤芯外的包层(A2)；
所述的高非线性双芯光纤包括非线性双芯光纤的两个纤芯(B1)、纤芯(B2)和包裹在两个所述纤芯外的一个包层(B3)；
所述的单模光纤、高非线性双芯光纤和反射镜依次顺序连接，所述的高非线性双芯光纤的一个纤芯(B1)的位置在所述的高非线性双芯光纤的中心，所述纤芯(B1)与所述的单模光纤的纤芯(A1)对准耦合，光信号通过所述的单模光纤耦合注入到所述的高非线性双芯光纤的一个纤芯(B1)，光信号在所述高非线性双芯光纤的另外一端由所述的反射镜反射，沿所述入射纤芯方向反向传输，并从所述的单模光纤输出。
2.根据权利要求1所述的高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，所述单模光纤的纤芯的尺寸和折射率以最小的耦合损耗与所述高非线性双芯光纤的纤芯(B1)的尺寸和折射率相匹配；所述单模光纤的包层的尺寸和折射率以最小的耦合损耗与所述高非线性双芯光纤的包层(B3)的尺寸和折射率相匹配；所述高非线性双芯光纤的两个纤芯(B1)、(B2)的尺寸和折射率相同。
3.根据权利要求1所述的高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，所述的高非线性双芯光纤的两个纤芯(B1)、(B2)互相平行，并且相距的距离可调，通过改变所述纤芯(B1)和纤芯(B2)之间相距的距离来改变所述高非线性双芯光纤的饱和功率。
4.根据权利要求1所述的高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，所述的高非线性双芯光纤的光纤包层(B3)材料的折射率低于所述的高非线性双芯光纤的纤芯(B1)、(B2)材料的折射率,包裹在单模光纤纤芯外的包层(A2)的折射率低于单模光纤的纤芯(A1)的折射率。
5.根据权利要求1所述的高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，所述单模光纤的纤芯(A1)的材料包括高掺锗石英，所述单模光纤的包层(A2)的材料包括纯石英。
6.根据权利要求1所述的高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，所述的反射镜包括光纤端面镀金属膜、多层电介质反射膜、金属电介质反射膜中的任一种。
7.根据权利要求1所述的高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，所述的反射镜包括基于光纤的光信号反射器件。
8.根据权利要求1所述的高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，所述的基于光纤的光信号反射器件为光纤sagnac环路反射镜或啁啾光纤布拉格光栅。
9.根据权利要求1所述的高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，所述啁啾光纤布拉格光栅D在单模光纤上写入，所述啁啾光纤布拉格光栅D对一定波长带宽范围内的光信号反射，其余波长范围的光信号透射。
10.根据权利要求1至9任一项所述的高非线性双芯光纤的可饱和吸收镜，其特征在于，光信号通过单模光纤耦合注入所述高非线性双芯光纤的一个纤芯(B1)，当所述光信号的功率超过饱和功率时，非线性双芯光纤的两个纤芯之间不发生能量耦合，光信号在非线性双芯光纤的另外一端由反射镜反射，沿纤芯(B1)反向传输，并从所述的单模光纤输出；
当光信号功率小于饱和功率时，光信号能量通过线性耦合作用逐渐从高非线性双芯光纤纤芯(B1)转移到高非线性双芯光纤的另一纤芯(B2)中，光信号在非线性双芯光纤的另外一端由反射镜反射，沿纤芯(B1)传输的光信号被反射镜反射，沿纤芯(B1)反向传输，沿纤芯(B2)传输的光信号被反射镜反射，沿纤芯(B2)反向传输，沿纤芯(B1)反向传输的光信号耦合到单模光纤的纤芯(A1)输出，沿纤芯(B2)反向传输的光信号耦合到单模光纤的包层(A2)衰减。
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