CN109309338A - 高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用。该激光器通过采用模式选择耦合器，将泵浦光转换为线偏振模式的光，该线偏振模式的光与待产生增益光的超宽带高增益光纤的形状适配，并且通过偏振控制器，可以控制该线偏振模式的光进行旋转，可以使得光场极大值位于超宽带高增益光纤的不同增益区域，激发其中不同的发光离子产生相应的增益光，实现不同波段之间的激光切换。该激光器与传统的普通的锁模激光器不同，该激光器输出锁模脉冲波长在1450nm～2150nm范围内可调，重频高于500MHz，并且与传统的主动式锁模激光器相比，具有结构简单、携带方便等优点。

Description

高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用。

背景技术

不同种类的光纤激光器具有不同的输出特性。近年来，随着科技的不断发展，各种各样的新型光纤脉冲激光器不断涌现，如调Q光纤激光器、增益开关式光纤激光器、锁模光纤激光器、类锁模光纤激光器等。这些光纤激光器根据其独特的输出性能，在各种领域发挥着各种的作用。以掺铥(Tm³⁺)锁模光纤激光器为例，由于铥离子在1.8～2.1μm的宽带增益覆盖了大量大气分子的“指纹区”，因此掺铥锁模光纤激光器常被应用于高敏感度气体检测。

各种激光器中，锁模光纤激光器因其输出脉冲的各纵模间具有锁定的相位关系，在光频标定、超快测量等方向有先天优势，一直是研究的热点之一。锁模光纤激光器根据锁模的方式不同，可粗略分为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光器。主动锁模光纤激光器是通过外加主动调制的设备(如声光调制器)保持相位关系的锁定；被动锁模光纤激光器则是利用了可饱和吸收效应，通过在激光腔内加入可饱和吸收体或等效可饱和吸收体，让光在激光腔内振荡的过程中自发地形成相位锁定。与成本高、激光器结构复杂的主动锁模光纤激光器不同，被动锁模光纤激光器不需要外加调制，可以实现简单紧凑的结构，更容易实现高重频的脉冲输出。

然而，传统的被动锁模光纤激光器可调谐波长范围受限，限制了其进一步的应用。基于此，有必要提供一种可调谐波长范围宽的多波段可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种可调谐波长范围宽的高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用。

一种高重频可调谐锁模光纤激光器，包括泵浦源、模式选择耦合器、偏振控制器、超宽带高增益光纤、波分复用器、耦合器、隔离器和可饱和吸收体；所述超宽带高增益光纤、所述波分复用器、所述耦合器、所述隔离器和所述可饱和吸收体连接成环构成激光谐振腔；所述泵浦源与所述模式选择耦合器的输入端连接，所述模式选择耦合器的输出端与所述波分复用器的泵浦端连接，所述偏振控制器位于所述模式选择耦合器与所述波分复用器之间，所述耦合器用于输出激光；所述光纤激光器的基频重复率在500MHz以上且能在1450nm到2150nm间对波长进行调谐。

在其中一个实施例中，所述泵浦源为980nm半导体激光器。

在其中一个实施例中，所述超宽带高增益光纤是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯由多组对称分布的扇形结构构成，多组扇形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子包括Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺，发光中心分别位于纤芯中的不同扇形结构区域，且纤芯的各部分共掺有敏化稀土离子Yb³⁺，各稀土离子掺杂浓度均大于5wt％。

在其中一个实施例中，所述超宽带高增益光纤的增益范围是1450nm～2150nm，增益系数大于1dB/cm。

在其中一个实施例中，所述可饱和吸收体为采用镀膜的方式镀制在光纤端面上；和/或所述可饱和吸收体由跳线头通过法兰盘夹在中间后与其他光纤器件连接。

在其中一个实施例中，所述耦合器的分光比为(70～99):(30～1)，比例较小的一端用于激光输出。

在其中一个实施例中，所述超宽带高增益光纤及所述波分复用器、所述耦合器、隔离器和所述可饱和吸收体的尾纤均为保偏光纤。

在其中一个实施例中，所述波分复用器、所述隔离器及所述耦合器集成在一起构成集成器件，所述集成器件与所述可饱和吸收体及所述超宽带高增益光纤连接成环。

一种激光产生方法，包括如下步骤：

将泵浦光转换为线偏振模式的光；

将所述线偏振模式的光进行旋转，使得光场极大值通过不同发光离子掺杂的区域，激发不同的发光离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；

将增益后的激光通过环形腔输出。

上述任一实施例所述的高重频可调谐锁模光纤激光器或上述激光产生方法所产生的激光在包括但不限于光频定标、超快测量过程中的应用。

上述高重频可调谐锁模光纤激光器通过采用模式选择耦合器，将泵浦光转换为线偏振模式的光，该线偏振模式的光与待产生增益光的超宽带高增益光纤的形状适配，并且通过偏振控制器，可以控制该线偏振模式的光进行旋转，可以使得光场极大值位于超宽带高增益光纤的不同增益区域，激发其中不同的发光离子产生相应的增益光，实现不同波段之间的激光切换。

该高重频可调谐锁模光纤激光器与传统的普通的锁模激光器不同，该高重频可调谐锁模光纤激光器输出锁模脉冲波长在1450nm～2150nm范围内可调，并且与传统的主动式锁模激光器相比，具有结构简单、短小精悍、携带方便等优点。

进一步，通过将激光谐振腔内的多个光纤器件集成在一起构成集成器件，可以将重复频率轻松提高到大于500MHz，尤其是可以轻松实现重复频率高于1GHz的脉冲输出，在高重频领域及脉冲的理论研究方面，有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明一实施例的高重频可调谐锁模光纤激光器的结构示意图；

图2为图1中超宽带高增益光纤的结构示意图；

图3为另一实施例的高重频可调谐锁模光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种高重频可调谐锁模光纤激光器10，其包括泵浦源11、模式选择耦合器12、偏振控制器13、超宽带高增益光纤14、波分复用器15、耦合器16、隔离器17和可饱和吸收体18。超宽带高增益光纤14、波分复用器15、耦合器16、隔离器17和可饱和吸收体18连接成环构成激光谐振腔19。泵浦源11与模式选择耦合器12的输入端连接，模式选择耦合器12的输出端与波分复用器15的泵浦端连接。偏振控制器13位于模式选择耦合器12与波分复用器15之间。耦合器16用于输出激光。

在一个具体示例中，高重频可调谐锁模光纤激光器10采用980nm半导体激光器作为泵浦源11，经耦合器16输出。

超宽带高增益光纤14是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层。其中，纤芯由多组对称分布的扇形结构构成，多组扇形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子包括Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺，发光中心分别位于纤芯中的不同扇形结构区域，且纤芯的各部分共掺有敏化稀土离子Yb³⁺，各稀土离子掺杂浓度均大于5wt％。进一步，该超宽带高增益光纤14的增益范围是1450nm～2150nm，增益系数大于1dB/cm。

在一个具体的示例中，超宽带高增益光纤14的端面如图2所示，其包括纤芯，以及包覆于所述纤芯表面的包层144。所述纤芯由三组呈对称的扇形设置的稀土离子掺杂区域141、稀土离子掺杂区域142、稀土离子掺杂区域143组成。其中稀土离子掺杂区域141为Er³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域142为Tm³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域143为Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，包层144为未掺稀土离子的多组分锗酸盐玻璃；Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Yb³⁺掺杂浓度均＞5wt％。

所述超宽带高增益光纤14可采用管棒法制备，步骤如下：

a、玻璃熔制：采用传统的熔融-退火的方法分别熔制Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺和Ho³⁺/Yb^{3 +}掺杂的大块纤芯玻璃以及大块包层玻璃；

b、包层玻璃加工：将熔制的包层玻璃通过机械加工成设计尺寸的玻璃管，然后采用物理和化学方法抛光内、外表面，得到包层144；

c、复合结构芯棒制备：分别将Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的大块纤芯玻璃通过机械加工成预设尺寸的玻璃圆柱，然后采用物理和/或化学方法抛光表面，分别将Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的玻璃圆柱拉制成玻璃细棒，即一次拉丝得到纤芯玻璃细棒；随后采用机械或激光将纤芯玻璃细棒分别加工成设计的扇形结构，再组装成复合结构纤芯棒，即依次形成稀土离子掺杂区域141、稀土离子掺杂区域142或稀土离子掺杂区域143，其中步骤b和步骤c中包层和各纤芯尺寸根据单模光纤设计要求确定；

d、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图2所示增益光纤。

此外，所述超宽带高增益光纤14还可采用3D打印方法制备，步骤如下：

a、复合结构芯棒制备：按照设计配方和尺寸，采用3D打印方法分别制备扇形结构的纤芯，按设计组装成复合结构纤芯棒，形成稀土离子掺杂区域141、稀土离子掺杂区域142和稀土离子掺杂区域143；采用3D打印方法制备包层144；

b、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图2所示的增益光纤。

图2所示的超宽带高增益光纤14可用于构建光纤激光器实现可调谐激光输出，如构建上述多波段可调谐单频光纤激光器10，通过控制光场极大值位于不同的稀土离子掺杂区域，从而激发不同的稀土离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；通过温度或应力控制装置，可以调节复合结构增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现1450nm～2150nm范围内特定波段内输出激光的波长可调谐。

耦合器16用于激光输出，其分光比可以是但不限于(70～99):(30～1)，即可以是(88:12)～(98:2)之间的任意比例，例如在一个具体的示例中，耦合器16是分光比为90:10的宽带耦合器，使用10％端进行脉冲输出；又如在另一具体的示例中，耦合器16是分光比为95:5的宽带耦合器，使用5％端进行脉冲输出。

在一个具体的示例中，可饱和吸收体18为采用镀膜的方式镀制在光纤端面上，例如，可以采用磁控溅射或等离子体溅射镀膜等方式，将可饱和吸收体18镀膜在光纤的端面上，再结合套管粘接等技术，如将可饱和吸收体18由跳线头20通过法兰盘夹在中间后与其他光纤器件连接，这样可以实现激光器的全光纤化，具有较高的环境稳定性，受外界干扰较小。

优选的，除模式选择耦合器12和偏振控制器13之外，其他的光纤器件，如超宽带高增益光纤14、波分复用器15、耦合器16、隔离器17和可饱和吸收体18的器件尾纤均为保偏光纤。

在图1所示的具体实施例中，激光谐振腔19内的各光纤器件独立设置，相邻的光纤器件之间连接，例如波分复用器15、隔离器17及耦合器16分别独立分开设置。在其他具体实施例中，如图3所示，为提高高重频可调谐锁模光纤激光器30的重复频率，可以将激光谐振腔31内的部分光纤器件集成在一起，如可以将波分复用器、隔离器及耦合器集成在一起构成集成器件32，再将该集成器件32与可饱和吸收体33及超宽带高增益光纤34连接成环，激光通过该集成器件32中的耦合器输出。

该高重频可调谐锁模光纤激光器10通过采用模式选择耦合器12，将泵浦光转换为线偏振模式的光，该线偏振模式的光与待产生增益光的超宽带高增益光纤14的形状适配，并且通过偏振控制器13，可以控制该线偏振模式的光进行旋转，可以使得光场极大值位于超宽带高增益光纤14的不同增益区域，激发其中不同的发光离子产生相应的增益光，实现不同波段之间的激光切换。该高重频可调谐锁模光纤激光器10与传统的普通的锁模激光器不同，该高重频可调谐锁模光纤激光器10输出锁模脉冲波长在1450nm～2150nm范围内可调，并且与传统的主动式锁模激光器相比，具有结构简单、短小精悍、携带方便等优点。

进一步，通过将激光谐振腔19内的多个光纤器件集成在一起构成集成器件，可以将重复频率轻松提高到大于500MHz，尤其是可以轻松实现重复频率高于1GHz的脉冲输出，在高重频领域及脉冲的理论研究方面，有着广阔的应用前景。

本发明进一步还提供了一种激光产生方法，其包括如下步骤：

步骤一：将泵浦光转换为线偏振模式的光；

步骤二：将线偏振模式的光进行旋转，使得光场极大值通过不同发光离子掺杂的区域，激发不同的发光离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；

步骤三：将增益后的激光通过环形腔输出。

在步骤二中，不同发光离子掺杂的区域可以设置在一个复合结构光纤中，该复合结构光纤具有不同的增益区域，不同的增益区域含有不同的发光离子，可以进行不同程度的增益。

优选地，该激光产生方法可以使用上述图1所示的高重频可调谐锁模光纤激光器10或图2所示的高重频可调谐锁模光纤激光器30。

上述高重频可调谐锁模光纤激光器或由上述方法产生的激光，输出锁模脉冲波长在1450nm～2150nm范围内可调，在高重频领域有着广泛的应用，例如可以将上述任一实施例的高重频可调谐锁模光纤激光器或上述激光产生方法产生的激光应用在光频标定或超快测量中。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高重频可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，包括泵浦源、模式选择耦合器、偏振控制器、超宽带高增益光纤、波分复用器、耦合器、隔离器和可饱和吸收体；所述超宽带高增益光纤、所述波分复用器、所述耦合器、所述隔离器和所述可饱和吸收体连接成环构成激光谐振腔；所述泵浦源与所述模式选择耦合器的输入端连接，所述模式选择耦合器的输出端与所述波分复用器的泵浦端连接，所述偏振控制器位于所述模式选择耦合器与所述波分复用器之间，所述耦合器用于输出激光；所述光纤激光器的基频重复率在500MHz以上且能在1450nm到2150nm间对波长进行调谐。

2.如权利要求1所述的高重频可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为980nm半导体激光器。

3.如权利要求1所述的高重频可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，所述超宽带高增益光纤是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯由多组对称分布的扇形结构构成，多组扇形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子包括Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺，发光中心分别位于纤芯中的不同扇形结构区域，且纤芯的各部分共掺有敏化稀土离子Yb³⁺，各稀土离子掺杂浓度均大于5wt％。

4.如权利要求3所述的高重频可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，所述超宽带高增益光纤的增益范围是1450nm～2150nm，增益系数大于1dB/cm。

5.如权利要求1所述的高重频可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体为采用镀膜的方式镀制在光纤端面上；和/或所述可饱和吸收体由跳线头通过法兰盘夹在中间后与其他光纤器件连接。

6.如权利要求1所述的高重频可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，所述耦合器的分光比为(70～99):(30～1)，比例较小的一端用于激光输出。

7.如权利要求1所述的高重频可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，所述超宽带高增益光纤及所述波分复用器、所述耦合器、隔离器和所述可饱和吸收体的尾纤均为保偏光纤。

8.如权利要求1～7中任一项所述的高重频可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，所述波分复用器、所述隔离器及所述耦合器集成在一起构成集成器件，所述集成器件与所述可饱和吸收体及所述超宽带高增益光纤连接成环。

9.一种激光产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

将泵浦光转换为线偏振模式的光；

将所述线偏振模式的光进行旋转，使得光场极大值通过不同发光离子掺杂的区域，激发不同的发光离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；

将增益后的激光通过环形腔输出。

10.如权利要求1～8中任一项所述的高重频可调谐锁模光纤激光器或如权利要求9所述的产生方法所产生的激光在包括但不限于光频定标、超快测量过程中的应用。