CN109326946A - 一种暗脉冲激发组件以及基于黑磷的暗脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种暗脉冲激发组件以及基于黑磷的暗脉冲光纤激光器，包括激光偏振态调节装置与黑磷可饱和吸收装置，黑磷可饱和吸收装置包括壳体以及设在壳体上的输入光纤与输出光纤，激光偏振态调节装置上设有激光输入端以及激光输出端，激光输出端与输入光纤相接，输入光纤与输出光纤在壳体内通过黑磷可饱和吸收结构相连。通过激光输出端与输入光纤相接使得偏振态可调激光进入黑磷可饱和吸收装置，随后通过黑磷可饱和吸收装置中的黑磷可饱和吸收结构连接输入光纤与输出光纤，利用黑磷的非线性吸收特性对从输入光纤进入壳体的激光的时域特性进行调制，同时通过激光偏振态调节装置调整激光的偏振态，即能实在暗脉冲的输出。本发明应用于光纤激光领域。

Description

一种暗脉冲激发组件以及基于黑磷的暗脉冲光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光领域，尤其涉及一种暗脉冲激发组件以及基于黑磷的暗脉冲光纤激光器。

背景技术

传统意义上的脉冲激光器的激光输出都是亮脉冲，即稳定连续光波背景下光强的突然显著上升。然而，亮脉冲在光波导中进行传输时，对传输过程中产生的噪声和损耗极为敏感，其强度在传输过程中会逐渐降低；且在正常色散介质中，亮脉冲不能像孤子一样传输，非线性效应会造成脉冲光谱和时间上的展宽。亮脉冲在传输过程中的这些性质制约了相关技术的继续发展。

暗脉冲是与亮脉冲相对的概念，即稳定连续光波背景下光强的突然显著降落，暗脉冲激光的主要优势是在光波导传输中噪声更小、损耗更少，故其在信号处理方面很有应用前景。首先，暗脉冲能够实现亮脉冲所能实现的所有功能；其次由于暗孤子对噪声没有亮孤子敏感，因而暗脉冲与亮脉冲相比具有更好的通信特征，可用于降低在长途通信中产生的噪声；第三，暗孤子对光纤损耗也没有亮孤子敏感，当暗脉冲经过光纤时，其强度不会降低或散开，因而可改善光纤通信；此外，暗脉冲在光纤中的传输速度比亮脉冲更快。

暗脉冲可用于改善光纤通信和发展红外通信，降低在长途通信中所产生的噪声或错误，更重要的是其强度不会降低或散开，相对于常见的亮脉冲有着更好的通信特征，可以用于沿海岛屿间的辅助通信、室内通信、近距离遥控、飞机内广播和航天飞机内宇航员间的通信等。暗脉冲是连续光波的骤降形成的，连续波的背景可以提供单束强光梳光线，即在产生一系列暗脉冲的同时也产生了频率梳，这样的频率梳可以提高电磁频谱的光学部分的精度，从而制造出精度更高的原子钟，只要暗脉冲激光器可以做到体积小、结构简单，原子钟就可以得到更广泛的应用。暗脉冲作为短脉冲，现已知的最短脉宽为90ps，如果得到的脉冲脉宽短至皮秒甚至飞秒量级时，则可以向超短脉冲发展，超短脉冲的光谱可以展得很宽，脉冲强度可以提得较高，应用范围可延伸到精密材料加工、微型机械、多光子荧光显微镜、飞秒化学、太赫兹波的产生和探测等方面。现在面临的问题是，现有的暗脉冲产生方案，装置结构过于繁琐，输出暗脉冲不够稳定，很难使其得到广泛应用。虽然现已报道的暗脉冲激光器相对较少，但是暗脉冲优秀的性能值得进一步研究探索。

然而，目前关于暗脉冲激光的研究却不多，以往在光纤激光中产生暗脉冲，多采用非线性偏振旋转技术，通过偏振相关隔离器和偏振控制器的配合实现暗脉冲输出，这些需要外部强制调节手段产生所谓的“暗脉冲”严格上来说并不能算作是物理意义上的暗脉冲。已有产生暗脉冲(序列)的不同技术方案，其中大多数是基于使用脉冲整形的激光外部控制技术。暗脉冲也可以通过在半导体放大器中注入亮脉冲产生，但是产生的脉冲序列并不稳定且最终衰减。2009年，锁模光纤激光器产生暗脉冲见诸报道，该方案通过正常腔色散和调节非线性偏振旋转以得到反饱和吸收来产生暗脉冲。产生暗脉冲激光输出的最新方案为使用被动锁模技术产生暗脉冲序列量子点半导体激光器，该方案不经过后期光学和电学整形，被认为是首次实现由半导体激光器产生稳定暗脉冲序列。

随着脉冲激光器在社会生产生活各个领域的广泛应用，新型的暗脉冲激光器的应用前景也备受科学界关注。近些年来借助于饱和吸收体等材料产生暗脉冲引起了人们的关注，并已实现了基于石墨烯、碳纳米管、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物等材料的暗脉冲输出。但是，暗脉冲激光器的一些设计方案和相应的物理本质还需要理论方面的进一步提升，产生暗脉冲的理论方案还需要进一步创新，暗脉冲激光器的应用前景还需要通过对暗脉冲与传统亮脉冲相比的优势进行更加深入的探讨和论证来证实。对于在很多方面仍旧充满谜团的暗脉冲激光器而言，诸如此类的有益探索，都将为其进一步发展产生推动作用。

发明内容

针对现有技术存在中暗脉冲激发装置的结构都较为复杂而难于搭建的问题，本发明的目的是提供一种暗脉冲激发组件，结构简单且易于搭建。

为了实现上述目的，本发明提供一种暗脉冲激发组件，其采用的技术方案是：

一种暗脉冲激发组件，包括激光偏振态调节装置与黑磷可饱和吸收装置，所述黑磷可饱和吸收装置包括壳体以及设在壳体上的输入光纤与输出光纤，所述激光偏振态调节装置上设有与外接激光源相连的激光输入端以及能够输出偏振态可调激光的激光输出端，所述激光输出端与输入光纤相接以使得偏振态可调激光进入黑磷可饱和吸收装置，所述输入光纤与输出光纤在壳体内通过黑磷可饱和吸收结构相连以使得激光经过黑磷可饱和吸收结构后在输出光纤内产生暗脉冲，所述黑磷可饱和吸收结构上设有暗脉冲激发件241，所述输入光纤内的偏振态可调激光经过暗脉冲激发件241后进入输出光纤，所述暗脉冲激发件241由黑磷制成。

作为上述技术方案的进一步改进，所述黑磷可饱和吸收结构包括位于壳体内的第一连接光纤与第二连接光纤，所述暗脉冲激发件241为夹持在第一连接光纤的尾端与第二连接光纤的首端之间的黑磷薄膜，所述第一连接光纤的首端与输入光纤相接，所述第二连接光纤的尾端与输出光纤相接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述黑磷可饱和吸收结构包括位于壳体内的过渡光纤，所述过渡光纤两端分别与输入光纤、输出光纤相接，所述暗脉冲激发件241为设在过渡光纤的侧面上的黑磷涂层。

作为上述技术方案的进一步改进，所述黑磷可饱和吸收结构包括位于壳体内的环形器、反射光纤与吸收板，所述暗脉冲激发件241为设在吸收板一面上的黑磷涂层，所述环形器上设有第一端口、第二端口与第三端口，所述第一端口与输入光纤相接，所述反射光纤的一端与第二端口相接，另一端抵接在黑磷涂层上，所述反射光纤与吸收板垂直，所述第三端口与输出光纤相接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述激光偏振态调节装置为偏振控制器。

为了实现上述目的，本发明还提供一种基于黑磷的暗脉冲光纤激光器，其采用的技术方案是：

一种基于黑磷的暗脉冲光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、输出耦合器以及上述的暗脉冲激发组件，所述泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器依次通过光纤相连，所述偏振无关隔离器的输出端与激光输入端相接，所述输出光纤与输出耦合器相连。

作为上述技术方案的进一步改进，所述增益光纤包括掺镱光纤与单模光纤，所述掺镱光纤的尾端与单模光纤的首端相接，所述掺镱光纤的首端与波分复用器的输出端相接，所述单模光纤的尾端与偏振无关隔离器的输入端相接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述泵浦源为激光二极管。

本发明的有益技术效果：

本发明通过激光输出端与输入光纤相接使得偏振态可调激光进入黑磷可饱和吸收装置，随后通过黑磷可饱和吸收装置中的黑磷可饱和吸收结构连接输入光纤与输出光纤，其中输入光纤内的偏振态可调激光经过黑磷制成的暗脉冲激发件241后进入输出光纤，利用黑磷的非线性吸收特性，对从输入光纤进入壳体的激光的时域特性进行调制，同时通过激光偏振态调节装置调整激光的偏振态，即能实在暗脉冲的输出，结构简单且易于搭建。

附图说明

图1是暗脉冲激发组件的结构示意图；

图2是黑磷可饱和吸收结构的第一种实施方式；

图3是黑磷可饱和吸收结构的第二种实施方式；

图4是黑磷可饱和吸收结构的第三种实施方式；

图5是基于黑磷的暗脉冲光纤激光器的结构示意图；

图6是暗脉冲实例示意图。

具体实施方式

为了便于本发明的实施，下面结合具体实例作进一步的说明。

如图1所示的一种暗脉冲激发组件，包括激光偏振态调节装置1与黑磷可饱和吸收装置2。黑磷可饱和吸收装置2包括壳体21以及设在壳体21上的输入光纤22与输出光纤23；激光偏振态调节装置1上设有激光输入端11以及激光输出端12，激光输入端11用于与外接激光源相连的，激光通过激光偏振态调节装置1后经激光输出端12输出，使得激光输出端12所输出的激光的偏振态可调。激光输出端12与输入光纤22相接，使得偏振态可调的激光进入黑磷可饱和吸收装置2，输入光纤22与输出光纤23在壳体21内通过黑磷可饱和吸收结构相连，使得激光经过黑磷可饱和吸收结构后在输出光纤23内产生暗脉冲，黑磷可饱和吸收结构上设有暗脉冲激发件241，输入光纤22内的偏振态可调激光经过暗脉冲激发件241后进入输出光纤23，暗脉冲激发件241由黑磷制成。

本实施例通过激光输出端12与输入光纤22相接使得偏振态可调激光进入黑磷可饱和吸收装置2，随后通过黑磷可饱和吸收装置2中的黑磷可饱和吸收结构连接输入光纤22与输出光纤23，其中输入光纤22内的偏振态可调激光经过黑磷制成的暗脉冲激发件241后进入输出光纤23，利用黑磷的非线性吸收特性，对从输入光纤22进入壳体21的激光的时域特性进行调制，同时通过激光偏振态调节装置1调整激光的偏振态，即能实在暗脉冲的输出，结构简单且易于搭建。

如图2所示的是黑磷可饱和吸收结构的第一种实施方式，黑磷可饱和吸收结构包括位于壳体21内的第一连接光纤242与第二连接光纤243，暗脉冲激发件241为夹持在第一连接光纤242的尾端与第二连接光纤243的首端之间的黑磷薄膜，第一连接光纤242的首端与输入光纤22相接，第二连接光纤243的尾端与输出光纤23相接。其中，第一连接光纤242与输入光纤22一体成型，第二连接光纤243与输出光纤23一体成型。第一连接光纤242的尾端与第二连接光纤243的首端通过光纤法兰相连，两个光纤法兰连接第一连接光纤242与第二连接光纤243的过程中将黑磷薄膜夹持在第一连接光纤242与第二连接光纤243之间。激光从输入光纤22进入第一连接光纤242，随后从第一连接光纤242的尾端射出，穿过黑磷薄膜后进入第二连接光纤243，在穿过黑磷薄膜的过程中利用黑磷的非线性吸收特性，对从输入光纤22进入壳体21的激光的时域特性进行调制，进程在输出光纤23中产生暗脉冲。

如图3所示的是黑磷可饱和吸收结构的第二种实施方式，黑磷可饱和吸收结构包括位于壳体21内的过渡光纤244，过渡光纤244两端分别与输入光纤22、输出光纤23相接，暗脉冲激发件241为设在过渡光纤244的侧面的黑磷涂层。其中，过渡光纤244、输入光纤22与输出光纤23一体成型，在激光经过过渡光纤244的过程中，在黑磷倏逝场效应下，利用黑磷的非线性吸收特性，对从输入光纤22进入壳体21的激光的时域特性进行调制，进而在输出光纤23中产生暗脉冲。

如图4所示的是黑磷可饱和吸收结构的第三种实施方式，黑磷可饱和吸收结构包括位于壳体21内的环形器245、反射光纤246与吸收板247，暗脉冲激发件241为设在吸收板247的一面上设有黑磷涂层，环形器245上设有第一端口2451、第二端口2452与第三端口2453，第一端口2451与输入光纤22相接，反射光纤246的一端与第二端口2452相接，另一端抵接在黑磷涂层上，反射光纤246与吸收板247垂直，第三端口2453与输出光纤23相接。激光经过输入光纤22后从第一端口2451进入环形器245，随后从第二端口2452输出进入反射光纤246，激光经过反射光纤246后射向吸收板247上的黑磷涂层，此时在黑磷的非线性吸收特性作用下对激光的时域特性进行调制，进而产生暗脉冲，随后暗脉冲经过反射光纤246后从第二端口2452再次进入环形器245，最终从第三端口2453进入输出光纤23。

进一步优选的，激光偏振态调节装置1为偏振控制器。本实施例中，采用偏振控制器来调节激光的偏振态，同样也可以采用其他能够改变激光偏振态的调节方式。

如图5所示的一种基于黑磷的暗脉冲光纤激光器，包括泵浦源3、波分复用器4、增益光纤、偏振无关隔离器6、输出耦合器7以及上述的暗脉冲激发组件，泵浦源3、波分复用器4、增益光纤、偏振无关隔离器6依次通过光纤相连，偏振无关隔离器6的输出端与激光输入端11相接，输出光纤23与输出耦合器7相连。本实施例中，采用激光二极管作为泵浦源3。

泵浦源3发出的泵浦光经过波分复用器4、增益光纤、偏振无关隔离器6以及暗脉冲激发组件后，最终在输出耦合器7中形成输出信号8，即为暗脉冲，图6即为输出耦合器7所输出的暗脉冲实例示意图。

进一步优选的，增益光纤包括掺镱光纤51与单模光纤52，掺镱光纤51的尾端与单模光纤52的首端相接，掺镱光纤51的首端与波分复用器4的输出端相接，单模光纤52的尾端与偏振无关隔离器6的输入端相接。其中，可以采用其他的稀土掺杂光纤替换掺镱光纤51。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (8)

1.一种暗脉冲激发组件，其特征在于，包括激光偏振态调节装置与黑磷可饱和吸收装置，所述黑磷可饱和吸收装置包括壳体以及设在壳体上的输入光纤输出光纤，所述激光偏振态调节装置上设有与外接激光源相连的激光输入端以及能够输出偏振态可调激光的激光输出端，所述激光输出端与输入光纤相接以使得偏振态可调激光进入黑磷可饱和吸收装置，所述输入光纤与输出光纤在壳体内通过黑磷可饱和吸收结构相连以使得激光经过黑磷可饱和吸收结构后在输出光纤内产生暗脉冲，所述黑磷可饱和吸收结构上设有暗脉冲激发件，所述输入光纤内的偏振态可调激光经过暗脉冲激发件后进入输出光纤，所述暗脉冲激发件由黑磷制成。

2.根据权利要求1所述暗脉冲激发组件，其特征在于，所述黑磷可饱和吸收结构包括位于壳体内的第一连接光纤与第二连接光纤，所述暗脉冲激发件为夹持在第一连接光纤的尾端与第二连接光纤的首端之间的黑磷薄膜，所述第一连接光纤的首端与输入光纤相接，所述第二连接光纤的尾端与输出光纤相接。

3.根据权利要求1所述暗脉冲激发组件，其特征在于，所述黑磷可饱和吸收结构包括位于壳体内的过渡光纤，所述过渡光纤两端分别与输入光纤、输出光纤相接，所述暗脉冲激发件为设在过渡光纤的侧面上的黑磷涂层。

4.根据权利要求1所述暗脉冲激发组件，其特征在于，所述黑磷可饱和吸收结构包括位于壳体内的环形器、反射光纤与吸收板，所述暗脉冲激发件为设在吸收板一面上的黑磷涂层，所述环形器上设有第一端口、第二端口与第三端口，所述第一端口与输入光纤相接，所述反射光纤的一端与第二端口相接，另一端抵接在黑磷涂层上，所述反射光纤与吸收板垂直，所述第三端口与输出光纤相接。

5.根据权利要求1至4任一项所述暗脉冲激发组件，其特征在于，所述激光偏振态调节装置为偏振控制器。

6.一种基于黑磷的暗脉冲光纤激光器，其特征在于，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、输出耦合器以及权利要求1至5任一项所述的暗脉冲激发组件，所述泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器依次通过光纤相连，所述偏振无关隔离器的输出端与激光输入端相接，所述输出光纤与输出耦合器相连。

7.根据权利要求6所述基于黑磷的暗脉冲光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤包括掺镱光纤与单模光纤，所述掺镱光纤的尾端与单模光纤的首端相接，所述掺镱光纤的首端与波分复用器的输出端相接，所述单模光纤的尾端与偏振无关隔离器的输入端相接。

8.根据权利要求6或7所述基于黑磷的暗脉冲光纤激光器，所述泵浦源为激光二极管。