CN109361140A - 一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，包括泵浦源以及由波分复用器、掺铥光纤、光隔离器、光纤耦合器、滤波器和光纤非线性环形反射镜用单模光纤连接成的光纤环形腔；其中光纤非线性环形反射镜是将一个光纤耦合器的两个输出端口通过一个氟化物(ZBLAN)超平坦色散补偿光子晶体光纤互相连接而成。本发明的有益效果是：本发明光纤激光器采用全光纤结构，光束质量高，便于熔接稠合，维护方便；本发明的光纤激光器可以通过调节泵浦光以及腔内不同参数的特性来实现输出2μm耗散孤子共振脉冲。

Description

一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器。
背景技术
近年来，由于在光谱学、激光雷达、材料加工等领域的广泛应用，2μm激光器受到了广泛的关注。由于掺铥光纤可以作为增益媒介人们已经在这个领域对诸如高功率、锁模、Q开关、波长可调谐、超连续等各种2μm光纤激光器进行了全面的研究。更具体地说，由于掺铥光纤具有较大的增益范围，在未来高数据速率和高容量光纤光通信方面，2μm波段也具有很大的潜力。
由于超短脉冲光源在光通信、光学传感、非线性光学、工业和医药等方面的广泛应用，被动锁模技术作为超短脉冲光源已经激发了人们浓厚的研究兴趣。一般来讲，我们利用SESAM、NPR、NOLM、NALM在光纤激光器中获得被动锁模脉冲。由于被动锁模脉冲拥有高峰值功率,所以被动锁模光纤激光器被认为是观察锁模脉冲非线性动力学的有力平台。因此，我们对通过设计激光腔结构和选择腔内参数去研究非线性现象有着非常大的兴趣。目前，在光纤激光器中，不同的孤子动力学和形成过程已被观察到，比如:传统孤子、类噪声孤子、矢量孤子、自相似脉冲演化、束缚态孤子、耗散孤子等等。然而，上述的各种孤子有一个共同特性，由于高非线性效应，这些孤子随着脉冲能量的提高会发生多脉冲现象。人们将大模场微结构增益光纤用到光纤激光器中作为降低高非线性效应的解决方案，并用来获得高能量脉冲。但是，单模场光纤很难直接与传统单模光纤熔接在一起,这使得光纤激光器不是全光纤结构。为了获得更高的脉冲能量，能实现无波分裂的脉冲锁模机制无疑具有巨大的潜力。因此，从实现高能脉冲和全光纤谐振腔设计出发，没有脉冲分裂现象的新的孤子运行机制必须开发。
最近，为了从光纤激光器中获得高能量而没有脉冲分裂的脉冲，通过对复杂的金兹堡-朗道方程框架里的参数适当选取，产生了一种叫做耗散孤子共振的新概念的孤子。耗散孤子共振现象的特点是没有脉冲分裂，脉冲宽度和能量随着泵浦的增加而增加的时候，脉冲的振幅保持不变，这表明在耗散孤子共振区域的脉冲是矩形的。具有耗散孤子共振的超短脉冲理论上其脉冲能量可以为无穷大。因此能实现耗散孤子共振脉冲输出的锁模光纤激光器具有很大的应用和研究价值。
发明内容
为了克服非线性效应导致的脉冲分裂对光纤锁模激光器输出的脉冲能量限制，本发明提供了一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，可实现在2μm输出无脉冲分裂的耗散孤子共振脉冲。光束质量高，便于熔接耦合，维护方便。
一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，包括：泵浦源(1)和光纤环形腔；
泵浦源(1)，通过光学激励，产生793nm波长的泵浦光脉冲；
光纤环形腔，包括：第一波分复用器(2)、掺铥光纤(3)、第二波分复用器(4)、光隔离器(5)、第一光纤耦合器(6)、光纤非线性环形反射镜和滤波器(9)；其中，光纤非线性环形反射镜包括：第二光纤耦合器(7)和氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤(8)，第二光纤耦合器(7)的第一输出端口(7c)与第二输出端口(7d)通过氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤(8)连接；
所述的泵浦源(1)与第一波分复用器(2)的泵浦端口(2a)连接，第一波分复用器(2)的公共端口(2c)依次经掺铥光纤(3)、第二波分复用器(4)、光隔离器(5)、连接至第一光纤耦合器(6)的能量输入端口(6a)，第一光纤耦合器的能量输出端口(6b)连接至光纤非线性环形反射镜的输入端口(7a)，反射镜的反射端口(7b)经滤波器(9)连接至第一波分复用器的信号端口(2b)；各部件之间通过单模正色散光纤(10)连接，稳定的耗散孤子共振脉冲从第一光纤耦合器(6)的50％能量输出端口(6c)输出；
793nm波长的泵浦光脉冲的信号流向顺次为：第一波分复用器(2)、掺铥光纤(3)、第二波分复用器(4)，然后从第二波分复用器(4)的输出端口(4d)流出；
793nm波长的泵浦光脉冲在经过掺铥光纤(3)时产生2μm波长的光；
2μm波长的光脉冲的流向顺次为：掺铥光纤(3)、第二波分复用器(4)、光隔离器(5)、第一光纤耦合器(6)、非线性光纤环形镜、滤波器(9)、第一波分复用器(2)，然后流回掺铥光纤(3)。
进一步地，所述泵浦源(1)为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长为793nm，对应于掺铥光纤(3)的泵浦吸收峰。
进一步地，所述第一波分复用器(2)和第二波分复用器(4)的工作波长分别是793nm和2000nm，所述第一波分复用器(2)和第二波分复用器(4)的尾纤类型均为单模正色散光纤。
进一步地，所述掺铥光纤(3)长度为60cm。
进一步地，所述光纤隔离器采用中心波长为2000nm的与偏振无关的隔离器，所述光纤隔离器的尾纤类型为单模正色散光纤。
进一步地，所述光隔离器(5)采用中心波长为2000nm的与偏振无关的隔离器，所述光隔离器的尾纤类型为单模正色散光纤。
进一步地，所述第一光纤耦合器(6)采用50:50光纤耦合器，所述光纤耦合器的尾纤类型为单模正色散光纤。
进一步地，所述第二光纤耦合器(7)采用20:80光纤耦合器，所述光纤耦合器的尾纤类型为单模正色散光纤。
进一步地，所述氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤(8)长度为3m，纤芯和包层均由基底材料ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF制成，基底材料内具有沿着光纤轴线平行设置的多个空气孔；最内层空气孔的孔心之间形成的圆所包围的区域为纤芯，其余基底材料和所有空气孔构成包层。
进一步地，所述氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤(8)的任意横截面上，多个空气孔沿着光纤的轴心呈多层分布，轴心有一个圆形空气孔，其余每层的空气孔均形成正六边形；任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离均为P＝1.5μm，轴心空气孔的直径a为0.42μm，最内层空气孔的直径d1均为0.7μm，其余空气孔的直径d为1μm；在中心亚波长尺度的空气孔和包层空气孔的作用下，可以极大的改变光纤的色散特性。
进一步地，所述滤波器(9)为带宽为9nm的带通滤波器。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：1、本发明光纤激光器采用全光纤结构，光束质量高，便于熔接耦合，维护方便；2.本发明利用具有大正常色散的光子晶体光纤构建非线性光纤环形镜实现可饱和吸收体功能用于锁模，同时在激光腔内引入强的脉冲峰值功率钳制效应提高脉冲能量；3、本发明中的光纤激光器可以通过调节泵浦光以及腔内不同参数的特性来实现输出稳定的2μm方形耗散孤子共振脉冲，脉冲随着泵浦功率增加不会发生分裂，脉冲的能量仅受泵浦功率限制。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例中氟化物(ZBLAN)超平坦色散补偿光子晶体光纤的结构示意图；
图3是本发明实施例中氟化物(ZBLAN)超平坦色散补偿光子晶体光纤的色散在2μm波段随波长变化曲线图；
图4是本发明实施例中在不同的增益饱和能量下2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器输出的耗散孤子共振单脉冲时域图；
图5是本发明实施例中在不同的增益饱和能量下2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器输出的耗散孤子共振脉冲光谱图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器的流程图，具体包括泵浦源和光纤环形腔；
泵浦源(1)，通过光学激励，产生793nm波长的泵浦光脉冲；
光纤环形腔，包括：第一波分复用器2、掺铥光纤3、第二波分复用器4、光隔离器5、第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器7、光纤非线性环形反射镜和滤波器9；其中，光纤非线性环形反射镜包括：第二光纤耦合器7和氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤8，第二光纤耦合器7的第一输出端口7c与第二输出端口7d通过氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤8连接；
第一波分复用器2的泵浦端口2a连接泵浦源1，第一波分复用器2的公共端口2c通过掺铥光纤3后连接第二波分复用器4的输入端口4a，第二波分复用器4的输出端口4b连接光纤隔离器5的输入端口，光纤隔离器5的输出端口连接第一光纤耦合器6的输入端口6a，第一光纤耦合器6的输出端口6b连接第二光纤耦合器7的输入端口7a，第二光纤耦合器7的第一输出端口7c和第二输出端口7d通过氟化物(ZBLAN)超平坦色散补偿光子晶体光纤8连接，第二光纤耦合器7的反射端口7b连接滤波器9的输入端口，滤波器9的输出端口通过单模正色散光纤10连接第一波分复用器2的信号端口2b；
各部件之间通过单模正色散光纤连接，稳定的耗散孤子共振脉冲从第一光纤耦合器6的50％能量输出端口6c输出；
其中，所述泵浦源1为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长为793nm，对应于掺铥光纤3的泵浦吸收峰。
所述第一波分复用器和第二波分复用器的工作波长分别是793nm和2000nm，所述第一波分复用器和第二波分复用器的尾纤类型均为单模正色散光纤。
所述掺铥光纤长度为60cm。
所述光纤隔离器采用中心波长为2000nm的与偏振无关的隔离器，所述光纤隔离器的尾纤类型为单模正色散光纤。
所述第一光纤耦合器6采用50:50光纤耦合器，所述光纤耦合器的尾纤类型为单模正色散光纤。所述第二光纤耦合器7采用50:50光纤耦合器，所述光纤耦合器的尾纤类型为单模正色散光纤。
所述氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤8长度为3m，纤芯和包层均由基底材料ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF制成，基底材料内具有沿着光纤轴线平行设置的多个空气孔；最内层空气孔的孔心之间形成的圆所包围的区域为纤芯，其余基底材料和所有空气孔构成包层；在光纤的任意横截面上，上述多个空气孔沿着光纤的轴心呈多层分布，轴心有一个圆形空气孔，其余每层的空气孔均形成正六边形；任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离均为P＝1.5μm，轴心空气孔的直径a为0.42μm，最内层空气孔的直径d1均为0.7μm，其余空气孔的直径d为1μm；在中心亚波长尺度的空气孔和包层空气孔的作用下，可以极大的改变光纤的色散特性。
所述滤波器9为带宽为9nm的带通滤波器。
一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器的各部分的连接关系还被下述信号的流向所限定：
793nm波长的泵浦光脉冲的信号流向顺次为：第一波分复用器2、掺铥光纤3、第二波分复用器4，然后从第二波分复用器4的输出端口4d流出；
793nm波长的泵浦光脉冲在经过掺铥光纤3时产生2μm波长的光；
2μm波长的光的信号流向依次为：掺铥光纤3、第二波分复用器4、光隔离器5、输出耦合器6、非线性光纤环形镜、滤波器9、第一波分复用器2，然后流回掺铥光纤3。
为了加速计算的收敛，演变从初始的10ps无啁啾脉冲开始，该10ps无啁啾脉冲具有100aJ脉冲能量，该10ps无啁啾脉冲的脉冲峰值功率为9.4μW；初始的10ps无啁啾脉冲的脉冲频谱的中心波长为2μm。
泵浦源1为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长为793nm，对应于掺铥光纤的泵浦吸收峰；第一波分复用器2将793nm的激光耦合入掺铥光纤3中，793nm波长的泵浦光脉冲在经过掺铥光纤3时产生2μm波长的激光，793nm波长的泵浦光脉冲从第二波分复用器4的第二输出端口4d流出；光隔离器的作用是保证激光沿着光隔离器中箭头所示方向的单向传输，而隔离反向传输的激光，第一光纤耦合器6的分光比为50:50，第一光纤耦合器6的作用是输出光隔离器5传输来的激光，50％的2μm激光从能量输出端口6c输出，另外50％的2μm激光则继续在光纤环形腔内进行传播，不断在腔内进行振荡直到最后得到稳定的2μm耗散孤子共振脉冲，从第一光纤耦合器6的能量输出端口6c输出；第二光纤耦合器分光比是20:80，20％的2μm激光在非线性环形反射镜中顺时针通过氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤8，80％的2μm激光在非线性环形反射镜中逆时针通过氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤8，最终都是从反射镜的反射端口(7b)输出，非线性环形反射镜在这里起到锁模的作用。
在操作过程，掺铥光纤3作为增益介质可以提供较大的增益，当第一光纤耦合器6的谐振腔内增益大于损耗时，可以通过振荡不断对光脉冲进行放大，以补偿损耗。氟化物(ZBLAN)超平坦色散补偿光子晶体光纤8的作用是调节谐振腔内的色散。
请参考图2，氟化物(ZBLAN)超平坦色散补偿光子晶体光纤8长度为3m，可实现色散在1.75μm到2.35μm波长范围内保持在-72.4ps·nm-1km-1到-73.15ps·nm-1km-1之间。具有均是由基底材料ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF制成的纤芯和包层，基底材料内具有沿着光纤轴线平行设置的多个空气孔；在光纤的任意横截面上：上述多个空气孔沿着光纤的轴心成多层分布，轴心有一个圆形空气孔，其余每层的空气孔均形成正六边形。任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离均为P＝1.5μm，轴心空气孔的直径a为0.42μm，最内层空气孔的直径d1均为0.7μm，其余空气孔的直径d为1μm。最内层空气孔的孔心之间形成的圆所包围的区域为纤芯，其余基底材料和所有空气孔构成包层。在中心亚波长尺度的空气孔和包层空气孔的作用下，可以极大的改变光纤的色散特性。其在2μm波段随波长变化曲线图请参考图3。
本发明实施例采用的单模正色散光纤10、掺铥光纤3、氟化物(ZBLAN)超平坦色散补偿光子晶体光纤8的长度分别是：1米、0.7米、3米。单模正色散光纤10、掺铥光纤3以及氟化物(ZBLAN)超平坦色散补偿光子晶体光纤8所对应的非线性系数分别是：1W-1km-1、3W-1km-1、以及7.6W-1km-1。2μm的激光通过第二光纤耦合器进入到非线性环形反射镜中分为功率不同的两束光，分别沿着顺时针以及逆时针传播。
光脉冲在掺铥光纤3中的传播过程用下述金兹朗道方程来表述：
其中，A表示光脉冲包络的慢变振幅，z表示光纤中脉冲的传播距离，β2表示二阶色散系数，γ表示非线性系数，T2表示驰豫时间，T2＝1/Δω,其中Δω是掺铥光纤的增益带宽，Δω＝2πcΔλ/λ2，c是真空中的光速，Δλ是半极大全宽波长带宽，λ是中心波长，α是光纤损耗，g0是增益光纤的饱和吸收系数。
增益饱和能量的变化相当于改变泵浦功率，在不同的增益饱和能量Esat下2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器输出的耗散孤子共振单脉冲时域图请参考图4，当不断增加增益饱和能量时，脉冲宽度增加，同时振幅保持恒定，脉冲顶部变得越来越扁平，引入的自相位调制效应越来越小，这是耗散孤子共振的典型特征。
在不同的增益饱和能量下2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器输出的耗散孤子共振脉冲光谱图请参考图5，当不断增加增益饱和能量Esat时，大多数能量集中在中心波长附近，耗散孤子共振频谱的带宽越来越窄。
本发明的有益效果是：本发明提供的2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器采用全光纤结构，光束质量高，便于熔接耦合，维护方便；且激光器采用3米或更长的光纤环形镜的可饱和吸收机制来实现锁模，较长的环形镜在激光腔内引入强的脉冲峰值功率钳制效应；本发明中的光纤激光器可以通过调节泵浦光以及腔内不同参数的特性来实现输出稳定的2μm方形耗散孤子共振脉冲，脉冲随着泵浦功率增加不会发生分裂，脉冲的能量仅受泵浦功率限制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：包括：泵浦源(1)和光纤环形腔；
泵浦源(1)，通过光学激励，产生793nm波长的泵浦光脉冲；
光纤环形腔，包括：第一波分复用器(2)、掺铥光纤(3)、第二波分复用器(4)、光隔离器(5)、第一光纤耦合器(6)、光纤非线性环形反射镜和滤波器(9)；其中，光纤非线性环形反射镜包括：第二光纤耦合器(7)和氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤(8)，第二光纤耦合器(7)的第一输出端口(7c)与第二输出端口(7d)通过氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤(8)连接；
所述的泵浦源(1)与第一波分复用器(2)的泵浦端口(2a)连接，第一波分复用器(2)的公共端口(2c)依次经掺铥光纤(3)、第二波分复用器(4)、光隔离器(5)、连接至第一光纤耦合器(6)的能量输入端口(6a)，第一光纤耦合器的能量输出端口(6b)连接至光纤非线性环形反射镜的输入端口(7a)，反射镜的反射端口(7b)经滤波器(9)连接至第一波分复用器的信号端口(2b)；各部件之间通过单模正色散光纤(10)连接，稳定的2μm耗散孤子共振脉冲从第一光纤耦合器(6)的50％能量输出端口(6c)输出；
793nm波长的泵浦光脉冲的信号流向顺次为：第一波分复用器(2)、掺铥光纤(3)、第二波分复用器(4)，然后从第二波分复用器(4)的输出端口(4d)流出；
793nm波长的泵浦光脉冲在经过掺铥光纤(3)时产生2μm波长的光；
2μm波长的光脉冲的流向顺次为：掺铥光纤(3)、第二波分复用器(4)、光隔离器(5)、第一光纤耦合器(6)、非线性光纤环形镜、滤波器(9)、第一波分复用器(2)，然后流回掺铥光纤(3)。
2.如权利要求1所述的一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源(1)为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长为793nm，对应于掺铥光纤(3)的泵浦吸收峰。
3.如权利要求1所述的一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一波分复用器(2)和第二波分复用器(4)的工作波长分别是793nm和2000nm，所述第一波分复用器(2)和第二波分复用器(4)的尾纤类型均为单模正色散光纤。
4.如权利要求1所述的一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：所述掺铥光纤(3)长度为60cm。
5.如权利要求1所述的一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：所述光隔离器(5)采用中心波长为2000nm的与偏振无关的隔离器，所述光隔离器的尾纤类型为单模正色散光纤。
6.如权利要求1所述的一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：所述第一光纤耦合器(6)采用50:50光纤耦合器，所述光纤耦合器的尾纤类型为单模正色散光纤。
7.如权利要求1所述的一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：所述第二光纤耦合器(7)采用20:80光纤耦合器，所述光纤耦合器的尾纤类型为单模正色散光纤。
8.如权利要求1所述的一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：所述氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤(8)长度为3m，纤芯和包层均由基底材料ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF制成，基底材料内具有沿着光纤轴线平行设置的多个空气孔；最内层空气孔的孔心之间形成的圆所包围的区域为纤芯，其余基底材料和所有空气孔构成包层。
9.如权利要求8所述的一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：所述氟化物超平坦色散补偿光子晶体光纤(8)的任意横截面上，多个空气孔沿着光纤的轴心呈多层分布，轴心有一个圆形空气孔，其余每层的空气孔均形成正六边形；任意两个相邻空气孔的孔心之间的距离均为P＝1.5μm，轴心空气孔的直径a为0.42μm，最内层空气孔的直径d1均为0.7μm，其余空气孔的直径d为1μm；在中心亚波长尺度的空气孔和包层空气孔的作用下，可以极大的改变光纤的色散特性。
10.如权利要求1所述的一种2μm耗散孤子共振锁模光纤激光器，其特征在于：所述滤波器(9)为带宽为9nm的带通滤波器。
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