CN109449732A - 一种基于稀土掺杂光纤的新型q调制双波长光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器，属于光纤激光器技术领域。该发明通过搭建光路，采用新型稀土掺杂光纤和铥钬共掺光纤作为新型锁模器，利用其在激光器中发挥高非线性作用，产生双波长Q调制脉冲激光并输出。该发明充分利用稀土掺杂光纤的高非线性和具备超稳定性的综合性能与优势，实现了性能优秀的Q调制单波长和Q调制双波长脉冲输出；该激光器相比传统的多波长激光器，实现了更多波长的输出，输出功率也得到了保证，没有明显降低；作为高功率多波长激光器的种子源，可用于通信、传感等诸多领域。

Description

一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器。

背景技术

光纤激光器的核心就是增益介质，通常使用掺杂稀元素的光纤，光纤激光器通过导入泵浦光进入增益光纤的纤芯形成高功率密度，形成粒子数反转，当形成谐振腔时，就能形成激光。自从20世纪60年代第一台光纤激光器问世以来，光纤激光器得到了长足的进步与发展，各种类型的光纤激光器也相继问世。在1963年，光纤激光器和光线放大器的构思第一次被提出，随后锁模光纤激光器就很快得到了全世界广大研究学者的关注。光纤激光器是由能够产生光子的增益介质使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光跃迁的泵浦源三部分组成。激光输出既可以是连续的，也可以使脉冲形式的，依赖于激光工作介质。对于连续光输出，激光能级上的自发发射寿命必须长于激光下能级来获得较高的粒子数反转。通常当激光下能级的寿命超过上能级时，就会获得脉冲输出。光纤激光器有两种激发状态，一种是三能级激发，另一种是四能级激发。两者区别在于较低能级所处的位置。在三能级系统下，激光下的能级即为基态，或者是极靠近基态的能级，而在四能级系统中，激光下能级和基态能级之间仍然存在一个跃迁，通常为无辐射跃迁。电子从基态提升到高于激光上能级的一个或者多个泵浦带，电子一般通过非辐射跃迁到达激光上能级。泵浦带上的电子造成电子书多余激光下能级，即形成粒子数反转。电子以辐射光子的形式放出能量回到基态。这种自发发射的光子被光学谐振腔反馈回增益介质中诱发受激辐射，产生与诱发这一过程的光子性质完全相同的光子。当光子在谐振腔中所获得的增益大于其在腔内的损耗时，就会产生激光输出。

激光介质本身就是导波介质，藕合效率高；光纤芯很细，纤内易形成高功率密度；可方便地与目前的光纤传输系统高效连接。由于光纤具有很高的“表面积/体积”比，散热效果好，因此这种光纤激光器具有很高的转换效率，很低的激光阔值，能在不加强制冷却的情况下连续工作。又由于光纤具有极好的柔绕性，激光器可以设计得相当小巧灵活，有利于在光纤通信和医学上的应用；同时，可借助光纤方向祸合器构成各种柔性谐振腔，使激光器的结构更加紧凑、稳定。光纤还具有相当多的可调参数和选择性，能获得相当宽的调谐范围和相当好的单色性和稳定性。这些特点决定了光纤激光器比半导体激光器和大型激光器拥有更多的优势。从效果上看，光纤激光器是一种高效的波长转换器，即由泵浦激光波长转换为所掺稀土离子的激射波长。正因为光纤激光器的激射波长是由基质材料的稀土掺杂剂所决定，不受泵浦波长的控制，所以可以利用与稀土离子吸收光谱相对应的廉价短波长、高功率半导体激光器泵浦，获得光纤通信低损耗窗口的1.3um和1.5um以及2-3um中红外波长的激光输出，泵浦效率很高。光纤激光器凭借其结构简单、制造成本低廉、易小型化等诸多优势在光通信、工业生产、生物医学等领域具有越来越重要的应用与地位。而作为光纤激光器中的重要分支，多波长光纤激光器是长距离大容量通信的光纤系统理想光源。多波长光纤激光器在波分复用、光学检测、光学传感等诸多领域具有越发重要的地位与应用。

在诸多实现锁模条件的材料中，稀土掺杂光纤研究成为了愈发热门的研究课题。稀土掺杂光纤在非线性方面具有核心优势，仅需一小段性能优秀的稀土掺杂光纤就能提供非常优秀的非线性系数。相比传统实现多波长锁模的方法和使用二维材料等方法实现多波长锁模光纤激光器，使用稀土掺杂光纤作为锁模器件，激光器的稳定性是最优秀的。稀土掺杂光纤提供的稳定性不仅包括了超长的时间稳定性，而且在光谱和脉冲整形方面也具备相当大的优势。

非线性在光纤激光器中得到了充分的利用，但是科研人员对于提高非线性的研究没有停止，光纤中的线性与非线性效应是人们一直在研究的课题。在弱光作用下，光纤的各种参量是随着光的强弱线性变化的，是一种线性效应。而在强光作用下，这些特征参量就会非线性变化，从而产生较强的非线性效应。折射率对强光依赖产生的最普遍的非线性效应现象就是自相位调制和交叉相位调制。自相位调制是光场在光纤中传输过程中由于非线性折射率使得传输脉冲进行感应相位移动。这种非线性相移一定会导致脉冲传输过程中频谱发生变化，从而导致脉冲光谱发生变化，正好符合搭建被动锁模激光器的要求，使在光纤中传输的脉冲进行压缩或者是展宽，这种现象就是自相位调制。另外一种效应就是交叉相位调制。交叉相位调制就是一个光场感应的不同波长、传输方向或偏振态的另一个光场的非线性相移。

光纤中具有的非线性较为微弱，而稀土掺杂光纤则恰好放大了光纤的非线性效应。自稀土掺杂光纤问世以来，由于其制备成本低、工艺简单，基于稀土掺杂光纤的光学器件在光探测、光通信、光传感等诸多领域都发挥了很大作用。在光纤激光器领域中，一般要有极大的泵浦功率才能实现所需要的输出，这对于能源是一种极大的消耗。同时由于二维材料等主流锁模器件实现的激光器并不具备超长时间稳定性，光谱稳定性也并不十分优秀，这就严重限制了多波长锁模光纤激光器的研究进展。稀土掺杂光纤具有的高非线性及稳定性是十分优秀的，这就提供了其被利用在光纤激光器中的可能性。

关于光纤激光器的研究和制备已经持续了几十年，近年来更是激光器领域中的研究热点，而实现多波长光纤激光器是目前激光器领域中的一个重要研究方向，其优秀的性能和诸多应用领域都决定了多波长光纤激光器具有良好的发展前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器。该发明通过利用稀土掺杂光纤，主要是铥钬共掺光纤的非线性，实现一种新型的可饱和吸收体，并基于此制备多波长光纤激光器，实现多波长锁模脉冲输出。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器，包括泵浦光源、波分复用器、谐振腔、光纤耦合器、偏振无关隔离器和偏振控制器；所述的泵浦光源包括可调谐激光器和放大器，可调谐激光器与放大器相连，放大器另一端与波分复用器的第一输入端相连；所述的谐振腔包括掺铥光纤和单模光纤；掺铥光纤的一端与波分复用器的输出端相连，掺铥光纤的另一端与偏振无关隔离器的输入端相连，偏振无关隔离器的输出端与光纤耦合器的输入端相连；光纤耦合器的第二输出端与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端与单模光纤的一端相连，单模光纤的另一端与波分复用器的第二输入端相连；光纤耦合器的第一输出端输出激光。

所述的可调谐激光器的输出尾纤的中心波长为1562nm，最大输出功率为1.2W。

所述的泵浦光源输出的泵浦光为1562nm单模激光。

所述的波分复用器为1560/1980nm波分复用器。

所述的掺铥光纤长度为4.5m，色散系数为-16.3ps/(km·nm)，单模光纤色散系数为18ps/(km·nm)。

所述的光纤耦合器为1:9的光纤耦合器，第一输出端为10％输出端，第二输出端为90％输出端。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明中铥钬共掺光纤具有非常强大的非线性放大效应，对于激光器结构的稳定性具有十分显著的增益作用；

(2)本发明在超长时间稳定性和光谱稳定性方面，具有十分优秀的性能，实现了双波长Q调制锁模也具有高输出功率的优点；

(3)本发明搭建的激光器得到了1910nm附近的Q调制双波长脉冲输出，并克服了传统锁模方式结构复杂而且稳定性较差的缺点。

附图说明

图1为一种基于铥钬共掺光纤的Q调制双波长锁模光纤激光器实验装置图；

图2为本发明激光器锁模特性；

图2(a)为Q调制单波长输出光谱；

图2(b)为Q调制单波长脉冲序列；

图2(c)为Q调制双波长输出光谱；

图2(d)为Q调制双波长脉冲序列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明涉及一种以新型的稀土掺杂光纤为锁模器件的双波长Q调制光纤激光器。可实现双波长Q调制脉冲输出。

光纤中最低阶的非线性效应起源于三阶极化率χ⁽³⁾，这是三次谐波、四波混频以及非线性折射等现象产生的主要原因。

n(ω)是线性折射率部分，I为与光电场E相关的光纤内传输的光强，n₂是非线性折射率系数。

自相位调制能够由如下公式表示：

L是光纤长度；φ为非线性相移。

另外一种效应就是交叉相位调制。交叉相位调制就是一个光场感应的不同波长、传输方向或偏振态的另一个光场的非线性相移。交叉相位调制可以由下面的公式来理解,电场E的公式为：

非线性相移则为：

交叉相位调制是由于一个脉冲光的幅度变化引起了其他光波的幅度和相位变化，这种变化和自相位调制是伴生关系。交叉相位调制与不同的偏振方向也是相关的。

本发明的目的是通过利用稀土掺杂光纤，主要是铥钬共掺光纤的非线性，实现一种新型的可饱和吸收体，并基于此制备多波长光纤激光器，实现多波长锁模脉冲输出。

我们搭建了被动锁模光纤激光器。激光器的谐振腔是由一段长约为4.5m的掺铥光纤和一段单模光纤组成，掺铒光纤的掺杂系数比较高，色散系数为-16.3ps/(km·nm)，单模光纤色散系数为18ps/(km·nm)。用一个带有输出尾纤的中心波长为1562nm的可调谐激光器及其放大器(TL 700)作为泵浦光源，该激光器的最大输出功率为1.2W，，泵浦光源的1562nm单模激光通过一个1560/1980nm的波分复用器(WDM)作为泵浦源的输入端，并用一个分光比为1：9的光纤耦合器(OC)作为输出端。在整个环形腔中，用一个偏振无关隔离器(ISO)和来控制光在环形腔内的单向传输，并用一个偏振控制器(PC)来调整激光器腔内的激光的偏振态。在光纤耦合器的10％的输出端，用一个光谱分析仪(YOKOGAWA，AQ-6370C)分辨率为0.02nm和一个示波器(Tektronix MDO4034C)来测试，示波器用一个光电探测器(Thorlabs，PDA 2GHz)来连接。

产生激光的过程如下：

单模激光光源产生1562nm的泵浦光，通过波分复用装置进入环形光路，入射到增益介质掺铒光纤中。激发的1910nm激光通过保持环形激光腔保持单向传输的偏振无关隔离器、控制激光腔内激光偏振状态的偏振控制器，通过可饱和吸收体的饱和吸收和高非线性的双重作用，实现对腔内脉冲激光的整形。通过调节泵浦光源的泵浦功率和调整偏振控制器来控制激光腔内的激光偏振状态，能够从光谱仪中获得1910nm附近的多波长脉冲输出。

相比于利用传统方法制备的锁模器件搭建的光纤激光器，本发明提供了一种由铥钬共掺的稀土光纤作为新型锁模器件，并利用其高非线性实现了多Q调制波长锁模脉冲输出。该激光器相比传统的多波长激光器，实现了更多波长的输出，输出功率也得到了保证，没有明显降低。

一种通过搭建光路，使新型稀土掺杂光纤，铥钬共掺光纤作为新型锁模器在激光器中发挥高非线性作用，并产生双波长Q调制脉冲激光输出的技术。基于铥钬共掺稀土光纤实现Q调制双波长光纤激光器。该发明由以下部分组成：1.铥钬共掺光纤接入光纤激光器的方法。2.光纤激光器的光路的构建。该发明充分利用稀土掺杂光纤的高非线性和具备超稳定性的综合性能与优势，实现了性能优秀的Q调制单波长和Q调制双波长脉冲输出。作为高功率多波长激光器的种子源，可用于通信、传感等诸多领域。

Claims (6)

1.一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器，其特征在于：包括泵浦光源、波分复用器、谐振腔、光纤耦合器、偏振无关隔离器和偏振控制器；所述的泵浦光源包括可调谐激光器和放大器，可调谐激光器与放大器相连，放大器另一端与波分复用器的第一输入端相连；所述的谐振腔包括掺铥光纤和单模光纤；掺铥光纤的一端与波分复用器的输出端相连，掺铥光纤的另一端与偏振无关隔离器的输入端相连，偏振无关隔离器的输出端与光纤耦合器的输入端相连；光纤耦合器的第二输出端与偏振控制器的输入端相连，偏振控制器的输出端与单模光纤的一端相连，单模光纤的另一端与波分复用器的第二输入端相连；光纤耦合器的第一输出端输出激光。

2.根据权利要求1所述的一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器，其特征在于：所述的可调谐激光器的输出尾纤的中心波长为1562nm，最大输出功率为1.2W。

3.根据权利要求1所述的一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦光源输出的泵浦光为1562nm单模激光。

4.根据权利要求1所述的一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器，其特征在于：所述的波分复用器为1560/1980nm波分复用器。

5.根据权利要求1所述的一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器，其特征在于：所述的掺铥光纤长度为4.5m，色散系数为-16.3ps/(km·nm)，单模光纤色散系数为18ps/(km·nm)。

6.根据权利要求1所述的一种基于稀土掺杂光纤的新型Q调制双波长光纤激光器，其特征在于：所述的光可纤耦合器为1:9的光纤耦合器，第一输出端为10％输出端，第二输出端为90％输出端。