CN110224286A - 一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器 - Google Patents

一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，包括泵浦源、波分复用器、掺镱单模光纤、偏振相关隔离器、耦合器、准直器、偏振控制器、拉锥光纤组件、滤波器和单模光纤，其中，波分复用器、掺镱单模光纤、偏振相关隔离器、耦合器、偏振控制器、拉锥光纤组件和滤波器由单模光纤依次串接，且滤波器与波分复用器的输入端连接形成环形光路；泵浦源连接波分复用器的输入端，泵浦源用于产生泵浦光；波分复用器的输出光纤为与掺镱单模光纤相匹配的无源光纤；准直器连接所述耦合器的输出端。本发明的激光器采用Ta2NiS5作为可饱和吸收体，在1μm波长处，全正色散区域可以实现高稳定的混合锁模输出，而且结构简单、稳定性高。

Description

一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器
技术领域
本发明属于激活介质的结构或形状技术领域，具体涉及一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器。
背景技术
超短脉冲激光器具有结构简单、紧凑、光束质量好、增益带宽较宽、稳定性好等突出的优点，因此在基础科学、量子通信、工业微加工、国防、医疗等领域有着广阔的应用前景，成为激光技术发展的趋势。特别是近年快速发展的光纤激光器由于结构简单、成本低、稳定性高以及便于携带等特点，有着广泛的应用前景。光纤激光器中增益介质一般为稀土离子掺杂光纤，常用的掺杂离子有镱(Yb)、铒(Er)、铥(Tm)、钬(Ho)、镨(Pm)以及镝(Dy)等，其中，掺镱光纤具有较宽的吸收谱(800nm～1100nm)和发射谱(975nm～1200nm)，因此，掺镱光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭以及多声子跃迁等消激发过程，掺镱光纤激光器对泵浦源的选择具有很强的灵活性，且有利于实现宽范围的波长可调谐和超短脉冲输出。基于上述优点，对掺镱光纤激光器的研究具有重要意义。
脉冲激光的产生通常是由调Q技术或锁模技术得到的，但调Q技术一般只能得到脉冲宽度为纳秒量级的脉冲，若要获得更短的激光脉冲则需借助锁模技术。通常，获得锁模超短脉冲的方式有两种：主动锁模方式和被动锁模方式。在主动锁模光纤激光器中，通常需要加入声光或电光调制器件，这使得激光腔的结构复杂，不易实现全光纤结构，而且得到的锁模激光脉冲宽度通常较宽，一般为皮秒量级。与主动锁模方式相比，被动锁模光纤激光器则具有结构简单、输出脉冲宽度窄、稳定性好等优点，但是目前的被动锁模光纤激光器存在一些局限，例如吸收效率和光学响应较低，对光强损耗较大，限制了输出光功率的大小。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，包括：泵浦源、波分复用器、掺镱单模光纤、偏振相关隔离器、耦合器、准直器、偏振控制器、拉锥光纤组件、滤波器和单模光纤，其中，
所述波分复用器、所述掺镱单模光纤、所述偏振相关隔离器、所述耦合器、所述偏振控制器、所述拉锥光纤组件和所述滤波器由所述单模光纤依次串接，且所述滤波器与所述波分复用器的输入端连接形成环形光路；
所述泵浦源连接所述波分复用器的输入端，所述泵浦源用于产生泵浦光；
所述波分复用器的输出光纤为与所述掺镱单模光纤相匹配的无源光纤；
所述准直器连接所述耦合器的输出端。
在本发明的一个实施例中，所述拉锥光纤组件包括拉锥光纤本体、玻片和三元可饱和吸收体，其中，所述拉锥光纤本体固定在所述玻片上，且所述三元可饱和吸收体滴加在所述拉锥光纤本体上。
在本发明的一个实施例中，所述拉锥光纤本体由HI-1060单模光纤熔融拉伸制备得到。
在本发明的一个实施例中，所述拉锥光纤本体包括普通部、过渡部和锥腰部，所述三元可饱和吸收体滴加在所述锥腰部上。
在本发明的一个实施例中，所述锥腰部的长度为15mm-25mm，直径为10μm-20μm。
在本发明的一个实施例中，所述三元可饱和吸收体为Ta2NiS5溶液。
在本发明的一个实施例中，所述偏振相关隔离器的尾纤为长度40cm的HI-1060单模光纤，所述偏振相关隔离器用于确保光信号在所述环形腔内单向运行。
在本发明的一个实施例中，所述耦合器的分光比为10:90，所述耦合器的10％输出端与所述准直器的尾纤连接，所述耦合器的90％输出端与所述偏振控制器的一端连接；
所述准直器的尾纤为60cm的HI-1060单模光纤，所述准直器用于将光纤光转变为空间光；
所述偏振控制器用于控制所述环形腔内激光的偏振态，并根据所述泵浦源功率启动锁模。
在本发明的一个实施例中，所述滤波器的尾纤为长度20cm的HI-1060单模光纤，其对连续光的可承受最大功率为300mW。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，采用三元硫化物Ta2NiS5作为可饱和吸收体，在1μm波长处，全正色散区域可以实现高稳定的混合锁模输出。
2、本发明的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，采用拉锥光纤作为可饱和吸收体基底，可有效降低腔内损耗，通过调节锥区的长度可以改变光和材料的作用长度，且材料浓度可控。
3、本发明的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器结构简单、操作方便、稳定性高，能够满足更多的实际应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的拉锥光纤组件的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的拉锥光纤本体的结构示意图。
附图标记说明
1-泵浦源；2-波分复用器；3-掺镱单模光纤；4-偏振相关隔离器；5-耦合器；6-准直器；7-偏振控制器；8-拉锥光纤组件；801-拉锥光纤本体；A-普通部；B-过渡部；C-锥腰部；802-玻片；803-三元可饱和吸收体；9-滤波器；10-单模光纤。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器的结构示意图。如图所示，本实施例的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，包括：泵浦源1、波分复用器2、掺镱单模光纤3、偏振相关隔离器4、耦合器5、准直器6、偏振控制器7、拉锥光纤组件8、滤波器9和单模光纤10，其中，波分复用器2、掺镱单模光纤3、偏振相关隔离器4、耦合器5、偏振控制器7、拉锥光纤组件8和滤波器9由单模光纤10依次串接，且滤波器9与波分复用器2的输入端连接形成环形光路，泵浦源1连接波分复用器2的输入端，准直器6连接所述耦合器5的输出端。
进一步地，泵浦源1通过其尾纤连接波分复用器2的输入端，泵浦源1用于产生泵浦光，泵浦源1通过波分复用器2将所述泵浦光耦合进入所述环形腔中。在本实施例中，泵浦源1为半导体激光器，型号为VLSS-980-B，其中心波长为976nm，平均输出功率为700mW，泵浦源1尾纤的芯层与包层的直径比为5μm/125μm，数值孔径为0.14，波分复用器2为1*2 980/1030波分复用器，其型号为WDMS100PHYGC9，泵浦源1的尾纤熔接连接波分复用器2的980nm输入端，波分复用器2的输出光纤为与掺镱单模光纤3相匹配的无源光纤。
具体地，掺镱单模光纤3的芯层与包层的直径比为4μm/130μm，在976nm的所述泵浦光下，纤芯吸收系数为1200dB/m，掺镱单模光纤3的长度为23cm，型号为Liekki Yb1200、4/125，掺镱单模光纤3作为所述环形腔的增益介质，掺镱单模光纤3的长度过短会使得所述泵浦光的能量不能被充分吸收，输出功率偏低且输出光中有所述泵浦光的残余；掺镱单模光纤3的长度过长，会使得产生的激光被其自身重新吸收，输出功率也会变低。偏振相关隔离器4的尾纤为长度40cm的HI-1060单模光纤，因为在利用光纤熔接机熔接光纤连接器件时，若尾纤长度过短，不易于熔接过程的实现，而且因为脉冲运行在1μm波段，普通的单模光纤在此波段均为正色散，尾纤长度过长，会积累较大的正色散，不易于锁模的实现，且正色散过大会展宽输出脉冲。偏振相关隔离器4的偏振相关损耗为0.02dB，承受的平均功率为3W，对纳秒脉冲的承受功率峰值为10KW，在本实施例中，偏振相关隔离器4为1μm偏振相关隔离器，型号为HI-03-A-03-N-B-Q-1-P，用于确保光信号在所述环形腔内单向运行。
进一步地，耦合器5的分光比为10:90，耦合器5的10％输出端与准直器6的尾纤连接，耦合器5的90％输出端与偏振控制器7的一端连接。具体地，准直器6的型号为SR3166，其尾纤为60cm的HI-1060单模光纤，尾纤的长度选择也是因为在利用光纤熔接机熔接光纤连接器件时，若尾纤长度过短，不易于熔接过程的实现，而且因为脉冲运行在1μm波段，普通的单模光纤在此波段均为正色散，尾纤长度过长，会积累较大的正色散，不易于锁模的实现，且正色散过大会展宽输出脉冲。准直器6的带宽范围为1030nm±30nm，透镜直径为1.8mm，工作距离为50mm，准直器6用于将光纤光转变为空间光，在保证良好的输出光束质量的同时也避免了输出端切8°角，以防止输出断面的菲涅尔反射，偏振控制器7用来控制所述环形腔内激光的偏振态，并根据泵浦源1功率启动锁模。在本实施例中，耦合器5的型号为SMC-1-03-10-N-B-1-H，作为所述环形腔的输出端，耦合器5的尾纤长为75cm，尾纤的长度选择也是因为在利用光纤熔接机熔接光纤连接器件时，若尾纤长度过短，不易于熔接过程的实现，而且因为脉冲运行在1μm波段，普通的单模光纤在此波段均为正色散，尾纤长度过长，会积累较大的正色散，不易于锁模的实现，且正色散过大会展宽输出脉冲。耦合器5的最大承受光功率为300mW，带宽范围1030nm±10nm。
请结合参见图2和图3，图2是本发明实施例提供的拉锥光纤组件的结构示意图，图3是本发明实施例提供的拉锥光纤本体的结构示意图，如图所示，拉锥光纤组件8包括拉锥光纤本体801、玻片802和三元可饱和吸收体803，其中，锥光纤本体801固定在玻片802上，三元可饱和吸收体803滴加在锥光纤本体801上。具体地，拉锥光纤本体801由HI-1060单模光纤熔融拉伸制备得到，拉锥光纤本体801包括普通部A、过渡部B和锥腰部C，锥腰部C呈细丝状，其长度为15mm-25mm，直径为10μm-20μm，在本实施例中，锥腰部C的长度为15mm，直径为20μm，因为锥腰部C的长度不易过长，太长易使得光泄漏增加损耗，且无法使得材料与倏逝场充分作用，另一方面由于拉制工艺的限制，锥腰部C的长度过短会使得锥腰部C的直径过大，从而导致漏光较少而造成倏逝场较小，同样影响材料与倏逝场的作用。三元可饱和吸收体803滴加在锥腰部C上，在本实施例中，三元可饱和吸收体803为Ta2NiS5溶液。
在本实施例中，拉锥光纤本体801的制备方法包括以下步骤：
步骤1：HI-1060单模光纤表面处理；
具体地，将准备好的所述HI-1060单模光纤表面用乙醇溶液清洁，在所述HI-1060单模光纤中心处，采用剥纤钳剥去光纤表面涂覆层，用擦镜纸蘸取少量乙醇溶液，轻轻擦拭剥去涂覆层的光纤表面；
步骤2：HI-1060单模光纤位置固定；
具体地，将步骤1中处理好的光纤两端小心放入光纤夹具中，调整放入位置，使得剥去涂覆层的小段光纤位于夹具中心，且整段光纤处于拉伸状态；
步骤3：火焰喷枪位置固定；
具体地，调整所述火焰喷枪位置，使得所述火焰喷枪正对所述夹具中剥去涂覆层的光纤，并且所述火焰喷枪的外焰正好加热到此光纤；
步骤4：拉锥光纤制备；
具体地，打开所述火焰喷枪，加热使得所述夹具中的光纤熔融，并同时拉伸所述夹具，完成所述拉锥光纤的制备。
步骤5：显微镜观察锥腰区；
具体地，待所述夹具及其上固定的光纤冷却至室温，将所述光纤放置在显微镜下观察所述光纤的锥腰区是否满足所需的尺寸。若是，则拉锥光纤本体801制备完成，若否，则重复步骤1-5知道获得所需尺寸的拉锥光纤本体801。
在本实施例中，将制备得到的拉锥光纤本体801固定在玻片802上，在拉锥光纤本体801的锥腰区C滴加所述Ta2NiS5溶液。
进一步地，所述Ta2NiS5溶液制备方法包括以下步骤：
步骤1：用镊子夹取适量Ta2NiS5材料，放入含有3ml去离子水的试管中；
步骤2：将所述试管放入超声机中，超声波振荡10小时；
步骤3：将超声后的溶液放入离心机中以3000rmp的转速，离心转动30分钟，其上清液为制备得到的所述Ta2NiS5溶液。
在本实施例中，用滴管吸取少量上清液，将所述上清液滴加在固定在玻片802上的拉锥光纤本体801的锥腰区C，得到拉锥光纤组件8，之后使用显微镜观察拉锥光纤组件8中所述Ta2NiS5溶液的分布情况是否满足需求，观察到Ta2NiS5材料均匀的沉积在锥腰区C上，即可熔入腔内用作可饱和吸收体。
本实施例中，利用拉锥光纤本体802作为可饱和吸收体的基底，利用拉锥光纤本体802的锥腰区C的倏逝场与所述可饱和吸收体相互作用，有效的避免了利用“三明治结构”的跳线法兰结构带来的环形光路的内损耗，材料不易调节等缺点，并且可以通过调节锥腰区C的长度和直径可以改变光和材料的作用长度，通过增加相互作用的长度可以实现强非线性响应，并且由于只有倏逝场与非线性材料相互作用，因此可以提高材料的损伤阈值，锥腰区C的直径越小，其倏逝场的作用越强，但是锥腰区C的直径过细，在使用过程中容易损坏，锥腰区C的长度过长容易造成光的泄露，导致所述环形光路的损耗增大。
本实施例中，采用三元硫化物Ta2NiS5作为所述可饱和吸收体，三元硫化物作为一种新型的二维材料，通过第三个附加元素，二维三元材料中增强的新自由度可用于通过使用单个或二元元素更改与其对应物相比的组成来调整其物理属性。Ta2NiS5作为准一维三元硫化物的一个特例，具有低对称晶体结构和面内各向异性的物理性质，中间的Ni和Ta原子分别与S形成NiS4和TaS6的S原子四面体和八面体配位。不仅表现出由于弱范德华相互作用堆积的层状晶体结构的二维特性，而且还表现出单层中链结构的一维特性。Ta2NiS5是一种性能优异且成本低廉的新型材料，单独将其用作锁模器件，难以实现稳定的锁模脉冲输出，故利用NPE(非线性偏振旋转)辅助锁模，对脉冲进行整形，锁模脉冲的形成靠NPE主导在全正色散全光纤化的光纤激光器中实现1μm输出波段的混合锁模结果，而且本实施例的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器结构简单、操作方便、稳定性高，能够满足更多的实际应用。
更进一步地，滤波器9的带宽范围1030nm±10nm，滤波器9的尾纤为长度20cm的HI-1060单模光纤，尾纤的长度选择也是因为在利用光纤熔接机熔接光纤连接器件时，若尾纤长度过短，不易于熔接过程的实现，而且因为脉冲运行在1μm波段，普通的单模光纤在此波段均为正色散，尾纤长度过长，会积累较大的正色散，不易于锁模的实现，且正色散过大会展宽输出脉冲。滤波器9对连续光的可承受最大功率为300mW。在本实施例中，所述环形腔通过单模光纤10连接而成，单模光纤10的型号为Nufern 1060-XP。
本实施例的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器采用三元硫化物Ta2NiS5作为可饱和吸收体，并以非线性偏振旋转(NPE)技术辅助Ta2NiS5材料，在1μm波长处，全正色散区域可以实现高稳定的混合锁模输出。采用拉锥光纤作为可饱和吸收体基底，可有效降低腔内损耗，通过调节锥区的长度可以改变光和材料的作用长度，且材料浓度可控。而且本实施例的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器结构简单、操作方便、稳定性高，能够满足更多的实际应用。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，其特征在于，包括：泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺镱单模光纤(3)、偏振相关隔离器(4)、耦合器(5)、准直器(6)、偏振控制器(7)、拉锥光纤组件(8)、滤波器(9)和单模光纤(10)，其中，
所述波分复用器(2)、所述掺镱单模光纤(3)、所述偏振相关隔离器(4)、所述耦合器(5)、所述偏振控制器(7)、所述拉锥光纤组件(8)和所述滤波器(9)由所述单模光纤(10)依次串接，且所述滤波器(9)与所述波分复用器(2)的输入端连接形成环形光路；
所述泵浦源(1)连接所述波分复用器(2)的输入端，所述泵浦源(1)用于产生泵浦光；
所述波分复用器(2)的输出光纤为与所述掺镱单模光纤(3)相匹配的无源光纤；
所述准直器(6)连接所述耦合器(5)的输出端。
2.根据权利要求1所述的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，其特征在于，所述拉锥光纤组件(8)包括拉锥光纤本体(801)、玻片(802)和三元可饱和吸收体(803)，其中，所述拉锥光纤本体(801)固定在所述玻片(802)上，且所述三元可饱和吸收体(803)滴加在所述拉锥光纤本体(801)上。
3.根据权利要求2所述的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，其特征在于，所述拉锥光纤本体(801)由HI-1060单模光纤熔融拉伸制备得到。
4.根据权利要求2所述的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，其特征在于，所述拉锥光纤本体(801)包括普通部(A)、过渡部(B)和锥腰部(C)，所述三元可饱和吸收体(803)滴加在所述锥腰部(C)上。
5.根据权利要求4所述的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，其特征在于，所述锥腰部(C)的长度为15mm-25mm，直径为10μm-20μm。
6.根据权利要求2所述的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，其特征在于，所述三元可饱和吸收体(803)为Ta2NiS5溶液。
7.根据权利要求1所述的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，其特征在于，所述偏振相关隔离器(4)的尾纤为长度40cm的HI-1060单模光纤，所述偏振相关隔离器(4)用于确保光信号在所述环形光路内单向运行。
8.根据权利要求1所述的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，其特征在于，所述耦合器(5)的分光比为10:90，所述耦合器(5)的10％输出端与所述准直器(6)的尾纤连接，所述耦合器(5)的90％输出端与所述偏振控制器(7)的一端连接；
所述准直器(6)的尾纤为60cm的HI-1060单模光纤，所述准直器(6)用于将光纤光转变为空间光；
所述偏振控制器(7)用于控制所述环形腔内激光的偏振态，并根据所述泵浦源功率启动锁模。
9.根据权利要求1所述的基于Ta2NiS5的混合锁模全光纤掺镱激光器，其特征在于，所述滤波器(9)的尾纤为长度20cm的HI-1060单模光纤，其对连续光的可承受最大功率为300mW。
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