CN110277728A - 基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器 - Google Patents

基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，涉及超短光纤激光器领域。所述被动锁模光纤激光器采用环形腔结构，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、非保偏隔离器、偏振控制器、少模光纤可饱和吸收体和耦合器。其中，少模光纤可饱和吸收体由依次熔接的输入单模光纤、少模光纤、输出单模光纤组成，其可饱和吸收特性是利用少模光纤中的非线性多模干涉效应。本发明被动锁模光纤激光器采用的可饱和吸收体是真正的全光纤可饱和吸收体，具有成本低、结构简单、损伤阈值高等优点，极大地提高了锁模光纤激光器的稳定性，具有广泛的应用前景。

Description

基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光技术及非线性光学领域，尤其涉及一种基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器。
背景技术
被动锁模光纤激光器由于具有易操作、结构紧凑、性能稳定、成本低等优点，在光纤通信、材料精细加工、光频梳、激光雷达、激光医疗、激光光谱学等领域具有非常重要的科学应用价值。可饱和吸收体是被动锁模光纤激光器中的关键器件，其主要分为两类：基于材料可饱和吸收特性的可饱和吸收体(例如：半导体可饱和吸收镜和以石墨烯为代表的二维材料)和全光纤可饱和吸收体。其中，基于材料可饱和吸收特性的可饱和吸收体通常是将可饱和吸收材料附着于光纤端面，制成光纤集成的可饱和吸收体，并应用于光纤激光器，提高锁模光纤激光器的可靠性。但可饱和吸收材料对外界环境敏感，易变质，且损伤阈值低、性能不稳定。因此，研发具有高损伤阈值和低损耗的全光纤可饱和吸收体受到越来越多研究者的关注。
近些年来，研究人员以多模光纤中的非线性多模干涉效应以及自聚焦效应为理论基础，提出了基于多模光纤中产生的包括四波混频效应、自相位调制以及交叉相位调制等在内的非线性效应作为可饱和吸收体的数值模型。现有的多模光纤可饱和吸收体通常采用渐变和阶跃两种类型的多模光纤，但这两种多模光纤激发的高阶模式数量较多(约几十到几百个模式)且难以控制，导致现有多模光纤可饱和吸收体仍存在以下问题：(1)由于模式数量较多，传输特性较复杂，导致很难深入理论研究其可饱和吸收特性机理；(2)较多的模式数量使得模式耦合复杂无序，因此较难制备性能稳定的可饱和吸收体；(3)在大能量光纤激光器应用中，由于高阶模式数量较多，在熔点处能量损失严重，易出现热损伤。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明设计了一种成本较低、结构简单、稳定性好的基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器。
本发明目的采用以下技术方案实现：
一种基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、非保偏隔离器、偏振控制器、少模光纤可饱和吸收体、耦合器；所述的泵浦源与波分复用器的光输入端相连，波分复用器公共端与增益光纤一端口相连，增益光纤另一端与非保偏隔离器的输入端相连，非保偏隔离器的输出端与偏振控制器一端相连，偏振控制器的另一端与少模光纤可饱和吸收体的入射端相连，少模光纤可饱和吸收体的出射端与耦合器一端口相连，耦合器二端口与波分复用器的信号端相连形成环形回路，耦合器的三端口作为脉冲激光输出端；所述的少模光纤可饱和吸收体由输入单模光纤、少模光纤和输出单模光纤采用中心对准的方式依次熔接制成。
本发明中，进一步地，所述的少模光纤可饱和吸收体中输入单模光纤与输出单模光纤为同种单模光纤。
进一步地，所述的少模光纤可饱和吸收体中少模光纤在应用的特定波段的传输模式数目以3-7个为最佳。
进一步地，所述的少模光纤可饱和吸收体中少模光纤采用纤芯与包层直径比为33μm/125μm的渐变折射率少模光纤，此光纤在2.0μm波段的自聚焦长度(Lπ)约为754μm。
进一步地，所述的少模光纤可饱和吸收体中少模光纤的长度为(N+0.5)Lπ，这时脉冲光在传输时，脉冲前沿和后沿光强较弱的光，由于发生多模干涉效应将会逸出，损耗较大，而脉冲中心光强较强的光，会发生非线性多模干涉效应从而保持在基模模式，可以无损耗的传输，因此在这种条件下，可饱和吸收特性最好。其中N为整数，N的最佳取值范围为60-350。
进一步地，所述的泵浦源为单模输出的1570nm的光纤激光器。
进一步地，所述的偏振控制器为手动挤压式偏振控制器。
进一步地，所述的增益光纤为掺铥光纤。
本发明的有益效果是：
本发明采用由输入单模光纤、少模光纤、输出单模光纤依次熔接的少模光纤可饱和吸收体，其可饱和吸收特性是利用少模光纤中的非线性多模干涉效应，该可饱和吸收体是真正的全光纤可饱和吸收体，少模光纤中的模式数量较少，一般具有2-10个模式，较容易调控少模光纤中的模式数量，使光纤中的模间耦合更易于研究和控制，因此基于少模光纤制备的全光纤可饱和吸收体具有成本低、结构简单、损伤阈值高、调制深度大、饱和通量低等优点，可极大地提高锁模光纤激光器的输出特性和长期运转稳定性，此外相比于多模光纤，少模光纤的损耗较低，使得锁模输出的功率在相同装置下可提高4倍，具有广泛的应用前景。
附图说明
下面结合附图及其实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实例中被动锁模光纤激光器的结构示意图。
图2是本发明实例中少模光纤可饱和吸收体的调制深度曲线图。
图3是本发明实例中激光器输出的光谱图。
图4为本发明实例激光器输出的脉冲序列图。
图5为本发明实例激光器输出的脉冲波形图。
其中，1为泵浦源、2为波分复用器、3为增益光纤、4为非保偏隔离器、5为偏振控制器、6为少模光纤可饱和吸收体、7为耦合器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，包括泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、非保偏隔离器4、偏振控制器5、少模光纤可饱和吸收体6、耦合器7；所述的泵浦源1与波分复用器2的泵浦光输入端相连，波分复用器2公共端与增益光纤3一端口相连，增益光纤3另一端与非保偏隔离器4的输入端相连，非保偏隔离器4的输出端与偏振控制器5一端相连，偏振控制器5的另一端与少模光纤可饱和吸收体6的入射端相连，少模光纤可饱和吸收体6的出射端与耦合器7一端口相连，耦合器7二端口与波分复用器2的信号端相连形成环形回路，耦合器7的三端口作为脉冲激光输出端；所述的少模光纤可饱和吸收体6由输入单模光纤、少模光纤和输出单模光纤采用中心对准的方式依次熔接制成。
其中，所述的少模光纤可饱和吸收体6中输入单模光纤与输出单模光纤为同种单模光纤，所述的少模光纤可饱和吸收体6中少模光纤采用纤芯与包层直径比为33μm/125μm的渐变折射率少模光纤，所述的少模光纤可饱和吸收体6中少模光纤的长度为5～25cm。所述的泵浦源1为单模输出的1570nm的光纤激光器。所述的偏振控制器5为手动挤压式偏振控制器。所述的增益光纤3为掺铥光纤。
如图2所示，图1中所述的少模光纤可饱和吸收体6在2μm波段实验测得的调制深度曲线，根据公式T＝1-ΔT×exp(-I/Isat)-αns拟合可得到少模光纤可饱和吸收体的特性参数如下：调制深度ΔT＝14.3％，饱和通量Isat＝55.6μJ/cm2，非饱和吸收损耗αns＝73.6％。
如图3-5所示，为图1所示的被动锁模光纤器稳定运转时输出结果，图3为锁模输出光谱，从图中可以看出光谱有明显的kelly边带，是传统的孤子锁模光谱具有的特征，证明激光器为锁模输出；图4为锁模输出的脉冲序列图，可进一步证明锁模输出的稳定性；图5为测试的脉冲波形的自相关曲线，可以看出脉冲的强度分布符合Sech2曲线，脉冲宽度为ps量级。从图3-5锁模输出特性结果得出，基于少模光纤可饱和吸收体的掺铥锁模光纤激光器可实现稳定的ps超短脉冲输出。

Claims (8)

1.一种基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的激光器包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、非保偏隔离器(4)、偏振控制器(5)、少模光纤可饱和吸收体(6)、耦合器(7)；所述的泵浦源(1)与波分复用器(2)的光输入端相连，波分复用器(2)公共端与增益光纤(3)一端口相连，增益光纤(3)另一端与非保偏隔离器(4)的输入端相连，非保偏隔离器(4)的输出端与偏振控制器(5)一端相连，偏振控制器(5)的另一端与少模光纤可饱和吸收体(6)的入射端相连，少模光纤可饱和吸收体(6)的出射端与耦合器(7)一端口相连，耦合器(7)二端口与波分复用器(2)的信号端相连形成环形回路，耦合器(7)的三端口作为脉冲激光输出端；所述的少模光纤可饱和吸收体(6)由输入单模光纤、少模光纤和输出单模光纤采用中心对准的方式依次熔接制成。
2.根据权利要求1所述的基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的少模光纤可饱和吸收体(6)中输入单模光纤与输出单模光纤为同种单模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的少模光纤可饱和吸收体(6)中少模光纤采用纤芯与包层直径比为33μm/125μm的渐变折射率少模光纤，其在2.0μm波段的自聚焦长度Lπ为754μm。
4.根据权利要求3所述的基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的少模光纤可饱和吸收体(6)中少模光纤的长度为(N+0.5)Lπ，其中N为整数。
5.根据权利要求4所述的基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，其特征在于，N为60-350。
6.根据权利要求1所述的基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源(1)为单模输出的1570nm的光纤激光器。
7.根据权利要求1所述的基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的偏振控制器(5)为手动挤压式偏振控制器。
8.根据权利要求1所述的基于少模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述的增益光纤(3)为掺铥光纤。
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