CN111048973A - 一种等离激元混合结构锁模光纤激光器及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离激元混合结构锁模光纤激光器，包括依次设置的泵浦光源、波分复用器、掺稀土离子增益光纤、第一偏振控制器、锁模器件、第二偏振控制器、偏振无关光隔离器、耦合器，构成环形激光器谐振腔。本发明公开了一种等离激元混合结构锁模光纤激光器的构建方法，步骤包括：S1：拉制微光纤；S2：制作微光纤环形结谐振器；S3：镀膜；S4：将微光纤环形结光学谐振器放置到金属薄膜上；S5：封装；S6：构建锁模光纤激光器。本发明锁模器件制备工艺简单，制备成本低廉；锁模光纤激光器采用全光纤光路设计，光路内无分离光学元件，结构简单，对外界电磁干扰具有良好的抵抗性，比较稳定。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种等离激元混合结构锁模光纤激光器及其构建方法。
背景技术
波导与金属表面等离激元结合是光电子学领域的一个重要分支，描述了当金属与光波导结合后的现象，即波导中的横磁场模式与金膜表面等离激元相互作用产生杂化等离激元，从而使得波导中的横磁场减弱，这一过程使得波导与金属混合结构具有较强的偏振依赖特性，将这一特性应用到激光谐振腔中进行偏振选择，产生光强大的通过、光弱的被损耗的饱和吸收效果，实现被动锁模激光器，在未达到锁模阈值时，这一效应也能实现对激光腔内纵模有规律的相位调制形成调Q或调Q锁模的状态而增加腔内瞬时功率。
高重复频率脉冲光纤激光器在光通信、微波光子学、光学频率梳产生和光谱学等领域具有重要应用，传统提高锁模脉冲激光重复频率的方法包括主动锁模和缩短激光腔长，20世纪90年代以来通过耗散四波混频实现超高重复频率的锁模脉冲激光的方法得到发展，该方法目前主要是由光学梳状滤波器和高光学非线性器件组合来实现，但此方法激光腔内通常要使用数十至数百米的高非线性光纤，大大增加了激光腔内损耗，同时提高了输出高重复频率脉冲的成本；也有通过高品质因子的硅基光学微腔来实现四波混频，但硅基波导与光纤的耦合不可避免地会产生损耗，同时需采用光刻等微加工工艺，制备过程相对复杂。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种具有较高品质因子、方便携带、制备简单、低成本的等离激元混合结构锁模光纤激光器，本发明的另一个目的是提供制备该锁模光纤激光器的构建方法。
技术方案：本发明提出了一种等离激元混合结构锁模光纤激光器，包括依次设置的波分复用器、掺稀土离子增益光纤、第一偏振控制器、锁模器件、第二偏振控制器、偏振无关光隔离器、耦合器，连接方式为光纤熔接，构成环形激光器谐振腔，还包括泵浦光源，所述泵浦光源连接波分复用器的泵浦端，泵浦光源发出光通过波分复用器进入激光器谐振腔，通过调节泵浦光源的功率及旋转第一偏振控制器和第二偏振控制器，产生稳定的超高重复频率脉冲激光，输出的激光通过耦合器抽运出激光谐振腔，所述锁模器件为微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件。
所述泵浦光源、波分复用器、偏振无关光隔离器、耦合器为光纤器件，泵浦光源、波分复用器、偏振无关光隔离器、耦合器的尾纤优选单模光纤。
所述泵浦光源发射光波长包含在掺稀土离子增益光纤吸收波长范围内。
所述微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件包括玻璃基底、金属薄膜、微光纤和封装层，所述微光纤形成环形结光学谐振器且设置在金属薄膜的上表面，所述金属薄膜下表面镀在玻璃基底的表面，所述封装层对玻璃基底、金属薄膜、微光纤进行封装。
所述封装层采用折射率低于石英光纤的聚合物，优选聚二甲基硅氧烷材料。
所述微光纤的腰部区域直径为2～10微米，长度0.5～3厘米。
所述环形结光学谐振器中环的直径为100～5000微米。
所述金属薄膜的厚度不小于40微米。
所述封装层的厚度为100～1000微米。
所述掺稀土离子增益光纤为掺镱、掺铒或掺铥光纤，优选掺铒单模光纤。
本发明提出了一种等离激元混合结构锁模光纤激光器的构建方法，包括以下步骤：
S1：拉制微光纤：利用局部加热拉伸或者腐蚀的方法；
S2：制作微光纤环形结谐振器：结合精密电控位移台，将微光纤绕成环形结结构；
S3：镀膜：在玻璃基底表面通过磁控溅射方法镀上一层金属薄膜；
S4：放置微光纤环形结谐振器：通过精密三维调节台将微光纤环形结光学谐振器放置到金属薄膜上表面；
S5：封装：对S4制备得到的结构进行封装固化，得到微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件；
S6：构建锁模光纤激光器：按照泵浦光源、波分复用器、掺稀土离子增益光纤、第一偏振控制器、微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件、第二偏振控制器、偏振无关光隔离器、耦合器依次通过光纤熔接方式形成一个环形激光谐振腔，构建成微光纤-金属等离激元混合结构器件的超高重复锁模脉冲激光器。
所述微光纤为普通单模光纤。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)锁模器件制备工艺简单，制备成本低廉；
(2)锁模光纤激光器采用全光纤光路设计，光路内无分离光学元件，结构简单，对外界电磁干扰具有良好的抵抗性，比较稳定；
(3)锁模器件集起偏器、梳状滤波器与光学非线性的特性于一身，集成度高，体积小，构建成的锁模光纤激光器方便携带，便于封装在较小体积的激光器样机内；
(4)锁模光纤激光器具有的超高重复频率输出稳定，脉冲的重复频率通过改变微光纤环形结谐振器的环直径大小进行调整，是一种新型的光学微光纤和耗散四波混频的高重复频率锁模脉冲激光器。
附图说明
图1为本发明锁模光纤激光器结构示意图；
图2为本发明微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件结构示意图；
图3为本发明实施例不同尺寸微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件的激光器的输出光谱和对应的时域超高重频脉冲序列。
具体实施方式
如图1，本发明的一种等离激元混合结构锁模光纤激光器，包括依次设置的泵浦光源8、波分复用器1、掺稀土离子增益光纤2、第一偏振控制器3、锁模器件4、第二偏振控制器5、偏振无关光隔离器6、耦合器7，连接方式为光纤熔接，构成环形激光器谐振腔，泵浦光源8发出光通过波分复用器1进入激光器谐振腔，通过调节泵浦光源8的功率及旋转第一偏振控制器3和第二偏振控制器5，产生稳定的超高重复频率脉冲激光，输出的激光通过耦合器7抽运出激光谐振腔，锁模器件4为微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件。
泵浦光源8、波分复用器1、偏振无关光隔离器6、耦合器7的尾纤选用普通单模光纤，泵浦光源8发射光波长包含在掺稀土离子增益光纤2吸收波长范围内，具体的掺稀土离子增益光纤2选用掺铒单模光纤。
如图2，微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件包括玻璃基底、金属薄膜43、微光纤和封装层42，微光纤形成环形结光学谐振器41且设置在金属薄膜43的上表面，金属薄膜43下表面镀在玻璃基底的表面，封装层42对玻璃基底、金属薄膜43、微光纤形成的结构进行封装。
等离激元混合结构锁模光纤激光器锁模原理为：将微光纤环形结谐振器41贴放在金属薄膜43表面上后，微光纤中的横磁模式与金属表面等离激元相互作用形成杂化等离激元模式，在外界微扰作用下光纤中模式发生变化，使得金属薄膜表面等离激元发生作用的横磁模式也发生变化，经历较大损耗，而横电模则不与金属薄膜耦合正常传输，这使得微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件形成一个具有较大偏振对比度的起偏器，将该锁模器件置于环形激光谐振腔后，与偏振控制器的组合引入了非线性偏振旋转的饱和吸收效应，使得腔内纵模相位锁定产生NPR锁模或者调Q脉冲序列，大大增加了腔内的瞬时功率，在高瞬时功率和高品质因子环形结谐振器增强效应的作用下，具有较高非线性的微光纤环形结谐振器产生耗散四波混频，将由谐振腔谐振模式决定的输出波长相位锁定，实现高重复频率的脉冲激光输出，重复频率由环形谐振器的自由光谱范围FSR决定。
本发明提出了一种等离激元混合结构锁模光纤激光器的构建方法，包括以下步骤：
S1：拉制微光纤：利用局部加热拉伸或者腐蚀的方法；
S2：制作微光纤环形结谐振器41：结合精密电控位移台，将微光纤绕成环形结结构；
S3：镀膜：在玻璃基底表面通过磁控溅射方法镀上一层金属薄膜43；
S4：放置微光纤环形结谐振器41：通过精密三维调节台将微光纤环形结光学谐振器41放置到金属薄膜43上；
S5：封装：对S4制备得到的结构进行封装固化，得到微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件；
S6：构建锁模光纤激光器：按照泵浦光源8、波分复用器1、掺稀土离子增益光纤2、第一偏振控制器3、微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件、第二偏振控制器5、偏振无关光隔离器6、耦合器7依次通过光纤熔接方式形成一个环形激光谐振腔，构建成微光纤-金属等离激元混合结构器件的超高重复锁模脉冲激光器。
所述微光纤为普通单模光纤，具体的选用SMF-28。
具体的，封装层42选用聚二甲基硅氧烷材料，微光纤的腰部区域选用直径为2.5微米，金属薄膜43的厚度选用100纳米，封装层42的厚度选用为1毫米，环形结光学谐振器41中环的直径为100～5000微米。
通过上述方法构建的锁模光纤激光器，将耦合器7的输出端连接至光谱仪和自相关仪，使用时，打开泵浦光源8，升高功率至锁模阈值，观察自相关仪信号，调整第一偏振控制器3和第二偏振控制器5的旋转角度至有稳定超高重频脉冲形成，在不同微光纤环形结谐振器41的环直径下，对应输出的光谱图及对应的时域超高重复频率脉冲序列见图3，其中a～h中激光器输出的各项数据见表1所示。
表1 a～h不同环直径对应输出参数
Claims (7)
1.一种等离激元混合结构锁模光纤激光器，其特征在于，包括依次设置的波分复用器(1)、掺稀土离子增益光纤(2)、第一偏振控制器(3)、锁模器件(4)、第二偏振控制器(5)、偏振无关光隔离器(6)、耦合器(7)，连接方式为光纤熔接，构成环形激光器谐振腔，还包括泵浦光源(8)，所述泵浦光源(8)连接到波分复用器(1)的泵浦端，所述锁模器件(4)为微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件。
2.根据权利要求1所述的一种等离激元混合结构锁模光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光源(8)、波分复用器(1)、偏振无关光隔离器(6)、耦合器(7)为光纤器件。
3.根据权利要求1所述的一种等离激元混合结构锁模光纤激光器，其特征在于，所述微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件包括玻璃基底、金属薄膜(43)、微光纤和封装层(42)，所述微光纤形成微光纤环形结谐振器(41)且设置在金属薄膜(43)上表面，所述金属薄膜(43)下表面镀在玻璃基底的表面，所述封装层(42)对玻璃基底、金属薄膜(43)、微光纤进行封装。
4.根据权利要求1所述的一种等离激元混合结构锁模光纤激光器，其特征在于，所述封装层(42)采用折射率低于石英光纤的聚合物。
5.一种等离激元混合结构锁模光纤激光器的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：拉制微光纤；
S2：制作微光纤环形结谐振器(41)；
S3：镀膜：在玻璃基底表面镀上一层金属薄膜(43)；
S4：将微光纤环形结光学谐振器(41)放置到金属薄膜(43)上表面；
S5：封装：对S4制备得到的结构进行封装固化，得到微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件；
S6：构建锁模光纤激光器：按照泵浦光源(8)、波分复用器(1)、掺稀土离子增益光纤(2)、第一偏振控制器(3)、微光纤-金属等离激元混合结构激光锁模器件、第二偏振控制器(5)、偏振无关光隔离器(6)、耦合器(7)的顺序依次通过光纤熔接方式熔接成一个环形激光谐振腔，构建成微光纤-金属等离激元混合结构器件的超高重复锁模脉冲激光器。
6.根据权利要求5所述的一种等离激元混合结构锁模光纤激光器的构建方法，其特征在于，所述步骤S1中拉制利用局部加热拉伸或者腐蚀的方法。
7.根据权利要求5所述的一种等离激元混合结构锁模光纤激光器的构建方法，其特征在于，所述步骤S3通过磁控溅射方法镀膜。
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| CN108695679A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-10-23 | 南京邮电大学 | 一种基于光纤熔融模式转换器的角向/径向偏振可切换柱矢量光束主动调q光纤激光器 |
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2019
- 2019-12-03 CN CN201911219645.3A patent/CN111048973A/zh active Pending
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