CN111525374A - 一种宽带波长可调激光脉冲信号发生装置和光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带波长可调激光脉冲信号发生装置和光纤激光器，包括可饱和吸收设备和波长调节设备。可饱和吸收设备包括可饱和吸收输入端、可饱和吸收器件和可饱和吸收输出端，可饱和吸收器件还包括由碲化锑薄膜制成的可饱和吸收体。激光信号的波长在通过波长调节设备时可根据不同应用场景调节，随后在由碲化锑薄膜制成的可饱和吸收体的作用下形成激光脉冲信号。上述装置和光纤激光器，采用被动调Q技术，利用碲化锑的可饱和吸收特性产生波长可在较宽范围内调节的激光脉冲信号，使以碲化锑薄膜为可饱和吸收体的被动调Q激光脉信号发生装置和光纤激光器能够满足光谱学、生物医学、光通信等领域的实际应用需求。

Description

一种宽带波长可调激光脉冲信号发生装置和光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光设备领域，特别是涉及一种宽带波长可调激光脉冲信号发生装置和光纤激光器。
背景技术
宽带可调谐激光脉冲信号发生装置能够在较宽的光谱范围内产生不同波长的激光脉冲信号，广泛地应用于光谱学、生物医学以及光通信等诸多领域。常用的激光脉冲发生设备多使用调Q技术或锁模技术来产生激光脉冲信号。调Q技术能将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率提高数个数量级。调Q技术又包括主动调Q技术和被动调Q技术。主动调Q技术利用高压、快速电光驱动器、射频调制器等外部条件人为地改变激光谐振腔内Q值的技术，但是其设备结构复杂，会引入较大插入损耗。被动调Q技术则是在激光谐振腔内添加可饱和吸收器件，利用可饱和吸收材料的特性对激光谐振腔内的Q值进行调节，能直接获得超短脉冲。相比于主动调Q而言，采用被动调Q技术的设备无需外界驱动源，因此结构简单、操作方便、稳定性强。
最初用作可饱和吸收体材料的是有机染料，但有机染料由于热稳定性差、见光后易分解、带毒性等缺点，会导致激光器无法稳定工作，已经逐渐淘汰。拓扑绝缘体由于具有高的饱和强度和高的损伤阈值等优点，近几年作为可饱和吸收体在高性能激光器中得到了广泛的研究与应用。典型的拓扑绝缘体材料包括碲化铋、碲化锑等。目前已经对拓扑绝缘体的可饱和吸收特性在被动调Q技术中的应用有了研究，但基于拓扑绝缘体的被动调Q装置距离光谱学、生物医学、光通信等领域的实际应用需求还有很大的差距。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种宽带波长可调激光脉冲信号发生装置和光纤激光器。
一种宽带波长可调激光脉冲信号发生装置，包括可饱和吸收设备和波长调节设备。可饱和吸收设备包括可饱和吸收输入端、可饱和吸收器件和可饱和吸收输出端。可饱和吸收器件的两端分别连接可饱和吸收输入端和可饱和吸收输出端。可饱和吸收器件还包括由碲化锑薄膜制成的可饱和吸收体。波长调节设备包括波长调节输入端、波长调节模块和波长调节输出端。波长调节模块的两端分别连接波长调节输入端和波长调节输出端，波长调节输出端连接可饱和吸收输入端。
该装置采用碲化锑薄膜制成的可饱和吸收体，使用波长调节技术和基于碲化锑可饱和吸收特性的被动调Q技术实现了输出波长可调的激光脉冲信号的功能。激光通过波长调节输入端进入波长调节设备，波长调节模块可根据不同应用场景的要求调节输入激光的波长，并从波长调节输出端输出。波长调节输出端输出的激光信号通过可饱和吸收输入端进入可饱和吸收器件，在由碲化锑薄膜制成的可饱和吸收体的作用下，形成激光脉冲信号并从可饱和吸收输出端输出。
在其中一个实施例中，可饱和吸收设备的可饱和吸收器件包括输入连接光纤、碲化锑薄膜和输出连接光纤，可饱和吸收输入端包括输入光纤，可饱和吸收输出端包括输出光纤。输入光纤、输入连接光纤和碲化锑薄膜的一面依次连接，碲化锑薄膜的另一面与输出连接光纤和输出光纤依次连接，形成光路。激光在通过输入光纤和输入连接光纤后到达碲化锑薄膜制成的可饱和吸收体。当激光强度达到碲化锑薄膜的饱和强度阈值时，在理想情况下激光将无损地通过碲化锑薄膜，从而形成激光脉冲，并通过输出连接光纤和输出光纤输出。
在其中一个实施例中，可饱和吸收设备的输入光纤和输入连接光纤一体成型，输出光纤和输出连接光纤一体成型，可进一步简化设备结构、降低传输损耗。
在其中一个实施例中，波长调节设备包括可调谐滤波器。该可调谐滤波器包括调谐输入端、调谐模块和调谐输出端，其调谐模块的两端分别连接调谐输入端和调谐输出端，调谐输出端连接可饱和吸收设备的可饱和吸收输入端。
激光通过调谐输入端进入可调谐滤波器，调谐模块可根据不同应用场景的要求得到中心波长连续可调的激光，并从调谐输出端输出。调谐输出端输出的激光信号通过可饱和吸收输入端进入可饱和吸收设备。
一种采用上述任何一个实施例中宽带波长可调激光脉冲信号发生装置的光纤激光器，还包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、偏振控制器和输出耦合器。泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、偏振控制器、宽带波长可调激光脉冲信号发生装置和输出耦合器按照光信号输入输出方向依次连接。其中波分复用器还有一个输入端，与输出耦合器的输出端连接，构成光信号回路。
该光纤激光器采用典型的环形腔结构，泵浦源发出的泵浦光通过波分复用器耦合进入增益光纤，通过偏振无关隔离器确保光信号的单向传输，通过偏振控制器调节和优化腔内的偏振态，激光的中心波长通过波长调节设备的调节后输入宽带波长可调激光脉冲信号发生装置，输出的激光脉冲信号经输出耦合器导出。
在其中一个实施例中，光纤激光器的输出耦合器的输出波长范围包括1040.89nm-1092.85nm。
在其中一个实施例中，该光纤激光器使用的泵浦源包括激光二极管，使该光纤激光器的耗电省、效率高，并且易于小型化。
在其中一个实施例中，增益光纤采用掺镱光纤。
上述一种宽带波长可调激光脉冲信号发生装置和光纤激光器，采用被动调Q技术，利用碲化锑的可饱和吸收特性产生波长可在较宽范围内调节的激光脉冲信号，使以碲化锑薄膜为可饱和吸收体的被动调Q激光脉信号发生装置和光纤激光器能够满足光谱学、生物医学、光通信等领域的实际应用需求。
附图说明
图1为一个实施例中宽带波长可调激光脉冲信号发生装置的结构示意图；
图2为一个实施例中可饱和吸收设备的结构示意图；
图3为采用一个实施例中的宽带波长可调激光脉冲信号发生装置的光纤激光器结构示意图；
图4为一个实施例中的光纤激光器输出的激光脉冲信号光谱图；
图5为一个实施例中当泵浦源输出功率为314.3mW时，光纤激光器的输出耦合器输出中心波长为1060.77nm的激光脉冲序列。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
其中一个实施例为如图1所示的一种基于宽带波长可调激光脉冲信号发生装置，包括可饱和吸收设备7以及波长调节设备6。可饱和吸收设备7包括壳体71、可饱和吸收输入端72、可饱和吸收输出端73和设置在壳体71内的可饱和吸收器件。波长调节设备6设有波长调节输入端61、波长调节模块和波长调节输出端62。波长调节输出端62与可饱和吸收设备7的可饱和吸收输入端72连接，可饱和吸收输入端72、壳体71内的可饱和吸收器件和可饱和输出端73依次连接。可饱和吸收器件还包括由碲化锑薄膜制成的可饱和吸收体。
激光通过波长调节输入61端进入波长调节设备6，波长调节模块可根据不同应用场景的要求调节输入激光的波长，并从波长调节输出端62输出。波长调节输出端62输出的激光信号通过可饱和吸收输入端71进入可饱和吸收设备7中的可饱和吸收器件，在由碲化锑薄膜制成的可饱和吸收体的作用下，形成激光脉冲信号并从可饱和吸收输出端72输出。
可饱和吸收材料具有非线性吸收的特性，即其吸收系数不是常数，而是在强光作用下，吸收系数随着光强的增加而不断减小，直至饱和，且饱和后对光呈现透明的特性。具有这种特性的材料称为可饱和吸收材料，其吸收系数可以表示为：
Figure BDA0002471030600000041
式(1)中，α0指的是光强较小时候的吸收系数；I指的是入射光强，IS指的是饱和吸收光强。在被动调Q激光器中，可饱和吸收体的吸收峰需覆盖激光晶体发射峰，并且吸收带宽越宽越好。
拓扑绝缘体的分子式为A2B3型，其内部体态为绝缘体带隙，而表面态却为导体。这种特殊的量子态使其具备了宽带可饱和吸收的特性，使其在光电子器件中有良好的应用前景。本装置选用的可饱和吸收材料碲化锑是一种典型的拓扑绝缘体材料，同时具有较大的三阶非线性和较小的带隙(0.2-0.3eV)，这使碲化锑材料在从可见光波段到中红外波段的较宽光谱范围内具备可饱和吸收特性。基于碲化锑的这一特性，本发明利用波长调节设备和基于碲化锑薄膜制成的可饱和吸收设备实现了可在较宽频谱内输出激光脉冲信号的宽带波长可调激光脉冲信号发生装置。
其中一个实施例为如图2所示的一种基于宽带波长可调激光脉冲信号发生装置，其可饱和吸收设备7的可饱和吸收器件包括壳体71、输入连接光纤741、碲化锑薄膜743和输出连接光纤742，可饱和吸收输入端包括输入光纤72，可饱和吸收输出端包括输出光纤73。输入光纤72、输入连接光纤741和碲化锑薄膜743的一面依次连接，碲化锑薄膜743的另一面与输出连接光纤742和输出光纤73依次连接，形成光路。激光在通过输入光纤72和输入连接光纤741后到达碲化锑薄膜743，当激光强度达到碲化锑薄膜743的饱和强度阈值时，在理想情况下激光将无损地通过碲化锑薄膜743，从而形成激光脉冲，并通过输出连接光纤742和输出光纤输73出。
在其中一个实施例中，可饱和吸收设备的输入光纤72和输入连接光纤741一体成型，输出光纤73和输出连接光纤742一体成型，可进一步简化设备结构、降低传输损耗。
在其中一个实施例中，波长调节设备6包括可调谐滤波器。该可调谐滤波器包括调谐输入端61、调谐模块和调谐输出端62，其调谐模块的两端分别连接调谐输入端61和调谐输出端62，调谐输出端62连接可饱和吸收设备7的可饱和吸收输入端72。
激光通过调谐输入端61进入可调谐滤波器6，调谐模块可根据不同应用场景的要求得到中心波长连续可调的激光，从调谐输出端62输出。调谐输出端62输出的激光信号通过可饱和吸收输入端72进入可饱和吸收设备7。
在其中一个实施例中，可调谐滤波器6的3dB带宽为0.1nm，波长调节范围大于80nm，腔长为32.5m。
其中一个实施例为如图3所示的采用上述任意一个实施例中宽带波长可调激光脉冲信号发生装置的光纤激光器，还包括泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、偏振无关隔离器4、偏振控制器5和输出耦合器8。泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、偏振无关隔离器4、偏振控制器5、宽带波长可调激光脉冲信号发生装置和输出耦合器8按照光信号输入输出方向依次连接。其中波分复用器2还有一个输入端，与输出耦合器8的输出端连接，构成光信号回路。
光纤激光器是一种以掺稀土元素的光纤为增益介质来产生激光输出的装置。本实施例的光纤激光器采用典型的环形腔结构，泵浦源1发出的泵浦光通过波分复用器2耦合进入增益光纤3，通过偏振无关隔离器4确保光信号的单向传输，偏振控制器5调节和优化腔内的偏振态，激光的中心波长通过波长调节设备6的调节后输入宽带波长可调激光脉冲信号发生装置。可饱和吸收设备7输出的激光脉冲信号经输出耦合器8导出。由于经输出耦合器8输出的信号是波长可在较宽范围内调节的激光脉冲信号，能够很好地满足光谱学、生物医学、光通信等领域对激光脉冲信号的实际应用需求。
其中一个实施例为该光纤激光器使用的泵浦源1包括激光二极管，使该光纤激光器的耗电省、效率高，并且易于小型化。
其中一个实施例为该光纤激光器采用的泵浦源为激光二极管，其中心波长是976nm，输出功率范围是0-830mW。
其中一个实施例为该光纤激光器的增益光纤3采用掺镱光纤，其长度是2m。掺镱光纤具有能级结构简单、量子效率高、材料中的热负荷低、荧光寿命长等特点。
其中一个实施例为该光纤激光器的输出激光脉冲信号9的波长范围为1040.89nm-1092.85nm，如图4所示。
其中一个实施例中当泵浦源输出功率为314.3mW时，光纤激光器的输出耦合器输出中心波长为1060.77nm的激光脉冲序列，如图5所示。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种宽带波长可调激光脉冲信号发生装置，包括可饱和吸收设备和波长调节设备；
所述可饱和吸收设备包括可饱和吸收输入端、可饱和吸收器件和可饱和吸收输出端，所述可饱和吸收器件的两端分别连接所述可饱和吸收输入端和所述可饱和吸收输出端，所述可饱和吸收器件包括由碲化锑薄膜制成的可饱和吸收体；
所述波长调节设备包括波长调节输入端、波长调节模块和波长调节输出端，所述波长调节模块的两端分别连接所述波长调节输入端和所述波长调节输出端，所述波长调节输出端连接所述可饱和吸收输入端。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述可饱和吸收器件包括输入连接光纤、所述可饱和吸收体和输出连接光纤，所述可饱和吸收输入端包括输入光纤，所述可饱和吸收输出端包括输出光纤；所述输入光纤、所述输入连接光纤和所述碲化锑薄膜的一面依次连接，所述碲化锑薄膜的另一面与所述输出连接光纤和所述输出光纤依次连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述输入光纤和所述输入连接光纤一体成型，所述输出光纤和所述输出连接光纤一体成型。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的装置，其特征在于所述波长调节设备包括可调谐滤波器，所述可调谐滤波器包括调谐输入端、调谐模块和调谐输出端，所述调谐模块的两端分别连接调谐输入端和调谐输出端，所述调谐输出端连接所述可饱和吸收输入端。
5.一种光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、偏振无关隔离器、偏振控制器和输出耦合器，其特征在于：还包括如权利要求1至4中任意一项所述的装置；所述泵浦源、所述波分复用器、所述增益光纤、所述偏振无关隔离器、所述偏振控制器、所述装置和所述输出耦合器按照光信号输入输出方向依次连接，所述输出耦合器的输出端与所述波分复用器的输入端相连，构成回路。
6.根据权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于所述输出耦合器的输出波长范围包括1040.89nm-1092.85nm。
7.根据权利要求6所述的光纤激光器，其特征在于所述泵浦源包括激光二极管。
8.根据权利要求6所述的光纤激光器，其特征在于所述增益光纤为掺镱光纤。
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