CN111697421B - 可饱和吸收体的脉冲光纤激光器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以可饱和吸收体为强度调制器件的脉冲光纤激光器，具体而言，涉及激光器领域。本申请将波分复用器分别与泵浦源、掺铒光纤和输出耦合器的一端光连接，掺铒光纤的另一端、隔离器、偏振控制器和光调制器依次光连接，光调制器的另一端与输出耦合器的另一端光连接，其中，光强度调制器的可饱和吸收体的材料为硒代亚磷酸铁，由于硒代亚磷酸铁是由多个薄层堆叠起来的，且拥有相对较高的电子迁移率，这使得由硒代亚磷酸铁制成的光调制器有着优良的光强度调制能力，并且由于该硒代亚磷酸铁具有较大的调制深度，使得该脉冲光纤激光器的脉冲时间更短，并且由硒代亚磷酸铁制作的光调制器成本较低。

Description

可饱和吸收体的脉冲光纤激光器及系统

技术领域

本发明涉及激光器领域，具体而言，涉及一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器及系统。

背景技术

超短脉冲激光器在许多领域有着广泛的应用，例如工业加工、光纤通信、光学显微、激光制导武器、空间测距、生物医学等诸多领域。相比较固体激光器、染料激光器以及其他激光器，由于全光纤系统内的超短脉冲激光器有着体积小、热效应低、成本低、易于装配、集成以及运输等独特优势，所以在全光纤系统内获得超短脉冲光纤激光是一个热门的研究方向。

现有技术中，为了实现脉冲光的输出，一般通过脉冲压缩技术使得脉冲更短，在对如何实现连续光激光器脉冲输出脉冲光的研究中主要是将纳米材料制作成可饱和吸收器件，实现材料对光纤内光的调制，从而使得锁模光纤激光器的脉冲更短。

但是，由于纳米材料较多，且每种纳米材料的非线性光学吸收特性不同，将纳米材料应用在锁模激光器上，成本较大，且效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器及系统，以解决现有技术中将特种纳米材料应用在锁模激光器上，成本较大，且效果不佳的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，脉冲光纤激光器包括：泵浦源、掺铒光纤、隔离器、偏振控制器、光调制器、输出耦合器和波分复用器；

波分复用器分别与泵浦源、掺铒光纤和输出耦合器的一端电连接，掺铒光纤的另一端、隔离器、偏振控制器和光调制器依次光连接，光调制器的另一端与输出耦合器的另一端光连接，其中，光调制器的可饱和吸收体的材料为硒代亚磷酸铁。

可选地，该输出耦合器的输出比为70％和30％中任意一种。

可选地，该波分复用器的可通过光的波长为980纳米和1550纳米。

可选地，该泵浦源为半导体激光器，半导体激光器的输出中心波长为976纳米。

可选地，该隔离器为偏振无关隔离器。

可选地，该偏振控制器为三片旋转式偏振控制器。

可选地，该光调制器中的拉锥光纤锥区的材料为硒代亚磷酸铁，且拉锥光纤锥区的直径为5微米-15微米。

第二方面，本发明实施例提供了另一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光系统，系统包括：电源与上述第一方面任意一项的脉冲光纤激光器，电源分别与泵浦源、掺铒光纤、偏振无关隔离器、偏振控制器、光调制器、输出耦合器和波分复用器电连接，用于分别给泵浦源、掺铒光纤、偏振无关隔离器、偏振控制器、光调制器、输出耦合器和波分复用器供电。

本发明的有益效果是：

本申请将波分复用器分别与泵浦源、掺铒光纤和输出耦合器的一端电连接，掺铒光纤的另一端、隔离器、偏振控制器和光调制器依次电连接，光调制器的另一端与输出耦合器的另一端电连接，其中，光调制器的可饱和吸收体的材料为硒代亚磷酸铁，由于硒代亚磷酸铁是由多个薄层堆叠起来的，每个薄层之间均有能隙，使得由硒代亚磷酸铁制成的光调制器可以降低对光的吸收，从而使得光低损耗的穿过，并且由于该硒代亚磷酸铁具有较大的调制深度，使得该脉冲光纤激光器的脉冲时间更短，并且由硒代亚磷酸铁制作的光调制器成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的单脉冲序列图；

图3为本发明一实施例提供的一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的光谱图；

图4为本发明一实施例提供的一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的自相关轨迹图。

图标：10-泵浦源；20-掺铒光纤；30-隔离器；40-偏振控制器；50-光调制器；60-输出耦合器；70-波分复用器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明一实施例提供的一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的结构示意图，如图1所示，本申请实施例提供一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，脉冲光纤激光器包括：泵浦源10、掺铒光纤20、隔离器30、偏振控制器40、光调制器50、输出耦合器60和波分复用器70；波分复用器70分别与泵浦源10、掺铒光纤20和输出耦合器60的一端电连接，掺铒光纤20的另一端、隔离器30、偏振控制器40和光调制器50依次电连接，光调制器50的另一端与输出耦合器60的另一端电连接，其中，光调制器50的可饱和吸收体的材料为硒代亚磷酸铁。

该脉冲光纤激光器的波分复用器70第一端与泵浦源10，第二端与输出耦合器60电连接，第三端与掺铒光纤20电连接，该掺铒光纤20另一端与隔离器30电连接，该隔离器30另一端与偏振控制器40电连接，该偏振控制器40的另一端与光调制器50电连接，该光调制器50的另一端与该输出耦合器60的另一端电连接，该泵浦源10用于给脉冲光纤激光器提供能量，并维持离子数翻转，使得该脉冲光纤激光器中产生激光，该掺铒光纤20用于实现将产生的激光的波长进行转换，及将粒子数的反转，即将脉冲光纤激光器产生受激辐射放大，该隔离器30用于保证光在脉冲光纤激光器中的单向传输，防止有其他杂质光对脉冲光纤激光器的激光有影响，偏振控制器40用于对光的相位进行调控，由于单模光纤具有双折射特性，则可以使用偏振控制器40对单模光纤中的激光进行相位调控，光调制器50用于将较弱的光进行吸收，使得较强的光进行通过，以此实现对激光的调控，输出耦合器60用于将一部分光输出到脉冲光纤激光器腔外进行测量或者进行使用，需要说明的是，该脉冲光纤激光器中的输出耦合器60的输出比例根据实际需要进行设定，在此不做具体限定，若输出激光与工作激光的比例为30:70，则该输出耦合器60的输出比为30％，波分复用器70用于将预设波长的光耦合到脉冲光纤激光器中，该脉冲光纤激光器中包括泵浦源10、掺铒光纤20、隔离器30、偏振控制器40、光调制器50、输出耦合器60和波分复用器70多个部件，每个部件都有相应的规格，具体规格根据实际需要进行选择，在此不做具体限定，该光调制器50的可饱和吸收体的材料为硒代亚磷酸铁，硒代亚磷酸铁为半导金属磷三卤代物，具有优良的光电化学特性，硒代亚磷酸铁一般是由多层组成，每一层都是通过弱的范德华力堆积起来的，硒代亚磷酸铁也可以被剥离成单层。硒代亚磷酸铁薄层的能隙可以调节在1.3电子伏特-3.5电子伏特的范围内，使得硒代亚磷酸铁薄层具有宽波段的响应，使用该硒代亚磷酸铁作为光调制器50的可饱和吸收体，使得较弱的光进行吸收，使得较强的光进行通过，以此实现对激光的调控，并且该硒代亚磷酸铁具有较大的调制深度，使得该脉冲光纤激光器对脉冲的压缩效应会更好，使得该脉冲光纤激光器实现更短脉冲的输出。

需要说明的是，光调制器50的可饱和吸收体的材料为硒代亚磷酸铁，具体的制作过程如下：先用光纤钳剥去单模光纤的涂覆层，然后将剥去涂覆层的光纤置于火焰器之上，利用火焰灼烧光纤，当光纤受热后处于熔融状态的时候，利用机械拉伸法，缓慢的将光纤拉伸成拉锥光纤。所制备的拉锥光纤必须严格的控制其损耗低于20％，其次是锥区的直径控制在预设尺寸内，这样的拉锥光纤才能保证激光的输出功率以及激光的倏逝波与材料的相互作用。然后是沉积材料，制备的硒代亚磷酸铁溶解于丙酮中通过两小时以上的液相剥离法获得较少层数的硒代亚磷酸铁纳米片，然后利用光学沉积法把材料沉积到拉锥光纤上。同时控制沉积好材料的拉锥光纤的损耗低于50％。以上便是制备硒代亚磷酸铁沉积于拉锥光纤构成可饱和吸收的光学器件的过程，这种可饱和吸收光学器件具有较好的调制能力，所组成的光纤激光器有望实现散热性能更加好，输出更加稳定，体积更加小。

名词解释，隐失波，也称隐逝波，是光在发生全内反射时，光波不是绝对的在界面上被全部反射回第一介质，而是投入第二介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质，沿着反射光方向射出。这个沿着第二介质表面的波被称隐矢波也叫隐逝波或倏逝波。

图2为本发明一实施例提供的一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的单脉冲序列图；图3为本发明一实施例提供的一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的光谱图；图4为本发明一实施例提供的一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的自相关轨迹图，如图2、图3和图4所示，图2横坐标表示时间，纵坐标表示强度，通过图2可以得到两个脉冲序列间隔172纳秒；图3横坐标表示波长，纵坐标为强度，通过图3可以得到3分贝光谱带宽为4.4纳米；图4可以得到孤子分子的自相关轨迹与通过双曲正割拟合的拟合曲线，横坐标时间，纵坐标是归一化强度，是得到脉冲宽度为1.13皮秒；图2、图3和图4是通过实验得到的有关脉冲光纤激光器的使用数据。

可选地，该输出耦合器60的输出比为70％和30％中任意一种。

该输出耦合器60的输出比可以为70％，也可以为30％，具体的根据实际需要进行选择，在此不做具体说明。

可选地，该波分复用器70的可通过光的波长为980纳米和1550纳米。

该光调制器50的可饱和吸收体的材料为硒代亚磷酸铁，该硒代亚磷酸铁有着较小的带隙，使得硒代亚磷酸铁在980纳米和1550纳米之间有着姣好的吸收，是和这一波段做饱和吸收体。

可选地，该泵浦源10为半导体激光器，半导体激光器的输出中心波长为976纳米。

该泵浦源10可以是多个半导体激光器组成的，将多个半导体激光器进行捆绑，制作成泵浦源10，也可以是使用一个较大功率的半导体激光器作为光源，若该泵浦源10由多个半导体激光器组成，则多个半导体激光器的输出中心波长均为976纳米，若该泵浦源10由一个半导体激光器构成，则该半导体激光器的输出中心波长为976纳米。

可选地，该隔离器30为偏振无关隔离器30。

该隔离器30可以选择为无关隔离器30，偏振无关隔离器30是一种只允许光沿一个方向传输，而对返回的光起到隔离作用的光无源器件。

可选地，该偏振控制器40为三片旋转式偏振控制器40。

该偏振控制器40可以是三片旋转式偏振控制器40。

可选地，该掺铒光纤20的纤芯直径为3微米-6微米。

可选地，该掺铒光纤20的纤芯直径为4微米。

该掺铒光纤20的纤芯直径一般为3微米、4微米、5微米和6微米，优选的，该掺铒光纤20的纤芯直径选择4微米。

可选地，该光调制器50中的拉锥光纤锥区的材料为硒代亚磷酸铁，且拉锥光纤锥区的直径为5微米-15微米。

该拉锥光纤锥区的直径为5微米-15微米，在制作拉锥光纤锥区的时候，可将硒代亚磷酸铁溶于酒精，丙酮等溶剂，在与光纤激光器结合，之后使用光学沉积法，使其对光的调制效率更高，进而在光纤激光器中若使用跳线头将材料结合进去时，薄层状的硒代亚磷酸铁可使插入损耗不会很大。

本申请将波分复用器70分别与泵浦源10、掺铒光纤20和输出耦合器60的一端电连接，掺铒光纤20的另一端、隔离器30、偏振控制器40和光调制器50依次电连接，光调制器50的另一端与输出耦合器60的另一端电连接，其中，光调制器50的可饱和吸收体的材料为硒代亚磷酸铁，由于硒代亚磷酸铁是由多个薄层堆叠起来的，每个薄层之间均有能隙，使得由硒代亚磷酸铁制成的光调制器50可以降低对光的吸收，从而使得光低损耗的穿过，并且由于该硒代亚磷酸铁具有较大的调制深度，使得该脉冲光纤激光器的脉冲时间更短，并且由硒代亚磷酸铁制作的光调制器50成本较低。

本发明实施例提供了另一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光系统，系统包括：电源与上述任意一项的脉冲光纤激光器，电源分别与泵浦源10、掺铒光纤20、偏振无关隔离器30、偏振控制器40、光调制器50、输出耦合器60和波分复用器70电连接，用于分别给泵浦源10、掺铒光纤20、偏振无关隔离器30、偏振控制器40、光调制器50、输出耦合器60和波分复用器70供电。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲光纤激光器包括：泵浦源、掺铒光纤、隔离器、偏振控制器、光调制器、输出耦合器和波分复用器；

所述波分复用器分别与所述泵浦源、所述掺铒光纤和所述输出耦合器的一端连接，所述掺铒光纤的另一端、所述隔离器、所述偏振控制器和所述光调制器依次连接，所述光调制器的另一端与所述输出耦合器的另一端连接，其中，所述光调制器的可饱和吸收体的材料为硒代亚磷酸铁。

2.根据权利要求1所述的可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述输出耦合器的输出比为70％和30％中任意一种。

3.根据权利要求1所述的可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述波分复用器的可通过光的波长为980纳米和1550纳米。

4.根据权利要求1所述的可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光器，所述半导体激光器的输出中心波长为976纳米。

5.根据权利要求1所述的可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述所述隔离器为偏振无关隔离器。

6.根据权利要求1所述的可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述偏振控制器为三片旋转式偏振控制器。

7.根据权利要求1所述的可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述掺铒光纤的纤芯直径为3微米-6微米。

8.根据权利要求1所述的可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述所述掺铒光纤的纤芯直径为4微米。

9.根据权利要求1所述的可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光调制器中的拉锥光纤锥区的材料为硒代亚磷酸铁，且所述拉锥光纤锥区的直径为5微米-15微米。

10.一种可饱和吸收体的脉冲光纤激光系统，其特征在于，所述系统包括：电源与权利要求1-9任意一项所述的脉冲光纤激光器，所述电源分别与泵浦源、掺铒光纤、偏振无关隔离器、偏振控制器、光调制器、输出耦合器和波分复用器连接，用于分别给所述泵浦源、所述掺铒光纤、所述偏振无关隔离器、所述偏振控制器、所述光调制器、所述输出耦合器和所述波分复用器供电。

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