CN111711061A - 一种双波长全光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双波长全光纤激光器，包括泵浦激光器；第一波分复用器，第一波分复用器的输入端与泵浦激光器连接可饱和吸收镜，与第一波分复用器的公共端连接；增益光纤，增益光纤的输入端与第一波分复用器的输出端连接；全光纤非线型环，与增益光纤的输出端连接；光纤耦合器，光纤耦合器的输入端与全光纤非线型环连接；光纤耦合非线性晶体，光纤耦合非线性晶体的输入端与光纤耦合器的第一输出端相连；第二波分复用器，分别与光纤耦合器的第二输出端和光纤耦合非线性晶体的输出端相连。本发明消除了空间光学准直苛刻要求，不存在偏振敏感器件，对环境振动不敏感，从而能得到稳定的飞秒脉冲激光输出，实现特殊波长范围的双波长飞秒脉冲输出。

Description

一种双波长全光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，特别是涉及一种双波长全光纤激光器。
背景技术
激光器自诞生以来便在各个领域发挥着极其重要的作用，如激光加工、光学通信、生物医学、军事等。各种类型的激光器和激光技术在广泛的应用需求驱动下不断得到发展，科学家们也在潜心研究更高性能的激光器。
目前，在大脑成像研究方面，第一波长窗口(650～950nm)的商用激光器普遍为空间结构的固体飞秒激光器。这类飞秒激光器的价格极为昂贵，体积较大，长期稳定性不佳，维护成本高，综合性能有待提高。而光纤激光器整体性能优越，其具有光束质量好、效率高、输出功率大、散热特性好、结构紧凑、可靠性高等特点，它能胜任恶劣的工作环境，制造成本和维护成本相对较低。第三波长窗口(1600～1870nm)的飞秒激光理论上可以通过三光子吸收激发荧光标记物，并实现深层组织高分辨率光学成像。特别是在大脑成像方面，第三波长窗口的激光能提供最佳的成像深度和对比度。但是，受限于稀土掺杂离子的激发波长范围较小，相关光纤型器件的制作工艺不成熟导致成本较贵，锁模技术和脉冲压缩技术不完善等因素，第三波长窗口的光纤激光器中，目前还没有具有全光纤结构、高稳定性、飞秒脉冲激光器的相关报道。因此，由于高性能光源的缺乏，严重限制了三光子光学成像技术在生物医学领域，特别是脑科学方面的应用研究。
单一衬度的光学成像技术存在一定的缺陷和信号盲区，特别是在复杂生物组织中，不同组织成分的生物形态和特性往往要通过不同的衬度来显现。因此，结合双光子和三光子激发的多波长、多模态的非线性光学显微技术将为生物医学诊断提供更加全面的技术支持。然而，受限于现代飞秒激光技术以及生物显微成像系统无法兼容多个波长窗口，特别是第一、第三波长窗口，此类技术还没有得到深入研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种双波长全光纤激光器，能够突破现有激光器技术的限制，实现特殊波长范围的双波长飞秒脉冲输出。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种双波长全光纤激光器，所述激光器包括：
泵浦激光器，用于产生初始激光；
第一波分复用器，所述第一波分复用器的输入端与所述泵浦激光器连接；
可饱和吸收镜，与所述第一波分复用器的公共端连接；
增益光纤，所述增益光纤的输入端与所述第一波分复用器的输出端连接；
全光纤非线型环，与所述增益光纤的输出端连接；
光纤耦合器，所述光纤耦合器的输入端与所述全光纤非线型环连接；
光纤耦合非线性晶体，所述光纤耦合非线性晶体的输入端与所述光纤耦合器的第一输出端相连；
第二波分复用器，分别与所述光纤耦合器的第二输出端和所述光纤耦合非线性晶体的输出端相连。
优选地，所述第二波分复用器输出第一波长激光和第二波长激光，所述第一波长激光的波长范围为650～950nm，所述第二波长激光的激光范围为1600～1870nm。
优选地，所述全光纤非线型环包括：
环内光纤耦合器，所述环内光纤耦合器的第一输入端与所述增益光纤的输出端相连；所述环内光纤耦合器的第一输出端与所述光纤耦合器的输入端相连；
镀膜滤波片，所述环内光纤耦合器的第二输出端与所述环内光纤耦合器的第二输入端之间还设置有所述镀膜滤波片。
优选地，所述所述光纤耦合器的输入端与所述全光纤非线型环中间还设置有功率放大部件。
优选地，所述功率放大部件为增益光纤功率放大器。
优选地，所述所述光纤耦合器的输入端与所述全光纤非线型环中间还设置有色散补偿部件。
优选地，所述色散补偿部件为色散补偿光纤。
优选地，所述泵浦激光器为半导体激光器。
优选地，所述可饱和吸收镜是表面积为1mm×1mm的半导体可饱和吸收镜。
优选地，所述增益光纤为长0.15m的掺铥光纤，所述初始激光的中心波长为1570nm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明双波长全光纤激光器包括：泵浦激光器，用于产生初始激光；第一波分复用器，所述第一波分复用器的输入端与所述泵浦激光器连接；可饱和吸收镜，与所述第一波分复用器的公共端连接；增益光纤，所述增益光纤的输入端与所述第一波分复用器的输出端连接；全光纤非线型环，与所述增益光纤的输出端连接；光纤耦合器，所述光纤耦合器的输入端与所述全光纤非线型环连接；光纤耦合非线性晶体，所述光纤耦合非线性晶体的输入端与所述光纤耦合器的第一输出端相连；第二波分复用器，分别与所述光纤耦合器的第二输出端和所述光纤耦合非线性晶体的输出端相连。本发明使用特殊设计的表面积仅有1mm×1mm的半导体可饱和吸收镜作为谐振腔第一反射镜，利用全光纤非线性环作为谐振腔另一反射镜，实现锁模脉冲输出；本发明双波长全光纤激光器的设计基于全光纤的结构，消除了空间光学准直苛刻要求，不存在偏振敏感器件，对环境振动不敏感，从而能得到稳定的飞秒脉冲激光输出，利用第二波分复用器输出两种波长的飞秒脉冲激光，从而实现特殊波长范围的双波长飞秒脉冲输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种双波长全光纤激光器的结构示意图
符号说明：
1-泵浦激光器，2-可饱和吸收镜，3-第一波分复用器，4-增益光纤，5-环内光纤耦合器，6-镀膜滤波片，7-功率放大部件，8-色散补偿部件，9-光纤耦合器，10-光纤耦合非线性晶体，11-第二波分复用器。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明的目的是提供一种双波长全光纤激光器，利用全光纤非线性环作为谐振腔另一反射镜，实现锁模脉冲输出；本发明双波长全光纤激光器的设计基于全光纤的结构，消除了空间光学准直苛刻要求，不存在偏振敏感器件，对环境振动不敏感，从而能得到稳定的飞秒脉冲激光输出，利用第二波分复用器输出两种波长的飞秒脉冲激光，从而实现特殊波长范围的双波长飞秒脉冲输出。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所述，本发明双波长全光纤激光器包括：泵浦激光器1、第一波分复用器3、可饱和吸收镜2、增益光纤4、环内光纤耦合器5、镀膜滤波片6、功率放大部件7、色散补偿部件8、光纤耦合器9、光纤耦合非线性晶体10和第二波分复用器11。
其中，所述泵浦激光器1用于产生初始激光。
作为一种可选地实施方式，所述初始激光为中心波长1570nm的激光。
可选地，所述泵浦激光器1可为低功率、蝶形封装的小体积半导体激光器。
所述第一波分复用器3的输入端与所述泵浦激光器1连接，所述第一波分复用器3的公共端连接所述可饱和吸收镜2，所述第一波分复用器3的输出端与所述增益光纤4的输入端连接。
具体的，所述第一波分复用器3的工作波长为1570nm和1840nm的波分复用。
所述可饱和吸收镜2与所述第一波分复用器3的公共端连接。
具体的，所述可饱和吸收镜2为表面积仅有1mm×1mm的半导体可饱和吸收镜2。
所述增益光纤4的输入端与所述第一波分复用器3的输出端连接。
优选地，所述增益光纤4为长0.15m的掺铥光纤。
所述环内光纤耦合器5的第一输入端与所述增益光纤4的输出端相连。
具体的，所述环内光纤耦合器5的耦合方式为2×2光纤耦合，所述环内光纤耦合器5的第一输入端为所述环内光纤耦合器5的任一大分光比端。
所述镀膜滤波片6设置在所述环内光纤耦合器5的第二输出端与所述环内光纤耦合器5的第二输入端之间。
优选地，所述镀膜滤波片6对激光器所要实现波长范围的光进行透射，对其余波长的光(包括泵浦光)进行反射。
作为一种可选地实施方式，所述镀膜滤波片6的两端与所述环内光纤耦合器5的第二输出端与所述环内光纤耦合器5的第二输入端相连。所述环内光纤耦合器5的第二输出端与所述环内光纤耦合器5的第二输入端为所述环内光纤耦合器5的同侧端口。
优选地，所述镀膜滤波片6的两端与所述环内光纤耦合器5的第二输出端与所述环内光纤耦合器5的第二输入端相连的结构构成一个全光纤非线性环。
所述环内光纤耦合器5剩下的一个输出端作为锁模脉冲激光器的输出端。
具体的，所述泵浦激光器1、第一波分复用器3、可饱和吸收镜2、增益光纤4、环内光纤耦合器5、镀膜滤波片6及其上述相互连接关系构成了全光纤紧凑型激光谐振腔，实现了飞秒脉冲输出功能。
所述全光纤紧凑型激光谐振腔实现所述功能的具体方法为使用特殊设计的表面积仅有1mm×1mm的半导体可饱和吸收镜2作为谐振腔第一反射镜，利用全光纤非线性环作为谐振腔另一反射镜，实现锁模脉冲输出；利用所述镀膜滤波片6的特殊镀膜带通滤波技术，使所要实现的输出激光波长得到最优的增益条件，进而在谐振腔中得到最优增益；这种谐振腔的设计基于全光纤的结构，消除了空间光学准直苛刻要求，不存在偏振敏感器件，对环境振动不敏感，从而能得到稳定的飞秒脉冲激光输出。
为了使输出的激光具有更高的稳定性和精确度，本发明还提供了一种可选地实施方式，所述环内光纤耦合器5的输出端与所述功率放大部件7、所述色散补偿部件8、所述光纤耦合器9输入端依次相连。
为了实现倍频和输出的功率需求，所述功率放大部件7为一个或多个增益光纤功率放大器。。
优选地，所述色散补偿部件8为色散补偿光纤。
优选地，所述光纤耦合器9的耦合方式为1×2的光纤耦合。所述光纤耦合器9的第一输出端与所述光线耦合非线性晶体10的输入端相连。所述光纤耦合器9的第二输出端与所述第二波分复用器11的第二输入端相连。
具体的，所述光纤耦合器9的第一输出端为所述光纤耦合器9的大分光比输出端。所述光纤耦合器9的第二输出端为所述光纤耦合器9的小分光比输出端。
所述光线耦合非线性晶体10利用倍频效应产生二次谐波得到短波长的倍频光。
所述第二波分复用器11的公共端作为所述双波长全光纤激光器的输出端，输出两种波长的飞秒脉冲激光。
可选的，所述第二波分复用器11输出第一波长激光和第二波长激光，所述第一波长激光的波长范围为650～950nm，所述第二波长激光的激光范围为1600～1870nm。
其中，650～950nm为第一波长窗口，1600～1870nm为第二波长窗口。
具体的，本发明所采用的泵浦激光器1为输出中心波长1570nm的蝶形封装半导体激光器，第一波分复用器3的工作波长为1570nm和1840nm的波分复用，可饱和吸收镜2为表面积仅有1mm×1mm的半导体可饱和吸收镜2，增益光纤4为长0.15m的掺铥光纤，耦合方式为2×2的环内光纤耦合器5的工作波长为1840nm，分光比为30/70，镀膜滤波片6为可对1840nm±5nm的激光进行透射，对其余波长的激光进行反射，耦合方式为1*2的光纤耦合器9的工作波长为1840nm，分光比为10/90，第二波分复用器11的工作波长为920nm和1840nm的波分复用。
本发明的一种920nm和1840nm双波长全光纤激光器的工作方式为：中心波长为1570nm的泵浦激光器1通过第一波分复用器3泵浦增益光纤4产生激光增益，正向增益光通过耦合方式为2×2的环内光纤耦合器5进入全光纤非线性环，通过镀膜滤波片6，使得1840nm±5nm的激光得到最优的增益条件；反向增益光返回第一波分复用器3后，在半导体可饱和吸收镜2处反射；环内光纤耦合器5使得70％能量的光返回到谐振腔中，30％能量的光被输出；调整泵浦激光器1的输出功率，可以在锁模脉冲激光器的输出端得到稳定的锁模脉冲输出。
耦合方式为2×2的环内光纤耦合器5的输入端输出中心波长为1840nm的飞秒脉冲激光，通过功率放大部件7进行功率放大(＞1W)，之后经过色散补偿部件8调整脉宽，利用耦合方式为1×2的光纤耦合器9进行分路，分光比为90％的一路经过光纤耦合非线性晶体，利用光纤耦合非线性晶体的倍频效应产生二次谐波得到920nm波长的激光，分光比为10％的一路经过第二波分复用器11与波长为920nm的倍频光进行合束，从而在第二波分复用器11的公共端产生920nm和1840nm双波长的激光输出。
本发明激光器的设计基于全光纤的结构，消除了空间光学准直苛刻要求，不存在偏振敏感器件，对环境振动不敏感，从而能得到稳定精确的飞秒脉冲激光输出。
本发明使用特殊设计的表面积仅有1mm×1mm的半导体可饱和吸收镜作为谐振腔第一反射镜，利用全光纤非线性环作为谐振腔另一反射镜。再通过特殊镀膜带通滤波技术，使得1840nm的激光得到最优的增益条件，进而在谐振腔中得到最优增益。提高了输出激光的精确度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种双波长全光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：
泵浦激光器，用于产生初始激光；
第一波分复用器，所述第一波分复用器的输入端与所述泵浦激光器连接；
可饱和吸收镜，与所述第一波分复用器的公共端连接；
增益光纤，所述增益光纤的输入端与所述第一波分复用器的输出端连接；
全光纤非线型环，与所述增益光纤的输出端连接；
光纤耦合器，所述光纤耦合器的输入端与所述全光纤非线型环连接；
光纤耦合非线性晶体，所述光纤耦合非线性晶体的输入端与所述光纤耦合器的第一输出端相连；
第二波分复用器，分别与所述光纤耦合器的第二输出端和所述光纤耦合非线性晶体的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述第二波分复用器输出第一波长激光和第二波长激光，所述第一波长激光的波长范围为650～950nm，所述第二波长激光的激光范围为1600～1870nm。
3.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述全光纤非线型环包括：
环内光纤耦合器，所述环内光纤耦合器的第一输入端与所述增益光纤的输出端相连；所述环内光纤耦合器的第一输出端与所述光纤耦合器的输入端相连；
镀膜滤波片，所述环内光纤耦合器的第二输出端与所述环内光纤耦合器的第二输入端之间还设置有所述镀膜滤波片。
4.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述所述光纤耦合器的输入端与所述全光纤非线型环中间还设置有功率放大部件。
5.根据权利要求3所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述功率放大部件为增益光纤功率放大器。
6.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述所述光纤耦合器的输入端与所述全光纤非线型环中间还设置有色散补偿部件。
7.根据权利要求5所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述色散补偿部件为色散补偿光纤。
8.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述泵浦激光器为半导体激光器。
9.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收镜是表面积为1mm×1mm的半导体可饱和吸收镜。
10.根据权利要求1所述的双波长全光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为长0.15m的掺铥光纤，所述初始激光的中心波长为1570nm。
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