CN111769429A

CN111769429A - 一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统

Info

Publication number: CN111769429A
Application number: CN202010595144.1A
Authority: CN
Inventors: 云灵; 崔晗; 张瀚丞; 韦玮
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2020-06-28
Filing date: 2020-06-28
Publication date: 2020-10-13

Abstract

本发明提出了一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，该系统包括泵浦源和依次形成光回路的光纤集成器件、增益光纤、锁模器件、偏振控制器和保偏光纤；光纤集成器件能够同时实现将泵浦光耦合入增益光纤，确保信号光单向传输以及输出光脉冲；光纤集成器件有四个端口a、b、c和d，经泵浦源输出的泵浦光由光纤集成器件a端口进入，然后经由光纤集成器件b端口后耦合入增益光纤，信号光依次经过锁模器件和保偏光纤传输到光纤集成器件c端口，最后经由d端口输出；偏振控制器夹在增益光纤和锁模器件之间的单模光纤上；本发明解决了现有锁模光纤激光器中难以输出两种不同类型超短脉冲的问题。

Description

一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统

技术领域

本发明涉及一种激光系统，具体的说是设计了一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，属于光纤激光技术领域。

背景技术

超短脉冲在超快光学诊断、精密测量、激光医疗和激光核聚变等领域具有极其广泛的重要应用。锁模光纤激光器是产生超短脉冲的一种有效途径，具有高光束质量、高效率、高集成、高可靠性等优点，是目前超快激光技术领域的研究热点之一。其中，可饱和吸收技术是实现超短脉冲的重要手段之一。

研究表明，当光纤激光器工作在负色散区时，由于色散和非线性相互平衡，能够实现传统孤子锁模输出，脉冲宽度一般大于500 fs。输出脉冲具有传统孤子所特有的光谱边带，这是由于脉冲在腔内传输过程中受到增益和损耗等周期性扰动导致部分能量以色散波的形式发射出来而形成的。腔内负色散的引入补偿了脉冲在传输过程中积累的线性相移，因此传统孤子基本无啁啾。如果将传统孤子入射到无损耗光纤中，孤子将保持原状不发生变化，这一特性使其在光通信中具有极其重要的应用。不同于传统孤子，耗散孤子是一种广义孤子，发现于净正色散区，其产生是光谱滤波、克尔非线性、正色散、可饱和吸收体、增益和损耗等共同作用的结果。耗散孤子脉冲具有较大的脉宽，可达到几十皮秒；而且在传输过程中脉冲特性发生剧烈变化，因而能够容忍更高的非线性，可以有效的避免光波分裂，并突破传统孤子光纤激光器所受到的能量限制，实现更高能量的脉冲输出。

目前在光纤激光器中分别产生传统孤子和耗散孤子脉冲已经具有比较成熟的方案，有不少厂家推出了飞秒和皮秒光纤激光器产品。它们通常是在负色散光纤激光器中产生传统孤子和在正色散光纤激光器中产生耗散孤子作为种子源。然而这种环形激光腔结构一般只能输出一种类型的光脉冲（传统孤子或耗散孤子），限制了该类型激光器的实际适用范围，增加了应用成本。因此，基于传统孤子和耗散孤子的产生原理，设计一种可切换的输出耗散孤子和传统孤子的锁模光纤激光器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，解决现有锁模光纤激光器中难以输出两种不同类型超短脉冲的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，包括泵浦源、光纤集成器件、增益光纤、偏振控制器、锁模器件和保偏光纤；光纤集成器件、增益光纤、锁模器件和保偏光纤通过单模光纤依次连接形成环形激光腔结构；所述光纤集成器件集成了波分复用器、偏振无关隔离器和输出耦合器三者的功能，能够同时实现将泵浦光耦合入增益光纤，保证信号光单向传输以及输出光脉冲；所述光纤集成器件有四个端口a、b、c和d，经泵浦源输出的泵浦光由光纤集成器件a端口进入，然后经由光纤集成器件b端口耦合入增益光纤，信号光依次经过锁模器件和保偏光纤传输到光纤集成器件c端口，最后经由d端口输出；所述偏振控制器夹在增益光纤和锁模器件之间的单模光纤上，偏振控制器结合保偏光纤用于控制调节激光腔内双折射滤波效应以实现耗散孤子和传统孤子输出的可控转换；所述激光腔净色散为正，利用单壁碳纳米管锁模器件实现锁模。

作为本发明的进一步限定，所述光纤集成器件、增益光纤、锁模器件和保偏光纤均采用单模光纤熔接。

作为本发明的进一步限定，所述泵浦源为半导体激光器，输出泵浦光的中心波长为980 nm。

作为本发明的进一步限定，所述光纤集成器件的波分范围为980 nm/1550 nm，输出端的输出耦合比为10%。

作为本发明的进一步限定，所述增益光纤为掺铒光纤，选用EDFC-980光纤，保偏光纤选用PM1550光纤。

作为本发明的进一步限定，所述锁模器件选用单壁碳纳米管锁模器件。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明采用了一段保偏光纤作为基于光纤Lyot滤波器，通过保偏光纤结合偏振控制器控制调节腔内双折射滤波效应以实现耗散孤子和传统孤子输出的可控转换，相比利用两种不同类型的光纤激光器分别实现耗散孤子和传统孤子脉冲输出，结构简单、调谐方便、成本低廉、可以有更广泛的应用前景；

2.本发明采用光纤集成器件，具有较为紧凑的结构，有利于激光系统实现小型化；

3.本发明采用单壁碳纳米管作为制作锁模器件的材料，具有生产成本低、制作方法简单、损伤阈值高，饱和阈值低、以及锁模运行稳定等优点；

4.本发明采用了全光纤环形腔结构，不用空间光调整器件，故其结构简单易于调整，稳定性好；

5.本发明所用器件为搭建光纤激光器的通用器件，都已经商品化，成本低廉。

附图说明

图1为本发明提供的一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统结构示意图。

图2为本发明提供的耗散孤子锁模时的光谱图。

图3为本发明提供的耗散孤子锁模时的自相关曲线。

图4为本发明提供的传统孤子锁模时的光谱图。

图5为本发明提供的传统孤子锁模时的自相关曲线。

其中，1泵浦源、2光纤集成器件、3掺铒光纤、4偏振控制器、5单壁碳纳米管锁模器件、6保偏光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明提供了一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，该激光系统包括泵浦源1、光纤集成器件2、掺铒光纤3、偏振控制器4、单壁碳纳米管锁模器件5、保偏光纤6；光纤集成器件2、掺铒光纤3、单壁碳纳米管锁模器件5和保偏光纤6通过单模光纤依次熔接形成环形激光腔结构；偏振控制器4夹在掺铒光纤3和单壁碳纳米管锁模器件5之间的单模光纤上。

泵浦源1选用工作波长为980 nm的单模半导体激光器；光纤集成器件2，其中端口a与泵浦源1连接，端口b与掺铒光纤3连接，端口c与保偏光纤6连接，端口d用于输出激光脉冲；经泵浦源1输出的泵浦光由光纤集成器件2的端口a进入，然后经过端口b后耦合入掺铒光纤3，由掺铒光纤3输出的信号光依次经过单壁碳纳米管锁模器件5和保偏光纤6传输到端口c，最后经由端口d输出；光纤集成器件2集成了波分复用器、偏振无关隔离器和输出耦合器三者的功能，同时实现了将泵浦光耦合入掺铒光纤3，信号光单向传输和通过输出端口d输出激光脉冲；光纤集成器件2的波分范围为980 nm/1550 nm，输出端口d的输出耦合比为10%；掺铒光纤3的优选型号为EDFC-980光纤，长度为26 m，在1550 nm处色散系数为-16 ps/nm/km；偏振控制器4为常用标准器件，夹在掺铒光纤3和单壁碳纳米管锁模器件5之间；单壁碳纳米管锁模器件5为自制锁模器件，通过将制成的单壁碳纳米管可饱和吸收体薄膜夹在两个光纤跳线头之间，并将跳线头用法兰盘固定的方法获得；保偏光纤6的优选型号为PM1550光纤，长度为0.8 m，在1550 nm处色散系数为17 ps/nm/km；激光腔内光纤指的是除去输入和输出两端光纤外的其他所有单模光纤，单模光纤把各个器件连接起来组成环形激光腔，腔内其他光纤为标准单模光纤，总长度为5 m，在1550 nm处色散系数为17 ps/nm/km；激光腔内净色散为0.4 ps²。

本发明采用单壁碳纳米管锁模器件5实现自启动锁模。一段保偏光纤6插入两端都是标准单模光纤的激光腔内作为基于光纤Lyot滤波器。调节偏振控制器4，光纤Lyot滤波器的透射光谱表现出不同的消光比；若消光比相对较低，脉冲在保偏光纤6中传输时其所有波长都经历较低损耗，因此光纤双折射滤波效应并不明显，在这种情况下，由于增益带宽滤波效应，可以在正常色散区获得光谱边缘陡峭、脉冲宽度大、具有很大啁啾的耗散孤子，如图2、3所示；相反，若消光比相对较高，脉冲在保偏光纤6中传输时将在不同波长范围经历明显不同的损耗，因此增益带宽滤波效应与光纤双折射滤波效应相比并不明显，在这种情况下，由于光谱脉冲整形效应，可以在同一光纤激光器中获得具有清晰Kelly边带、sech²时域轮廓的接近变换脉冲极限的传统孤子，如图4、5所示。因此，通过调节偏振控制器4，耗散孤子与传统孤子脉冲可以轻易的转化与完成。

本发明实现耗散孤子和传统孤子自启动锁模的阈值功率为30 mW，采用光谱分析仪和自相关仪分别测量输出激光的光谱和脉宽特性。

图2所示为光纤集成器件2输出端口d输出的耗散孤子光谱图；可以看到，脉冲光谱具有陡峭的边沿，3-dB带宽为9.3 nm。

图3所示为光纤集成器件2输出端口d输出的耗散孤子自相关曲线；可以看到，脉冲时域形状为高斯型，脉冲宽度为12 ps。

图4所示为光纤集成器件2输出端口d输出的传统孤子光谱图；可以看到，脉冲光谱具有Kelly边带，3-dB带宽为3.7 nm。

图5所示为光纤集成器件2输出端口d输出的传统孤子自相关曲线；可以看到，脉冲时域形状为sech²型，脉冲宽度为700 fs。

综上所述，本发明提供了一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，对外界环境的扰动具有较强的抵抗力，能够长时间稳定的输出皮秒和飞秒脉冲。该装置中获得的孤子脉冲可作为高能量/高功率脉冲放大器的种子源。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应当以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，其特征在于，包括泵浦源、光纤集成器件、增益光纤、偏振控制器、锁模器件和保偏光纤；光纤集成器件、增益光纤、锁模器件和保偏光纤通过单模光纤依次连接形成环形激光腔结构；所述光纤集成器件集成了波分复用器、偏振无关隔离器和输出耦合器三者的功能，能够同时实现将泵浦光耦合入增益光纤，保证信号光单向传输以及输出光脉冲；所述光纤集成器件有四个端口a、b、c和d，经泵浦源输出的泵浦光由光纤集成器件a端口进入，然后经由光纤集成器件b端口后耦合入增益光纤，信号光依次经过锁模器件和保偏光纤传输到光纤集成器件c端口，最后经由d端口输出；所述偏振控制器夹在增益光纤和锁模器件之间的单模光纤上，偏振控制器结合保偏光纤用于控制调节激光腔内双折射滤波效应以实现耗散孤子和传统孤子输出的可控转换；所述激光腔净色散为正，利用锁模器件实现锁模。

2.根据权利要求1所述的一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，其特征在于，所述光纤集成器件、增益光纤、锁模器件和保偏光纤均采用单模光纤熔接。

3. 根据权利要求1或2所述的一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光器，输出泵浦光的中心波长为980 nm。

4. 根据权利要求1或2所述的一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，其特征在于，所述光纤集成器件的波分范围为980 nm/1550 nm，输出端的输出耦合比为10%。

5.根据权利要求1或2所述的一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，其特征在于，所述增益光纤为掺铒光纤，选用EDFC-980光纤，保偏光纤选用PM1550光纤。

6.根据权利要求1或2所述的一种可切换的耗散孤子和传统孤子锁模光纤激光系统，其特征在于，所述锁模器件选用单壁碳纳米管锁模器件。