CN111987578A - 一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器 - Google Patents

一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器,包括泵浦源、波分复用耦合器、增益光纤、单向隔离器、算法控制偏振控制器、耦合输出器及可饱和吸收体,所述泵浦源、波分复用耦合器、增益光纤、单向隔离器、算法控制偏振控制器、耦合输出器及可饱和吸收体依次首尾光连接形成光循环通路;所述算法控制偏振控制器用于控制激光器的偏振状态。本发明自启动及自恢复的锁模光纤激光器结合可饱和吸收体的自启动功能以及算法控制偏振控制器的自修复功能,实现高能量、高稳定性以及高信噪比的锁模脉冲输出。

Description

一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器
技术领域
本发明涉及光学领域,尤其涉及一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器。
背景技术
激光作为20世纪最重要的科学发现之一,它的出现极大地推动了科学技术的发展。以掺杂稀土元素的光纤作为增益介质的被动锁模光纤激光器由于其在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用,近几年来发展十分迅速,脉冲形式的光纤激光器可保证良好的光束质量的条件下,以较低的平均输出功率下获得极高的重复频率和峰值功率,同时还具有极好的柔性与灵活性、可设计高可靠性、易于系统集成等优点。工作在近红外(1微米以及1.5微米)波段的超短脉冲光纤激光器,已经开始广泛应用在各个领域。
激光器中产生超短脉冲的主要方法之一是被动锁模技术。实现被动锁模的关键技术是在激光器内引入可饱和吸收体。要实现稳定的超短脉冲激光输出,可饱和吸收体不仅要求对其工作波段的光具有非线性的饱和吸收效应,还应兼具低损耗、宽带、高热损伤阈值、高稳定等特点。因此寻找高性能的可饱和吸收体材料成为实现超短脉冲激光的关键。最早用于光纤激光器的可饱和吸收体是半导体饱和吸收镜(SESAM),2004年,碳纳米管作为可饱和吸收体用于光纤激光器的被动锁模首次被提出。同年,英国曼彻斯特大学A.K.Geim和K.S.Novoselov发现了一种新材料—石墨烯,并因此获得2010年诺贝物理学奖。这一重大发现让石墨烯为代表的二维材料进入人们的视野。石墨烯是一种由单层或者少层碳原子组成的平面二维材料,由于其特殊的能带结构,能级与波矢成线性关系,石墨烯因此具有宽带的线性吸收特性。
作为二维材料,石墨烯的非线性光学特性优异,相比于碳纳米管和半导体饱和吸收镜,石墨烯具有更宽的工作范围,制备简单,成本低廉,损伤阈值大等优点,是更为优越的可饱和吸收体器件。自南洋理工大学唐定远教授课题组首次报道石墨烯锁模的超快光纤激光器之后,关于石墨烯锁模器件以及相关激光应用的研究层出不穷。以石墨烯为代表的二维材料的出现,开启了超快光学领域研究的新篇章。近年来,由于石墨烯在激光锁模方面表现出的良好性能,其他多种新型二维材料也开始引起了研究人员的注意。最有代表性的两种新型光学二维材料是拓扑绝缘体和过渡金属硫化物。基于这两种材料的锁模光纤激光器国内外也有广泛报道。多种二维材料成功应用于锁模激光的经验,充分证实了二维材料作为可饱和吸收体的可行性。诸多新型材料作为可饱和吸收体应用于激光锁模为超短脉冲的相关研究工作提供了更多的选择,极大地促进了光纤脉冲激光器的发展。
但是,目前基于可饱和吸收体的锁模激光器均存在可饱和吸收体失效或者损坏的可能性,缺乏自修复功能,稳定性不高的缺点限制了锁模光纤激光器在工业上的广泛应用。因此,有必要提供一种提高激光器稳定性及可靠性的方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器,该自启动及自恢复的锁模光纤激光器包括可饱和吸收体及算法控制偏振控制器。该可饱和吸收体具有自启动的功能,可饱和吸收体通过调制连续光谱为脉冲光谱提供脉冲光谱源,起到自启动的功能。该算法控制偏振控制器用于控制激光器的偏振状态,当激光器的输出状态偏离设定值时,通过算法控制偏振控制器自动调节激光器的输出状态至正常值,实现自恢复功能。通过该自启动及自恢复的锁模光纤激光器解决现有锁模光纤激光器存在的可饱和吸收体失效或者损坏情况下缺乏自修复功能、稳定性不高的缺点。
本发明的目的采用如下技术方案实现:
一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器,包括泵浦源、波分复用耦合器、增益光纤、单向隔离器、算法控制偏振控制器、耦合输出器及可饱和吸收体,所述泵浦源、波分复用耦合器、增益光纤、单向隔离器、算法控制偏振控制器、耦合输出器及可饱和吸收体依次首尾光连接形成光循环通路;
所述算法控制偏振控制器用于控制激光器的偏振状态。
进一步地,所述算法控制偏振控制器包括两种自动搜索模式:正向反馈模式和负向反馈模式;
所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光偏离时启动正向反馈模式,所述正向反馈模式正向调整输出偏振光状态,且所述算法控制偏振控制器启动正向反馈模式的同时检测输出偏振光状态;
当所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光靠近设定的偏振光状态时,保持正向反馈模式,所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光为设定的偏振光状态时停止正向反馈模式;
当所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光远离设定的偏振光状态时启动负向反馈模式,所述负向反馈模式负向调整输出偏振光状态,且所述算法控制偏振控制器启动负向反馈模式的同时检测输出偏振光状态;
当所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光靠近设定的偏振光状态时,保持负向反馈模式,所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光为设定的偏振光状态时停止负向反馈模式。
进一步地,所述可饱和吸收体包括石墨烯材料,所述可饱和吸收体调制脉冲宽度小于1皮秒。
进一步地,所述泵浦源的功率为400mW。
进一步地,所述波分复用耦合器的工作波长为980nm或1550nm。
进一步地,所述增益光纤为掺饵光纤,所述掺饵光纤的尺寸为单模光纤。
进一步地,所述单向隔离器的隔离度超过30dB。
进一步地,所述泵浦源、波分复用耦合器、增益光纤、单向隔离器、算法控制偏振控制器、耦合输出器及可饱和吸收体之间均通过单模光纤熔接。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
本发明提供一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器,该自启动及自恢复的锁模光纤激光器包括可饱和吸收体及算法控制偏振控制器。该可饱和吸收体具有自启动的功能,可饱和吸收体通过调制连续光谱为脉冲光谱提供脉冲光谱源,起到自启动的功能。该算法控制偏振控制器用于控制激光器的偏振状态,当激光器的输出状态偏离设定值时,通过算法控制偏振控制器自动调节激光器的输出状态至正常值,实现自恢复功能。结合可饱和吸收体的自启动功能以及算法控制偏振控制器的自修复功能,实现高能量、高稳定性以及高信噪比的锁模脉冲输出。
附图说明
图1为本发明一实施方式自启动及自恢复的锁模光纤激光器的模拟图;
图2为本发明算法控制偏振控制器的算法逻辑流程图。
具体实施方式
下面,结合附图以及具体实施方式,对本发明做进一步描述,需要说明的是,在不相冲突的前提下,以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1所示,为本发明一种实施方式的自启动及自恢复的锁模光纤激光器。该自启动及自恢复的锁模光纤激光器包括泵浦源1、波分复用耦合器2、增益光纤3、单向隔离器4、算法控制偏振控制器5、耦合输出器6及可饱和吸收体7,其中,泵浦源1、波分复用耦合器2、增益光纤3、单向隔离器4、算法控制偏振控制器5、耦合输出器6及可饱和吸收体7依次首尾光连接以形成光循环通路,该光循环通路设置于激光器的光循环腔中,组建成本发明自启动及自恢复的锁模光纤激光器。算法控制偏振控制器通过内置的算法自动控制激光器的偏振状态,起到随时纠正输出光偏振状态的功能。
本发明自启动及自恢复的锁模光纤激光器包括可饱和吸收体及算法控制偏振控制器。该可饱和吸收体具有自启动的功能,可饱和吸收体通过调制连续光谱为脉冲光谱以为锁模激光器提供脉冲光谱源,起到自启动的功能。该算法控制偏振控制器用于控制激光器的偏振状态,当激光器的输出状态偏离设定值时,通过算法控制偏振控制器自动调节激光器的输出状态至正常值,实现自恢复功能。通过该自启动及自恢复的锁模光纤激光器的自修复功能确保锁模激光器不受外界扰动的影响,尤其是可饱和吸收体失效或者损坏的情况下,能有效的提高光纤激光器的性能和稳定性,满足市场上的用户需求。
作为优选的实施方式,如图2所示,为上述算法控制偏振控制器的其中一种控制算法逻辑流程图,包括以下步骤:
第一步:启动该自启动及自恢复的锁模光纤激光器,预先设定目标偏振光状态范围,算法控制偏振控制器检测激光器输出光的偏振状态。当检测到输出光的偏振状态与预先设置的目标偏振光状态范围不符时,即偏离正常值,算法控制偏振控制器启动正反馈模式,即提升输出光的偏振数值。
第二步:算法控制偏振控制器启动正反馈模式的同时继续检测激光器输出光的偏振状态,此时可能出现一种情况,即检测到的输出光的偏振数值与预设值的差值小于上一次检测的输出光的偏振数值与预设值的差值时,即靠近设定的偏振光状态,该锁模激光器保持正反馈模式,直至检测到的输出光的偏振数值与预先设置的目标偏振光状态范围吻合,算法控制偏振控制器判断达到设定值,停止正反馈模式,达到正常工作状态。
第三步:算法控制偏振控制器启动正反馈模式的同时继续检测激光器输出光的偏振状态,此时可能出现另一种情况,即检测到的输出光的偏振数值与预设值的差值大于上一次检测的输出光的偏振数值与预设值的差值时,即远离设定的偏振光状态,该锁模激光器启动负反馈模式,即降低输出光的偏振数值。当检测到的输出光的偏振数值与预先设置的目标偏振光状态范围吻合时,算法控制偏振控制器判断达到设定值,停止负反馈模式,达到正常工作状态。
在其它优选的实施方式中,算法控制偏振控制器的内置算法可以有其它逻辑流程,例如可以先检测并判断激光器输出光的偏振状态,当检测的偏振数值低于预设的目标偏振数值时直接启动正向反馈模式,当检测的偏振数值高于预设的目标偏振数值时直接启动负向反馈模式,直至算法控制偏振控制器检测到输出偏振光为设定的偏振光状态时停止工作,具有同样的效果,同时还能节约反馈调节的次数及时间。
作为优选的实施方式,可饱和吸收体包括石墨烯材料,可饱和吸收体调制脉冲宽度小于1皮秒。石墨烯具有更宽的工作范围,制备简单,成本低廉,损伤阈值大等优点,是更为优越的可饱和吸收体器件。
作为优选的实施方式,泵浦源的功率为400mW,确保不损伤可饱和吸收体的前提下实现高效脉冲光输出。
作为优选的实施方式,波分复用耦合器的工作波长为980nm或1550nm。由此,确保输出脉冲激光。
作为优选的实施方式,增益光纤为掺饵光纤,掺饵光纤的尺寸为单模光纤。由此,确保光通路的连接以及循环光路的高效输出。
作为优选的实施方式,单向隔离器的隔离度超过30dB,用于保证激光腔内为顺时针传输。
作为优选的实施方式,泵浦源、波分复用耦合器、增益光纤、单向隔离器、算法控制偏振控制器、耦合输出器及可饱和吸收体之间均通过单模光纤熔接。由此,确保激光器整体的光循环通路低损耗、高输出,且避免受到外界干扰。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式,不能以此来限定本发明保护的范围,本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种自启动及自恢复的锁模光纤激光器,其特征在于,包括泵浦源、波分复用耦合器、增益光纤、单向隔离器、算法控制偏振控制器、耦合输出器及可饱和吸收体,所述泵浦源、波分复用耦合器、增益光纤、单向隔离器、算法控制偏振控制器、耦合输出器及可饱和吸收体依次首尾光连接形成光循环通路;
所述算法控制偏振控制器用于控制激光器的偏振状态。
2.如权利要求1所述的自启动及自恢复的锁模光纤激光器,其特征在于,所述算法控制偏振控制器包括两种自动搜索模式:正向反馈模式和负向反馈模式;
所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光偏离时启动正向反馈模式,所述正向反馈模式正向调整输出偏振光状态,且所述算法控制偏振控制器启动正向反馈模式的同时检测输出偏振光状态;
当所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光靠近设定的偏振光状态时,保持正向反馈模式,所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光为设定的偏振光状态时停止正向反馈模式;
当所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光远离设定的偏振光状态时启动负向反馈模式,所述负向反馈模式负向调整输出偏振光状态,且所述算法控制偏振控制器启动负向反馈模式的同时检测输出偏振光状态;
当所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光靠近设定的偏振光状态时,保持负向反馈模式,所述算法控制偏振控制器检测到输出偏振光为设定的偏振光状态时停止负向反馈模式。
3.如权利要求1所述的自启动及自恢复的锁模光纤激光器,其特征在于,所述可饱和吸收体包括石墨烯材料,所述可饱和吸收体调制脉冲宽度小于1皮秒。
4.如权利要求1所述的自启动及自恢复的锁模光纤激光器,其特征在于,所述泵浦源的功率为400mW。
5.如权利要求1所述的自启动及自恢复的锁模光纤激光器,其特征在于,所述波分复用耦合器的工作波长为980nm或1550nm。
6.如权利要求1所述的自启动及自恢复的锁模光纤激光器,其特征在于,所述增益光纤为掺饵光纤,所述掺饵光纤的尺寸为单模光纤。
7.如权利要求1所述的自启动及自恢复的锁模光纤激光器,其特征在于,所述单向隔离器的隔离度超过30dB。
8.如权利要求1所述的自启动及自恢复的锁模光纤激光器,其特征在于,所述泵浦源、波分复用耦合器、增益光纤、单向隔离器、算法控制偏振控制器、耦合输出器及可饱和吸收体之间均通过单模光纤熔接。
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