CN112993728A - 一种全光纤结构的c+l波段矩形激光脉冲产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，旨在解决现有光纤激光器难以同时输出C和L波段矩形激光脉冲的技术问题。所述系统包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺铒增益光纤(3)、2×2耦合器(4)、第一色散补偿光纤(5)、相移器(6)、第二色散补偿光纤(7)、第一光纤布拉格光栅(8)、光开关(9)、第二光纤布拉格光栅(10)、1×2耦合器(11)、第一光纤滤波器(12)、第二光纤滤波器(13)。本发明实现了C波段和L波段矩形脉冲的同时输出，具有结构紧凑，系统成本低，稳定性好等优点，在应用上可直接作为C+L波段的皮秒及纳秒脉冲光源使用，也可以作为高能量脉冲放大器的种子源。

Description

一种全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统的设计。
背景技术
锁模光纤激光器作为一种具有广阔应用前景的激光光源，具有光束质量好、峰值功率高、结构紧凑、稳定性好等优点，被广泛应用于基础科学研究、高速光通信、微机械加工、超快激光光谱和精密计量等领域。
作为锁模光纤激光器家族中重要的一员，双波段锁模光纤激光器在环境监测、激光遥感、多色泵浦探测等领域都有重要应用。与“双波长锁模光纤激光器”产生两个中心波长相近(10nm左右)的锁模脉冲不同，C+L波段的锁模光纤激光器能够在两个波段同时实现锁模，进而输出两个分别在C波段(1530～1565nm)和L波段(1565～1625nm)的锁模脉冲。现有技术往往采用多个激光二极管(Laser Diode)泵浦源对不同掺杂浓度的掺铒光纤进行泵浦来实现C+L波段的脉冲输出。对于采用复合腔结构的C+L波段锁模激光器，系统中往往还需要加入一个或多个隔离器及环形镜等光学器件，这造成双波段激光系统的结构复杂且价格较贵。设计全光纤结构的C+L波段锁模激光器将会大幅简化激光系统的复杂度以及提升激光系统的稳定性。
另外，大多数报道的双波段锁模光纤激光器都工作在低脉冲能量条件下，发射的脉冲类型是传统孤子、色散管理孤子或耗散孤子。这些类型的脉冲都受到孤子面积理论的限制，泵浦能量过高时脉冲会分裂或转换为谐波锁模。解决此问题的方法是引入矩形无波分裂脉冲。近年来，矩形的无波分裂脉冲引起了人们的广泛关注，随着泵浦功率的增加，矩形脉冲的脉宽线性增长而脉冲峰值振幅保持不变，其脉冲能量可以大幅超出常规脉冲的能量水平。
因此，设计一种全光纤结构，具有较低成本的激光脉冲系统来实现C+L波段的高能量矩形脉冲输出，具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有锁模光纤激光器难以同时输出C+L波段矩形激光脉冲的技术问题，提出了一种全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统。
本发明的技术方案为：一种全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，包括泵浦源、波分复用器、掺铒增益光纤、2×2耦合器、第一色散补偿光纤、相移器、第二色散补偿光纤、第一光纤布拉格光栅、光开关、第二光纤布拉格光栅、1×2耦合器、第一光纤滤波器、第二光纤滤波器；所述2×2耦合器的a端口、掺铒增益光纤、波分复用器、相移器、第一色散补偿光纤、2×2耦合器的b端口依次连接构成闭环；所述第二光纤布拉格光栅、光开关、第一光纤布拉格光栅、第二色散补偿光纤和2×2耦合器的c端口依次连接；所述泵浦源与波分复用器连接；所述1×2耦合器的e端口与2×2耦合器的d端口连接；所述1×2耦合器的f和g端口分别与第一光纤滤波器和第二光纤滤波器连接。
优选地，泵浦源为半导体激光器或者光纤激光器，输出泵浦光的中心波长λ为：980nm。
优选地，波分复用器的工作波长为980nm/1550nm。
优选地，掺铒增益光纤在1550nm处具有正色散。
优选地，2×2耦合器的工作波长为1550nm。
优选地，第一色散补偿光纤和第二色散补偿光纤的工作波长均为1550nm，且在1550nm处具有正色散。
优选地，相移器的工作波长为1550nm。
优选地，第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅的中心波长分别为1555nm和1575nm，反射带宽均为10nm。
优选地，光开关的工作波长为1550nm，功能是控制光路的开关。
优选地，第一光纤滤波器和第二光纤滤波器的中心波长分别为1555nm和1575nm，滤波带宽均为10nm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所用器件均已商用化，容易购买获得，使得本发明的方法易于实施。
(2)本发明采用全光纤结构，耦合效率高，光束质量好，散热好。
(3)本发明提供的激光系统能够同时输出C波段和L波段的矩形脉冲，增强了该系统的适用范围。
附图说明
图1为本发明提供的一种全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统的结构示意图。
图2为所述激光系统在2×2耦合器4的d端口处稳态脉冲的光谱图。
图3为所述激光系统在2×2耦合器4的d端口处稳态脉冲的时域图。
图4为所述激光系统在经过第一光纤滤波器12后输出脉冲的光谱图。
图5为所述激光系统在经过第一光纤滤波器12后输出脉冲的时域图。
图6为所述激光系统在经过第二光纤滤波器13后输出脉冲的光谱图。
图7为所述激光系统在经过第二光纤滤波器13后输出脉冲的时域图。
附图标记说明：1—泵浦源、2—波分复用器、3—掺铒增益光纤、4—2×2耦合器、5—第一色散补偿光纤、6—相移器、7—第二色散补偿光纤、8—第一光纤布拉格光栅、9—光开关、10—第二光纤布拉格光栅、11—1×2耦合器、12—第一光纤滤波器、13—第二光纤滤波器、a，b，c，d—2×2耦合器的四个端口、e，f，g—1×2耦合器的三个端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，如图1所示，包括泵浦源1、波分复用器2、掺铒增益光纤3、2×2耦合器4、第一色散补偿光纤5、相移器6、第二色散补偿光纤7、第一光纤布拉格光栅8、光开关9、第二光纤布拉格光栅10、1×2耦合器11、第一光纤滤波器12、第二光纤滤波器13；所述2×2耦合器4的a端口、掺铒增益光纤3、波分复用器2、相移器6、第一色散补偿光纤5、2×2耦合器4的b端口依次连接构成闭环；所述第二光纤布拉格光栅10、光开关9、第一光纤布拉格光栅8、第二色散补偿光纤7和2×2耦合器4的c端口依次连接；所述泵浦源1与波分复用器2连接；所述1×2耦合器11的e端口与2×2耦合器4的d端口连接；所述1×2耦合器11的f和g端口分别与第一光纤滤波器12和第二光纤滤波器13连接。
其中，波分复用器2的工作波长为980nm/1550nm。
掺铒增益光纤3采用CorActive公司生产的EDF-L1500型号的掺铒增益光纤，其长度为1m，在1550nm处其色散系数β2为28ps2/km。
2×2耦合器4的耦合比率为70/30。
第一色散补偿光纤5和第二色散补偿光纤7均采用Thorlabs公司生产的色散补偿光纤，在1550nm处其色散系数β2为127ps2/km。
相移器6的工作波长在1550nm处，相移量为-π/2。
第一光纤布拉格光栅8可采用Teraxion公司PSW-DMR型号的光纤布拉格光栅，反射中心波长为1555nm，反射带宽为10nm，反射率为70％
第二光纤布拉格光栅10可采用Teraxion公司PSW-DMR型号的光纤布拉格光栅，反射中心波长为1575nm，反射带宽为10nm，反射率为70％。
光开关9的工作波长为1550nm，功能是控制光路的开关。
第一光纤滤波器12和第二光纤滤波器13的中心波长分别为1555nm和1575nm，滤波带宽均为10nm。
本发明中涉及的物理模型及数值仿真方法具体如下：
为了真实、准确地模拟本发明提供的系统中C+L波段矩形激光脉冲的产生和演化过程，采用的物理模型充分考虑系统内各个分立器件对腔内脉冲传输的影响，并通过分步傅立叶算法进行数值求解。当光脉冲经过腔内器件时，将光场乘以该器件对应的传输矩阵；当光脉冲经过腔内光纤布拉格光栅时，将光场乘以该器件对应的传输方程：
Figure BDA0002959111510000041
式中，Δω是角频率偏移量，σ是滤波器带宽，r是光栅的反射系数。
当光脉冲经过腔内光纤时，采用金兹堡-朗道方程描述脉冲在光纤中的传输特性：
Figure BDA0002959111510000042
式中，A表示光场的振幅包络；t和z分别是时间和传输距离；i为虚数单位；β2，γ和Ωg分别代表光纤二阶色散，非线性参量和光纤增益带宽。g是光纤增益系数，对于普通光纤而言，g＝0。考虑增益饱和效应，增益系数g可表示为：
g＝g0exp(-Ep/Es) (3)
式中g0，Ep和Es分别代表小信号增益系数，脉冲能量以及增益饱和能量，g0与泵浦源的功率成正比。
对本发明提出的全光纤激光系统进行数值仿真，为了精确模拟本发明提出的系统，设置了如下仿真参数：掺铒增益光纤3长为1m，在1550nm处β2为28ps2/km，非线性参量γ为3/W/km；掺铒增益光纤3的增益带宽Ωg为30nm；小信号增益g0为4/m；增益饱和能量Es为15nJ；2×2耦合器4的耦合比为70:30；第一色散补偿光纤5的长度为3m，在1550nm处β2为127ps2/km，非线性参量γ为3/W/km；相移器6在1550nm处的相移量为-π/2；第二色散补偿光纤7的长度为1m，在1550nm处β2为127ps2/km，非线性参量γ为3/W/km；第一光纤布拉格光栅8的中心波长为1555nm，反射带宽为10nm，反射率为70％；第二光纤布拉格光栅10的中心波长为1575nm，反射带宽为10nm，反射率为70％；1×2耦合器11的耦合比为50：50；第一光纤滤波器12的中心波长为1555nm，滤波带宽为10nm；第二光纤滤波器13的中心波长为1575nm，滤波带宽为10nm。
本发明的具体原理及数值仿真结果如下：
本发明提供的一种全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统包括一个掺铒光纤激光腔，采用非线性放大环形镜锁模技术。在掺铒光纤激光腔中由波分复用器2、掺铒增益光纤3、2×2耦合器4、第一色散补偿光纤5、相移器6闭环连接构成锁模器(本发明中锁模器均指非线性放大环形镜锁模器)。
锁模器中存在顺时针和逆时针运转的脉冲，它们分别经过掺铒增益光纤3放大后，在2×2耦合器4中干涉实现锁模。当入射脉冲峰值功率小于使锁模器产生峰值功率钳制效应的功率阈值时，锁模器使脉冲中心透射率高于脉冲前后沿，使得脉冲每次通过后前后沿得到抑制，脉宽被压缩。
随着泵浦源1功率的不断增加，掺铒光纤激光腔中的脉冲峰值功率不断增加直至超过峰值功率钳制效应产生的功率阈值。脉冲中心部分的透射率减小，从而使得脉冲峰值功率受到钳制，脉冲时域形状逐渐变为矩形。随着泵浦源的功率进一步增大，脉冲宽度不断增加，从而形成高能量的矩形脉冲。当光开关9开启时，由于第一光纤布拉格光栅8和第二光纤布拉格光栅10的滤波效应，激光腔中同时存在C波段和L波段的光信号，此时输出脉冲经过第一光纤滤波器12和第二光纤滤波器13实现C波段和L波段矩形脉冲的分离，并分别输出至腔外；当光开关9关闭时，由于第二光纤布拉格光栅10被断开，激光腔中只存在C波段的光信号，不存在增益竞争，有利于输出大能量的C波段矩形脉冲。
对本发明提供的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统进行了数值模拟，其结果如下：
图2为所述激光系统在2×2耦合器4的d端口处稳态脉冲的光谱图。可以看到C波段与L波段的光谱信号同时存在。
图3为所述激光系统在2×2耦合器4的d端口处稳态脉冲的时域图。
图4为所述激光系统在经过第一光纤滤波器12后输出脉冲的光谱图。可以看到脉冲的光谱位于C波段。
图5为所述激光系统在经过第一光纤滤波器12后输出脉冲的时域图。
图6为所述激光系统在经过第二光纤滤波器13后输出脉冲的光谱图。可以看到脉冲的光谱位于L波段。
图7为所述激光系统在经过第二光纤滤波器13后输出脉冲的时域图。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于包括的器件有：泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺铒增益光纤(3)、2×2耦合器(4)、第一色散补偿光纤(5)、相移器(6)、第二色散补偿光纤(7)、第一光纤布拉格光栅(8)、光开关(9)、第二光纤布拉格光栅(10)、1×2耦合器(11)、第一光纤滤波器(12)、第二光纤滤波器(13)；所述2×2耦合器(4)的a端口、掺铒增益光纤(3)、波分复用器(2)、相移器(6)、第一色散补偿光纤(5)、2×2耦合器(4)的b端口依次连接构成闭环；所述第二光纤布拉格光栅(10)、光开关(9)、第一光纤布拉格光栅(8)、第二色散补偿光纤(7)和2×2耦合器(4)的c端口依次连接；所述泵浦源(1)与波分复用器(2)连接；所述1×2耦合器(11)的e端口与2×2耦合器(4)的d端口连接；所述1×2耦合器(11)的f和g端口分别与第一光纤滤波器(12)和第二光纤滤波器(13)连接。
2.根据权利要求1所述的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述泵浦源(1)为半导体激光器或者光纤激光器，输出泵浦光的中心波长λ为：980nm。
3.根据权利要求1所述的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述波分复用器(2)的工作波长为980nm/1550nm。
4.根据权利要求1所述的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述掺铒增益光纤(3)在1550nm处具有正色散。
5.根据权利要求1所述的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述2×2耦合器(4)的工作波长为1550nm。
6.根据权利要求1所述的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一色散补偿光纤(5)和第二色散补偿光纤(7)的工作波长均为1550nm，且在1550nm处具有正色散。
7.根据权利要求1所述的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述相移器(6)的工作波长为1550nm。
8.根据权利要求1所述的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅(8)和第二光纤布拉格光栅(10)的中心波长分别为1555nm和1575nm，反射带宽均为10nm。
9.根据权利要求1所述的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述光开关(9)的工作波长为1550nm。
10.根据权利要求1所述的全光纤结构的C+L波段矩形激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一光纤滤波器(12)和第二光纤滤波器(13)的中心波长分别为1555nm和1575nm，滤波带宽均为10nm。
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