CN113131318A

CN113131318A - 基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器、制备、输出方法

Info

Publication number: CN113131318A
Application number: CN202110243647.7A
Authority: CN
Inventors: 金亮; 谢尚之; 张贺; 徐英添; 马晓辉; 李岩; 石琳琳
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2041-03-05
Also published as: CN113131318B

Abstract

本发明属于光纤激光器技术领域，公开了一种基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器、制备、输出方法，基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器由泵浦源、波分复用器、增益光纤、输出耦合器、螺旋机构、单模‑多模‑单模即SMS结构、隔离器以及可饱和吸收体组成；泵浦源为基础光源，用于对激光工作物质进行激励；所述泵浦源经过光纤接入波分复用器；所述波分复用器、增益光纤、输出耦合器、SMS结构、隔离器、可饱和吸收体、接入组成光纤环形腔结构；所述SMS结构两端单模光纤与所述螺旋机构相连。本发明提供了一种低成本、受环境影响小、便于集成度化、参数可量化、可微调、稳定性好、结构简单且利于实现和制造的可调谐的锁模光纤激光器。

Description

基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器、制备、输出方法

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器、制备、输出方法。

背景技术

目前，可调谐光纤激光器的用途广泛，可用于通信领域的波分复用、光谱分析、生物医学处理、环境污染监测和信息处理等。可调谐光纤激光器在阈值、效率、可调谐波长范围等方面有诸多优点。在光纤中进行滤波可实现激光可调谐输出。目前常见的方法有使用光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、马赫-曾德和塞格纳克等结构实现滤波，然而光纤光栅和干涉结构在实际生产中较为复杂、成本较高，且受限于后置解调装置，复杂生产技术和难以精细化、批量化等因素。以通信领域为例，由于对信号传输容量与信道的需求不断增大，可调谐光纤激光器成为本领域一个研究热点。

为了获得超短脉冲输出，常用锁模的方法对激光纵模进行锁定。当满足多纵模振荡且纵模之间有固定的相位差时，激光器会形成锁模脉冲输出，较没有锁模的激光而言，脉冲宽度更窄、峰值功率更高。锁模有主动锁模、被动锁模和主被动混合锁模三种方式，其中被动锁模技术能获得飞秒量级的脉冲。被动锁模主要包括利用可饱和吸收体(制备有可饱和吸收特性的二维材料)锁模、构造非线性光纤环境(8字腔)锁模和采用非线性偏振旋转锁模。

现有技术一种可调谐锁模光纤激光器(公开号：CN 109936044 A)，其通过偏振控制器调节光纤双折射，改变光的偏振态，该过程受环境影响大，且调节过程不可量化。

现有技术一种基于多模干涉效应的宽可调谱的单频光纤激光器(公开号：CN110212398 A)，其采用依赖于光学位移台的应力加载器，对光纤加载应力实现可调谐输出，不能输出锁模脉冲激光。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：人们采用空间光结构，引入额外器件对光路进行调制形成滤波效应，但这极大地增加了成本，且这样的激光器结构十分复杂。在空间光调制中，光路容易受到外界环境干扰，且若不严格控制环境，滤波产生的输出光的波长容易变化。可调谐锁模激光器的输出波段不易精确调整，研究人员大多仅在实验室中依靠偏振控制器改变光纤偏振态实现滤波，但这种方法需要光谱仪来确认输出光的中心波长。

解决以上问题及缺陷的难度为：

可调谐锁模光纤激光器长期受到国外市场的垄断，国内大多依赖于进口该类设备。核心技术在他国手中导致进口的价格十分高昂，国内尚未完全攻关该项技术。空间光固有的缺陷是不可避免的，只能在稳定环境中使用来避免环境对光路的干扰。偏振控制器无法实现输出光的参数量化，空间光中引入可变折射率材料能解决该问题，但会使成本高昂且易受环境影响。

解决以上问题及缺陷的意义为：

滤波部分采用全光纤结构，不用额外的器件来调制光，因此结构简单，成本较低，便于集成化。光全程在波导中传输，不容易受环境影响，稳定性好。引入的螺旋机构进给装置可以精确调整输出波段，刻度尺可以与输出光的中心波长相对应，实现参数可视化和可量化。全光纤结构和螺旋机构进给装置的搭配同时解决了上述两个矛盾的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器、制备、输出方法。

本发明是这样实现的，一种基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器，所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器由泵浦源、波分复用器、增益光纤、输出耦合器、螺旋机构、单模-多模-单模即SMS结构、隔离器以及可饱和吸收体组成；

所述泵浦源为基础光源，用于对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以形成粒子数反转，形成激射；所述泵浦源经过光纤接入波分复用器；

所述波分复用器、增益光纤、输出耦合器、SMS结构、隔离器、可饱和吸收体、接入组成光纤环形腔结构；

所述SMS结构两端单模光纤与所述螺旋机构相连，通过旋转螺旋机构中的细测量装置，其螺纹和粗测量管之间的螺纹转动，实现横向进给。

进一步，所述泵浦源与所述波分复用器熔接；所述波分复用器与增益光纤进行熔接，所述增益光纤与输出耦合器熔接，所述输出耦合器与SMS结构熔接，所述SMS结构与隔离器熔接，所述隔离器与可饱和吸收体连接，所述可饱和吸收体与波分复用器连接。

波分复用器可将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输。

进一步，所述波分复用器用于将泵浦光和信号光耦合进同一根光纤中；所述增益光纤中的增益物质受泵浦源发出的光激发形成粒子数反转，从而产生激光；

所述输出耦合器用于将腔内光分成两束，一束输出进行观测，另一束光继续在腔内进行持续振荡反馈；

所述隔离器利用磁光晶体的法拉第效应使环形腔内泵浦光和信号光进行单方向传输；

所述可饱和吸收体具有透射高功率信号和吸收低功率信号的可饱和吸收特性，用于环形腔内激光纵模的锁定。

进一步，所述SMS光纤结构由两条单模光纤与渐变折射率多模光纤两端相熔接构成，该结构中，单模光射入多模光纤激发多个模式，这些模式在多模光纤末端形成干涉，满足滤波条件时，可以输出对应波长的光；

所述单模光纤和多模光纤熔接处设置有热缩管，用于保护熔接处；

所述螺旋机构套接于所述热缩管上，所述螺旋机构用胶枪固定。

本发明的另一目的在于提供一种制备所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器的基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器制备方法，所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器制备方法包括：

步骤一，将泵浦源与波分复用器熔接；将两条单模光纤与渐变折射率多模光纤两端相熔接构成SMS光纤结构，并将SMS光纤结构两端单模光纤与螺旋机构相连；

步骤二，将SMS结构中单模和多模熔接部分套上热缩管，用胶枪将热缩管固定在螺旋机构中；

步骤三，将波分复用器、增益光纤、输出耦合器、SMS结构、隔离器和可饱和吸收体依次连接组成光纤环形腔结构。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器的锁模脉冲的可调谐输出方法，所述锁模脉冲的可调谐输出包括：

通过旋转基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器的螺旋机构中的细测量装置，细测量装置的内螺纹与粗测量管外螺纹发生螺纹转动，螺纹的转动可以带动细测量管左右移动以实现横向位移，横向位移可以带动SMS结构中多模光纤的弯曲，通过给定固定的进给量可以精确控制多模光纤弯曲程度，满足不同波长光地输出条件，从而实现锁模脉冲的可调谐输出。

本发明的另一目的在于提供一种用于通信领域的波分复用的光纤激光器，所述用于通信领域的波分复用的光纤激光器搭载所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器。

本发明的另一目的在于提供一种用于光谱分析的光纤激光器，所述用于光谱分析的光纤激光器搭载所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器。

本发明的另一目的在于提供一种用于生物医学处理的光纤激光器，所述用于生物医学处理的光纤激光器搭载所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器。

本发明的另一目的在于提供一种用于环境污染监测和信息处理的光纤激光器，所述用于环境污染监测和信息处理的光纤激光器搭载所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供了一种低成本、受环境影响小、便于集成度化、参数可量化、可微调、稳定性好、结构简单且利于实现和制造的可调谐的锁模光纤激光器。本发明的基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器，通过改变位移量，实现波长可调谐输出。

本发明通过改变螺旋机构的位移量，改变多模光纤中模式的干涉效应，实现多波长可调谐输出。相较于以往的结构设计，本发明激光器具有低成本、受环境影响小、便于集成度化、参数可量化、可微调、稳定性好、结构简单且利于实现和制造的优点。

本发明实现了连续脉冲锁模激光的可调谐输出。螺旋机构结构紧凑，利于集成化设计。SMS结构嵌入螺旋机构，可稳定滤波效应，因此该光纤激光器受环境影响小且稳定性好。螺旋机构采用了螺旋进给的方式实现位移量的微调，其结构简单且利于实现和制造。在多模干涉效应中，渐变折射率多模光纤有模式的传播常数等间距的特有性质。其自成像长度可能非常短，约为亚毫米量级。螺旋机构的可微调和参数可量化功能有利于对滤波现象的观察。

本发明的多模光纤熔接在两端单模光纤之间。本发明的多模干涉滤波器具有结构简单、易于制造、成本较低和全光纤化结构等特点。

本发明涉及一种基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器。利用螺旋机构改变位移量实现激光可调谐输出。与一种可调谐锁模光纤激光器(公开号：CN 109936044 A)相比，实现可调谐原理和结构不同。CN 109936044 A通过偏振控制器调节光纤双折射，改变光的偏振态，该过程受环境影响大，且调节过程不可量化。本发明采用微动螺旋机构通过弯曲光纤。

本发明与一种基于多模干涉效应的宽可调谱的单频光纤激光器(公开号：CN110212398 A)相比，结构不同且输出锁模脉冲激光。CN 110212398 A采用依赖于光学位移台的应力加载器，对光纤加载应力实现可调谐输出。本发明利用微机械结构特点，易于实现。并且结构简单，利于轻小型化设计。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器原理示意图。

图2是本发明实施例提供的螺旋结构示意图。

图3是本发明实施例提供的SMS结构多模干涉原理图。

图4是本发明实施例提供的螺旋机构爆炸图。

图5是本发明实施例提供的基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器制备方法流程图。

图中：1、泵浦源；2、波分复用器；3、增益光纤；4、输出耦合器；5、螺旋机构；6、多模光纤；7、隔离器；8、可饱和吸收体；9、左固定转筒、10、双螺纹转筒、11、亚克力套筒、12、第一外压圈、13、第一轴承；14、右固定套筒；15、粗测量管；16、细测量装置；17、固定锁；18、螺丝；19、第二外压圈；20、第二轴承。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器包括：泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、输出耦合器4、螺旋机构5、单模-多模-单模(SMS)结构6、隔离器7、可饱和吸收体8。

本发明实施例提供的波分复用器2、增益光纤3、输出耦合器4、SMS结构6、隔离器7、可饱和吸收体8、接入组成光纤环形腔结构，泵浦源1经过光纤接入波分复用器2。其中SMS光纤结构6由两条单模光纤与渐变折射率多模光纤两端相熔接构成，并将SMS结构6两端单模光纤与螺旋机构5相连。其中，单模和多模光纤熔接处用热缩管保护。将螺旋机构5套在热缩管上后用胶枪固定。通过调节螺旋机构5位移量弯曲SMS结构6实现锁模脉冲的可调谐输出。

图2是本发明实施例提供的螺旋结构示意图。

图3是本发明实施例提供的SMS结构多模干涉原理图。图3中分割的三个区从左到右依次为单模光纤、单模光纤、单模光纤；其中，黑色实箭头代表高功率信号传输方向；虚箭头代表低功率信号传输方向。

如图4所示，本发明实施例提供的螺旋机构5包括：左固定转筒9、双螺纹转筒10、亚克力套筒11、第一外压圈12、第一轴承13、右固定套筒14、粗测量管15、细测量装置16、固定锁17、螺丝18、第二外压圈19、第二轴承20。

本发明实施例提供的双螺纹转筒10通过外螺纹与左固定装置9连接；第二轴承20放入双螺纹转筒10；第二外压圈19通过内螺纹与双螺纹转筒10连接；粗测量管15通过外螺纹与细测量装置16连接；将细测量装置16伸入右固定套筒14；第一轴承13放入细测量装置16；第一外压圈12通过内螺纹与细测量装置16连接；固定锁17置于右固定套筒14凹槽面，通过螺丝与其连接；亚克力套筒通11过内螺纹分别与左固定装置9和右固定装置14连接。设计并更换亚克力套筒11的尺寸，可实现不同的长度多模光纤的滤波效应。其中粗测量管15和细测量装置16可根据实际需要设置度量范围。

如图5所示，本发明实施例提供的基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器制备方法包括：

S101，将泵浦源与波分复用器熔接；将两条单模光纤与渐变折射率多模光纤两端相熔接构成SMS光纤结构，并将SMS光纤结构两端单模光纤与螺旋机构相连；

S102，将SMS结构中单模和多模熔接部分套上热缩管，用胶枪将热缩管固定在螺旋机构中；

S103，将波分复用器、增益光纤、输出耦合器、SMS结构、隔离器和可饱和吸收体依次连接组成光纤环形腔结构。

本发明实施例提供的锁模脉冲的可调谐输出包括：

通过调节基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器的螺旋机构位移量弯曲SMS结构进行锁模脉冲的可调谐输出。

下面结合工作原理对本发明的技术方案以及技术效果做进一步说明。

本发明的工作原理如下：

当信号光由单模光纤入射到多模光纤时，在多模光纤中激发的多个横模之间会发生耦合，模式之间会产生干涉叠加，导致光场能量的重新分布和输入光的自成像效应。自成像效应是光场在多模光纤中传输时，光场周期性变化的现象。当多模光纤中各横模相位差满足2π或2π的整数倍时，光场能量最强，这种情况也会周期性再现。当聚焦点处于多模光纤和输出端单模光纤熔接处时，耦合损耗最小。由于折射率取决于光的频率，多模光纤中输入光的自成像效应与输入光的频率有关，从单模光纤通过多模光纤再到单模光纤的耦合效率也取决于光的频率。改变多模光纤的长度和弯曲程度会导致每个激发模式的传播常数的变化并影响这两种效应，从而改变SMS结构滤波效果。

下面通过公式来说明改变光纤参数是如何影响SMS结构滤波效果，实现锁模激光可调谐输出。

多模干涉滤波原理如下，考虑多模光纤中任意两个模式之间的传输常数为β_m和β_n。两个模式的传输常数差可以描述为：

两个模式之间的相位差可表示为：

其中a_m为多模光纤半径，k₀代表波数，n_mcore表示多模光纤纤芯。

当满足(β_m-β_n)L＝2Nπ时，与上述公式联立，可以得到发生多模干涉效应透射光谱的中心波长λ：

可见，当改变光纤长度时，透射谱中心波长会发生变化，可以实现滤波效果。弯曲光纤可以看作改变光纤长度的一种特殊形式。光纤弯曲时，其传输常数可由以下公式求出：

其中r，R，β_b和β₀分别为光纤纤芯半径，光纤弯曲半径，光纤弯曲时的传输常数和未弯曲状态下的传输常数。多模干涉效应透射光谱的中心波长λ受光纤弯曲半径R的影响。

综上所述，通过改变螺旋机构的位移量可以实现锁模激光的可调谐输出。

本发明是这样工作的：

本发明实施例提供的泵浦源1通过波分复用器2对增益光纤3进行泵浦并产生1.55μm的激射光，激射光通过SMS结构6后，再通过输出耦合器4时，输出10％的光用于测量观察，剩余90％的光在环形腔内继续循环。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器包括：泵浦源、波分复用器、增益光纤、输出耦合器、螺旋机构、单模-多模-单模即SMS结构、隔离器以及可饱和吸收体；

所述泵浦源用于对激光工作物质进行激励；所述泵浦源经过光纤接入波分复用器；

所述SMS结构两端单模光纤与所述螺旋机构相连；

所述泵浦源与所述波分复用器熔接；所述波分复用器与增益光纤进行熔接，所述增益光纤与输出耦合器熔接，所述输出耦合器与SMS结构熔接，所述SMS结构与隔离器熔接，所述隔离器与可饱和吸收体连接，所述可饱和吸收体与波分复用器连接；

所述波分复用器用于将泵浦光和信号光耦合进同一根光纤中；所述增益光纤中的增益物质受泵浦源发出的光激发产生激光；

所述隔离器用于使环形腔内泵浦光和信号光进行单方向传输；

所述可饱和吸收体用于环形腔内激光纵模的锁定。

2.如权利要求1所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器，其特征在于，所述SMS光纤结构由两条单模光纤与渐变折射率多模光纤两端相熔接构成；

3.一种如权利要求1-2任意一项所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器的基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器的制备方法，其特征在于，所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器的制备方法包括：

4.一种如权利要求1-2任意一项所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器的锁模脉冲的可调谐输出方法，其特征在于，所述锁模脉冲的可调谐输出方法包括：

5.一种用于通信领域的波分复用的光纤激光器，其特征在于，所述用于通信领域的波分复用的光纤激光器搭载权利要求1～2任意一项所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器。

6.一种用于光谱分析的光纤激光器，其特征在于，所述用于光谱分析的光纤激光器搭载权利要求1～2任意一项所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器。

7.一种用于生物医学处理的光纤激光器，其特征在于，所述用于生物医学处理的光纤激光器搭载权利要求1～2任意一项所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器。

8.一种用于环境污染监测和信息处理的光纤激光器，其特征在于，所述用于环境污染监测和信息处理的光纤激光器搭载权利要求1～2任意一项所述基于螺旋机构的可调谐锁模光纤激光器。