CN113471799B - 一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器，包括：泵浦源，以及首尾依次相连的第一波分复用器、掺铒光纤、输出耦合器、隔离器、第二波分复用器、时间延迟线、第三波分复用器、偏振控制器和锁模器件，所述第二波分复用器输出端以及第三波分复用器输入端均有两个，第二波分复用器的一输出端通过光纤连接至第三波分复用器一输入端，第二波分复用器另一输出端通过时间延迟线连接至第三波分复用器的另一输入端。其中1550 nm的光沿通过时间延迟线到达第三波分复用器，形成了延迟回路。通过调节时间延迟线，可以弥补1550 nm和1656 nm由于色散效应造成的时延差，从而两束光将在腔内实现同步。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤激光器，具体涉及一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器。
背景技术
超短脉冲具有时间分辨率高、峰值功率高、光谱宽等特点，在光纤通信与传感、激光微加工、精密测量、数据存储、生物成像以及国防军事等方面有着重大应用价值。同时超短脉冲在非线性光学、量子相干操控原子和电子、相对论非线性物理光学、强场核物理与天体物理等基础前沿领域也有着重要应用。产生高能量超短脉冲主要有固体激光器和光纤激光器，与传统固体激光器相比，光纤激光器具有结构紧凑、易于集成、转换效率高、成本低、维护简单等优点，在激光技术发展中异军突起。
然而，受制于掺杂稀土离子特性的限制，人们的研究基本上还集中在~1、~1.55及~2 微米等特定波段，对于在这几个波段之间的波长研究还很少。例如处于铒和铥离子之间的~1.7 微米波段，由于生物组织在这个波段有着较低的散射损耗和水分子吸收。因此，~1.7微米波段的超短脉冲激光在光学相干层析成像、多光子荧光显微成像、激光手术等领域有着广泛应用。然而，由于缺少有效的高增益介质，制约着这一波段光纤激光器的发展。因此，寻找可在任意波长处实现激射的光纤激光器尤为迫切。事实上，拉曼光纤激光器几乎没有增益带宽的限制，在光纤的整个透明窗口（300-2300 nm）内都可以实现拉曼增益。拉曼光纤激光器在连续光输出中已经取得了广泛的研究和成功，通过选择合适的泵浦光波长和增益介质，拉曼激光器可以实现从可见光到中远红外的激光输出。而对于拉曼超快脉冲的产生，目前主要有以下两种方案。
一种方案是由锁模光纤激光器输出的锁模脉冲作为种子光源，然后输入拉曼特种光纤中通过受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS）效应产生拉曼超短脉冲。其典型结构如文献（[1] Q. Ruan, Z. Q. Luo, X. Wan, R. Yang, Z. Wang, Z. Cai,and H. Xu, “1.61-1.85 μm tunable all-fiber raman soliton source using aphosphor-doped fiber pumped by 1.56 μm dissipative solitons,” IEEE Photon. J.9, 7100807 (2017) )，利用掺铒锁模光纤激光器作为种子源，经过两级放大后，输入到拉曼特种光纤中，实现了~1.7微米拉曼超短脉冲的输出。然而，这种方案的拉曼脉冲激光器不仅效率较低、结构复杂，往往需要对种子源脉冲进行多次放大，这样还大大增加了成本。
另一种方案不需要掺杂稀土离子光纤，在腔内直接加入高拉曼增益的特种光纤为激光器提供增益，然后利用锁模器件直接产生拉曼锁模脉冲。其典型结构如文献([2] C.Castellani, E. Kelleher, J. Travers, D. Popa, T. Hasan, Z. Sun, E. Flahaut,A. C. Ferrari, S. Popov, and J. Taylor, “Ultrafast Raman laser mode-locked bynanotubes,” Opt. Lett. 36, 3996-3999 (2011))，在腔内加入高非线性光纤作为增益光纤，并利用碳纳米管制作锁模器件，当泵浦功率达到~10W时，在1660 nm获得了皮秒拉曼激光脉冲输出。由于这种结构中没有高增益的掺杂稀土离子光纤，锁模的阈值功率通常都在瓦级。而且，为实现足够的增益，需在激光腔内加入几百米甚至上千米的拉曼光纤。过长的谐振腔还会使激光器对外界环境敏感，降低激光器的稳定性；同时，脉冲在较长的光纤中积累过多非线性啁啾，使脉冲易于分裂，无法进一步提高脉冲能量。
此外，在锁模光纤激光器中，当锁模脉冲能量较高时由于SRS作用，通过一阶斯托克斯频移，从锁模脉冲中辐射出拉曼信号。在这里，锁模脉冲相当于拉曼信号的“泵浦源”，然而，由于辐射出的拉曼信号与主锁模脉冲由于中心波长的差异会发生群速度失配现象。因此，主锁模脉冲只能对辐射出的拉曼信号放大一次，无法持续对拉曼信号进行泵浦。这样一来拉曼信号在谐振腔中最终无法形成稳定的脉冲，而最终演化成噪声输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器，使得被激发的拉曼信号在腔内由主锁模脉冲同步泵浦下循环放大，最终在谐振腔内直接形成稳定的超快脉冲输出。
本发明的目的是通过以下技术手段实现的，一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器，包括：泵浦源，以及首尾依次相连的第一波分复用器、掺铒光纤、输出耦合器、隔离器、第二波分复用器、时间延迟线、第三波分复用器、偏振控制器和锁模器件，
泵浦源与第一波分复用器相连接，锁模器件输出端与第一波分复用器输入端相连，
所述第二波分复用器输出端以及第三波分复用器输入端均有两个，第二波分复用器的一输出端通过光纤连接至第三波分复用器一输入端，第二波分复用器另一输出端通过时间延迟线连接至第三波分复用器的另一输入端。
所述泵浦源为 980 nm半导体激光器。
所述第一波分复用器的频分范围为980/1550nm。
所述隔离器工作的中心波长为1550nm.。
所述第二波分复用器和第三波分复用器的频分范围均为1550/1656nm。
所述时间延迟线工作的中心波长为1550nm。
本发明的有益效果在于：1.通过将第二波分复用器，将1550 nm 波段的锁模激光和1656 nm波段的拉曼散射光会在第二波分复用器处进行分束，并最终在第三波分复用器中进行合束。其中1656 nm的光沿a臂到达第三波分复用器，而1550 nm的光沿b臂并通过时间延迟线到达第三波分复用器，形成了延迟回路。通过调节时间延迟线，可以弥补1550 nm和1656 nm由于色散效应造成的时延差，从而两束光将在腔内实现同步。
2.利用掺杂稀土离子的掺铒光纤作为增益光纤，其增益系数大，所需增益光纤的长度小，所需泵浦功率低，拉曼激光脉冲稳定性好。
3、从谐振腔内输出拉曼超快脉冲，无需种子源激光从谐振腔输出后经历多次放大后再激发出拉曼脉冲，结构更简单，成本更低。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中1、泵浦源；2、第一波分复用器；3、掺铒光纤；4、输出耦合器；5、隔离器；6、第二波分复用器；7、时间延迟线；8、第三波分复用器；9、偏振控制器；10、锁模器件。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
【实施例1】
一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器，包括：泵浦源1，以及首尾依次相连的第一波分复用器2、掺铒光纤3、输出耦合器4、隔离器5、第二波分复用器6、时间延迟线7、第三波分复用器8、偏振控制器9和锁模器件10，
泵浦源1与第一波分复用器2相连接，锁模器件10输出端与第一波分复用器2输入端相连，
所述第二波分复用器6输出端以及第三波分复用器8输入端均有两个，第二波分复用器6的一输出端通过光纤连接至第三波分复用器8一输入端，第二波分复用器6另一输出端通过时间延迟线7连接至第三波分复用器8的另一输入端。
所述泵浦源1为980 nm半导体激光器。
所述第一波分复用器2的频分范围为980/1550 nm。
所述隔离器5工作的中心波长为1550 nm。
所述第二波分复用器6和第三波分复用器8的频分范围均为1550/1656 nm。
所述时间延迟线7工作的中心波长为1550 nm。
如图1所示，除泵浦源1，其余设备均位于谐振腔内，980nm泵浦激光器，即泵浦源1通过第一波分复用器2输入到谐振腔内对掺铒光纤3进行泵浦，激发出掺铒光纤3，1550nm波段的自发辐射光。第一波分复用器2将泵浦光和信号光耦合入掺铒光纤3。
所述锁模器件10为领域内常用部件，并无特殊要求，但不限于半导体可饱和吸收镜、碳纳米管、石墨烯等。
自发辐射光在谐振腔内的第一波分复用器2、掺铒光纤3、输出耦合器4、隔离器5、第二波分复用器6、第三波分复用器8、偏振控制器9和锁模器件10内循环，在锁模器件10的作用下，在腔内最终形成1550 nm波段的锁模激光。
当1550 nm锁模脉冲激光的能量达到受激拉曼散射阈值条件时，将在光纤拉曼增益峰值13.2 THz处（~1656 nm）激发出一阶斯托克斯拉曼散射光。1550 nm 波段的锁模激光和1656 nm波段的拉曼散射光会在第二波分复用器6处进行分束，并最终在第三波分复用器8中进行合束。
隔离器5保证了激光器单向运转，偏振控制器9调节了激光器内的偏振状态。
其中1656 nm的光沿光纤（即图1中a段）到达第三波分复用器8，而1550 nm的光沿时间延迟线7（即图1中b段）到达第三波分复用器8。通过时间延迟线7，可以弥补1550 nm和1656 nm由于色散效应造成的时延差，从而两束光将在腔内实现同步，补偿了主锁模脉冲与拉曼脉冲噪声之间的群速度失配，使得被激发的拉曼信号在腔内由主锁模脉冲同步泵浦下循环放大，最终在谐振腔内直接形成稳定的超快脉冲输出。因此，1656 nm的受激拉曼辐射光在腔内运转时将会被1550 nm的锁模激光持续泵浦放大，最终将形成稳定的拉曼脉冲通过输出耦合器4输出。
Claims (6)
1.一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器，其特征在于，包括：泵浦源（1），以及首尾依次相连的第一波分复用器（2）、掺铒光纤（3）、输出耦合器（4）、隔离器（5）、第二波分复用器（6）、时间延迟线（7）、第三波分复用器（8）、偏振控制器（9）和锁模器件（10），
泵浦源（1）与第一波分复用器（2）相连接，锁模器件（10）输出端与第一波分复用器（2）输入端相连，
所述第二波分复用器（6）输出端以及第三波分复用器（8）输入端均有两个，第二波分复用器（6）的一输出端通过光纤连接至第三波分复用器（8）一输入端，第二波分复用器（6）另一输出端通过时间延迟线（7）连接至第三波分复用器（8）的另一输入端。
2.根据权利要求1所述的一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源（1）为980 nm半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器，其特征在于：所述第一波分复用器（2）的频分范围为980/1550 nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器，其特征在于：所述隔离器（5）工作的中心波长为1550 nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于腔内同步泵浦的拉曼超快光纤激光器，其特征在于：所述第二波分复用器（6）和第三波分复用器（8）的频分范围均为1550/1656 nm。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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