CN113659420A - 一种基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器 - Google Patents
一种基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，由光学结构和激光器线性腔两部分组成闭合线性腔，其中，光学结构部分包括半导体可饱和吸收镜、第一自聚焦透镜、偏振片、二色镜和第二自聚焦透镜，激光器线性腔部分包括泵浦源、保偏掺铒光纤、保偏光耦合器和保偏单模光纤。本发明提供的基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，利用线性腔的工作机制，采用全保偏结构，克服传统的环形腔需要形成环路，因而导致激光器脉冲重复频率输出较低的问题，能够实现高重频高脉冲功率的超短锁模脉冲输出，适合于需要较高重复频率脉冲的应用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器。
背景技术
光纤激光器，与传统的固态激光器(如克尔透镜锁模(KLM)Ti：蓝宝石激光器)相比，结构更紧凑、坚固、散热性能更好、成本更低，因此，在光学频率梳、光通信、显微镜和精密测量以及通信领域中有着广泛的应用。
通常在光腔内加入可饱和吸收体或者等效的可饱和吸收效应以便实现激光器的自锁模。“真实”可饱和吸收体(SA)通常为半导体可饱和吸收镜(SESAM)，人工可饱和吸收效应为非线性偏振旋转(NPR)和非线性光学环镜(NOLM)。
利用锁模光纤激光器产生的飞秒光脉冲的时间抖动，即相位噪声与电采样脉冲的噪声相比，要小两个数量级以上。利用如此高精度低噪声的时钟信号对模拟电信号进行采样可以实现更高的量化精度，这在很大程度上提高了ADC的性能，扩大了ADC的应用领域。同时光脉冲的重复频率可以达到GHz量级以上，如此高重频的光脉冲能够有效提高采样带宽，满足对宽带宽信号的采样需求。采用高重频低抖动的超短光脉冲在射频波段对信号直接进行采样，避免对射频信号进行下采样，能够有效简化系统的复杂度，对ADC有着十分重大的意义。
不仅在光ADC领域，在时间同步系统，下一代光源(如X射线自由电子激光器)的同步，超快电子源，低噪声微波产生系统，下变频接收器，光学雷达和光通信等方面，高重频低抖动的飞秒光源也有着十分重要的应用。因此，目前对于高重频低抖动的飞秒脉冲研究有着十分重大的意义。
然而，目前的人工可饱和吸收效应多采用环型腔，导致激光器的重复频率较低，不能适用于很多应用，如光模数转换(ADC)需要激光器的重复频率在1GHz以上。因此，需要设计一种高重复频率的激光器，实现持续时间短、重复频率低的锁模脉冲输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，利用线性腔的工作机制，采用全保偏结构，克服传统的环形腔需要形成环路，因而导致激光器脉冲重复频率输出较低的问题，能够实现高重频高脉冲能量的超短锁模脉冲输出，适合于需要较高重复频率脉冲的应用。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，由光学结构和激光器线性腔两部分组成闭合线性腔，其中，光学结构部分包括半导体可饱和吸收镜、第一自聚焦透镜、偏振片、二色镜和第二自聚焦透镜，激光器线性腔部分包括泵浦源、保偏掺铒光纤、保偏光耦合器和保偏单模光纤，泵浦光和信号光通过自聚焦透镜聚焦到二色镜，二色镜泵浦光反射进入保偏掺铒光纤，将信号光透过进入偏振片，并经由第一自聚焦透镜进行聚焦后打到半导体可饱和吸收镜上进行可饱和吸收并且反射，经由上述光学结构进入保偏掺铒光纤，保偏掺铒光纤与保偏光耦合器的输入端连接，保偏光耦合器的输出端与保偏单模光纤连接进行激光器输出。
进一步地，所述的泵浦源为带有尾纤的中心波长位于980nm的半导体激光器。
进一步地，所述的保偏掺铒光纤的工作中心波长为1550nm。
进一步地，所述的保偏掺铒光纤在工作中心波长处的色散值为-20fs2/mm。
进一步地，所述的保偏光耦合器采用反射式输出方式，输出比例为20％。
进一步地，所述的保偏光耦合器工作波段为1550nm波段。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，构建线性腔光纤振荡器，在保证腔体设计环境稳定性的前提下，采用全保偏结构，能够实现持续时间短、重复频率低的锁模脉冲输出。可以实现稳定的自启动锁模，而不需要额外机械扰动或相位偏置来启动锁模。本发明的激光器，结构简单，成本低廉，稳定性好，易于控制，能够实现自启动，可以实现持久运行，免除维护，并且非常适合应用于光放大种子光、非线性波长变换和超连续谱的生成。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的输出光谱和输出脉冲的自相关曲线，其中，图2(a)所示的是光谱仪测量得到的输出脉冲光谱图，图2(b)所示的是自相关仪测量得到的自相关曲线。
图3为本发明实施例提供的激光器输出脉冲的耦合曲线。
图4为本发明实施例提供的输出频谱，其中，图4(a)是多阶谐波的电谱图，图4(b)所示的是范围为10MHz，分辨率为51kHz情况下的基频脉冲电谱图。
图5为本发明实施例提供的测量链路的光纤长度对脉宽的影响。
附图标记说明：
1、半导体可饱和吸收镜，2、偏振片，3、二色镜，4、第一自聚焦透镜，5、第二自聚焦透镜，6、泵浦源，7、保偏掺铒光纤，8、保偏光耦合器，9、保偏单模光纤。
具体实施方式
为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。
在图1所示的实施实例中，本发明提供一种基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，由光学结构和激光器线性腔两部分组成闭合线性腔，其中，光学结构部分包括半导体可饱和吸收镜1、第一自聚焦透镜4、偏振片2、二色镜3和第二自聚焦透镜5，激光器线性腔部分包括泵浦源6、保偏掺铒光纤7、保偏光耦合器8和保偏单模光纤9，
其中，整个线性腔的长度大约为10cm，为了得到足够的增益，整体腔长均为高掺杂的保偏增益光纤，所述的保偏掺铒光纤7的色散值为-20fs2/mm。所以激光器工作在孤子锁模区域。所述的泵浦源6为带有尾纤的中心波长位于980nm的半导体激光器。所述的保偏掺铒光纤7的中心波长为1550nm。所述的保偏光耦合器8采用反射式输出方式，输出比例为20％。所述的保偏光耦合器8工作波段为1550nm波段。
980nm的泵浦光和1550nm的信号光通过自聚焦透镜5聚焦到二色镜3，二色镜3泵浦光反射进入保偏掺铒光纤7，将1550nm的信号光透过进入偏振片2，并经由第一自聚焦透镜4进行聚焦后打到半导体可饱和吸收镜1上进行可饱和吸收并且反射，经由上述光学结构进入保偏掺铒光纤7，保偏掺铒光纤7与保偏光耦合器8的输入端连接，保偏光耦合器8的输出端与保偏单模光纤9连接进行激光器输出。
本发明通过在泵浦光和SESAM中间加入二色镜，该二色镜可以反射980nm波长的泵浦光直接耦合进入腔内，但是可以让1570nm的信号光通过，这样就可以避免泵浦光和SESAM的直接接触，提高了损伤阈值，其中自聚焦透镜对信号光和泵浦光起到了聚焦的作用，它们的距离和角度都是经过严格设计的。在我们的实验过程中，同时采用两个半导体激光器进行泵浦时，总的泵浦能量达到1200mW左右，该SESAM仍然能够稳定工作，说明了该设计的有效性。
在图2所示的实施实例中：在泵浦功率为150mW的时候，输出脉冲的平均功率为6mW左右，对应的单个脉冲能量为7.2pJ，此时输出脉冲的频谱图和自相关曲线如图2所示。
其中，图2(a)所示的是光谱仪测量得到的输出脉冲光谱图，测量时光谱仪的分辨率是0.02nm，脉冲的均方根(RMS)谱宽大约为12.7nm，假设输出脉冲为孤子脉冲的话，我们可以计算得到傅里叶转换极限脉宽为207fs。图中的点画线是中心频率为1572.3nm的双曲正割曲线，从图中可以看出来两者符合地很好，这说明我们得到的光脉冲是一个典型的孤子脉冲。在这里，光谱没有出现Kelly边带是因为边带的位置和腔长成反比，在腔长为12cm的情况下，此时边带位置和大小已经在有效光谱范围外了。
图2(b)所示的是自相关仪测量得到的自相关曲线，为了测量得到该曲线，需要将输出脉冲的平均功率通过一段掺铒增益光纤放大到40mW左右，假设脉冲是双曲正割型脉冲的话，我们可以计算得到脉宽为374fs，该脉宽与上面计算得到的傅里叶转换极限脉宽有差别，这差别主要来源于腔外放大光纤和测量链路的色散。
在图3所示的实施实例中：调节泵浦源的输入光功率，通过测量通过该光学器件后的泵浦光功率得到的耦合曲线如图3所示，从图中可以看出输出光功率和输入光功率大小成正比关系，该光学器件对于980nm泵浦光的耦合效率约为70％左右。
在图4所示的实施实例中：显示了由频谱仪测量的激光器频谱特性。为了进一步研究输出光脉冲的特性，我们用带宽为5GHz的光电探测器测量得到的电频谱图如图4所示。
图4(a)是多阶谐波的电谱图，可以看出输出脉冲质量还是很不错的，信噪比达到了75dB，图4(b)所示的是范围为10MHz，分辨率为51kHz情况下的基频脉冲电谱图，从图中可以看出该光纤激光器精确的重复频率为835MHz。
在图5所示的实施实例中：在测量脉宽的时候，由于自相关仪对待测量脉冲能量的要求，所以需要对输出脉冲进行放大才能对输出脉宽进行测量，测量链路包括放大部分的增益光纤和测量部分的普通光纤，这里保持增益光纤长度为2m不变，研究的是测量部分普通光纤长度对脉宽的影响，其实验结果如图5所示。当测量链路的长度分别为2.5m，2.8m，3m和3.6m，测量得到的脉宽分别为374fs，402fs，441fs和489fs，可以看出随着测量链路中普通光纤长度的增加，脉宽随之展宽，这是因为该光纤激光器输出的孤子脉冲没有啁啾，普通光纤中存在的色散会引起时域脉宽的展宽，所以为了得到尽可能窄的脉宽需要合理补偿腔外色散。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，其特征在于，由光学结构和激光器线性腔两部分组成闭合线性腔，其中，光学结构部分包括半导体可饱和吸收镜(1)、第一自聚焦透镜(4)、偏振片(2)、二色镜(3)和第二自聚焦透镜(5)，激光器线性腔部分包括泵浦源(6)保偏掺铒光纤(7)、保偏光耦合器(8)和保偏单模光纤(9)，泵浦光和信号光通过自聚焦透镜(5)聚焦到二色镜(3)，二色镜(3)泵浦光反射进入保偏掺铒光纤(7)，将信号光透过进入偏振片(2)，并经由第一自聚焦透镜(4)进行聚焦后打到半导体可饱和吸收镜(1)上进行可饱和吸收并且反射，经由上述光学结构进入保偏掺铒光纤(7)，保偏掺铒光纤(7)与保偏光耦合器(8)的输入端连接，保偏光耦合器(8)的输出端与保偏单模光纤(9)连接进行激光器输出。
2.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源(6)为带有尾纤的中心波长位于980nm的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的保偏掺铒光纤(7)的工作中心波长为1550nm。
4.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的保偏掺铒光纤(7)在工作中心波长处的色散值为-20fs2/mm。
5.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的保偏光耦合器(8)采用反射式输出方式，输出比例为20％。
6.根据权利要求1所述的基于可饱和吸收体的高重频全保偏掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的保偏光耦合器(8)工作波段为1550nm波段。
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| 黄林豪: "高重频低抖动的锁模光纤激光器的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (信息科技辑)》 * |
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