CN113823988B - 一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法 - Google Patents

一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法，包括以下步骤：将有源光纤向两侧拉伸形成中间细两端粗的双锥体结构，锥区的包层和纤芯直径发生等比例的缩小；将已拉伸的双锥体结构有源光纤从中间位置截断，得到两个两端端面直径不同的锥形有源光纤，分为第一端面和第二端面，第二端面的直径大于第一端面；将得到的两根两端端面直径不同的锥形有源光纤选取其中一根作为增益介质，其第一端面与可饱和吸收体对接，第二端面与二向色镜对接，可饱和吸收体和二向色镜构成激光器的谐振腔；泵浦光从波分复用器进入谐振腔对锥形有源光纤进行泵浦，产生信号光并从波分复用器的信号端输出激光。

Description

一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法
技术领域
本发明属于被动锁模光纤激光器领域，具体涉及一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法。
背景技术
短脉冲间隔、大纵模间距的高重复频率脉冲在光频测量、高速光取样、超高速光通信、精细加工以及生物医学等众多领域中有非常重要的研究价值和应用潜力。Cheng等分别使用掺Yb3+光纤，掺Tm3+光纤和Er3+-Yb3+共掺光纤作为增益介质开展高重复频率光纤激光器的研究(Cheng H,Wang W,Zhou Y,et al. High-repetition-rate ultrafast fiberlasers[J].Optics Express,2018,26(13):16411)，为了实现高重复频率脉冲输出，其对应的谐振腔长度需要相应的缩短，调Q锁模的趋势将不可避免的增加，而较短的谐振腔长度意味着需要较高的泵浦功率，以获得足够的信号功率，使信号在可饱和吸收体上的能量密度足够高以使其达到深度饱和状态从而实现高基频锁模脉冲输出。在达到稳定连续波锁模阈值所需的功率之前，调Q不稳定性期间出现的高峰值功率会损坏腔内组件，且泵浦功率过高时会导致光在谐振腔内来回振荡时产生的高热量使锁模元件损坏。
发明内容
本发明所要解决的问题是在超高基频被动锁模光纤激光器系统中，当泵浦功率过低时无法达到锁模阈值实现锁模脉冲输出，而泵浦功率过高会损坏锁模元件的矛盾。为了解决重复频率提高与可饱和吸收体损伤之间的矛盾，实现在较低泵浦功率下就能获得超高基频锁模脉冲激光输出，本发明提出使用锥形有源光纤作为增益介质的方法，将锥形有源光纤的小端面与可饱和吸收体对接，即可减小光与可饱和吸收体接触一端光纤的横截面积，从而在泵浦功率不变的情况下增大光在可饱和吸收体单位面积的能量密度，实现在低锁模阈值情况下获得锁模脉冲输出，可以避免损坏锁模元件问题的发生，实现在较低泵浦功率下获得锁模脉冲输出。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法，包括以下步骤：
A.将有源光纤向两侧拉伸形成中间细两端粗的双锥体结构，双锥体结构的锥区中包层和纤芯的直径均缩小；
B.将已拉伸的双锥体结构有源光纤从中间位置截断，得到两个两端端面直径不同的锥形有源光纤，分为第一端面和第二端面，第二端面的直径大于第一端面；
C.将得到的两根两端端面直径不同的锥形有源光纤选取其中一根作为增益介质，其第一端面与可饱和吸收体对接，第二端面与二向色镜对接，可饱和吸收体和二向色镜构成激光器谐振腔；
D.泵浦光从波分复用器进入谐振腔对锥形有源光纤进行泵浦，产生信号光并从波分复用器的信号端输出激光。
优选地，双锥体结构锥区的包层和纤芯直径发生等比例的缩小。
优选地，两端端面直径不同的锥形有源光纤穿入直径匹配的陶瓷插芯中，并分别对两端进行垂直抛光操作。
优选地，所述谐振腔为法布里-珀罗线性腔。
优选地，使用半导体激光二极管作为泵浦源产生泵浦光。
优选地，通过减小光与可饱和吸收体接触的面积，在泵浦功率不变的情况下增大光在可饱和吸收体上单位面积的能量密度，获得非线性吸收，实现在低泵浦功率情况下获得锁模脉冲输出。
优选地，步骤A具体是通过电解水产生氢气和氧气在喷头处相遇产生氢氧焰作为加热源，火焰喷头移动以使有源光纤受热均匀，有源光纤的去除涂覆层部分在高温下发生熔融并在两端的夹具带动下分别向两侧拉伸形成中间细两端粗的双锥体结构。
优选地，火焰喷头下的有源光纤为去除涂覆层的有源光纤。
优选地，所述有源光纤为单模稀土掺杂光纤。
优选地，有源光纤的光纤归一化频率由第一端面决定：
Figure BDA0003223073000000031
其中，V第一端面是由锥形有源光纤较小端面直径计算的归一化频率，d第一端面是锥形有源光纤较小端面的直径，λ是有源光纤的工作波长，n1是有源光纤纤芯的折射率，n2是有源光纤包层的折射率，
Figure BDA0003223073000000032
是有源光纤的数值孔径。当1<V<2.405，光在有源光纤中进行单模传输，其中V是光纤的归一化频率。
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过使用锥形有源光纤作为激光器的增益介质的方法，在不改变泵浦功率的情况下增大了光在可饱和吸收体上的能量密度，可实现在低泵浦功率下达到锁模阈值实现锁模脉冲输出，从而避免了在较高泵浦功率下锁模元件发生损坏的情况发生。
附图说明
图1为本发明实施例基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法流程图；
图2为本发明实施例基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器结构示意图；
图3为本发明实施例中未拉锥有源光纤的输入输出曲线图；
图4为本发明实施例锥腰直径为60μm锥形有源光纤的输入输出曲线图；
图5为本发明实施例锥腰直径为40μm锥形有源光纤的实验光谱图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施实例对本发明的技术方案进行进一步详细说明。需要指出的是，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例一：
如图1、图2所示，一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法，包括以下步骤：
A.通过熔融拉锥法使有源光纤向左右两侧拉伸形成中间细两端粗的双锥体结构，锥区的包层和纤芯直径发生等比例的缩小；
B.将已拉伸的双锥体结构有源光纤从中间位置截断，得到两个两端端面直径不同的锥形有源光纤，每个锥形有源光纤含有第一端面和第二端面，第二端面的直径大于第一端面；
C.将得到的两根两端端面直径不同的锥形有源光纤选取其中一根作为增益介质，其第一端面与可饱和吸收体对接，第二端面与二向色镜对接，可饱和吸收体和二向色镜构成激光器谐振腔；
D.泵浦光从波分复用器进入谐振腔对锥形有源光纤进行泵浦，产生信号光并从波分复用器的信号端输出激光。
作为一种优选，所述有源光纤为单模稀土掺杂光纤。
为了使光能在锥形有源光纤中进行单模传输且仅存在基模HE11，即需要使有源光纤的归一化频率满足1<V<2.405，根据公式：
Figure BDA0003223073000000051
可得：
Figure BDA0003223073000000052
由于需要使锥形有源光纤较小端面直径计算的归一化频率满足1< V第一端面<2.405，可得需要使光纤的第一端面直径满足
Figure BDA0003223073000000053
其中，V小端面是由锥形有源光纤较小端面直径计算的归一化频率，d小端面是锥形有源光纤较小端面的直径，λ是有源光纤的工作波长，n1是有源光纤纤芯的折射率，n2是有源光纤包层的折射率，
Figure BDA0003223073000000054
是有源光纤的数值孔径。
在被动锁模光纤激光器系统中，使用熔融拉锥法制作的锥形有源光纤作为增益介质，通过减小光与可饱和吸收体接触一端光纤的横截面积，从而在泵浦功率不变的情况下增大光在可饱和吸收体上单位面积的能量密度，可以实现低阈值超高基频锁模脉冲激光输出。
实施例二：
未拉锥有源光纤与锥腰直径为60μm的锥形有源光纤的锁模对比实验，包括如下步骤：
(1)将无源光纤Coning SMF-28剥离涂覆层后放在可移动的电动平移台的凹槽中进行初步实验以调整拉锥参数获得锥腰直径为60μm的锥形光纤。通过电解水产生氢气和氧气后在火焰喷头处相遇产生超高能量的氢氧焰作为加热源，火焰喷头左右移动以使光纤受热均匀，随着平移台慢慢移动，去除涂覆层的光纤在高温下发生熔融并在两端的夹具带动下分别向左右两侧拉伸形成中间细两端粗的双锥体结构，锥区的包层和纤芯直径发生等比例的缩小；
(2)在调整好的拉锥参数下对CORACTIVE公司的SCF-YB550-4/125-19 光纤进行拉锥实验获得锥腰直径为60μm的锥形有源光纤；
(3)选取长度均为3cm的未拉锥有源光纤与60μm锥腰直径有源光纤插入陶瓷插芯后分别对两端进行垂直抛光操作；
(4)在相同的实验环境和条件下对长度同样为3cm的未拉锥有源光纤和 60μm锥腰直径有源光纤进行被动锁模实验。
其中，未拉锥有源光纤的包层直径为125μm，纤芯直径为4μm，选择工作波长为1060nm，代入公式计算其归一化频率
Figure BDA0003223073000000061
Figure BDA0003223073000000062
由于锥形有源光纤的包层直径和纤芯直径发生等比例缩小，因此对于锥腰直径为60μm的锥形有源光纤，其小端面纤芯直径为1.92μm，选择工作波长为1060nm，代入公式计算其归一化频率
Figure BDA0003223073000000063
均满足在有源光纤中进行单模传输的归一化频率条件1<V<2.405，即光在锥形有源光纤中可进行单模传输。
其中，通过图3和图4的对比可得，在同样获得3.32GHz锁模脉冲输出的情况下，锥腰直径为60μm的锥形有源光纤的锁模阈值(67.5mW)要明显低于未拉锥有源光纤的锁模阈值(97.5mW)，即通过使用锥形有源光纤作为增益介质可以有效的降低激光器的锁模阈值。
实施例三：
锥腰直径40μm的锥形有源光纤的锁模实验，包括如下步骤：
(1)将无源光纤Coning SMF-28剥离涂覆层后放在可移动的电动平移台的凹槽中进行初步实验以调整拉锥参数获得锥腰直径为40μm的锥形光纤。通过电解水产生氢气和氧气后在火焰喷头处相遇产生超高能量的氢氧焰作为加热源，火焰喷头左右移动以使光纤受热均匀，随着平移台慢慢移动，去除涂覆层的光纤在高温下发生熔融并在两端的夹具带动下分别向左右两侧拉伸形成中间细两端粗的双锥体结构，锥区的包层和纤芯直径发生等比例的缩小；
(2)在调整好的拉锥参数下对CORACTIVE公司的SCF-YB550-4/125-19 光纤进行拉锥实验获得锥腰直径为40μm的锥形有源光纤；
(3)选取长度为3cm的40μm锥腰直径有源光纤插入陶瓷插芯后分别对两端进行垂直抛光操作；
(4)在与实施例二相同的实验环境和条件下对长度同样为3cm的40μm锥腰直径有源光纤进行被动锁模实验。
其中，由于锥形有源光纤的包层直径和纤芯直径发生等比例缩小，因此对于锥腰直径为40μm的锥形有源光纤，其小端面纤芯直径为1.28μm，选择工作波长为1060nm，代入公式计算其归一化频率
Figure BDA0003223073000000071
不能满足有源光纤单模传输的归一化频率条件1<V<2.405，即光在锥形有源光纤中不能进行单模传输。
其中，根据图5可知，使用40μm锥腰直径光纤作为增益介质的激光器无法实现锁模脉冲输出，光谱表现为在多个波长区域激射的窄光谱形状，即各模式间发生相互耦合和干涉效应，导致有源光纤中不仅仅有基模传输，而且还存在其他的高阶模式，高阶模式会辐射到外空间中从而引起较大的传输损耗，因此无法实现锁模脉冲输出。
本发明通过熔融拉锥法使有源光纤向左右两侧拉伸形成中间细两端粗的双锥体结构，锥区的包层和纤芯直径发生等比例的缩小，将已拉伸的双锥体结构有源光纤从中间位置截断得到两个两端端面直径不同的锥形有源光纤。将得到的两根两端端面直径不同的锥形有源光纤选取其中一根作为增益介质，其小端面与可饱和吸收体对接，即可在有源光纤中有足够多的纵模频率落在增益介质的增益谱宽范围内得到放大形成足够多的纵模振荡的情况下，减小光与可饱和吸收体接触的面积，从而在泵浦功率不变时增大光在可饱和吸收体上单位面积的能量密度，获得非线性吸收，实现在低泵浦功率情况下获得锁模脉冲输出。
本发明可以避免损坏激光器和锁模元件情况发生，实现在低泵浦功率下获得锁模脉冲输出。但在使用本方法降低锁模阈值时，需要注意控制锥形有源光纤的锥腰直径不可过细。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.通过电解水产生氢气和氧气在喷头处相遇产生氢氧焰作为加热源，火焰喷头移动以使有源光纤受热均匀，去除涂覆层的有源光纤在高温下发生熔融并在两端的夹具带动下分别向两侧拉伸形成中间细两端粗的双锥体结构，双锥体结构锥区的包层和纤芯的直径缩小；
B.将已拉伸的双锥体结构有源光纤从中间位置截断，得到两根端面直径不同的锥形有源光纤，每根锥形有源光纤的第一端面的直径小于第二端面；
C.在得到的两根两端面直径不同的锥形有源光纤选取其中一根作为增益介质，其第一端面与可饱和吸收体对接，第二端面与二向色镜对接，可饱和吸收体和二向色镜构成激光器谐振腔；
有源光纤的光纤归一化频率由第一端面决定，使有源光纤的归一化频率满足1<V<2.405，根据公式：
Figure FDA0003905898550000011
其中，V第一端面是由锥形有源光纤较第一端面直径计算得到的归一化频率，d第一端面是锥形有源光纤第一端面的直径，λ是有源光纤的工作波长，n1是有源光纤纤芯的折射率，n2是有源光纤包层的折射率，
Figure FDA0003905898550000012
是有源光纤的数值孔径，当1<V<2.405，光在有源光纤中进行单模传输，其中V是光纤的归一化频率。
D.半导体激光二极管产生的泵浦光从波分复用器进入谐振腔对锥形有源光纤进行泵浦，产生信号光并从波分复用器的信号端输出激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法，其特征在于，双锥体结构锥区的包层和纤芯直径发生等比例的缩小。
3.根据权利要求1所述的一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法，其特征在于，将两端端面直径不同的锥形有源光纤穿入直径匹配的陶瓷插芯中，并分别对两端进行垂直抛光操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法，其特征在于：通过减小光与可饱和吸收体接触的面积，在泵浦功率不变的情况下增大光在可饱和吸收体上单位面积的能量密度，获得非线性吸收，实现在低泵浦功率情况下获得锁模脉冲输出。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于锥形有源光纤降低锁模阈值的激光器制作方法，其特征在于，所述有源光纤为单模稀土掺杂光纤。
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