CN114188809A - 一种大能量全光纤时空锁模激光器及其控制方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤激光器技术领域，公开了一种大能量全光纤时空锁模激光器及其控制方法、应用，包括多模泵浦源、波分复用器、掺镱少模增益光纤、7:3输出耦合器、偏振控制器和偏振敏感隔离器。所述多模泵浦源经过渐变折射率多模光纤接入波分复用器，波分复用器与掺镱少模增益光纤熔接，掺镱少模增益光纤与7:3输出耦合器熔接，7:3输出耦合器与偏振敏感隔离器熔接，所述偏振敏感隔离器与波分复用器熔接。本发明减小了激光腔内的损耗同时引入光谱滤波的效果，使光纤激光器在1微米波段更容易实现模式锁定，实现了大能量耗散孤子的输出，具有结构简单、利于全光纤集成化、高平均功率输出、大脉冲能量和便于实现稳定锁模的优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，尤其涉及一种大能量全光纤时空锁模激光器及其控制方法、应用，通过优化渐变折射率多模光纤中的自映像点和调节偏振旋转锁模结构可以实现大能量时空耗散孤子的输出。
背景技术
上世纪八十年代末，锁模技术成功在光纤激光器中获得了超短飞秒脉冲。现今，具有大能量的超短脉冲光纤激光器已逐步应用于材料加工处理、激光医疗、激光雷达、微纳加工和国防军事等领域，对能量提升的研究在超短脉冲激光器中也是前沿课题，且被相关领域的研究人员所重视。
在传统光纤激光器中，可通过锁定激光各个纵模之间相位差得到超短脉冲。其获得的方法主要可分为主动锁模和被动锁模两种，主动锁模是通过加入声光或电光调制器件产生超短脉冲，其优点是可以产生高重频、中心波长和重复频率可调谐的脉冲，但由于调制器大多尺寸较大，难以实现激光器的集成化。被动锁模可由非线性器件与光场间发生相互作用从而获得超短脉冲，其优点是利于全光纤集成化。被动锁模主要包括利用可饱和吸收镜、构造非线性光纤环境(8字腔，9字腔)锁模和采用非线性偏振旋转(在腔中加入偏振控制器和偏振敏感隔离器)锁模。
由于科研人员对单横模的锁模光纤激光器及其应用已经进行了详尽的探索与挖掘，在超快光纤领域和光学频率梳等用途中的到了较好的应用，人们已经建立了一套较好的非线性动力学体系去理解单横模锁模光纤激光器的脉冲非线性传输过程。如今单横模的光纤激光器已经不能完全满足现有的需求，多模光纤激光器为非线性波的传播与应用能力的研究开辟了新的方向。由于多横模的输出相较于单模具有很高的平均功率，但难以获得短脉冲和低噪声的输出。在多横模锁模光纤激光器中需要对纵模和横模同时进行锁定，光在腔内演化是(3+1)维的，具有更丰富的非线性现象。多模脉冲的输出需要以多模光纤为载体，而多模光纤具有较大的模间色散。因此，多横模运行机制的复杂程度会远超单模的情况。实现多模光纤激光器的时空锁定有助于将其拓展到新的研究平台。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
现有的全光纤时空锁模激光器存在低平均功率和低单脉冲能量输出的限制。
解决以上问题及缺陷的难度为：解决全光纤时空锁模激光器低平均功率和低单脉冲能量的问题需要对整个光纤环形腔进行优化，研究人员忽视了多模干涉效应带来的能量损耗问题。若要输出高平均功率、大能量的脉冲需要非常精确控制多模干涉效应结构中的多模光纤长度，使得光纤自成像点与下一段少模光纤的入射端重合。
解决以上问题及缺陷的意义为：时空锁模中多模光纤的引入使得能量不再受限于单模光纤模场面积小的限制，然而未能很好地控制多模干涉效应也会使激光腔整体输出能量和功率变小。精确控制后能获得更高的平均功率和脉冲能量，能更好地将时空锁模光纤激光器应用于实际生产，如高能加工、激光雷达、精密测量等领域。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大能量全光纤时空锁模激光器及其控制方法、应用。
本发明是这样实现的，一种大能量全光纤时空锁模激光器及其控制方法、应用包括：产生大能量的超快涡旋光用于光镍和涡旋光微加工；用于模分复用实现光学频率梳进行精密测量和传感；用于制作激光雷达实现扫描成像。
多模泵浦源，用于对激光工作物质进行激励；
波分复用器，用于将泵浦光和信号光耦合进同一根光纤中；
掺镱少模增益光纤，用于通过增益物质受泵浦源发出的光激发产生一微米波段的激光；
7:3输出耦合器，用于将光纤环形腔内的光分成两束，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；
偏振控制器，用于改变光纤环形腔内由非线性偏振旋转引起的可饱和吸收效应，实现稳定的锁模效果；
偏振敏感隔离器，用于使光纤环形腔内泵浦光和信号光进行单方向传输；
所述多模泵浦源经过渐变折射率多模光纤接入波分复用器，所述波分复用器与掺镱少模增益光纤熔接，所述掺镱少模增益光纤与7:3输出耦合器熔接，所述7:3输出耦合器与偏振敏感隔离器熔接，所述偏振敏感隔离器与波分复用器熔接。
进一步，所述波分复用器、掺镱少模增益光纤、7:3输出耦合器和偏振敏感隔离器依次连接组成光纤环形腔。
进一步，所述多模泵浦源为976nm多模泵浦源，所述波分复用器为976/1030nm波分复用器。
进一步，所述振敏感隔离器两端尾纤缠绕进偏振控制器中形成非线性偏振旋转锁模结构。
进一步，所述波分复用器的尾纤为少模光纤，7:3输出耦合器的尾纤为渐变折射率多模光纤，偏振敏感隔离器的尾纤为少模光纤。
本发明的另一目的在于提供一种大能量全光纤时空锁模激光器的控制方法，所述大能量全光纤时空锁模激光器的控制方法包括：
步骤一，多模泵浦源通过波分复用器对掺镱少模增益光纤进行泵浦并产生激射光；
步骤二，激射光通过输出7:3耦合器时，输出30％的光用于测量观察，剩余70％的光在环形腔内继续循环；
步骤三，激射光通过多模光纤后，在多模光纤尾端会引入光谱滤波和空间滤波的效果以保证对脉冲进行周期性削弱，从而实现时空耗散孤子的输出；
步骤四，最后激射光经过保证光路单向运转的偏振敏感隔离器后重新进入波分复用器形成循环。
进一步，步骤三中，所述光谱滤波和空间滤波采用光谱-空间滤波结构，所述光谱-空间滤波结构由掺镱少模增益光纤、多模渐变折射率光纤和少模光纤构成；
在少模光纤和多模渐变折射率光纤之间的拼接点激发了大量模式，描述为：
其中N，an和en分别是第N个激发模、激发系数和模场分布，模式的分布表示为
βn为每种模式自己的传播常数，激发模的相位差满足(βi-βj)Ls＝2nπ的条件，即此时的模场与初始场分布相同；多模渐变折射率光纤的自成像周期描述为
其中Δ为多模渐变折射率光纤的相对折射率差。
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：本发明实现了高平均功率、大脉冲能量的全光纤时空锁模光纤激光器。解决了当前全光纤时空锁模激光器输出功率小、能量小的缺点。因此该激光器具有很大的前景，能应用于涡旋光、光频梳等领域。同时全光纤结构使得激光器受外界扰动小，能更好地用于室外作业。
本发明提供了一种基于多模干涉效应的大能量全光纤时空锁模激光器，由于1微米波段的限制因素，光纤激光器在该波段实现锁模的难度相对于1.55微米波段更大。多模光纤在腔内起到了光谱滤波的效应，能周期性削弱光谱，使得激光器更容易实现锁模。不仅如此，多模光纤在腔内带来的多模干涉效应具有空间滤波效应，当多模光纤的自映像点与下一段少模光纤重合时，能获得更大的耦合效率实现大能量输出。本发明通过同时控制多模光纤带来的光谱滤波和空间滤波，调节偏正控制器实现了大能量锁模脉冲的输出。本发明在光纤的全正色散区实现了一种结构简单、低成本、利于全光纤集成化、高平均功率、大脉冲能量且利于锁模的全光纤时空锁模激光器。
本发明提供的大能量全光纤时空锁模激光器在诸多已知领域的有潜在应用。对多横模光纤激光器进行纵向和横向模式的同时锁定可以增大锁模激光的脉冲能量。时空锁模光纤激光器在空分复用，光频梳和涡旋光等领域具有潜在的研究价值。大能量耗散孤子的输出可以应用于激光加工、激光雷达和激光医疗等领域。由于全光纤结构的锁模光纤激光器具有无需对准、结构简单和高稳定性等优点，较体结构的时空锁模光纤激光器便于集成化和封装。
本发明通过控制光谱-空间滤波结构中的光谱滤波和空间滤波效应，减小了激光腔内的损耗同时引入光谱滤波的效果，使光纤激光器在1微米波段更容易实现模式锁定，实现了大能量耗散孤子的输出。非线性偏振旋转作为一种超快可饱和吸收体，实现了多横模脉冲同时锁定。
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大能量全光纤时空锁模激光器的结构原理示意图。
图中：1、976nm多模泵浦源；2、976/1030nm波分复用器，其尾纤尺寸为10/125；3、掺镱少模增益光纤；4、7:3输出耦合器.其尾纤尺寸为50/125；5、第一偏振控制器；6、偏振敏感隔离器，其尾纤尺寸为10/125；7、第二偏振控制器。
图2是本发明实施例提供的光谱-空间滤波结构示意图。
图3是本发明实施例提供的光束在光谱-空间滤波结构中强度分布模拟图。
图4是本发明实施例提供的光谱-空间滤波结构引入的透射谱模拟示意图。
图5是本发明实施例提供的时空锁模光纤激光器输出光斑X截面能量分布、脉冲序列和光谱随着与泵浦功率关系示意图。
图6是本发明实施例提供的时空锁模状态下输出平均功率与输入泵浦功率关系示意图。
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，本发明提供了一种大能量全光纤时空锁模激光器及其控制方法、应用，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大能量全光纤时空锁模激光器包括：976nm多模泵浦源1、976/1030nm波分复用器2、掺镱少模增益光纤3、7:3输出耦合器4、偏振控制器和偏振敏感隔离器6。976/1030nm波分复用器2、掺镱少模增益光纤3、7:3输出耦合器4、偏振敏感隔离器6依次连接组成光纤环形腔结构，976nm多模泵浦源经过多模光纤接入976/1030nm波分复用器，将偏振敏感隔离器两端尾纤缠绕进偏振控制器中形成非线性偏振旋转锁模结构，通过优化7:3输出耦合器的尾纤长度并调节偏振控制器实现时空耗散孤子的输出。
976/1030nm波分复用器尾纤尺寸为10/125；7:3输出耦合器尾纤尺寸为50/125；偏振敏感隔离器尾纤尺寸为10/125。
本实施例中976nm多模泵浦源通过976/1030nm波分复用器对掺镱少模增益光纤进行泵浦并产生1036nm的激射光，通过输出7:3耦合器时，输出30％的光用于测量观察，剩余70％的光在环形腔内继续循环，激射光通过多模光纤后，在多模光纤尾端会引入光谱滤波和空间滤波的效果以保证对脉冲进行周期性削弱，从而实现时空耗散孤子的输出，最后经过保证光路单向运转的偏振敏感隔离器后重新进入976/1030nm波分复用器形成循环。
如图2所示，光谱-空间滤波结构由掺镱少模增益光纤、多模渐变折射率光纤和少模光纤构成。
以光束由掺镱少模增益光纤进入多模渐变折射率光纤为例说明在多模渐变折射率光纤中发生干涉，从而具有光谱滤波和空间滤波的特性。当光在多模渐变折射率光纤中传播时，由于各种横模的干扰，多模渐变折射率光纤中的功率会发生周期性变化。在少数模式光纤和多模渐变折射率光纤之间的拼接点激发了大量模式，可以描述为：
其中N，an和en分别是第N个激发模、激发系数和模场分布，考虑到每种模式都有自己的传播常数βn，模式的分布表示为：
激发模的相位差满足(βi-βj)L，＝2nπ的条件，即此时的模场与初始场分布相同；多模渐变折射率光纤的自成像周期描述为
其中Δ为多模渐变折射率光纤的相对折射率差。
根据以上公式分析，模拟光束在光谱-空间滤波结构的传输，结果如图3所示，说明该结构对光束起着空间滤波的作用，输出强度随着滤波器的参数变化而变化。光在多模和少模光纤中会发生自成像效应，强度会随着传播距离变化。当多模渐变折射率光纤长度为(n+1)Ls时，光束几乎无损耗进入少模光纤中，耦合效率最高；当多模渐变折射率光纤长度为(n+3/4)Ls时，耦合效率次之；当多模渐变折射率光纤长度为(n+1/2)Ls时，耦合效率最低，此时会给腔内带来很大的损耗。
考虑多模渐变折射率光纤中的光谱滤波效应，在其中的横向电场可以描述为
其中
ψ'＝(η′-1)/(η′+1)w和w'是多模渐变折射率光纤前后段的模场直径。f(L)＝ψeXp(-i2nz/Ls)是描述电场周期性变化的周期函数，采用2.7m长的多模渐变折射率光纤，模拟得到的该结构的透射谱为图4，说明该结构在不同波长情况下透射率不同，从而实现光谱滤波。该结构起着带通滤波的作用，利于耗散孤子的建立。
根据以上模拟结果搭建了时空锁模光纤激光器，实验测得输出光斑X截面能量分布、脉冲序列和光谱随着与泵浦功率关系见图5。说明泵浦功率在1.6W到2.8W之间，激光器能实现时空耗散孤子的输出。光斑X截面说明激光器一直在多横模状态下运转且锁模范围内的光谱和脉冲符合耗散孤子的特征，以此验证了激光器实现时空锁模的状态。
时空锁模状态下输出平均功率与输入泵浦功率关系如图6所示。在锁模状态下，信号光与泵浦光斜率效率为10.3％，当泵浦功率为2.8W时，输出功率为215mW，对应单脉冲能量为6nJ，相对于传统的单模孤子的单脉冲能量提升了60倍。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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 (10)
1.一种大能量全光纤时空锁模激光器，其特征在于，所述大能量全光纤时空锁模激光器包括：
多模泵浦源，用于对激光工作物质进行激励；
波分复用器，用于将泵浦光和信号光耦合进同一根光纤中；
掺镱少模增益光纤，用于通过增益物质受泵浦源发出的光激发产生一微米波段的激光；
7:3输出耦合器，用于将光纤环形腔内的光分成两束，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；
偏振控制器，用于改变光纤环形腔内由非线性偏振旋转引起的可饱和吸收效应，实现稳定的锁模效果；
偏振敏感隔离器，用于使光纤环形腔内泵浦光和信号光进行单方向传输；
所述多模泵浦源经过渐变折射率多模光纤接入波分复用器，所述波分复用器与掺镱少模增益光纤熔接，所述掺镱少模增益光纤与7:3输出耦合器熔接，所述7:3输出耦合器与偏振敏感隔离器熔接，所述偏振敏感隔离器与波分复用器熔接。
2.如权利要求1所述的大能量全光纤时空锁模激光器，其特征在于，所述波分复用器、掺镱少模增益光纤、7:3输出耦合器和偏振敏感隔离器依次连接组成光纤环形腔。
3.如权利要求1所述的大能量全光纤时空锁模激光器，其特征在于，所述多模泵浦源为976nm多模泵浦源，所述波分复用器为976/1030nm波分复用器。
4.如权利要求1所述的大能量全光纤时空锁模激光器，其特征在于，所述振敏感隔离器两端尾纤缠绕进偏振控制器中形成非线性偏振旋转锁模结构。
5.如权利要求1所述的大能量全光纤时空锁模激光器，其特征在于，所述波分复用器的尾纤为少模光纤，7:3输出耦合器的尾纤为渐变折射率多模光纤，偏振敏感隔离器的尾纤为少模光纤。
6.一种用于实施权利要求1～5任意一项所述的大能量全光纤时空锁模激光器的控制方法，其特征在于，所述大能量全光纤时空锁模激光器的控制方法用于产生大能量的超快涡旋光用于光镍和涡旋光微加工；用于模分复用实现光学频率梳进行精密测量和传感；用于制作激光雷达实现扫描成像；
包括：
步骤一，多模泵浦源通过波分复用器对掺镱少模增益光纤进行泵浦并产生激射光；
步骤二，激射光通过输出7:3耦合器时，输出30％的光用于测量观察，剩余70％的光在环形腔内继续循环；
步骤三，激射光通过多模光纤后，在多模光纤尾端会引入光谱滤波和空间滤波的效果以保证对脉冲进行周期性削弱，从而实现时空耗散孤子的输出；
步骤四，最后激射光经过保证光路单向运转的偏振敏感隔离器后重新进入波分复用器形成循环。
7.如权利要求6所述的大能量全光纤时空锁模激光器的控制方法，其特征在于，步骤三中，所述光谱滤波和空间滤波采用光谱-空间滤波结构，所述光谱-空间滤波结构由掺镱少模增益光纤、多模渐变折射率光纤和少模光纤构成；
在少模光纤和多模渐变折射率光纤之间的拼接点激发了大量模式，描述为：
其中N，an和en分别是第N个激发模、激发系数和模场分布，模式的分布表示为
βn为每种模式自己的传播常数，激发模的相位差满足(βi-βj)Ls＝2nπ的条件，即此时的模场与初始场分布相同；多模渐变折射率光纤的自成像周期描述为
其中Δ为多模渐变折射率光纤的相对折射率差。
8.一种权利要求1～5任意一项所述的大能量全光纤时空锁模激光器在材料加工处理中的应用。
9.一种权利要求1～5任意一项所述的大能量全光纤时空锁模激光器在激光医疗中的应用。
10.一种权利要求1～5任意一项所述的大能量全光纤时空锁模激光器在激光雷达中的应用。
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