CN114336237A - 基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源 - Google Patents

Abstract

基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源，属于激光器技术领域，为了解决现有技术存在的问题，第一泵浦源、第二泵浦源分别与第一波分复用器的a端、第二波分复用器的d端连接，再分别通过第一波分复用器的c端、第二波分复用器的f端注入到掺铒光纤；第一波分复用器的信号端b端、第一色散补偿光纤、第一偏振无关隔离器与1×2耦合器的输入端g依次连接，第二波分复用器的e端与第一偏振控制器连接，耦合器h端与第一偏振控制器接，耦合器i端、第二偏振控制器、第二色散补偿光纤接、第二偏振无关隔离器与第二掺铒光纤依次连接；第三波分复用器的l端与第二掺铒光纤连接，第三波分复用器的j端与第三泵浦连接，其k端作为激光输出端。

Description

基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源

技术领域

本发明涉及一种基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源，属于激 光器技术领域。

背景技术

被动锁模飞秒光纤激光器可在光纤谐振腔中产生脉冲时域宽度达到飞秒量 级(10^-15)的超短激光脉冲,在医疗、通信、材料加工、测距、生物技术、国防等领 域具有重要的应用。被动锁模飞秒激光的产生通过锁模的方法实现，传统的锁 模光纤激光器采用常规石英光纤作为谐振腔，其工作状态易受温度、振动等外 界环境影响。基于渐变折射率多模光纤结构的锁模激光器，相对于单模光纤转 换效率高、散热性能好，因此产生的飞秒激光性能好，适合更多条件下的实际 应用，并且其结构紧凑、效率高、成本低，适合批量生产。

目前采用在多模光纤谐振腔结构中产生飞秒激光的方法主要有以下两种： 其一为采用基于非线性多模光纤的腔结构，产生常规孤子、类噪声、耗散孤子、 展宽脉冲等飞秒脉冲；其二为采用基于混合多模光纤的腔结构，产生常规孤子 脉冲、束缚态脉冲等飞秒脉冲。其中，第一种方法需要较长的腔长来增加非线 性相移，较大的传输损耗导致该结构通常具有较高的锁模阈值。第二种方法通 过将不同多模光纤熔接在一起来引入相移降低了锁模阈值，但是输出的锁模脉 冲类型较为单一，通常为常规孤子脉冲。

中国专利公开号为“CN108321671A”，公开了“一种基于渐变折射率多模光 纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器”，该激光器包括半导体泵浦源以及依次 形成光回路的波分复用器、掺饵光纤、偏振无关隔离器、渐变折射率光纤可饱 和吸收体器件、输出耦合器。其中,渐变折射率光纤可饱和吸收体器件基于渐变 折射率光纤中的非线性多模干涉效应起到可饱和吸收体的作用,由两段单模光纤 中间熔接一段渐变折射率多模光纤构成,所述可饱和吸收体器件两端固定在可移 动的光纤夹具上,用以改变光纤长度。所述光纤激光器真正实现了锁模激光器的 全光纤化,具有结构简单、损伤阈值高等优点,极大地提高了锁模激光器的稳定性 以及实用性。

该技术通过采用被动锁模光纤激光器,为环形腔结构,其包括半导体泵浦源 以及依次形成光回路的波分复用器、用于产生激光所需的反转粒子数的掺饵光 纤、用于确保激光单向传输的偏振无关隔离器、作为锁模元件的渐变折射率光 纤可饱和吸收体器件以及用于激光输出的输出耦合器,其中,渐变折射率多模光 纤可饱和吸收体器件的两端分别固定在两个可移动的光纤夹之间,用于拉伸光纤, 改变渐变折射率光纤的长度。

发明内容

本发明为了解决现有多模渐变折射率光纤飞秒光纤激光器脉冲类型单一、 多模光纤长度受限的问题，提出一种基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉 冲光源。可在短腔长工作条件下，实现锁模飞秒激光的自启动，结构简单，飞 秒脉冲稳定，可进一步推动多模光纤飞秒光纤激光器的批量生产及产业化。

本发明采用以下技术方案：

基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源，其特征是，该光源包括 第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦、第一波分复用器、第二波分复用器、第 三波分复用器、第一掺铒光纤、第二掺铒光纤、第一色散补偿光纤、第二色散 补偿光纤、1×2耦合器、第一偏振无关隔离器、第二偏振无关隔离器、第一偏振 控制器和第二偏振控制器；

第一泵浦源、第二泵浦源分别与第一波分复用器的a端、第二波分复用器 的d端连接，构成双向泵浦结构，再分别通过第一波分复用器的c端、第二波 分复用器的f端注入到掺铒光纤；第一波分复用器的信号端b端与第一色散补偿 光纤连接，第一色散补偿光纤的另一端与第一偏振无关隔离器连接，第一偏振 无关隔离器的另一端与1×2耦合器的输入端g连接，第二波分复用器的e端与 第一偏振控制器连接，耦合器h端与第一偏振控制器接，耦合器i端与第二偏振 控制器连接，第二偏振控制器与第二色散补偿光纤接，第二色散补偿光纤与第 二偏振无关隔离器连接，第二偏振无关隔离器与第二掺铒光纤连接，第三波分复用器的l端与第二掺铒光纤连接，第三波分复用器的j端与第三泵浦连接，第 三波分复用器的k端作为激光输出端。

该光源结构中除第一偏振控制器挤压0.8m渐变折射率多模光纤，其他全部 光纤及器件的尾纤均为单模光纤，实现谐振腔结构。

所述第一掺铒光纤作为增益光纤，输出激光为1.55μm波段。

利用旋转第一偏振控制器来控制渐变折射率多模光纤的相移量，以实现锁 模激光输出。

本发明有益效果：

本发明采用多模渐变折射率光纤的光纤激光器可自启动、飞秒脉冲稳定性 好。通过合适地控制光纤谐振腔的总色散值及非线性效应等参数，可分别实现 传统展宽脉冲、束缚态孤子分子脉冲两种工作状态。

本发明采用的多模光纤可饱和吸收体结构，输出激光脉冲宽度窄，稳定性 好。该激光器应用了啁啾脉冲放大结构，可实现飞秒脉冲自启动，对复杂环境 的适应性强，适合大批量生产，可大规模应用工业加工、科学研究等领域。

附图说明

图1为本发明基于渐变折射率多模光纤可饱和吸收体的被动锁模光纤激光 器结构示意图。

图2为渐变折射率多模光纤可饱和吸收体结构图。

图3为渐变折射率多模光纤可饱和吸收体透射谱。

图4(a)为展宽脉冲光谱图、(b)为展宽脉冲时域序列图、(c)为展宽脉 冲频谱图、(d)为展宽脉冲自相关曲线。

图5(a)为色散管理孤子分子光谱图、(b)为色散管理孤子分子自相关。

图6(a)为啁啾脉冲放大后的光谱图、(b)为自相关图。

图7为泵浦功率增加输出功率的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

如图1所示，基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源，其特征在 于，该激光器包括第一泵浦源1、第二泵浦源2、第三泵浦11、第一波分复用器 3、第二波分复用器4、第三波分复用10、第一掺铒光纤12、第二掺铒光纤15、 第一色散补偿光纤13、第二色散补偿光纤14、1×2耦合器6、第一偏振无关隔 离器5、第二偏振无关隔离器9、第一偏振控制器7和第二偏振控制器8。

第一泵浦源1、第二泵浦源2分别与第一波分复用器3的a端、第二波分复 用器4的d端连接，构成双向泵浦结构，再分别通过第一波分复用器3的c端、 第二波分复用器4的f端注入到掺铒光纤12；第一波分复用器3的信号端b端 与第一色散补偿光纤13连接，第一色散补偿光纤13的另一端第一偏振无关隔 离器5连接，第一偏振无关隔离器5的另一端与1×2与耦合器6的输入端g连 接，第二波分复用器4的e端与第一偏振控制器7连接，耦合器6的h端与第 一偏振控制器7连接，耦合器6的i端与第二偏振控制器8连接，第二偏振控制 器8与第二色散补偿光纤14连接，第二色散补偿光纤14与第二偏振无关隔离 器9连接，第二偏振无关隔离器9与第二掺铒光纤15连接，第三波分复用器10 的l端与第二掺铒光纤15连接，第三波分复用器10的j端与第三泵浦11连接， 第三波分复用器10的k端作为激光输出端。

结构中渐变折射率多模光纤增加非线性相移，掺铒光纤、偏振无关隔离器、 波分复用器和色散补偿光纤构成色散管理结构，用来实现谐振腔内多纵模的相 位锁定，偏振控制器可以改变多模光纤的透过率，从而降低锁模阈值。同时开 启第一泵浦源和第二泵浦源，当谐振腔内增益足够时，无需任何额外的机械或 电学控制，即可实现锁模脉冲的自启动。

该激光器结构中除多模光纤外全部光纤及器件的尾纤均为单模光纤，实现 谐振腔结构。

掺铒光纤12作为增益介质，用来产生1.55μm波段增益，为实现其它波段 的激光输出，增益光纤还可以选取其它掺杂元素的保偏光纤，如镱、铥、钬等。

第一偏振控制器中挤压渐变折射率多模光纤，随着旋转偏振控制器可以改 变多模光纤的透过率，用于提供非线性相移，同时可以消除多模长度限制。

啁啾脉冲放大结构用来将腔内输出的脉冲尽可能的压缩到极限，使脉宽较 窄。

开启第一泵浦源1和第二泵浦源2，并增加功率总和至445mW并调节偏振 控制器，由于激光器谐振腔是由大正色散光纤和负色散光纤组成的周期性色散 管理系统，脉冲在光纤中传输会经历周期性的展宽和压缩。在正色散区域，脉 冲积累了大量的正啁啾而展宽，随后进入负色散区域，脉冲的正啁啾得到合适 的补偿，脉冲得到压缩，在这种“呼吸”的过程中，脉冲避免了过多非线性相移的 积累，经过多次循环后输出展宽脉冲。

为了获得更窄的展宽脉冲，在腔外对输出脉冲的脉冲宽度进行压缩。脉冲 宽度最小能被压缩至280.1fs，此时的TBP为2.01。在功率放大的过程中，引入 的某些非线性啁啾不能被色散补偿抵消，导致压缩后的实际脉宽与理论转换极 限脉宽之间仍存在一定的差距。

第一波分复用器3的a、b、c端及第二波分复用器4的d、e、f端分别为泵 浦端、信号端和公共端。1×2耦合器6的g、h、i端分别为第一输入端、第二输 入端、第一输出端。第三波分复用器10的k端为第二输出端。

如图4所示，引入保偏相移器7后，当非线性放大环路的非线性相移量为0 时，其透过率可提升至高于0.5。这个过程可等效于，当第一泵浦源1和第二泵 浦源2刚开启时，非线性放大环路具有较大的瞬时透过率，实现锁模脉冲自启 动。

图3中的SMS结构为类可饱和吸收体的示意图。其中光束从SMF1注入 MMF，并耦合到另一端SMF2中。在忽略模式转换的情况下，来自SMF1的入 射光传播到GIMF后激发出高阶模并沿多模光纤传播，在多模光纤内任意位置 的光场为所有模式的线性叠加，则在某一特定距离处的光场与入射光场相同， 这就是多模干涉的自成像现象。

图4(a)为展宽脉冲光谱图，中心波长为1528nm，3dB带宽为37.2nm。图4(b) 为展宽脉冲序列，脉冲时域间隔为37.03ns，图4(c)为孤子脉冲频谱，重复频率 为27.02MHz，基频信噪比为52.7dB，证明孤子脉冲具有较好的噪声特性，图 4(d)为孤子脉冲自相关，脉冲宽度为973.2fs。

图6(a)为色散管理孤子分子脉冲光谱图，调制周期为0.32nm，图6(b)为色 散管理孤子分子脉冲自相关，脉冲宽度为4.04ps。

本发明可在同一谐振腔结构中产生展宽脉冲和色散管理孤子分子脉冲两种 脉冲。如图7所示，当第一泵浦源1和第二泵浦源2的总功率低于445mW时， 该光源工作在锁模状态，当总泵浦功率高于850mW时，该光源工作在色散管理 孤子分子锁模状态。实际应用中，需通过合适地设置泵浦功率，即可实现展宽 脉冲和色散管理孤子分子脉冲的相互转换，可根据实际需求，选取合适的工作 状态。该光源在自启动和状态切换的过程中，需偏振态调节机制，操作简单。 如对输出功率有特定需求，可将该光源直接连接至功率放大模块，如主振荡功 率放大器和啁啾脉冲放大器等。

Claims (4)

1.基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源，其特征是，该光源包括第一泵浦源(1)、第二泵浦源(2)、第三泵浦(11)、第一波分复用器(3)、第二波分复用器(4)、第三波分复用器(10)、第一掺铒光纤(12)、第二掺铒光纤(15)、第一色散补偿光纤(13)、第二色散补偿光纤(14)、1×2耦合器(6)、第一偏振无关隔离器(5)、第二偏振无关隔离器(9)、第一偏振控制器(7)和第二偏振控制器(8)；

第一泵浦源(1)、第二泵浦源(2)分别与第一波分复用器(3)的a端、第二波分复用器(4)的d端连接，构成双向泵浦结构，再分别通过第一波分复用器(3)的c端、第二波分复用器(4)的f端注入到掺铒光纤(12)；第一波分复用器(3)的信号端b端与第一色散补偿光纤(13)连接，第一色散补偿光纤(13)的另一端与第一偏振无关隔离器(5)连接，第一偏振无关隔离器(5)的另一端与1×2耦合器(6)的输入端g连接，第二波分复用器(4)的e端与第一偏振控制器(7)连接，耦合器(6)的h端与第一偏振控制器(7)连接，耦合器(6)的i端与第二偏振控制器(8)连接，第二偏振控制器(8)与第二色散补偿光纤(14)连接，第二色散补偿光纤(14)与第二偏振无关隔离器(9)连接，第二偏振无关隔离器(9)与第二掺铒光纤(15)连接，第三波分复用器(10)的l端与第二掺铒光纤(15)连接，第三波分复用器(10)的j端与第三泵浦(11)连接，第三波分复用器(10)的k端作为激光输出端。

2.根据权利要求1所述的基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源，其特征在于，该激光器结构中除第一偏振控制器(7)中挤压0.8m渐变折射率多模光纤，其他全部光纤及器件的尾纤均为单模光纤，实现谐振腔结构。

3.根据权利要求1所述的基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源，其特征在于，所述第一掺铒光纤(12)作为增益光纤，输出激光为1.55μm波段。

4.根据权利要求2所述的基于渐变折射率多模光纤的百飞秒超短脉冲光源，其特征在于，利用旋转第一偏振控制器(7)来控制渐变折射率多模光纤的相移量，以实现锁模激光输出。

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