CN114784605A - 一种多波长矢量脉冲光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多波长矢量脉冲光纤激光器，该光纤激光器包括一全光纤环形谐振腔，以及环形谐振腔上依次设有的由单模光纤(11)或保偏光纤(12)循环连接的：第一波分复用器(2‑1)、稀土离子掺杂的增益光纤(3)、第二波分复用器(2‑2)、双向分束器(10)、偏振控制器(9)、第一偏振分束器(7‑1)、第二偏振分束器(7‑2)、饱和吸收体(6)、四端口环形器(4)和第一波分复用器(2‑1)。与现有技术相比，本发明所涉及的光纤激光器能够在正交偏振方向上产生具有多个波长的调Q/锁模脉冲激光输出，并且具有全光纤结构和能够实现激光脉冲双向输出的特点。

Description

一种多波长矢量脉冲光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，具体涉及一种多波长矢量脉冲光纤激光器。
背景技术
光纤激光器在光纤通信、材料加工、医疗等领域具有重要应用价值。其中，多波长光纤激光器能够同时发射多个波长的激光，从而有效地简化将多个单一波长光源整合在一起的复杂结构。多波长光纤激光器在密集波分复用(DWDM)技术中具有重要的应用前景，为未来5G通信技术的发展提供有效支撑。
当前，多波长脉冲光纤激光器的结构设计有多种方式，比如：可以采用并联多个不同的光纤布拉格光栅来选择出不同波长的激光；也可以利用非线性偏振旋转锁模技术实现多个波长脉冲激光的同时输出；还可以利用光纤中的马赫-曾德效应获取多波长激光输出；等等。
然而，目前实现多波长脉冲光纤激光输出的方式大都是在标量近似下研究激光脉冲的多波长性质，而对于矢量脉冲光纤激光器的报道主要集中在单一波段，少有关于多波长矢量脉冲光纤激光器的报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以实现特定波段的多波长矢量脉冲激光的双向输出，克服当前研究单一偏振方向激光脉冲以及单一波长矢量激光脉冲局限性的多波长矢量脉冲光纤激光器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明主要针对多波长脉冲光纤激光器的矢量特性进行结构设计，通过利用偏振不敏感纳米材料饱和吸收体的饱和吸收特性，设计一种全光纤被动调Q/锁模脉冲光纤激光器，具体方案如下：
一种多波长矢量脉冲光纤激光器，该光纤激光器包括一全光纤环形谐振腔，以及环形谐振腔上依次设有的由单模光纤或保偏光纤循环连接的：
第一波分复用器(WDM)、稀土离子掺杂的增益光纤、第二波分复用器(WDM)、双向分束器(OC)、偏振控制器(PC)、第一偏振分束器(PBS)、第二偏振分束器(PBS)、饱和吸收体(SA)、四端口环形器和第一波分复用器(WDM)；
所述的第一波分复用器(WDM)和第二波分复用器(WDM)分别与激光二极管(LD)相连；所述的第一偏振分束器(PBS)和第二偏振分束器(PBS)之间还设有光纤时延线(DL)；所述的四端口环形器两端还分别设有啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)。
激光二极管(LD)发射出的泵浦光通过第一波分复用器(WDM)和第二波分复用器(WDM)耦合进环形谐振腔内，并被稀土离子掺杂的增益光纤所吸收；四端口环形器和双向分束器(OC)分别对环形谐振腔内双向传输的脉冲激光进行维持和输出；啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)用来补偿谐振腔内的正常或反常色散，可以改变环形谐振腔双向传输脉冲所经历的群速度色散，从而在不同腔内净色散条件下获取不同波形的激光脉冲；饱和吸收体(SA)用以调制特定波段的激光脉冲；第一偏振分束器(PBS)和第二偏振分束器(PBS)可以将激光分解到两个正交偏振方向，或者将正交偏振方向的激光合成在一起共同传输；光纤时延线(DL)可以调节正交偏振方向脉冲之间的时间延迟；偏振控制器(PC)用来有效控制谐振腔内的双折射，从而获取不同种类的矢量脉冲。
进一步地，所述的稀土离子掺杂的增益光纤包括掺Yb光纤、掺Er光纤或掺Tm光纤。
如果要获取1064nm波段激光，则选用掺Yb光纤；如果要获取1550nm波段激光，则选用掺Er光纤；如果要获取2000nm波段激光，则选用掺Tm光纤。
进一步地，所述激光二极管(LD)的输出光波长为793-976nm，并且是单模尾纤输出。
如果稀土离子掺杂的增益光纤为掺Yb光纤或掺Er光纤，则激光二极管(LD)选用976nm波长；如果稀土离子掺杂的增益光纤为掺Tm光纤，则激光二极管(LD)选用793nm波长。
进一步地，所述第一波分复用器(WDM)和第二波分复用器(WDM)的工作波长为976/1060nm、976/1550nm或793/2000nm。
如果稀土离子掺杂的增益光纤为掺Yb光纤，则波分复用器(WDM)选用976/1060nm；如果稀土离子掺杂的增益光纤为掺Er光纤，则波分复用器(WDM)选用976/1550nm；如果稀土离子掺杂的增益光纤为掺Tm光纤，则波分复用器(WDM)选用793/2000nm。
进一步地，所述四端口环行器的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。
四端口环行器可以支持环形谐振腔内顺时针(CW)和逆时针(CCW)两个方向脉冲激光的同时传输。四端口环行器的两个端口各接入了一个啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)。两个啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)的主要作用是补偿全光纤环形腔内的正常/反常色散。这两个啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)的群速度色散可以相同也可不同。所以通过改变这两个啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)的群速度色散，在输出端的顺时针(CW)和逆时针(CCW)两个方向可以同时输出具有不同波形的矢量脉冲。输出端的分束器后端可以继续熔接偏振分束器(PBS)对两个方向输出的矢量脉冲进行分离，进一步研究矢量脉冲的动力学特性。
进一步地，所述的饱和吸收体(SA)由两种不同的偏振不敏感纳米材料A和B交错堆叠而成；
最终形成ABABAB……的周期性结构；A和B的选择范围包括：石墨烯、氧化石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫族化物、黑磷、钙钛矿纳米晶体、金属纳米颗粒、MXene或铋烯。通过改变饱和吸收体的种类、厚度及交叠层数，可以应用于特定波段的调Q/锁模激光脉冲输出。材料的厚度以及交错堆叠的次数依据激光的波段和材料的非线性响应特性，即调制深度、饱和强度、非饱和损耗、弛豫时间、线性吸收率等所定。
为了制备此复合结构饱和吸收体，可以采用光吸附的方式，即对光纤跳线接通976nm或者793nm的激光二极管(LD)，然后将光纤跳线头浸没在A溶液中，将A吸附在光纤跳线端面上，然后进行烘干处理。通过控制光功率、吸附时间以及溶液浓度，可以改变A的厚度。随后，再将光纤跳线头浸没在B溶液中，将B吸附在光纤跳线端面上，然后进行烘干处理。依次类推，可以进行多次交错吸附，最终获得ABABAB……的结构的饱和吸收体。
另外，也可以采用化学气相沉积(CVD)的方法将A和B这两种纳米材料沉积在光纤跳线端面上。在饱和吸收体制备完成之后，采用平衡双探头法测量饱和吸收体在特定激光波段的非线性响应特性，并依据测量结果进一步优化饱和吸收体的制备方式，使其在特定波段具有优良的光调制特性。
进一步地，所述的第一偏振分束器(PBS)和第二偏振分束器(PBS)的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。偏振分束器可以将矢量脉冲进行分解或合成。
进一步地，所述的光纤时延线(DL)的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。光纤时延线可以改变矢量脉冲正交偏振分量之间的时间延迟。
通过两个偏振分束器(PBS)分别对单模光纤中传输的矢量脉冲进行分解与合成。在两个偏振分束器(PBS)中间的一个分支处有一个光纤时延线(DL)，用来改变一个方向激光脉冲的时间延迟。需要注意的是，这两个分支的尾纤均为保偏光纤。
进一步地，所述的双向分束器(OC)的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。双向分束器(OC)可以对谐振腔内的脉冲激光进行双向输出。分束比依据具体情况选择。
进一步地，所述的单模光纤包括SMF-28e或HI1060；所述的保偏光纤包括PM1550或PM1060。
在设计方案中，有一个三桨偏振控制器。在具体实施的时候，通过控制三个桨的旋转角度，可以有效控制腔内的双折射，降低不同模式之间的竞争，实现多波长激光输出。另外，也可以通过适当地弯曲或挤压单模光纤来控制腔内双折射。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用ABABAB……的周期性复合结构的透射式饱和吸收体对激光脉冲进行调制。通过改变单层厚度或者层数，能够有效改变该饱和吸收体在特定波段的调制深度、饱和强度、非饱和损耗、偏振响应等特性；
(2)本发明通过增加饱和吸收体的交叠层数，可以有效提升其光损伤阈值。通过在光纤谐振腔内引入PBS，将光信号分解到正交偏振方向上，有利于矢量脉冲的形成和对正交偏振分量的调制；
(3)本发明的四端口环形器的两个端口熔接的CFBG可以分别对在谐振腔内顺时针和逆时针传输的激光进行色散管理，从而在两个输出方向获取不同的矢量脉冲；
(4)本发明通过利用三桨偏振控制器，可以有效改变谐振腔内的双折射，降低不同模式之间的竞争。结合泵浦功率的调节，在不同的线性及非线性双折射条件下获取不同种类的多波长矢量激光脉冲，并且波长的数量和相邻波长之间的间隔可调；
(5)本发明克服当前对于单一波长矢量脉冲光纤激光器和多波长标量脉冲光纤激光器研究的局限性。
附图说明
图1为实施例中光纤激光器示意图；
图中标号所示：激光二极管1、第一波分复用器2-1、第二波分复用器2-2、稀土离子掺杂的增益光纤3、四端口环形器4、啁啾光纤布拉格光栅5、饱和吸收体6、第一偏振分束器7-1、第二偏振分束器7-2、光纤时延线8、偏振控制器9、双向分束器10、单模光纤11、保偏光纤12。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种多波长矢量脉冲光纤激光器，如图1，该光纤激光器包括一全光纤环形谐振腔，以及环形谐振腔上依次设有的由单模光纤11或保偏光纤12循环连接的：
第一波分复用器2-1、稀土离子掺杂的增益光纤3、第二波分复用器2-2、双向分束器10、偏振控制器9、第一偏振分束器7-1、第二偏振分束器7-2、饱和吸收体6、四端口环形器4和第一波分复用器2-1；
第一波分复用器2-1和第二波分复用器2-2分别与激光二极管1相连；第一偏振分束器7-1和第二偏振分束器7-2之间还设有光纤时延线8；四端口环形器4两端还分别设有啁啾光纤布拉格光栅5。
稀土离子掺杂的增益光纤3包括掺Yb光纤、掺Er光纤或掺Tm光纤。激光二极管1的输出光波长为793-976nm。第一波分复用器2-1和第二波分复用器2-2的工作波长为976/1060nm、976/1550nm或793/2000nm。四端口环行器4的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。
饱和吸收体6由两种不同的偏振不敏感纳米材料A和B交错堆叠而成；A和B的选择范围包括：石墨烯、氧化石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫族化物、黑磷、钙钛矿纳米晶体、金属纳米颗粒、MXene或铋烯。
第一偏振分束器7-1和第二偏振分束器7-2的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。光纤时延线8的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。双向分束器10的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。单模光纤11包括SMF-28e或HI1060；保偏光纤12包括PM1550或PM1060。
换句话说，该结构矢量脉冲光纤激光器的结构适用于不同的波段。常见的三个波段为1064nm、1550nm和2000nm。
如果是1064nm波段，稀土离子掺杂的增益光纤3为单包层掺镱光纤，激光二极管1为976nm，最大输出功率大于300mW，其余光纤器件的尾纤为HI1060光纤。
如果是1550nm波段，激光二极管1为976nm，最大输出功率大于300mW，稀土离子掺杂的增益光纤3为单包层掺铒光纤，其余光纤器件的尾纤为SMF-28光纤。
如果是2000nm波段，LD为793nm，最大输出功率大于1W，稀土离子掺杂的增益光纤3为掺铥光纤，其余光纤器件的尾纤为SMF-28e光纤。
掺杂光纤长度大于1m。偏振控制器9是通用的。光纤时延线8调节范围可达300ps。双向分束器10的分束比为20-40％。
低维纳米材料种类繁多，可以是铋烯/金纳米粒子/铋烯/金纳米粒子/……这种结构，也可以是MXene/石墨烯/MXene/石墨烯/……这种结构，等等。并且，不同种类的复合结构饱和吸收体对不同波长激光的响应特性也会有所不同。即对于不同波段的光纤激光器，所选用的纳米材料组合也会不同。纳米材料A或B的厚度在微米量级，横向尺寸为2mm左右。交叠周期在4层以上依据在特定波长下的非线性响应特性来确定。饱和吸收体通过法兰盘夹在两个单模FC/PC跳线端面之间。该复合结构的纳米材料饱和吸收体可以通过光吸附、化学气相沉积(CVD)、磁控溅射沉积(MSD)等方式制备。
激光二极管1发射出的泵浦光被稀土离子掺杂的增益光纤3所吸收，形成有效的粒子数反转。复合结构的饱和吸收体6将特定波段的连续激光调制成脉冲激光。激光脉冲在四端口环形器4的支持下，在环形谐振腔的顺时针(CW)和逆时针(CCW)两个方向上均形成有效振荡。通过偏振分束器的分束，将脉冲分量分解到正交偏振方向上，再经过光纤时延线8的调节，改变正交偏振分量之间的时间延迟，再由另一个偏振分束器将两个分支的激光脉冲合成在一起共同传输。通过调节光纤时延线8的时间延迟，可以改变正交脉冲之间的相位差，从而改变矢量脉冲的偏振态。谐振腔内的偏振控制器9可以有效控制腔内的双折射，降低不同模式之间的竞争，实现多波长激光输出。双向分束器10可以同时输出在CW和CCW两个方向传输的激光脉冲，并且分束比依据情况选择。四端口环形器4中的两个端口均熔接有一个啁啾光纤布拉格光栅5，可以对激光脉冲进行色散管理，从而实现脉冲整形。
以掺镱多波长矢量脉冲光纤激光器为例。激光二极管1的泵浦波长为976nm，最大泵浦功率大于300mW，2个LD功率之和大于600mW。通过调节泵浦功率和偏振控制器9，在较低泵浦功率，即几十毫瓦的条件下，先实现1064nm波段的多波长调Q矢量脉冲输出，脉冲宽度为百纳秒至微秒量级，波长数量2个及以上。
进一步提升泵浦功率，结合偏振控制器9的调节，在输出端实现1064nm波段多波长矢量孤子激光脉冲输出，脉冲宽度为皮秒量级。当选用反常色散的CFBG时，输出脉冲宽度可达飞秒量级，基频信噪比大于60dB。
另外，通过偏振控制器9的三个桨进一步微调光纤双折射，在输出端获取多波长偏振锁定矢量孤子脉冲、多波长群速度锁定矢量孤子脉冲和多波长偏振旋转矢量孤子脉冲，并且这三种矢量孤子脉冲可以互相切换。相邻波长之间的间隔，或称为自由光谱范围，FSR在5nm左右。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，该光纤激光器包括一全光纤环形谐振腔，以及环形谐振腔上依次设有的由单模光纤(11)或保偏光纤(12)循环连接的：
第一波分复用器(2-1)、稀土离子掺杂的增益光纤(3)、第二波分复用器(2-2)、双向分束器(10)、偏振控制器(9)、第一偏振分束器(7-1)、第二偏振分束器(7-2)、饱和吸收体(6)、四端口环形器(4)和第一波分复用器(2-1)；
所述的第一波分复用器(2-1)和第二波分复用器(2-2)分别与激光二极管(1)相连；所述的第一偏振分束器(7-1)和第二偏振分束器(7-2)之间还设有光纤时延线(8)；所述的四端口环形器(4)两端还分别设有啁啾光纤布拉格光栅(5)。
2.根据权利要求1所述的一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的稀土离子掺杂的增益光纤(3)包括掺Yb光纤、掺Er光纤或掺Tm光纤。
3.根据权利要求1或2所述的一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，所述激光二极管(1)的输出光波长为793-976nm。
4.根据权利要求1或2所述的一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一波分复用器(2-1)和第二波分复用器(2-2)的工作波长为976/1060nm、976/1550nm或793/2000nm。
5.根据权利要求1所述的一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，所述四端口环行器(4)的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。
6.根据权利要求1所述的一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的饱和吸收体(6)由两种不同的偏振不敏感纳米材料A和B交错堆叠而成；
A和B的选择范围包括：石墨烯、氧化石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫族化物、黑磷、钙钛矿纳米晶体、金属纳米颗粒、MXene或铋烯。
7.根据权利要求1所述的一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的第一偏振分束器(7-1)和第二偏振分束器(7-2)的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。
8.根据权利要求1所述的一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的光纤时延线(8)的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。
9.根据权利要求1所述的一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的双向分束器(10)的规格包括1064nm、1550nm或2000nm。
10.根据权利要求1所述的一种多波长矢量脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的单模光纤(11)包括SMF-28e或HI1060；所述的保偏光纤(12)包括PM1550或PM1060。
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