CN114899687B - 一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，包括泵浦源，由波分复用器、掺钕光纤、偏振控制器、偏振相关隔离器、光纤延迟线、光纤耦合器用光纤连接成的光纤环形腔；光纤设在光纤缠绕棒上；波分复用器用于将泵浦光耦合到激光增益介质，同时其公共端连接到光纤耦合器的一个输出端以构成环形腔；掺钕光纤作为激光增益介质，用于提供激光谐振腔内的增益，形成相关波段的激光发射；光纤缠绕棒引入弯曲损耗，最终输出890‑940nm波段的激光。其优点在于本发明利用光纤内不同波长经受的弯曲损耗不同进行滤波，相较于其他滤波手段如在腔内加入光纤滤波器、光纤光栅滤波器等器件来说，易于操作，且不需要添加额外器件，有利于进一步降低激光器的造价。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的890-940nm微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，属于激光器技术领域。
背景技术
全光纤锁模激光器因其体积小、质量轻、稳定性强、光束质量好、易于集成化和模块化等优点已被广泛应用于生产生活的各个方面。其中，发射波段在0.9微米的光纤激光器在深层组织成像和活体动态观测等领域具有极其重要的应用，此外，此波段的激光经二倍频后可以产生450nm附近的纯蓝光，其在水下通信探测、激光显示、光存储、生物医疗等领域具有重大应用价值。
目前，利用镱离子的三能级跃迁，掺镱光纤激光器可以实现980nm波段的激光发射，但其二倍频后只能产生490nm的蓝绿光，影响使用效果。而可实现890～940nm波段激光输出的主要是可调谐钛蓝宝石锁模激光器。但是体积庞大、造价昂贵、维护成本高、转换效率低等缺点严重限制了钛蓝宝石激光器的应用。而钕离子作为一种很重要的激光增益离子，其在4F3/2→4I9/2的三能级跃迁可以实现890～940nm波段的激光发射。目前得到广泛应用的仍然是掺钕晶体，如Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF等，而基于掺钕光纤的脉冲激光器报道较少。一般情况下，由于四能级系统的阈值更低，在掺钕光纤激光器内更易实现1.06微米的激光发射。要实现三能级系统的运转要求反转粒子数达到50％以上，阈值较高。除了要克服4F3/2→4I11/2四能级跃迁的1064nm波段的竞争，掺钕光纤激光器在三能级运转时还存在严重的基态重吸收效应(GSA)，因此在掺钕光纤激光器内较难实现稳定的890～940nm波段的激光发射，需要进行特殊设计。在掺钕光纤内掺杂特殊的离子如铝离子或锗离子，或者对掺钕光纤的结构进行特殊设计如W型双包层光纤或光子晶体带隙光纤等可以有效抑制四能级系统的竞争，增强三能级的跃迁。但经特殊设计的光纤较难拉制，成本较高，限制了其应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种采用普通商用掺钕单模光纤的基于非线性偏振旋转的掺钕全光纤锁模激光器。商用掺钕光纤多为纤芯直径4～10微米，包层直径125微米的单模光纤，从而能够与常用的非掺杂单模光纤实现完美的模式匹配。钕离子的能级结构及主要的辐射跃迁线如图1所示，其常用的泵浦源为808nm或880nm半导体激光器，目前也已发展的较为成熟。掺钕光纤的可发射波段包括三个，分别是1)三能级跃迁4F3/2→4I9/2，对应于0.9微米波段的激光发射；2)四能级跃迁4F3/2→4I11/2，对应于1.06微米波段的激光发射；3)四能级跃迁4F3/2→4I13/2，对应于1.34微米波段的激光发射。要想实现单纯的0.9微米波段的激光发射，需要克服其他两个四能级跃迁的竞争。而同一个弯曲半径下，对于不同的波长来说光纤内的弯曲损耗是不同的，波长较长的光在光纤内传输时遭受的弯曲损耗更大。因此可以通过设计光纤的曲率半径，使得1.06微米波段的光经受较大的弯曲损耗，而0.89-0.94微米波段的光没有弯曲损耗或者很小，从而达到滤除1.06微米波段激光发射的效果。此方法简单高效，成本低廉，且可以实现单纯的0.89-0.94微米波段的激光输出。最终可以得到一个工作在0.89-0.94微米的掺钕全光纤锁模激光器，有利于集成化和模块化，且成本低廉，性能稳定。其技术方案为，
一种基于非线性偏振旋转锁模掺钕全光纤锁模激光器，包括泵浦源，由波分复用器、掺钕光纤、偏振控制器、偏振相关隔离器、光纤耦合器用光纤连接成的光纤环形腔；光纤设在光纤缠绕棒上；所述波分复用器用于将泵浦光耦合到激光增益介质，同时其公共端连接到光纤耦合器的一个输出端以构成环形腔；掺钕光纤作为激光增益介质，用于提供激光谐振腔内的增益，形成相关波段的激光发射；所述光纤缠绕棒引入弯曲损耗，最终输出890-940nm波段的激光。
进一步的，所述偏振相关隔离器一端或两端设有偏振控制器，所述偏振控制器为三桨旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器中的一种。
进一步的，光纤耦合器为工作波长在890～940nm波段、分光比为10％～90％、90％～10％的光纤耦合器中的一种，包括一个输入端和两个输出端，光纤耦合器的输入端与光纤延迟线连接，光纤耦合器的一个输出端连接波分复用器的公共端以形成环形谐振腔，光纤耦合器的另一个输出端用于输出890-940nm波段的激光，第二偏振控制器或偏振相关隔离器与光纤耦合器之间设置光纤延迟线，光纤延迟线可以减小纵模间隔，使激光器更加容易实现锁模。此外，光纤延迟线的长度可以进行灵活调节以调整腔内非线性效应，从而实现Raman激光器、谐波锁模激光器等具有非线性效应的锁模激光器。
进一步的，光纤耦合器输出890-940nm波段的激光步骤为，
步骤一、泵浦源提供泵浦激光，激光通过波分复用器、掺钕光纤产生较强的1064nm附近波段的激光和微量890-940纳米波段的激光；
步骤二、设置光纤缠绕棒的直径和光纤缠绕圈数，将1064nm附近波段的激光衰减为0或近似0，保留890-940nm波段的激光；
步骤三、调节第一偏振控制器的旋转模块和挤压旋钮或第二偏振控制器的三个旋转桨片即可实现激光器的被动锁模输出；
步骤四、保持偏振控制器状态不动，890-940nm波段的激光经过偏振控制器、偏振相关隔离器后由光纤耦合器输出，偏振相关隔离器为工作波长在890～940nm波段的偏振相关隔离器，从而保证光在谐振腔中的单向传输。
进一步的，所述光纤缠绕棒为半径为R的圆柱形物体，光纤缠绕圈数由公式决定，
单模光纤弯曲损耗的计算公式为：
其中Ac和U可用以下近似公式计算：
式中，λ为工作波长，λcf为单模光纤截止波长，δn＝(n1-n2)/n2为单模光纤纤芯与包层的相对折射率差，R为光纤缠绕棒的半径，αc为单模光纤的弯曲损耗，Ac和U是为了公式简化定义的中间变量。
进一步的，掺钕光纤为掺钕单模光纤，纤芯直径4-10微米，包层直径125±1微米，长度可根据实际泵浦光强大小及掺杂浓度高低进行灵活调节，最佳光纤长度为泵浦光恰好被吸收完时的光纤长度。
进一步的，偏振相关隔离器为工作波长在890～940nm波段的偏振相关隔离器，偏振相关隔离器的传输方向可与泵浦光方向相同，也可相反。
进一步的，采用了两个泵浦源和两个波分复用器以构成双向泵浦结构，达到进一步提高泵浦功率的效果。
有益效果
1)本发明采用非线性偏振旋转作为虚拟饱和吸收体以实现激光器的被动锁模，具有结构简单，能够自启动且性能稳定等优点。
2)本发明利用光纤内不同波长经受的弯曲损耗不同进行滤波，相较于其他滤波手段如在腔内加入光纤滤波器、光纤光栅滤波器等器件来说，不需要添加额外器件，成本低廉，易于操作，有利于进一步降低激光器的造价。
3)本发明最终可以得到一个工作在0.89-0.94微米波段的掺钕全光纤被动锁模激光器，可以为0.89-0.94微米波段的激光器提供一个更好的选择，且全光纤结构有利于激光器的集成化和模块化，且成本低廉，性能稳定。
附图说明
图1为钕离子的能级结构及主要的辐射跃迁线；
图2为本发明的基于非线性偏振旋转锁模的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器的结构组成示意图；
图3为本发明的基于非线性偏振旋转锁模的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器在较宽的光谱范围内测得的光谱图；
图4为本发明的基于非线性偏振旋转锁模的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器在0.9微米波段附近较窄的光谱范围内测得的光谱图；
图5为本发明的基于非线性偏振旋转锁模的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器的脉冲序列图；
图6为本发明的基于非线性偏振旋转锁模的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器双向泵浦结构的组成示意图；
图中标号对应的部件名称：
1、泵浦源；2、波分复用器；3、掺钕光纤；4、光纤缠绕棒；5、第一偏振控制器；6、偏振相关隔离器；7、第二偏振控制器；8、光纤延迟线；9、光纤耦合器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，其结构如图2所示，包括泵浦源1、波分复用器2、掺钕光纤3、光纤缠绕棒4、第一偏振控制器5、偏振相关隔离器6、第二偏振控制器7、光纤延迟线8、光纤耦合器9；具体而言，非线性偏振旋转人工可饱和吸收体由第一偏振控制器5、偏振相关隔离器6、第二偏振控制器7组成，用于形成被动锁模；波分复用器2、掺钕光纤3、第一偏振控制器5、偏振相关隔离器6、第二偏振控制器7、光纤延迟线8、光纤耦合器9通过单模光纤依次连接形成光纤环形腔。第一偏振控制器5、第二偏振控制器7位于偏振相关隔离器6的两端。
在本实施例中，波分复用器2包括有波分复用器的泵浦端2a、波分复用器的信号端2b和波分复用器的公共端2c。光纤耦合器9包括有光纤耦合器的输入端口9a、光纤耦合器的10％输出端口9b和光纤耦合器的90％输出端口9c。偏振相关隔离器6包括有偏振相关光隔离器的输入端6a和偏振相关光隔离器的输出端6b。
泵浦源1为808nm半导体激光器，可购自Lumics公司，型号为LU0808M250，最高输出功率为250mW，用于给激光谐振腔提供泵浦激光。
波分复用器2为工作波长808/910nm的波分复用器，可购自深圳市铭创光电有限公司，包括泵浦端2a、信号端2b和公共端2c，作为泵浦源的半导体激光器1通过连接波分复用器的泵浦端2a将泵浦光输入到光纤环形腔中，波分复用器的信号端2b连接作为增益介质的掺钕光纤3，波分复用器的公共端2c连接光纤耦合器的一个90％输出端9c以形成光纤环形谐振腔。
掺钕光纤3为普通商用掺钕单模光纤，可购自CorActive公司型号为Nd103的单模掺钕光纤，其纤芯直径为4.5微米，包层直径为125微米，数值孔径为0.14，在805nm附近的泵浦吸收率约为37dB/m，长度为2m，也可根据实际泵浦光强大小及掺杂浓度高低进行灵活调节，最佳光纤长度为泵浦光恰好刚刚被吸收完时的光纤长度。
光纤缠绕棒4为直径10mm的圆柱形不锈钢柱，将单模光纤在其上缠绕两圈。光纤缠绕棒4可以放置在任意一端单模光纤上，但是最好不要设置在掺钕光纤3上，实验证明会影响输出效果。
单模光纤弯曲损耗的计算公式为：
其中Ac和U可用以下近似公式计算：
式中，λ为工作波长，λcf为单模光纤截止波长，δn＝(n1-n2)/n2为单模光纤纤芯与包层的相对折射率差，R为光纤缠绕棒的半径，αc为单模光纤的弯曲损耗，Ac和U是为了公式简化定义的中间变量。
第一偏振控制器5为挤压式偏振控制器，可购自General Photonics公司，型号为PLC-002，通过偏振控制器5的旋转模块和挤压旋钮可以改变光纤内部的应力，从而改变光纤谐振腔内的偏振态。
偏振相关隔离器6为工作波长在900～920nm波段的偏振相关隔离器，中心波长为910nm，可购自深圳市铭创光电有限公司，图2中6a到6b为偏振相关隔离器的通光方向，波长在900nm到920nm范围内的光可以通过6a传输到6b，反向则不行，从而保证光在谐振腔中的单向传输。
第二偏振控制器7为三桨旋转式偏振控制器，可购自Thorlabs公司，型号为FPC560，通过旋转偏振控制器7的三个旋转桨片可以改变光纤内部的应力，从而改变光纤谐振腔内的偏振态。在有第二偏振控制器的前提下，第一偏振控制器也可以没有。在有第一偏振控制器的前提下，也可以没有第二偏振控制器。
光纤延迟线8为可以传输0.9微米波段的普通单模光纤，可购自Nufern公司，型号为780-HP，其纤芯直径为4.4微米，包层直径为125微米，截止波长为730纳米，长度约为110m。光纤延迟线可以减小纵模间隔，使激光器更加容易实现锁模。此外，通过调节光纤延迟线的长度可以调整腔内的非线性效应大小，从而研究腔内非线性效应对激光器性能的影响。
光纤耦合器9为工作波长在900～920nm波段、中心波长910nm，分光比为10％/90％的光纤耦合器，可购自深圳市铭创光电有限公司，包括一个输入端9a、一个分光比例为10％的输出端9b和一个分光比例为90％的输出端9c，光纤耦合器的输入端9a与第二偏振控制器连接，光纤耦合器的分光比例为90％的输出端9c连接到波分复用器2的公共端2c以形成环形谐振腔，光纤耦合器的另一个分光比例为10％的输出端9b用于输出0.9微米波段的激光。
谐振腔内所用单模光纤为普通商用单模光纤，可购自Nufern公司，型号为780-HP，用于连接各个器件。
在本实施例中，增加泵浦源1的泵浦功率至200mW，通过调节第一偏振控制器5的旋转模块和挤压旋钮或第二偏振控制器7的三个旋转桨片即可实现激光器的被动锁模输出；保持第一偏振控制器5和第二偏振控制器7的状态不动，调节泵浦源1的泵浦功率即可实现不同的输出功率。
光纤耦合器输出890-940纳米波段的激光步骤为，
步骤一、泵浦源提供泵浦激光，激光通过波分复用器、掺钕光纤产生较强的1.064微米附近波段的激光和微量890-940纳米波段的激光；
步骤二、设置光纤缠绕棒的直径和光纤缠绕圈数，将1.064微米附近波段的激光衰减为0或近似0，保留890-940纳米波段的激光；
步骤三、保持第一偏振控制器、第二偏振控制器状态不动，890-940纳米波段的激光经过第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器、光纤延迟线后由光纤耦合器输出，偏振相关隔离器为工作波长在890～940nm波段的偏振相关隔离器，从而保证光在谐振腔中的单向传输。
本实施例所得激光器在较宽的光谱范围内测得的光谱图如图3所示，横坐标为波长[Wavelength(nm)]，纵坐标为强度[Intensity(dBm)]。只有0.9微米波段的激光输出，而1.06微米波段的光被完全抑制掉，说明激光器滤波效果较好。
本实施例所得激光器在0.9微米波段附近较窄的光谱范围内(890～960nm)测得的光谱图如图4所示，横坐标为波长[Wavelength(nm)]，纵坐标为强度[Intensity(dBm)]，在0.9微米波段可实现稳定的耗散孤子锁模输出。
本实施例所得激光器的脉冲序列信号如图5所示，横坐标为时间[Time(us)]，纵坐标为光脉冲强度[Intensity(a.u.)]，脉冲间隔为578ns，刚好对应于119.48m的腔长，说明激光器工作在稳定的锁模状态。
实施例2：
一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，其结构如实施例1所述，与之不同的是，泵浦源1采用的是中心波长880nm的半导体激光器，波分复用器2的工作波长为880/910nm。
实施例3：
一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，其结构如图6所示，与实施例1不同的是，采用了两个泵浦源1和两个波分复用器2以构成双向泵浦结构。
实施例4：
一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，其结构如实施例1所述，与之不同的是，掺钕光纤3采用了掺杂浓度不同或纤芯直径不同，如Fibercore公司型号为F-DF1000的单模掺钕光纤，其模场直径为3.9–5.0微米，包层直径为125微米，数值孔径为0.20，在810nm附近的泵浦吸收率约为8.5dB/m，长度为9m的单模掺钕光纤。
实施例5：
一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，其结构如实施例1所述，与之不同的是，光纤缠绕棒4采用了不同的直径和材质，或者改变了缠绕的圈数，如缠绕棒直径为8mm，缠绕圈数为1圈。
实施例6：
一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，其结构如实施例1所述，与之不同的是，第一偏振控制器5采用了三桨旋转式偏振控制器。
实施例7：
一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，其结构如实施例1所述，与之不同的是，偏振相关隔离器6采用了反方向的通光方向，即6b到6a为偏振相关隔离器的通光方向，波长在900nm到920nm范围内的光可以通过6b传输到6a，反向则不行。
实施例8：
一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，其结构如实施例1所述，与之不同的是，加长了光纤延迟线的长度以增强腔内非线性效应，从而实现Raman激光器、谐波锁模激光器等具有非线性效应的锁模激光器。
实施例9：
一种基于非线性偏振旋转锁模和用光纤弯曲损耗进行滤波的0.9微米波段的掺钕全光纤锁模激光器，其结构如实施例1所述，与之不同的是，第一偏振控制器5、第二偏振控制器7采用了挤压式偏振控制器。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。应当指出，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，这些改进和润饰都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，其特征在于，包括泵浦源和光纤环形腔，光纤环形腔是由波分复用器、掺钕光纤、偏振控制器、偏振相关隔离器、光纤耦合器用光纤连接而成；其中光纤环形腔中的一段光纤绕在光纤缠绕棒上；所述波分复用器用于将泵浦光耦合到激光增益介质，同时其公共端连接到光纤耦合器的一个输出端以构成环形腔；掺钕光纤作为激光增益介质，用于提供激光谐振腔内的增益，形成相关波段的激光发射；所述光纤缠绕棒引入弯曲损耗，最终输出890-940nm波段的激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，其特征在于，所述偏振相关隔离器一端或两端设有偏振控制器，所述偏振控制器为三桨旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，其特征在于，光纤耦合器为工作波长在890～940nm波段、分光比为10％～90％、90％～10％的光纤耦合器中的一种，包括一个输入端和两个输出端，光纤耦合器的输入端与第二偏振控制器或偏振相关隔离器连接，光纤耦合器的一个输出端连接波分复用器的公共端以形成环形谐振腔，光纤耦合器的另一个输出端用于输出890-940nm波段的激光，在第二偏振控制器或偏振相关隔离器与光纤耦合器之间设置光纤延迟线。
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，其特征在于，光纤耦合器输出890-940nm波段的激光步骤为，
步骤一、泵浦源提供泵浦激光，激光通过波分复用器、掺钕光纤产生较强的1064nm附近波段的激光和微量890-940纳米波段的激光；
步骤二、设置光纤缠绕棒的直径和光纤缠绕圈数，将1064nm附近波段的激光衰减为0或近似0，保留890-940nm波段的激光；
步骤三、调节偏振控制器实现激光器的被动锁模输出；
步骤四、保持偏振控制器状态不动，890-940nm波段的激光经过偏振控制器、偏振相关隔离器后由光纤耦合器输出，偏振相关隔离器为工作波长在890～940nm波段的偏振相关隔离器，从而保证光在谐振腔中的单向传输。
5.根据权利要求1所述的一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，其特征在于，所述光纤缠绕棒为半径为R的圆柱形物体，光纤缠绕圈数由公式决定，
单模光纤弯曲损耗的计算公式为：
其中Ac和U可用以下近似公式计算：
式中，λ为工作波长，λcf为单模光纤截止波长，δn＝(n1-n2)/n2为单模光纤纤芯与包层的相对折射率差，其中n1为光纤纤芯，n2为包层的折射率；αc为单模光纤的弯曲损耗，Ac和U是为了公式简化定义的中间变量。
6.根据权利要求1所述的一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，其特征在于，掺钕光纤为掺钕单模光纤，纤芯直径4-10微米，包层直径125±1微米，长度可根据实际泵浦光强大小及掺杂浓度高低进行调节，最佳光纤长度为泵浦光恰好被吸收完时的光纤长度。
7.根据权利要求1所述的一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，其特征在于，偏振相关隔离器为工作波长在890～940nm波段的偏振相关隔离器，偏振相关隔离器的传输方向可与泵浦光方向相同，也可相反。
8.根据权利要求1所述的一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，其特征在于，光纤延迟线的长度可以进行调节以调整腔内非线性效应，从而实现Raman激光器、谐波锁模激光器等具有非线性效应的锁模激光器。
9.根据权利要求1所述的一种基于非线性偏振旋转锁模的掺钕全光纤锁模激光器，其特征在于，采用了两个泵浦源和两个波分复用器以构成双向泵浦结构，达到进一步提高泵浦功率的效果。
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