CN115173207B - 基于光开关的激光波长切换的结构及使用方法 - Google Patents

基于光开关的激光波长切换的结构及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于光开关的激光波长切换的结构及使用方法，包括在光纤环形谐振腔中引入的偏振控制器、带保偏光纤尾纤的内嵌偏振分束器和1*2的电控光开关；所述偏振分束器结合偏振控制器，可在光纤环形腔内实现非线性偏振演化锁模效应和可调谐Lyot滤波器；在增益波段中，可通过调节产生不同中心波长的连续激光或超短脉冲激光；1*2电控光开关可以快速切换不同偏振状态的光路输出不同中心波长的连续激光或锁模激光，在激光波长切换过程中不需要改变泵浦功率、腔内损耗、腔内偏振态及腔体结构参数的情况下，实现自启动连续激光或锁模激光切换；本发明结构紧凑简单，切换的激光波长及波长间隔可调谐，波长切换方便快捷，且可通过编程实现快速电控自动的激光波长切换。

Description

基于光开关的激光波长切换的结构及使用方法
技术领域：
本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种基于光开关的激光波长切换的结构及使用方法。
背景技术：
锁模光纤激光器由于可以产生脉冲能量大、脉冲宽度窄的超短脉冲，已成为许多用于工业和医疗应用以及科学研究的光子系统的基础构件。而波长可切换锁模光纤激光器可以在单腔中产生两个或多个不同中心波长的超短脉冲，根据不同的需求切换输出不同波长的激光。因而在大容量光通信、光谱检测、光传感、微波光子学等领域有极大的应用价值。
目前，在波长可切换输出的光纤激光器的研究中，常用的方案有在激光谐振腔内引入可调谐光学滤光片、光纤光栅、可调Lyot滤波器、Sagnac滤波器等来实现波长调谐性。然而，在波长切换过程中，通常需要手动调整腔内偏振态、腔内损耗或泵浦功率，甚至改变腔体结构参数等。这些手动控制波长切换方法可能非常耗时，且有时很难为某个激光锁模状态找到合适的偏振状态，极大影响波长切换的操作便捷性与切换速度。
发明内容：
本发明提供一种基于光开关的激光波长切换的结构及使用方法来解决上述背景技术中提到的问题。该结构可以实现激光波长快速切换，波长切换的连续激光或锁模激光可自启动且操作便捷，稳定性好，并可通过编程实现激光波长快速自动切换。
本发明采用如下的技术方案：
一种基于光开关的激光波长切换的结构，包括泵浦和环形谐振腔，环形谐振腔中有波分复用器、增益光纤、隔离器和耦合器，以及引入的偏振控制器、偏振分束器和电控光开关，所述偏振分束器是具有两个输出端口且三端尾纤均为保偏光纤的1*2偏振分束器，所述电控光开关是1*2的单模尾纤，用于进行两条光路的切换操作。
进一步的，所述波分复用器、增益光纤、隔离器、振控制器、偏振分束器、电控光开关和耦合器依次串联，波分复用器连接有泵浦。
进一步的，所述带保偏光纤尾纤的1*2偏振分束器结合偏振控制器，可在光纤环形腔内实现了非线性偏振演化锁模效应和可调谐Lyot滤波器；在增益波段中，可通过调节偏振控制器实现在不同中心波长进行锁模和锁模中心波长可调谐。
进一步的，所述1*2电控光开关可以快速切换不同偏振状态的光路进行不同波长的锁模调节，同时实现波长切换输出。
进一步的，所述泵浦为980 nm半导体激光，用于激发抽运增益介质产生反转粒子，提供增益；
进一步的，所述光纤环形谐振腔包括2.5 m掺铒增益光纤，980 nm/1550 nm的波分复用器，偏振无关隔离器，保证单向操作，10%：90%分光的耦合器，其中10%输出激光进行实时监测和表征；
本发明基于光开关的激光波长切换结构的使用方法，包括以下步骤：
步骤1）：将所述电控光开关的两条光路之一接入光纤环形谐振腔，设定泵浦功率，调节腔内偏振控制器，产生中心波长可调谐的连续激光；或结合带保偏光纤尾纤的偏振分束器，引入非线性偏振演化锁模效应，产生中心波长可调谐的锁模激光；
步骤2）：通过电控光开关切换光路Ⅱ接入腔内，调整光路Ⅱ中光传输的偏振状态，使光纤环形谐振腔以类似光路Ⅰ 接入时的腔结构参数，在不同中心波长产生连续激光或锁模激光；
步骤3）：通过电控光开关连续交替切换两条光路，并微调光路，使两个不同波长的激光可在不改变腔体状态的情况下自启动，实现两个不同激光波长切换输出。
本发明具有以下有益效果：
1.通过偏振分束器结合偏振控制器，实现非线性偏振演化锁模，且可通过调节偏振控制器调谐锁模的中心波长，有效简化了腔体结构，降低成本，有利于提高激光器的紧凑性；
2.通过电控光开关进行光路切换，可在不改变泵浦功率、腔内损耗、腔内偏振态及腔体结构参数的情况下，实现自启动的连续激光或锁模激光波长切换，极大地提高激光波长切换操作的便捷性与激光波长切换速度；
3.采用相同的激光波长切换结构及切换方法，可实现切换的激光波长及波长间隔可调谐的连续激光或锁模激光，可以根据实际应用需求进行选择及定制；
4.采用电控光开关进行激光波长切换，可以通过编程实现快速自动的波长切换激光系统，有潜力实现自动化激光波长切换操作，具有广泛的应用前景。
附图说明：
图1为本发明产品基于光开关的激光波长切换的结构示意图；
图2 为实施例一波长切换的连续激光光谱图；
图3为实施例一调谐中心波长和波长间隔的波长切换连续激光光谱图；
图4 为实施例二波长切换的锁模激光中光路Ⅰ的光谱图；
图5为实施例二波长切换的锁模激光中光路Ⅱ的光谱图；
图6为实施例二波长切换的锁模激光中光路Ⅰ切换到光路Ⅱ的脉冲序列图；
图7为实施例二波长切换的锁模激光中光路Ⅱ切换到光路Ⅰ的脉冲序列图；
图8为实施例二调谐中心波长和波长间隔的波长切换锁模激光中光路Ⅰ的光谱图；
图9为实施例二调谐中心波长和波长间隔的波长切换锁模激光中光路Ⅱ的光谱图；
图10为实施例二调谐中心波长和波长间隔的波长切换锁模激光中光路Ⅰ切换到光路Ⅱ脉冲序列图；
图11为实施例二调谐中心波长和波长间隔的波长切换锁模激光中光路Ⅱ切换到光路Ⅰ脉冲序列图。
图中：1-泵浦，2-波分复用器，3-增益光纤，4-隔离器，5-偏振控制器，6-偏振分束器，7-电控光开关，8-耦合器。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点易于明白了解，下面将结合具体实施方式，进一步详细阐述说明。
本发明基于光开关的激光波长切换结构的使用方法，包括以下步骤：
步骤1）：将所述电控光开关的两条光路之一接入光纤环形谐振腔，设定泵浦1功率，调节腔内偏振控制器5，产生中心波长可调谐的连续激光；或结合带保偏光纤尾纤的偏振分束器6，引入非线性偏振演化锁模效应，产生中心波长可调谐的锁模激光；
步骤2）：通过电控光开关7切换光路Ⅱ接入腔内，调整光路Ⅱ使激光结构以类似参数，在不同中心波长产生连续激光或锁模激光；
步骤3）：通过电控光开关7连续交替切换两条光路，并微调光路，使两个不同波长的激光可在不改变腔体状态的情况下自启动，实现两个不同激光波长切换输出。
具体实施例如下，
实施例一：设置980 nm泵浦约为47 mW，并且电控光开关7选择任一光路接入环形腔时，通过调节偏振控制器5，可产生中心波长可调谐的连续激光，并保持此时的光路Ⅰ 固定，利用电控光开关7切换光路Ⅱ接入腔内，调整光路Ⅱ中光传输的偏振状态，使环形腔中激光结构以类似参数，产生不同中心波长的连续激光；从而，通过光开关连续交替切换两条光路，两个不同中心波长的连续激光可在不改变腔体状态的情况下自启动，实现两个不同中心波长的连续激光切换输出；如图2所示为实施例在不改变泵浦状态或两条光路其他参数的情况下，利用电控光开关7连续交替切换不同光路时，观测到的两个不同中心波长的稳定自启动连续激光，图中分别用实线和点划线表示；中心波长分别为1553.3 nm（实线表示）和1567.1 nm （点划线表示），波长间隔为13.8 nm。进一步的，利用腔内引入的可调谐Lyot滤波效应，通过调节偏振控制器5，并再次进行类似操作，可以实现不同中心波长和不同波长间隔的连续激光切换输出；如图3所示，为实施例在同样泵浦条件下，实现的中心波长分别为1545.4 nm（实线表示）和1569.4 nm（点划线表示），波长间隔为24.0 nm的可切换波长的连续激光；证明可通过调整偏振控制器5来调节可切换波长的连续激光的中心波长及波长间隔。
实施例二：当980 nm泵浦1设置约为26 mW，并且电控光开关7选择任一光路接入环型腔时，通过调节腔内的偏振控制器5结合带保偏尾纤的偏振分束器6，使激光系统可以基于非线性偏振旋转机制进行锁模；进一步调整偏振控制器5可以在一定范围内改变锁模光谱的中心波长和带宽。当光路Ⅰ实现稳定锁模并保持偏振控制器位置固定时，再利用光开关切换光路Ⅱ接入环形腔，通过仔细调整光路Ⅱ，各激光结构可以以类似的锁模参数在不同中心波长的进行锁模；从而，通过光开关连续交替切换两条光路，两个波长的锁模激光可在不改变腔体状态的情况下自启动，实现两个不同中心波长的锁模激光切换输出；如图4-7所示，为实施例在不改变泵浦状态或两条光路其他参数的情况下，使用光开关连续切换不同光路时，观测到的两种不同中心波长的稳定自启动锁模状态；锁模激光的中心波长分别为1545.9 nm和1553.1 nm，对应3-dB带宽约为5.7 nm和6.5 nm，中心波长差约为7.2 nm；脉冲重复频率差约为2.6 kHz；脉冲宽度分别约为465 fs和592 fs。测量得到锁模波长1545.9nm切换到1553.1 nm的过渡时间约为0.06 s，反之，1553.1 nm切换到1545.9 nm约为0.61s；过渡时间差异主要是不同波长自启动锁模对泵浦功率要求不同。进一步地，通过利用可调谐Lyot滤波器，我们调整腔内偏振状态并再次进行类似操作，以实现不同中心波长和不同波长间隔的可切换锁模；如图8-11所示，为实施例在泵浦功率约为20.5 mW时，实现了中心波长间距约为14.8 nm的可切换锁模；锁模中心波长分别为1556.3 nm和1571.1 nm，对应3-dB带宽约为6.9 nm和7.1 nm；脉冲重频差约为3.0 kHz；脉冲宽度分别约为955 fs和998fs。锁模波长1556.3 nm切换到1571.1 nm的过渡时间约为0.36 s，反之约为0.46 s；证明了可以通过调整偏振控制器5来调节可切换波长的锁模激光的中心波长和波长间隔。
以上所基于光开关的激光波长切换的结构及使用方法，以及其用途均落入本发明的保护范围之内。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光开关的激光波长切换的结构，包括泵浦（1）和光纤环形谐振腔，光纤环形谐振腔中有波分复用器（2）、增益光纤（3）、隔离器（4）和耦合器（8），其特征在于：在光纤环形谐振腔中，引入偏振控制器（5）、偏振分束器（6）及电控光开关（7），所述偏振分束器（6）是具有两个输出端口且三端尾纤均为保偏光纤的1*2偏振分束器，所述电控光开关（7）是1*2的单模尾纤，用于进行两条光路的切换操作；
使用方法包括以下步骤：
步骤1）：将所述电控光开关（7）的两条光路之一接入光纤环形谐振腔，设定泵浦（1）功率，或调节腔内偏振控制器（5），产生中心波长可调谐的连续激光；或调节腔内偏振控制器（5）结合带保偏光纤尾纤的偏振分束器（6），引入非线性偏振演化锁模效应，产生中心波长可调谐的锁模激光；
步骤2）：通过电控光开关（7）切换光路Ⅱ接入腔内，调整光路Ⅱ中光传输的偏振状态，使光纤环形谐振腔以类似光路Ⅰ 接入时的腔结构参数，在不同中心波长产生连续激光或锁模激光；
步骤3）：通过电控光开关（7）连续交替切换两条光路，并微调光路，使两个不同波长的激光能在不改变腔体状态的情况下自启动，实现两个不同激光波长切换输出。
2.根据权利要求1所述的基于光开关的激光波长切换的结构，其特征在于：所述波分复用器（2）、增益光纤（3）、隔离器（4）、偏振控制器（5）、偏振分束器（6）、电控光开关（7）和耦合器（8）依次串联，波分复用器（2）连接有泵浦（1）。
3.根据权利要求1所述的基于光开关的激光波长切换的结构，其特征在于：通过带保偏光纤尾纤的偏振分束器（6）结合偏振控制器（5）在光纤环形谐振腔内引入非线性偏振演化锁模效应和Lyot滤波器，实现锁模和锁模中心波长及波长间隔可调谐。
4.根据权利要求1所述的基于光开关的激光波长切换的结构，其特征在于：通过1*2电控光开关（7）能快速切换不同偏振状态的光路进行不同波长的锁模调节，同时实现波长切换输出。
5. 根据权利要求1所述的基于光开关的激光波长切换的结构，其特征在于：所述光纤环形谐振腔包括980 nm/1550 nm波分复用器(2)、2.5m掺铒增益光纤（3）、偏振无关隔离器（4）及10%：90%分光的耦合器（8），泵浦(1)采用980nm半导体激光泵浦源。
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