CN118040440A - 一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器及其实现方法，属于光纤激光技术领域。激光器内含有输出功率可快速调节的泵浦源和色散补偿后的被动锁模谐振腔，所述泵浦源与被动锁模谐振腔相连，谐振腔使用稀土掺杂光纤作为增益介质，可饱和吸收体进行调制，色散补偿模块进行精确的色散管理，不借助具有可调滤波效应的器件或模块，仅通过调节泵浦功率即可实现脉宽大范围高速调节，激光脉宽的整体调节范围为0.2～14ps。本发明结构简单、方法新颖、可靠性高、普适性强，具有重要的应用价值和发展潜力。

Description

一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器及其实现 方法

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，具体涉及一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器及其实现方法，属于光纤激光技术领域。

背景技术

超短脉冲激光器由于输出脉冲脉宽窄，峰值功率高而闻名，且具有成本低廉、稳定性好、体积小等优点，成为了激光器中的一个重要研究方向。其中，脉宽灵活可调的超快激光器在激光工程、非线性光学研究、生物医学成像等领域具有重要的研究应用价值。

被动锁模技术是产生超短激光脉冲的有效方法之一，常用的被动锁模技术主要有两种：一、基于真实可饱和吸收体的被动锁模技术，真实可饱和吸收体主要有二维材料、半导体可饱和吸收镜等；二、基于等效可饱和吸收体的被动锁模技术，等效可饱和吸收体主要有非线性光纤环形镜、非线性放大环形镜、非线性偏振旋转和非线性多模干涉器等结构。被动锁模光纤激光器可以产生多种类型的脉冲。根据激光谐振腔内的净色散量不同，锁模激光器可工作在不同的锁模区域。耗散孤子锁模脉冲往往具有较大的啁啾，可以承受较强的非线性作用，能在无波分裂的情况下获得更高的脉冲能量，并且前人通过解金兹堡-朗道方程已经从理论上证明了耗散孤子锁模状态具有多种不同的稳定光谱形态。耗散孤子作为被动锁模光纤激光器中重要的工作状态，在不同光谱形态的锁模状态下，脉冲宽度往往也有很大的不同。如果可以实现耗散孤子锁模状态下不同光谱形态之间的可控演化，将为实现脉冲宽度可调谐激光器开辟一种新的方法。

传统的脉宽可调谐激光器往往使用光参量振荡器和光参量放大器等技术实现，往往系统复杂，价格昂贵。近年来，使用可调滤波器等类似方法在光纤激光器中实现脉宽可调，但其成本昂贵且受限于不同的锁模技术，系统复杂且稳定性较差。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器及其实现方法。通过控制耗散孤子锁模激光器在不同的光谱形态之间转换即可实现输出脉宽也会实现大范围的调节，无需额外引入滤波器件，系统结构简单，易于搭建，仅通过调节泵浦功率即可实现激光脉宽的快速调节，且在调节过程中，激光器均可以实现良好的自启动性能和高效地进入理想锁模状态。

本发明的一个目的在于提供一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器。

本发明的提出的一种脉宽大范围高速可调的模被动锁光纤激光器技术方案如下：激光器内含有输出功率可快速调节的泵浦源和色散补偿后的被动锁模谐振腔，所述泵浦源与被动锁模激光腔相连，泵浦源对谐振腔进行泵浦，不借助其他滤波结构，仅通过调节泵浦功率即可实现锁模激光脉宽的大范围高速调节。

所述色散补偿后的被动锁模谐振腔内的净色散为～-0.01ps²至～+0.05ps²，包括波分复用器、稀土掺杂光纤、可饱和吸收体、色散补偿模块、输出模块。其中，波分复用器的公共端连接稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤连接可饱和吸收体，可饱和吸收体连接色散补偿模块，色散补偿模块连接输出模块，输出模块连接波分复用器的信号端，同时输出模块用于激光脉冲的输出。

所述稀土掺杂光纤中的稀土离子种类丰富，主要有Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Pr³⁺、Ho³⁺等，用于提供激光谐振腔的增益。

所述可饱和吸收体包含二维材料、半导体可饱和吸收镜、非线性光纤环形镜、非线性放大环形镜、非线性偏振旋转、非线性多模干涉器等各种可以实现锁模机制的器件和结构。通过可饱和吸收体对腔内损耗进行调制，实现锁模超短脉冲的输出。

所述色散补偿模块包括色散补偿光纤、光栅对、棱镜对、光纤光栅等各种可以调控补偿色散的元件和结构，利用色散补偿模块对谐振腔内的色散进行精细调控。

所述输出模块包含光纤耦合器、分束器、光纤器件混合tap端、光纤光栅等，用于激光脉冲的输出。

本发明的提出的一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器技术方案如下：所述激光器包括泵浦源、波分复用器、稀土掺杂光纤、色散补偿模块、耦合器、输出耦合器以及非互易相移器，其中，泵浦源与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的公共端连接稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤连接色散补偿模块，色散补偿模块连接非互易相移器，非互易相移器连接耦合器的一端，耦合器同侧的另一端连接波分复用器的信号端，耦合器另一侧两端光纤分别连接输出耦合器的公共端和一端光纤，输出耦合器的另一端光纤用于输出激光脉冲信号。

本发明的提出的一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器技术方案如下：所述激光器包括泵浦源、波分复用器、稀土掺杂光纤、色散补偿模块、耦合器、输出耦合器、宽带反射镜以及非互易相移器，其中，泵浦源与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的公共端连接稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤连接色散补偿模块，色散补偿模块连接非互易相移器，非互易相移器连接输出耦合器的公共端，输出耦合器的一端连接耦合器的一端，耦合器同侧的另一端连接波分复用器的信号端，耦合器另一侧光纤连接宽带反射镜，输出耦合器的另一端用于输出激光脉冲信号。

本发明的另一个目的在于提供一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器的实现方法。其特征在于，不需要引入额外的滤波器模块，使系统复杂度大大降低，成本低廉。

所述激光器不需要引入额外的滤波器，避免了可调谐滤波器自身工作特性对激光器结构的限制，可以更好的兼容各种锁模机制和各个光纤激光波段。

本发明的提出的一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器的实现方法。可以实现快速的脉宽调谐，仅需要调节泵浦电流(程序控制下，调节时间在微秒量级)即可实现大范围脉宽调谐，相比于传统的可调谐滤波器(需要驱动机械结构，调节时间在毫秒到秒量级)，速度大大提高。

本发明的提出的一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器的实现方法。其特征在于，包括以下步骤：

1)根据应用需要，选择所需的激光器工作波段。

2)根据应用需要和实际操作的可行性，选择合适的锁模机制。

3)根据所确定的工作波段和锁模机制，搭建其相应的锁模激光器。

4)根据激光器工作波段以及结构需要，选择合适的色散补偿模块，对激光器净腔内色散进行调控，使谐振腔的色散处于～-0.01ps²至～+0.05ps²范围内。并根据输出光谱状态进一步精准调试净腔内色散，直到锁模输出光谱半高全宽可随泵浦功率大幅度演化的状态。

5)调节泵浦源功率，寻找适于激光器锁模的泵浦功率区间。

6)在合适的泵浦功率区间范围内调节泵浦功率，可实现输出脉宽的大范围调谐。在该状态下进一步优化输出尾纤长度可进一步获得更窄的输出脉宽。

本发明的优点：

(1)激光腔内不需要引入额外的滤波器模块，激光脉宽调节速度快，兼容各种锁模机制，以及光纤激光器的各种工作波段。

(2)仅通过调节泵浦功率实现脉冲宽度调节，调节更快，调节范围更大。

本发明的技术效果为：

1本发明中的被动锁模光纤激光器设计简单，无需额外的滤波器，体积紧凑，可靠性高，普适性强，使系统复杂度大大降低，成本低廉。

2、本发明中的色散补偿模块，使谐振腔的净色散处于～-0.01ps²至～+0.05ps²，通过调节泵浦输出功率实现了脉宽在0.2～14ps范围内的可调节输出。

3、本发明中的脉宽大范围可调节被动锁模光纤激光器，可直接输出皮秒/飞秒量级的超短脉冲，通过泵浦源的输出功率，即可实现锁模脉宽的可调节输出，成本低廉，操作简便。所述激光器不需要引入额外的滤波器，避免了可调谐滤波器自身工作特性对激光器结构的限制，可以更好的兼容各种锁模机制和各个光纤激光波段。可以实现快速的脉宽调谐，仅需要调节泵浦电流(程序控制下，调节时间在微秒量级)即可实现大范围脉宽调谐，相比于传统的可调谐滤波器(需要驱动机械结构，调节时间在毫秒到秒量级)，速度大大提高。

附图说明

图1是本发明提供的被动锁模光纤激光器结构示意图。

图2是本发明的优选实施例1中，基于环形腔结构的被动锁模光纤激光器示意图。

图3是本发明的优选实施例2中，基于线性腔结构的被动锁模光纤激光器示意图。

图4是本发明的优选实施例3中，基于八字腔结构的被动锁模光纤激光器示意图。

图5是本发明的优选实施例4中，基于九字腔结构的被动锁模光纤激光器示意图。

图6是本发明的优选实施例中，等效可饱和吸收体中的非线性偏振旋转结构示意图。

图7是本发明的优选实施例中，色散补偿模块中色散补偿光纤结构示意图。

图8是本发明的优选实施例中，色散补偿模块中光栅对的结构示意图。

图9是本发明的优选实施例中，色散补偿模块中棱镜对的结构示意图。

图10是本发明的优选实施例中，色散补偿模块中光纤光栅结构示意图。

图11为实施例4中基于泵浦功率调节的大范围可调节脉宽的自相关曲线图。

图中：1、泵浦源，2、波分复用器，3、稀土掺杂光纤，4、可饱和吸收体，5、色散补偿模块，6、输出模块，7、耦合器，8、输出耦合器，9、光纤光栅，10、宽带反射镜，11、非互易相移器，12、第一偏振控制器，13、起偏器，14，第二偏振控制器，15、色散补偿光纤，16、第一光栅，17、第二光栅，18、第一棱镜，19、第二棱镜，20、环形器，21、光纤光栅。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

优选实施例中所述可以根据需要设定不同的腔型，包含环形腔、线性腔、八字腔和九字腔等结构。

图1为本发明提供的一种激光脉宽大范围可调节的被动锁模光纤激光器结构示意图。如图1所示，该激光器包括泵浦源1、波分复用器2、稀土掺杂光纤3、可饱和吸收体4、色散补偿模块5、输出模块6。其中，泵浦源1与波分复用器2的泵浦端连接，波分复用器2的公共端连接稀土掺杂光纤3，稀土掺杂光纤3连接可饱和吸收体4，可饱和吸收体4连接色散补偿模块5，色散补偿模块5连接输出模块6输入(输出)端，输出模块6输出(输入)端连接波分复用器2的信号端，输出模块6的另一端输出激光信号。

实施例1：本实施例为基于环形腔结构的被动锁模光纤激光器。结合图2所示，具体方案如下：该激光器包括了泵浦源1、波分复用器2、稀土掺杂光纤3、可饱和吸收体4、色散补偿模块5、输出耦合器8。其中，泵浦源1与波分复用器2的泵浦端连接，波分复用器2的公共端连接稀土掺杂光纤3，稀土掺杂光纤3连接可饱和吸收体4，可饱和吸收体4连接色散补偿模块5，色散补偿模块5连接输出耦合器8公共端，输出耦合器8的一端连接波分复用器2的信号端，输出耦合器8的另一端输出激光信号。

实施例2：本实施例为基于线性腔结构的被动锁模光纤激光器。结合图3所示，具体方案如下：该激光器包括了泵浦源1、波分复用器2、稀土掺杂光纤3、可饱和吸收体4、色散补偿模块5、光纤光栅9、光纤反射镜10。其中，反射镜10连接色散补偿模块5，色散补偿模块5连接可饱和吸收体4，可饱和吸收体4连接波分复用器2的信号端，泵浦源1与波分复用器2的泵浦端连接，波分复用器2的公共端连接稀土掺杂光纤3，稀土掺杂光纤3连接光纤光栅9的一端，光纤光栅9的另一端用于输出激光脉冲信号。

实施例3：本实施例为基于八字腔结构的被动锁模光纤激光器。结合图4所示，具体方案如下：该激光器包括了泵浦源1、波分复用器2、稀土掺杂光纤3、色散补偿模块5、耦合器7、输出耦合器8、非互易相移器11。其中，泵浦源1与波分复用器2的泵浦端连接，波分复用器2的公共端连接稀土掺杂光纤3，稀土掺杂光纤3连接色散补偿模块5，色散补偿模块5连接非互易相移器11，非互易相移器11连接耦合器7的一端，耦合器7同侧的另一端连接波分复用器2的信号端，耦合器7另一侧两端光纤分别连接输出耦合器8的公共端和一端光纤，输出耦合器的另一端光纤用于输出激光脉冲信号。

实施例4：本实施例为基于九字腔结构的被动锁模光纤激光器。结合图5所示，具体方案如下：该激光器包括了泵浦源1、波分复用器2、稀土掺杂光纤3、色散补偿模块5、耦合器7、输出耦合器8、宽带反射镜10、非互易相移器11。其中，泵浦源1与波分复用器2的泵浦端连接，波分复用器2的公共端连接稀土掺杂光纤3，稀土掺杂光纤3连接色散补偿模块5，色散补偿模块5连接非互易相移器11，非互易相移器11连接输出耦合器8的公共端，输出耦合器8的一端连接耦合器7的一端，耦合器7同侧的另一端连接波分复用器2的信号端，耦合器7另一侧光纤连接宽带反射镜10，输出耦合器8的另一端用于输出激光脉冲信号。

其中，等效可饱和吸收体主要有线性光纤环形镜、非线性放大环形镜、非线性偏振旋转、非线性多模干涉器，其中非线性偏振旋转结构如图6所示，第一偏振控制器12、起偏器13和第二偏振控制器14组成，利用偏振相关损耗实现对谐振腔内的损耗调制。色散补偿模块主要包含色散补偿光纤、光栅对、棱镜对、光纤光栅等各种可以调控补偿色散的元件和结构，在谐振腔内，利用色散补偿模块对色散进行精细调控。其中，色散补偿光纤15如图7；光栅对由第一光栅16和第二光栅17组成，如图8；棱镜对由第一棱镜18和第二棱镜19组成，如图9；光纤光栅进行色散补偿主要由环形器20和光纤光栅21组成，如图10。

本发明的工作过程如下：泵浦源1输出功率可快速调节，该泵浦光由波分复用器2后耦合谐振腔，对稀土掺杂光纤3进行泵浦，产生自发辐射光；利用可饱和吸收体4对腔内损耗进行调制，实现超短脉冲的产生；通过色散补偿模块5对激光腔内净色散进行精细调控，使谐振腔的净色散处于～-0.01ps²至～+0.05ps²。不借助其他滤波结构，仅调节泵浦功率，可实现脉宽的大范围可调输出。在实施例4中，通过增加泵浦功率，激光脉宽的整体调节范围为0.2～14ps，如图11。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器，其特征在于，激光器内含有输出功率可快速调节的泵浦源和色散补偿后的被动锁模谐振腔，所述泵浦源与被动锁模激光腔相连，通过调节泵浦功率即可实现锁模激光脉宽的大范围高速调节。

2.根据权利要求2所述的一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器，其特征在于，色散补偿后的被动锁模谐振腔内的净色散为～-0.01ps²至～+0.05ps²。

3.根据权利要求1所述的一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述色散补偿后的被动锁模谐振腔包括波分复用器、稀土掺杂光纤、可饱和吸收体、色散补偿模块以及输出模块；

所述波分复用器的公共端连接稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤连接可饱和吸收体，可饱和吸收体连接色散补偿模块，色散补偿模块连接输出模块，输出模块连接波分复用器的信号端，同时输出模块用于激光脉冲的输出，

所述稀土掺杂光纤中的稀土离子主要有Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Pr³⁺、Ho³⁺，

所述可饱和吸收体包含二维材料、半导体可饱和吸收镜、非线性光纤环形镜、非线性放大环形镜、非线性偏振旋转、非线性多模干涉器，各种用于实现锁模机制的器件和结构，

所述色散补偿模块包括色散补偿光纤、光栅对、棱镜对以及光纤光栅，能够调控补偿色散的元件和结构，实现激光谐振腔内的色散补偿，

所述输出模块包含光纤耦合器、分束器、光纤器件混合tap端以及光纤光栅，作为激光脉冲的输出。

4.根据权利要求1所述的一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括泵浦源、波分复用器、稀土掺杂光纤、色散补偿模块、耦合器、输出耦合器以及非互易相移器，其中，泵浦源与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的公共端连接稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤连接色散补偿模块，色散补偿模块连接非互易相移器，非互易相移器连接耦合器的一端，耦合器同侧的另一端连接波分复用器的信号端，耦合器另一侧两端光纤分别连接输出耦合器的公共端和一端光纤，输出耦合器的另一端光纤用于输出激光脉冲信号。

5.根据权利要求1所述的一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括泵浦源、波分复用器、稀土掺杂光纤、色散补偿模块、耦合器、输出耦合器、宽带反射镜以及非互易相移器，其中，泵浦源与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的公共端连接稀土掺杂光纤，稀土掺杂光纤连接色散补偿模块，色散补偿模块连接非互易相移器，非互易相移器连接输出耦合器的公共端，输出耦合器的一端连接耦合器的一端，耦合器同侧的另一端连接波分复用器的信号端，耦合器另一侧光纤连接宽带反射镜，输出耦合器的另一端用于输出激光脉冲信号。

6.一种脉宽大范围高速可调的被动锁模光纤激光器的实现方法，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的激光器，所述实现方法包括以下步骤：

1)根据应用需要，选择所需的激光器工作波段，

2)根据应用需要和实际操作的可行性，选择合适的锁模机制，

3)根据所确定的工作波段和锁模机制，搭建其相应的锁模激光器，

4)根据激光器工作波段以及结构需要，选择合适的色散补偿模块，对激光器净腔内色散进行调控，使谐振腔的色散处于～-0.01ps²至～+0.05ps²范围内，并根据输出光谱状态进一步精准调试净腔内色散，直到锁模输出光谱半高全宽可随泵浦功率大幅度演化的状态，

5)调节泵浦源功率，寻找适于激光器锁模的泵浦功率区间，

6)在合适的泵浦功率区间范围内调节泵浦功率，可实现输出脉宽的大范围调谐，在该状态下进一步优化输出尾纤长度可进一步获得更窄的输出脉宽。