CN201898277U - 可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统 - Google Patents

Abstract

一种产生高能量矩形脉冲的全光纤结构激光系统，旨在解决目前掺铒光纤激光器脉冲能量低、稳定性差、难以实现矩形脉冲输出的技术问题。该全光纤结构激光系统包括依次通过腔内单模光纤连接的两个波分复用器、掺铒光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器和输出耦合器，其中两个波分复用器的输入端都设置有泵浦光源。其中掺饵光纤的长度为10-20m，单模光纤的总长度为5-10m，整个腔内的净色散要保持为较大的正值。本实用新型具有结构简单、价格低廉、稳定性好等应用上的优点，尤其与产生高能量矩形脉冲的固体激光器相比，它具有泵浦效率高、调节方便、脉冲质量好、易于光纤耦合等优点。

Description

可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统

技术领域

本实用新型涉及一种光纤激光系统，具体涉及一种可产生高能量无波分裂矩形脉冲的新型全光纤结构激光系统。

背景技术

光纤激光器具有结构简单、成本低廉、调节方便、性能稳定、便于耦合等诸多优点，在光通信、光学微操纵和医疗等领域得到了深入的研究和广泛的应用。在光纤激光器中，可以通过锁模技术来实现超短脉冲输出。目前比较成熟的锁模器件主要包括非线性偏转技术(Nonlinear polarization rotation technique)、半导体可饱和吸收体(semiconductor saturable absorber mirror)、碳纳米管(carbonnanotube)等。

通过人为设计腔内光纤色散分布特性，锁模光纤激光器可以分别产生常规飞秒孤子(Conventional femtosecond Soliton)、展宽脉冲(Stretched Pulse)、自相似脉冲(Self-similar Pulse)以及耗散型孤子脉冲(Dissipative Soliton)。

在腔内净色散为负色散的光纤激光器中，由于腔内反常色散和光纤克尔非线性效应的平衡作用，这种激光器很容易实现锁模脉冲输出，但由于孤子能量量子化效应，单脉冲能量被限制在0.1nJ左右，更高的脉冲能量将导致光波分裂。展宽脉冲光纤激光器通过在腔内插入色散延迟线，腔内锁模脉冲在传输过程中被周期性展宽和压缩。由于增大了脉冲在腔内的平均宽度，一定程度上减小了非线性效应造成的光波分裂，脉冲能量可以达到1nJ左右。和传统飞秒孤子以及展宽脉冲不同，自相似脉冲在腔内传播过程中形状基本保持不变，但光谱和脉冲宽度会一直增加。由于增益线宽的限制，单脉冲能量不高于10nJ。最近研究表明，在具有极大正色散或者全正色散的光纤激光器内也可以实现锁模脉冲输出。一般认为，这种孤子的形成是增益色散、增益饱和与正色散效应、非线性损耗等的综合效果，其中增益和损耗在孤子形成过程中起了主导作用，故称之为耗散型孤子。与传统孤子相比，其脉宽增大了二、三个数量级，非线性效应得到明显的抑制，光脉冲具有极强的抵御光波分裂能力，单脉冲能量可达很高的水平。

矩形脉冲产生最早是在半导体激光器中获得的，由于半导体激光器结构的特殊性，所得的矩形脉冲上升沿和下降沿时间都比较长，光斑和脉冲质量也不好，严重的限制了其应用。目前，国内对光纤激光器的研究主要集中在高斯型和抛物型脉冲上，在掺饵光纤激光器中实现矩形脉冲输出还没有报道。

综上，提出一种可以产生高能量无波分裂矩形脉冲的掺饵光纤激光器具有很大的应用价值和市场前景。

发明内容：

为了解决现有光纤激光器中难以实现高能量矩形光脉冲输出的缺点，本实用新型提供一种可产生无波分裂高能量矩形脉冲的光纤激光系统，使其在光通信、光学传感、光学检测等方面得到广泛应用。

本实用新型的技术方案如下：

一种可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统，其特殊之处在于：包括前向泵浦光源1、第一波分复用器2、掺铒增益光纤3、第二波分复用器4、后向泵浦光源5、输出耦合器6、第一偏振控制器7、偏振相关隔离器8和第二偏振控制器9；其中，第一波分复用器2、掺铒增益光纤3、第二波分复用器4、输出耦合器6、第一偏振控制器7、偏振相关隔离器8和第二偏振控制器9依次通过单模光纤10闭环连接，所述前向泵浦光源1设置在第一波分复用器2的输入端，所述后向泵浦光源5设置在第二波分复用器4的输入端，所述输出耦合器6用于输出矩形脉冲。

上述掺铒增益光纤3的型号为Nufern EDFC-980-HP，长度为10～20m，其在1550nm附近具有正色散。

上述掺铒光纤3的长度为18m。

上述第一波分复用器和第二波分复用器的波分范围为980nm/1550nm；所述输出耦合器的输出比率为10～80％。

上述输出耦合器6的输出比率为70％。

上述前向泵浦光源1和后向泵浦光源5为工作波长为980nm的单模半导体激光器，其输出功率为200-550mW，所述单模半导体激光器工作参数与掺铒光纤匹配；所述单模光纤10为1550nm的普通单模光纤，其总长度为5～10m，在1550nm附近具有负色散。

上述前向泵浦光源1和后向泵浦光源5输出功率各为500mW；所述单模光纤10长度为7.5m。

本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型光纤激光器系统所用器件均为常用光纤激光器器件，结构简单，成本低廉；

2、本实用新型光纤激光器系统采用全光纤结构，转换效率高，光束质量好，散热效果好，易与其他器件耦合；

3、本实用新型光纤激光器系统可以实现自启动锁模输出，结构简单，易于调节；

4、本实用新型光纤激光器系统输出波长在通信窗口(1550nm)波段，在光通讯、光学测距、光电传感领域、医疗等方面具有广泛的应用前景；

5、本实用新型光纤激光器系统产生的矩形型脉冲，具有稳定的光谱宽度和极高的脉冲能量以及一定范围内可调的脉冲宽度，可以作为皮秒脉冲光源使用；

6、本实用新型光纤激光器系统可作为高能量脉冲放大器的种子源。

7、工作于净正色散区，克服了负色散激光器的能量峰值限制，实现了高能量无波分裂脉冲输出；

8、脉冲在时域上为矩形，不同于普通脉冲的高斯型，而且脉宽从250到700ps连续可调；

9、脉冲稳定性高，在泵浦不变的情况下，可以在同一状态下一直连续工作。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为前向泵浦光源和后向泵浦光源都固定在500mW时的输出光谱图；

图3为不同偏振(PC)状态下的脉冲形状；

图4为输出脉冲的自相关曲线图；

图5为输出脉冲的频谱图；

图6为输出脉冲能量与总泵浦功率的关系图；

附标记说明：1-前向泵浦光源；2-第一波分复用器；3-掺铒增益光纤；4-第二波分复用器；5-后向泵浦光源；6-输出耦合器；7-第一偏振控制器，8-偏振相关隔离器；9-第二偏振控制器；10-单模光纤。

具体实施方式

参见图1，本实用新型提供的用于产生无波分裂高能脉冲的新型光纤激光器系统包括：包括依次通过单模光纤10连接的前向泵浦光源1、第一波分复用器2、掺铒增益光纤3、第二波分复用器4、后向泵浦光源5、输出耦合器6、第一偏振控制器7、偏振相关隔离器8、第二偏振控制器9。偏振相关隔离器通过单模光纤与两个偏振控制器相连，形成等效可饱和吸收体。前向泵浦光源1和后向泵浦光源5均为中心波长在980nm单模半导体激光器，输出功率0-500mW可调。波分复用器2和4的波分范围为980nm/1550nm。掺铒光纤3型号为NufernEDFC-980-HP，在1550nm处色散系数-42ps/nm/km，长度为18m。输出耦合器6输出比率为70％。第一偏振控制器7、偏振相关隔离器8、第二偏振控制器9均为常用标准器件。器件尾纤以及连接用光纤10为标准单模光纤，其总长度7.5m，在1550nm处其色散系数D为17ps/nm/km。

本实用新型工作原理以及具体器件参数如下所述：

参见图一，本实用新型采用工作波长为980nm的两个半导体激光器作为泵浦光源，每个泵浦光源最大输出功率为550mW，其通两个980nm/1550nm的波分复用器(WDM)分别对一段18m的铒纤进行前向和后向泵浦抽运，该掺铒光纤的型号为Nufern EDFC-980-HP，在1550nm处色散系数D约为-42ps/nm/km。通过偏振相关隔离器抑制后向反馈，以保证激光器的单向运转。第一偏振控制器、第二偏振控制器和偏振相关隔离器共同作用等效为可饱和吸收体，从而实现激光器的自启动锁模。其中输出耦合器的输出率为70％，30％能量留在环形激光器，该输出率能保证输出的单脉冲有较大的能量，同时不影响锁模的稳定性。

波分复用器(WDM)、偏振相关隔离器、输出耦合器的尾纤是普通的单模光纤，其总长度为7.5m，在1550nm处色散系数D约为17ps/nm/km。

该激光器的总长度为25.5m，对应于腔的基频为8.2MHz，其中铒纤的长度为18m，腔内的净色散β₂为+0.8ps²。

试验中采用光谱分析仪(YOKOGAWA-6370B)来测量输出脉冲的光谱，利示波器来测量脉冲的宽度。利用自相关仪和频谱仪来确认所得矩形脉冲为单脉冲。采用该结构腔形设计，通过合理选铒纤的长度和单模的长度来控制腔内净色散的大小。在大的正色散条件下，通过调节偏振控制器，便可得到高能量的矩形脉冲。

实验所用的环形光纤激光器的组成部分全部使用传统光纤激光器的器件，具有结构简单、价格低廉、稳定性好等应用上的优点。它可以输出高能量矩形脉冲，而且脉冲的宽度在一定范围内可以控制。与产生高能量矩形脉冲的固体激光器相比，它具有泵浦效率高、调节方便、易于光纤耦合等优点。

该激光器工作原理及锁模脉冲形成的基本物理过程为：该激光器系统利用非线性偏振旋转(NPR：Nonlinear Polarization Rotation)技术实现自启动锁模；当泵浦功率达到一定阈值时，调节第一、二偏振控制器控制腔内的线性相移，便可获得稳定的锁模脉冲输出。其脉冲形成的基本物理过程为：激光谐振腔内的最初的噪声脉冲在腔内多次经过掺铒光纤后，得到增益放大；由于强烈的自相位调制(Self-phase Modulation，SPM)等非线性效应导致其光谱的展宽，产生正的频率啁啾，同时掺铒光纤的正色散也导致脉冲在时域上随之展宽；两个偏振控制器及偏振相关隔离器的共同作用等效可饱和吸收体，其作用是消除脉冲部分两翼，减小脉宽，同时消除两翼中由于正色散带来的红移和蓝移成分，使得脉冲在频域得以滤波；通过偏振相关隔离器抑制腔内光波的后向反馈，以保证环形腔激光器单向运转；该过程循环往复，直至初始输入光波脉冲在腔内能够形成自洽演化，最终得到稳定的锁模脉冲，整个系统达到动态平衡并通过输出耦合器耦合输出。所以，该矩形脉冲的产生是光纤激光器增益、非线性偏振旋转与非线性损耗等效应共同作用的结果，而且增益和损耗在脉冲形成过程中起了重要作用。

实验中，采用光谱分析仪(ANDO AQ-6370B)测量出输出矩形脉冲的光谱，用示波器(LeCroy SDA，11GHz)观察脉冲序列，用自相关仪和频谱仪来确认所得脉冲为单脉冲。

本实用新型实验结果如下：该激光器实现自启动锁模的阈值功率为前后泵均为80mW左右，在前向和后向泵浦功率都增加至550mW时仍能保持无光波分裂单脉冲输出；在500-500mW泵浦功率下的输出光谱如图2所示，其为准高斯形，中心波长约为1567nm，光谱半高全宽约为14nm。固定前后泵浦功率在500-500mW，在不同PC状态下，在用高频数字采样示波器测得的脉冲形状如图3所示。可以看到脉冲的宽度在250到700ps之间连续可调。脉冲的自相关曲线如图4所示，它为完美的三角形状，验证了所得矩形脉冲是单脉冲而不是类噪声脉冲。输出的脉冲频谱图如图5所示，测得的脉冲重复频率为8.19MHz，对应于腔的基频，在带宽分辨率为150Hz下，信噪比约为70dB。由脉冲的自相关曲线和频谱图我们确信所得脉冲为工作在基频的矩形单脉冲。图6显示的是脉冲的能量随总泵浦功率之间的关系，可以看到脉冲的能量随泵浦功率基本线性增加，最大脉冲能量可以达到45nJ。

通过合理选用掺铒光纤和单模光纤的长度及色散，整个腔内的净色散要保持为较大的正值。

Claims (7)

1.一种可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统，其特征在于：包括前向泵浦光源(1)、第一波分复用器(2)、掺铒增益光纤(3)、第二波分复用器(4)、后向泵浦光源(5)、输出耦合器(6)、第一偏振控制器(7)、偏振相关隔离器(8)和第二偏振控制器(9)；其中，第一波分复用器(2)、掺铒增益光纤(3)、第二波分复用器(4)、输出耦合器(6)、第一偏振控制器(7)、偏振相关隔离器(8)和第二偏振控制器(9)依次通过单模光纤(10)闭环连接，所述前向泵浦光源(1)设置在第一波分复用器(2)的输入端，所述后向泵浦光源(5)设置在第二波分复用器(4)的输入端，所述输出耦合器(6)用于输出矩形脉冲。

2.根据权利要求1所述的可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统，其特征在于：所述掺铒增益光纤(3)的型号为Nufern EDFC-980-HP，长度为10～20m，其在1550nm附近具有正色散。

3.根据权利要求2所述的可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统，其特征在于：所述掺铒光纤(3)的长度为18m。

4.根据权利要求1所述的可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统，其特征在于：所述第一波分复用器和第二波分复用器的波分范围为980nm/1550nm；所述输出耦合器的输出比率为10～80％。

5.根据权利要求4所述的可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统，其特征在于：所述输出耦合器(6)的输出比率为70％。

6.根据权利要求1所述的可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统，其特征在于：所述前向泵浦光源(1)和后向泵浦光源(5)为工作波长为980nm的单模半导体激光器，其输出功率为200-550mW，所述单模半导体激光器工作参数与掺铒光纤匹配；所述单模光纤10为1550nm的普通单模光纤，其总长度为5～10m，在1550nm附近具有负色散。

7.根据权利要求6所述的可产生高能量无波分裂矩形脉冲的全光纤结构激光系统，其特征在于：所述前向泵浦光源(1)和后向泵浦光源(5)输出功率各为500mW；所述单模光纤(10)长度为7.5m。

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