CN202487963U - 一种超连续谱光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
一种超连续谱光纤激光器，包括依次连接的泵浦源、光纤放大器及光子晶体光纤，所述泵浦源为增益开关型皮秒脉冲种子源；所述增益开关型皮秒脉冲种子源包括由保偏光纤连接的增益开关激光器、光纤耦合器、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器分别与单纵模锁定装置和啁啾补偿模块连接。本实用新型采用了增益开关型皮秒脉冲种子源，其产生的种子光重复频率可调，且为皮秒量级，是单模、单偏振光，经三级放大后功率能达到100w，经光子晶体光纤后得到的超连续谱激光特性与种子光一致，谱宽为400nm~2.2μm，功率最高可达到40W，光-光转化效率可达70%；整个设备为全光纤结构，没有复杂的光学对准器件，无需水冷，适宜工业化生产及应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤激光器，具体地指一种由基于主振荡功率放大（MOPA）结构的皮秒脉冲激光器泵浦产生超连续谱的光纤激光器。
背景技术
超连续谱是指强短脉冲通过非线性介质时，由于一系列非线性效应与光纤的群速度色散的共同作用而使脉冲频谱展宽的一种现象。超连续谱光源由于其带宽大、稳定性好、重复频率由泵浦光源决定这些特点，使其在光学相干成像、频率测度、光学仪器测试、光纤陀螺、超短脉冲产生以及材料光谱学、环境测量、光纤传感、光计量学、激光光谱学、生物医学及光学采样等很多领域拥有重要的应用价值，前景十分看好。
目前，光纤激光器的迅速发展为超连续谱的产生提供了更多选择，例如公开号为CN 102244355A的中国发明专利申请《脉宽可调的增益开关型皮秒脉冲种子源》提及了基于MOPA结构的光纤激光器，它通过放大高质量的种子光来得到相同模式的高功率激光，转化效率高，输出的激光质量好、稳定度高。采用该泵浦源产生单模、单偏振态的皮秒脉冲激光，具有重复频率可调、高精度、高功率、低热损伤率等性能。采用此种泵浦源产生的超连续谱将同样具有重复频率可调、高功率、单模、单偏振态等特点。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种超连续谱光纤激光器，其输出具有光谱宽、功率高、单模、重复频率可调的特点，且为全光纤系统。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种超连续谱光纤激光器，包括依次连接的泵浦源、光纤放大器及光子晶体光纤（PCF），所述泵浦源为增益开关型皮秒脉冲种子源；所述增益开关型皮秒脉冲种子源包括由保偏光纤连接的增益开关激光器、光纤耦合器、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器分别与单纵模锁定装置和啁啾补偿模块连接。
上述技术方案中，所述单纵模锁定装置为DFB半导体激光器或者可调光栅。
上述技术方案中，所述啁啾补偿模块为啁啾光栅或者啁啾补偿全固光子带隙光纤。
上述技术方案中，所述增益开关激光器由依次连接的电脉冲发生器、信号放大器、直流偏置电流源和F-P半导体激光器构成。
上述技术方案中，所述光纤放大器包括依次设置的一级单模泵浦放大器、二级多模泵浦放大器和三级多模泵浦放大器。
进一步地，所述一级单模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第一保偏型掺稀土光纤；所述二级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第二保偏型掺稀土光纤；所述三级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第三保偏型掺稀土光纤。
更进一步地，所述二级多模泵浦放大器和/或三级多模泵浦放大器为侧向泵浦光纤结构的光纤。
上述技术方案中，所述光子晶体光纤的直径为120~130μm，光子晶体光纤的纤芯直径为4~5μm，光子晶体光纤的零色散点为1020~1050μm、填充率为0.2~0.8。
进一步地，所述光子晶体光纤的直径为125μm，光子晶体光纤的纤芯直径为4.5μm，光子晶体光纤的零色散点为1040μm、填充率为0.4。
进一步地，所述光子晶体光纤为保偏光纤。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：采用了增益开关型皮秒脉冲种子源，其产生的种子光重复频率可调，且为皮秒量级，并且是单模、单偏振光，经三级放大后功率能够达到100w，再通过光子晶体光纤后，得到的超连续谱激光特性与种子光一致，谱宽为400nm~2.2μm，且功率最高可达到40W，光-光转化效率可达70%；整个设备为全光纤结构，没有复杂的光学对准器件，无需水冷，结构简单紧凑，适宜工业化生产及应用。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例的结构示意图。
图2为图1激光器输出的光谱图。
图中：1—增益开关型皮秒脉冲种子源，2—电脉冲发生器，3—信号放大器，4—直流偏置，5—直流电源，6—F-P半导体激光器，7—DFB半导体激光器，8—光纤耦合器，9—啁啾光栅，10—光纤放大器，11—保偏隔离器，12—前向波分复用器（WDM），13—前向单模泵浦激光器，14—第一保偏型掺稀土光纤，15—后向波分复用器（WDM），16—后向单模泵浦激光器，17—保偏隔离器，18—前向多模泵浦耦合器，19—前向多模泵浦激光器，20—第二保偏型掺稀土光纤，21—后向多模泵浦耦合器，22—后向多模泵浦激光器，23—保偏隔离器，24—前向多模泵浦耦合器，25—前向多模泵浦激光器，26—第三保偏型掺稀土光纤，27—后向多模泵浦耦合器，28—后向多模泵浦激光器，29—保偏隔离器，30—光子晶体光纤。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施例作进一步的详细描述：
如图1所示，本实用新型的一种超连续谱的光纤激光器，包括依次连接的泵浦源、光纤放大器10及光子晶体光纤30。其中：
泵浦源为为重复频率可调、脉宽可调的增益开关型皮秒脉冲种子源1。该增益开关型皮秒脉冲种子源1包括由保偏光纤连接的增益开关激光器、光纤耦合器8、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器8分别与单纵模锁定装置和啁啾补偿模块连接。本实施例的增益开关激光器由依次连接的电脉冲发生器2、信号放大器3、直流偏置电流源和1060nm的F-P半导体激光器6构成。本实施例中的单纵模锁定装置为1060nm的DFB半导体激光器7，啁啾补偿模块为啁啾光栅9。
工作时，电脉冲发生器2产生重复频率可调的射频信号，重复频率调节范围在10K~100MHz，通过调节直流电源5改变直流偏置4，使F-P半导体激光器6在阈值以下，则射频信号经信号放大器3放大后加载在F-P半导体激光器6上会产生增益。F-P半导体激光器6产生振荡，在第二个振荡峰出现之前，电脉冲增益消失，此时F-P半导体激光器6输出皮秒级短脉冲。使用1060nm的DFB半导体激光器7使得F-P半导体激光器6产生的纵模始终处于锁定状态，可以任意调节电脉冲发生器2的重复频率，以调整输出光脉冲的重复频率。啁啾光栅9针对输出脉冲的啁啾分布用来压缩或展宽脉冲宽度，以实现脉宽可调，脉宽调节范围在50~500ps。增益开关型皮秒脉冲种子源1产生的种子光光功率一般在1mw以内。
光纤放大器10共有三级，包括依次设置的一级单模泵浦放大器、二级多模泵浦放大器和三级多模泵浦放大器。泵浦源与光纤放大器10之间、光纤放大器10的三级之间分别由保偏隔离器11、17、23分隔。一级单模泵浦放大器为5/130μm的第一保偏型掺稀土光纤14，采用双向泵浦方式，其前向单模泵浦激光器13和后向单模泵浦激光器16均为200mw/976nm规格；二级多模泵浦放大器为5/130μm的第二保偏型掺稀土光纤20，且为侧向泵浦光纤结构，采用双向泵浦方式，其前向多模泵浦激光器19和后向多模泵浦激光器22均为7w/915nm规格；三级多模泵浦放大器为25/340μm的第三保偏型掺稀土光纤26，采用双向泵浦方式，其前向多模泵浦激光器25和后向多模泵浦激光器28均为150mw/975nm规格。
光纤放大器10的工作过程为：上述增益开关型皮秒脉冲种子源1产生的1060nm的种子光经过保偏隔离器11，使其只有一个偏振态的激光进入光纤放大器10，保证激光的单偏振性。一级单模放大器的200mw/976nm前向单模泵浦激光器13产生的功率为200mw、波长为976nm的泵浦光和1060nm的种子光通过前向波分复用器（WDM）12耦合进入第一保偏型掺稀土光纤14，在其纤芯处实现放大，同时功率为200mw、波长为976nm的后向单模泵浦激光器16通过后向波分复用器15耦合进入第一保偏型掺稀土光纤14，使种子光得到放大。通过前后双向泵浦，种子光的功率可以放大到50mw。一级放大也可只采用前向放大或后向放大的单向泵浦方式；一级放大后的激光再通过保偏隔离器17进入二级多模泵浦放大器，二级多模泵浦放大器的7w/915nm的前向多模泵浦激光器19发出的泵浦光通过前向多模泵浦耦合器18进入第二保偏型掺稀土光纤20的包层中使种子光得到放大，同时7w/915nm的后向多模泵浦激光器22发出的泵浦光通过后向多模泵浦耦合器21进入第二保偏型掺稀土光纤20的包层中使种子光得到放大。二级放大将激光继续放大至1w。同样的，二级放大也可只采用前向放大或后向放大的单向泵浦方式；最后，二级放大的激光再通过保偏隔离器23进入三级多模放大器，除其采用25/340μm的第三保偏型掺稀土光纤26和150mw/975nm的前向多模泵浦激光器25、后向多模泵浦激光器28外，工作原理与二级放大相同。当然，三级放大也可只采用前向放大或后向放大的单向泵浦方式。经过三级多模放大器后，激光的功率可以放大至100w。
高功率的保偏隔离器29与上述第三保偏型掺稀土光纤26进行熔接，以保证激光的单偏振性并与前一级进行隔离，该保偏隔离器29的输出端光纤为10/125μm，能够起到模场适配功能。保偏隔离器29的输出端由保偏焊接机与光子晶体光纤30熔接，熔接损耗应小于1dB。本实施例中光子晶体光纤30为保偏光纤，其长度为10m、直径为125μm，其纤芯直径为4.5μm、零色散点为1040μm、填充率为0.4。光纤放大器10的输出经过该光子晶体光纤30后产生的超连续谱激光功率可达40W，其光谱如图2所示，输出光谱约在400~2200nm范围，光谱宽度达到了1600nm，且较高的填充率实现了该输出光谱的紫光增强效果。
本实用新型的核心在于使用增益开光技术为光纤激光器提供种子光，以通过简单的结构实现单模、单偏振态的皮秒脉冲激光输出；光纤放大器10实现了高功率输出；光子晶体光纤30展宽了脉冲频谱。所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的范围和精神，例如：单纵模锁定装置不限于实施例所述的DFB半导体激光器7，采用可调光栅等器件也是可行的；啁啾补偿模块也不限于上述啁啾光栅9，还可采用啁啾补偿全固光子带隙光纤等；二级多模泵浦放大器和三级泵浦多模放大器优选采用侧面泵浦结构，但是用端面泵浦的方式也能实现本实用新型技术方案；根据泵浦源和光纤放大器10的规格以及光子晶体光纤30存在的加工误差，光子晶体光纤30的直径在120~130μm、其纤芯直径在4~5μm、光子晶体光纤30的零色散点在1020~1050μm、填充率在0.2~0.8内（填充率越高，紫光增强效果越显著）也都是可行的等。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形在内。
Claims (10)
1.一种超连续谱光纤激光器，其特征在于，它包括依次连接的泵浦源、光纤放大器（10）及光子晶体光纤（30），所述泵浦源为增益开关型皮秒脉冲种子源（1）；所述增益开关型皮秒脉冲种子源（1）包括由保偏光纤连接的增益开关激光器、光纤耦合器（8）、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器（8）分别与单纵模锁定装置和啁啾补偿模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种超连续谱光纤激光器，其特征在于：所述单纵模锁定装置为DFB半导体激光器（7）或者可调光栅。
3.根据权利要求1所述的一种超连续谱光纤激光器，其特征在于：所述啁啾补偿模块为啁啾光栅（9）或者啁啾补偿全固光子带隙光纤。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种超连续谱光纤激光器，其特征在于：所述增益开关激光器由依次连接的电脉冲发生器（2）、信号放大器（3）、直流偏置电流源和F-P半导体激光器（6）构成。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种超连续谱光纤激光器，其特征在于：所述光纤放大器（10）包括依次设置的一级单模泵浦放大器、二级多模泵浦放大器和三级多模泵浦放大器。
6.根据权利要求5所述的一种超连续谱光纤激光器，其特征在于：所述一级单模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第一保偏型掺稀土光纤（14）；所述二级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第二保偏型掺稀土光纤（20）；所述三级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第三保偏型掺稀土光纤（26）。
7.根据权利要求6所述的一种超连续谱光纤激光器，其特征在于：所述二级多模泵浦放大器和/或三级多模泵浦放大器为侧向泵浦光纤结构的光纤。
8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种超连续谱光纤激光器，其特征在于：所述光子晶体光纤（30）的直径为120~130μm，光子晶体光纤（30）的纤芯直径为4~5μm，光子晶体光纤（30）的零色散点为1020~1050μm、填充率为0.2~0.8。
9.根据权利要求8所述的一种超连续谱光纤激光器，其特征在于：所述光子晶体光纤（30）的直径为125μm，光子晶体光纤（30）的纤芯直径为4.5μm，光子晶体光纤（30）的零色散点为1040μm、填充率为0.4。
10.根据权利要求8所述的一种超连续谱光纤激光器，其特征在于：所述光子晶体光纤（30）为保偏光纤。
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