CN210296854U - 一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，属于激光技术与非线性光学领域。包括：泵浦源、光纤波分复用器或光纤合束器、增益光纤、1x2光纤耦合器、光纤环形器、可饱和吸收体、大模场无源光纤、光纤带通滤波器、光纤隔离器；采用最成熟的可饱和吸收体被动锁模技术，并特别采用大模场无源光纤作为腔内延长光纤，将该光纤置于谐振腔内能量最小的位置，最大程度降低非线性积累。相较于传统的可饱和吸收体锁模重复频率大于20MHz，采用大模场无源光纤可实现稳定的超低重复频率（小于100 kHz）的单脉冲锁模输出。本实用新型与脉冲选频等技术相比，无需额外引入调制器件，谐振腔全光纤化，大大简化了系统结构，有效降低了成本，同时兼顾稳定性高、环境适应性强的特点。

Description

一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器

技术领域

本实用新型属于激光技术与非线性光学领域，尤其涉及一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器。

背景技术

近年来，光纤激光器由于其设计紧凑、散热优良、光束质量好、免校准、损耗低等优点得到广泛研究。其中超短脉冲光纤激光器由于结构简单、平均功率高、峰值功率高、环境稳定性好、电光效率高等优点，在精密加工、波导刻蚀、激光传感、阿秒科学等领域具有重要应用。

在超短脉冲激光器的研究中，通过锁模技术可以产生脉冲宽度皮秒到飞秒量级的稳定脉冲，通过半导体增益开关技术也能实现皮秒量级的脉冲输出。通常来说，主动锁模技术需要加入声光调制或电光调制器件，半导体增益开关技术需要精密的电路设计，这两种方法的结构较复杂，成本高。相对于以上两种技术，被动锁模技术因其结构简单紧凑成本低廉而得到广泛的关注和研究，作为获得超短脉冲输出的重要手段，在过去几十年里得到了飞速发展。一般的锁模光纤激光器利用半导体激光器作为泵浦源，利用掺杂稀土离子的有源光纤作为增益介质，利用单模光纤作为腔内连接的基础元件，再利用可饱和吸收体作为腔内被动调制器件以实现脉冲输出，这种结构的激光器产生的单脉冲序列的重复频率一般大于20 MHz。通常来讲，可以通过增加腔长的办法来降低输出脉冲的重复频率，以此来提高单脉冲能量。 在实际激光振荡器中，由于需要振荡器中非线性与色散达到平衡才能实现锁模，单纯依赖增加腔长来降低重复频率会破会这种平衡，导致脉冲分裂的产生，尤其是当腔长特别长时（几百米或几千米），脉冲分裂特别容易发生，很难实现单脉冲运转。

目前在光纤激光器中，获得超低重复频率的方法大体有两种：一种是将高重复频率锁模激光器与电光或声光脉冲选频技术结合，将高重复频率的脉冲降为低重复频率脉冲，这种方式脉冲能量损耗大，需要多级光纤预放大器补偿损失的能量；另外，这种脉冲选频技术的调制对比度较低，通常伴有微弱的噪声，影响后续的放大；此外，调制器的引入会破坏全光纤化的结构，不利于长期稳定工作；第二种是采用基于非线性光学环形镜的锁模脉冲激光器，这种方式的通常需要2x2耦合器的四个端口连接呈“8”字或“9”字腔型，耦合器对温度较为敏感，温度改变可能造成激光器失锁，难以长时间温度工作；此外，该方法需要额外的相移器以启动锁模，引入了额外的损耗，且结构复杂，成本较高。

实用新型内容

为解决传统被动锁模激光器难以在低重复频率下实现单脉冲锁模的问题；高重复频率锁模激光器与电光或声光脉冲选频技术结合存在的能量损耗大、调制对比度低和负责性问题；基于非线性光学环形镜的锁模脉冲激光器对温度较为敏感，难以长时间温度工作的问题，本实用新型提供一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，通过将大模场无源光纤引入振荡器中能量最小的位置，降低非线性积累，以实现稳定的超低重频单脉冲锁模输出，无需采用脉冲选频技术和非线性光学环形镜锁模技术，利用最成熟的半导体可饱和吸收体锁模技术实现超低重频单脉冲输出，具有结构简单、设计紧凑、稳定性高的特点。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，包括：泵浦源、光纤波分复用器或光纤合束器、增益光纤、1x2光纤耦合器、光纤环形器、可饱和吸收体、大模场无源光纤、光纤带通滤波器、光纤隔离器；

所述泵浦源的输出光纤与光纤波分复用器或光纤合束器的泵浦输入端相连，光纤波分复用器或光纤合束器的公共端与增益光纤相连，1x2光纤耦合器的输出端与增益光纤相连，1x2光纤耦合器的一个输出端与光纤环形器的输入端相连，1x2光纤耦合器的另一个输出端与光纤隔离器相连，光纤环形器的反射端口与可饱和吸收体对接，输出端与大模场无源光纤相连，大模场光纤的另一端与光纤带通滤波器的一端相连，带通滤波器的另一端与光纤波分复用器或光纤合束器的信号输入端相连。

泵浦源提供的泵浦光经过光纤波分复用器或光纤合束器被耦合传输至增益光纤，经过增益放大后产生的激光经过1x2光纤耦合器，一部分信号由耦合器的一个输出端导出腔外后经隔离器输出，一部分信号由耦合器的另一输出端输出在谐振器中继续传输至光纤环形器，信号从环形器的输入端输出传输到第二反射端后与可饱和吸收体作用，经可饱和吸收体作用后的信号反射入第二反射端口后从输出端输出继续在腔内振荡，脉冲经过大模场无源光纤传输至光纤带通滤波器，经滤波后的脉冲输入光纤波分复用器或光纤合束器的信号输入端构成振荡环路。

可饱和吸收体主要用于产生锁模脉冲，大模场无源光纤具有较低的非线性系数，可用于增加振荡器腔长得到超低重复频率的单脉冲锁模序列，带通滤波器产生的滤波效应与光纤中的色散平衡，用于维持稳定的单脉冲锁模状态。

作为优选，所述的泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出光纤是单模光纤或多模光纤，输出的泵浦光中心波长λ的范围为：700nm≦λ≦1030nm。

作为优选，所述的增益光纤是掺有镱（Yb）稀土离子的光纤，光纤可以单包层光纤或双包层阶跃折射率光纤或双包层光子晶体光纤。

作为优选，所述的泵浦方式是纤芯单端泵浦、纤芯双端泵浦、包层单端泵浦、包层双端泵浦。

作为优选，所述可饱和吸收体为半导体可饱和吸收镜。

作为优选，所述可饱和吸收体为石墨烯可饱和吸收体。

作为优选，所述光纤带通滤波器的中心波长在1030nm到1100nm之间，滤波器的带宽在0.1nm-10nm之间。

作为优选，所述1x2光纤耦合器的分束比在0到1之间。

作为优选，所述大模场无源光纤的纤芯直径在10-30微米之间，长度大于2000m。

作为优选，所述大模场无源光纤为单包层传输光纤、双包层传输光纤、实芯光子晶体光纤或空芯光子晶体光纤。

作为优选，所述光纤合束器、光纤波分复用器是（2+1）x1或（6+1）x1合束器、波分复用器。

本实用新型提供一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，采用最成熟稳定的可饱和吸收体被动锁模技术，并通过将入大模场无源光纤引入振荡器中能量最小的位置，降低非线性积累，得以实现稳定的超低重复频率（小于100 kHz）的单脉冲锁模输出。本实用新型无需采用脉冲选频等技术，无需额外引入调制器件，谐振腔采用全光纤化结构，只通过增加大模场无源光纤的长度，就可降低腔内脉冲的重复频率，大大简化了系统结构，有效降低了成本，同时兼顾稳定性高、环境适应性强的特点。

附图说明

图1为本实用新型的全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器的结构示意图。

图2为本实用新型的全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器的结构示意图。

其中，1.泵浦源，2. 光纤波分复用器或光纤合束器，3.增益光纤，4. 光纤1x2耦合器，5.光纤隔离器，6.光纤环形器，7.可饱和吸收体，8.大模场无源光纤，9.光纤带通滤波器，10.光纤光栅，a. 光纤环形器的a端口，b. 光纤环形器的b端口，c. 光纤环形器的c端口，d. 1x2光纤耦合器的d端口，e. 1x2光纤耦合器的e端口，f. 1x2光纤耦合器的f端口。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，但不限定本实用新型。

实施例1

如图1所示，本实用新型实施例提供一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，包括：图中1为泵浦源，可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管，输出可选用6/125型光纤；2为波分复用器或光纤合束器，波分复用器可选用980/1064型，光纤合束器可选用（2+1）x1泵浦信号合束器，如6/125型或10/125型；3为增益光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能高掺杂掺镱光纤，如6/125型；4为1x2光纤耦合器，可选用6/125型，分束比为10/90、20/80、30/70或40/60型；5为光纤隔离器，可选用6/125型；6为光纤环形器，可选用6/125型，7为可饱和吸收体，可选用Batop公司的高性能反射式半导体可饱和吸收镜；8为大模场无源光纤，可选用美国Nufern公司生产的大模场光纤LMA-GDF-10/125-M；9为光纤带通滤波器，滤波带宽可选用0.5nm、2nm、8nm或10nm型。

泵浦源1连接光纤波分复用器或光纤合束器2的泵浦光输入端，光纤波分复用器或光纤合束器2的公共输出端连接增益光纤的一端，增益光纤的另一端连接光1x2光纤耦合器4的输入端，光纤耦合器4的输出端e连接光纤环形器6的输入a端，光纤耦合器4的输出端f连接光纤隔离器5，光纤环形器6的b端与可饱和吸收体对接，光纤环形器6的c端与大模场无源光纤8的一端连接，大模场无源光纤8的另一端连接光纤滤波器9的一端，光纤滤波器的另一端连接第一波分复用器的信号光输入端。

泵浦源1提供的泵浦光经过光纤波分复用器或光纤合束器被耦合2传输至增益光纤3，经过增益放大后产生信号，经过1x2光纤耦合器4分束一部分信号由耦合器的e端输出在谐振器中继续传输至光纤环形器6，信号从环形器的a端输出传输到b端后与可饱和吸收体7作用，可保和吸收体7提供了锁模机制用于产出锁模脉冲，经可饱和吸收体7作用后的信号反射入b端口后从c端口输出继续在腔内传输，脉冲经过大模场光纤8后传输至光纤带通滤波器9，带通滤波器9产生的滤波效应与光纤中的色散平衡，用于维持稳定的单脉冲锁模状态，经滤波后的脉冲传输入光纤波分复用器或光纤合束器2的信号输入端构成振荡环路，一部分信号由耦合器的f端输出腔外后经隔离器输出。

在环形谐振腔中，锁模脉冲激光的重复频率f由公式：f=C/nL计算出，其中，C为光速，n为折射率，L是谐振腔的总腔长，所述总腔长包含增益光纤、上述器件的尾纤及大模场无源光纤的长度，所述谐振腔长度为大于2000m，其中增益光纤长度为1m，通过改变大模场无源光纤长度，进而改变整个谐振腔腔长，由于大模场无源光纤相对比标准单模光纤的非线性系数小，脉冲在振荡器中积累的非线性相移小，不会造成脉冲分裂现象，可实现重复频率小于100kHz的单激光脉冲输出。

实施例2

如图2所示，本实用新型实施例提供一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，包括：图中1为泵浦源，可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管，输出可选用6/125型光纤；2为波分复用器或光纤合束器，波分复用器可选用980/1064型，光纤合束器可选用（2+1）x1泵浦信号合束器，如6/125型或10/125型；3为增益光纤，可选用美国Nufern公司生产的高性能高掺杂掺镱光纤，如6/125型；4为1x2光纤耦合器，可选用6/125型，分束比为10/90、20/80、30/70或40/60型；5为光纤隔离器，可选用6/125型，7为可饱和吸收体，可选用Batop公司的高性能反射式半导体可饱和吸收镜；8为大模场无源光纤，可选用美国Nufern公司生产的大模场光纤LMA-GDF-10/125-M；10为反射型光纤布拉格光栅，可选高反型或波分反射型光栅，反射率为R,其中0＜R＜1

泵浦源1连接光纤波分复用器或光纤合束器2的泵浦光输入端，光纤波分复用器或光纤合束器2的公共输出端连接增益光纤的一端，增益光纤的另一端连接光1x2光纤耦合器4的输入端d，光纤耦合器4的输出端e连接大模场无源光纤8的一端，大模场无源光纤8的另一端连接反射型光纤布拉格光栅的一端，，光纤波分复用器或光纤合束器2的信号输入端对接反射式可饱和吸收体7。

泵浦源1提供的泵浦光经过光纤波分复用器或光纤合束器被耦合2传输至增益光纤3，经过增益放大后产生信号，经过1x2光纤耦合器4分束一部分信号由耦合器的e端输出在谐振器中继续传输至大模场无源光纤8，脉冲经过大模场无源光纤8后传输到反射式光纤布拉格光栅9，信号从反射式光纤布拉格光栅9反射后，再次依次通过大模场无源光纤8、1x2光纤耦合器4、增益光纤3和光纤波分复用器或光纤合束器被耦合2并从增益光纤3和光纤波分复用器或光纤合束器被耦合2的信号输出端传输至反射可饱和吸收体7上，产生锁模脉冲，反射式光纤布拉格光栅9与反射可饱和吸收体7构成谐振腔，一部分信号由光纤耦合器4的f端输出腔外后经隔离器5输出。

本实用新型通过引入大模场无源光纤，解决了传统低重频锁模光纤激光器难以实现单脉冲运转的问题，仅通过增加无源光纤长度就可降低腔内脉冲的重复频率降低至10kHz，大大简化了系统结构，有效降低了成本，同时兼顾稳定性高、环境适应性强的特点，具有广泛的应用前景。

Claims (9)

1.一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，其特征在于：包括泵浦源、光纤波分复用器或光纤合束器、增益光纤、1x2光纤耦合器、光纤环形器、可饱和吸收体、大模场无源光纤、光纤带通滤波器、光纤隔离器；泵浦源的输出光纤与光纤波分复用器或光纤合束器的泵浦输入端相连，光纤波分复用器或光纤合束器的公共端与增益光纤相连，1x2光纤耦合器的输出端与增益光纤相连，1x2光纤耦合器的一个输出端与光纤环形器的输入端相连，1x2光纤耦合器的一个输出端与光纤隔离器相连，光纤环形器的反射端口与可饱和吸收体对接，输出端与大模场无源光纤相连，大模场光纤的另一端与光纤带通滤波器的一端相连，带通滤波器的另一端与光纤波分复用器或光纤合束器的信号输入端相连；泵浦源提供的泵浦光经过光纤波分复用器或光纤合束器被耦合传输至增益光纤，经过增益放大后产生的激光经过1x2光纤耦合器，一部分信号由耦合器的另一输出端输出在谐振器中继续传输至光纤环形器，信号从环形器的输入端输出传输到第二反射端后与可饱和吸收体作用，经可饱和吸收体作用后的信号反射入第二反射端口后从输出端输出继续在腔内振荡，脉冲经过大模场无源光纤传输至光纤带通滤波器，经滤波后的脉冲输入光纤波分复用器或光纤合束器的信号输入端构成振荡环路，一部分信号由耦合器的另一个输出端输出腔外后经隔离器输出。

2.根据权利要求1所述的一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，其特征在于：所述的泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出光纤是单模光纤或多模光纤，输出的泵浦光中心波长λ的范围为：700nm≦λ≦1030nm。

3.根据权利要求1所述的一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，其特征在于：所述的增益光纤是掺有镱（Yb）稀土离子的光纤，光纤可以单包层光纤或双包层阶跃折射率光纤或双包层光子晶体光纤的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，其特征在于：所述的泵浦方式是纤芯单端泵浦、纤芯双端泵浦、包层单端泵浦、包层双端泵浦。

5.根据权利要求1所述的一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，其特征在于：所述可饱和吸收体为半导体可饱和吸收镜或石墨烯可饱和吸收体。

6.根据权利要求1所述的一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，其特征在于：所述光纤带通滤波器的中心波长在1030nm到1100nm之间，滤波器的带宽在0.1nm到10nm之间。

7.根据权利要求1所述的一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，其特征在于：所述大模场无源光纤为单包层传输光纤、双包层传输光纤、实芯光子晶体光纤或空芯光子晶体光纤，纤芯直径在10-30微米之间，长度大于2000m。

8.根据权利要求1所述的一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，其特征在于：所述大模场无源光纤的位置在光纤耦合器之后。

9.根据权利要求1所述的一种全光纤结构超低重复频率被动锁模激光器，其特征在于：输出脉冲激光重复频率小于100kHz且为单脉冲输出。

Images