CN216312320U - 一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，包括依次连接的泵浦源、非线性放大光纤环形反射镜和非线性光纤环形反射镜。其中非线性放大光纤环形反射镜包括波分复用器、掺镱光纤、单模光纤、第一偏振控制器、非对称输出耦合器；其中非线性光纤环形反射镜包括1分2光纤耦合器和第二偏振控制器，所述1分2光纤耦合器的输入端口与非对称输出耦合器的强输出端口连接，所述1分2光纤耦合器的两个输出端口经第二偏振控制器连接。本实用新型通过使用由非对称输出耦合器参与构建的非线性放大光纤环形反射镜，从而窄化激光器内部滤波带宽，在光纤激光器中可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲输出。

Description

一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及光学工程、超快非线性光纤光学动力学、光纤激光器技术领域，尤其涉及一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器。

背景技术

耗散孤子共振是光纤激光器工作的一个特殊区域，随增益的增加，所产生的耗散孤子共振型脉冲在脉冲峰值功率受限的同时脉冲宽度持续增加，理论上脉冲能量能够无限提升且脉冲不发生分裂。耗散孤子共振型脉冲具有平顶的时域结构且峰值功率受限，其光谱形状类似于连续波激光(CW)且光谱背底具有陡峭的边缘。当脉冲能量增加时，脉宽增加且光谱的矩形基座不变，新出现的光谱成分位于光谱中间并形成尖峰。2008年，Chang等人通过求解复杂的金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)方程，从理论上发现并提出了耗散孤子共振的运行机制，预测了耗散孤子共振型脉冲的存在[1]。2009年，Wu等人在掺铒光纤激光器中采用非线性偏振旋转锁模，证实了耗散孤子共振型脉冲的存在[2]。随泵浦功率的提升，产生的耗散孤子共振型脉冲保持峰值功率不变，脉冲宽度增加。在最大泵浦条件下，耗散孤子共振型脉冲始终不分裂。受限于最大泵浦功率，所产生的耗散孤子共振型脉冲的最大脉冲能量为281nJ，而且脉冲能量和脉冲宽度基本上随泵浦功率线性增长。

由于耗散孤子共振在获得大脉冲能量及脉冲可调谐方面的优越性，自其被提出以来，大量关于耗散孤子共振型脉冲的研究不断出现。2013年，深圳大学的Yang等人在基于非线性放大光纤环形反射镜锁模技术的8字腔正常色散区的掺铒光纤激光器中将耗散孤子共振型脉冲能量提高到379.2nJ[3]。2013年，华南师范大学的Liu等人首次获得了掺镱单模光纤激光器中的耗散孤子共振型脉冲输出，最高的单脉冲能量为3.24nJ，脉宽可调节范围由8.8ps到22.92ps[4]。2014年，河北师范大学的Li等人利用非线性偏振旋转锁模，获得了正常色散区掺镱光纤激光器的耗散孤子共振型脉冲输出，脉冲宽度可由54ns调至91ns，对应最高的单脉冲能量为54.6nJ[5]。同年，国防科技大学的Cai等人提出了一种掺镱锁模光纤激光器，它可以产生千瓦级峰值功率的耗散孤子共振型脉冲，通过非线性光纤环形反射镜环路长度的减少实现了1.1kW的峰值功率，1.66W的平均功率和160nJ能量的耗散孤子共振型脉冲，脉冲宽度可以在10.29MHz的重复频率下从48ps调整到146ps[6]。Li等人数值模拟研究了耗散孤子共振型脉冲的产生机理[7]。

耗散孤子共振型脉冲具有较低的脉冲峰值功率和较宽的脉冲宽度，非常适合作为脉冲放大系统的种子脉冲来使用。光纤激光器中的多脉冲产生特别是谐波锁模可以提高脉冲的重复频率。通过谐波锁模，激光器的脉冲重复频率可以得到极大的提高[8]。基于谐波锁模的高重复率激光器已被建议用于激光加工、光通讯和精确光采样等领域。多脉冲产生一般需要较高的泵浦功率。

耗散孤子共振可以实现脉冲能量的大步提升，达到微焦量级。具有耗散孤子共振的超短脉冲理论上其脉冲能量可以为无穷大。因此能实现多个耗散孤子共振型脉冲输出的光纤锁模激光器具有很大的应用和研究价值。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，基于使用由非对称输出耦合器参与构建的非线性放大光纤环形反射镜，利用非线性放大光纤环形反射镜的等效滤波带宽与非对称输出耦合器的相关性，从而窄化激光器内部滤波带宽，旨在激光器中同时产生多个耗散孤子共振型脉冲输出。

本实用新型为实现上述实用新型目的采用如下技术方案：

本实用新型提供了一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，包括依次连接的泵浦源、非线性放大光纤环形反射镜和非线性光纤环形反射镜；

所述非线性放大光纤环形反射镜包括波分复用器、掺镱光纤、单模光纤、第一偏振控制器、非对称输出耦合器；

所述非线性光纤环形反射镜包括光纤耦合器和第二偏振控制器；

所述泵浦源与所述波分复用器的泵浦端口连接，所述波分复用器的公共端口依次经掺镱光纤、单模光纤、第一偏振控制器，连接至所述非对称输出耦合器的能量输入端口；

所述波分复用器的信号端口与非对称输出耦合器的能量输入端口同端的另一端口连接；

所述非对称输出耦合器输出比例高于60％的能量输出端口连接至所述光纤耦合器的能量输入端口；

所述光纤耦合器的两个输出端口分别与所述第二偏振控制器连接；

所述激光器稳定的多个耗散孤子共振型脉冲从所述非对称输出耦合器输出比例低于40％的能量输出端口输出。

进一步地，所述泵浦源为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于974～983nm，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。

进一步地，所述波分复用器的工作波长是980/1064nm，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。

进一步地，所述非对称输出耦合器采用输出能量比在40：60至20：80之间的光纤耦合器，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。

进一步地，所述单模光纤长度为200米或更长，其类型为在1μm波段为单模的单模光纤。

进一步地，所述第一偏振控制器为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。

进一步地，所述光纤耦合器采用能量比为50:50的光纤耦合器，其输出尾纤在1μm波段为为单模。

进一步地，所述第二偏振控制器为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，其输出尾纤在1μm波段为单模。

本实用新型的有益效果如下：

通过让非线性放大光纤环形反射镜工作在窄带滤波模式，在光纤激光器中同时产生多个耗散孤子共振型脉冲输出；

选择输出能量比在40：60至20：80之间的非对称光纤耦合器，使形成的非线性放大光纤环形反射镜自发工作在窄带滤波模式(15nm到25nm之间)，不需要引入额外的带通滤波器，就可以在激光器中产生多个耗散孤子共振型脉冲；

与只能输出单个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器相比，本实用新型可在较低泵浦功率条件下实现多个耗散孤子共振型脉冲输出，避免对高泵浦功率的需求。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例提供的一种实现可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器的实验装置图；

图2为根据本实用新型实施例提供的数值仿真激光器输出的单个耗散孤子共振型脉冲时域图；

图3为根据本实用新型实施例提供的数值仿真激光器输出的单个耗散孤子共振型脉冲光谱图；

图4为根据本实用新型实施例提供的数值仿真激光器输出的两个耗散孤子共振型脉冲时域图；

图5为根据本实用新型实施例提供的数值仿真激光器输出的两个耗散孤子共振型脉冲光谱图。

图6为根据本实用新型实施例提供的数值仿真激光器输出的三个耗散孤子共振型脉冲时域图；

图7为根据本实用新型实施例提供的数值仿真激光器输出的三个耗散孤子共振型脉冲光谱图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种实现可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，包括泵浦源1，由波分复用器2、掺镱光纤3、单模光纤4、第一偏振控制器5和非对称输出耦合器6连接成的非线性放大光纤环形反射镜，由1分2光纤耦合器7和第二偏振控制器8连接成的非线性光纤环形反射镜，用光纤连接成线性腔；其中非线性放大光纤环形反射镜是将一个四口非对称输出耦合器6的两个输入端口(6a和6b)通过一个波分复用器2、一段掺镱光纤3、一段在1μm波段为单模的单模光纤4、一个第一偏振控制器5连接而成。所述的泵浦源1与波分复用器2的泵浦端口2连接，波分复用器2的公共端口2c依次经掺镱光纤3、单模光纤4、第一偏振控制器5连接至非对称输出耦合器6的能量输入端口6a，非对称输出耦合器6的强能量输出端口6c连接至非线性光纤环形反射镜的输入端口，光纤非线性环形反射镜由1分2光纤耦合器7和第二偏振控制器8连接而成；该激光器稳定的多个耗散孤子共振型脉冲从非对称输出耦合器6的弱能量输出端口6d输出。

所述的泵浦源1为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于974～983nm，对应于掺镱光纤的泵浦吸收范围，提高泵浦效率，输出尾纤类型为在1μm波段为单模的单模光纤。

优选地，所述泵浦源1的输出尾纤为Corning HI1060。

所述的波分复用器2的工作波长是980/1064nm，作用是将泵浦光耦合进谐振腔内，其尾纤类型为在1μm波段为单模的单模光纤。

优选地，其尾纤类型为Corning HI1060。

所述的掺镱光纤3型号为YB406，长度为50cm，采购于CorActive公司，其掺杂浓度高，最高泵浦吸收达到600dB/m，具有很强的增益。

该增益光纤优选为YB406，也可选用其它单模掺镱光纤。

所述的单模光纤4采用在1μm波段为单模的单模光纤，长度超过200m。

优选地，其尾纤类型为Corning HI1060。

所述的第一偏振控制器5为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，作用是调节谐振腔中光脉冲的偏振及损耗，其尾纤类型为在1μm波段为单模的单模光纤。

优选地，其尾纤类型为Corning HI1060。

所述的非对称输出耦合器6采用能量比为40:60到20:80的四口光纤耦合器，作用是将其两个输入端口经波分复用器2、掺镱光纤3、单模光纤4、第一偏振控制器5互相连接组成非线性放大环形反射镜，作为锁模启动装置和窄带滤波器，其尾纤类型为在1μm波段为单模的单模光纤。

优选地，其尾纤类型为Corning HI1060。

所述的1分2光纤耦合器7采用能量比为50:50的三口光纤耦合器，作用是反射腔内生成的耗散孤子共振型脉冲。其尾纤类型满足1μm波段单模。

优选地，其尾纤类型为Corning HI1060。

所述的第二偏振控制器8为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，加入非线性环形反射镜中作用是调节光脉冲的偏振及损耗。其尾纤类型满足1μm波段单模。

优选地，其尾纤类型为Corning HI1060。

图1中，标记2表示本实用新型的输入端口，标记6d为本实用新型的多耗散孤子共振型脉冲输出端口。

本实用新型激光器中组成非线性放大环形反射镜的单模光纤4长度为200米或更长。采用能量比为40:60到20:80的四口光纤耦合器组成的长非线性放大环形反射镜来引入带宽较窄的光谱滤波是本实用新型激光器实现多耗散孤子共振型脉冲输出的关键。

数值仿真所得激光器输出的单个耗散孤子共振型脉冲的时域图和光谱图分别如图2和3所示，同时产生的两个耗散孤子共振型脉冲的时域图和光谱图分别如图4和5所示，同时产生的三个耗散孤子共振型脉冲的时域图和光谱图分别如图6和7所示。多耗散孤子共振型脉冲的光谱(图5和图7)具有调制，该调制由脉冲个数和脉冲时域间隔决定。

本实用新型提供了一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的产生方法，具体步骤如下：通过波分复用器将泵浦连续光耦合进光纤激光器内；掺镱光纤吸收了泵浦连续光，受激辐射出长波长的增益脉冲；增益脉冲在光纤激光器腔内震荡；增益脉冲输入非线性放大环形反射镜，顺时针和逆时针传输的脉冲在非线性放大环形反射镜中交会并在输出端经干涉输出；与传播方向相关的非线性相移积累的不同导致锁模脉冲的产生；由非对称输出耦合器构成的非线性放大环形反射镜的输出带宽较窄，泵浦功率较高时脉冲将发生分裂，实现多个耗散孤子共振型脉冲的输出。通过使用较长的单模光纤，使得在较低泵浦功率下即可实现锁模，进而产生脉冲分裂。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，其特征在于，包括依次连接的泵浦源、非线性放大光纤环形反射镜和非线性光纤环形反射镜；

所述非线性放大光纤环形反射镜包括波分复用器、掺镱光纤、单模光纤、第一偏振控制器、非对称输出耦合器；

所述非线性光纤环形反射镜包括光纤耦合器和第二偏振控制器；

所述泵浦源与所述波分复用器的泵浦端口连接，所述波分复用器的公共端口依次经掺镱光纤、单模光纤、第一偏振控制器，连接至所述非对称输出耦合器的能量输入端口；

所述波分复用器的信号端口与非对称输出耦合器的能量输入端口同端的另一端口连接；

所述非对称输出耦合器输出比例高于60％的能量输出端口连接至所述光纤耦合器的能量输入端口；

所述光纤耦合器的两个输出端口分别与所述第二偏振控制器连接；

所述激光器稳定的多个耗散孤子共振型脉冲从所述非对称输出耦合器输出比例低于40％的能量输出端口输出。

2.根据权利要求1所述的一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于974～983nm，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。

3.根据权利要求1所述的一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，其特征在于，所述波分复用器的工作波长是980/1064nm，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，其特征在于，所述非对称输出耦合器采用输出能量比在40：60至20：80之间的光纤耦合器，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。

5.根据权利要求1所述的一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，其特征在于，所述第一偏振控制器为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。

6.根据权利要求1所述的一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器采用能量比为50:50的光纤耦合器，其输出尾纤在1μm波段为单模。

7.根据权利要求1所述的一种可同时产生多个耗散孤子共振型脉冲的光纤激光器，其特征在于，所述第二偏振控制器为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，其输出尾纤在1μm波段为单模。

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