CN216773786U - 一种宽带可调谐的中红外全光纤超短脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽带可调谐的中红外全光纤超短脉冲激光器，特点是包括用于发出1.55μm波段的连续光的激光源和沿光路依次设置的半导体可饱和吸收镜、掺铥光纤、波分复用器、超高数值孔径光纤、输出耦合器、SMS光纤滤波器、偏振控制器和光纤反射镜，波分复用器的一端与掺铥光纤连接，波分复用器的另一端分别与激光源及超高数值孔径光纤的一端连接，输出耦合器的一端与超高数值孔径光纤的另一端连接，输出耦合器的另一端设置有单模输出光纤，单模输出光纤与SMS滤波器并接于输出耦合器的另一端；优点是不仅响应速度快、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、适应环境能力出色，而且在制作时，制作工艺简单，可以大幅度削减制造成本。

Description

一种宽带可调谐的中红外全光纤超短脉冲激光器

技术领域

本实用新型涉及一种超短脉冲激光器，尤其是一种宽带可调谐的中红外全光纤超短脉冲激光器。

背景技术

2μm超短脉冲激光持续时间短、峰值功率高，在超连续谱产生、医疗手术、材料加工等领域有着非常广泛的应用，而具有波长可连续调谐功能的超短脉冲光纤激光器，它的结构紧凑、稳定性好、光束质量高、应用范围比单一波长的激光器更广，因此目前关于全光纤的波长可调谐超短脉冲激光源的研制是颇具意义的。

目前实现波长可调谐超短脉冲激光源主要为以下三种方案：第一，通过某些元件，如光栅，改变谐振腔低损耗区所对应的波长来改变激光的波长，使用掺钬晶体作为增益介质，利用双折射滤光片实现了波长可调谐范围为2050 ~ 2160 nm的2μm固体激光器，但固体激光器的转换效率较低，且温度效益比较严重，发热量大，必须配备冷却设备才能连续使用；第二，通过改变某些外界参数，如磁场、温度等，使激光跃迁的能级移动，现有的实验中提出了一种通过调整注入电流来调整激光器阵列波长分布的优化方法，其中使用的半导体激光器工作特性与温度有显著的关系，环境温度变化可以引起激射频率、阈值电流、输出光功率等变化，容易引起输出特性的不稳定；第三，利用非线性效应实现波长的变换和调谐，如受激拉曼散射、光二倍频、光参量振荡，现有实验中首先搭建了一个掺铥光纤主振荡器，产生重复频率为34.15 MHz，平均输出功率为2mW，中心波长为1922.8nm，光谱3 dB带宽为28.4 nm，脉冲宽度约为200 fs的耗散孤子，然后将主振荡器产生的耗散孤子注入到放大器中4 m的双包层掺铥光纤里，随着放大器中泵浦功率的增大，可以产生1.9μm到2.36μm连续调谐的拉曼孤子，这种方法波长可调谐范围大，但需要额外增加放大器以实现所需要的波长调谐功能，增加了系统的成本以及复杂性。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种小型化、效率高、散热性能好及光束质量优良的宽带可调谐的中红外全光纤超短脉冲激光器，利用多模干涉器件对温度、拉力等外界因素的高灵敏度，实现激光器的调谐

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种宽带可调谐的中红外全光纤超短脉冲激光器，包括用于发出1.55μm波段的连续光的激光源和沿光路依次设置的半导体可饱和吸收镜、掺铥光纤、波分复用器、超高数值孔径光纤、输出耦合器、SMS光纤滤波器、偏振控制器和光纤反射镜，所述的波分复用器的一端与所述的掺铥光纤连接，所述的波分复用器的另一端分别与所述的激光源及所述的超高数值孔径光纤的一端连接，所述的输出耦合器的一端与所述的超高数值孔径光纤的另一端连接，所述的输出耦合器的另一端设置有单模输出光纤，所述的单模输出光纤与所述的SMS滤波器并接于所述的输出耦合器的另一端，所述的波分复用器用于接入所述的激光源发出的1.55μm波段的连续光并发送至所述的掺铥光纤，所述的掺铥光纤用于将接收到的1.55μm波段的连续光转换为2μm波段的连续光并发送至所述的半导体可饱和吸收镜，所述的半导体可饱和吸收镜用于将接收到的2μm波段的连续光转换为2μm波段的超短脉冲并沿光路发送至所述的输出耦合器，所述的输出耦合器输出至所述的SMS光纤滤波器与输出至所述的单模输出光纤的输出耦合比的范围为9:1，所述的SMS光纤滤波器用于对2μm波段的超短脉冲的中心波长进行调谐，所述的偏振控制器用于调谐腔内光的偏振态。

所述的SMS光纤滤波器包括依次熔接的第一单模光纤、渐变折射率多模光纤和第二单模光纤，所述的第一单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，所述的渐变折射率多模光纤的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，所述的第二单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于激光源发出1.55μm波段的连续光，功率范围为70 mW ~ 2 W，使用波分复用器将1.55μm波段的连续光泵入掺铥光纤中，掺铥光纤中铥离子吸收光子后发生了粒子数的反转，产生了2 μm波段的连续光，但是掺铥光纤所实现的2 μm的连续光是没有规律的，因此使用半导体可饱和吸收镜，使脉冲的纵模相位锁定，形成稳定的2 μm波段的超短脉冲，同时半导体可饱和吸收镜也可以作为反射镜反射光，使其在腔内连续振荡，使用超高数值孔径光纤来实现对腔内色散量的控制，从而使输出的超短脉冲的中心波长调谐范围增大；超短脉冲通过输出耦合器后，90%的光通过SMS光纤滤波器，采用SMS光纤滤波器，使得传统孤子的输出波长可以在1942 nm ~ 1967 nm范围内连续调谐，耗散孤子可以在1940 nm~ 1974 nm范围内连续调谐；偏振控制器用来调谐腔内光的偏振态，稳定腔内激光锁模状态和优化双折射效应，光纤反射镜作为腔镜，能够使光在激光腔内来回反射；10%的光通过单模输出光纤送到腔外，得到输出光。

本激光器基于超短脉冲技术，结合了多模干涉理论，不仅响应速度快、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、适应环境能力出色，而且在制作时，对加工的精度要求远远低于其他光波导器件，制作工艺简单，可以大幅度削减制造成本，实现了系统的全光纤化，本激光器不仅有小型化、效率高、散热性能好及光束质量优良的优点，还可以利用多模干涉器件对温度、拉力等外界因素的高灵敏度，实现激光器的调谐。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理图；

图2为实施例中SMS光纤滤波器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

一种宽带可调谐的中红外全光纤超短脉冲激光器，包括用于发出1.55μm波段的连续光的激光源Pump和沿光路依次设置的半导体可饱和吸收镜SESAM、掺铥光纤TDF、波分复用器WDM、超高数值孔径光纤UHNA4、输出耦合器OC、SMS光纤滤波器SMS、偏振控制器PC和光纤反射镜OFM，波分复用器WDM的一端与掺铥光纤TDF连接，波分复用器WDM的另一端分别与激光源Pump及超高数值孔径光纤UHNA4的一端连接，输出耦合器OC的一端与超高数值孔径光纤UHNA4的另一端连接，输出耦合器OC的另一端设置有单模输出光纤，单模输出光纤与SMS滤波器并接于输出耦合器OC的另一端，波分复用器WDM用于接入激光器发出的1.55μm波段的连续光并发送至掺铥光纤TDF，掺铥光纤TDF用于将接收到的1.55μm波段的连续光转换为2μm波段的连续光并发送至半导体可饱和吸收镜SESAM，半导体可饱和吸收镜SESAM用于将接收到的2μm波段的连续光转换为2μm波段的超短脉冲并沿光路发送至输出耦合器OC，输出耦合器OC输出至SMS光纤滤波器SMS与输出至单模输出光纤的输出耦合比的范围为9:1，SMS光纤滤波器SMS用于对2μm波段的超短脉冲进行调谐，偏振控制器PC用于调谐腔内光的偏振态。

SMS光纤滤波器SMS包括依次熔接的第一单模光纤S1、渐变折射率多模光纤M1和第二单模光纤S2，第一单模光纤S1的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，渐变折射率多模光纤M1的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，第二单模光纤S2的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。

以上实施例的工作原理如下：

首先选用长度为0.17 m的掺铥光纤TDF实现对激光源Pump发出的1.55μm波段的连续光的充分吸收，并且有效放大2 μm波段的光，由于掺铥光纤TDF所实现的2 μm波段的连续光的纵模相位是没有规律的，因此使用半导体可饱和吸收镜SESAM，通过它的可饱和吸收效应，杂乱的多脉冲可以被调制成有规律的超短脉冲串，半导体可饱和吸收镜SESAM中的可饱和吸收体在强光下被漂白，可以使大部分腔内能量通过光路后到达光纤反射镜OFM，然后再次反射回激光腔中，由于半导体可饱和吸收镜SESAM吸收掉了脉冲前沿部分，脉冲宽度在反射过程中会逐渐变窄，最终实现超短脉冲的输出；

为了实现输出波长可连续调谐的功能，首先探索第一单模光纤S1、第二单模光纤S2与渐变折射率多模光纤M1之间的熔接参数，降低两种不同芯径的光纤之间的熔接损耗，将两段单模光纤分别熔接在渐变折射率多模光纤M1的两端，最终实现插入损耗<0.2 dB的SMS光纤滤波器SMS；对渐变折射率多模光纤M1施加不同的应力，渐变折射率多模光纤M1在不同的拉伸长度下，SMS光纤滤波器SMS的透射峰的位置也会发生相应的偏移，就可以实现对由单模输出光纤输出的超短脉冲的波长的调谐，最终在负色散区实现了由单模输出光纤输出的超短脉冲的波长在1942 nm ~ 1967 nm范围内连续调谐，正色散区耗散孤子可以在1940.2 nm ~ 1974.1 nm范围内连续调谐；

使用超高数值孔径光纤UHNA4来实现对腔内色散量的控制，使用截断法改变超高数值孔径光纤UHNA4的长度，使得腔内色散在-0.2775 ps² ~ 0.1398 ps²这一较宽的范围之间变化，在超高数值孔径光纤UHNA4的长度为0 m时，腔内色散为-0.2775 ps²，输出的传统孤子中心波长为1939.4 nm，光谱3 dB带宽为4.8 nm，信噪比为64 dB，重复频率为35.7MHz，脉冲宽度为883 fs，输出平均功率为2.1 mW，单脉冲能量为0.06 nJ，峰值功率为68 W；在超高数值孔径光纤UHNA4的长度为4.5 m时，腔内色散为0.1398 ps²，输出的耗散孤子中心波长为1953.4 nm，光谱3 dB带宽为13 nm，信噪比为74 dB，重复频率为13.5 MHz，脉冲宽度为41 ps，输出平均功率为8.2 mW，单脉冲能量为0.61 nJ，峰值功率为51 W。

Claims (2)

1.一种宽带可调谐的中红外全光纤超短脉冲激光器，其特征在于包括用于发出1.55μm波段的连续光的激光源和沿光路依次设置的半导体可饱和吸收镜、掺铥光纤、波分复用器、超高数值孔径光纤、输出耦合器、SMS光纤滤波器、偏振控制器和光纤反射镜，所述的波分复用器的一端与所述的掺铥光纤连接，所述的波分复用器的另一端分别与所述的激光源及所述的超高数值孔径光纤的一端连接，所述的输出耦合器的一端与所述的超高数值孔径光纤的另一端连接，所述的输出耦合器的另一端设置有单模输出光纤，所述的单模输出光纤与所述的SMS光纤滤波器并接于所述的输出耦合器的另一端，所述的波分复用器用于接入所述的激光器发出的1.55μm波段的连续光并发送至所述的掺铥光纤，所述的掺铥光纤用于将接收到的1.55μm波段的连续光转换为2μm波段的连续光并发送至所述的半导体可饱和吸收镜，所述的半导体可饱和吸收镜用于将接收到的2μm波段的连续光转换为2μm波段的超短脉冲并沿光路发送至所述的输出耦合器，所述的输出耦合器输出至所述的SMS光纤滤波器与输出至所述的单模输出光纤的输出耦合比的范围为9:1，所述的SMS光纤滤波器用于对2μm波段的超短脉冲进行调谐，所述的偏振控制器用于调谐腔内光的偏振态。

2.根据权利要求1所述的一种宽带可调谐的中红外全光纤超短脉冲激光器，其特征在于所述的SMS光纤滤波器包括依次熔接的第一单模光纤、渐变折射率多模光纤和第二单模光纤，所述的第一单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，所述的渐变折射率多模光纤的纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，所述的第二单模光纤的纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm。

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