一种基于微纳光纤的色散管理与啁啾补偿的方法与流程

本发明属于超快激光技术及光的色散补偿技术领域，特别涉及一种基于微纳光纤的色散管理与啁啾补偿的方法以及和飞秒激光器制作方法。

背景技术：

光纤飞秒激光器具有成本低、结构紧凑、操作简单、光束质量好、稳定性高、对环境要求低等诸多突出的优点，在材料加工、生物医学学成像、精密测量、大型设备同步等许多重要的领域都有广泛的应用。通过调节激光谐振腔里的总色散可以改变激光器的工作区域，产生性能不同的飞秒脉冲，比如负色散区域的sech型孤子型脉冲，零色散附近的高斯型展宽脉冲，和全正色散时光谱近似为矩形的脉冲。除了时域波形与光谱形状，激光器谐振腔的总色散对激光器的最大单脉冲能量以及噪声性能都着重要的影响，这对大型设备同步、精密测量等应用场合是非常重要的。

对于通讯波段，普通单模光纤是负色散，而掺铒光纤可以是正色散，色散管理与啁啾补偿很方便。但是对于1微米波段，单模光纤和掺yb的增益光纤均为正色散光纤，而对于2微米波段，单模光纤和tm掺杂或tm:ho共掺光纤，均为负色散光纤，难以通过改变光纤的长度来实现色散从正到负的调节。

目前，在掺yb光纤锁模激光器和tm掺杂或tm:ho共掺光纤锁模激光器中，常用的色散调节方法有：

(1)棱镜/棱镜对：一般用棱镜/棱镜对可以提供负的二阶色散，这在自由空间的钛宝石激光中用的非常普遍；

(2)光栅/光栅对：光栅有很强的色散，可以用自由空间或光波导中的光栅/光栅对来提供很大的正色散或者负色散；

(3)啁啾镜：在平面反射镜表面镀有特殊设计的多层膜，也可以实现色散的补偿。

(4)gires-tournois干涉仪:利用干涉仪的反射特性，改变入射角可以调节干涉仪的色散。

这几种方法除了啁啾光纤光栅外，其他的方法都通过在自由空间光路实施，这与光纤系统不兼容，调节起来不够方便，降低了光纤系统原有的机械稳定性；

(5)特殊结构的光纤：文献中还可以看到有利用特殊设计的光纤结构，如空心/实心结构的光子晶体光纤，大数值孔径光纤等等特殊结构的光纤来补偿色散。但是一般这些光纤与光纤器件的尾纤不兼容，模场匹配较差，往往对熔接技术有特殊的要求，且熔接损耗较高；

(6)利用少模光纤的高阶模式：普通光纤中的模式通过普通光纤中的长周期光纤光栅可以耦合到少模光纤中的高阶模式，利用高阶模式的传播特性可以实现全光纤结构的色散补偿。但此方法需要额外的长周期光纤光栅，增加了系统的复杂度。

由于上述方法各有缺点，从实用的角度考虑，有必要给出一种简单、稳定、方便、可靠，与现有光纤系统完全兼容的技术，来实现光纤飞秒激光器谐振腔内色散管理以及腔外啁啾补偿的方法。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微纳光纤的色散管理与啁啾补偿的方法，由普通光纤拉制而成的微纳光纤具有独特的色散特性，在直径不同时，它在所需波段可以产生较强的正色散或负色散，从而实现色散调节和啁啾补偿的目的；本发明制作工艺简单，所需的光纤与现有光纤系统完全兼容，插入损耗很低，熔接损耗可忽略不计，随着设计参数的不同，可以在所需波段提供所需要的色散，比如1微米波段提供较大的负色散，或2微米波段提供较大的正色散，这对超快光纤激光器腔内的色散调节，及腔外的脉冲压缩均有很大的实用价值。具体地，本发明利用特定的制作方法，比如熔融拉锥法，得到一定设计参数的微纳光纤，它通过尾纤与普通光纤或者增益光纤可以实现极低损耗的熔接。通过拉制不同直径和长度的微纳光纤，可以在较大范围内调整微纳光纤所提供的色散。此微纳光纤用于超快激光器谐振腔内，可以调节超快激光器锁模状态的工作区(包括负色散的孤子区、近零色散的展宽脉冲区，及正色散区)。用于激光器腔外的输出端，可以补偿啁啾，实现超短脉冲的压缩或展宽。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于微纳光纤的色散管理与啁啾补偿的方法，设计所需微纳光纤的直径和长度，制作微纳光纤，并对其进行封装，在需要色散管理的部分将微纳光纤与光纤及光纤器件的尾纤熔接，实现色散管理和啁啾补偿。

该方法具体包括以下步骤：

(1)设计：通过数值计算的方法，设计微纳光纤的几何参数，获得所需微纳光纤的长度与直径。

具体来讲，一种典型的设计方法如下：通过有限元法(如comsolmultiphysics软件)或其他光学波导模式计算方法，得到不同直径微纳光纤的二阶色散曲线，如图1所示。选取在特定波段具有正色散或者负色散的直径范围，得到大致的二阶色散值。根据此二阶色散值以及所需补偿的总色散量，来计算得到所需微纳光纤的长度。比如图1中，1.06微米波段，微纳光纤直径为1到2微米时，二阶色散值在-150ps²/km到-50ps²/km范围内。可选取微纳光纤的直径为1.5微米，二阶色散值为-140ps²/km。所需补偿的总色散量为0.02ps²(对应1米长的hi1060光纤的总色散量)，那么所需1.5微米直径的微纳光纤长度约15cm。

(2)拉锥：去除光纤表面涂覆层，并将光纤两端固定于夹具之上。利用高温热源加热裸露的光纤区域，并将光纤向两端拉伸。拉伸过程中，高温热源往复移动，增大加热区域。拉伸后的光纤由拉锥过渡区和微纳光纤区组成；然后利用一定的色散测量装置来检测微纳光纤的二阶色散是否达到设计要求。

其中，光纤为普通单模或者多模光纤。高温热源为丁烷或异丁烷-氧气火焰、氢氧焰、co2激光器、高压电弧，或高温陶瓷加热器，温度在400℃-1000℃。

(3)封装：将制备好的微纳光纤恰当地封装在特殊设计的盒子中。在封装过程中，需保证微纳光纤和拉锥过渡区都在盒子之内。盒子应具有一定的气密性和防灰功能，并且保证微纳光纤色散补偿器件的机械强度。

(4)接入：将经过上述步骤得到的封装好的微纳光纤接入到所需的位置。利用常用的光纤熔接设备，以及常用的光纤熔接技术，即可实现微纳光纤在光纤系统中低损耗的接入。

本发明中，微纳光纤由一段或多段均匀直径的微纳光纤构成，或者，由一段或多段渐变直径的微纳光纤构成。

微纳光纤的直径在500nm到10μm的范围内，长度在1cm到10m的范围内。微纳光纤通过渐变拉锥实现与普通单模光纤的不间断相连。

本发明可通过调整制备微纳光纤的工艺参数，以获得不同色散特性的微纳光纤，改变微纳光纤提供的色散值；通过调整与微纳光纤相连的普通光纤或光纤器件尾纤的长度，以调节微纳光纤与普通光纤的总色散值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用普通光纤拉锥，无需采用特种光纤。即通过普通光纤的拉锥技术，就可以获得具有色散补偿功能的微纳光纤。

2、本发明所采用的微纳光纤在拉锥结束后，可以与普通光纤的尾纤不间断相连，这保证了极高的光学传输效率以及后续与普通光纤极低的熔接损耗，器件的总插入损耗极低。

3、本发明所采用的与普通光纤低损耗连接的微纳光纤，在调节色散时可以通过改变制备微纳光纤的工艺参数，和调整所熔接的普通光纤长度来实现。

附图说明

图1是不同直径微纳光纤在1微米附近的二阶色散图。

图2是不同直径微纳光纤在2微米附近的二阶色散图。

图3是本发明的实施例1中微纳光纤用于调节掺yb光纤飞秒激光器腔内色散的示意图。

图4是根据图3所得到的光谱图。

图5是本发明的实施例2中微纳光纤用于调节掺yb光纤飞秒激光器腔外色散的示意图。

图6是根据图5的脉冲压缩前后的干涉自相关迹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

实施例1

本发明提出一种利用微纳光纤用作色散管理的方法，概况地讲，本发明首先制备得到设计参数的微纳光纤，继而在所需的位置将微纳光纤的尾纤与普通光纤熔接，以达到色散补偿的目的。

图1显示的是计算得到的直径分别为1.0、1.2、1.5与2.0微米微纳光纤的二阶色散图。图中可见在1000nm到1200nm的范围内，上述直径的微纳光纤的色散总是负的，其绝对值约是普通光纤(比如康宁的hi1060光纤，为23ps²/km)的5-10倍。图2显示的是计算得到的直径分别为1.0、1.2、1.5与2.0微米微纳光纤的二阶色散图。图中可见在1800nm到2000nm的范围内，上述直径的微纳光纤的色散总是正的，其绝对值约是普通光纤(比如nufern的sm1950，为-80ps²/km)的3-30倍。

图3显示的是将微纳光纤接入掺yb的偏振旋转锁模激光器谐振腔中的示意图。图4是根据图3所获得的典型光谱。

上述激光器中，锁模状态的自启动由设置1/4波片、半波片和偏振分束器pbs组成的人工饱和吸收体来达到。激光器所用的掺yb光纤和所用的光纤器件尾纤的二阶色散值都约为23ps²/km。在谐振腔中加入能够提供负色散的光学元件，可以将激光器的腔内总色散调节至零左右，使得激光器工作在孤子区或者展宽脉冲区，得到比较好的噪声特性，输出稳定的脉冲序列。上述目的可以由一定直径和长度的微纳光纤来实现。

微纳光纤的示意图如图3所示，它通过渐变的光纤拉锥与普通单模光纤不间断相连。微纳光纤的拉制工艺保证了微纳光纤和渐变拉锥具有极低的光学传输损耗，以及保证微纳光纤的直径和长度与设计值吻合。图3所用的微纳光纤直径约为1.6微米，长度约10cm。微纳光纤两端连有的尾纤则保证了它可以采用普通光纤的熔接工艺，实现与普通单模光纤极低损耗的熔接，从而在调节激光器色散的同时，具有极低的插入损耗。图4中的光谱图表明采用上述特性的微纳光纤调节色散后，激光器可以工作于展宽脉冲区。

实施例2

本发明提出的利用微纳光纤用作色散管理的方法，除了可以用在激光器的腔内，还可以用于激光器腔外的啁啾补偿光路。本实施例给出了用于这一目的的原理性演示以及实际效果。

图5给出了微纳光纤用于掺yb飞秒光纤激光器腔外啁啾的补偿时的光路示意图。在pbs之后的输出光路中，接入一定直径和长度的微纳光纤，以及用于补偿啁啾的普通单模光纤。用于这一目的的微纳光纤与准直器尾纤和补偿啁啾的单模光纤之间通过普通光纤熔接方法实现极低损耗熔接。由于微纳光纤在1微米波段提供正色散，而普通光纤提供负色散，所以调节用于啁啾补偿的普通光纤的长度，即可以精细调节对输出啁啾脉冲的啁啾补偿。图6中的干涉自相关显示了这一结果。经过仔细调节用于啁啾补偿的普通光纤的长度，可以将具有较大啁啾的输出脉冲，补偿至几乎无啁啾的脉冲，脉宽约100fs。

上述实施例用于展示本发明的原理和应用场合，但应理解为上述描述并非对本发明的保护范围进行限制，其他对本发明进行非实质性的修改都在本发明的保护范围内。事实上，微纳光纤可以很方便地用于其他系统中，比如可以集成在全光纤器件的超短脉冲光纤激光器中，用于采用碳纳米管、石墨烯、半导体饱和吸收反射镜等饱和吸收体构成的超短脉冲激光器的色散管理以及超短脉冲的啁啾补偿中，便于实现光学插入损耗小、稳定好、熔接方便，且与现有光纤系统完全兼容的色散管理和啁啾补偿。通过设计所需微纳光纤的直径和长度，本发明所给出的色散管理和啁啾补偿的方法特别适用于普通光纤难以实现色散调节的1微米波段和2微米波段。用于其他波段时，都在本发明的保护范围内。