基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器的制作方法

本发明涉及光纤激光器，特别是一种基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器。

背景技术：

锁模光纤激光器凭其输出激光脉冲宽度窄、峰值功率高和光谱宽等优点在强场物理、精密测量、测距及精密加工等领域有着重要应用价值。

通常光纤激光器通过锁模的方式获得超短脉冲激光输出的方式有以下两种：

一、主动锁模。在激光器谐振腔腔内加入强度或相位调制器，当调制器的相邻调制时间间隔与激光在谐振腔内单次振荡的时间相匹配时可在腔中选出一个脉冲并对其不断放大和窄化，并通过周期性调制锁定不同纵模之间的相位差，最终得到窄脉宽的锁模脉冲输出。但这种方法的缺点是由于调制器的调制速率和带宽有限，一般输出的脉冲宽度只能在纳秒量级，另外调制器的存在会使激光器的整体结构变得臃肿和复杂{参见hausha.mode-lockingoflasers[j].ieeejournalofselectedtopicsinquantumelectronics,2000,6(6):1173-1185.}。

二、被动锁模。向腔内加入可饱和吸收体利用其光强越小吸收越大，光强越大吸收越小的特点对腔内激光光强进行调制，选出光强最大的部分通过受激辐射进行放大并不断削去其前后沿，压窄脉宽，并通过周期性调制锁定纵模间的相位差，最终能得到超短脉宽、超高峰值功率的锁模脉冲输出{参见ippenep.principlesofpassivemodelocking[j].appliedphysicsb,1994,58(3):159-170.}。

在锁模光纤激光器实现双波长超短脉冲激光输出则可以满足密集波分复用系统，光纤传感，光纤色散测量等领域对光源的要求，可以进一步拓展锁模光纤激光器的应用范围。目前在锁模光纤激光器中实现双波长激光输出的方式主要由以下三种：

一、向激光器谐振腔内加入基于激光偏振态和光纤色散的多波长lyot滤波器，当多波长滤波器中有两个透射峰的波长能达到激光阈值条件便可实现双波长激光输出。但这种方式存在的问题在于多波长lyot滤波器的透射峰具有周期性，无法精确选择双波长激光的具体波长和波长间隔，所以很难满足实际应用的需求{参见luoap,luozc,xuwc,etal.tunableandswitchabledual-wavelengthpassivelymode-lockedbi-dopedall-fiberringlaserbasedonnonlinearpolarizationrotation[j].laserphysicsletters,2011,8(8):601.}。

二、在锁模光纤激光器谐振腔内通过复杂的非线性效应和色散的共同作用实现双波长超短脉冲输出。这种方式可以在双波长都获得性能极佳的超短脉冲输出，但这种方式的问题在于产生双波长激光很大成都上依赖于谐振腔腔内的非线性效应和色散，具有一定地随机性，很难重复实现，所以也无法满足实际应用的需求{参见wangy,lij,hongl,etal.coexistenceofdissipativesolitonandstretchedpulseindual-wavelengthmode-lockedtm-dopedfiberlaserwithstrongthird-orderdispersion[j].opticsexpress,2018,26(14):18190-18201.}。

三、让两个不同波长的锁模光纤激光器相互嵌套，通过控制腔内共用光纤的长度并利用交叉相位调制来提升两个波长的超短脉冲的相干性，实现稳定高效的双波长超短脉冲输出。但这种方式往往需要复杂的结构，一般只能实现波长间隔较大的双波长超短脉冲输出{参见zengj,lib,haoq,etal.passivelysynchronizeddual-colormode-lockedfiberlasersbasedonnonlinearamplifyingloopmirrors[j].opticsletters,2019,44(20):5061-5064.}。

技术实现要素：

本发明在上述双波长锁模光纤激光器技术的基础上，提出一种基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器，将双波长光纤布拉格光栅与被动锁模相结合，在保证锁模脉冲激光短脉宽和高峰值功率特点的情况下实现稳定高效的双波长锁模脉冲输出，而且双波长光纤布拉格光栅的加入并不会破坏激光器的全光纤结构，使光纤激光器的易于集成、稳定性高的特点得到了保持。该激光器还具有结构简单、紧凑、易于制作的特点，可满足双波长锁模光纤激光器在科学和工业等领域的应用。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器，其特点在于：包括双波长光纤布拉格光栅、有源光纤、泵浦耦合器、泵浦源和可饱和吸收体，所述的双波长光纤布拉格光栅依次与所述的泵浦耦合器、有源光纤、可饱和吸收体相连熔接，组成线性腔结构，所述的泵浦耦合器的第3端口与所述的泵浦源相连。

一种基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器，其特点在于：包括双波长光纤布拉格光栅、有源光纤、泵浦耦合器、泵浦源、可饱和吸收体和环形器，所述的泵浦耦合器、有源光纤、可饱和吸收体和环形器依次首尾相连熔接，所述的泵浦耦合器的端口d与所述的环形器的端口c熔接相连，组成环形腔结构，所述的环形器的特点为端口a输入的光只能从端口b输出，端口b输入的光只能从端口c输出，所述的双波长光纤布拉格光栅与所述的环形器的端口b熔接相连，从而加入到环形腔中，所述的泵浦耦合器的端口e与所述的泵浦源的输出口相连。

所述的双波长光纤布拉格光栅为在同一段光纤的纤芯内上下位置分别引入周期不同的折射率调制，这样在同一段光纤中得到两个反射波长不同的子光纤布拉格光栅，可以对两个波长进行反射，当这两个波长均位于增益光纤的增益带宽内，再搭配可饱和吸收体便可以实现高效稳定的双波长超短脉冲激光输出。

所述的双波长光纤布拉格光栅的两个子光纤布拉格光栅分别是折射率变化周期相同的普通光纤布拉格光栅，或折射率变化周期沿轴向变化的啁啾光纤布拉格光栅。

所述的双波长光纤布拉格光栅的两个子光纤布拉格光栅的反射率可以分别在1-100％的范围内。当两个子光纤布拉格光栅中有一个的反射率为100％时，激光器谐振腔内还需插入输出耦合器，所述的输出耦合器可以是熔融拉锥分束器或镀膜分束器，可以将激光按一定的比例输出到谐振腔外。

所述的有源光纤是掺镱、铒、铥或铋的增益光纤，或是可产生受激拉曼散射、受激布里渊散射和光参量过程的非线性光纤。

所述的可饱和吸收体作为启动锁模的关键器件，可以是具有反馈功能的且基于材料吸收特性的真实可饱和吸收体，例如半导体可饱和吸收镜，也可以是不具有反馈功能的且基于材料吸收特性的真实可饱和吸收体，例如碳纳米管和石墨烯，也可以是具有反馈功能的且基于光纤中非线性效应的等效可饱和吸收体，例如非线性光学环形镜和非线性放大环形镜，也可以是不具有反馈功能的且基于光纤中非线性效应的等效可饱和吸收体，例如非线性偏振旋转。可饱和吸收体通过对脉冲的非线性吸收作用来引入周期性调制以锁定激光纵模之间的相位差，并对脉冲中光强越大的部分吸收越弱，使脉冲经过可饱和吸收体后光强越大的部分受到的损耗越小，从而使脉冲光强最大的部分能通过可饱和吸收体并被增益介质放大，而脉冲其他部分则被损耗完，使脉冲的宽度减小，进而启动并维持稳定的连续锁模。

当在线性腔结构下的双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器中可饱和吸收体不具有反馈功能时，激光器振荡腔中还需加入端面反馈元件。所述的端面反射元件与可饱和吸收体熔接相连，构成线性腔结构。所述的端面反射元件是宽谱全反射镜、宽谱部分反射镜或波长匹配的光纤布拉格光栅。

所述的泵浦耦合器分为两种：纤芯泵浦时，可采用波分复用器；包层泵浦时，可采用拉锥合束器，它可以将泵浦光高效的引入谐振腔中。

本发明将双波长光纤布拉格光栅与可饱和吸收体相结合，由双波长光纤布拉格光栅来对激光器产生激光的波长进行选择，再由可饱和吸收体提供的周期性强度调制作用来压窄脉冲宽度并锁定激光纵模之间的相位差，从而实现稳定高效的双波长超短脉冲激光输出。

本发明所用所双波长光纤布拉格光栅构造简单，很容易加入到锁模光纤激光器谐振腔中，不会改变光纤激光器，结构简单、易于集成、稳定性高的特点。在这个机制下对双波长光纤布拉格光栅的两个反射波长选择是灵活多变的，而且光纤布拉格光栅中折射率调制一旦形成便无法再被抹去，所以可以提供稳定高效的双波长反馈。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

一、本发明创新地将双波长光纤布拉格光栅加入到被动锁模光纤激光器中，可以提供稳定高效且灵活多变的双波长选择，可以满足众多需要双波长超短脉冲激光的学科研究的需要。

二、本发明所用的双波长光纤布拉格光栅可以是啁啾光纤布拉格光栅，在实现双波长反馈的同时还可以引入色散，从而可以对谐振腔内超短脉冲成型机制进行调控，以实现整体性能最佳的超短脉冲激光输出。

三、本发明使用双波长光纤布拉格光栅来提供波长选择特性，保证了锁模激光器的全光纤化，且激光器整体结构简单紧凑、易于制作、稳定性高，具有极高的研究潜力和应用价值。

总之，本发明在实现稳定高效的双波长超短脉冲激光输出的同时，保证了被动锁模光纤激光器原有优点，大大扩大了其实用范围。

附图说明

图1为本发明中双波长光纤布拉格光栅的结构示意图。

图2为本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在线性腔结构下由可饱和吸收体提供反馈，由双波长光纤布拉格光栅输出激光时的结构示意框图。

图3为本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在线性腔结构下由端面反馈器件提供反馈，由双波长光纤布拉格光栅输出激光时的结构示意框图。

图4为本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在线性腔结构下由可饱和吸收体提供反馈，由输出耦合器输出激光时的结构示意框图。

图5为本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在线性腔结构下由端面反馈器件提供反馈，由输出耦合器输出激光时的结构示意框图。

图6为本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在环形腔结构下由双波长光纤布拉格光栅输出激光时的结构示意框图。

图7为本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在环形腔结构下由输出耦合器输出激光时的结构示意框图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为本发明中双波长光纤布拉格光栅的结构示意图。由图可见在同一段光纤的纤芯的上部和下部各有一组周期不同的折射率调制。根据光纤布拉格光栅的原理，当采用紫外光经相位掩膜版衍射后照射或用飞秒激光刻蚀时使得光纤纤芯内存在折射率的周期性调制时，满足布拉格条件的激光通过光栅时便会被反射，布拉格条件的具体表达式为λ＝2neffλ，其中λ即为满足布拉格条件的激光波长，neff为光纤纤芯的有效折射率，λ为纤芯中折射率调制的周期。

本发明采用在光纤纤芯的同一位置的上下部分别引入不同周期的折射率调制的方式在一个光纤布拉格光栅中形成两个调制周期分别为λ1和λ2的子光纤布拉格光栅，从而实现对波长为λ1和λ2的激光的反馈。此时调制周期和激光波长的对应关系分别为λ1＝2neffλ1和λ2＝2neffλ2。在这个机制下对λ1和λ2的选择是灵活多变的，而且折射率调制一旦形成便无法再被抹去，所以可以提供稳定高效的双波长反馈。在当这两个波长均位于激光器增益介质的增益带宽内且泵浦光可以提供足够大的增益时，激光器便能实现双波长激光的振荡与输出。

请参阅图2。图2为本发明双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在线性腔结构下由可饱和吸收体提供反馈，由双波长光纤布拉格光栅输出激光时的结构示意图，为本发明的第一实施例。由图可见，本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器，包括双波长光纤布拉格光栅1、泵浦耦合器3、有源光纤2、泵浦源4和可饱和吸收体6。所述的双波长光纤布拉格光栅1、泵浦耦合器3、有源光纤2、以及可饱和吸收体6依次首尾相连熔接，组成线性腔结构。此时的双波长光纤布拉格光栅1的子光纤布拉格光栅反射率全不为100％。此时的可饱和吸收体6具有反馈功能。泵浦源4发射的泵浦光通过泵浦耦合器3注入激光腔中，有源光纤2充当激光增益介质提供增益，双波长光纤布拉格光栅1对产生的激光波长进行选择，被选出来的合适波长的激光再通过可饱和吸收体6的周期性调制、饱和吸收作用实现锁模，并从可饱和吸收体6得到反馈，从而产生稳定高效的双波长超短脉冲激光并从双波长光纤布拉格光栅1输出。

请参阅图3。图3为本发明双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在线性腔结构下由端面反馈器件提供反馈，由双波长光纤布拉格光栅输出激光时的结构示意图，为本发明的第二实施例。由图可见，本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器，包括双波长光纤布拉格光栅1、泵浦耦合器3、有源光纤2、泵浦源4、可饱和吸收体6和端面反馈器件7。所述的双波长光纤布拉格光栅1、泵浦耦合器3、有源光纤2、可饱和吸收体6以及端面反射元件7依次首尾相连熔接，组成线性腔结构。此时的双波长光纤布拉格光栅1的子光纤布拉格光栅反射率全不为100％。此时的可饱和吸收体6不具有反馈功能。泵浦源4发射的泵浦光通过泵浦耦合器3注入激光腔中，有源光纤2充当激光增益介质提供增益，双波长光纤布拉格光栅1对产生的激光波长进行选择，被选出来的合适波长的激光再通过可饱和吸收体6的周期性调制、饱和吸收作用实现锁模，并从端面反馈器件7得到反馈，从而产生稳定高效的双波长超短脉冲激光并从双波长光纤布拉格光栅1输出。

请参阅图4。图4为本发明双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在线性腔结构下由可饱和吸收体提供反馈，由输出耦合器输出激光时的结构示意图，为本发明的第三实施例。由图可见，本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器，包括双波长光纤布拉格光栅1、泵浦耦合器3、有源光纤2、泵浦源4、输出耦合器5和可饱和吸收体6。所述的双波长光纤布拉格光栅1、泵浦耦合器3、有源光纤2、输出耦合器5、可饱和吸收体6依次首尾相连熔接，组成线性腔结构。此时的双波长光纤布拉格光栅1的子光纤布拉格光栅中至少有一个反射率为100％。此时的可饱和吸收体6具有反馈功能。泵浦源4发射的泵浦光通过泵浦耦合器3注入激光腔中，有源光纤2充当激光增益介质提供增益，双波长光纤布拉格光栅1对产生的激光波长进行选择，被选出来的合适波长的激光再通过可饱和吸收体6的周期性调制、饱和吸收作用实现锁模，并从可饱和吸收体6得到反馈，从而产生稳定高效的双波长超短脉冲激光并从双波长光纤布拉格光栅1输出。

请参阅图5。图5为本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在线性腔结构下的结构示意图，为本发明的第四实施例。由图可见，本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器，包括双波长光纤布拉格光栅1、泵浦耦合器3、有源光纤2、泵浦源4、输出耦合器5、可饱和吸收体6以及端面反射元件7。所述的双波长光纤布拉格光栅1、泵浦耦合器3、有源光纤2、输出耦合器5、可饱和吸收体6以及端面反射元件7依次首尾相连熔接，组成线性腔结构。此时的双波长光纤布拉格光栅1的子光纤布拉格光栅中至少有一个反射率为100％。此时的可饱和吸收体6不具有反馈功能。泵浦源4发射的泵浦光通过泵浦耦合器3注入激光腔中，有源光纤2充当激光增益介质提供增益，双波长光纤布拉格光栅1对产生的激光波长进行选择，被选出来的合适波长的激光再通过可饱和吸收体6的周期性调制、饱和吸收作用实现锁模，并从端面反馈器件7得到反馈，从而产生稳定高效的双波长超短脉冲激光并从输出耦合器5输出。

请参阅图6。图6为本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在环形腔结构下由双波长光纤布拉格光栅输出激光时的结构示意图，为本发明的第五实施例。由图可见，本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器包括双波长光纤布拉格光栅1、有源光纤2、泵浦耦合器3、泵浦源4、可饱和吸收体6以及环形器8。所述的泵浦耦合器3、有源光纤2、可饱和吸收体6以及环形器8依次首尾相连熔接，泵浦耦合器3的端口d与环形器8的端口c熔接相连，组成环形腔结构。环形器8的特点为端口a输入的光从端口b输出，端口b输入的光从端口c输出。双波长光纤布拉格光栅1与环形器8的端口b熔接相连，从而加入到环形腔中。此时环形器8不仅发挥了将双波长光纤布拉格光栅1引入到环形腔内的作用，还保证了腔内激光只能单向运转。此时的双波长光纤布拉格光栅1的子光纤布拉格光栅得反射率全不为100％。泵浦源7发射的泵浦光通过泵浦耦合器3注入激光腔中，有源光纤2充当激光增益介质提供增益，双波长光纤布拉格光栅1对产生的激光波长进行选择，被选出来的合适波长的激光再通过可饱和吸收体6的周期性调制和饱和吸收作用实现锁模，从而产生稳定高效的双波长超短脉冲激光并从双波长光纤布拉格光栅1输出。

请参阅图7。图7为本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器在环形腔结构下由输出耦合器输出激光时的结构示意图，为本发明的第六实施例。由图可见，本发明基于双波长光纤布拉格光栅的被动锁模光纤激光器包括双波长光纤布拉格光栅1、有源光纤2、泵浦耦合器3、泵浦源4、输出耦合器5、可饱和吸收体6以及环形器8。其中泵浦耦合器3、有源光纤2、输出耦合器5、可饱和吸收体6以及环形器8依次首尾相连熔接，泵浦耦合器3的端口d与环形器8的端口c熔接相连，组成环形腔结构。环形器8的特点为端口a输入的光从端口b输出，端口b输入的光从端口c输出。双波长光纤布拉格光栅1与环形器8的端口b熔接相连，从而加入到环形腔中。此时环形器8不仅发挥了将双波长光纤布拉格光栅1引入到环形腔内的作用，还保证了腔内激光只能单向运转。此时的双波长光纤布拉格光栅1的子光纤布拉格光栅中至少有一个反射率为100％。泵浦源7发射的泵浦光通过泵浦耦合器3注入激光腔中，有源光纤2充当激光增益介质提供增益，双波长光纤布拉格光栅1对产生的激光波长进行选择，被选出来的合适波长的激光再通过可饱和吸收体6的周期性调制和饱和吸收作用实现锁模，从而产生稳定高效的双波长超短脉冲激光并从输出耦合器5输出。