一种中红外波段高脉冲能量输出的锁模掺铥光纤激光器

1.本发明涉及激光技术及其非线性光学的技术领域，具体涉及一种中红外波段高脉冲能量输出的锁模掺铥光纤激光器。


背景技术：

2.中红外2μm波段激光包含多种气体的吸收峰，如h2o和co2等，且位于人眼安全波段和大气窗口，因此在生物医学、空间光通信、激光雷达、大气遥感等领域有着独特的应用前景，已经成为激光领域的研究热点之一。中红外2μm波段超短脉冲光纤激光器不仅拥有其它光纤激光器的特点，更具有超短脉冲激光的脉冲宽度窄、脉冲峰值功率高、频谱范围宽等特点，这使得其可以作为良好泵浦源在中红外拉曼激光器、中红外超连续谱光源、中红外光参量振荡器产生作用，实现更长中红外波段的激光输出。相对于目前研究的近红外(主要是1.0μm和1.5μm)波段，中红外2μm光纤激光器的工作波长更长，即其自聚焦阈值和非线性效应的阈值将会更高，这也就意味着中红外2μm光纤激光器在抑制非线性效应上会比1.0um和1.5um光纤激光器更具有潜力。目前实现2μm激光的输出通常是利用掺杂tm
3+
、ho
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、或是tm
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与ho
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共掺光纤作为增益介质。与掺ho
3+
和tm3+与ho
3+
共掺光纤相比，掺tm
3+
光纤激光器在激光器的转换效率与性能方面更占有优势。
3.近年来，随着光纤制造技术的进步和对新的锁模机制的深入研究，促进了被动锁模光纤激光器的迅速发展，使得锁模光纤激光器的性能得到了逐步的提高，单脉冲能量也得到了进一步提升。而相对于1
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1.5μm波段的锁模光纤激光器，2μm波段增益光纤由于具有较大的反常色散量，脉冲在光纤传输过程中的群速度色散和非线性相移之间的平衡易于达到传统孤子锁模状态，从而将腔内峰值功率钳制在一个较小值，使得峰值功率不能随着泵浦功率的增加而提高，因此这类锁模光纤激光器通常工作在孤子模式下，脉冲能量受孤子面积定理的限制从而远低于1-1.5μm波段的锁模光纤激光器，目前实现2μm波段激光输出的光纤激光器得到的单脉冲能量大多都处于纳焦以下，而这类光纤激光器中还存在着一些如增益光纤的大反常色散特性造成的与增益相关的调制不稳定性等问题，因此有必要探索高能量的中红外2μm波段锁模光纤激光器，这对发展紧凑、高效、可靠的超短脉冲激光系统具有重要意义。
4.在锁模超快光纤激光器中，各种动态脉冲的锁模输出都是基于光纤激光器内色散、非线性、增益和损耗之间的微妙平衡，如传统孤子、束缚孤子、次谐波锁模和耗散孤子共振等，而当相关参数不平衡时，光纤激光器腔内还可能出现孤子脉动、孤子爆炸、孤子雨和流氓波等有趣的现象。而孤子脉动作为一种典型的亚稳态现象，其形状、振幅和宽度等经历周期性地演变，而在此过程中，脉冲能量可大幅度地增加。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术的不足，本发明旨在于提供本发明提供了一种中红外波段高脉冲能量输出的锁模掺铥光纤激光器，通过本发明可以突破中红外2μm波段光纤激光器输出脉冲
能量低的限制，提供一种输出高脉冲能量的中红外2μm波段锁模掺铥光纤激光器。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种中红外波段高脉冲能量输出的锁模掺铥光纤激光器，所述激光器由泵浦源、波分复用器、增益光纤、起偏器、光纤隔离器、偏振控制器与耦合器通过光纤熔接进行连接，构成环形腔的全光纤激光器。
8.需要说明的是，在进行光纤熔接时，其损耗需要控制在0.5db以内。
9.需要说明的是，所述的泵浦源为中心波长1570nm的光纤激光器，其输出端为光纤输出，最大输出功率为1.5w。
10.需要说明的是，所述波分复用器为1570/1900nm型的光纤波分复用器，泵浦光通过其耦合注入到增益光纤中。
11.需要说明的是，所述增益光纤为掺铥光纤。
12.需要说明的是，所述输出光纤耦合器的耦合比为20:80、30:70、10:90、40:60。
13.需要说明的是，所述光纤隔离器为偏振无关隔离器，其隔离度为20db，插入损耗为0.8db。
14.需要说明的是，所述起偏器为光纤起偏器隔离器，用于产生线偏振光，消光比为20db，插入损耗控制在1db以内，最大承受功率为1w。
15.需要说明的是，所述偏振控制器为三环式光纤偏振控制器，其中，所述偏振控制器和所述起偏器共同组成了非线性偏振旋转结构，能够作为等效的可饱和吸收体实现锁模。
16.本发明有益效果在于，对于中红外2μm波段的锁模光纤激光器，克服了其产生的传统锁模脉冲能量通常处于纳焦以下的问题，实现该波段的高能量脉冲输出。此外这种光纤激光器结构简单、操作方便、稳定可靠，不仅可以产生稳定的高能量脉冲，而且能够实现孤子脉动的输出，具有重要的学术研究意义和工业应用潜力。
附图说明
17.图1是依据本发明的中红外2μm波段锁模掺铥光纤激光器的结构示意图。
18.图2为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器在280mw时锁模脉冲光谱图；
19.图3为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器在280mw时锁模脉冲时序图；
20.图4为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器在280mw时锁模脉冲射频图；
21.图5为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器在280mw时锁模脉冲自相关曲线图；
22.图6为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器在911mw时的脉冲光谱图；
23.图7为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器的911mw时的脉冲时序图；
24.图8为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器的911mw时的脉冲射频图；
25.图9为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器的911mw时的脉冲自相关曲线图；
26.图10为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器的911mw时的时空光谱和能量演化图；
27.图11为本发明提供的锁模掺铥光纤激光器在不同泵浦功率的输出功率和脉冲能量。
28.附图中：1：泵浦源，2：波分复用器，3：掺铥光纤，4：耦合器，5：隔离器，6：起偏器，7：偏振控制器。
具体实施方式
29.下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
30.本发明为一种中红外波段高脉冲能量输出的锁模掺铥光纤激光器，所述激光器由泵浦源、波分复用器、增益光纤、起偏器、光纤隔离器、偏振控制器与耦合器通过光纤熔接进行连接，构成环形腔的全光纤激光器。
31.进一步的，本发明在进行光纤熔接时，其损耗需要控制在0.5db以内。
32.进一步的，本发明的所述的泵浦源为中心波长1570nm的光纤激光器，其输出端为光纤输出，最大输出功率为1.5w。
33.进一步的，本发明的所述波分复用器为1570/2000nm型的光纤波分复用器，泵浦光通过其耦合注入到增益光纤中。
34.进一步的，本发明的所述增益光纤为掺铥光纤。
35.进一步的，本发明的所述输出光纤耦合器的耦合比为20:80、30:70、10:90、40:60。
36.进一步的，本发明的所述光纤隔离器为偏振无关隔离器，其隔离度为20db，插入损耗为0.8db。
37.进一步的，本发明的所述起偏器为光纤起偏器隔离器，用于产生线偏振光，消光比为20db，插入损耗控制在1db以内，最大承受功率为1w。
38.进一步的，本发明的所述偏振控制器为三环式光纤偏振控制器，其中，所述偏振控制器和所述起偏器共同组成了非线性偏振旋转结构，能够作为等效的可饱和吸收体实现锁模。
39.实施例
40.如图1所示，本发明提供的可实现高能量脉冲输出的中红外掺铥光纤激光器，依次由泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、耦合器4、隔离器5、起偏器6、偏振控制器7通过光纤熔接的方式构成。
41.具体实施时，泵浦源1是中心波长为1570nm的光纤激光器，是本发明所述锁模掺铥光纤激光器的泵浦源。泵浦源1通过1570/1900nm型光纤波分复用器2将1570nm的激光耦合注入到增益光纤3中，在此采用的增益光纤为掺铥光纤，长度为2m，用于吸收1570nm的激光，并实现受激辐射产生2μm波段的光。之后通过耦合器4，其输出比为20:80，将传输的激光分为两部分，80％的一端使激光继续在腔内进行传输，20％的一端用于输出激光。接着腔内的激光通过隔离器5，这里选用偏振无关隔离器，其作用为保证光在环形腔内的单向传输。然后激光通过起偏器6变为线偏振光，并通过偏振控制器7改变激光的偏振态，其中偏振控制器和起偏器共同作用可以作为等效可饱和体实现锁模输出。
42.仿真试验
43.当泵浦功率到280mw时，手动调节偏振控制器7改变腔内偏振状态，可以获得稳定的锁模脉冲，图2-图5展示了泵浦功率280mw时稳定锁模脉冲的输出特性，分别是光谱、脉冲时序、射频、自相关曲线。接着继续增加泵浦功率，并适当地改变偏振控制器的角度，激光器的输出状态也改变了，图6-图10展示了泵浦功率为911mw时脉冲的输出特性，分别是光谱、脉冲时序、射频、自相关曲线、时空光谱和能量演化。其中，从图10上可以清晰地看到锁模脉
冲正在进行周期性的变化，其表明这种特殊的脉冲具有典型的脉动行为，属于一种特别的孤子脉动。另外，当泵浦功率从911mw升高到1500mw的过程中，这种孤子脉动的状态不变，其平均输出功率从25.9mw增加到61.4mw，对应的脉冲能量从1.93纳焦(nj)升高到了4.57纳焦(nj)。这些研究结构符合高能量脉冲锁模光纤激光器的典型特征。总之通过基于非线性偏振旋转效应的锁模掺铥光纤激光器，既能够观察到有趣的孤子脉动现象，又可以实现高能量脉冲输出，使其在基础研究和工业应用中都表现出非常重要的意义。
44.对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。