一种高能量锁模光纤脉冲激光器

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其是涉及一种高能量锁模光纤脉冲激光器。


背景技术：

2.锁模激光脉冲因其超短持续时间、高峰值功率、宽光谱带宽和高光束质量等优良的特性受到了材料学、生物医学、光子学等领域研究人员的青睐。作为锁模激光器中的核心器件，锁模调制器根据不同的激光系统可分为基于电光效应或声光效应的损耗调制器和自振幅调制的饱和吸收体。由于受到外加电光调制器调制能力的约束，主动锁模激光的基频和脉冲宽度受到限制，因此常用被动锁模技术研究超短脉冲的产生。
3.实现被动锁模光纤激光器，必须有一个关键的组成部分
‑‑‑‑
可饱和吸收体(sa)，它能将连续光转换为脉冲光并且对脉冲进行整形。迄今为止，主要是有两类可饱和吸收体被报道：人造sa和材料类sa。人造可饱和吸收体是光纤激光采用特殊的结构，引进类可饱和吸收效应即能锁模；材料类可饱和吸收体是利用具有优良的光学性质的光电材料与激光腔内激光相互作用实现可饱和吸收效应进而实现被动锁模。诸如非线性偏振旋转、非线性放大环形镜和非线性光学环形镜等都属于人造可饱和吸收体；材料类可饱和吸收体应用比较普遍的主要是有半导体可饱和吸收镜、石墨烯、拓扑绝缘体、黑磷等其他二维材料用于光纤激光器中。但超快光子学领域的研究人员从未停止寻求性能更好的sa来提高超快激光器的性能，包括稳定性更好、重复频率更高以及脉冲能量更高等。
4.其中，使用基于非线性多模干涉的多模光纤结构实现被动锁模，能够工作在更高峰值功率状态和具有较快的响应时间，还可以解决传统可饱和吸收体在锁模光纤激光器中存在的一些问题，比如损伤阈值低、不稳定、易氧化等。目前在多模光纤谐振腔结构中产生锁模脉冲有两种方法：一种是采用基于非线性多模光纤的腔结构，需要较长的腔长来增加非线性相移，具有较高的锁模阈值；另一种是采用基于混合多模光纤的腔结构，将不同纤芯直径的多模光纤熔接在一起降低了锁模阈值，但输出的锁模脉冲类型较为单一。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高能量锁模光纤脉冲激光器，成本较低、制作工艺简单、稳定可靠，不仅可以产生稳定的高能量脉冲，而且能够实现超短脉冲的输出。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种高能量锁模光纤脉冲激光器，包括依次设置的泵浦源、用于形成光回路的的波分复用器、用于实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大的增益光纤、用于激光器输出的光纤耦合器、用于改变谐振腔内偏振态的光纤偏振控制器、用于保证激光单向传输的偏振无关隔离器、以及用于形成可饱和吸收体结构的渐变折射率多模光纤，所述泵浦源、所述波分复用器、所述增益光纤、所述光纤耦合器、所述光纤偏振控制器、所述偏振无关隔离器和所述渐变折射率多模光纤依次采用单模光纤相连接并构成环形腔结构，所述渐变折射率多模光纤与两侧的所述单模光纤构成所述可饱和吸收体结构。
7.优选的，所述单模光纤为标准g.652型光纤，所述单模光纤与所述所述泵浦源、所述波分复用器、所述增益光纤、所述光纤耦合器、所述光纤偏振控制器、所述偏振无关隔离器和所述渐变折射率多模光纤分别采用光纤熔接机进行熔接，熔接损耗低于0.1db。
8.优选的，所述泵浦源为半导体激光器，所述泵浦源的输出波段为980nm，所述泵浦源的输出功率范围为0-700mw。
9.优选的，所述波分复用器为980nm/1550nm类型的光纤器件，插入损耗小于0.2db。
10.优选的，所述增益光纤为单模掺铒光纤，所述增益光纤的输出激光为1550nm波段。
11.优选的，所述光纤耦合器的光纤耦合比为10:90、20:80、30:70或40:60。
12.优选的，所述的光纤偏振控制器采用三桨光纤偏振控制器或挤压式光纤偏振控制器。
13.优选的，所述渐变折射率多模光纤的纤芯尺寸为50μm或62.5μm。
14.因此，本发明采用上述结构的一种高能量锁模光纤脉冲激光器，其它锁模器件相比，基于渐变折射率多模光纤可饱和吸收体具有承受高功率传输、损伤阈值高、性能不随时间退化、价格低廉、结构简单等优点，为新一代高功率高稳定的全光纤结构锁模光纤激光的实现提供了更为广阔的应用前景。
15.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
16.图1为本发明一种高能量锁模光纤脉冲激光器实施例的结构示意图。
17.图2为本发明实施例的smf-gimf-smf结构作为可饱和吸收体的原理示意图。
18.图3为本发明实施例的渐变折射率多模光纤材料的非线性可饱和吸收特性曲线。
19.图4为本发明实施例的高能量锁模脉冲激光器在泵浦功率55.5mw时基频锁模脉冲的输出特性图；图4(a)为脉冲光谱图；图4(b)为时序图；图4(c)为射频图；图4(d)为自相关图。
20.图5为本发明实施例的高能量锁模脉冲激光器在泵浦功率215mw时基频锁模脉冲的输出特性图；图5(a)为脉冲光谱图；图5(b)为时序图；图5(c)为射频图；图5(d)为自相关图。
21.图6为本发明实施例的高能量锁模脉冲激光器在不同泵浦功率下的输出功率和脉冲能量。
22.附图标记
23.1、泵浦源；2、波分复用器；3、增益光纤；4、光纤耦合器；5、光纤偏振控制器；6、偏振无关隔离器；7、渐变折射率多模光纤；8、单模光纤。
具体实施方式
24.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
25.实施例
26.如图1所示，一种高能量锁模光纤脉冲激光器，包括通过单模光纤8依次连接的泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、光纤耦合器4、光纤偏振控制器5、偏振无关隔离器6和渐变折射率多模光纤7，构成环形腔结构。选用的单模光纤8为标准的g.652型光纤，在1550nm波
段损耗最小，也是最常用的光纤之一。单模光纤8与上述各器件之间采用光纤熔接机进行熔接，熔接损耗低于0.1db。
27.泵浦源1为输出波段980nm的半导体激光器，输出功率范围为0-700mw；波分复用器2用于形成光回路，采用980nm/1550nm类型的光纤器件，插入损耗小于0.2db；增益光纤3用于实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大，增益光纤3采用单模掺铒光纤，选用nlignt er80-8/125光纤，它是一种高掺杂的增益光纤3，长度为34cm，输出激光为1550nm波段，在1550nm的色散系数为15.7ps/(nm
·
km)。泵浦源1通过波分复用器2将泵浦激光引入掺铒光纤中，经过掺铒光纤将泵浦激光吸收后产生1550nm波段的自发辐射，之后在环形腔中形成振荡，从而产生激光。
28.光纤耦合器4用于激光器输出，光纤耦合器44选用30:70的耦合比，其中30％一端作为激光器的输出端，70％一端与偏振无关隔离器6相连，在环形谐振腔内循环振荡产生激光；光纤偏振控制器5通过弯曲和缠绕光纤得到双折射，改变谐振腔内偏振态，这里选用三桨光纤偏振控制器5，中间线圈作为半波片，两边的分别为四分之一波片；偏振无关隔离器6用于保证激光单向传输，最大隔离度在30db以内，插入损耗小于0.5db，可以承受的最大功率为300mw。
29.选用长飞62.5/125μm渐变折射率多模光纤7，其纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，衰减小于0.6db/km，选用的长度为32.5cm。渐变折射率多模光纤7(graded index multimode fiber，gimf)两端分别熔接普通单模光纤8(single mode fiber，smf)构成可饱和吸收体结构，用于锁模的维持与启动。如图2展示了smf-gimf-smf结构作为可饱和吸收体的原理，低功率信号光(lowpower)通过包层辐射而迅速衰减，高功率信号光(high power)以最小的传输损耗、较高的透射率在多模光纤中传输。
30.整个激光器的腔长约为20.34m，该激光器的每个器件的色散系数皆为负色散，因此该激光腔为全负色散谐振腔。
31.通过双臂测量法测得的渐变折射率多模光纤7的可饱和吸收特性非线性曲线如图3所示，通过以下公式拟合后得到的调制深度为40.76％，非饱和损耗为19.72％。实验中测得的上述可饱和吸收器件的调制深度为22.33％。
[0032][0033]
这种可饱和吸收体器件的多模光纤具有明显的可饱和吸收特性，随着入射光功率的增加，器件的透射率也逐渐增加，并最终趋于饱和。
[0034]
当泵浦功率为刚超过50mw时，通过适当地调节光纤偏振控制器5，可以获得稳定的基频锁模脉冲，说明该激光器具有较低的锁模阈值。
[0035]
图4(a)-(d)展示了泵浦功率55.5mw时基频锁模脉冲的输出特性图，分别是光谱图、时序图、射频图和自相关图。由图4(a)的光谱图可知，锁模脉冲的中心波长为1560.5nm，3db光谱带宽为4.98nm，具有较宽的光谱宽度。图4(b)展示了相应的脉冲时序，从时间序列中可以看出相邻脉冲间隔约为101.6ns。图4(c)展示了锁模脉冲的射频频谱图，图中显示的重复频率约为9.84mhz，信噪比(snr)约为46db，表明该激光器的锁模状态具有较为良好的稳定性。图4(d)展示了该锁模脉冲的自相关曲线，此时经自相关测量出的半高全宽为2.45ps，通过双曲正割拟合后得到的脉冲宽度为1.59ps。经由计算，此时锁模脉冲的时间带
宽积(tbp)约为0.975，由于该激光器所使用的器件均为负色散器件，锁模脉冲会发生相应的展宽，这比双曲正割脉冲的变换极限0.315大一些。随着继续增加泵浦功率，能够获得更高能量的锁模脉冲。
[0036]
图5(a)-(d)展示了泵浦功率215mw时锁模脉冲的输出特性图，分别是光谱图、时序图、射频图和自相关图。由图5(a)的光谱图可知，锁模脉冲的中心波长为1558.6nm，3db光谱带宽为3.31nm。图5(b)展示了相应的脉冲时序，从时间序列中可以看出相邻脉冲间隔约为101.6ns，由此能计算出重复频率约为9.84mhz。图5(c)展示了锁模脉冲的射频频谱图，图中显示的重复频率为9.84mhz，这与101.6ns脉冲间隔和20.34m的腔长吻合，其信噪比(snr)约为58db，表明该激光器的锁模状态具有较为良好的稳定性。图5(d)展示了该锁模脉冲的自相关曲线，其脉冲宽度(full width at halfmaximum，fwhm)约为1.16ps。
[0037]
随着逐渐升高泵浦功率，激光器能维持锁模脉冲状态，其强度随泵功率线性增长，不同泵浦功率下的输出功率和脉冲能量如图6所示。当泵浦功率从165mw升高到665mw的过程中，平均输出功率从6.01mw增加到32.4mw，而脉冲能量更是从0.61纳焦(nj)升高到了3.29纳焦(nj)，超过了典型传统孤子的脉冲能量(0.1nj)。
[0038]
因此，本发明采用上述结构的一种高能量锁模光纤脉冲激光器，其中的可饱和吸收体为锁模光纤激光器的实现提供了一种新方法，其不仅能够适用于高功率的锁模光纤激光器中，还是全光纤化结构，仅需要通过光纤熔接即可实现，具有制作工艺简单、稳定可靠、成本低等优点。与其它锁模器件相比，基于渐变折射率多模光纤7可饱和吸收体的高能量锁模光纤脉冲激光器不仅可以产生稳定的高能量脉冲，而且能够实现超短脉冲的输出，具有可承受高功率传输、损伤阈值高、性能不随时间退化、价格低廉等优点，能够进一步推动全光纤锁模激光器的批量生产及产业化。
[0039]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。