一种L波段锁模光纤激光器及其脉冲输出方法
一种l波段锁模光纤激光器及其脉冲输出方法
技术领域
1.本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种l波段锁模光纤激光器及其脉冲输出方法。
背景技术：
2.自激光器问世以来，对工业发展和人们日常生活产生了较大的影响；光纤激光器是激光器中的一种，光纤激光器产生超短脉冲的方式有主动锁模、被动锁模以及主被动混合锁模，主动锁模结构复杂，成本高昂，不易全光纤化，而主被动混合锁模虽然可以得到更窄的脉冲，但其仍需外界有源器件，不能实现完全全光纤化；相比之下，被动锁模结构容易全光纤化，调谐方便，性价比也更高。
3.实现被动锁模光纤激光器，必须有一个关键的组成部分
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可饱和吸收体；可饱和吸收体又分为人造可饱和吸收体和真实可饱和吸收体；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；常见的真实可饱和吸收体有半导体可饱和吸收镜以及各种纳米材料，而这些真实可饱和吸收体的制作工艺复杂，成本较高，其中用纳米材料制作成的可饱和吸收体会随着时间的推移而逐渐失去锁模效应；而人造可饱和吸收体损伤阈值高，其锁模能力不会因为时间而消减；其中基于非线性偏振旋转效应的锁模光纤激光器以其稳定的工作特性和可以持续输出高功率的锁模脉冲等优点一直受到人们的关注；当前，基于非线性偏振旋转效应的锁模光纤激光器主要集中在1.06μm(微米)、1.55μm以及2.0μm等波段附近；其中，掺铒光纤激光器处于光纤通信低损耗窗口(1.55μm)附近，因此受到了广泛的研究和关注。
4.当前，c波段(1525-1565nm)的被动锁模掺铒光纤激光器的研究越来越成熟，已逐渐趋于商业化；然而，随着密集波分复用(dense wavelength division multiplexing,dwdm)技术的发展，通信信道正在从传统的c波段向l波段(1565-1625nm)拓展，以进一步提高通信容量；而且，与c波段相比，l波段处增益相对平坦，不仅能够实现超短脉冲输出，而且有利于宽光谱光源设计，因此，稳定可靠的l波段超短脉冲光源亟待研究；此外，由于受到孤子锁模中的面积定理的限制，传统孤子型锁模光纤激光器的输出能量都在纳焦(nj)以下。因此，亟需一种高能量的l波段被动锁模光纤激光器。
技术实现要素：
5.本发明的目的是提供一种l波段锁模光纤激光器及其脉冲输出方法，旨在提供一种输出脉冲能量高达纳焦以上的l波段锁模光纤激光器。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种l波段锁模光纤激光器，所述锁模光纤激光器包括泵浦源，以及通过光纤依次熔接并构成环形腔的光纤波分复用器、增益光纤、光纤隔离器、光纤耦合器、第一偏振控制器、光纤起偏器和第二偏振控制器；所述泵浦源通过光纤熔接与所述光纤波分复用器连接；其中，所述第一偏振控制器、所述光纤起偏器和所述第二偏振控制器互相配合产生脉冲能量并通过调节所述泵浦源的功率获取不同程度的脉冲能量。
7.第二方面，本发明实施例还提供了一种l波段锁模光纤激光器的脉冲输出方法，包括：泵浦源输出连续的光信号，并发送至光纤波分复用器；所述光纤波分复用器将所述光信号通过增益光纤发送至光纤隔离器；所述光纤隔离器将所述光信号发送至光纤耦合器进行耦合，其中一部分光信号作为激光器输出，另一部分光信号通过依次连接的第一偏振控制器、光纤起偏器、第二偏振控制器留在环形腔中。
8.本发明与现有技术相比的有益效果是：提出了l波段高脉冲能量的锁模光纤激光器，并且可以产生高能量的超短脉冲输出，可作为实验研究测试的稳定光源，具有极高的应用潜力。
附图说明
9.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
10.图1为本发明实施例提供的l波段锁模光纤激光器的结构示意图；
11.图2(a)为本发明实施例提供的泵浦源功率为31.8mw时的脉冲光谱图；
12.图2(b)为本发明实施例提供的泵浦源功率为31.8mw时的时序图；
13.图2(c)为本发明实施例提供的泵浦源功率为31.8mw时的自相关图；
14.图2(d)为本发明实施例提供的泵浦源功率为31.8mw时的射频图；
15.图3(a)为本发明实施例提供的泵浦源功率为400mw时的脉冲光谱图；
16.图3(b)为本发明实施例提供的泵浦源功率为400mw时的时序图；
17.图3(c)为本发明实施例提供的泵浦源功率为400mw时的自相关图；
18.图3(d)为本发明实施例提供的泵浦源功率为400mw时的射频图；
19.图3(e)为本发明实施例提供的泵浦源功率为400mw时的空间光谱和能量演化图；
20.图4为本发明实施例提供的不同泵浦源功率下的脉冲光谱演化图；
21.图5为本发明实施例提供的不同泵浦源功率下的输出功率和脉冲能量；
22.图6为本发明实施例提供的基于非线性光学环形镜的锁模光纤激光器的结构示意图；
23.图7为本发明实施例提供的基于可饱和吸收体的锁模光纤激光器的结构示意图。
24.图1中标识说明：
25.11泵浦源；12、光纤波分复用器；13、增益光纤；14、光纤隔离器；15、光纤耦合器；16、第一偏振控制器；17、光线起偏器；18、第二偏振控制器。
26.图6中标识说明：
27.61、泵浦源；62、光纤波分复用器；63、增益光纤；64、单模光纤；65、第一偏振控制器；66、第一耦合器；67、光纤隔离器；68、第二偏振控制器；69、第二耦合器。
28.图7中标识说明：
29.71、泵浦源；72、光纤波分复用器；73、增益光纤；74、光纤隔离器；75、光纤耦合器；76、可饱和吸收体；77、偏振控制器。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
32.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
33.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
34.结合图1所示，图1为本发明实施例提供的一种l波段锁模光纤激光器的结构示意图，锁模光纤激光器包括泵浦源11，以及通过光纤依次熔接并构成环形腔的光纤波分复用器12、增益光纤13、光纤隔离器14、光纤耦合器15、第一偏振控制器16、光纤起偏器17和第二偏振控制器18；泵浦源11通过光纤熔接与光纤波分复用器12连接；其中，第一偏振控制器16、光纤起偏器17和第二偏振控制器18互相配合产生脉冲能量并通过调节泵浦源11的功率获取不同程度的脉冲能量。
35.在本实施例中，泵浦源11输出脉冲光，泵浦源11通过光纤熔接与光纤波分复用器12进行连接，而光纤波分复用器12、增益光纤13、光纤隔离器14、光纤耦合器15、第一偏振控制器16、光纤起偏器17和第二偏振控制器18则通过光纤依次熔接并构成环形腔；光纤耦合器15可以作为部分输出端，第一偏振控制器16、光纤起偏器17和第二偏振控制器18互相配合产生非线性偏振旋转效应，在光纤激光器的谐振腔中起着非线性光学吸收的作用，能够作为锁模器件使光纤激光器产生超短脉冲输出；此外，还可以通过调节泵浦源11的功率获取不同程度的脉冲能量，即可以在泵浦源11支持的功率范围内自由调节，获取对应的脉冲能量。
36.另外的，基于非线性偏振旋转的锁模光纤激光器是全光纤化结构，具有紧凑型好、稳定可靠、便于操作等优点，不仅促进了傅里叶算法在脉冲动力学的应用，也推动了锁模光纤激光器的进一步研究和发展。
37.在一实施例中，泵浦源11为半导体激光器，输出波长为980nm，输出功率为0-600mw；泵浦源11作为一种用于电子与通信技术领域的激光器，本实施例中泵浦源11为950nm波段的半导体激光器，输出功率为0-600mw，在此输出功率范围内都可以自由调节功率来适应实际需求。
38.在一实施例中，光纤波分复用器12的插入损耗小于0.2db；光纤波分复用器12最大泵浦功率为1w，最大信号功率为300mw；光纤波分复用器12选用980/1550型号，光纤波分复用器12的插入损耗要小于0.2db，980/1550型号可以最大承受1w的泵浦功率和300mw的信号功率。
39.在一实施例中，增益光纤13为单模掺铒光纤；单模掺铒光纤根据吸收系数和散
值的不同，可以选择对应的长度，本实施例中选用美国的edf80型号的光纤，长度可选为2.9m，在1550nm的散系数为-48ps/(nm
·
km)，其中，ps为皮秒，即为10的负12次方秒。
40.在一实施例中，光纤耦合器15的光纤耦合比为10:90或20:80或30:70或40:60；可选的光纤耦合比为10:90或20:80或30:70或40:60，可以根据实际情况进行选择适应的耦合比例；本实施例中，选择20:80的耦合比，其中20％为输出端。
41.在一实施例中，光纤隔离器14为光纤偏振无关隔离器，光纤偏振无关隔离器的最大隔离度控制在30db以内；光纤偏振无关隔离器的插入损耗小于0.5db，最大信号功率为300mw；光纤隔离器14可以承受的最大功率为300mw。
42.在一实施例中，光纤起偏器17最大消光比控制在30db以内，光纤起偏器17的插入损耗小于0.5db，最大信号功率为300mw；光纤起偏器17的插入损耗小于0.5db，最大信号功率为300mw；光纤起偏器17可以承受的最大功率为300mw。
43.在一实施例中，第一偏振控制器16和第二偏振控制器18均采用挤压式偏振控制器或三环式偏振控制器；本实施例中采用的是挤压式偏振控制器，当然也可以根据需求选用另一种偏振控制器，本发明没有具体限制为一种偏振控制器。
44.在一实施例中，光纤为通信波段的单模光纤，光纤熔接损耗控制在0.5db以内；可以选用标准的g652型光纤，如果有更好的替代光纤也可以进行替代；本实施例中，整个锁模激光器的腔长约为15.2m。
45.在一实施例中，一种l波段锁模光纤激光器的脉冲输出方法，包括：泵浦源11输出连续的光信号，并发送至光纤波分复用器12；光纤波分复用器12将所述光信号通过增益光纤13发送至光纤隔离器14；光纤隔离器14将所述光信号发送至光纤耦合器15进行耦合，其中一部分光信号作为激光器输出，另一部分光信号通过依次连接的第一偏振控制器16、光纤起偏器17、第二偏振控制器18留在环形腔中；需要注意的是，光信号即为激光，增益光纤即为单模掺铒光纤，第一偏振控制器16、光纤起偏器17和第二偏振控制器18互相配合产生非线性偏振旋转效应。
46.下面结合图2至图5对l波段锁模光纤激光器的脉冲输出进行说明：
47.当泵浦功率增加到31.8mw时，手动调节第一偏振控制器16和第二偏振控制器18从而调节腔内偏振状态，如此，可以获得稳定的锁模脉冲；由图2中的脉冲光谱图可知，此时输出脉冲光谱的中心波长和3db带宽分别是1594.66nm和8.94nm；而时序图显示了相邻脉冲的间隔约为74.1ns(纳秒)，而这也与射频图中13.5mhz的基频一致；经过测量后，自相关图中的自相关轨迹的半高全宽约为643fs(飞秒)；再使用sech2函数公式进行拟合后的脉冲宽度为414.8fs；通过计算，得出此时脉冲的时间带宽积(tbp)约为0.44，这比双曲正割脉冲的变换极限0.315要大一些，说明输出的锁模脉冲存在一定的啁啾；在射频图的13.5mhz的位置有一个高峰值，信噪比约为64db；以上结果都表明输出脉冲处于稳定的锁模状态。
48.当泵浦功率增加到400mw并适当地调节第一偏振控制器16和第二偏振控制器18的角度后，产生了一些新现象；由图3可以看出，脉冲光谱图中的光谱变得光滑并且展宽到了11.16nm，中心波长为1605.55nm；从序列图中，我们发现脉冲间隔仍为74.1ns，但脉冲强度出现了波动，不如在低功率时那么稳定；而自相关图中的自相关轨迹的半高全宽为870fs，经过双曲正割拟合得到脉冲宽度为561fs；从射频图中可知中心频率仍为13.5mhz，只是相比于低功率下的射频图，在主峰旁边出现了两条强度较高的次峰，其中主峰位于两个次峰
的正中间，与两个次峰的平移均为0.079mhz；另外的，利用散傅里叶变换技术可以得到2000个腔循环下的空间光谱演化，其中曲线代表的是脉冲的能量演化，可以看出光谱宽度和脉冲能量都存在脉动现象，周期约为167个腔循环(12.37μs)，与射频图中出现的0.079mhz频移相吻合。
49.图4为不同泵浦源功率下的脉冲光谱演化图，从图中可以清晰地看到，随着泵浦功率的不断增加，脉冲的光谱不断展宽，并且强度也有提升；为了更好地展示l波段锁模光纤激光器的性能，图5为不同泵浦源功率下的输出功率和脉冲能量，当泵浦功率从300mw升高到600mw的过程中，平均输出功率从15.91mw增加到32.18mw；而脉冲能量更是从1.18纳焦升高到了2.38纳焦；上述研究结构符合高能量脉冲锁模光纤激光器的典型特征。
50.优选的，本发明实施例是基于非线性偏振选择实现的锁模光纤激光器，还提供基于非线性放大环形镜的锁模光纤激光器以及基于可饱和吸收体的锁模光纤激光器，具体如下：
51.结合图6所示，基于非线性光学环形镜(即非线性放大环形镜)的锁模光纤激光器包括泵浦源61、通过光纤依次熔接并构成环形腔的光纤波分复用器62、增益光纤63、单模光纤64、第一偏振控制器65、第一耦合器66、光纤隔离器67、第二偏振控制器68以及第二耦合器69；泵浦源61通过光纤熔接与光纤波分复用器62连接，其中光纤波分复用器62、增益光纤63、单模光纤64、第一偏振控制器65以及第一耦合器66构成一个非线性放大环形镜；第一耦合器66、光纤隔离器67、第二偏振控制器68以及第二耦合器69构成一个单向环；两个环路互相配合产生脉冲能量并通过调节泵浦源61的功率获取不同程度的脉冲能量。
52.结合图7所示，基于可饱和吸收体的锁模光纤激光器包括泵浦源71、通过光纤依次熔接并构成环形腔的光纤波分复用器72、增益光纤73、偏振无关光纤隔离器74、光纤耦合器75、自然可饱和吸收体76、偏振控制器77；泵浦源71通过光纤熔接与光纤波分复用器72连接；其中，自然可饱和吸收体76和第二偏振控制器77互相配合产生脉冲能量并通过调节泵浦源71的功率获取不同程度的脉冲能量。
53.总的来说，基于非线性偏振旋转效应的l波段高能量锁模光纤激光器，不仅可以获得高能量的输出脉冲，还拥有研究价值的脉冲动力学，在科研实验和工业应用中表现出极高的应用潜力。
54.说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
55.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者中还存在另外的相同要素。
