一種L波段鎖模光纖激光器及其脈沖輸出方法
一種l波段鎖模光纖激光器及其脈沖輸出方法
技術領域
1.本發明涉及激光器技術領域，特別涉及一種l波段鎖模光纖激光器及其脈沖輸出方法。
背景技術：
2.自激光器問世以來，對工業發展和人們日常生活產生了較大的影響；光纖激光器是激光器中的一種，光纖激光器產生超短脈沖的方式有主動鎖模、被動鎖模以及主被動混合鎖模，主動鎖模結構復雜，成本高昂，不易全光纖化，而主被動混合鎖模雖然可以得到更窄的脈沖，但其仍需外界有源器件，不能實現完全全光纖化；相比之下，被動鎖模結構容易全光纖化，調諧方便，性價比也更高。
3.實現被動鎖模光纖激光器，必須有一個關鍵的組成部分
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可飽和吸收體；可飽和吸收體又分為人造可飽和吸收體和真實可飽和吸收體；諸如非線性偏振旋轉、非線性放大環形鏡和非線性光學環形鏡等都屬于人造可飽和吸收體；常見的真實可飽和吸收體有半導體可飽和吸收鏡以及各種納米材料，而這些真實可飽和吸收體的制作工藝復雜，成本較高，其中用納米材料制作成的可飽和吸收體會隨著時間的推移而逐漸失去鎖模效應；而人造可飽和吸收體損傷閾值高，其鎖模能力不會因為時間而消減；其中基于非線性偏振旋轉效應的鎖模光纖激光器以其穩定的工作特性和可以持續輸出高功率的鎖模脈沖等優點一直受到人們的關注；當前，基于非線性偏振旋轉效應的鎖模光纖激光器主要集中在1.06μm(微米)、1.55μm以及2.0μm等波段附近；其中，摻鉺光纖激光器處于光纖通信低損耗窗口(1.55μm)附近，因此受到了廣泛的研究和關注。
4.當前，c波段(1525-1565nm)的被動鎖模摻鉺光纖激光器的研究越來越成熟，已逐漸趨于商業化；然而，隨著密集波分復用(dense wavelength division multiplexing,dwdm)技術的發展，通信信道正在從傳統的c波段向l波段(1565-1625nm)拓展，以進一步提高通信容量；而且，與c波段相比，l波段處增益相對平坦，不僅能夠實現超短脈沖輸出，而且有利于寬光譜光源設計，因此，穩定可靠的l波段超短脈沖光源亟待研究；此外，由于受到孤子鎖模中的面積定理的限制，傳統孤子型鎖模光纖激光器的輸出能量都在納焦(nj)以下。因此，亟需一種高能量的l波段被動鎖模光纖激光器。
技術實現要素：
5.本發明的目的是提供一種l波段鎖模光纖激光器及其脈沖輸出方法，旨在提供一種輸出脈沖能量高達納焦以上的l波段鎖模光纖激光器。
6.第一方面，本發明實施例提供了一種l波段鎖模光纖激光器，所述鎖模光纖激光器包括泵浦源，以及通過光纖依次熔接并構成環形腔的光纖波分復用器、增益光纖、光纖隔離器、光纖耦合器、第一偏振控制器、光纖起偏器和第二偏振控制器；所述泵浦源通過光纖熔接與所述光纖波分復用器連接；其中，所述第一偏振控制器、所述光纖起偏器和所述第二偏振控制器互相配合產生脈沖能量并通過調節所述泵浦源的功率獲取不同程度的脈沖能量。
7.第二方面，本發明實施例還提供了一種l波段鎖模光纖激光器的脈沖輸出方法，包括：泵浦源輸出連續的光信號，并發送至光纖波分復用器；所述光纖波分復用器將所述光信號通過增益光纖發送至光纖隔離器；所述光纖隔離器將所述光信號發送至光纖耦合器進行耦合，其中一部分光信號作為激光器輸出，另一部分光信號通過依次連接的第一偏振控制器、光纖起偏器、第二偏振控制器留在環形腔中。
8.本發明與現有技術相比的有益效果是：提出了l波段高脈沖能量的鎖模光纖激光器，并且可以產生高能量的超短脈沖輸出，可作為實驗研究測試的穩定光源，具有極高的應用潛力。
附圖說明
9.為了更清楚地說明本發明實施例技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
10.圖1為本發明實施例提供的l波段鎖模光纖激光器的結構示意圖；
11.圖2(a)為本發明實施例提供的泵浦源功率為31.8mw時的脈沖光譜圖；
12.圖2(b)為本發明實施例提供的泵浦源功率為31.8mw時的時序圖；
13.圖2(c)為本發明實施例提供的泵浦源功率為31.8mw時的自相關圖；
14.圖2(d)為本發明實施例提供的泵浦源功率為31.8mw時的射頻圖；
15.圖3(a)為本發明實施例提供的泵浦源功率為400mw時的脈沖光譜圖；
16.圖3(b)為本發明實施例提供的泵浦源功率為400mw時的時序圖；
17.圖3(c)為本發明實施例提供的泵浦源功率為400mw時的自相關圖；
18.圖3(d)為本發明實施例提供的泵浦源功率為400mw時的射頻圖；
19.圖3(e)為本發明實施例提供的泵浦源功率為400mw時的空間光譜和能量演化圖；
20.圖4為本發明實施例提供的不同泵浦源功率下的脈沖光譜演化圖；
21.圖5為本發明實施例提供的不同泵浦源功率下的輸出功率和脈沖能量；
22.圖6為本發明實施例提供的基于非線性光學環形鏡的鎖模光纖激光器的結構示意圖；
23.圖7為本發明實施例提供的基于可飽和吸收體的鎖模光纖激光器的結構示意圖。
24.圖1中標識說明：
25.11泵浦源；12、光纖波分復用器；13、增益光纖；14、光纖隔離器；15、光纖耦合器；16、第一偏振控制器；17、光線起偏器；18、第二偏振控制器。
26.圖6中標識說明：
27.61、泵浦源；62、光纖波分復用器；63、增益光纖；64、單模光纖；65、第一偏振控制器；66、第一耦合器；67、光纖隔離器；68、第二偏振控制器；69、第二耦合器。
28.圖7中標識說明：
29.71、泵浦源；72、光纖波分復用器；73、增益光纖；74、光纖隔離器；75、光纖耦合器；76、可飽和吸收體；77、偏振控制器。
具體實施方式
30.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
31.應當理解，當在本說明書和所附權利要求書中使用時，術語“包括”和“包含”指示所描述特征、整體、步驟、操作、元素和/或組件的存在，但并不排除一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元素、組件和/或其集合的存在或添加。
32.還應當理解，在此本發明說明書中所使用的術語僅僅是出于描述特定實施例的目的而并不意在限制本發明。如在本發明說明書和所附權利要求書中所使用的那樣，除非上下文清楚地指明其它情況，否則單數形式的“一”、“一個”及“該”意在包括復數形式。
33.還應當進一步理解，在本發明說明書和所附權利要求書中使用的術語“和/或”是指相關聯列出的項中的一個或多個的任何組合以及所有可能組合，并且包括這些組合。
34.結合圖1所示，圖1為本發明實施例提供的一種l波段鎖模光纖激光器的結構示意圖，鎖模光纖激光器包括泵浦源11，以及通過光纖依次熔接并構成環形腔的光纖波分復用器12、增益光纖13、光纖隔離器14、光纖耦合器15、第一偏振控制器16、光纖起偏器17和第二偏振控制器18；泵浦源11通過光纖熔接與光纖波分復用器12連接；其中，第一偏振控制器16、光纖起偏器17和第二偏振控制器18互相配合產生脈沖能量并通過調節泵浦源11的功率獲取不同程度的脈沖能量。
35.在本實施例中，泵浦源11輸出脈沖光，泵浦源11通過光纖熔接與光纖波分復用器12進行連接，而光纖波分復用器12、增益光纖13、光纖隔離器14、光纖耦合器15、第一偏振控制器16、光纖起偏器17和第二偏振控制器18則通過光纖依次熔接并構成環形腔；光纖耦合器15可以作為部分輸出端，第一偏振控制器16、光纖起偏器17和第二偏振控制器18互相配合產生非線性偏振旋轉效應，在光纖激光器的諧振腔中起著非線性光學吸收的作用，能夠作為鎖模器件使光纖激光器產生超短脈沖輸出；此外，還可以通過調節泵浦源11的功率獲取不同程度的脈沖能量，即可以在泵浦源11支持的功率范圍內自由調節，獲取對應的脈沖能量。
36.另外的，基于非線性偏振旋轉的鎖模光纖激光器是全光纖化結構，具有緊湊型好、穩定可靠、便于操作等優點，不僅促進了傅里葉算法在脈沖動力學的應用，也推動了鎖模光纖激光器的進一步研究和發展。
37.在一實施例中，泵浦源11為半導體激光器，輸出波長為980nm，輸出功率為0-600mw；泵浦源11作為一種用于電子與通信技術領域的激光器，本實施例中泵浦源11為950nm波段的半導體激光器，輸出功率為0-600mw，在此輸出功率范圍內都可以自由調節功率來適應實際需求。
38.在一實施例中，光纖波分復用器12的插入損耗小于0.2db；光纖波分復用器12最大泵浦功率為1w，最大信號功率為300mw；光纖波分復用器12選用980/1550型號，光纖波分復用器12的插入損耗要小于0.2db，980/1550型號可以最大承受1w的泵浦功率和300mw的信號功率。
39.在一實施例中，增益光纖13為單模摻鉺光纖；單模摻鉺光纖根據吸收系數和散
值的不同，可以選擇對應的長度，本實施例中選用美國的edf80型號的光纖，長度可選為2.9m，在1550nm的散系數為-48ps/(nm
·
km)，其中，ps為皮秒，即為10的負12次方秒。
40.在一實施例中，光纖耦合器15的光纖耦合比為10:90或20:80或30:70或40:60；可選的光纖耦合比為10:90或20:80或30:70或40:60，可以根據實際情況進行選擇適應的耦合比例；本實施例中，選擇20:80的耦合比，其中20％為輸出端。
41.在一實施例中，光纖隔離器14為光纖偏振無關隔離器，光纖偏振無關隔離器的最大隔離度控制在30db以內；光纖偏振無關隔離器的插入損耗小于0.5db，最大信號功率為300mw；光纖隔離器14可以承受的最大功率為300mw。
42.在一實施例中，光纖起偏器17最大消光比控制在30db以內，光纖起偏器17的插入損耗小于0.5db，最大信號功率為300mw；光纖起偏器17的插入損耗小于0.5db，最大信號功率為300mw；光纖起偏器17可以承受的最大功率為300mw。
43.在一實施例中，第一偏振控制器16和第二偏振控制器18均采用擠壓式偏振控制器或三環式偏振控制器；本實施例中采用的是擠壓式偏振控制器，當然也可以根據需求選用另一種偏振控制器，本發明沒有具體限制為一種偏振控制器。
44.在一實施例中，光纖為通信波段的單模光纖，光纖熔接損耗控制在0.5db以內；可以選用標準的g652型光纖，如果有更好的替代光纖也可以進行替代；本實施例中，整個鎖模激光器的腔長約為15.2m。
45.在一實施例中，一種l波段鎖模光纖激光器的脈沖輸出方法，包括：泵浦源11輸出連續的光信號，并發送至光纖波分復用器12；光纖波分復用器12將所述光信號通過增益光纖13發送至光纖隔離器14；光纖隔離器14將所述光信號發送至光纖耦合器15進行耦合，其中一部分光信號作為激光器輸出，另一部分光信號通過依次連接的第一偏振控制器16、光纖起偏器17、第二偏振控制器18留在環形腔中；需要注意的是，光信號即為激光，增益光纖即為單模摻鉺光纖，第一偏振控制器16、光纖起偏器17和第二偏振控制器18互相配合產生非線性偏振旋轉效應。
46.下面結合圖2至圖5對l波段鎖模光纖激光器的脈沖輸出進行說明：
47.當泵浦功率增加到31.8mw時，手動調節第一偏振控制器16和第二偏振控制器18從而調節腔內偏振狀態，如此，可以獲得穩定的鎖模脈沖；由圖2中的脈沖光譜圖可知，此時輸出脈沖光譜的中心波長和3db帶寬分別是1594.66nm和8.94nm；而時序圖顯示了相鄰脈沖的間隔約為74.1ns(納秒)，而這也與射頻圖中13.5mhz的基頻一致；經過測量后，自相關圖中的自相關軌跡的半高全寬約為643fs(飛秒)；再使用sech2函數公式進行擬合后的脈沖寬度為414.8fs；通過計算，得出此時脈沖的時間帶寬積(tbp)約為0.44，這比雙曲正割脈沖的變換極限0.315要大一些，說明輸出的鎖模脈沖存在一定的啁啾；在射頻圖的13.5mhz的位置有一個高峰值，信噪比約為64db；以上結果都表明輸出脈沖處于穩定的鎖模狀態。
48.當泵浦功率增加到400mw并適當地調節第一偏振控制器16和第二偏振控制器18的角度后，產生了一些新現象；由圖3可以看出，脈沖光譜圖中的光譜變得光滑并且展寬到了11.16nm，中心波長為1605.55nm；從序列圖中，我們發現脈沖間隔仍為74.1ns，但脈沖強度出現了波動，不如在低功率時那么穩定；而自相關圖中的自相關軌跡的半高全寬為870fs，經過雙曲正割擬合得到脈沖寬度為561fs；從射頻圖中可知中心頻率仍為13.5mhz，只是相比于低功率下的射頻圖，在主峰旁邊出現了兩條強度較高的次峰，其中主峰位于兩個次峰
的正中間，與兩個次峰的平移均為0.079mhz；另外的，利用散傅里葉變換技術可以得到2000個腔循環下的空間光譜演化，其中曲線代表的是脈沖的能量演化，可以看出光譜寬度和脈沖能量都存在脈動現象，周期約為167個腔循環(12.37μs)，與射頻圖中出現的0.079mhz頻移相吻合。
49.圖4為不同泵浦源功率下的脈沖光譜演化圖，從圖中可以清晰地看到，隨著泵浦功率的不斷增加，脈沖的光譜不斷展寬，并且強度也有提升；為了更好地展示l波段鎖模光纖激光器的性能，圖5為不同泵浦源功率下的輸出功率和脈沖能量，當泵浦功率從300mw升高到600mw的過程中，平均輸出功率從15.91mw增加到32.18mw；而脈沖能量更是從1.18納焦升高到了2.38納焦；上述研究結構符合高能量脈沖鎖模光纖激光器的典型特征。
50.優選的，本發明實施例是基于非線性偏振選擇實現的鎖模光纖激光器，還提供基于非線性放大環形鏡的鎖模光纖激光器以及基于可飽和吸收體的鎖模光纖激光器，具體如下：
51.結合圖6所示，基于非線性光學環形鏡(即非線性放大環形鏡)的鎖模光纖激光器包括泵浦源61、通過光纖依次熔接并構成環形腔的光纖波分復用器62、增益光纖63、單模光纖64、第一偏振控制器65、第一耦合器66、光纖隔離器67、第二偏振控制器68以及第二耦合器69；泵浦源61通過光纖熔接與光纖波分復用器62連接，其中光纖波分復用器62、增益光纖63、單模光纖64、第一偏振控制器65以及第一耦合器66構成一個非線性放大環形鏡；第一耦合器66、光纖隔離器67、第二偏振控制器68以及第二耦合器69構成一個單向環；兩個環路互相配合產生脈沖能量并通過調節泵浦源61的功率獲取不同程度的脈沖能量。
52.結合圖7所示，基于可飽和吸收體的鎖模光纖激光器包括泵浦源71、通過光纖依次熔接并構成環形腔的光纖波分復用器72、增益光纖73、偏振無關光纖隔離器74、光纖耦合器75、自然可飽和吸收體76、偏振控制器77；泵浦源71通過光纖熔接與光纖波分復用器72連接；其中，自然可飽和吸收體76和第二偏振控制器77互相配合產生脈沖能量并通過調節泵浦源71的功率獲取不同程度的脈沖能量。
53.總的來說，基于非線性偏振旋轉效應的l波段高能量鎖模光纖激光器，不僅可以獲得高能量的輸出脈沖，還擁有研究價值的脈沖動力學，在科研實驗和工業應用中表現出極高的應用潛力。
54.說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。
55.還需要說明的是，在本說明書中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者所固有的要素。在沒有更多限制的狀況下，由語句“包括一個
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者中還存在另外的相同要素。
