專利名稱：波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于通信、醫(yī)學(xué)、光學(xué)測量等領(lǐng)域的光纖激光器，具體是一種波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧的鎖模脈沖摻秘光纖激光器。
背景技術(shù)：
目前作為光纖激光器的高效率增益介質(zhì)主要有三種稀土離子(Yb3+、Er3+、Tm3+) 的摻雜光纖，它們的激射波長范圍分別在1030-1120nm (Yb3+)、1530_1600nm (Er3+)和 1750-2100nm(Tm3+)o由此可以看出，光纖激光器的激射波長在1000_2000nm范圍內(nèi)還有較大波長間隙(1150-1500nm)沒有相對應(yīng)的高效率增益光纖，而恰恰這些不能激射的波長范圍在通信系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)及航天等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。特別地，這些不能激射波長范圍包括了在1300nm附近的具有低光纖色散的光纖通信第二窗口。雖然在1300nm波長附近可以通過摻Pr3+光纖或者光纖拉曼效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)增益和激射，但是它們自身固有的缺點(diǎn)，例如摻Pr3+光纖與普通光纖的熔接困難，光纖拉曼效應(yīng)系統(tǒng)的低效率及復(fù)雜性，使它們的應(yīng)用受到了限制。因此，要在1150-1500nm范圍內(nèi)獲得高效率的增益和光纖激光輸出，必然要尋找具有更大帶寬、更高效率的新型增益介質(zhì)，這對光纖激光技術(shù)的發(fā)展無疑具有非常重要的意義。
近幾年來一種新的增益介質(zhì)一摻鉍光纖的出現(xiàn)，使得上述問題 有望得以解決。 摻鉍光纖最顯著的特點(diǎn)就是具有超寬帶增益波長范圍(1100-1600nm)，覆蓋了普通單模光纖的低損耗和低色散波長窗口，打破了目前在1150-1500nm的激射波長范圍沒有相對應(yīng)高效率增益光纖的限制，這就使得超寬帶光放大器和波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧脈沖光纖激光器的研制和開發(fā)成為了可能。因此，摻鉍光纖無論作為光纖放大器還是光纖激光器的增益材料，都有著極大的吸引力，受到了各國科學(xué)家的競相研究。其中波長連續(xù)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器在生物醫(yī)學(xué)研究、光譜分析、光學(xué)測量、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用尤為重要。
目前,對波長可調(diào)諧鎖模脈沖摻秘光纖激光器的研究已有報道。在先技術(shù)之一，芬蘭研究人員S. KivistS等人(《Tunable modelocked bismuth-doped soliton fibre laser)) Electron. Lett. 44(25)pp: 1456-14572008)通過在腔內(nèi)加空間光柵對進(jìn)行色散補(bǔ)償，利用可飽和吸收鏡，獲得了中心波長在1160nm附近、脈沖寬度為0. 9ps的可調(diào)諧脈沖輸出，通過移動聚焦物鏡實(shí)現(xiàn)其波長從1153nm至1170nm可調(diào)諧，范圍僅為17nm。但是其可調(diào)諧范圍受制于物鏡的角度，因此即使摻鉍光纖有巨大的增益帶寬，其激光器的調(diào)諧范圍也有限 ’另夕卜，該激光器并非全光纖結(jié)構(gòu)，使得該技術(shù)缺乏靈活可調(diào)的操作以及難以集成。在先技術(shù)之二，俄羅斯研究人員 A. V. Shubin等人(《Evolution and stability of pulse regimes in SESAM-mode-locked femtosecond fiber lasers》0pt.Lett. 37(13)pp:2589_25912012)通過在激光器腔中接入不同峰值波長的光柵對來獲得在1389nm、1480nm、1500nm、1538nm波長處可選擇輸出。采用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)激射波長切換輸出，必須每次在激光器腔內(nèi)接入不同峰值波長的光柵對，因此不能靈活實(shí)現(xiàn)波長的動態(tài)調(diào)諧。
為了使鎖模脈沖摻鉍光纖激光器適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，提高摻鉍光纖激光器的實(shí)用性和靈活性，充分利用摻鉍光纖的增益帶寬，有必要研制波長大范圍靈活可調(diào)諧的、結(jié)構(gòu)簡單的鎖模脈沖摻鉍光纖激光器。到目前為止，還沒有出現(xiàn)過輸出波長大范圍動態(tài)靈活可調(diào)諧且是全光纖結(jié)構(gòu)的鎖模脈沖摻鉍光纖激光器的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧、全光纖結(jié)構(gòu)的鎖模脈沖摻秘光纖激光器，旨在解決現(xiàn)有摻秘光纖激光器的鎖模脈沖波長調(diào)諧范圍受限，無法連續(xù)可調(diào)諧的問題。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的本波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器，激光腔采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，包括泵浦源、波分復(fù)用器、摻鉍光纖、輸出耦合器、偏振控制器及偏振相關(guān)隔離器，所述泵浦源、波分復(fù)用器、摻鉍光纖及輸出耦合器依次連接； 所述輸出耦合器、偏振控制器及偏振相關(guān)隔離器依次連接，或者所述輸出耦合器、偏振相關(guān)隔離器及偏振控制器依次連接；所述偏振相關(guān)隔離器內(nèi)設(shè)有起偏器；經(jīng)過偏振相關(guān)隔離器后的激光偏振態(tài)與腔內(nèi)單模光纖水平軸X的夾角為θ i，激光在腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈后再次回到偏振相關(guān)隔離器時其檢偏方向與光纖水平軸X的夾角為Θ 2 ;該摻秘光纖激光器的鎖模脈沖波長的連續(xù)可調(diào)諧通過所述偏振控制器對91和02在0-21之間連續(xù)可調(diào)來實(shí)現(xiàn)。
所述偏振控制器包括第一偏振控制器、第二 偏振控制器，所述第一偏振控制器、偏振相關(guān)隔離器及第二偏振控制器依次連接；該摻鉍光纖激光器的鎖模脈沖波長的連續(xù)可調(diào)諧通過所述第一偏振控制器、第二偏振控制器對91和02在0-231之間連續(xù)可調(diào)來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的工作原理如下
(I)鎖模原理本發(fā)明采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光器的被動鎖模，具體工作原理是由偏振相關(guān)隔離器提供的起偏器和腔內(nèi)弱雙折射光纖相結(jié)合提供一種波長和強(qiáng)度相關(guān)損耗機(jī)制，這種機(jī)制可被看作是類快可飽和吸收體。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的兩個在線偏振控制器，使得脈沖在腔內(nèi)往返過程中不斷窄化，最終實(shí)現(xiàn)被動鎖模，獲得超短脈沖輸出。
(2)波長可調(diào)諧原理因?yàn)樵诩す馄髑粌?nèi)有偏振相關(guān)隔離器，它與激光器腔內(nèi)弱雙折射光纖相結(jié)合提供了一種波長偏振相關(guān)損耗機(jī)制，即可調(diào)諧光譜濾波效應(yīng)。由于摻秘光纖具有超寬帶增益帶寬，利用此方案可以在很大波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖的動態(tài)連續(xù)可調(diào)諧輸出。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的波長大范圍可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)是
I、是一種全光纖結(jié)構(gòu)的鎖模脈沖摻秘激光器，具備寬的波長可調(diào)諧范圍，鎖模脈沖波長的可調(diào)諧范圍可達(dá)40nm以上；且波長可調(diào)諧通過偏振控制器調(diào)節(jié)兩個夾角即可實(shí)現(xiàn)，操作簡單、方便。
2、采用等效光譜濾波效應(yīng)，無需額外加入光譜濾波器，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。
3、為實(shí)現(xiàn)激光器中心波長的調(diào)諧，在結(jié)構(gòu)原理圖中，偏振控制器可以只采用一個， 也能達(dá)到相同的效果，只是調(diào)節(jié)的難度會大一點(diǎn)；偏振控制器也可以采用兩個，此時是固定其中一個偏振控制器(比如第二偏振控制器)，然后連續(xù)調(diào)節(jié)另外一個偏振控制器，就可以獲得波長的連續(xù)可調(diào)，對應(yīng)于固定的第二偏振控制器，總能找到合適的角度調(diào)節(jié)第一偏振控制器，使得鎖模脈沖波長可調(diào)節(jié)。只采用一個偏振控制器時，偏振控制器可以設(shè)置在輸出耦合器與偏振相關(guān)隔離器之間，也可以設(shè)置在偏振相關(guān)隔離器之后。


圖I是波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器的結(jié)構(gòu)原理圖2是激光器的等效工作原理示意圖3是改變偏振控制器的角度時，激光器透射率隨波長的變化關(guān)系圖4是實(shí)驗(yàn)測量的波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器的脈沖序列圖，插圖為自相關(guān)儀測量圖5是實(shí)驗(yàn)測量的波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器的波長可調(diào)諧圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例
本發(fā)明的摻鉍光纖激光器采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，鎖模技術(shù)采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)。 本發(fā)明獲得波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧是通過激光器腔內(nèi)固有的光譜濾波效應(yīng)，調(diào)節(jié)偏振控制器來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的摻鉍光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括依次連接的泵浦源I、波分復(fù)用器2、摻秘光纖3、輸出f禹合器4、第一偏振控制器5、偏振相關(guān)隔離器6以及第二偏振控制器7。
偏振相關(guān)隔離器6包含有起偏器，圖I所示激光器的環(huán)形腔可以等效為依次連接的單模光纖8、偏振控制器5及起偏器9的組合,如圖2所不；輸入光偏振方向與單模光纖水平軸X的夾角為Q1，偏振相關(guān)隔離器內(nèi)的起偏器偏振方向與光纖水平軸X的夾角為θ2。 91和92均可通過兩個偏振控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于光纖存在與波長相關(guān)的線性雙折射，激光偏振態(tài)在腔內(nèi)是旋轉(zhuǎn)的；不同波長的光在腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)一周獲得的線性相移不同，因此對應(yīng)的偏振態(tài)也不同。當(dāng)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)偏振控制器時，腔內(nèi)不同波長光的偏振態(tài)隨之改變，而起偏器只允許某個偏振態(tài)的光通過，因此起偏器-偏振控制器-光纖-偏振控制器的組合提供了波長相關(guān)偏振損耗機(jī)制，使每個波長的損耗不同，從而可以選擇激射波長的位置。根據(jù)偏振光干涉原理，本發(fā)明光纖激光器的透射系數(shù)T (即透射率)可以表示為
T = cos2 Θ. cos" Θ, + sin2 Θ, siir Θ、+^-sin(2^)si.n(26^)ζο%{ ^φ, + Acpyi)(I)
其中Ap1= 2;rL(ov -\)/；1是線性相移,么％ 二 2 r 2PLcos(260/(3/l4#)為非線性相移。nx和ny為光纖兩個正交軸的折射率，L是第一偏振控制器與第二偏振控制器之間光纖的長度，λ是激射波長，112是非線性系數(shù)，P為瞬時功率，Arff為有效纖芯面積。
從公式(I)可以看出，光纖激光器的透射系數(shù)T不僅與光強(qiáng)和偏振控制器調(diào)節(jié)有關(guān)，而且隨工作波長λ呈周期性變化。當(dāng)旋轉(zhuǎn)偏振控制器時，91和θ2改變，透射系數(shù)也隨著波長相應(yīng)的變化，即相當(dāng)于起到光譜濾波的效應(yīng)。圖3是偏振控制器在不同位置時，系統(tǒng)的透射率隨波長變化的關(guān)系曲線。從圖中可以明顯看出透射率隨波長呈現(xiàn)周期性變化， 并且當(dāng)旋轉(zhuǎn)偏振控制器時可以同時改變透射峰的位置。因此，這種結(jié)構(gòu)的激光腔提供了一個濾波效應(yīng)，且激射峰值波長的位置取決于偏振控制器的設(shè)定。從而，在環(huán)形腔光纖激光器中只需適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)偏振控制器就可以實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖的波長動態(tài)調(diào)諧操作。
本發(fā)明采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光器的被動鎖模。鎖模原理是由偏振相關(guān)隔離器提供的起偏器和腔內(nèi)弱雙折射光纖相結(jié)合提供一種強(qiáng)度相關(guān)損耗機(jī)制，這種機(jī)制可被看作是類快可飽和吸收體。具體鎖模過程是光通過偏振相關(guān)隔離器6后變成線偏振光，經(jīng)過第二偏振控制器7后變成橢圓偏振光；在光纖中傳輸時，由于非線性效應(yīng)使得兩個偏振分量產(chǎn)生不同的非線性相移，從而偏振態(tài)也發(fā)生變化。由于非線性相移是強(qiáng)度相關(guān)的， 因此整個脈沖的偏振態(tài)是不均勻的。這時，調(diào)節(jié)第一偏振控制器5使脈沖中心部分線性偏振，與偏振相關(guān)隔離器6中提供的起偏器的方向一致，則脈沖中心的高強(qiáng)度部分通過隔離器，而低強(qiáng)度的脈沖邊沿部分由于偏振方向不一致被阻擋，這樣脈沖在腔內(nèi)往返一次后變窄，這種機(jī)制類似于快可飽和吸收體。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的兩個在線偏振控制器，使得脈沖在腔內(nèi)往返過程中不斷窄化，最后實(shí)現(xiàn)被動鎖模，獲得穩(wěn)定的超短脈沖輸出。兩個偏振控制器可對91和02在0-21之間連續(xù)可調(diào)；具體操作中，可以先固定其中一個偏振控制器的角度，然后調(diào)節(jié)另外一個偏振控制器。
根據(jù)摻鉍光纖的特性，本實(shí)施例選擇1064nm波長的摻鐿光纖激光器作為泵浦源， 設(shè)計并定制中心波長在1160nm的偏振控制器、偏振相關(guān)隔離器、耦合器、波分復(fù)用器，將各個器件按照圖I的順序進(jìn)行熔接。在耦合器的輸出端口通過光譜儀和示波器測量輸出激光的特性。當(dāng)調(diào)節(jié)偏振控制器的角度時，激光器的透射率隨波長的變化關(guān)系如圖3所示，其中 θ2= η/6，而實(shí)線是/9，虛線是/9。當(dāng)調(diào)節(jié)偏振控制器的時候，在示波器上可以觀察到激射脈沖，如圖4所示；而在光譜儀上可以看到激射波長位置連續(xù)變化，即波長動態(tài)連續(xù)可調(diào)諧，如圖5所示。我們獲得的 鎖模脈沖寬度是22. 6ps，脈沖波長可調(diào)諧范圍為 42nm,覆蓋了 1140. 5nm至1183nm的波長范圍。
本發(fā)明的波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器的具體制備過程為選擇合適的摻鉍光纖以及泵浦源，根據(jù)摻鉍光纖的增益譜，確定選取波分復(fù)用器、偏振控制器、偏振相關(guān)隔離器、耦合器；選擇這些器件的尾纖類型、尾纖長度。根據(jù)原理圖I搭建激光腔。器件之間的連接采用尾纖之間相互熔接的方法。耦合器的輸出端通過一個1X2的耦合器分為兩路，分別接示波器和光譜儀，調(diào)節(jié)偏振控制器，觀察激光器的輸出特性。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器，激光腔采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括泵浦源、波分復(fù)用器、摻鉍光纖、輸出耦合器、偏振控制器及偏振相關(guān)隔離器，所述泵浦源、波分復(fù)用器、摻鉍光纖及輸出耦合器依次連接；所述輸出耦合器、偏振控制器及偏振相關(guān)隔離器依次連接，或者所述輸出耦合器、偏振相關(guān)隔離器及偏振控制器依次連接；所述偏振相關(guān)隔離器內(nèi)設(shè)有起偏器；經(jīng)過偏振相關(guān)隔離器后的激光偏振態(tài)與腔內(nèi)單模光纖水平軸X的夾角為0i，激光在腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈后再次回到偏振相關(guān)隔離器時其檢偏方向與光纖水平軸X的夾角為e 2;該摻鉍光纖激光器的鎖模脈沖波長的連續(xù)可調(diào)諧通過所述偏振控制器對e:和e 2在0-2 Ji之間連續(xù)可調(diào)來實(shí)現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器，其特征在于，所述偏振控制器包括第一偏振控制器、第二偏振控制器，所述第一偏振控制器、偏振相關(guān)隔離器及第二偏振控制器依次連接；該摻鉍光纖激光器的鎖模脈沖波長的連續(xù)可調(diào)諧通過所述第一偏振控制器、第二偏振控制器對91和92在0-231之間連續(xù)可調(diào)來實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器，其特征在于，所述泵浦源的波長為1064nm，所述偏振控制器、偏振相關(guān)隔離器、輸出耦合器及波分復(fù)用器中心波長在1160nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種波長大范圍動態(tài)可調(diào)諧鎖模脈沖摻鉍光纖激光器，激光腔采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，包括依次連接的泵浦源、波分復(fù)用器、摻鉍光纖、輸出耦合器、偏振控制器及偏振相關(guān)隔離器，所述偏振相關(guān)隔離器內(nèi)設(shè)有起偏器；經(jīng)過偏振相關(guān)隔離器后的激光偏振態(tài)與腔內(nèi)單模光纖水平軸X的夾角為θ1，激光在腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)一圈后再次回到偏振相關(guān)隔離器時其檢偏方向與光纖水平軸X的夾角為θ2；該摻鉍光纖激光器的鎖模脈沖波長的連續(xù)可調(diào)諧通過所述偏振控制器對θ1和θ2在0-2π之間連續(xù)可調(diào)來實(shí)現(xiàn)。解決了現(xiàn)有摻鉍光纖激光器的鎖模脈沖波長調(diào)諧范圍受限，無法連續(xù)可調(diào)諧的問題。
文檔編號H01S3/08GK102983484SQ20121056776
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者羅智超, 羅愛平, 徐文成 申請人:華南師范大學(xué)