高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器的制造方法
【專利摘要】本實用新型適用于激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，提供了一種高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器以及由其泵浦的超連續(xù)譜光源。該高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器在光路方向上依次包括：基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器、寬帶光纖耦合器、功率預(yù)放大級、功率主放大級。該高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器輸出端與零色散波長位于其泵浦激光增益區(qū)的光子晶體光纖或高非線性光纖等超連續(xù)譜產(chǎn)生光纖相聯(lián)接，可實現(xiàn)泵浦激光與超連續(xù)譜產(chǎn)生光纖零色散波長的精確匹配，進(jìn)而獲得寬帶高平坦的超連續(xù)譜光源。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、泵浦激光波長調(diào)諧方便、成本低和全光纖化的特點，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、遙感探測、環(huán)境監(jiān)測、多通道光纖通信及光譜學(xué)等領(lǐng)域中。
【專利說明】
高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于光纖非線性被動鎖模種子源的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器、以及基于該高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器泵浦的超連續(xù)譜光源。

【背景技術(shù)】
[0002]超寬帶光源在生活的各個方面都有著廣泛的需求。作為常規(guī)寬帶光源的白熾燈和熒光燈的光譜范圍比較寬，但是發(fā)光亮度較低，并且不是相干光，光束質(zhì)量也較差；激光雖然具有很好的空間相干性和很高的亮度，且具有良好的單模光束質(zhì)量，但激光通常是單色的。而基于激光泵浦的超連續(xù)譜光源可以很好地解決這一矛盾。
[0003]超連續(xù)譜(SC)是指一束高強度的激光脈沖通過非線性介質(zhì)后，產(chǎn)生的遠(yuǎn)大于其入射光譜的寬帶光譜。由于具有好的空間相干性、高亮度、超寬帶特性，超連續(xù)譜光源可以同時擁有白熾燈一樣的譜寬和激光器一樣的高亮度，它相當(dāng)于一個超寬帶激光器，在生物醫(yī)學(xué)、激光光譜學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、遙感探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
[0004]寬帶、高平坦光譜輸出是超連續(xù)譜研究追求的核心目標(biāo)。當(dāng)前產(chǎn)生超連續(xù)譜的主流技術(shù)是利用高功率光纖激光器泵浦光子晶體光纖或非線性光纖來實現(xiàn)的。寬帶平坦超連續(xù)譜的產(chǎn)生對于泵浦波長和光纖零色散波長的相對位置有著非常苛刻的要求:泵浦激光波長要位于光纖反常色散區(qū)并且盡量接近光纖零色散波長，以利于泵浦演化的超短脈沖擴展到正常色散區(qū)，二者之間1nm以上的偏差就會導(dǎo)致超連續(xù)譜光譜質(zhì)量明顯下降。然而，由于光纖拉制工藝上的限制，實際拉制出來的光纖零色散波長與所設(shè)計的光纖零色散波長存在一定偏差，而且當(dāng)前用于超連續(xù)譜產(chǎn)生的光纖激光器通常具有固定的激光波長，因而對超連續(xù)譜短波擴展及平坦度的提高產(chǎn)生了諸多限制。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型所要解決的第一個技術(shù)問題在于提供一種高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，該激光器具有結(jié)構(gòu)簡單，可調(diào)諧，高功率，全光纖化的特點。
[0006]本實用新型是這樣實現(xiàn)的，一種高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，其特征在于，在光路方向上依次包括:基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器、寬帶光纖耦合器、功率預(yù)放大級、功率主放大級；其中，所述基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器輸出的激光脈沖的波長可調(diào)諧。
[0007]進(jìn)一步地，在所述基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器與所述寬帶光纖耦合器之間，還設(shè)置有:
[0008]第一寬帶光纖隔離器，用于保證可調(diào)諧脈沖激光的單向傳輸，避免其后續(xù)光路中反饋的激光對其前級光路造成損傷。
[0009]進(jìn)一步地，所述寬帶光纖耦合器為2X2寬帶光纖耦合器，其中一個高耦合比輸入臂連接所述第一寬帶光纖隔離器的輸出端，低耦合比輸入臂用于監(jiān)測后級系統(tǒng)中的反饋激光，高耦合比輸出臂連接功率預(yù)放大級的種子輸入端，低耦合比輸出臂用于監(jiān)測輸出激光的波長及時域特性。
[0010]進(jìn)一步地，在所述功率預(yù)放大級與所述功率主放大級之間，還設(shè)置有:
[0011]第二寬帶光纖隔離器，用于保證可調(diào)諧脈沖激光的單向傳輸，避免其后續(xù)光路中反饋的激光對其前級光路造成損傷。
[0012]進(jìn)一步地，所述功率預(yù)放大級包括多個級聯(lián)的光纖放大器。
[0013]進(jìn)一步地,所述功率主放大級包括:
[0014]泵浦源；
[0015]增益介質(zhì)；
[0016]光纖合束器，其種子臂連接所述預(yù)放大級輸出端，接收所述預(yù)放大級輸出的激光脈沖，其泵浦臂連接所述泵浦源，其輸出端連接所述增益介質(zhì)；所述泵浦源通過其泵浦臂合束泵浦后級增益介質(zhì)。
[0017]進(jìn)一步地，所述泵浦源包括多個光纖輸出半導(dǎo)體激光器。
[0018]進(jìn)一步地，所述增益介質(zhì)為有源摻雜雙包層光纖。
[0019]本實用新型所要解決的第二個技術(shù)問題在于提供一種基于如上所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器泵浦的超連續(xù)譜光源，包括:
[0020]如上所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器；
[0021]與所述高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器熔接的超連續(xù)譜產(chǎn)生光纖，其零色散波長位于高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器增益區(qū)內(nèi)，用于將高功率脈沖激光在其中演化為寬帶高平坦超連續(xù)譜。
[0022]進(jìn)一步地，所述超連續(xù)譜產(chǎn)生光纖的輸出端連接有用于防止輸出端面激光反射的光纖端帽。
[0023]本實用新型所提供的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，基于光纖非線性被動鎖模種子源、功率預(yù)放大級、功率主放大級實現(xiàn)，可作為產(chǎn)生超連續(xù)譜的泵浦源。利用摻鐿、摻銩、摻鉺或鉺鐿共摻等有源摻雜光纖激光器種子源和放大器，可以實現(xiàn)I μ m、2 μ m及1.5 μ m等波段的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，進(jìn)而泵浦色散匹配的高非線性光纖或光子晶體光纖，實現(xiàn)寬帶高平坦的超連續(xù)譜輸出，其結(jié)構(gòu)簡單，波長調(diào)諧方便，成本低，而且具有全光纖化的特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本實用新型提供的基于該高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器泵浦的超連續(xù)譜光源的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖2是本實用新型提供的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的被動鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖3是本實用新型提供的基于非線性放大環(huán)形鏡的被動鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖4是本實用新型提供的基于非線性光學(xué)環(huán)形鏡的被動鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)圖。

【具體實施方式】
[0028]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0029]由于通過光纖多次拉制獲得所需零色散波長的成本較高，為此本實用新型從泵浦激光方面著手，提出基于光纖非線性被動鎖模光纖激光器種子源的波長可調(diào)諧脈沖光纖激光器作為產(chǎn)生超連續(xù)譜的泵浦源，實現(xiàn)泵浦激光與光纖零色散波長的精確匹配，進(jìn)而獲得寬帶高平坦的超連續(xù)譜光源。
[0030]本實用新型所采用的基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、穩(wěn)定性好，其產(chǎn)生的超短脈沖激光在材料表面處理、通信遙感、生物醫(yī)學(xué)、超連續(xù)譜產(chǎn)生等眾多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0031]基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器主要采用環(huán)形腔和“8”字形腔兩種結(jié)構(gòu)，即:基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)效應(yīng)的環(huán)形腔、基于非線性放大環(huán)形鏡(NALM)或非線性光學(xué)環(huán)形鏡(NOLM)的“8”字形腔?；谶@兩種結(jié)構(gòu)的鎖模光纖激光器不僅可獲得高能量的超短脈沖激光輸出，而且輸出的激光脈沖還具有波長可調(diào)諧特性。
[0032]但是，考慮到基于以上兩種結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧脈沖光纖激光器輸出功率比較低，僅為毫瓦量級，為使其應(yīng)用不受限制，本實用新型又提出將基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器的波長可調(diào)諧特性與主振蕩功率放大(MOPA)的種子依賴特性相結(jié)合，實現(xiàn)一種基于光纖非線性被動鎖模種子源的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，進(jìn)而以此波長可調(diào)諧脈沖光纖激光器泵浦光子晶體光纖或高非線性光纖，實現(xiàn)寬帶高平坦的超連續(xù)譜光源。其中，主振蕩功率放大(MOPA)的輸出激光特性取決于所注入的種子激光特性。
[0033]基于上述原理，圖1示出了本實用新型提供的基于該高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器泵浦的超連續(xù)譜光源的光學(xué)結(jié)構(gòu)。其中，1-11示出的第一部分為本實用新型提供的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器的光學(xué)結(jié)構(gòu)，而13-15示出的第二部分為本實用新型提供的超連續(xù)譜產(chǎn)生級，12為兩部分的熔接點。
[0034]參照圖1，第一部分的該高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器至少光路方向上依次包括:基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器1、寬帶光纖耦合器3、功率預(yù)放大級6、功率主放大級11，還可進(jìn)一步包括第一寬帶光纖隔離器2和第二寬帶光纖隔離器7，第一寬帶光纖隔離器2位于基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器I與寬帶光纖耦合器3之間，而第二寬帶光纖隔離器7位于功率預(yù)放大級6與功率主放大級11之間。
[0035]第一寬帶光纖隔離器2用于保證可調(diào)諧脈沖激光的單向傳輸，避免其后續(xù)光路中反饋的激光對其前級光路造成損傷，進(jìn)而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。寬帶光纖耦合器3采用2X2的結(jié)構(gòu)，其高耦合比輸入臂連接寬帶光纖隔離器2，低耦合比輸入臂可與光電探測器相結(jié)合監(jiān)測后級系統(tǒng)中的反饋激光，高耦合比輸出臂連接功率預(yù)放大級6的種子輸入端，低耦合比輸出臂可與光譜儀、光電探測器相結(jié)合監(jiān)測輸出激光的波長及時域特性。第二寬帶光纖隔離器7同樣用于保證可調(diào)諧脈沖激光種子的單向傳輸，避免其后續(xù)光路中反饋的激光對其前級光路造成損傷，進(jìn)而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。
[0036]功率預(yù)放大級6包括至少兩級級聯(lián)的光纖放大器4和5，用于將毫瓦級的可調(diào)諧脈沖種子激光進(jìn)行功率預(yù)放大，通過兩級預(yù)放大，為后面的功率放大提供足夠的種子功率。
[0037]功率主放大級11用于對兩級預(yù)放大后的可調(diào)諧脈沖激光進(jìn)行功率主放大實現(xiàn)高功率可調(diào)諧脈沖激光輸出，如圖1所示的，功率主放大級11具體包括泵浦源8、光纖合束器9、增益介質(zhì)10，光纖合束器9的種子臂連接預(yù)放大級6的輸出端，用于接收預(yù)放大級6輸出的激光脈沖，其泵浦臂連接所述泵浦源，其輸出端連接增益介質(zhì)10，所述泵浦源8通過其泵浦臂合束泵浦后級有源摻雜雙包層光纖。
[0038]上述泵浦源8可采用多個光纖輸出半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)，增益介質(zhì)10采用有源摻雜雙包層光纖。
[0039]第二部分的超連續(xù)譜產(chǎn)生級15在光路方向上依次包括:超連續(xù)譜產(chǎn)生光纖13和光纖端帽14，超連續(xù)譜產(chǎn)生光纖13具有高非線性特性，其零色散波長位于高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器增益區(qū)內(nèi)，高功率脈沖激光在其中演化為寬帶高平坦超連續(xù)譜，可采用高非線性光子晶體光纖或高非線性光纖實現(xiàn)。光纖端帽14用于防止超連續(xù)譜產(chǎn)生光纖13的輸出端面的激光反射對系統(tǒng)的影響。
[0040]上述基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器I輸出的激光脈沖的波長可調(diào)諧，具體可以選擇基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(NPR)的環(huán)形腔被動鎖模光纖激光器(在圖2中示出)，或基于非線性放大環(huán)形鏡(NALM)的“8”字形腔被動鎖模光纖激光器(在圖3中示出)，或基于非線性光學(xué)環(huán)形鏡(NOLM)的“8”字形腔被動鎖模光纖激光器(在圖4中示出)。
[0041]圖2是基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)(NPR)的環(huán)形腔被動鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)，在環(huán)形腔上依次設(shè)置有第一光纖型偏振控制器111、光纖隔離器12、光纖起偏器13、第二光纖型偏振控制器114、光纖耦合器15、有源摻雜光纖116、波分復(fù)用器(WDM) 117、單模光纖輸出半導(dǎo)體激光器118。其中，第一光纖型偏振控制器111和第二光纖型偏振控制器114用于改變腔內(nèi)激光的偏振態(tài)，光纖隔離器112保證腔內(nèi)激光的單向傳輸，光纖起偏器113用于產(chǎn)生線偏振激光；光纖耦合器115的一個輸出臂接入環(huán)形腔、另一個輸出臂作為激光器的輸出端，有源摻雜光纖116作為激光器增益介質(zhì)，波分復(fù)用器(WDM) 117實現(xiàn)泵浦源對有源光纖的泵浦，單模光纖輸出半導(dǎo)體激光器118是作為激光器的泵浦源。
[0042]圖3和圖4是基于非線性放大環(huán)形鏡和非線性光學(xué)環(huán)形鏡的被動鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)，兩種鎖模結(jié)構(gòu)所用器件相同，只是器件在腔中的位置不同。其中，121是光纖型偏振控制器；122是單模光纖輸出半導(dǎo)體激光器；123是波分復(fù)用器(WDM) ；124是有源摻雜光纖；125是2X2型50:50光纖稱合器；126是光纖型偏振控制器；127是光纖隔離器；128是光纖耦合器，本結(jié)構(gòu)中各個器件的功能與NPR結(jié)構(gòu)中的功能相同。在圖3所示的“8”字形腔中，第一環(huán)形腔和第二環(huán)形腔相交于2X2型50:50光纖耦合器125，第一環(huán)形腔上依次為:2X2型50:50光纖稱合器125、光纖型偏振控制器126、光纖隔離器127、光纖稱合器128,而第而環(huán)形腔上依次為:光纖型偏振控制器121、單模光纖輸出半導(dǎo)體激光器122、波分復(fù)用器(WDM) 123、有源摻雜光纖124、2X2型50:50光纖耦合器125。圖4所示的“8”字形腔與圖3的不同之處在于，將光纖隔離器127從第一環(huán)形腔移動到第二環(huán)形腔上，并位于有源摻雜光纖124和2 X 2型50:50光纖耦合器125之間。
[0043]按照上述三種結(jié)構(gòu)之一將基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器連接完成后，通過調(diào)節(jié)激光腔內(nèi)兩個偏振控制器的偏振方向來實現(xiàn)不同中心波長的脈沖激光輸出。原理為:基于雙折射引導(dǎo)的濾波效應(yīng)，不同的偏振態(tài)下的鎖模脈沖具有不同的中心波長，因此調(diào)節(jié)偏振控制器方向即可在該被動鎖模光纖激光器中實現(xiàn)波長可調(diào)諧的激光脈沖輸出，再經(jīng)過主振蕩功率放大(MOPA)級實現(xiàn)不同波長鎖模脈沖的功率放大，即可獲得高功率可調(diào)諧脈沖輸出。其中，考慮到在放大過程中可調(diào)諧激光種子中心波長和光纖放大器熒光峰值波長不匹配時，光纖放大器中所注入的種子功率不足可能會導(dǎo)致的放大的自發(fā)輻射(ASE)對系統(tǒng)造成損傷，因此本實用新型特別將主振蕩功率放大(MOPA)級采用上文所述的功率預(yù)放大級、功率主放大級組成的多級放大來實現(xiàn)。
[0044]綜上，本實用新型所提供的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)簡單，波長調(diào)諧方便，成本低和全光纖化的特點，可應(yīng)用于寬帶平坦超連續(xù)譜產(chǎn)生的泵浦源、流式細(xì)胞分析儀的光源等方面。
[0045]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器,其特征在于,在光路方向上依次包括:基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器、寬帶光纖耦合器、功率預(yù)放大級、功率主放大級；其中，所述基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器輸出的激光脈沖的波長可調(diào)諧。
2.如權(quán)利要求1所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，其特征在于，在所述基于光纖非線性效應(yīng)的可調(diào)諧被動鎖模光纖激光器與所述寬帶光纖耦合器之間，還設(shè)置有: 第一寬帶光纖隔離器，用于保證可調(diào)諧脈沖激光的單向傳輸，避免其后續(xù)光路中反饋的激光對其前級光路造成損傷。
3.如權(quán)利要求2所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，其特征在于，所述寬帶光纖耦合器為2X2寬帶光纖耦合器，其中一個高耦合比輸入臂連接所述第一寬帶光纖隔離器的輸出端，低耦合比輸入臂用于監(jiān)測后級系統(tǒng)中的反饋激光，高耦合比輸出臂連接功率預(yù)放大級的種子輸入端，低耦合比輸出臂用于監(jiān)測輸出激光的波長及時域特性。
4.如權(quán)利要求1所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，其特征在于，在所述功率預(yù)放大級與所述功率主放大級之間，還設(shè)置有: 第二寬帶光纖隔離器，用于保證可調(diào)諧脈沖激光的單向傳輸，避免其后續(xù)光路中反饋的激光對其前級光路造成損傷。
5.如權(quán)利要求1所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，其特征在于，所述功率預(yù)放大級包括多個級聯(lián)的光纖放大器。
6.如權(quán)利要求1所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，其特征在于，所述功率主放大級包括: 泵浦源； 增益介質(zhì)； 光纖合束器，其種子臂連接所述預(yù)放大級輸出端，接收所述預(yù)放大級輸出的激光脈沖，其泵浦臂連接所述泵浦源，其輸出端連接所述增益介質(zhì)；所述泵浦源通過其泵浦臂合束泵浦后級增益介質(zhì)。
7.如權(quán)利要求6所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，其特征在于，所述泵浦源包括多個光纖輸出半導(dǎo)體激光器。
8.如權(quán)利要求6所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器，其特征在于，所述增益介質(zhì)為有源摻雜雙包層光纖。
9.一種基于如權(quán)利要求1至8任一項所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器泵浦的超連續(xù)譜光源，其特征在于，包括: 如權(quán)利要求1至8任一項所述的高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器； 與所述高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器熔接的超連續(xù)譜產(chǎn)生光纖，其零色散波長位于高功率可調(diào)諧脈沖光纖激光器增益區(qū)內(nèi)，用于將高功率脈沖激光在其中演化為寬帶高平坦超連續(xù)譜。
10.如權(quán)利要求9所述的超連續(xù)譜光源，其特征在于，所述超連續(xù)譜產(chǎn)生光纖的輸出端連接有用于防止輸出端面激光反射的光纖端帽。
【文檔編號】H01S3/098GK204118459SQ201420545048
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月22日
【發(fā)明者】郭春雨, 林懷欽, 阮雙琛, 劉偉琪, 余軍, 溫如華, 華萍 申請人:深圳大學(xué)