一種基於耦合器的鎖模雷射器的製造方法

2023-09-16 03:33:35 1

一種基於耦合器的鎖模雷射器的製造方法
【專利摘要】一種基於耦合器的鎖模光纖雷射器，屬於超短脈衝雷射領域。雷射器為環形腔結構，其包括波分復用器（2）、增益光纖（3）、隔離器（5）和分別作為鎖模啟動元件的耦合器Ⅰ（4）和作為輸出的耦合器Ⅱ（6）。雷射腔內所有元件尾纖均為標準單模光纖，以保證相互之間模場匹配，從而實現低損耗熔接。泵浦光（1）經波分復用器（2）耦合入增益光纖（3），產生雷射並在增益光纖（3）的環形腔內形成振蕩。本實用新型真正實現了整個鎖模雷射器的全光纖化，避免了複雜的光路調節，大大提高了鎖模雷射器的環境穩定性、實用性和可靠性。
【專利說明】一種基於耦合器的鎖模雷射器【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種鎖模光纖雷射器，屬於超短脈衝雷射領域。
【背景技術】
[0002]超短脈衝雷射在物理學、化學、材料科學、環境監測、光電對抗等前沿科學研究、國民經濟、國防安全領域中有著重要的應用。在實際的應用需求中，尤其是在精密測量、微納加工、質譜分析等應用領域，需要超短脈衝雷射具有很好的環境穩定性。鎖模光纖雷射器以其結構緊湊、穩定性高、抗幹擾性好、光束質量高等優勢成為近幾年的研究熱點。目前利用碳納米管、可飽和吸收鏡和非線性偏振旋轉效應等多種鎖模方法都實現了穩定的超短脈衝輸出。但是這些鎖模機制都存在一個共同的局限性和缺點，雷射腔內鎖模元件都為空間分立元件，無法與光纖進行熔接，不僅引入了額外的插入損耗、增加了對準難度，也大大降低了光纖雷射器的環境穩定性。
[0003]本實用新型利用高比例耦合輸出的耦合器作為鎖模啟動和穩定元件。在低功率下，從耦合器入射端入射的功率經線性耦合作用，會從耦合輸出端輸出；在高功率下，由於非線性作用改變了纖芯的折射率，雷射入射纖芯和耦合纖芯之間存在折射率差，線性耦合作用減弱，從入射端入射的功率會被直接輸出。因此耦合器具有飽和傳輸的作用。雷射器運轉初始階段，耦合器可以有效的從噪聲信號中提取出具有較高峰值功率的噪聲信號，起到啟動鎖模的作用。 鎖模啟動後，雷射脈衝兩沿強度較低，會被耦合輸出，而脈衝中心部分強度較高，會被限制在入射纖芯中傳輸，耦合器起到穩定鎖模的作用。
[0004]為了避免現有鎖模雷射器引入空間分立元件，對比文獻「Nonlinear mode - coupling for passive mode -1ocking:appIicationof waveguide arrays, dual - core fibers, and/or fiber array s，，Op t i csExpress, 13(22):8933 -8950，2005，它提出利用波導陣列、雙芯光纖或光纖陣列作為鎖模啟動元件。通過波導或纖芯之間的非線性耦合特性來啟動和穩定鎖模運轉。但是這種方法必須嚴格控制波導或光纖的長度等於耦合長度，而且增益光纖無論與波導陣列、雙芯光纖或是光纖陣列之間都存在包層尺寸失配問題，熔接困難，熔接損耗較大。因此該方案目前仍然處於理論模擬階段，實驗上具有較大的實現難度。對比專利《基於摻雜光纖陣列的鎖模雷射器》CN102437501B，它提出利用摻雜光纖陣列同時作為增益和鎖模元件，雖然有效避免了光纖直接熔接困難的問題，但是這種摻雜光纖陣列將增益、色散、鎖模等所有功能都集中在一根光纖上，而無論是增益、色散還是鎖模啟動都對雷射器的性能有很大的影響，因此這種方案對光纖的設計和拉制都具有極大的挑戰，現有的光纖拉制工藝很難實現。
實用新型內容
[0005]本實用新型目的在於提供一種基於耦合器的全光纖鎖模雷射器。
[0006]本實用新型通過下述技術方案加以實現的:
[0007]—種基於耦合器的鎖模雷射器，雷射器為環形腔結構，其包括波分復用器2、增益光纖3、隔離器5和分別作為鎖模啟動元件的耦合器I 4和作為輸出的耦合器II 6。雷射腔內所有元件尾纖均為標準單模光纖，以保證相互之間模場匹配，從而實現低損耗熔接。泵浦光I經波分復用器2耦合入增益光纖3，產生雷射並在增益光纖3的環形腔內形成振蕩。所述率禹合器I 4的直接輸出端和I禹合輸出端的分光比小於10:90,且輸入端與增益光纖3輸出端熔接，直接輸出端與隔離器5的輸入端熔接，耦合輸出端為標準FC/APC接頭，作為損耗不接入雷射腔內，用於損耗功率較低的脈衝基底和兩沿，實現啟動和穩定鎖模。所述耦合器II 6的直接輸出端和I禹合輸出端的分光比大於70:30,並小於95:5,且輸入端與隔離器5的輸出端熔接，直接輸出端與波分復用器2的另一個輸入端熔接，耦合輸出端為標準FC/APC接頭，用於腔內雷射輸出。所述隔離器5的隔離度大於30dB。
[0008]進一步所述的泵浦光I中心波長為976nm或915nm。波分復用器2透射埠透射中心波長與泵浦光中心波長一致,帶寬為IOnm,反射埠反射波長在IOOOnm?IlOOnm波段。增益光纖3摻雜稀土離子鐿。隔離器5工作中心波長為1064nm，帶寬為40nm。耦合器I 4和耦合器II 6工作波長在IOOOnm?IlOOnm波段。
[0009]進一步所述泵浦光中心波長為800nm、976nm或1480nm。波分復用器2透射埠透射中心波長與泵浦光中心波長一致，帶寬為IOnm ;反射埠反射波長在1520nm?1570nm波段。增益光纖3摻雜稀土離子鉺。隔離器5工作中心波長為1550nm，帶寬為40nm。耦合器I 4和耦合器II 6工作波長在1520nm?1570nm波段。
[0010]與以往報導的鎖模光纖雷射器相比，本實用新型有如下優點:
[0011]雷射器內所有元件包括用於鎖模的耦合器，其製作工藝已非常成熟，且是非常通用的商業元件，不需要額外的設計和複雜的加工工藝，大大節約了成本。雷射器內所有元件都是光纖器件，且相互之間模場匹配，能方便的進行低損耗的熔接，不需要空間分立元件，真正實現整個鎖模雷射器的全光纖化，避免了複雜的光路調節，大大提高環境穩定性，提高了鎖模雷射器的實用性和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型實例中全光纖雷射器結構示意圖。
[0013]圖2是數值模擬的本實用新型實例雷射器輸出的超高斯型脈衝波形及相應的線性啁啾曲線。
[0014]圖3是數值模擬的本實用新型實例雷射器輸出的光譜。
[0015]圖4是數值模擬的本實用新型實例雷射器穩定運轉後，脈衝在雷射腔內的演變過程。
[0016]圖中:1、泵浦光，2、波分復用器，3、增益光纖，4、耦合器I，5、隔離器，6、耦合器II。【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本實用新型加以詳細說明:
[0018]圖1所示為本實用新型的全光纖雷射器結構示意圖。雷射器為環形腔結構，泵浦光I通過泵浦/雷射波分復用器2後進入雷射腔，經增益光纖3放大後，依次通過耦合器I 4、隔離器5、耦合器II 6後回到波分復用器，在環形腔內形成振蕩，產生雷射。腔內所有元件的尾纖均為工作中心波長1064nm的標準單模光纖。泵浦光中心波長為976nm。增益光纖纖芯直徑為lOum，包層直徑為125um，纖芯摻雜鐿離子，泵浦光吸收係數為13dB/m，增益光纖長度為0.6m。耦合器I 4的工作中心波長為1064nm，分光比為99:1。其中1%的直接輸出端與隔離器5的輸入端熔接,99%的f禹合輸出端作為損耗。在低功率下,雷射功率大部分被耦合輸出，而在高功率情況下，高峰值功率的雷射由於非線性作用會改變入射光纖纖芯的折射率，纖芯之間的模場失配增大，耦合作用大大降低，雷射將主要保持在入射纖芯中傳輸。因此，高耦合輸出比的耦合器具有飽和傳輸的作用，可以有效的從噪聲信號中提取出具有較高峰值功率的噪聲信號，起到啟動鎖模的作用。同時，脈衝兩沿強度較低，會被耦合輸出，而脈衝中心部分強度較高，會被限制在入射纖芯中傳輸，起到穩定鎖模的作用。隔離器5的工作中心波長為1064nm，它的作用是為了保證雷射單向傳輸，隔離度為32dB。耦合器II 6的工作中心波長為1064nm，分光比為IO:90，起到雷射輸出耦合的作用。為減小腔內損耗，實現低功率下鎖模運轉，耦合器II 690%的直接輸出端與波分復用器2的一個輸入端進行熔接，10%的耦合輸出端作為雷射器的輸出。耦合輸出端採用標準FC/APC接頭，方便後續雷射的應用。雷射器輸出端利用自相關儀可以觀察輸出脈衝的時域特徵，利用光譜分析儀可以觀測輸出脈衝的光譜特徵。通過數值模擬此雷射器，當泵浦光功率達到300mW時，可以獲得6.65nJ的穩定鎖模脈衝輸出。圖2為模擬得到的此雷射器的時域脈衝波形及相應的線性啁啾曲線。可以看到脈衝兩沿較陡，具有超高斯形狀，這正是耦合器I 4中非線性耦合作用消弱脈衝兩沿的結果。圖3為模擬得到的此雷射器的輸出光譜，光譜寬度為72.5nm。圖4為雷射器穩定運轉後，脈衝在雷射腔內的演變過程。脈衝在增益光纖中放大後經耦合器I 4後，脈衝兩沿明顯變陡，並在正色散作用下，脈衝展寬。因此經耦合器II 6輸出的脈衝具有明顯的超高斯時域特性。
【權利要求】
1.一種基於稱合器的鎖模雷射器，其特徵在於:雷射器為環形腔結構，其包括波分復用器(2)、增益光纖(3)、隔離器(5)和分別作為鎖模啟動元件的耦合器I (4)和作為輸出的耦合器II (6);雷射腔內所有元件尾纖均為標準單模光纖，以保證相互之間模場匹配，從而實現低損耗熔接；泵浦光(I)經波分復用器(2)耦合入增益光纖(3)，產生雷射並在增益光纖(3)的環形腔內形成振蕩；所述耦合器I (4)的直接輸出端和耦合輸出端的分光比小於10:90，且輸入端與增益光纖(3)輸出端熔接，直接輸出端與隔離器(5)的輸入端熔接，耦合輸出端為標準FC/APC接頭，作為損耗不接入雷射腔內，用於損耗功率較低的脈衝基底和兩沿，實現啟動和穩定鎖模；所述耦合器II (6)的直接輸出端和耦合輸出端的分光比大於70:30,並小於95:5,且輸入端與隔離器(5)的輸出端熔接,直接輸出端與波分復用器(2)的另一個輸入端熔接，耦合輸出端為標準FC/APC接頭，用於腔內雷射輸出；所述隔離器(5)的隔離度大於30dB。
2.如權利要求1所述的基於耦合器的鎖模雷射器，其特徵在於，所述的泵浦光(I)中心波長為976nm或915nm;波分復用器(2)透射埠透射中心波長與泵浦光中心波長一致，帶寬為10nm，反射埠反射波長在IOOOnm?IlOOnm波段；隔離器(5)工作中心波長為1064nm,帶寬為40nm ;稱合器I (4)和稱合器II (6)工作波長在IOOOnm?IlOOnm波段。
3.如權利要求1所述的基於耦合器的鎖模雷射器，其特徵在於，所述的泵浦光中心波長為800nm、976nm或1480nm ;波分復用器(2)透射埠透射中心波長與泵浦光中心波長一致，帶寬為IOnm ;反射埠反射波長在1520nm?1570nm波段；隔離器(5)工作中心波長為1550nm，帶寬為40nm ;耦合器I (4)和耦合器II (6)工作波長在1520nm?1570nm波段。
【文檔編號】H01S3/098GK203774603SQ201320780227
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】方曉惠, 宋晏蓉, 竇志遠, 霍明超 申請人:北京工業大學