一種結構緊湊的全光纖亞百飛秒超短脈衝產生裝置的製作方法

2023-04-25 17:20:46 4

本發明涉及光纖雷射技術領域，具體涉及一種結構緊湊的全光纖亞百飛秒超短脈衝產生裝置。

背景技術：

超短光脈衝在超快光學診斷、光學精密測量、精密機械加工、雷射醫療和生物工程等領域有廣泛應用，同時也是非線性光學、超快光學等研究方向的前沿課題。其中，亞百飛秒超短脈衝具有極窄的脈寬、超寬的光譜、極高的峰值功率等特點，被廣泛應用於光頻梳、分子瞬態動力學、以及非線性光學等研究領域。目前通常使用的亞百飛秒超短脈衝雷射源是基於鈦寶石固體雷射器實現的，得益於其超寬的增益帶寬和較小的色散，有助於百飛秒脈衝的產生。然而，固體雷射器體積龐大、造價昂貴，對工作環境的溫度和溼度有嚴格要求，且由空間光路構成，系統複雜，鎖模狀態對外界環境敏感，維護困難。這些問題限制了超短脈衝固體雷射器的普及和推廣，使其主要應用於實驗室環境。光纖雷射器以摻稀土元素光纖作為增益介質，與傳統固體雷射器相比，具有體積小、重量輕、結構緊湊、可靠性高等優點，是目前超短脈衝雷射技術領域中的熱點研究課題。

目前在光纖雷射器中產生飛秒脈衝具有比較成熟的方案，已有不少廠家已推出飛秒光纖雷射器的產品。它們通常以負色散光纖雷射器中產生的傳統孤子作為種子源，具有500fs以上的脈衝寬度。在光纖雷射器中產生亞百飛秒超短脈衝的方式通常是通過色散管理將諧振腔的淨色散控制在零色散附近，使雷射器支持展寬脈衝的形成。展寬脈衝具有較寬的光譜寬度，在適當條件下，經過色散元件壓縮能夠獲得脈寬在百飛秒以下的超短脈衝。但這一方案存在以下幾個問題：首先，當雷射諧振腔的色散近零時，雷射器內的高階色散等會對脈衝演化產生明顯作用，同時諧振腔對外界環境的擾動更加敏感，不利於雷射器長時間穩定的工作；其次，受到光纖諧振腔內的非線性效應的限制，展寬脈衝的脈衝能量一般在1nj以下，平均功率不超過1mw，這極大限制了雷射器的應用範圍，而且在後續放大裝置中，較小的功率水平也會對輸出脈衝的信噪比產生不利的影響；還有鎖模技術對亞百飛秒超短脈衝光纖雷射器的限制，實驗室中通常採用的非線性偏振旋轉技術和非線性光學環形鏡技術無法滿足雷射器自啟動和抗幹擾的要求，半導體可飽和吸收鏡能夠實現鎖模光纖雷射器的自啟動，但在價格、損傷閾值以及工作帶寬上有諸多限制。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種具有全光纖結構、結構緊湊、實施方便的亞百飛秒超短脈衝產生裝置，可以為工業加工、醫療、國防軍事等領域提供一種環境穩定的亞飛秒超短脈衝源。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種結構緊湊的全光纖亞百飛秒超短脈衝產生裝置，包括通過單模光纖依次連接的耗散孤子振蕩器、輸出隔離部分、預壓縮部分、放大和非線性壓縮部分；所述預壓縮部分引入負色散，預壓縮部分提供的負啁啾量小於輸入脈衝的正啁啾量；所述放大和非線性壓縮部分由波分復用器和增益光纖構成，同時實現對脈衝的放大和非線性壓縮。

進一步地，所述耗散孤子振蕩器包括波分復用器、增益光纖(如摻鉺、鐿、銩光纖等)、輸出耦合器、偏振無關隔離器和單壁碳納米管鎖模器件，它們通過單模光纖依次連接形成環形腔結構，半導體雷射器與波分復用器連接，提供泵浦能量；上述器件間均採用光纖熔接連接；所述散耗散孤子振蕩器的諧振腔內淨色散為正，利用單壁碳納米管鎖模器件實現鎖模。

進一步地，所述輸出隔離部分通過光纖隔離器或三埠環形器來實現。

進一步地，所述預壓縮部分由可以提供負色散的色散元件構成，可採用光纖光柵、色散光纖、光子晶體光纖或微納光纖。

進一步地，所述放大和非線性壓縮部分，波分復用器和增益光纖構成放大器，使用與波分復用器連接的半導體雷射器作為泵浦源；放大器輸出後可連接不同長度的非線性光纖，用於優化輸出結果；上述器件間均採用光纖熔接連接。

進一步地，所述非線性光纖可採用單模光纖、光子晶體光纖或微納光纖。

進一步地，放大和非線性壓縮部分中使用的波分復用器和增益光纖應與耗散孤子振蕩器相對應。

進一步地，增益光纖和非線性光纖長度、輸出耦合器分束比、色散元件色散大小等可根據實際情況(與種子源脈衝特性、泵浦功率、輸出功率等有關)進行調節。

一種產生亞百飛秒超短脈衝的方法，該方法包括：首先通過耗散孤子振蕩器產生具有較大能量和正啁啾的脈衝；其次，將脈衝通過輸出隔離部分，防止反向傳輸的光對耗散孤子振蕩器產生影響；然後，使脈衝通過預壓縮部分，將脈衝寬度壓縮，提高脈衝峰值功率；最後，通過放大和非線性壓縮部分，提高脈衝能量，利用非線性過程使脈衝光譜展寬、脈寬壓縮，得到亞百飛秒超短脈衝。

本發明的有益效果是：

1、該全光纖亞百飛秒超短脈衝產生裝置所用器件為構造光纖雷射器或放大器所用的通用器件，可商品化，成本低廉。

2、該耗散孤子振蕩器採用碳納米管作為製作鎖模器件的材料，具有生產成本低、製作方法簡單、飽和閾值低、以及鎖模運行穩定等優點，其能夠為亞百飛秒超短脈衝產生裝置提供環境穩定的種子源，提高裝置整體的穩定性。

3、該全光纖亞百飛秒超短脈衝產生裝置利用高能量耗散孤子作為種子源，利用放大和非線性壓縮實現光譜展寬和脈衝壓縮，相比利用展寬脈衝獲得的亞百飛秒脈衝具有高得多的脈衝能量和峰值功率，可以有更廣泛的應用前景。

4、該全光纖亞百飛秒超短脈衝產生裝置具有全光纖結構，因此具有較為緊湊的結構，有利於產生裝置實現小型化。

5、該全光纖亞百飛秒超短脈衝產生裝置的技術方案對於各個波段都適用，使用的元器件都很容易獲得，因此有助於在多個波段亞百飛秒脈衝的實現。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為本發明中耗散孤子振蕩器實施方案示意圖；

圖3為本發明的實施方案示意圖；

圖4中，(a)為耗散孤子振蕩器輸出脈衝的光譜圖，(b)為自相關曲線；

圖5中，(a)為輸出亞百飛秒脈衝的光譜圖，(b)為自相關曲線；

圖中，101—耗散孤子振蕩器；102—輸出隔離部分；103—預壓縮部分；104—放大和非線性壓縮部分；201—第一波分復用器；202—第一增益光纖；203—輸出耦合器；204—偏振無關隔離器；205—單壁碳納米管鎖模器件；206—第一泵浦光源；301—三埠環形器；302—單模光纖；303—摻鉺光纖；304—第二波分復用器；305—第二泵浦光源。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明提供的一種結構緊湊的全光纖亞百飛秒超短脈衝產生裝置，包括通過單模光纖依次連接的耗散孤子振蕩器101、輸出隔離部分102、預壓縮部分103和放大和非線性壓縮部分104；所述預壓縮部分103引入負色散，預壓縮部分103提供的負啁啾量小於輸入脈衝的正啁啾量。

如圖2所示，耗散孤子振蕩器101包括波第一波分復用器201、第一增益光纖202、輸出耦合器203、偏振無關隔離器204、單壁碳納米管鎖模器件205和第一泵浦光源206，它們通過單模光纖連接形成環形腔結構；第一泵浦光源206選用工作波長為976nm的單模半導體雷射器，通過980nm/1550nm第一波分復用器201為第一增益光纖202提供泵浦；第一增益光纖202採用型號nufernedfc-980-fc的摻鉺光纖，在1550nm處色散係數為-16ps/nm/km，長度為12m；輸出耦合器203的輸出比為40％；單壁碳納米管鎖模器件205是基於單壁碳納米管制備的可飽和吸收體；器件尾纖及腔內其他單模光纖長度約為5.5m，在1550nm處色散係數d約為17ps/nm/km。光在耗散孤子振蕩器101內循環往復，依次通過第一波分復用器201、第一增益光纖202、輸出耦合器203、偏振無關隔離器204、單壁碳納米管鎖模器件205，在一定泵浦功率下，耗散孤子振蕩器101自啟動鎖模，形成的耗散孤子脈衝通過輸出耦合器203進入輸出隔離部分102，使得向後傳輸的光無法進入耗散孤子振蕩器101中。

如圖3所示，輸出隔離部分102是通過一個三埠環形器301來實現的，將三埠環形器a埠作為輸入埠，與輸出耦合器203的40％輸出端連接，將b埠作為輸出埠，與預壓縮部分103相連，反向傳輸的光會通過c埠輸出到光路以外，實現最大程度的隔離。預壓縮部分103選用普通的單模光纖302作為色散元件提供負色散，單模光纖302長度為65m。放大和非線性壓縮部分104包括依次連接的摻鉺光纖303、第二波分復用器304和第二泵浦光源305；第二泵浦光源305選用工作波長為976nm的單模半導體雷射器，通過980nm/1550nm第二波分復用器304為摻鉺光纖303提供泵浦；摻鉺光纖303的型號為nufernedfc-980-fc，長度為4.5m；將第二波分復用器304的尾纖作為非線性光纖實現最終的脈衝壓縮，尾纖長度為1.6m。預壓縮後的脈衝進入放大和非線性壓縮部分104，光脈衝首先通過摻鉺光纖303，脈衝能量被放大；由於較強的非線性光學效應，光譜寬度增加，脈衝寬度進一步變窄，峰值功率提高；最後經過一段非線性光纖，將脈衝壓縮至最窄。

本發明工作原理如下：

本發明中使用耗散孤子振蕩器作為種子源，通過色散管理技術調節振蕩器中色散光纖的長度，使振蕩器的淨色散值為淨正色散，耗散孤子是正色散、三階非線性、濾波效應、增益和損耗等的綜合作用的結果。耗散孤子振蕩器採用基於單壁碳納米管的鎖模器件實現鎖模，單壁碳納米管具有較小的飽和閾值功率和皮秒量級的恢復時間，能夠實現鎖模的自啟動。耗散孤子振蕩器輸出的脈衝具有較大的正啁啾，可以通過負色散補償正啁啾將脈衝寬度壓縮。本發明中使用具有負色散的色散元件將脈衝寬度從幾十皮秒壓縮至幾個皮秒，提高峰值功率，增強脈衝在放大和非線性壓縮部分傳輸時的非線性效應。在放大和非線性壓縮部分，脈衝在增益光纖中進一步被放大，同時由於其較高的峰值功率，脈衝光譜被非線性展寬，脈衝寬度被進一步壓縮。得益於光譜寬度的展寬，能夠獲得比種子源更窄的脈衝寬度。通過調節泵浦功率的大小、增益光纖和非線性光纖的長度得到亞百飛秒的脈衝。

本發明的實驗結果如下：

當泵浦功率約30mw時，耗散孤子振蕩器可以實現自啟動鎖模，將泵浦功率升至約90mw時，在耗散孤子振蕩器中得到功率最大的單脈衝輸出，平均輸出功率為約6mw。此時脈衝的光譜和自相關曲線如圖4所示，光譜具有近似矩形的包絡，反映了它的耗散孤子特性，其半高全寬為11.8nm，中心波長為1565nm。脈衝寬度約為18ps，時間帶寬積為26，可以說明此時的脈衝具有很大的正啁啾。若假設其為高斯型脈衝，該耗散孤子脈衝對應的變換極限脈衝寬度約為0.3ps。將耗散孤子脈衝通過隔離器、預壓縮部分、放大和非線性壓縮部分後，可以得到亞百飛秒超短脈衝。當放大和非線性壓縮部分的泵浦功率約150mw時，得到的脈衝如圖5所示，平均輸出功率約為26mw。圖5(a)為輸出脈衝的光譜圖，相比圖4(a)中的光譜，其光譜形狀已經失去矩形的特徵，光譜寬度被在很大程度上展寬。圖5(b)為輸出脈衝的自相關曲線，脈衝寬度約為95fs。

綜上所述，本發明提供了一種結構緊湊的全光纖亞百飛秒超短脈衝產生裝置，其具有全光纖結構，基於單壁碳納米管鎖模的耗散孤子光纖雷射器，對外界環境的擾動具有較強的抵抗力，能夠長時間穩定的輸出亞百飛秒脈衝。該裝置中獲得的脈衝具有較高的脈衝能量和峰值功率，在非線性光學、超快光學檢測、光頻梳等領域具有重要應用前景。