可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統的製作方法

2023-06-23 16:57:56

專利名稱：可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖雷射系統，具體涉及一種可產生高能量無波分裂矩形脈衝的 新型全光纖結構雷射系統。
背景技術：
光纖雷射器具有結構簡單、成本低廉、調節方便、性能穩定、便於耦合等諸多優點， 在光通信、光學微操縱和醫療等領域得到了深入的研究和廣泛的應用。在光纖雷射器中，可 以通過鎖模技術來實現超短脈衝輸出。目前比較成熟的鎖模器件主要包括非線性偏轉技術 (Nonlinear polarization rotation technique)、半導體可飽禾口吸收體(semiconductor saturable absorber mirror)、碳納米管(carbon nanotube)等。通過人為設計腔內光纖色散分布特性，鎖模光纖雷射器可以分別產生常規飛秒 孤子(Conventional femtosecond Soliton)、展寬脈衝(Stretched Pulse)、自相似脈衝 (Self-similar Pulse)以及耗散型孤子脈衝(Dissipative Soliton)。在腔內淨色散為負色散的光纖雷射器中，由於腔內反常色散和光纖克爾非線性效 應的平衡作用，這種雷射器很容易實現鎖模脈衝輸出，但由於孤子能量量子化效應，單脈衝 能量被限制在0. InJ左右，更高的脈衝能量將導致光波分裂。展寬脈衝光纖雷射器通過在 腔內插入色散延遲線，腔內鎖模脈衝在傳輸過程中被周期性展寬和壓縮。由於增大了脈衝 在腔內的平均寬度，一定程度上減小了非線性效應造成的光波分裂，脈衝能量可以達到InJ 左右。和傳統飛秒孤子以及展寬脈衝不同，自相似脈衝在腔內傳播過程中形狀基本保持不 變，但光譜和脈衝寬度會一直增加。由於增益線寬的限制，單脈衝能量不高於10nJ。最近研 究表明，在具有極大正色散或者全正色散的光纖雷射器內也可以實現鎖模脈衝輸出。一般 認為，這種孤子的形成是增益色散、增益飽和與正色散效應、非線性損耗等的綜合效果，其 中增益和損耗在孤子形成過程中起了主導作用，故稱之為耗散型孤子。與傳統孤子相比，其 脈寬增大了二、三個數量級，非線性效應得到明顯的抑制，光脈衝具有極強的抵禦光波分裂 能力，單脈衝能量可達很高的水平。矩形脈衝產生最早是在半導體雷射器中獲得的，由於半導體雷射器結構的特殊 性，所得的矩形脈衝上升沿和下降沿時間都比較長，光斑和脈衝質量也不好，嚴重的限制了 其應用。目前，國內對光纖雷射器的研究主要集中在高斯型和拋物型脈衝上，在摻餌光纖激 光器中實現矩形脈衝輸出還沒有報導。綜上，提出一種可以產生高能量無波分裂矩形脈衝的摻餌光纖雷射器具有很大的 應用價值和市場前景。

發明內容
為了解決現有光纖雷射器中難以實現高能量矩形光脈衝輸出的缺點，本發明提供 一種可產生無波分裂高能量矩形脈衝的光纖雷射系統，使其在光通信、光學傳感、光學檢測 等方面得到廣泛應用。
本發明的技術方案如下一種可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統，其特殊之處在於 包括前向泵浦光源1、第一波分復用器2、摻鉺增益光纖3、第二波分復用器4、後向泵浦光源 5、輸出耦合器6、第一偏振控制器7、偏振相關隔離器8和第二偏振控制器9 ；其中，第一波 分復用器2、摻鉺增益光纖3、第二波分復用器4、輸出耦合器6、第一偏振控制器7、偏振相關 隔離器8和第二偏振控制器9依次通過單模光纖10閉環連接，所述前向泵浦光源1設置在 第一波分復用器2的輸入端，所述後向泵浦光源5設置在第二波分復用器4的輸入端，所述 輸出耦合器6用於輸出矩形脈衝。上述摻鉺增益光纖3的型號為Nufern EDFC-980-HP，長度為10 20m，其在 1550nm附近具有正色散。 上述摻鉺光纖3的長度為18m。上述第一波分復用器和第二波分復用器的波分範圍為980nm/1550nm ；所述輸出 耦合器的輸出比率為10 80%。上述輸出耦合器6的輸出比率為70%。上述前向泵浦光源1和後向泵浦光源5為工作波長為980nm的單模半導體雷射 器，其輸出功率為200-550mW，所述單模半導體雷射器工作參數與摻鉺光纖匹配；所述單模 光纖10為1550nm的普通單模光纖，其總長度為5 10m，在1550nm附近具有負色散。上述前向泵浦光源1和後向泵浦光源5輸出功率各為500mW ；所述單模光纖10長 度為7. 5m。本發明的有益效果如下1、本發明光纖雷射器系統所用器件均為常用光纖雷射器器件，結構簡單，成本低 廉；2、本發明光纖雷射器系統採用全光纖結構，轉換效率高，光束質量好，散熱效果 好，易與其他器件耦合；3、本發明光纖雷射器系統可以實現自啟動鎖模輸出，結構簡單，易於調節；4、本發明光纖雷射器系統輸出波長在通信窗口(1550nm)波段，在光通訊、光學測 距、光電傳感領域、醫療等方面具有廣泛的應用前景；5、本發明光纖雷射器系統產生的矩形型脈衝，具有穩定的光譜寬度和極高的脈衝 能量以及一定範圍內可調的脈衝寬度，可以作為皮秒脈衝光源使用；6、本發明光纖雷射器系統可作為高能量脈衝放大器的種子源。7、工作於淨正色散區，克服了負色散雷射器的能量峰值限制，實現了高能量無波 分裂脈衝輸出；8、脈衝在時域上為矩形，不同於普通脈衝的高斯型，而且脈寬從250到700ps連續
可調；9、脈衝穩定性高，在泵浦不變的情況下，可以在同一狀態下一直連續工作。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為前向泵浦光源和後向泵浦光源都固定在500mW時的輸出光譜圖3為不同偏振(PC)狀態下的脈衝形狀；圖4為輸出脈衝的自相關曲線圖；圖5為輸出脈衝的頻譜圖；圖6為輸出脈衝能量與總泵浦功率的關係圖；附標記說明1_前向泵浦光源；2-第一波分復用器；3-摻鉺增益光纖；4-第二波 分復用器；5-後向泵浦光源；6-輸出耦合器；7-第一偏振控制器，8-偏振相關隔離器；9-第 二偏振控制器；10-單模光纖。
具體實施例方式參見圖1，本發明提供的用於產生無波分裂高能脈衝的新型光纖雷射器系統包括 包括依次通過單模光纖10連接的前向泵浦光源1、第一波分復用器2、摻鉺增益光纖3、第 二波分復用器4、後向泵浦光源5、輸出耦合器6、第一偏振控制器7、偏振相關隔離器8、第 二偏振控制器9。偏振相關隔離器通過單模光纖與兩個偏振控制器相連，形成等效可飽和 吸收體。前向泵浦光源1和後向泵浦光源5均為中心波長在980nm單模半導體雷射器，輸 出功率0-500mW可調。波分復用器2和4的波分範圍為980nm/1550nm。摻鉺光纖3型號 為NufernEDFC-980-HP，在1550nm處色散係數-42ps/nm/km，長度為18m。輸出耦合器6輸 出比率為70%。第一偏振控制器7、偏振相關隔離器8、第二偏振控制器9均為常用標準器 件。器件尾纖以及連接用光纖10為標準單模光纖，其總長度7. 5m，在1550nm處其色散係數 D 為 17ps/nm/km0本發明工作原理以及具體器件參數如下所述參見圖一，本發明採用工作波長為980nm的兩個半導體雷射器作為泵浦光源，每 個泵浦光源最大輸出功率為550mW，其通兩個980nm/1550nm的波分復用器(WDM)分別對 一段18m的鉺纖進行前向和後向泵浦抽運，該摻鉺光纖的型號為Nufern EDFC-980-HP，在 1550nm處色散係數D約為-42pS/nm/km。通過偏振相關隔離器抑制後向反饋，以保證雷射 器的單向運轉。第一偏振控制器、第二偏振控制器和偏振相關隔離器共同作用等效為可飽 和吸收體，從而實現雷射器的自啟動鎖模。其中輸出耦合器的輸出率為70%，30%能量留在 環形雷射器，該輸出率能保證輸出的單脈衝有較大的能量，同時不影響鎖模的穩定性。波分復用器(WDM)、偏振相關隔離器、輸出耦合器的尾纖是普通的單模光纖，其總 長度為7. 5m，在1550nm處色散係數D約為17ps/nm/km。該雷射器的總長度為25. 5m，對應於腔的基頻為8. 2MHz，其中鉺纖的長度為18m， 腔內的淨色散旦2為+0.8 82。試驗中採用光譜分析儀(Y0K0GAWA-6370B)來測量輸出脈衝的光譜，利示波器來 測量脈衝的寬度。利用自相關儀和頻譜儀來確認所得矩形脈衝為單脈衝。採用該結構腔形 設計，通過合理選鉺纖的長度和單模的長度來控制腔內淨色散的大小。在大的正色散條件 下，通過調節偏振控制器，便可得到高能量的矩形脈衝。實驗所用的環形光纖雷射器的組成部分全部使用傳統光纖雷射器的器件，具有結 構簡單、價格低廉、穩定性好等應用上的優點。它可以輸出高能量矩形脈衝，而且脈衝的寬 度在一定範圍內可以控制。與產生高能量矩形脈衝的固體雷射器相比，它具有泵浦效率高、 調節方便、易於光纖耦合等優點。
該雷射器工作原理及鎖模脈衝形成的基本物理過程為該雷射器系統利用非線性 偏振旋轉(NPR :Nonlinear Polarization Rotation)技術實現自啟動鎖模；當泵浦功率達 到一定閾值時，調節第一、二偏振控制器控制腔內的線性相移，便可獲得穩定的鎖模脈衝輸 出。其脈衝形成的基本物理過程為雷射諧振腔內的最初的噪聲脈衝在腔內多次經過摻鉺 光纖後，得到增益放大；由於強烈的自相位調製(Self-phase Modulation, SPM)等非線性 效應導致其光譜的展寬，產生正的頻率啁啾，同時摻鉺光纖的正色散也導致脈衝在時域上 隨之展寬；兩個偏振控制器及偏振相關隔離器的共同作用等效可飽和吸收體，其作用是消 除脈衝部分兩翼，減小脈寬，同時消除兩翼中由於正色散帶來的紅移和藍移成分，使得脈衝 在頻域得以濾波；通過偏振相關隔離器抑制腔內光波的後向反饋，以保證環形腔雷射器單 向運轉；該過程循環往復，直至初始輸入光波脈衝在腔內能夠形成自洽演化，最終得到穩定 的鎖模脈衝，整個系統達到動態平衡並通過輸出耦合器耦合輸出。所以，該矩形脈衝的產生 是光纖雷射器增益、非線性偏振旋轉與非線性損耗等效應共同作用的結果，而且增益和損 耗在脈衝形成過程中起了重要作用。實驗中，採用光譜分析儀(AND0 AQ-6370B)測量出輸出矩形脈衝的光譜，用示波器 (LeCroy SDA, IlGHz)觀察脈衝序列，用自相關儀和頻譜儀來確認所得脈衝為單脈衝。本發明實驗結果如下該雷射器實現自啟動鎖模的閾值功率為前後泵均為SOmW 左右，在前向和後向泵浦功率都增加至550mW時仍能保持無光波分裂單脈衝輸出；在 500-500mW泵浦功率下的輸出光譜如圖2所示，其為準高斯形，中心波長約為1567nm，光譜 半高全寬約為14nm。固定前後泵浦功率在500-500mW，在不同PC狀態下，在用高頻數字採 樣示波器測得的脈衝形狀如圖3所示。可以看到脈衝的寬度在250到700ps之間連續可 調。脈衝的自相關曲線如圖4所示，它為完美的三角形狀，驗證了所得矩形脈衝是單脈衝而 不是類噪聲脈衝。輸出的脈衝頻譜圖如圖5所示，測得的脈衝重複頻率為8. 19MHz，對應於 腔的基頻，在帶寬解析度為150Hz下，信噪比約為70dB。由脈衝的自相關曲線和頻譜圖我們 確信所得脈衝為工作在基頻的矩形單脈衝。圖6顯示的是脈衝的能量隨總泵浦功率之間的 關係，可以看到脈衝的能量隨泵浦功率基本線性增加，最大脈衝能量可以達到45nJ。通過合理選用摻鉺光纖和單模光纖的長度及色散，整個腔內的淨色散要保持為較 大的正值。
權利要求
1.一種可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統，其特徵在於包括前 向泵浦光源(1)、第一波分復用器(2)、摻鉺增益光纖(3)、第二波分復用器(4)、後向泵浦光 源(5)、輸出耦合器(6)、第一偏振控制器(7)、偏振相關隔離器⑶和第二偏振控制器(9)； 其中，第一波分復用器(2)、摻鉺增益光纖(3)、第二波分復用器(4)、輸出耦合器(6)、第一 偏振控制器(7)、偏振相關隔離器⑶和第二偏振控制器(9)依次通過單模光纖(10)閉環 連接，所述前向泵浦光源(1)設置在第一波分復用器(2)的輸入端，所述後向泵浦光源(5) 設置在第二波分復用器(4)的輸入端，所述輸出耦合器(6)用於輸出矩形脈衝。
2.根據權利要求1所述的可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統，其 特徵在於所述摻鉺增益光纖(3)的型號為Nufern EDFC-980-HP，長度為10 20m，其在 1550nm附近具有正色散。
3.根據權利要求2所述的可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統，其 特徵在於所述摻鉺光纖(3)的長度為18m。
4.根據權利要求1所述的可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統，其 特徵在於所述第一波分復用器和第二波分復用器的波分範圍為980nm/1550nm ；所述輸出 耦合器的輸出比率為10 80%。
5.根據權利要求4所述的可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統，其 特徵在於所述輸出耦合器(6)的輸出比率為70%。
6.根據權利要求1所述的可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統，其 特徵在於所述前向泵浦光源(1)和後向泵浦光源(5)為工作波長為980nm的單模半導體 雷射器，其輸出功率為200-550mW，所述單模半導體雷射器工作參數與摻鉺光纖匹配；所述 單模光纖10為1550nm的普通單模光纖，其總長度為5 10m，在1550nm附近具有負色散。
7.根據權利要求6所述的可產生高能量無波分裂矩形脈衝的全光纖結構雷射系統，其 特徵在於所述前向泵浦光源(1)和後向泵浦光源(5)輸出功率各為500mW ；所述單模光纖 (10)長度為7. 5m。
全文摘要
一種產生高能量矩形脈衝的全光纖結構雷射系統，旨在解決目前摻鉺光纖雷射器脈衝能量低、穩定性差、難以實現矩形脈衝輸出的技術問題。該全光纖結構雷射系統包括依次通過腔內單模光纖連接的兩個波分復用器、摻鉺光纖、第一偏振控制器、偏振相關隔離器、第二偏振控制器和輸出耦合器，其中兩個波分復用器的輸入端都設置有泵浦光源。其中摻餌光纖的長度為10-20m，單模光纖的總長度為5-10m，整個腔內的淨色散要保持為較大的正值。本發明具有結構簡單、價格低廉、穩定性好等應用上的優點，尤其與產生高能量矩形脈衝的固體雷射器相比，它具有泵浦效率高、調節方便、脈衝質量好、易於光纖耦合等優點。
文檔編號H01S3/067GK102005689SQ20101052202
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者劉雪明, 毛東 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所