專利名稱：可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖激光系統(tǒng)，具體涉及一種可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的 新型全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光纖激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、調(diào)節(jié)方便、性能穩(wěn)定、便于耦合等諸多優(yōu)點(diǎn)， 在光通信、光學(xué)微操縱和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用。在光纖激光器中，可 以通過(guò)鎖模技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)超短脈沖輸出。目前比較成熟的鎖模器件主要包括非線性偏轉(zhuǎn)技術(shù) (Nonlinear polarization rotation technique)、半導(dǎo)體可飽禾口吸收體(semiconductor saturable absorber mirror)、碳納米管(carbon nanotube)等。通過(guò)人為設(shè)計(jì)腔內(nèi)光纖色散分布特性，鎖模光纖激光器可以分別產(chǎn)生常規(guī)飛秒 孤子(Conventional femtosecond Soliton)、展寬脈沖(Stretched Pulse)、自相似脈沖 (Self-similar Pulse)以及耗散型孤子脈沖(Dissipative Soliton)。在腔內(nèi)凈色散為負(fù)色散的光纖激光器中，由于腔內(nèi)反常色散和光纖克爾非線性效 應(yīng)的平衡作用，這種激光器很容易實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖輸出，但由于孤子能量量子化效應(yīng)，單脈沖 能量被限制在0. InJ左右，更高的脈沖能量將導(dǎo)致光波分裂。展寬脈沖光纖激光器通過(guò)在 腔內(nèi)插入色散延遲線，腔內(nèi)鎖模脈沖在傳輸過(guò)程中被周期性展寬和壓縮。由于增大了脈沖 在腔內(nèi)的平均寬度，一定程度上減小了非線性效應(yīng)造成的光波分裂，脈沖能量可以達(dá)到InJ 左右。和傳統(tǒng)飛秒孤子以及展寬脈沖不同，自相似脈沖在腔內(nèi)傳播過(guò)程中形狀基本保持不 變，但光譜和脈沖寬度會(huì)一直增加。由于增益線寬的限制，單脈沖能量不高于10nJ。最近研 究表明，在具有極大正色散或者全正色散的光纖激光器內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖輸出。一般 認(rèn)為，這種孤子的形成是增益色散、增益飽和與正色散效應(yīng)、非線性損耗等的綜合效果，其 中增益和損耗在孤子形成過(guò)程中起了主導(dǎo)作用，故稱之為耗散型孤子。與傳統(tǒng)孤子相比，其 脈寬增大了二、三個(gè)數(shù)量級(jí)，非線性效應(yīng)得到明顯的抑制，光脈沖具有極強(qiáng)的抵御光波分裂 能力，單脈沖能量可達(dá)很高的水平。矩形脈沖產(chǎn)生最早是在半導(dǎo)體激光器中獲得的，由于半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的特殊 性，所得的矩形脈沖上升沿和下降沿時(shí)間都比較長(zhǎng)，光斑和脈沖質(zhì)量也不好，嚴(yán)重的限制了 其應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)光纖激光器的研究主要集中在高斯型和拋物型脈沖上，在摻餌光纖激 光器中實(shí)現(xiàn)矩形脈沖輸出還沒(méi)有報(bào)道。綜上，提出一種可以產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的摻餌光纖激光器具有很大的 應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有光纖激光器中難以實(shí)現(xiàn)高能量矩形光脈沖輸出的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供 一種可產(chǎn)生無(wú)波分裂高能量矩形脈沖的光纖激光系統(tǒng)，使其在光通信、光學(xué)傳感、光學(xué)檢測(cè) 等方面得到廣泛應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，其特殊之處在于 包括前向泵浦光源1、第一波分復(fù)用器2、摻鉺增益光纖3、第二波分復(fù)用器4、后向泵浦光源 5、輸出耦合器6、第一偏振控制器7、偏振相關(guān)隔離器8和第二偏振控制器9 ；其中，第一波 分復(fù)用器2、摻鉺增益光纖3、第二波分復(fù)用器4、輸出耦合器6、第一偏振控制器7、偏振相關(guān) 隔離器8和第二偏振控制器9依次通過(guò)單模光纖10閉環(huán)連接，所述前向泵浦光源1設(shè)置在 第一波分復(fù)用器2的輸入端，所述后向泵浦光源5設(shè)置在第二波分復(fù)用器4的輸入端，所述 輸出耦合器6用于輸出矩形脈沖。上述摻鉺增益光纖3的型號(hào)為Nufern EDFC-980-HP，長(zhǎng)度為10 20m，其在 1550nm附近具有正色散。 上述摻鉺光纖3的長(zhǎng)度為18m。上述第一波分復(fù)用器和第二波分復(fù)用器的波分范圍為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和后向泵浦光源5為工作波長(zhǎng)為980nm的單模半導(dǎo)體激光 器，其輸出功率為200-550mW，所述單模半導(dǎo)體激光器工作參數(shù)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(zhǎng)度為5 10m，在1550nm附近具有負(fù)色散。上述前向泵浦光源1和后向泵浦光源5輸出功率各為500mW ；所述單模光纖10長(zhǎng) 度為7. 5m。本發(fā)明的有益效果如下1、本發(fā)明光纖激光器系統(tǒng)所用器件均為常用光纖激光器器件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低 廉；2、本發(fā)明光纖激光器系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率高，光束質(zhì)量好，散熱效果 好，易與其他器件耦合；3、本發(fā)明光纖激光器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié)；4、本發(fā)明光纖激光器系統(tǒng)輸出波長(zhǎng)在通信窗口(1550nm)波段，在光通訊、光學(xué)測(cè) 距、光電傳感領(lǐng)域、醫(yī)療等方面具有廣泛的應(yīng)用前景；5、本發(fā)明光纖激光器系統(tǒng)產(chǎn)生的矩形型脈沖，具有穩(wěn)定的光譜寬度和極高的脈沖 能量以及一定范圍內(nèi)可調(diào)的脈沖寬度，可以作為皮秒脈沖光源使用；6、本發(fā)明光纖激光器系統(tǒng)可作為高能量脈沖放大器的種子源。7、工作于凈正色散區(qū)，克服了負(fù)色散激光器的能量峰值限制，實(shí)現(xiàn)了高能量無(wú)波 分裂脈沖輸出；8、脈沖在時(shí)域上為矩形，不同于普通脈沖的高斯型，而且脈寬從250到700ps連續(xù)
可調(diào)；9、脈沖穩(wěn)定性高，在泵浦不變的情況下，可以在同一狀態(tài)下一直連續(xù)工作。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為前向泵浦光源和后向泵浦光源都固定在500mW時(shí)的輸出光譜圖3為不同偏振(PC)狀態(tài)下的脈沖形狀；圖4為輸出脈沖的自相關(guān)曲線圖；圖5為輸出脈沖的頻譜圖；圖6為輸出脈沖能量與總泵浦功率的關(guān)系圖；附標(biāo)記說(shuō)明1_前向泵浦光源；2-第一波分復(fù)用器；3-摻鉺增益光纖；4-第二波 分復(fù)用器；5-后向泵浦光源；6-輸出耦合器；7-第一偏振控制器，8-偏振相關(guān)隔離器；9-第 二偏振控制器；10-單模光纖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，本發(fā)明提供的用于產(chǎn)生無(wú)波分裂高能脈沖的新型光纖激光器系統(tǒng)包括 包括依次通過(guò)單模光纖10連接的前向泵浦光源1、第一波分復(fù)用器2、摻鉺增益光纖3、第 二波分復(fù)用器4、后向泵浦光源5、輸出耦合器6、第一偏振控制器7、偏振相關(guān)隔離器8、第 二偏振控制器9。偏振相關(guān)隔離器通過(guò)單模光纖與兩個(gè)偏振控制器相連，形成等效可飽和 吸收體。前向泵浦光源1和后向泵浦光源5均為中心波長(zhǎng)在980nm單模半導(dǎo)體激光器，輸 出功率0-500mW可調(diào)。波分復(fù)用器2和4的波分范圍為980nm/1550nm。摻鉺光纖3型號(hào) 為NufernEDFC-980-HP，在1550nm處色散系數(shù)-42ps/nm/km，長(zhǎng)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(guān)隔離器8、第二偏振控制器9均為常用標(biāo)準(zhǔn)器 件。器件尾纖以及連接用光纖10為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，其總長(zhǎng)度7. 5m，在1550nm處其色散系數(shù) D 為 17ps/nm/km0本發(fā)明工作原理以及具體器件參數(shù)如下所述參見(jiàn)圖一，本發(fā)明采用工作波長(zhǎng)為980nm的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源，每 個(gè)泵浦光源最大輸出功率為550mW，其通兩個(gè)980nm/1550nm的波分復(fù)用器(WDM)分別對(duì) 一段18m的鉺纖進(jìn)行前向和后向泵浦抽運(yùn)，該摻鉺光纖的型號(hào)為Nufern EDFC-980-HP，在 1550nm處色散系數(shù)D約為-42pS/nm/km。通過(guò)偏振相關(guān)隔離器抑制后向反饋，以保證激光 器的單向運(yùn)轉(zhuǎn)。第一偏振控制器、第二偏振控制器和偏振相關(guān)隔離器共同作用等效為可飽 和吸收體，從而實(shí)現(xiàn)激光器的自啟動(dòng)鎖模。其中輸出耦合器的輸出率為70%，30%能量留在 環(huán)形激光器，該輸出率能保證輸出的單脈沖有較大的能量，同時(shí)不影響鎖模的穩(wěn)定性。波分復(fù)用器(WDM)、偏振相關(guān)隔離器、輸出耦合器的尾纖是普通的單模光纖，其總 長(zhǎng)度為7. 5m，在1550nm處色散系數(shù)D約為17ps/nm/km。該激光器的總長(zhǎng)度為25. 5m，對(duì)應(yīng)于腔的基頻為8. 2MHz，其中鉺纖的長(zhǎng)度為18m， 腔內(nèi)的凈色散旦2為+0.8 82。試驗(yàn)中采用光譜分析儀(Y0K0GAWA-6370B)來(lái)測(cè)量輸出脈沖的光譜，利示波器來(lái) 測(cè)量脈沖的寬度。利用自相關(guān)儀和頻譜儀來(lái)確認(rèn)所得矩形脈沖為單脈沖。采用該結(jié)構(gòu)腔形 設(shè)計(jì)，通過(guò)合理選鉺纖的長(zhǎng)度和單模的長(zhǎng)度來(lái)控制腔內(nèi)凈色散的大小。在大的正色散條件 下，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器，便可得到高能量的矩形脈沖。實(shí)驗(yàn)所用的環(huán)形光纖激光器的組成部分全部使用傳統(tǒng)光纖激光器的器件，具有結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好等應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)。它可以輸出高能量矩形脈沖，而且脈沖的寬 度在一定范圍內(nèi)可以控制。與產(chǎn)生高能量矩形脈沖的固體激光器相比，它具有泵浦效率高、 調(diào)節(jié)方便、易于光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)。
該激光器工作原理及鎖模脈沖形成的基本物理過(guò)程為該激光器系統(tǒng)利用非線性 偏振旋轉(zhuǎn)(NPR :Nonlinear Polarization Rotation)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模；當(dāng)泵浦功率達(dá) 到一定閾值時(shí)，調(diào)節(jié)第一、二偏振控制器控制腔內(nèi)的線性相移，便可獲得穩(wěn)定的鎖模脈沖輸 出。其脈沖形成的基本物理過(guò)程為激光諧振腔內(nèi)的最初的噪聲脈沖在腔內(nèi)多次經(jīng)過(guò)摻鉺 光纖后，得到增益放大；由于強(qiáng)烈的自相位調(diào)制(Self-phase Modulation, SPM)等非線性 效應(yīng)導(dǎo)致其光譜的展寬，產(chǎn)生正的頻率啁啾，同時(shí)摻鉺光纖的正色散也導(dǎo)致脈沖在時(shí)域上 隨之展寬；兩個(gè)偏振控制器及偏振相關(guān)隔離器的共同作用等效可飽和吸收體，其作用是消 除脈沖部分兩翼，減小脈寬，同時(shí)消除兩翼中由于正色散帶來(lái)的紅移和藍(lán)移成分，使得脈沖 在頻域得以濾波；通過(guò)偏振相關(guān)隔離器抑制腔內(nèi)光波的后向反饋，以保證環(huán)形腔激光器單 向運(yùn)轉(zhuǎn)；該過(guò)程循環(huán)往復(fù)，直至初始輸入光波脈沖在腔內(nèi)能夠形成自洽演化，最終得到穩(wěn)定 的鎖模脈沖，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡并通過(guò)輸出耦合器耦合輸出。所以，該矩形脈沖的產(chǎn)生 是光纖激光器增益、非線性偏振旋轉(zhuǎn)與非線性損耗等效應(yīng)共同作用的結(jié)果，而且增益和損 耗在脈沖形成過(guò)程中起了重要作用。實(shí)驗(yàn)中，采用光譜分析儀(AND0 AQ-6370B)測(cè)量出輸出矩形脈沖的光譜，用示波器 (LeCroy SDA, IlGHz)觀察脈沖序列，用自相關(guān)儀和頻譜儀來(lái)確認(rèn)所得脈沖為單脈沖。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下該激光器實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模的閾值功率為前后泵均為SOmW 左右，在前向和后向泵浦功率都增加至550mW時(shí)仍能保持無(wú)光波分裂單脈沖輸出；在 500-500mW泵浦功率下的輸出光譜如圖2所示，其為準(zhǔn)高斯形，中心波長(zhǎng)約為1567nm，光譜 半高全寬約為14nm。固定前后泵浦功率在500-500mW，在不同PC狀態(tài)下，在用高頻數(shù)字采 樣示波器測(cè)得的脈沖形狀如圖3所示?？梢钥吹矫}沖的寬度在250到700ps之間連續(xù)可 調(diào)。脈沖的自相關(guān)曲線如圖4所示，它為完美的三角形狀，驗(yàn)證了所得矩形脈沖是單脈沖而 不是類噪聲脈沖。輸出的脈沖頻譜圖如圖5所示，測(cè)得的脈沖重復(fù)頻率為8. 19MHz，對(duì)應(yīng)于 腔的基頻，在帶寬分辨率為150Hz下，信噪比約為70dB。由脈沖的自相關(guān)曲線和頻譜圖我們 確信所得脈沖為工作在基頻的矩形單脈沖。圖6顯示的是脈沖的能量隨總泵浦功率之間的 關(guān)系，可以看到脈沖的能量隨泵浦功率基本線性增加，最大脈沖能量可以達(dá)到45nJ。通過(guò)合理選用摻鉺光纖和單模光纖的長(zhǎng)度及色散，整個(gè)腔內(nèi)的凈色散要保持為較 大的正值。
權(quán)利要求
1.一種可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，其特征在于包括前 向泵浦光源(1)、第一波分復(fù)用器(2)、摻鉺增益光纖(3)、第二波分復(fù)用器(4)、后向泵浦光 源(5)、輸出耦合器(6)、第一偏振控制器(7)、偏振相關(guān)隔離器⑶和第二偏振控制器(9)； 其中，第一波分復(fù)用器(2)、摻鉺增益光纖(3)、第二波分復(fù)用器(4)、輸出耦合器(6)、第一 偏振控制器(7)、偏振相關(guān)隔離器⑶和第二偏振控制器(9)依次通過(guò)單模光纖(10)閉環(huán) 連接，所述前向泵浦光源(1)設(shè)置在第一波分復(fù)用器(2)的輸入端，所述后向泵浦光源(5) 設(shè)置在第二波分復(fù)用器(4)的輸入端，所述輸出耦合器(6)用于輸出矩形脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，其 特征在于所述摻鉺增益光纖(3)的型號(hào)為Nufern EDFC-980-HP，長(zhǎng)度為10 20m，其在 1550nm附近具有正色散。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，其 特征在于所述摻鉺光纖(3)的長(zhǎng)度為18m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，其 特征在于所述第一波分復(fù)用器和第二波分復(fù)用器的波分范圍為980nm/1550nm ；所述輸出 耦合器的輸出比率為10 80%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，其 特征在于所述輸出耦合器(6)的輸出比率為70%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，其 特征在于所述前向泵浦光源(1)和后向泵浦光源(5)為工作波長(zhǎng)為980nm的單模半導(dǎo)體 激光器，其輸出功率為200-550mW，所述單模半導(dǎo)體激光器工作參數(shù)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(zhǎng)度為5 10m，在1550nm附近具有負(fù)色散。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可產(chǎn)生高能量無(wú)波分裂矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，其 特征在于所述前向泵浦光源(1)和后向泵浦光源(5)輸出功率各為500mW ；所述單模光纖 (10)長(zhǎng)度為7. 5m。
全文摘要
一種產(chǎn)生高能量矩形脈沖的全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)，旨在解決目前摻鉺光纖激光器脈沖能量低、穩(wěn)定性差、難以實(shí)現(xiàn)矩形脈沖輸出的技術(shù)問(wèn)題。該全光纖結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)包括依次通過(guò)腔內(nèi)單模光纖連接的兩個(gè)波分復(fù)用器、摻鉺光纖、第一偏振控制器、偏振相關(guān)隔離器、第二偏振控制器和輸出耦合器，其中兩個(gè)波分復(fù)用器的輸入端都設(shè)置有泵浦光源。其中摻餌光纖的長(zhǎng)度為10-20m，單模光纖的總長(zhǎng)度為5-10m，整個(gè)腔內(nèi)的凈色散要保持為較大的正值。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好等應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)，尤其與產(chǎn)生高能量矩形脈沖的固體激光器相比，它具有泵浦效率高、調(diào)節(jié)方便、脈沖質(zhì)量好、易于光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/067GK102005689SQ20101052202
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者劉雪明, 毛東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所