双波长高功率自相似飞秒脉冲掺镱微结构光纤激光器

技术领域

本发明属于非线性光纤光学领域，具体是一种双波长高功率自相似飞秒脉冲掺镱微结构光纤激光器。

背景技术

高功率激光器在世界各国工业发展中得到广泛应用，尤其是工业发达国家，高功率激光加工技术已被人们誉为“未来制造业的共同加工手段”，是提高生产效率和产品质量、降低成本、增加效益，提高国际竞争力的重要手段，代表着当前材料加工业的发展方向。而性能优良的多波长光源在光通信、激光测距、光谱分析和分布光纤传感等领域中也有极大的应用价值。

自相似脉冲很好地解决了传输中脉冲的强度限制问题，它在高功率传播时，脉冲形状不改变，具有抵御光波分裂的能力，具有严格的线性啁啾特性，易于获得高功率的超短压缩脉冲。

目前对于自相似脉冲光纤激光器的研究主要是基于普通增益光纤。受到色散管理孤子设计原理的启发，2004-2005年，F.O.Ilday，等人运用4种光器件构成一个自相似脉冲激光器：一段具有正GVD的单模光纤(SMF)，作为自相似脉冲演化的主体；尽量短的一小段增益光纤(GAIN)，作为激光器的增益介质，其GVD和非线性可以忽略；一段饱和吸收体(SA)，为激光器提供锁模，并且作为输出耦合器；一个具有负的GVD但非线性可以忽略的色散延迟线(DDL)，以便对形成的自相似脉冲进行有效的压缩(F.O.Ilday，J.R.Buckley，W.G.Clarkand F.W.Wise，Self-similar Evolution of Parabolic Pulse in a Laser，Phys.Rev.Lett.2004，92(21)：213902(1-4)；C.K.Nielsen，B.Ortac，T.Schreiber，and J.Limpert，Self-starting Self-similar All-polarization Maintaining Yb-doped Fiber Laser，Opt.Lett.2005，13(23)：9346-9351)，并进行了相关理论分析与实验研究，但是基于他们的设计原理和实验方法所产生的脉冲并不是严格意义上的自相似脉冲，而是色散管理孤子脉冲。近期冯杰等人设计了严格意义上产生自相似脉冲的光纤激光器，(冯杰；徐文成；陈伟成；刘颂豪，自相似飞秒脉冲光纤激光器：CN100429846C；冯杰；徐文成；陈伟成；刘颂豪，自相似飞秒脉冲掺铒光纤激光器：CN100429847C)。但是他们对自相似脉冲光纤激光器的研究中，都没有考虑高阶效应对自相似脉冲的影响，而实际上高阶效应会导致自相似脉冲的畸变及加剧激光器中脉冲的不稳定性(Liu Wei-Ci，Xu Wen-Cheng，Feng Ji，Chen Wei-Cheng，Li Shu-Xian，Liu Song-Hao，Higher-order Effects on Self-Similar parabolic Pulse inMicrostructured Fiber Amplifier，Chinese Physics，2008，17(3)1025-1028；Weici Liu，Wencheng Xu，Jie Feng，Weicheng Chen，Shuxian Li，Songhao Liu，Higher-order Effectson Self-Similar parabolic Pulse Evolution in Microstructured Fiber Amplifier，Proc.SPIE Vol.2007，6783，678301；Yury Logvin and Hanan Anis，Similariton pulseinstability in mode-locked Yb-doped fiber laser in the vicinity of zero cavityDispersion.OPTICS EXPRESS 2007，15(21)：13607-13612.)。

C.Finot等人在2005年利用用全光器件进行了产生自相似脉冲系列的数值模拟和实验研究(C.Finot，S.Pitois，and G.Millot，Regenerative 40 Gbit/s wavelength converterbased on similariton generation，Optics Letters，2005，30，(14)：1776-1778)，但主要是基于放大器产生来产生自相似脉冲系列，而且结构过于复杂。

现有的自相似脉冲光纤激光器在设计上都未考虑抑制高阶效应，实际应用中稳定性较差，而且对多波长自相似脉冲激光器的研究尚未见报到。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双波长高功率自相似飞秒脉冲掺镱微结构光纤激光器，其基于掺镱微结构光纤的色散及非线性可控性来抑制高阶效应，提高自相似飞秒脉冲光纤激光器的稳定性，利用保偏光纤光栅的两个反射峰输出双波长自相似脉冲。

本发明的技术方案如下：

一种双波长高功率自相似飞秒脉冲掺镱微结构光纤激光器，其特征在于由泵浦激光光源、波分复用耦合器、正色散单模光纤、掺镱微结构光纤、起偏器、环形器、偏振控制器、保偏光纤光栅以及输出耦合器用光纤连接成光纤环形腔，波分复用耦合器包括第一端口、第二端口以及第三端口，环形器包括第一端口、第二端口以及第三端口，输出耦合器包括第一端口、第二端口以及第三端口，泵浦激光光源与波分复用耦合器的第一端口连接，波分复用耦合器的第三端口经正色散单模光纤、掺镱微结构光纤、起偏器连接至环形器的第一端口，环形器的第二端口经偏振控制器连接至保偏光纤光栅，环形器的第三端口与输出耦合器的第一端口连接，输出耦合器的第二端口连接至波分复用耦合器的第二端口；输出耦合器的第三端口与色散延迟线连接。

进一步的，掺镱微结构光纤的空气孔半径为0.20～0.29μm，空气孔间距为1.82～2.3μm，掺杂浓度10²⁴～10²⁵m^-3，长度为1～7m。

进一步的，正色散单模光纤的二阶群速度色散值大于或等于6.0×10^-1ps²m^-1，长度为6～12m。

进一步的，保偏光纤光栅是基于普通光纤或者光子晶体光纤的保偏光纤光栅，其中心波长位于1030nm和1064nm。

进一步的，泵浦激光光源输出激光的波长为980nm。

进一步的，波分复用耦合器的波长范围为976～1550nm。

进一步的，输出耦合器为大功率耦合器，耦合率为40～60％。

进一步的，色散延迟线的二阶群速度色散值小于-1.0×10^-1ps²m^-1。

掺镱微结构光纤的纤芯直径、包层空气孔直径、包层空气孔之间的间距等参数的各种组合赋予了它结构设计方面极大的灵活性，从而使它具有了色度色散特性可控、无波长限制单模传输、带隙限制空芯导光、非线性效应可控等诸多新奇特性，而它的色散和非线性可调可控，有利于高质量自相似脉冲的产生和传输(Liu Wei-Ci，Xu Wen-Cheng，Feng Ji，ChenWei-Cheng，Li Shu-Xian，Liu Song-Hao，Higher-order Effects on Self-Similar parabolicPulse in Microstructured Fiber Amplifier，Chinese Physics，2008，17(3)1025-1028；Weici Liu，Wencheng Xu，Jie Feng，Weicheng Chen，Shuxian Li，Songhao Liu，Higher-order Effects on Self-Similar parabolic Pulse Evolution in MicrostructuredFiber Amplifier，Proc.SPIE Vol.2007，6783，678301.)；而且掺镱微结构光纤中的镱离子具有很宽的吸收谱(800nm～1060nm)和发射谱(975nm～1200nm)，而且其发射谱正好在石英光纤的正色散区域，可以产生高功率超短自相似脉冲。

保偏光纤光栅引入的双折射有助于分开掺镱微结构光纤中不同波长的偏振状态，从而在均匀展宽的掺镱微结构光纤中增强了偏振烧孔效应。这种偏振烧孔效应大大增强了掺镱微结构光纤的非均匀增益展宽，从而减小了不同模式之间的竞争。因此，我们可在室温下得到稳定的双波长振荡。另一方面，通过调整偏振控制器的状态，即改变腔内的双折射状态，光纤光栅的反射特性会发生变化，当两个模式对应的增益粒子数几乎相同时，两个模式会同时稳定振荡，且通过仔细调节偏振控制器的状态，可使两波长对应的振幅几乎相等。基于以上原理，便形成了对激光振荡模式的选择，即通过调整偏振控制器的状态使激光器工作在稳定的双波长状态。

本发明的双波长高功率自相似飞秒脉冲掺镱微结构光纤激光器，输入脉冲在正色散单模光纤与掺镱微结构光纤中产生高质量的自相似脉冲；光纤光栅能起能量反馈与选频作用，通过调节偏振控制器，在具有两个反射峰的光纤光栅进行输出激光的波长选择，实现双波长在常温下稳定运行，输出偏振度好的激光。环形器还起隔离器的作用，保证光在腔内顺时针方向运行。自相似脉冲激光器可以产生高能量的脉冲，所以可以利用较高输出耦合比的输出耦合器，使输出脉冲能量占较大百分比，并利用色散延迟线进行压缩以获得高功率超短脉冲，这样我们可以获得功率更高，脉宽更短的自相似脉冲。

与现有自相似脉冲光纤激光器相比，本激光器具有以下优点：

1：所用的掺镱微结构光纤相对于普通掺镱光纤，色散和非线性可调可控，有利于抑制高阶效应引起的不稳定性，保证高质量自相似光脉冲的产生和传输。

2：所用的保偏光纤光栅有利于双波长自相似光脉冲常温下稳定输出，波长稳定性好，易获得双波长超短脉冲。

3：相比于普通的多波长光纤激光器，本激光器可输出功率更高、脉宽更短的光脉冲。

4：结构简单，调节方便，在激光加工、光通信、光传输、光纤传感等领域中的科研、生产和工程有着广泛的应用。

附图说明

图1是本发明双波长高功率自相似飞秒脉冲掺镱微结构光纤激光器的示意图。

图2是实施例1的输出波形图。

图3是实施例2的输出波形图。

图4是实施例3的输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细地说明。

如图1所示，由泵浦激光光源1、波分复用耦合器2、正色散单模光纤3、掺镱微结构光纤4、起偏器5、环形器6、偏振控制器7、保偏光纤光栅8以及输出耦合器9用光纤连接成光纤环形腔，波分复用耦合器2包括第一端口21、第二端口22以及第三端口23，环形器6包括第一端口61、第二端口62以及第三端口63，输出耦合器9包括第一端口91、第二端口92以及第三端口93，泵浦激光光源1与波分复用耦合器2的第一端口21连接，波分复用耦合器2的第三端口23经正色散单模光纤3、掺镱微结构光纤4、起偏器5连接至环形器6的第一端口61，环形器6的第二端口62经偏振控制器7连接至保偏光纤光栅8，环形器6的第三端口63与输出耦合器9的第一端口91连接，输出耦合器9的第二端口92连接至波分复用耦合器2的第二端口22；输出耦合器9的第三端口93与色散延迟线10连接。

在正色散单模光纤3与掺镱微结构光纤4中产生自相似脉冲。环形器6还起隔离器的作用，保证光在腔内如图1所示顺时针方向运行。保偏光纤光栅8能起能量反馈与选频作用，此处具有两个反射峰的保偏光纤光栅8进行输出激光的波长选择。输出耦合器9的耦合率为40％～60％。旋转偏振控制器7，可以使双波长激光同时输出。自相似飞秒脉冲光纤激光器可以产生高能量的脉冲，所以可以利用较高输出耦合比的输出耦合器9，使输出脉冲能量占较大百分比，并利用色散延迟线10进行压缩以获得超短脉冲，这样就可以获得功率更高，脉冲更短的高功率超短脉冲。

表1掺镱微结构光纤的参数

表1是掺镱微结构光纤4的结构参数、色散、非线性、掺杂浓度等参数。

本发明的双波长高功率自相似飞秒脉冲掺镱微结构光纤激光器的其它部件参数范围说明如下：

(1)正色散单模光纤3长度为6～12m，所提供的正的二阶群速度色散值(正的GVD)不小于6.0×10^-1ps²m^-1，其非线性系数小于1×10^-3W^-1m^-1；

(2)泵浦激光光源1采用980nm的泵浦激光光源；

(3)波分复用耦合器2的波长范围为976～1550nm；

(4)输出耦合器9为大功率耦合器，耦合率为40～60％；

(5)保偏光纤光栅8的中心波长位于1064nm和1030nm；

(6)色散延迟线10负的二阶群速度色散值(负的GVD)小于-1.0×10^-1ps²m^-1。

令输入脉冲能量为30PJ，脉冲为1.1ps，单模光纤长7m，色散延迟线的二阶色散为-1.2×10^-1ps²m^-1，以下三种具体实施方式：

实施例1

掺镱微结构光纤4的二阶色散为0.046ps²m^-1、三阶色散为0.001ps³m^-1、非线性值为0.003W^-1m^-1，增益系数g＝1.2m^-1，长1m，如图2所示，飞秒脉冲的输出功率近8KW，脉宽约200fs，双波长值分别为1040nm和1060nm。

实施例2

掺镱微结构光纤4的二阶色散为0.06ps²m^-1、三阶色散为0.0005ps³m^-1、非线性值为0.002W^-1m^-1，增益系数g＝0.7m^-1，长3.5m，如图3所示，飞秒脉冲的输出功率近8KW，脉宽约200fs，双波长值分别为1038nm和1062nm。

实施例3

掺镱微结构光纤4的二阶色散为0.08ps²m^-1、三阶色散为0.0002ps³m^-1、非线性值为0.001W^-1m^-1，增益系数g＝0.4m^-1，长7m，如图4所示，飞秒脉冲的输出功率近8KW，脉宽约200fs，双波长值分别为1036nm和1064nm。

本发明并不局限于上述具体实施方式，任何与本发明实质相同的修改或替换均属于本发明的保护范围。