被动锁模矢量孤子光纤激光器及输出矢量孤子的方法

技术领域

本发明涉及超快脉冲激光技术领域，具体涉及一种基于偏振有关可饱和吸收体的被动锁模矢量孤子光纤激光器及采用该激光器输出矢量孤子的方法。

背景技术

在光纤激光器中，由于被动锁模矢量孤子激光器可以提供高稳定性、高光束质量、高能量的超短矢量孤子脉冲，因此被广泛应用于科研、工业、国防、环境、能源、通讯等与人们生活息息相关的领域，具有强大的应用价值。

在光纤激光器中产生被动锁模矢量孤子的最重要器件是可饱和吸收体。目前常用的可饱和吸收体包括半导体可饱和吸收体、碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体、二硫化钼等可饱和吸收体。这些材料都是偏振无关的，矢量孤子脉冲的产生是在偏振无光可饱和吸收体模型下。

由于现有的被动锁模矢量孤子光纤激光器采用的可饱和吸收体是偏振无关的模型，并没有考虑可饱和吸收体的偏振相关损耗问题，而实际的可饱和吸收体器件往往存在偏振相关损耗，这些偏振相关损耗将影响矢量孤子光纤激光器的稳定性和锁模状态。

近年出现的二维材料黑磷具有各向异性的光学特性和偏振有关的光响应，但利用偏振有关光响应的可饱和吸收体在光纤激光器中产生矢量孤子还没有被采用。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足而提供一种基于偏振有关可饱和吸收体的被动锁模矢量孤子光纤激光器及采用该激光器输出矢量孤子的方法，该激光器能够实现稳定的矢量孤子输出。

本发明的技术方案是：被动锁模矢量孤子光纤激光器，它采用二维材料黑磷作为偏振有关可饱和吸收体，利用二维材料黑磷具有各向异性的光学特性和偏振有关的光响应来产生偏振相关可饱和吸收，并实现稳定的矢量孤子输出。

所述的被动锁模矢量孤子光纤激光器包括泵浦源、光纤波分复用器、掺铒光纤、光纤耦合器、偏振有关可饱和吸收体、第一偏振控制器、偏振无关隔离器、第二偏振控制器及偏振分束器。

泵浦源连接光纤波分复用器的反射端，光纤波分复用器的公共端连接掺铒光纤的输入端，掺铒光纤的输出端连接光纤耦合器的输入端，光纤耦合器的输出端分为第一输出端及第二输出端，其中第一输出端光强占光纤耦合器总光强的10%，第二输出端光强占光纤耦合器总光强的90%，光纤耦合器的第一输出端连接第二偏振控制器的输入端，第二偏振控制器的输出端连接偏振分束器的输入端，光纤耦合器的第二输出端连接偏振有关可饱和吸收体的输入端，偏振有关可饱和吸收体的输出端连接第一偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端连接偏振无关隔离器的输入端，偏振无关隔离器的输出端连接光纤波分复用器的透射端。

所述的泵浦源采用单模光纤耦合的半导体激光器，波长为1480 nm或 980 nm，当泵浦源的波长为1480 nm时，所述的光纤波分复用器的工作波长为 1480/1550 nm。当泵浦源的波长为980 nm时，所述的光纤波分复用器的工作波长为 980/1550 nm。

所述的掺铒光纤采用 1～3 m 长的掺铒光纤作为激光增益介质，光纤波分复用器、光纤耦合器、第一偏振控制器及偏振无关隔离器的工作波长为1550 nm。

所述光纤耦合器采用 90 ：10 的光纤耦合器。

所述第一偏振控制器和第二偏振控制器均采用三片线圈旋转式偏振控制器。

所述偏振分束器为光纤耦合型。

所述偏振有关可饱和吸收体采用透射型或反射型，偏振有关可饱和吸收体X方向的可饱和吸收参数与其Y方向的可饱和吸收参数不一致。光纤快轴H对应于偏振有关可饱和吸收体的X方向，而光纤慢轴V对应于偏振有关可饱和吸收体的Y方向。

采用被动锁模矢量孤子光纤激光器输出矢量孤子的方法如下：被动锁模矢量孤子光纤激光器输出稳定的第一光脉冲及第二光脉冲，第一光脉冲分别为偏振锁定矢量孤子H偏振分量或偏振旋转锁定矢量孤子H偏振分量，第二光脉冲分别为偏振锁定矢量孤子V偏振分量或偏振旋转锁定矢量孤子V偏振分量。

被动锁模矢量孤子光纤激光器输出偏振锁定矢量孤子H偏振分量和偏振锁定矢量孤子V偏振分量及偏振旋转锁定矢量孤子H偏振分量和偏振旋转锁定矢量孤子V偏振分量是通过光纤耦合器输出偏振锁定矢量孤子或偏振旋转锁定矢量孤子两种光信号来实现，调整泵浦源的功率和第一偏振控制器的θ角能够实现两者的转换。其具体操作方法如下：

A、偏振锁定矢量孤子偏振分量的输出，调整泵浦源的功率，将泵浦源功率调整到120mW，第一偏振控制器的θ角为0，此时，光纤耦合器输出偏振锁定矢量孤子光信号，由于偏振有关可饱和吸收体的偏振有关可饱和吸收作用，光纤耦合器的第一输出端a输出10%的光信号，光信号经过第二偏振控制器及偏振分束器，由偏振分束器输出两个偏振方向正交的光脉冲，两个光脉冲分别为第一光脉冲及第二光脉冲，第一光脉冲为偏振锁定矢量孤子H偏振分量，第二光脉冲为偏振锁定矢量孤子V偏振分量。

光纤耦合器的第二输出端b输出90%的光信号，90%的光信号经过偏振有关可饱和吸收体、第一偏振控制器及偏振无关隔离器从光纤波分复用器的透射端进入光纤波分复用器。

B、偏振旋转锁定矢量孤子偏振分量的输出，调整第一偏振控制器的θ角到π/4，此时，光纤耦合器输出偏振旋转锁定矢量孤子光信号，由于偏振有关可饱和吸收体的偏振有关可饱和吸收作用，光纤耦合器的第一输出端a输出10%的光信号，光信号经过第二偏振控制器及偏振分束器，由偏振分束器输出两个偏振方向正交的光脉冲，两个光脉冲分别为第一光脉冲及第二光脉冲，第一光脉冲为偏振旋转锁定矢量孤子H偏振分量，第二光脉冲为偏振旋转锁定矢量孤子V偏振分量。在激光器的输出端记录100圈的输出脉冲，H和V两个偏振分量的脉冲峰值光强出现周期性振荡，但是总光强保持稳定。

光纤耦合器的第二输出端b输出90%的光信号，90%的光信号经过偏振有关可饱和吸收体、第一偏振控制器及偏振无关隔离器从光纤波分复用器的透射端进入光纤波分复用器。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

由于现有可饱和吸收体器件总是存在微弱的偏振相关损耗的问题，本发明提供的采用偏振有关可饱和吸收体的被动锁模矢量孤子光纤激光器，在考虑可饱和吸收体的偏振相关损耗的情况下能够实现稳定的矢量孤子光脉冲，更符合实际应用。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

附图1为本发明提供的基于偏振有关可饱和吸收体的矢量孤子光纤激光器结构示意图；

附图2为偏振锁定矢量孤子的H和V两个偏振分量的归一化光强分布图；

附图3为偏振锁定矢量孤子的H和V两个偏振分量的相位分布图；

附图4为偏振锁定矢量孤子的H和V两个偏振分量的光谱图；

附图5为100圈偏振锁定矢量孤子的庞加莱球图；

附图6为偏振旋转锁定矢量孤子的H偏振分量的光强分布图；

附图7为偏振旋转锁定矢量孤子的V偏振分量的光强分布图；

附图8为偏振旋转锁定矢量孤子的总光强分布图；

附图9为100圈偏振旋转锁定矢量孤子的庞加莱球图；

附图10为100圈偏振锁定矢量孤子经过偏振分束器后的光强分布图；

附图11为100圈偏振锁定矢量孤子经过偏振分束器后的峰值功率偏振演化频率图。

具体实施方式

实施例一、被动锁模矢量孤子光纤激光器，它是采用二维材料黑磷作为偏振有关可饱和吸收体，利用二维材料黑磷具有各向异性的光学特性和偏振有关的光响应来实现稳定的矢量孤子输出。

所述的被动锁模矢量孤子光纤激光器包括泵浦源1、光纤波分复用器2、掺铒光纤3、光纤耦合器4、偏振有关可饱和吸收体5、第一偏振控制器6、偏振无关隔离器7、第二偏振控制器8及偏振分束器9。

泵浦源1连接光纤波分复用器2的反射端，光纤波分复用器2的公共端连接掺铒光纤3的输入端，掺铒光纤3的输出端连接光纤耦合器4的输入端，光纤耦合器4的输出端分为第一输出端a及第二输出端b，其中第一输出端a光强占光纤耦合器4总光强的10%，第二输出端b光强占光纤耦合器4总光强的90%，光纤耦合器4的第一输出端a连接第二偏振控制器8的输入端，第二偏振控制器8的输出端连接偏振分束器9的输入端，光纤耦合器4的第二输出端b连接偏振有关可饱和吸收体5的输入端，偏振有关可饱和吸收体5的输出端连接第一偏振控制器6的输入端，第一偏振控制器6的输出端连接偏振无关隔离器7的输入端，偏振无关隔离器7的输出端连接光纤波分复用器2的透射端。

所述的泵浦源1采用单模光纤耦合的半导体激光器，波长为1480 nm，当泵浦源1的波长为1480 nm时，所述的光纤波分复用器2的工作波长为 1480/1550 nm。

所述的掺铒光纤3采用 1～3 m 长的掺铒光纤作为激光增益介质，光纤波分复用器2、光纤耦合器4、第一偏振控制器6及偏振无关隔离器7的工作波长为1550 nm。

所述光纤耦合器4采用 90 ：10 的光纤耦合器。

所述偏振有关可饱和吸收体5采用透射型，偏振有关可饱和吸收体5 X方向的可饱和吸收参数与其Y方向的可饱和吸收参数不一致。光纤快轴H对应于偏振有关可饱和吸收体的X方向，而光纤慢轴V对应于偏振有关可饱和吸收体的Y方向。

所述第一偏振控制器6和第二偏振控制器8均采用三片线圈旋转式偏振控制器。

所述偏振分束器9为光纤耦合型。

采用被动锁模矢量孤子光纤激光器输出矢量孤子的方法如下：由光纤耦合器4输出偏振锁定矢量孤子或偏振旋转锁定矢量孤子两种光脉冲，光纤耦合器4的第一输出端a输出10%光信号经过第二偏振控制器8及偏振分束器9，由偏振分束器9输出两个偏振方向正交的光脉冲，两个光脉冲分别为第一光脉冲10及第二光脉冲11，第一光脉冲10 为偏振锁定矢量孤子H偏振分量或偏振旋转锁定矢量孤子H偏振分量，第二光脉冲11为偏振锁定矢量孤子V偏振分量或偏振旋转锁定矢量孤子V偏振分量。

光纤耦合器4的第二输出端b输出90%的光信号，90%的光信号经过偏振有关可饱和吸收体5、第一偏振控制器6及偏振无关隔离器7从光纤波分复用器2的透射端进入光纤波分复用器2。

被动锁模矢量孤子光纤激光器输出偏振锁定矢量孤子H偏振分量和偏振锁定矢量孤子V偏振分量及偏振旋转锁定矢量孤子H偏振分量和偏振旋转锁定矢量孤子V偏振分量是通过光纤耦合器4输出偏振锁定矢量孤子或偏振旋转锁定矢量孤子两种光信号来实现，调整泵浦源1的功率和第一偏振控制器6的θ角能够实现两者的转换。其具体操作方法如下：

A、偏振锁定矢量孤子偏振分量的输出，调整泵浦源1的功率，将泵浦源1功率调整到120mW，第一偏振控制器6的θ角为0，此时，光纤耦合器4输出偏振锁定矢量孤子光信号，由于偏振有关可饱和吸收体5的偏振有关可饱和吸收作用，光纤耦合器4的第一输出端a输出10%的光信号，光信号经过第二偏振控制器8及偏振分束器9，由偏振分束器9输出两个偏振方向正交的光脉冲，两个光脉冲分别为第一光脉冲及第二光脉冲，第一光脉冲为偏振锁定矢量孤子H偏振分量，第二光脉冲为偏振锁定矢量孤子V偏振分量。

偏振锁定矢量孤子的H和V两个偏振分量的归一化光强如附图2所示，H和V两个偏振分量的相对光强不同，用总光强归一化。

偏振锁定矢量孤子的H和V两个偏振分量的相位如附图3所示，沿整个脉冲剖面，H和V两个偏振分量的相位差为π/2。

偏振锁定矢量孤子的H和V两个偏振分量的光谱如附图4所示。

100圈偏振锁定矢量孤子的庞加莱球图如附图5所示，在庞加莱球上可以看出，100圈脉冲的偏振态都集中在庞加莱球的一点，说明这些脉冲的偏振态是相同的。

B、偏振旋转锁定矢量孤子偏振分量的输出，调整第一偏振控制器6的θ角到π/4，此时，光纤耦合器输4出偏振旋转锁定矢量孤子光信号，由于偏振有关可饱和吸收体的偏振有关可饱和吸收作用，光纤耦合器4的第一输出端a输出10%的光信号，光信号经过第二偏振控制器8及偏振分束器9，由偏振分束器9输出两个偏振方向正交的光脉冲，两个光脉冲分别为第一光脉冲10及第二光脉冲11，第一光脉冲10为偏振旋转锁定矢量孤子H偏振分量，第二光脉冲11为偏振旋转锁定矢量孤子V偏振分量。在激光器的输出端记录100圈的输出脉冲，H和V两个偏振分量的脉冲峰值光强出现周期性振荡，但是总光强保持稳定。

光纤耦合器4的第二输出端b输出90%的光信号，90%的光信号经过偏振有关可饱和吸收体5、第一偏振控制器6及偏振无关隔离器7从光纤波分复用器2的透射端进入光纤波分复用器2。

偏振旋转锁定矢量孤子的H偏振分量的光强如附图6所示。

偏振旋转锁定矢量孤子的V偏振分量的光强如附图7所示。

偏振旋转锁定矢量孤子的总光强如附图8所示。

100圈偏振旋转锁定矢量孤子的庞加莱球图如附图9所示，在庞加莱球上看到，这些脉冲的偏振态在庞加莱球上分布成一个环形的闭合曲线，脉冲的偏振态呈现周期性地变化。

输出的100圈脉冲经过偏振分束器9之后，得到脉冲峰值光强发生周期性地变化，其峰值功率的偏振演化频率（PEF）为0.11/Tc，其中Tc为光脉冲循环谐振腔一周的时间，100圈偏振锁定矢量孤子经过偏振分束器后的光强如附图10所示，100圈偏振锁定矢量孤子经过偏振分束器后的峰值功率偏振演化频率如附图11所示。

实施例二、本实施例采用了实施例一的技术方案，与实施例一不同的是，所述的泵浦源1采用单模光纤耦合的半导体激光器，波长为980 nm，所述的光纤波分复用器2的工作波长为 980/1550 nm。

实施例三、本实施例采用了实施例一的技术方案，与实施例一不同的是，所述偏振有关可饱和吸收体5采用反射型，偏振有关可饱和吸收体5 X方向的可饱和吸收参数与其Y方向的可饱和吸收参数不一致。光纤快轴H对应于偏振有关可饱和吸收体的X方向，而光纤慢轴V对应于偏振有关可饱和吸收体的Y方向。

实施例四、本实施例采用了实施例三的技术方案，与实施例三不同的是，所述的泵浦源1采用单模光纤耦合的半导体激光器，波长为980 nm，所述的光纤波分复用器2的工作波长为 980/1550 nm。