一种单模多模共生的耗散孤子共振脉冲全光纤锁模激光器及产生方法与流程

1.本发明涉及光学工程、超快非线性光纤光学动力学、光纤激光器技术领域，尤其涉及一种单模多模共生的耗散孤子共振脉冲全光纤锁模激光器及产生方法。


背景技术：

2.耗散孤子共振是光纤激光器工作的一个特殊区域，随增益的增加，在脉冲峰值功率受限的同时脉冲宽度增加，理论上脉冲能量能够无限提升。耗散孤子共振脉冲具有平顶的时域结构且峰值功率受限，其光谱具有陡峭的光谱边缘。当脉冲能量增加时，脉宽增加且光谱的矩形基座不变，新出现的光谱成分位于光谱中间并形成尖峰。2008年，chang等人通过求解复杂的立方五次金兹堡
‑
朗道方程，从理论上发现并提出了耗散孤子共振的运行机制，预测了耗散孤子共振脉冲的存在[1]。2009年，wu等人在掺铒光纤激光器中采用非线性偏振旋转锁模，证实了耗散孤子共振脉冲的存在[2]。随泵浦功率的提升，产生的耗散孤子共振脉冲保持峰值功率不变，脉冲宽度增加。受限于最大泵浦功率，所产生的耗散孤子共振脉冲的最大脉冲能量为281nj，而且脉冲能量和脉冲宽度基本上随泵浦功率线性增长。
[0003]
由于耗散孤子共振在获得大脉冲能量及脉冲可调谐方面的优越性，自其被提出以来，大量关于耗散孤子共振脉冲的研究不断出现。2011年，比尔肯特大学的等人利用非线性光纤环形镜锁模方式，在全光纤结构中获得了重复频率为3.1mhz，脉冲宽度为1ns的矩形脉冲，并通过增益光纤放大至83w[3]。2013年，深圳大学的yang等人在基于非线性放大光纤环形镜锁模技术的8字腔正常色散区的掺铒光纤激光器中将耗散孤子共振脉冲能量提高到379.2nj[4]。2013年，华南师范大学的liu等人首次获得了掺镱单模光纤激光器中的耗散孤子共振脉冲输出，最高的单脉冲能量为3.24nj，脉宽可调节范围由8.8ps到22.92ps[5]。2014年，河北师范大学的li等人利用非线性偏振旋转锁模，获得了正常色散区掺镱光纤激光器的耗散孤子共振脉冲输出，脉冲宽度可由54ns调至91ns，对应最高的单脉冲能量为54.6nj[6]。同年，国防科技大学的cai等人提出了一种掺镱锁模光纤激光器，它可以产生千瓦级峰值功率的耗散孤子共振脉冲，通过非线性光纤环形镜环路长度的减少实现了1.1kw的峰值功率，1.66w的平均功率和160nj能量的耗散孤子共振脉冲，脉冲宽度可以在10.29mhz的重复频率下从48ps调整到146ps[7]。耗散孤子共振脉冲也可以在工作在反常色散区的光纤激光器中形成。
[0004]
耗散孤子共振可以实现脉冲能量的大步提升，达到微焦量级。具有耗散孤子共振的超短脉冲理论上其脉冲能量可以为无穷大。因此能实现耗散孤子共振脉冲输出的光纤锁模激光器具有很大的应用和研究价值。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种单模多模共生的耗散孤子共振脉冲全光纤锁模激光器及产生方法，基于非线性光纤环形镜锁模技术，利用单模光纤耦合器的模式与工作波长的
相关性，旨在光纤激光器中，同时产生单模耗散孤子共振脉冲和多模耗散孤子共振脉冲。
[0006]
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0007]
本发明提供了一种单模多模共生的耗散孤子共振脉冲全光纤锁模激光器，包括泵浦源以及由波分复用器、掺镱光纤、光纤隔离器、第一光纤耦合器、第一偏振控制器和光纤非线性环形反射镜连接形成的光纤环形腔；
[0008]
所述光纤非线性环形反射镜包括四口光纤耦合器，所述四口光纤耦合器的两个输出端口连接第二光纤耦合器、第二偏振控制器和在1μm波段为单模的单模光纤；
[0009]
所述泵浦源与所述波分复用器的泵浦端口连接，所述波分复用器的公共端口依次经掺镱光纤、光纤隔离器、连接至所述第一光纤耦合器的能量输入端口；
[0010]
所述第一光纤耦合器输出比例高于50％的能量输出端口经偏振控制器连接至所述四口光纤耦合器的输入端口；
[0011]
所述四口光纤耦合器的反射端口连接至所述波分复用器的信号端口；
[0012]
所述光纤非线性环形反射镜与所述泵浦源、波分复用器、掺镱光纤、光纤隔离器、第一光纤耦合器和第一偏振控制器通过使用在1μm波段为单模的单模光纤连接，
[0013]
所述四口光纤耦合器、在1μm波段为单模的单模光纤、第二偏振控制器和第二光纤耦合器通过使用在1μm波段为多模、1.55μm波段为单模的单模光纤连接；
[0014]
所述激光器稳定的单模耗散孤子共振脉冲从所述第一光纤耦合器输出比例低于50％的能量输出端口输出，所述激光器稳定的多模耗散孤子共振脉冲从所述第二光纤耦合器输出比例低于20％的能量输出端口输出。
[0015]
进一步地，所述泵浦源为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于976nm，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0016]
进一步地，所述波分复用器的工作波长是980/1064nm，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0017]
进一步地，所述第一光纤耦合器采用输出能量低于50％的光纤耦合器，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0018]
进一步地，所述光纤隔离器采用中心波长为1064nm的隔离器，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0019]
进一步地，所述第一偏振控制器为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，其输出尾纤为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0020]
进一步地，所述四口光纤耦合器采用能量比为20:80的光纤耦合器，其输出尾纤在1μm波段为多模及在1.55μm波段为单模。
[0021]
进一步地，所述第二偏振控制器为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，其输出尾纤在1μm波段为多模及在1.55μm波段为单模。
[0022]
进一步地，所述第二光纤耦合器采用输出能量比小于20％的光纤耦合器，其输出尾纤在1μm波段为多模及在1.55μm波段为单模。
[0023]
本发明还提供一种单模多模共生的耗散孤子共振脉冲的产生方法，包括：
[0024]
通过波分复用器将泵浦连续光耦合进光纤激光器内，掺镱光纤吸收了泵浦连续光，受激辐射出长波段的增益脉冲，增益脉冲在光纤激光器腔内震荡；
[0025]
光纤隔离器使光纤激光器内的增益脉冲单向运行，增益脉冲输入光纤非线性环形
反射镜；
[0026]
顺时针和逆时针传输的增益脉冲在光纤非线性环形反射镜中交会并在输出端经干涉输出，包括：
[0027]
逆时针方向经过在1μm波段为单模的单模光纤时恢复单模模式，经过第二偏振控制器和第二光纤耦合器时从单模模式演变为多模模式并输出多模耗散孤子共振脉冲，最终进入非线性环形镜的输出端；
[0028]
顺时针方向经过第二光纤耦合器和第二偏振控制器为多模模式，经在1μm波段为单模的单模光纤模式过滤恢复单模模式，经四口光纤耦合器演变为多模模式，最终进入非线性环形镜的输出端，与逆时针方向进入的多模激光脉冲完成干涉输出。
[0029]
本发明的有益效果如下：
[0030]
通过让常规单模光纤器件工作在多模波段，在光纤激光器中同时产生单模耗散孤子共振脉冲和多模耗散孤子共振脉冲输出；
[0031]
在1μm波段使用在1.55μm波段为单模的器件，使之工作在多模状态，规避对价格昂贵的多模光纤器件的需求，同时利用激光器设计满足多模和单模共存，从而可以在激光器的不同工作部位分别输出单模耗散孤子共振脉冲和多模耗散孤子共振脉冲。与单模耗散孤子共振脉冲相比，多模耗散孤子共振脉冲可以容纳更多的脉冲能量，本发明也为进一步提升输出脉冲能量奠定基础。
附图说明
[0032]
图1为根据本发明实施例提供的一种实现单模多模共生的耗散孤子共振脉冲全光纤锁模激光器的实验装置图；
[0033]
图2a为根据本发明实施例提供的数值仿真激光器输出的单模耗散孤子共振脉冲时域图；
[0034]
图2b为根据本发明实施例提供的数值仿真激光器输出的单模耗散孤子共振脉冲光谱图；
[0035]
图3a为根据本发明实施例提供的数值仿真激光器输出的多模耗散孤子共振脉冲时域图；
[0036]
图3b为根据本发明实施例提供的数值仿真激光器输出的多模耗散孤子共振脉冲光谱图。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
如图1所示，本发明提供了一种实现单模多模共生的耗散孤子共振脉冲全光纤锁模激光器，包括泵浦源1以及由波分复用器2、掺镱光纤3、光纤隔离器4、第一光纤耦合器5、第一偏振控制器6和光纤非线性环形反射镜用光纤连接成光纤环形腔；其中光纤非线性环形反射镜是将一个四口光纤耦合器7的两个输出端口(7c和7d)通过一段在1μm波段为单模
的单模光纤8、一个第二偏振控制器9和一个第二光纤耦合器10连接而成。所述的泵浦源1与波分复用器2的泵浦端口2a连接，波分复用器2的公共端口2c依次经掺镱光纤3、光纤隔离器4、连接至第一光纤耦合器5的能量输入端口5a，第一光纤耦合器5的70％能量输出端口5c经第一偏振控制器6连接至光纤非线性环形反射镜的输入端口7a，光纤非线性环形反射镜的反射端口7b连接至波分复用器2的信号端口2b；光纤非线性环形反射镜与泵浦源1、波分复用器2、掺镱光纤3、光纤隔离器4、第一光纤耦合器5和第一偏振控制器6之间通过使用在1μm波段为单模的单模光纤连接，光纤非线性环形反射镜内的四口光纤耦合器7、在1μm波段为单模单模光纤8、第二偏振控制器9和第二光纤耦合器10通过使用在1μm波段为多模、1.55μm波段为单模的单模光纤连接,该激光器稳定的单模耗散孤子共振脉冲从第一光纤耦合器5的30％能量输出端口5b输出，稳定的多模耗散孤子共振脉冲从第二光纤耦合器10的10％能量输出端口输出。
[0039]
所述的泵浦源1为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于976nm，对应于掺镱光纤的泵浦吸收峰，提高泵浦效率，输出尾纤类型为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0040]
优选地，所述泵浦源1的输出尾纤为corning hi1060。
[0041]
所述的波分复用器2的工作波长是980/1064nm，作用是将泵浦光耦合进谐振腔内，其尾纤类型为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0042]
优选地，其尾纤类型为corning hi1060。
[0043]
所述的掺镱光纤3型号为yb406，长度为40cm，采购于coractive公司，其掺杂浓度高，最高泵浦吸收达到600db/m，具有很强的增益。
[0044]
该增益光纤优选为yb406，也可选用其它单模掺镱光纤。
[0045]
所述的光纤隔离器4采用中心波长为1064nm的隔离器，作用是限制激光器单向运转，其尾纤类型为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0046]
优选地，其尾纤类型为corning hi1060。
[0047]
所述的第一光纤耦合器5采用能量比为30:70光纤耦合器，作用是输出腔内生成的单模耗散孤子共振脉冲，其尾纤类型为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0048]
优选地，其尾纤类型为corning hi1060。
[0049]
所述的第一偏振控制器6为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，作用是调节谐振腔中光脉冲的偏振及损耗，其尾纤类型为在1μm波段为单模的单模光纤。
[0050]
优选地，其尾纤类型为corning hi1060。
[0051]
所述的四口光纤耦合器7采用能量比为20:80光纤耦合器，作用是将其两个输出端口互相连接组成非线性环形反射镜，作为锁模启动装置，其尾纤类型满足1μm波段多模、1.55μm波段单模。
[0052]
优选地，其尾纤类型为corning smf
‑
28e。
[0053]
所述在1μm波段为单模的单模光纤8长度超过300m且满足1μm波段单模。
[0054]
优选地，其尾纤类型为corning hi1060。
[0055]
所述的第二偏振控制器9为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器，加入环形反射镜中作用是调节光脉冲的偏振及损耗。其尾纤类型满足1μm波段多模、1.55μm波段单模。
[0056]
优选地，其尾纤类型为corning smf
‑
28e。
[0057]
所述的第二光纤耦合器10采用能量比为10:90光纤耦合器，作用是输出腔内生成的多模耗散孤子共振脉冲。其尾纤类型满足1μm波段多模、1.55μm波段单模。
[0058]
优选地，其尾纤类型为corning smf
‑
28e。
[0059]
图1中，标记2a表示本发明的输入端口，标记5b为本发明的单模耗散孤子共振脉冲输出端口，本发明的多模耗散孤子共振脉冲从第二光纤耦合器10输出。
[0060]
本发明激光器中组成非线性环形反射镜的单模光纤8长度为300米或更长。采用长非线性环形反射镜来引入对脉冲的峰值功率钳制效应是本发明激光器实现耗散孤子共振脉冲的关键；采用1μm波段单模的单模光纤8保证非线性环形镜内大部分为单模运行；采用1μm波段多模、1.55μm波段单模的四口光纤耦合器7、第二偏振控制器9和第二光纤耦合器10，保证多模耗散孤子共振脉冲的产生和输出。
[0061]
数值仿真所得激光器输出的单模耗散孤子共振脉冲的时域图和光谱图分别如图2a和2b所示，多模耗散孤子共振脉冲的时域图和光谱图分别如图3a和3b所示。多模耗散孤子共振脉冲的光谱比单模耗散孤子共振脉冲的光谱要复杂，主要体现在主峰结构上。
[0062]
本发明提供了一种单模多模共生的耗散孤子共振脉冲的产生方法，具体步骤如下：通过波分复用器将泵浦连续光耦合进光纤激光器内；掺镱光纤吸收了泵浦连续光，受激辐射出长波段的增益脉冲；增益脉冲在光纤激光器腔内震荡；光隔离器使光纤激光器内的脉冲单向运行；增益脉冲输入非线性环形镜，顺时针和逆时针传输的脉冲在非线性环形镜中交会并在输出端经干涉输出；与传播方向相关的非线性相移积累的不同导致锁模脉冲的产生；虽然非线性环形镜的输出为多模模式，但经主腔内单模光纤的模式过滤，仅单模模式在主腔中传播并实现单模耗散孤子共振脉冲的输出，以单模模式输入非线性环形镜完成循环；非线性环形镜的输入端光纤的工作模式是多模，脉冲在进入非线性环形腔时将从单模模式演变为多模，a)逆时针方向经过单模光纤8时恢复单模模式，经过第二偏振控制器9和第二光纤耦合器10时从单模模式演变为多模并输出多模耗散孤子共振脉冲，最终进入非线性环形镜的输出端；b)顺时针方向经过第二光纤耦合器10和第二偏振控制器9为多模模式，经单模光纤8模式过滤恢复单模模式，经四口光纤耦合器7演变为多模模式，最终进入非线性环形镜的输出端，与逆时针进入的多模激光脉冲完成干涉输出；通过使用较长的单模光纤8，使得单模多模耗散孤子共振脉冲可以在激光器的不同部位稳定产生并输出。
[0063]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。