一种基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器

1.本发明专利涉及光纤激光器领域，涉及一种时空锁模的光纤激光器，该激光器用于高功率、高能量脉冲产生。


背景技术：

2.在过去几年中，由于多模光纤独特的非线性特性和潜在的更高功率处理能力，人们重新兴起了对其在线性和非线性状态下的研究兴趣。特别是，具有小模式色散和周期性自成像的渐变折射率多模光纤为研究非线性时空动力学提供了一个吸引人的平台。在渐变折射率多模光纤中观察到的非线性现象中，时空锁模在多模激光系统中的成功实现为三维孤子打开了一个新的视角，在三维孤子中，高阶模式也被纳入锁模过程。2017年，logan wright等人研究发现，渐变折射率多模光纤的模式色散相对较小，这可以通过腔内空间滤波和光谱滤波来抵消，从而允许横模一起传播。于是提出第一台基于空间非线性偏振旋转效应时空锁模光纤激光器，其中纵模和横模同时锁定。随后，基于各种锁模技术的研究成果相继呈现。如通过使用sesam、非线性偏振旋转效应（npr）等效应的锁模技术实现了全光纤结构时空锁模激光器，并得到如耗散孤子、传统孤子、束缚态孤子等，有的并实现了波长可切换和可调谐。
3.但目前由于构成激光器系统使用的锁模器件、空间元器件对环境要求高、插入损耗大、锁模阈值等原因，使得不易应用于实际环境中。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种结构简单、成本较低的基于非线性光学环形镜的全光纤时空锁模掺铒光纤激光器；本发明的锁模主要基于非线性多模光学环形镜效应和渐变折射率光纤中的非线性多模干涉效应两方面的协同作用。前者其原理可以解释如下：入射光经耦合器分成沿相反方向传输的光信号，不同方向的光经过耦合器输出的光的强度不同，也就使得正反传输的两束光的光强不同，虽然经历的光程相同，但由于光纤中的自相位调制、交叉相位调制等非线性效应引起的非线性相移不同，从而两束光在传输一周后在耦合器输出处引起相干干涉；后者其原理可以解释如下：由于渐变折射率多模光纤中的自相位调制以及交叉相位调制等非线性效应会引起等效折射率的改变，最终使得渐变折射率多模光纤中高峰值功率脉冲下的自聚焦长度与低峰值功率脉冲下的不同。对于特定长度的渐变折射率光纤,高峰值功率的脉冲能够恰好自聚焦到单模光纤的纤芯处，而低峰值功率的光信号进入单模光纤的包层中仅为损耗而衰减，此时，渐变折射率光纤具有可饱和吸收体特性。
5.本发明提供的锁模光纤激光器为线性腔结构，泵浦源、波分复用器、全反镜、增益光纤、光耦合器，各个器件之间通过光纤熔接机熔接在一起；半导体泵浦源提供泵浦光通过波分复用器进入谐振腔，一部分泵浦光进入增益光纤，增益光纤吸收泵浦光后发生粒子数反转产生光信号，光信号进入光耦合器分成两束，在光纤环内发生相对传输最终返回光耦
合器并发生相干干涉，其中一部分输出腔外，另一部分与全反镜反射回来的光信号发生作用。
6.半导体泵浦源的输出波长为976nm或1480nm。
7.波分复用器反射端口、光耦合器的工作波长在1520nm~1620nm波段。
8.输出光耦合器的直接输出端与耦合输出端的分光比为50:50，用于激光的输出。
9.全反镜用于反射谐振腔内的光信号，为整个腔提供完整的回路。
10.增益光纤为掺铒光纤，长度为1.8m。
11.与现有技术相比，本发明的基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器，带来的有益效果是：所述的基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器的实现提供了一种新方法。
12.所述激光器结构简单，机械性能优秀，仅需要通过光纤熔接即可实现，损伤阈值高，使用寿命长，能够适用于高功率的锁模光纤激光器中，易于实际推广使用。
13.所述锁模光纤激光器中采用的所有元件或光纤，包括作为锁模元件的光耦合器件，制作工艺非常成熟，均采用成熟的商用元件或商用光纤，大大降低了成本，简化了激光器结构，提高了锁模光纤激光器的稳定性与可靠性。
附图说明
14.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了对本发明的具体结构以及产生的效果做进一步的理解，下面将结合附图说明本发明的目的、特征和效果。
15.图1本发明实例中的基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器结构示意图。
16.图中：1、半导体泵浦源，2、波分复用器，3、掺铒光纤，4、全反镜，5、输出耦合器，6、偏振控制器，图2是本发明实例中激光器锁模运转输出的光谱。
17.图3是本发明实例中激光器锁模运转输出的脉冲序列图。
18.图4是本发明实例中激光器输出脉冲的自相关曲线图。
19.图5是本发明实例中激光器输出孤子的光束轮廓图。
具体实施方案
20.以下给出本发明的一些具体实施案例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施案例中，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面参考附图并结合实施例对来本发明专利详细进行详细、完整的描述。
21.实施例1本实例给出一种基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器。本发明的锁模光纤激光器结构示意图如参照图1所示。半导体泵浦源1通过波分复用器2将泵浦激光引入掺铒光纤3中，经过掺铒光纤3将泵浦光放大后，进入到多模光纤输出耦合器5中分成两束相反方向的光，在各自传输一周后在输出耦合器5处发生相干干涉，一部分光经全反镜4反射回腔内形成振荡，另一部分输出，从而产生激光。腔内的输出耦合器5、偏振控制器6的
尾纤采用都是工作中心波长在1550nm的渐变折射率多模光纤，其中，渐变折射率光纤纤芯尺寸为62.5μm，长度为~6m。其余元器件的尾纤都是采用工作中心波长在1550nm普通单模光纤。半导体泵浦源中心波长为976nm，增益光纤纤芯直径为7μm，泵浦光的吸收系数为55 db/m@1532 nm，增益光纤的长度为1.8m。偏振控制器6的工作中心波长为 1550nm，它的作用是为了改变光信号的偏振状态。输出耦合器的工作中心波长在1550nm，输出耦合比为50:50。其中，一端作为激光器输出，另一端与增益光纤相连，其余两端与偏振控制器相连构成环形。
22.参照图2所示，在泵浦功率为173mw时，基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器锁模脉冲输出光谱图，其中心波长为1592.5nm，3db带宽为2.14nm。可以看到输出光谱带有明显的kelly边带，说明脉冲具有明显的负色散锁模下传统孤子的特性。
23.参照图3所示，从图中可以看出，腔内的锁模脉冲工作在一个相对稳定的状态，脉冲间隔为102.8ns，其相应的脉冲重复频率为9.72546mhz。
24.参照图4所示为当锁模光纤激光器处于稳定锁模脉冲输出脉冲的自相关曲线，其值为1.77ps。
25.参照图5所示为锁模光纤激光器在一个稳定的锁模条件下，所测的孤子分子的模场分布。
26.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本发明相关领域的技术人员来说，凡是本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器，其特征在于，包括以下光学器件：半导体泵浦源、波分复用器、全反镜、增益光纤、光耦合器，偏振控制器，各个器件之间通过光纤熔接机熔接在一起；半导体泵浦源提供泵浦光通过波分复用器进入谐振腔，一部分泵浦光进入增益光纤，增益光纤吸收泵浦光后发生粒子数反转产生光信号，光信号进入光耦合器分成两束，在光纤环内发生相对传输最终返回光耦合器并发生相干干涉，其中一部分输出腔外，另一部分与全反镜反射回来的光信号发生作用。2.根据权利要求1所述的一种基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器，其特征在于：所述半导体泵浦源的输出波长为976nm或1480nm。3.根据权利要求1所述的一种基于非线性光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器，其特征在于：所述波分复用器反射端口、光耦合器的工作波长在1520nm~1620nm波段。4.根据权利要求1所述的一种基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器，其特征在于：所述输出光耦合器的直接输出端与耦合输出端的分光比为50:50，用于激光的输出和光纤环形镜的构成。5.根据权利要求1所述的一种基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器，其特征在于：所述全反镜用于反射谐振腔内的光信号，为整个腔提供完整的回路。6.根据权利要求1所述的一种基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤为掺铒光纤。7.根据权利要求1所述的一种基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器，其特征在于：所述偏振控制器用于改变腔内光信号的偏振状态。

技术总结
本发明公开一种基于非线性多模光学环形镜的时空锁模掺铒光纤激光器，该光纤激光器系统包括：半导体泵浦源、单模波分复用器、单模全反镜、单模增益光纤、多模光耦合器、多模偏振控制器。其中，利用非线性光学环形镜和基于渐变折射率多模光纤的非线性多模干涉效应这两方面的共同作用实现锁模。所述时空锁模光纤激光器为全光纤化，具有结构简单、损伤阈值高等优势，极大地提高了锁模激光器的稳定性以及实用性，并且可以产生比单模光纤激光器更高的能量脉冲。脉冲。脉冲。


技术研发人员：王兆坤 郭铁刚 张学斌
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.10.08
技术公布日：2022/12/16