基于色散補償光纖的耗散孤子和孤子雙波長激光器的制作方法

本發(fā)明涉及一種雙波長激光器，屬于光纖激光器領(lǐng)域，更具體的說是涉及一種基于色散補償光纖的耗散孤子和孤子雙波長激光器。

背景技術(shù)：

超短脈沖激光在光纖通信、生物技術(shù)、醫(yī)療、激光光譜學、超精細加工、時間分辨光譜學等領(lǐng)域具有廣泛的應用。鎖模技術(shù)是獲得超短光脈沖的一種常用方法。因此,對輸出飛秒脈沖的鎖模光纖激光器的研究成為近幾年激光技術(shù)領(lǐng)域研究的一個熱點。一般來說，根據(jù)鎖模方式的不同，可以將鎖模光纖激光器分為兩大類：一類是主動鎖模光纖激光器，其腔內(nèi)必須插入微波信號驅(qū)動的強度調(diào)制器或相位調(diào)制器，提供主動鎖模所必須的振幅調(diào)制或相位調(diào)制。另一類是被動鎖模光纖激光器，這類光纖激光器采用的是全光纖腔的結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)除了增益介質(zhì)，并不需要調(diào)制器和其他的有源器件。近年來被動鎖模光纖激光器得到了迅猛發(fā)展，在皮秒和飛秒量級光源方面具有廣泛的應用。

被動鎖模是獲取超短脈沖的一個非常重要的途徑，它的基本原理是利用腔內(nèi)非線性器件的光透過率對輸入脈沖光強的依賴性，使得脈沖在腔內(nèi)循環(huán)時被不斷地窄化。相比于主動鎖模，被動鎖模光纖激光器的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能夠輸出飛秒量級的超短脈沖，不需要額外的調(diào)制器件即可以實現(xiàn)鎖模，而且鎖模脈沖脈寬更窄，脈沖能量更高，是目前獲取光孤子脈沖的理想平臺。此外，被動鎖模光纖激光器輸出的孤子脈沖具有一些獨特的特征，比如光譜邊帶、泵浦遲滯、脈沖能量量子化、多脈沖輸出和被動諧波鎖模等現(xiàn)象。目前，利用真實可飽和吸收體的鎖模技術(shù)以及基于非線性光環(huán)形鏡(NOLM)、非線性放大環(huán)形鏡(NALM)和非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(Nonlinear polarization rotation,NPR)的人工可飽和吸收體鎖模技術(shù)是被動鎖模光纖激光器中最常用的兩種方式。

在光纖激光器中，激光脈沖在不同色散區(qū)域的形成機制不同。在腔內(nèi)凈色散為反常色散的光纖激光器中，光纖的非線性效應與反常色散效應間的相互作用將會產(chǎn)生傳統(tǒng)的孤子脈沖。而當光纖激光器腔內(nèi)凈色散為正時，正常色散效應與非線性效應、腔內(nèi)增益和損耗的綜合作用可產(chǎn)生耗散孤子脈沖。耗散孤子在高能脈沖和高功率激光技術(shù)中具有較大的應用價值，耗散孤子的單脈沖能量可達傳統(tǒng)孤子的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍且保存脈沖不分裂，是高功率脈沖激光器的發(fā)展方向之一。特別的，能夠同時產(chǎn)生傳統(tǒng)孤子和耗散孤子的雙波長光纖激光器具有較大的實用意義，即可以產(chǎn)生傳統(tǒng)孤子脈沖還可以產(chǎn)生具有較高能量的耗散孤子脈沖。在激光機理研究中耗散孤子也具有很高學術(shù)價值。為了建立耗散孤子脈沖產(chǎn)生的環(huán)境，可使用稀土摻雜光纖或啁啾布拉格光柵控制管理激光腔內(nèi)的凈色散。然而這些管理方法都有缺點，較長的光纖諧振腔會限制重復頻率的提高，啁啾布拉格光柵會導致激光腔內(nèi)損耗的增加。目前搭建耗散孤子和孤子雙波長鎖模光纖激光器的方法主要是在腔內(nèi)插入一段啁啾光纖光柵，啁啾布拉格光柵的作用是為腔內(nèi)提供正常色散，平衡腔內(nèi)的凈色散值使得1550nm和1562nm處的凈色散分別為反常色散和正常色散，從而使得兩個波長處的脈沖分別呈現(xiàn)出傳統(tǒng)孤子和耗散孤子的特征，實現(xiàn)1550nm傳統(tǒng)孤子和1562nm耗散孤子雙波長輸出。本方案提出了一種基于色散補償光纖實現(xiàn)2μm波段耗散孤子和傳統(tǒng)孤子雙波長輸出的鎖模激光器裝置。耗散孤子和傳統(tǒng)孤子的波長分別為1952nm和1980nm，耗散孤子的脈沖寬度為0.64ps，光譜寬度為8nm，傳統(tǒng)孤子的脈沖寬度為0.89ps，光譜寬度為6nm。且在本方案中，雙傳統(tǒng)孤子、傳統(tǒng)孤子/耗散孤子和雙耗散孤子三種狀態(tài)能夠便捷轉(zhuǎn)換。

圖1所示是一種基于啁啾布拉格光柵的1.5μm耗散孤子和孤子雙波長激光器的裝置圖。包括了一段18m長的摻鉺光纖、兩個偏振控制器、一個四端口環(huán)形器、兩個半導體可飽和吸收鏡和一個1nm@1550nm帶寬的啁啾布拉格光柵。激光系統(tǒng)利用一個980nm的激光二極管作為泵浦源，并利用一個波分復用耦合器將泵浦源和激光諧振腔末端一起耦合進諧振腔的首端。激光通過波分復用器后，進入摻鉺光纖進行放大，再進入耦合器，并將耦合器的20％端口作為激光輸出端口。在耦合器后面接入一個偏振控制器控制激光偏振態(tài)，之后是一個四端口環(huán)形器。四端口環(huán)形器有兩個作用，一是作為隔離器防止激光反向傳輸，二是作為連接器件連接半導體可飽和吸收鏡、光纖諧振腔和啁啾布拉格光柵。啁啾布拉格光柵之后連接有另一個偏振控制器和可飽和吸收體器件。在裝置圖中的其它部分為標準單模光纖作為激光傳輸通道。摻鉺光纖和單模光纖的色散分別為-16和17ps/nm/km。啁啾光纖光柵的色散為1.7ps/nm/km。半導體可飽和吸收體SESAM1和SESAM2的調(diào)制深度分別為30％和9％，恢復時間為2ps。激光在腔內(nèi)有兩條不同長度和色散的光路，通過調(diào)節(jié)偏振控制器可同時在激光器中產(chǎn)生1550nm傳統(tǒng)孤子和1562nm耗散孤子。所產(chǎn)生的傳統(tǒng)孤子光譜寬度為0.28nm，脈沖寬度為15.1ps，耗散孤子的光譜寬度為9.5nm，脈沖寬度為0.55ps。

從該裝置圖中可以看出其存在以下缺點：

1、該技術(shù)方案結(jié)構(gòu)復雜，利用四端口環(huán)形器連接了一個啁啾布拉格光柵和兩個半導體可飽和吸收體。傳統(tǒng)孤子和耗散孤子形成過程也較為復查難以調(diào)諧；

2、該技術(shù)方案用到了兩個半導體可飽和吸收體器件，且使用的四端口環(huán)形器和啁啾布拉格光柵較為昂貴，所以激光器成本較高；

3、該技術(shù)方案利用啁啾布拉格光柵作為色散控制器件，其損耗較高，限制了激光器功率的提升；

4、不能實現(xiàn)雙傳統(tǒng)孤子、傳統(tǒng)孤子/耗散孤子和雙耗散孤子三種輸出模式間的轉(zhuǎn)換。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種全新結(jié)構(gòu)的基于色散補償光纖的耗散孤子和孤子雙波長激光器，該雙波長激光器能夠產(chǎn)生2μm波段耗散孤子和孤子雙波長輸出，并具有耗散孤子/傳統(tǒng)孤子、雙耗散孤子和雙傳統(tǒng)孤子三種雙波長輸出模式，從而解決了以往激光器無法在2μm波段輸出耗散孤子和孤子雙波長及輸出模式單一的技術(shù)問題。

為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

基于色散補償光纖的耗散孤子和孤子雙波長激光器，包括激光二極管、合束器、增益光纖、耦合輸出元件、偏振無關(guān)隔離器、保偏光纖、碳納米管，還包括色散補償光纖、起偏器、第一偏振控制器和第二偏振控制器；所述合束器、增益光纖、耦合輸出元件、偏振無關(guān)隔離器、色散補償光纖、保偏光纖、碳納米管、第一偏振控制器、起偏器及所述第二偏振控制器按光纖順序連接構(gòu)成全光纖環(huán)型腔，所述激光二極管與合束器連接作為激光器的泵浦光源，通過所述色散補償光纖對腔內(nèi)凈色散的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)2μm波段耗散孤子和傳統(tǒng)孤子雙波長激光輸出。

優(yōu)選的,所述保偏光纖采用熊貓型或者蝴蝶結(jié)型光纖，所述保偏光纖、第一偏振控制器、起偏器及所述第二偏振控制器共同構(gòu)成濾波模塊。

優(yōu)選的,所述保偏光纖采用微納光纖、Sagnac濾波器、lyot濾波器及級聯(lián)光纖啁啾光柵。

優(yōu)選的,所述碳納米管作為可飽和吸收體與所述濾波模塊配合使用產(chǎn)生雙波長脈沖激光。

優(yōu)選的,所述碳納米管采用石墨烯、黑磷、拓撲絕緣體及其它可飽和吸收材料制成。

優(yōu)選的,所述色散補償光纖起到調(diào)節(jié)腔內(nèi)凈色散的作用，通過優(yōu)化色散補償光纖長度可使得全光纖環(huán)型腔內(nèi)凈色散值在2μm波段的特定波長處基本為0，為耗散孤子和傳統(tǒng)孤子雙波長激光的產(chǎn)生構(gòu)建合適條件。

優(yōu)選的,所述耦合輸出元件為偏振分束器，其兩端分別與所述增益光纖和偏振無關(guān)隔離器相連；所述耦合輸出元件與合束器共同使用構(gòu)成光纖激光器的環(huán)型諧振腔。

優(yōu)選的,所述第一偏振控制器和第二偏振控制器可改變腔內(nèi)雙波長激光的中心波長，可在耗散孤子/傳統(tǒng)孤子、雙耗散孤子和雙傳統(tǒng)孤子三種雙波長激光輸出模式間轉(zhuǎn)換。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)2μm波段傳統(tǒng)孤子和耗散孤子雙波長激光輸出，不需要四端口環(huán)形器和啁啾布拉格光柵，結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低，并提高了能量轉(zhuǎn)換效率。

2、本發(fā)明中雙波長脈沖的重復頻率更加一致。

3、本發(fā)明中雙波長是可調(diào)諧的，通過調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)耗散孤子/傳統(tǒng)孤子、雙耗散孤子和雙傳統(tǒng)孤子三種雙波長輸出模式，從而簡單、便捷的實現(xiàn)雙波長輸出模式轉(zhuǎn)換。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。

圖1所示為本發(fā)明背景技術(shù)中，基于啁啾光纖光柵的1.5μm耗散孤子和孤子雙波長激光器的裝置圖的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是耗散孤子和傳統(tǒng)孤子雙波長輸出光譜圖；

圖中的標記分別表示為：1、激光二極管；2、合束器；3、增益光纖；4、耦合輸出元件；5、輸出光纖；6、偏振無關(guān)隔離器；7、色散補償光纖；8、保偏光纖；9、碳納米管；10、第一偏振控制器；11、起偏器；12、第二偏振控制器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。

如圖2、圖3所示，基于色散補償光纖的耗散孤子和孤子雙波長激光器，包括激光二極管1、合束器2、增益光纖3、耦合輸出元件4、偏振無關(guān)隔離器6、保偏光纖8、碳納米管9，還包括色散補償光纖7、起偏器11、第一偏振控制器10和第二偏振控制器12；所述合束器2、增益光纖3、耦合輸出元件4、偏振無關(guān)隔離器6、色散補償光纖7、保偏光纖8、碳納米管9、第一偏振控制器10、起偏器11及所述第二偏振控制器12按光纖順序連接構(gòu)成全光纖環(huán)型腔，所述激光二極管1與合束器2連接作為激光器的泵浦光源，通過所述色散補償光纖對腔內(nèi)凈色散的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)2μm波段耗散孤子和傳統(tǒng)孤子雙波長激光輸出。

所述保偏光纖8采用熊貓型或者蝴蝶結(jié)型光纖，所述保偏光纖8、第一偏振控制器10、起偏器11及所述第二偏振控制器12共同構(gòu)成濾波模塊。

所述保偏光纖8采用微納光纖、Sagnac濾波器、lyot濾波器及級聯(lián)光纖啁啾光柵。

所述碳納米管9作為可飽和吸收體與所述濾波模塊配合使用產(chǎn)生雙波長脈沖激光。

所述碳納米管9采用石墨烯、黑磷、拓撲絕緣體及其它可飽和吸收材料制成。

所述色散補償光纖7起到調(diào)節(jié)腔內(nèi)凈色散的作用，通過優(yōu)化色散補償光纖7長度可使得全光纖環(huán)型腔內(nèi)凈色散值在2μm波段的特定波長處基本為0，為耗散孤子和傳統(tǒng)孤子雙波長激光的產(chǎn)生構(gòu)建合適條件。

所述耦合輸出元件4為偏振分束器，其兩端分別與所述增益光纖3和偏振無關(guān)隔離器6相連；所述耦合輸出元件4與合束器2共同使用構(gòu)成光纖激光器的環(huán)型諧振腔。

所述第一偏振控制器10和第二偏振控制器12可改變腔內(nèi)雙波長激光的中心波長，可在耗散孤子/傳統(tǒng)孤子、雙耗散孤子和雙傳統(tǒng)孤子三種雙波長激光輸出模式間轉(zhuǎn)換。

本實施例激光二極管1采用793nm激光二極管，793nm激光二極管產(chǎn)生的泵浦光通過合束器2進入長度為7m的增益光纖3，增益光纖3吸收793nm泵浦光后通過能級躍遷會產(chǎn)生2μm波段的激光，耦合輸出元件4將產(chǎn)生的2μm激光分為兩部分，一部分通過輸出光纖5作為輸出激光，另一部分通過偏振無關(guān)隔離器6繼續(xù)在激光腔內(nèi)傳輸，2μm激光依次通過長度為10m的色散補償光纖7、長度為0.6m的保偏光纖8以及碳納米管9，通過碳納米管9作用形成鎖模脈沖，最后通過第一偏振控制器10、起偏器11及第二偏振控制器12進行偏振控制，產(chǎn)生偏振態(tài)可控制的偏振激光。

合束器2的作用是將激光二極管1產(chǎn)生的泵浦光和在腔內(nèi)傳輸一周后的激光耦合進增益光纖3中，合束器2可采用(2+1)×1合束器；增益光纖3的作用是產(chǎn)生2μm波段激光提供能級結(jié)構(gòu)，該增益光纖3可以是摻銩光纖；偏振無關(guān)隔離器6的作用是防止激光反向傳輸；色散補償光纖7作用是提供合適的正常色散以平衡全光纖環(huán)型腔腔內(nèi)凈色散，通過優(yōu)化色散補償光纖7長度可使得全光纖環(huán)型腔內(nèi)凈色散值在2μm波段的特定波長處基本為0，為耗散孤子和傳統(tǒng)孤子雙波長激光的產(chǎn)生構(gòu)建合適條件；保偏光纖8作用是保持腔內(nèi)激光的偏振態(tài)特性，保偏光纖8最好選擇熊貓型或者蝴蝶結(jié)型光纖，但也可以選擇微納光纖、Sagnac濾波器、lyot濾波器、級聯(lián)光纖啁啾光柵等作為濾波器件進行濾波；碳納米管9作用是作為可飽和吸收體對激光脈沖進行調(diào)制和整形，產(chǎn)生鎖模脈沖，納米管9也可采用石墨烯、黑磷、拓撲絕緣體及其它可飽和吸收材料制成加以替代；第一偏振控制器10、起偏器11及第二偏振控制器12三個器件則共同作用產(chǎn)生偏振態(tài)可控制的偏振激光并與保偏光纖8共同構(gòu)成濾波模塊，產(chǎn)生雙波長激光，通過調(diào)節(jié)所述偏振控制器改變?yōu)V波特性達到調(diào)諧雙波長激光的目的，碳納米管9作為可飽和吸收體與該濾波模塊配合使用產(chǎn)生雙波長脈沖激光。

耦合輸出元件4為偏振分束器，其兩端分別與所述增益光纖3和所述偏振無關(guān)隔離器6相連；所述耦合輸出元件4與所述合束器2共同使用構(gòu)成光纖激光器的環(huán)型諧振腔。

本實施例通過以上結(jié)構(gòu)設計，能夠?qū)崿F(xiàn)2μm波段傳統(tǒng)孤子和耗散孤子雙波長激光輸出，不需要傳統(tǒng)的四端口環(huán)形器和啁啾布拉格光柵，結(jié)構(gòu)更簡單，成本更低，并提高了能量轉(zhuǎn)換效率，并且雙波長脈沖的重復頻率更加一致。

本實施例通過以上結(jié)構(gòu)設計，從而可以調(diào)節(jié)輸出的雙波長，通過調(diào)節(jié)第一偏振控制器10和第二偏振控制器12可以實現(xiàn)耗散孤子/傳統(tǒng)孤子、雙耗散孤子和雙傳統(tǒng)孤子三種雙波長輸出模式，從而簡單、便捷的實現(xiàn)雙波長輸出模式轉(zhuǎn)換。

如圖3所示為耗散孤子和傳統(tǒng)孤子雙波長輸出光譜圖；泵浦光源1采用793nm激光二極管時，由于存在色散補償光纖7，使得腔內(nèi)凈色散在1965nm處的凈色散值為0，此時稱1965nm為零色散波長。調(diào)節(jié)第一偏振控制器10和第二偏振控制器12，腔內(nèi)的雙波長脈沖改變，當雙波長脈沖中的短波脈沖和長波脈沖分別處于零色散波長兩端時，短波脈沖處于正常色散區(qū)，長波脈沖處于反常色散區(qū)，所以分別呈現(xiàn)出1952nm耗散孤子和1980nm傳統(tǒng)孤子狀態(tài)，從圖中也可得出耗散孤子的脈沖寬度為0.64ps，光譜寬度為8nm；傳統(tǒng)孤子的脈沖寬度為0.89ps，光譜寬度為6nm。

通過調(diào)節(jié)第一偏振控制器10和第二偏振控制器12時，還可使得腔內(nèi)的雙波長脈沖同時短于零色散波長或同時長于零色散波長。當雙波長脈沖同時短于零色散波長時，兩個波長都處于正常色散區(qū)，將產(chǎn)生雙耗散孤子輸出；當雙波長脈沖同時長于零色散波長時，兩個波長都處于反常色散區(qū)，將產(chǎn)生雙傳統(tǒng)孤子輸出，從而通過調(diào)節(jié)偏振控制器可便捷的轉(zhuǎn)換雙波長激光輸出模式。

如上所述即為本發(fā)明的實施例。所述實施例以及實施例中的具體參數(shù)僅是為了清楚表述發(fā)明人的發(fā)明驗證過程，并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，本發(fā)明的專利保護范圍仍然以其權(quán)利要求書為準，凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。