复合腔光纤激光器及其实现异种脉冲格式相干调制的方法与流程

本发明涉及光纤激光器技术领域，特别涉及一种复合腔光纤激光器及其实现异种脉冲格式相干调制的方法。

背景技术：

多脉冲现象是锁模光纤激光器运转的普遍现象与本征属性。多脉冲的产生机理，一般被认为是色散、非线性、增益、损耗以及腔内饱和吸收效应的联合作用的结果，对于同一激光器，可以通过改变偏振设置、抽运功率来获得多脉冲激光。然而在激光器的参数调节过程中，多脉冲的产生、簇包络结构以及时域分布是随机出现的、不可预计的、不可控制的。为此，多脉冲激光的研究工作更多的是停留在原理性的探讨上，在技术应用上很少涉及。最近，人们意识到在激光器中引入主动介入的滤波效应或调制功能器件，可实现部分可控的脉冲产生。现已报道的主动介入的滤波效应或调制功能器件的方法有：内嵌Fabry–Pérot滤波器【文献1.Y.L.Qi et al,Opt.Express 23,17720(2015)】、Lyot滤波器【文献2.S.Liu et al,IEEE Photon.Technol.Lett.28,864(2016)】、微型共振腔(microing resonator)【文献3.M.Peccianti et al,Nat.Commun.3,765(2012)】或Mach-Zehnder干涉仪【文献4.D.Mao et al,Sci.Rep.3,3223(2013)】等。

常见的多脉冲现象，如孤子雨、孤子分子、怪波等，所形成的脉冲团簇是由同种脉冲格式组成。然而，最新的研究进展发现，同一激光器不仅能产生同种脉冲格式的多脉冲现象，而且也能产生异种脉冲格式的多脉冲现象。异种脉冲格式之间相互作用不呈现出明显的相干性，其原因在于异种脉冲格式产生于同一透射率函数的不同透射峰，因此它们的相位很难锁定。如在“8”字形NALM腔激光器中获得的孤子分子与方波类噪声共存的多脉冲叠加态【文献5.Y.-Q.Huang et al,Opt.Lett.41,4056(2016)】、在环形腔激光器中获得的常规孤子与耗散孤子共存的多脉冲叠加态【文献6.D.Mao et al,Opt.Lett.38,3190(2013)】，以及在复合腔激光器中获得的调Q锁模与方波类噪声共存的多脉冲叠加态【文献7.T.Qiao et al,Opt.Express 24,18755(2016)】。这些异种脉冲格式共存叠加态仅是时域上的简单叠加，并不存在着明显的相干相互作用。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种主腔与子腔共享增益光纤且通过在子腔内设置拉锥增益光纤而明显提高激光器输出的异种脉冲格式间相互作用的复合腔光纤激光器以解决现有技术的不足。

本发明的另一个目的是提供复合腔光纤激光器实现异种脉冲格式相干调制的方法。

本发明通过以下技术方案来实现发明目的：

复合腔光纤激光器，包括主腔和内嵌于所述主腔内的子腔，所述主腔包括抽运光源、波分复用器、增益光纤、光纤耦合器和偏振控制器，其特征在于：所述增益光纤为带有平面光纤端面的拉锥增益光纤且设于子腔内，主腔与子腔共用增益光纤且通过光纤端面的空间准直耦合进行对接而实现光路连通，由此，主腔与子腔通过共享相同增益光纤的方式使得复合腔光纤激光器的结构更为紧凑，同时通过调整偏振控制器与抽运功率使子腔和主腔分别基于不同的脉冲产生机制产生的异种脉冲格式间实现相干调制。

进一步地，所述主腔为环形腔、线形腔、“8”字形腔，“σ”形腔、“％”形腔或“9”字形腔中的任意一种，光纤耦合器为Y型或X型。

进一步地，所述主腔为环形腔且还设有光纤隔离器和锁模器，光纤耦合器为Y型，所述抽运光源与波分复用器的抽运信号端连接，波分复用器的合波端与子腔的一个端面连接，子腔的另一个端面依次连接光纤耦合器，偏振控制器、光纤隔离器和锁模器，所述的光纤耦合器的输出端为激光器输出端。

进一步地，所述增益光纤为一体型或倏逝波型拉锥增益光纤；所述倏逝波型拉锥增益光纤是将一根增益光纤加热通过拉锥系统拉锥并拉断为一对光纤锥，再使用光纤耦合系统使得两个熔断光纤锥相互靠近，两个光纤锥均包括锥体端和非锥体端，光纤锥芯径小于10μm，光纤锥锥体长度为0.1～3cm，两个光纤锥的错位空间间隙为10～300μm；所述一体型拉锥增益光纤是将一根增益光纤加热通过拉锥系统使光纤在拉锥过程中间段芯径变小但未拉断而制成。

进一步地，所述子腔内设有由平整的平面光纤端面形成的第一腔镜和第二腔镜，第一腔镜和第二腔镜的光反射率为20％～40％。子腔腔镜反射率是决定主腔与子腔能否同时起振和能否同时产生独立的异种脉冲格式的先决条件，如子腔腔镜反射率太大，将会使得子腔的增益竞争能力比主腔的增益竞争能力强，导致只有子腔能起振，而如果子腔腔镜反射率太小，将会使得子腔的增益竞争能力比主腔的增益竞争能力弱，导致只有主腔能起振。

进一步地，所述第一腔镜和第二腔镜构成Fabry–Pérot子腔。

进一步地，所述主腔为线形腔且子腔内还设有半导体饱和吸收镜，半导体饱和吸收镜与增益光纤的非拉锥端粘贴连接，光纤耦合器为X型，光纤耦合器的两个输出端连接形成一个闭环，一个输入端作为整个激光器的输出端，另一个输入端与波分复用器的抽运信号端连接，波分复用器的合波端依次连接偏振控制器和子腔腔镜，所述增益光纤为一体型或倏逝波型拉锥增益光纤。

进一步地，所述光纤耦合器的分光比为90:10～60:40，所述半导体饱和吸收镜与光纤耦合器分别构成主腔的两个腔镜。

进一步地，所述锁模器为材料饱和吸收体锁模器或类饱和吸收体锁模器中的任一种或二者的组合；所述材料饱和吸收体锁模器为石墨烯、碳纳米管、黑磷、拓扑绝缘体、硫化物系列二维材料、硒化物系列二维材料、半导体饱和吸收体材料、金纳米线一维材料、银纳米线一维材料、酒精或复合材料墨水等具有光学饱和吸收效应的实体材料；所述类饱和吸收体锁模器为通过非线性偏振旋转技术(NPR)、非线性环路镜技术(NOLM)或非线性放大环路镜技术(NALM)实现的类饱和吸收效应。

上述的复合腔光纤激光器实现异种脉冲格式相干调制的方法，包括以下步骤：

S1、将增益光纤的非锥体端面与单模光纤的打磨端面进行空间准直对接使通光效率大于62％，再进行溶胶粘贴固化以形成稳定的子腔；

S2、旋转偏振控制器的手柄角度与手柄的挤压强度，并调节抽运功率使主腔与子腔的激光脉冲具有相同的波长，从而使异种脉冲格式产生共振相互作用；

S3、改变光纤锥锥体重叠区长度和锥体缓度来改变子腔产生的脉冲参数使子腔产生的控制脉冲对主腔产生的信号脉冲进行动态控制。

本发明提供的复合腔光纤激光器，具有以下有益效果：

1、主腔内嵌有子腔，二者共享增益介质且基于独立的脉冲产生机制同时产生各自的脉冲格式，可以通过改变子腔的参数来改变子腔产生的脉冲参数(如重复率、脉宽、时域空间分布)，进而实现子腔产生的控制脉冲对主腔产生的信号脉冲的动态控制，实现同波长的异种脉冲格式构成的多脉冲激光相干叠加态，解决了同种脉冲格式因很难快速而准确地分辨出控制脉冲与信号脉冲所形成多脉冲相干叠加态无法实现的精准光场控制的问题；

2、对Fabry–Pérot子腔中的高掺增益介质进行拉锥，可以获得增强型的偏振、非线性和滤波效应，偏振增益滤波拉锥子腔不仅放大了脉冲、抑制了噪声，而且还增强了光脉冲的非线性效应，进一步增强了异种脉冲格式之间的相互作用，实现了现有激光器中难以实现的异种脉冲格式的相干作用与共振操控，脉冲间的相互作用处于共振状态时，其相互束缚、相互牵引的能力比非相干状态时更为强烈，可以达到良好的光场操控效果。

附图说明

图1为本发明复合腔光纤激光器实施例1的结构示意图；

图2为本发明复合腔光纤激光器实施例2的结构示意图；

图3为本发明复合腔光纤激光器实施例3的结构示意图；

其中：1—抽运光源，2—波分复用器，3a—倏逝波型拉锥增益光纤，3b—一体型拉锥增益光纤，4—子腔，5a—第一腔镜，5b—第二腔镜，6—光纤隔离器，7a—第一偏振控制器，7b—第二偏振控制器，8—光纤耦合器，9—锁模器，10—激光器输出端，11—半导体饱和吸收镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

本发明的复合腔光纤激光器中，抽运光源、波分复用器、光纤隔离器、偏振控制器、光纤耦合器和增益光纤均采用商用器件，根据工作波长为1000nm、1310nm、1550nm和2000nm波段的要求，可分别对应在增益光纤中掺Nd³⁺、Yb³⁺、Pr³⁺、Er³⁺或Tm³⁺。

实施例1

如图1所示，复合腔光纤激光器，包括主腔和内嵌于主腔内的子腔4，主腔包括抽运光源1、波分复用器2、增益光纤、光纤耦合器8和偏振控制器，增益光纤为带有平面光纤端面的拉锥增益光纤且设于子腔4内，主腔与子腔4共用增益光纤且通过光纤端面的空间准直耦合进行对接而实现光路连通。

其中，主腔为环形腔且还设有光纤隔离器6和锁模器9，为了使相干作用更为明显、实验操作调节更为容易设置两个偏振控制器，光纤耦合器8为Y型，抽运光源1与波分复用器2的抽运信号端连接，波分复用器2的合波端与子腔4的一个端面连接，子腔4的另一个端面依次连接光纤耦合器8，第一偏振控制器7a、光纤隔离器6、第二偏振控制器7b和锁模器9，光纤耦合器8的输出端为整个激光器输出端10，子腔4内设有由平整的平面光纤端面形成的第一腔镜5a和第二腔镜5b，第一腔镜5a和第二腔镜5b的光反射率为20％～40％，第一腔镜5a和第二腔镜5b构成Fabry–Pérot子腔。

此外，增益光纤为倏逝波型拉锥增益光纤3a，倏逝波型拉锥增益光纤3a是将一根增益光纤加热通过拉锥系统拉锥并拉断为一对光纤锥，再使用光纤耦合系统使得两个熔断光纤锥相互靠近，两个光纤锥均包括锥体端和非锥体端，光纤锥芯径小于10μm，光纤锥锥体长度为0.1～3cm，两个光纤锥的错位空间间隙为10～300μm；基于倏逝波传输理论，光波将从一个增益光纤锥耦合进另一个增益光纤锥，光纤锥的锥体缓度以及锥体重叠区长度的参数选择，会产生不同的光纤双折射参数，双折射参数可达10^-6～10^-5量级之间，从而使得光波经过不同的锥体参数的光纤锥时呈现不同的偏振特性，由于拉锥光纤的几何尺寸比单模光纤要小很多，导致光纤的非线性系数增强。

锁模器9为材料饱和吸收体锁模器，为具有光学饱和吸收效应的石墨烯，其作用是基于光学饱和吸收效应在激光器中产生自启动光脉冲，光学饱和吸收锁模器可以通过物理超声分散做成光学薄膜或通过热泳法将光学饱和吸收材料沉积在光纤端面上而制得；锁模器9也可以用类饱和吸收体锁模器，采用两个偏振控制器之间放置一个偏振敏感的光纤隔离器6的组合方式，其物理功能是产生类饱和吸收作用，即光波在激光器中运转时因光波偏振态演化与强度有关表现为光波演化的非线性偏振旋转现象，偏振敏感的光纤隔离器6作为偏振光波强度的甄别器可以实现对特定偏振态光波的饱和吸收作用，从而在激光器中产生自启动脉冲，这样，两个偏振控制器之间放置一个偏振敏感的光纤隔离器6的组合就形成了等效的锁模器9，此时激光器中的材料锁模器可以去掉或保留，但如果光纤隔离器6为偏振非敏感型的，与两个偏振控制器则不能构成类饱和吸收效应，激光器中的材料锁模器一定要存在。

使用本实施例的复合腔光纤激光器实现异种脉冲格式相干调制的方法，包括以下步骤：

S1、将增益光纤的非锥体端面与单模光纤的打磨端面进行空间准直对接使通光效率大于62％，使主腔与子腔4具有相当的增益竞争能力，两腔能同时起振，再进行溶胶粘贴固化以形成稳定的子腔4；

S2、旋转第一偏振控制器7a和第二偏振控制器7b中手柄角度与手柄的挤压强度，并调节抽运功率使主腔与子腔4的激光脉冲具有相同的波长，从而使异种脉冲格式产生共振相互作用；

S3、改变光纤锥锥体重叠区长度和锥体缓度来改变子腔产生的脉冲参数使子腔产生的控制脉冲对主腔产生的信号脉冲进行动态控制。

其中，主腔的脉冲产生机制是基于NPR的类饱和吸收效应，而子腔4的脉冲产生机制是增益滤波与非线性效应的联合作用形成的类饱和吸收效应，主腔和子腔基于各自独立的脉冲产生机制分别产生不同的脉冲格式，而选择不同接入的子腔4(即选择不同的子腔4中增益光纤锥的锥体缓度、和锥体耦合长度)可获得物理参数不同的子腔脉冲；

调节偏振控制器可以改变激光器内的偏振设置，使得主腔与子腔4各自产生的异种脉冲格式在时域上产生重叠、在频域上具有相同的波长。当主腔和子腔4产生的不同脉冲格式在激光器中运转时存在着稳定的时域重叠时，基于非线性效应异种脉冲就存在着直接的相干作用，这种异种脉冲之间的相干作用与光场控制是通过改变抽运光源的功率而动态可调的，当异种脉冲格式具有相同的波长和相同的相位差时，异种脉冲格式之间的相互作用将处于共振相干状态，这样，子腔4产生的脉冲格式就对主腔产生的另一脉冲格式进行相干调制与光场控制。

实施例2

如图2所示，与实施例1的不同之处在于，Fabry–Pérot子腔内的增益光纤为一体型增益光纤锥3b，一体型拉锥增益光纤3b是将一根增益光纤加热通过拉锥系统使光纤在拉锥过程中间段芯径变小但未拉断而制成，光纤锥芯径为20～80μm，一体型拉锥增益光纤3b相比倏逝波型拉锥增益光纤3a其制备工艺相对简单且损耗小，无需对拉锥光纤锥对进行空间错位耦合，但一体化型增益光纤锥子腔同样具有增强的非线性、偏振效应以及滤波效应。

使用本实施例的复合腔光纤激光器实现异种脉冲格式相干调制的方法与实施例1相同。

实施例3

如图3所示，复合腔光纤激光器，包括主腔和内嵌于主腔内的子腔4，主腔包括抽运光源1、波分复用器2、增益光纤、光纤耦合器8和偏振控制器，增益光纤为带有平面光纤端面的拉锥增益光纤且设于子腔4内，主腔与子腔4共用增益光纤，主腔为线形腔且子腔4内还设有半导体饱和吸收镜11，半导体饱和吸收镜11与增益光纤的非拉锥端粘贴连接，光纤耦合器8为X型，光纤耦合器8的两个输出端连接形成一个闭环，一个输入端作为整个的激光器输出端10，另一个输入端与波分复用器2的抽运信号端连接，波分复用器2的合波端依次连接偏振控制器和子腔腔镜，增益光纤为倏逝波型拉锥增益光纤3a。

其中，光纤耦合器8的分光比为90:10～60:40，半导体饱和吸收镜11为主腔和子腔4的共同腔镜，半导体饱和吸收镜11与光纤耦合器8分别构成主腔的两个腔镜，半导体饱和吸收镜11和平面光纤端面分别构成Fabry–Pérot子腔的第一腔镜5a和第二腔镜5b，第一腔镜5a和第二腔镜5b的光反射率为20％～40％，此外，半导体饱和吸收镜11还作为锁模器使得激光器产生自启动脉冲。

使用本实施例的复合腔光纤激光器实现异种脉冲格式相干调制的方法与实施例1相同。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。