专利名称：波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于通信、医学、光学测量等领域的光纤激光器，具体是一种波长大范围动态可调谐的锁模脉冲掺秘光纤激光器。
背景技术：
目前作为光纤激光器的高效率增益介质主要有三种稀土离子(Yb3+、Er3+、Tm3+) 的掺杂光纤，它们的激射波长范围分别在1030-1120nm (Yb3+)、1530_1600nm (Er3+)和 1750-2100nm(Tm3+)o由此可以看出，光纤激光器的激射波长在1000_2000nm范围内还有较大波长间隙(1150-1500nm)没有相对应的高效率增益光纤，而恰恰这些不能激射的波长范围在通信系统、医学及航天等领域有着重要的应用。特别地，这些不能激射波长范围包括了在1300nm附近的具有低光纤色散的光纤通信第二窗口。虽然在1300nm波长附近可以通过掺Pr3+光纤或者光纤拉曼效应来实现增益和激射，但是它们自身固有的缺点，例如掺Pr3+光纤与普通光纤的熔接困难，光纤拉曼效应系统的低效率及复杂性，使它们的应用受到了限制。因此，要在1150-1500nm范围内获得高效率的增益和光纤激光输出，必然要寻找具有更大带宽、更高效率的新型增益介质，这对光纤激光技术的发展无疑具有非常重要的意义。
近几年来一种新的增益介质一掺铋光纤的出现，使得上述问题 有望得以解决。 掺铋光纤最显著的特点就是具有超宽带增益波长范围(1100-1600nm)，覆盖了普通单模光纤的低损耗和低色散波长窗口，打破了目前在1150-1500nm的激射波长范围没有相对应高效率增益光纤的限制，这就使得超宽带光放大器和波长大范围动态可调谐脉冲光纤激光器的研制和开发成为了可能。因此，掺铋光纤无论作为光纤放大器还是光纤激光器的增益材料，都有着极大的吸引力，受到了各国科学家的竞相研究。其中波长连续可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器在生物医学研究、光谱分析、光学测量、通信等领域的应用尤为重要。
目前,对波长可调谐锁模脉冲掺秘光纤激光器的研究已有报道。在先技术之一，芬兰研究人员S. KivistS等人(《Tunable modelocked bismuth-doped soliton fibre laser)) Electron. Lett. 44(25)pp: 1456-14572008)通过在腔内加空间光栅对进行色散补偿，利用可饱和吸收镜，获得了中心波长在1160nm附近、脉冲宽度为0. 9ps的可调谐脉冲输出，通过移动聚焦物镜实现其波长从1153nm至1170nm可调谐，范围仅为17nm。但是其可调谐范围受制于物镜的角度，因此即使掺铋光纤有巨大的增益带宽，其激光器的调谐范围也有限 ’另夕卜，该激光器并非全光纤结构，使得该技术缺乏灵活可调的操作以及难以集成。在先技术之二，俄罗斯研究人员 A. V. Shubin等人(《Evolution and stability of pulse regimes in SESAM-mode-locked femtosecond fiber lasers》0pt.Lett. 37(13)pp:2589_25912012)通过在激光器腔中接入不同峰值波长的光栅对来获得在1389nm、1480nm、1500nm、1538nm波长处可选择输出。采用该技术实现激射波长切换输出，必须每次在激光器腔内接入不同峰值波长的光栅对，因此不能灵活实现波长的动态调谐。
为了使锁模脉冲掺铋光纤激光器适应不同领域的应用，提高掺铋光纤激光器的实用性和灵活性，充分利用掺铋光纤的增益带宽，有必要研制波长大范围灵活可调谐的、结构简单的锁模脉冲掺铋光纤激光器。到目前为止，还没有出现过输出波长大范围动态灵活可调谐且是全光纤结构的锁模脉冲掺铋光纤激光器的报道。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足之处，提供一种结构简单、成本低廉、波长大范围动态可调谐、全光纤结构的锁模脉冲掺秘光纤激光器，旨在解决现有掺秘光纤激光器的锁模脉冲波长调谐范围受限，无法连续可调谐的问题。
本发明采用如下技术方案实现上述目的本波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器，激光腔采用环形腔结构，包括泵浦源、波分复用器、掺铋光纤、输出耦合器、偏振控制器及偏振相关隔离器，所述泵浦源、波分复用器、掺铋光纤及输出耦合器依次连接； 所述输出耦合器、偏振控制器及偏振相关隔离器依次连接，或者所述输出耦合器、偏振相关隔离器及偏振控制器依次连接；所述偏振相关隔离器内设有起偏器；经过偏振相关隔离器后的激光偏振态与腔内单模光纤水平轴X的夹角为θ i，激光在腔内运转一圈后再次回到偏振相关隔离器时其检偏方向与光纤水平轴X的夹角为Θ 2 ;该掺秘光纤激光器的锁模脉冲波长的连续可调谐通过所述偏振控制器对91和02在0-21之间连续可调来实现。
所述偏振控制器包括第一偏振控制器、第二 偏振控制器，所述第一偏振控制器、偏振相关隔离器及第二偏振控制器依次连接；该掺铋光纤激光器的锁模脉冲波长的连续可调谐通过所述第一偏振控制器、第二偏振控制器对91和02在0-231之间连续可调来实现。
本发明的工作原理如下
(I)锁模原理本发明采用非线性偏振旋转技术实现激光器的被动锁模，具体工作原理是由偏振相关隔离器提供的起偏器和腔内弱双折射光纤相结合提供一种波长和强度相关损耗机制，这种机制可被看作是类快可饱和吸收体。通过适当调节腔内的两个在线偏振控制器，使得脉冲在腔内往返过程中不断窄化，最终实现被动锁模，获得超短脉冲输出。
(2)波长可调谐原理因为在激光器腔内有偏振相关隔离器，它与激光器腔内弱双折射光纤相结合提供了一种波长偏振相关损耗机制，即可调谐光谱滤波效应。由于掺秘光纤具有超宽带增益带宽，利用此方案可以在很大波长范围内实现锁模脉冲的动态连续可调谐输出。
与现有技术相比，本发明的波长大范围可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器的优点是
I、是一种全光纤结构的锁模脉冲掺秘激光器，具备宽的波长可调谐范围，锁模脉冲波长的可调谐范围可达40nm以上；且波长可调谐通过偏振控制器调节两个夹角即可实现，操作简单、方便。
2、采用等效光谱滤波效应，无需额外加入光谱滤波器，结构简单、成本低。
3、为实现激光器中心波长的调谐，在结构原理图中，偏振控制器可以只采用一个， 也能达到相同的效果，只是调节的难度会大一点；偏振控制器也可以采用两个，此时是固定其中一个偏振控制器(比如第二偏振控制器)，然后连续调节另外一个偏振控制器，就可以获得波长的连续可调，对应于固定的第二偏振控制器，总能找到合适的角度调节第一偏振控制器，使得锁模脉冲波长可调节。只采用一个偏振控制器时，偏振控制器可以设置在输出耦合器与偏振相关隔离器之间，也可以设置在偏振相关隔离器之后。
图I是波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器的结构原理图2是激光器的等效工作原理示意图3是改变偏振控制器的角度时，激光器透射率随波长的变化关系图4是实验测量的波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器的脉冲序列图，插图为自相关仪测量图5是实验测量的波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器的波长可调谐图。
具体实施例方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例
本发明的掺铋光纤激光器采用环形腔结构，锁模技术采用非线性偏振旋转技术。 本发明获得波长大范围动态可调谐是通过激光器腔内固有的光谱滤波效应，调节偏振控制器来实现。本发明的掺铋光纤激光器的结构如图I所示，包括依次连接的泵浦源I、波分复用器2、掺秘光纤3、输出f禹合器4、第一偏振控制器5、偏振相关隔离器6以及第二偏振控制器7。
偏振相关隔离器6包含有起偏器，图I所示激光器的环形腔可以等效为依次连接的单模光纤8、偏振控制器5及起偏器9的组合,如图2所不；输入光偏振方向与单模光纤水平轴X的夹角为Q1，偏振相关隔离器内的起偏器偏振方向与光纤水平轴X的夹角为θ2。 91和92均可通过两个偏振控制器进行调节。由于光纤存在与波长相关的线性双折射，激光偏振态在腔内是旋转的；不同波长的光在腔内运转一周获得的线性相移不同，因此对应的偏振态也不同。当进一步旋转偏振控制器时，腔内不同波长光的偏振态随之改变，而起偏器只允许某个偏振态的光通过，因此起偏器-偏振控制器-光纤-偏振控制器的组合提供了波长相关偏振损耗机制，使每个波长的损耗不同，从而可以选择激射波长的位置。根据偏振光干涉原理，本发明光纤激光器的透射系数T (即透射率)可以表示为
T = cos2 Θ. cos" Θ, + sin2 Θ, siir Θ、+^-sin(2^)si.n(26^)ζο%{ ^φ, + Acpyi)(I)
其中Ap1= 2;rL(ov -\)/；1是线性相移,么％ 二 2 r 2PLcos(260/(3/l4#)为非线性相移。nx和ny为光纤两个正交轴的折射率，L是第一偏振控制器与第二偏振控制器之间光纤的长度，λ是激射波长，112是非线性系数，P为瞬时功率，Arff为有效纤芯面积。
从公式(I)可以看出，光纤激光器的透射系数T不仅与光强和偏振控制器调节有关，而且随工作波长λ呈周期性变化。当旋转偏振控制器时，91和θ2改变，透射系数也随着波长相应的变化，即相当于起到光谱滤波的效应。图3是偏振控制器在不同位置时，系统的透射率随波长变化的关系曲线。从图中可以明显看出透射率随波长呈现周期性变化， 并且当旋转偏振控制器时可以同时改变透射峰的位置。因此，这种结构的激光腔提供了一个滤波效应，且激射峰值波长的位置取决于偏振控制器的设定。从而，在环形腔光纤激光器中只需适当地调节偏振控制器就可以实现锁模脉冲的波长动态调谐操作。
本发明采用非线性偏振旋转技术实现激光器的被动锁模。锁模原理是由偏振相关隔离器提供的起偏器和腔内弱双折射光纤相结合提供一种强度相关损耗机制，这种机制可被看作是类快可饱和吸收体。具体锁模过程是光通过偏振相关隔离器6后变成线偏振光，经过第二偏振控制器7后变成椭圆偏振光；在光纤中传输时，由于非线性效应使得两个偏振分量产生不同的非线性相移，从而偏振态也发生变化。由于非线性相移是强度相关的， 因此整个脉冲的偏振态是不均匀的。这时，调节第一偏振控制器5使脉冲中心部分线性偏振，与偏振相关隔离器6中提供的起偏器的方向一致，则脉冲中心的高强度部分通过隔离器，而低强度的脉冲边沿部分由于偏振方向不一致被阻挡，这样脉冲在腔内往返一次后变窄，这种机制类似于快可饱和吸收体。通过适当调节腔内的两个在线偏振控制器，使得脉冲在腔内往返过程中不断窄化，最后实现被动锁模，获得稳定的超短脉冲输出。两个偏振控制器可对91和02在0-21之间连续可调；具体操作中，可以先固定其中一个偏振控制器的角度，然后调节另外一个偏振控制器。
根据掺铋光纤的特性，本实施例选择1064nm波长的掺镱光纤激光器作为泵浦源， 设计并定制中心波长在1160nm的偏振控制器、偏振相关隔离器、耦合器、波分复用器，将各个器件按照图I的顺序进行熔接。在耦合器的输出端口通过光谱仪和示波器测量输出激光的特性。当调节偏振控制器的角度时，激光器的透射率随波长的变化关系如图3所示，其中 θ2= η/6，而实线是/9，虚线是/9。当调节偏振控制器的时候，在示波器上可以观察到激射脉冲，如图4所示；而在光谱仪上可以看到激射波长位置连续变化，即波长动态连续可调谐，如图5所示。我们获得的 锁模脉冲宽度是22. 6ps，脉冲波长可调谐范围为 42nm,覆盖了 1140. 5nm至1183nm的波长范围。
本发明的波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器的具体制备过程为选择合适的掺铋光纤以及泵浦源，根据掺铋光纤的增益谱，确定选取波分复用器、偏振控制器、偏振相关隔离器、耦合器；选择这些器件的尾纤类型、尾纤长度。根据原理图I搭建激光腔。器件之间的连接采用尾纤之间相互熔接的方法。耦合器的输出端通过一个1X2的耦合器分为两路，分别接示波器和光谱仪，调节偏振控制器，观察激光器的输出特性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器，激光腔采用环形腔结构，其特征在于，包括泵浦源、波分复用器、掺铋光纤、输出耦合器、偏振控制器及偏振相关隔离器，所述泵浦源、波分复用器、掺铋光纤及输出耦合器依次连接；所述输出耦合器、偏振控制器及偏振相关隔离器依次连接，或者所述输出耦合器、偏振相关隔离器及偏振控制器依次连接；所述偏振相关隔离器内设有起偏器；经过偏振相关隔离器后的激光偏振态与腔内单模光纤水平轴X的夹角为0i，激光在腔内运转一圈后再次回到偏振相关隔离器时其检偏方向与光纤水平轴X的夹角为e 2;该掺铋光纤激光器的锁模脉冲波长的连续可调谐通过所述偏振控制器对e:和e 2在0-2 Ji之间连续可调来实现。
2.根据权利要求I所述的波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器，其特征在于，所述偏振控制器包括第一偏振控制器、第二偏振控制器，所述第一偏振控制器、偏振相关隔离器及第二偏振控制器依次连接；该掺铋光纤激光器的锁模脉冲波长的连续可调谐通过所述第一偏振控制器、第二偏振控制器对91和92在0-231之间连续可调来实现。
3.根据权利要求I所述的波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源的波长为1064nm，所述偏振控制器、偏振相关隔离器、输出耦合器及波分复用器中心波长在1160nm。
全文摘要
本发明涉及一种波长大范围动态可调谐锁模脉冲掺铋光纤激光器，激光腔采用环形腔结构，包括依次连接的泵浦源、波分复用器、掺铋光纤、输出耦合器、偏振控制器及偏振相关隔离器，所述偏振相关隔离器内设有起偏器；经过偏振相关隔离器后的激光偏振态与腔内单模光纤水平轴X的夹角为θ1，激光在腔内运转一圈后再次回到偏振相关隔离器时其检偏方向与光纤水平轴X的夹角为θ2；该掺铋光纤激光器的锁模脉冲波长的连续可调谐通过所述偏振控制器对θ1和θ2在0-2π之间连续可调来实现。解决了现有掺铋光纤激光器的锁模脉冲波长调谐范围受限，无法连续可调谐的问题。
文档编号H01S3/08GK102983484SQ20121056776
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者罗智超, 罗爱平, 徐文成 申请人:华南师范大学