基于啁啾光纤布拉格光栅多种孤子态输出的全保偏锁模光纤激光器的制作方法

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种基于啁啾光纤布拉格光栅多种孤子态输出的全保偏锁模光纤激光器，该激光器可同时产生环境自稳定单脉冲、离散孤子和束缚态孤子，属于一种用掺yb的保偏光纤实现的，通过改变泵浦功率可稳定输出单脉冲、离散孤子和束缚态孤子的光纤激光器。

背景技术：

1986年，美国科学家fork等在染料激光器中采用碰撞锁模方式获得了脉冲宽度小于100fs的激光脉冲，标志着飞秒激光时代的来临。飞秒激光器作具有“超短”和“超稳”的双重特点，在强场激光物理，超快化学动力学，微结构材料科学和生命科学等有着广泛的应用。作为光纤激光器的重要成员之一，飞秒光纤激光器不但具有其他飞秒光纤激光器的主要优点外，还具有：高峰值功率、低热效应和接近衍射极限的高质量光束等特点。目前在各种掺杂稀土例子光纤中，掺yb光纤因具有宽的发射带宽、大的饱和通量以及很高的光光转化效率等特点，越来越引起研究者的极大兴趣。为了获得高功率、大能量掺yb超短脉冲激光输出，通常采用的是全正色散脉冲激光作为只要实现方案。但是由此带来的一个问题是，大量的正色散积累导致脉冲展宽而无法实现超短脉冲输出或者出现脉冲劈裂，所以如何平衡能量与脉宽之间的关系仍是一个亟待解决的问题。随着光纤布拉格光栅制备技术的不断进步，具有特殊结构的啁啾光纤布拉格光栅制备成为了可能，为实现1μm波段的自相似超短脉冲光纤激光器的实现提供可能。

孤子是形式特殊的超短脉冲，它在传播过程中保持形状，幅度和速度不变。而在光纤激光器研究当中，根据非线性色散参数的不同，通常又将光孤子分为全正色散的耗散孤子、自相似子、展宽脉冲孤子以及传统的光孤子。传统的光孤子由于非线性效应的累积导致脉冲劈裂，限制了超短脉冲的能量。而自相似子光纤脉冲可以保持较高能量而不发生脉冲劈裂，单脉冲能量可达数十纳焦，因此很容易获得高平均功率锁模激光。也从理论和实验上观察到激光器中的自相似锁模脉冲演化，并理论研究了自相似锁模激光器的形成原理。因此如果采用色散控制来实现自相似光孤子输出是掺镱超短脉冲激光亟待解决的问题之一。但是目前的研究中，只涉及到对其中某一种孤子的研究，而对单脉冲、离散孤子和束缚态自相似孤子之间的关系和它们的形成机制研究成为热点。但是目前所有的光纤激光实现方案只能单独实现单个脉冲或者离散孤子或者束缚态光孤子的输出，这也影响到激光器的进一步应用或者使得激光系统的造价比较昂贵影响其使用范围。

因此，为了实现自相似掺镱光纤锁模激光系统适应不同领域的应用，提高掺镱光纤激光器的实用性和灵活性，有必要研究多种自相似光孤子状态灵活切换、结构简单、环境自稳定全保偏光纤激光系统。根据申请人所进行的资料检索，到目前为止，还未出现过多种自相似光孤子灵活切换全保偏光纤结构锁模掺镱超短脉冲激光相关报道。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种基于啁啾光纤布拉格光栅多种孤子态输出的全保偏锁模光纤激光器。

为实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于啁啾光纤布拉格光栅多种孤子态输出的全保偏锁模光纤激光器，其特征在于，由泵浦源，波分复用器，啁啾光纤布拉格光栅、掺yb保偏增益光纤、保偏光纤耦合器、保偏光纤聚焦器、半导体可饱和吸收体和保偏光纤构成全光纤的线型谐振腔；其中，波分复用器有输入端口、第一输出端口和第二输出端口；

所述泵浦源的尾纤与波分复用器有输入端口连接，波分复用器的第一输出端口为输出端，第二输出端口依次经掺yb保偏增益光纤与光纤耦合器、保偏光纤聚焦器，最后聚焦于半导体可饱和吸收体；其中的光纤耦合器的两个输出端口作为激光器的输出端来研究腔内孤子的演化过程和监视锁模稳定性。

根据本发明，所述的泵浦源选择单模保偏光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于976nm附近，中心波长采用自锁定装置锁定。

所述的波分复用器的工作波长是980/1030nm。

所述的光纤布拉格光栅的中心波长为1030nm，光谱带宽为10nm，色散量为0.24ps/nm。

所述的掺yb增益光纤的吸收系数为140db/m＠915nm。

所述的光纤耦合器为分束比为30％:70％的2×2型光纤耦合器，其中，70％用于腔内振荡，30％用于激光耦合输出。

所述保偏光纤聚焦器的工作波长为1030nm，工作距离2.2mm，光斑大小为0.9mm。

所述可饱和吸收体的调制深度为32％，饱和能流密度为110μj/cm²，非饱和吸收损耗为20％，弛豫时间为500fs。

所述波分复用器、啁啾光纤布拉格光栅、光纤耦合器、保偏光纤聚焦器的尾纤均为普通pm980的保偏光纤。

本发明的基于啁啾光纤布拉格光栅多种孤子态输出的全保偏锁模光纤激光器，性能可靠、成本低廉及可实现自启动锁模，通过改变泵浦功率可产生单脉冲、离散孤子和束缚态孤子的稳定激光输出。为研究不同状态光孤子和孤子之间的相互作用提供了一种简单，可靠的实现方案。

所带来的有益技术效果是：

1、采用掺yb光纤，具有宽的发射带宽、大的饱和通量以及很高的光光转化效率等特点，可以实现宽度短、能量高的超短脉冲。

2、啁啾光纤布拉格光栅作为一个关键元器件，在谐振腔的作用有二：

(1)提供负色散，补偿腔内光纤及其它元件引入的负色散；

(2)作为激光谐振腔的一个端镜。

3、通过改变泵浦功率，可同时产生单脉冲、离散孤子和束缚态孤子的稳定激光输出，为研究不同状态光孤子之间的区别和联系提供了一种简单，可靠的实现方案。

4、结构简单，尺寸很小、成本较低、锁模稳定性高，可实现自启动，输出脉冲几百飞秒，可以广泛应用于材料的调制特性测量、光纤光学频率梳、光纤放大系统中，具有较好的应用前景和商业价值。

附图说明

图1为本发明的基于啁啾光纤布拉格光栅多种孤子态输出的全保偏锁模光纤激光器结构示意图。

图2为本发明实施例中采用自相关仪在输出端口2a测得的单脉冲宽度信号示意图；

图3为本发明实施例中采用自相关仪在输出端口2a测得的单脉冲宽度经外部压缩的信号示意图；

图4是本发明实施例中采用自相关仪在2×2光纤耦合器输出端口5c测得的离散孤子的信号示意图；

图5是本发明实施例中采用自相关仪在2×2光纤耦合器输出端口5c测得的束缚态孤子的信号示意图

其中的标记分别表示：1、泵浦源，2、波分复用器，3、啁啾光纤布拉格光栅，4、掺yb保偏增益光纤，5、光纤耦合器，6、保偏光纤聚焦器，7、半导体可饱和吸收体。

以下结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

具体实施方式

参见图1，本实施例给出一种基于啁啾光纤布拉格光栅多种孤子态输出的全保偏锁模光纤激光器，由泵浦源1，波分复用器2，啁啾光纤布拉格光栅3、掺yb保偏增益光纤4、保偏光纤耦合器5、保偏光纤聚焦器6、半导体可饱和吸收体7和保偏光纤构成全光纤的线型谐振腔；其中，波分复用器2有输入端口2c、第一输出端口2a和第二输出端口2b；

泵浦源1的尾纤与波分复用器2的输入端口2c相连接，波分复用器2的第二输出端口2b依次经掺yb保偏增益光纤4与2×2光纤耦合器5、保偏光纤聚焦器6，最后聚焦于半导体可饱和吸收体7；其中的2×2光纤耦合器5的两个输出端口(5c，5d)作为激光器的输出端来研究腔内孤子的演化过程和监视锁模稳定性。

本实施例中，泵浦源1选择单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于976nm附近，中心波长采用自锁定装置锁定。

波分复用器2的工作波长是980/1030nm，波分复用器2的尾纤类型为pm980的普通保偏光纤。

啁啾光纤布拉格光栅3的中心波长为1030nm，光谱带宽为10nm，色散量为0.24ps/nm。

掺yb保偏增益光纤4的吸收系数为140db/m＠915nm。

光纤耦合器5选择分束比为30％：70％的2×2型光纤耦合器，其中，70％用于腔内振荡，30％耦合输出。

保偏光纤聚焦器6的工作波长为1030nm，工作距离2.2mm，光斑大小0.9mm。

可饱和吸收体7的调制深度为32％，饱和能流密度为110μj/cm²，非饱和吸收损耗为20％，弛豫时间为500fs。

波分复用器2、啁啾光纤布拉格光栅3、光纤耦合器5、保偏光纤聚焦器6的尾纤均为普通pm980的保偏光纤。

本实施例给出的基于啁啾光纤布拉格光栅多种孤子态输出的全保偏锁模光纤激光器，采用单模保偏泵浦源和掺yb保偏光纤可以实现锁模脉冲输出；同时合理优化半导体可饱和吸收体的位置、角度和谐振腔的腔长，保证了稳定的超短脉冲输出。通过改变泵浦功率，可实现单脉冲、离散孤子和束缚态孤子的稳定输出。这样就实现了一种同时可产生单脉冲，离散孤子和束缚态孤子的全保偏锁模脉冲光纤激光器

本实施例给出的基于啁啾光纤布拉格光栅多种孤子态输出的全保偏锁模光纤激光器，在保偏掺yb增益光纤上实现单脉冲，离散孤子，束缚态孤子的同时稳定锁模激光输出。

单脉冲时，在波分复用器2的第一输出端2a可以获得如图2所示脉冲宽度为4.8ps的锁模激光输出(假设脉冲是双曲正割型)，经过腔外压缩，可获得的脉冲宽度为280fs(图3)，重复频率为26mhz，平均输出功率为8mw。通过改变泵浦功率，可以获得图4所示稳定的离散孤子和如图5所示的束缚态孤子。

尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本发明不限于上述实施例，本领域的技术人员在本发明的技术方案的基础上所进行简单修改、添加或者等同替换，都应属于本发明技术方案保护的范围。