一种基于As40Se60可饱和吸收体的脉冲光纤激光器的制作方法

本发明涉及光纤
技术领域：
，尤其涉及一种基于as40se60可饱和吸收体的脉冲光纤激光器。
背景技术：
：在通信领域，特别是在长距离大容量通信领域中，光纤通信技术以其无与伦比的传输性能和巨大的带宽潜力中占据着不可替代的位置。为了满足超大容量通信系统的需求，需要扩大光通信系统的传输容量，目前的有效途径是采用复用技术，特别是密集波分复用(dwdm)、光时分复用(otdm)，以及二者之间的有机结合，这已逐渐成为现代通信干线网的主体。而这种光通信方式的一个关键技术就是要获得高质量的超短脉冲源。光纤激光器作为长距离大容量通信系统中的光源，其最大的特点就是其脉冲几乎没有啁啾，在40ghz的高频范围内，不需要进行脉冲压缩或啁啾补偿，就能产生ps/fs级的超短光脉冲，同时，还具有与光纤通信系统的兼容性好,调谐范围宽(40nm)，几乎可以覆盖整个edfa增益谱的波长等优点。锁模光纤激光器所产生的超短脉冲不仅可以作为未来光纤通信系统理想光源，而且在光传感、非线性光学、生物医学、探测诊断、军事等众多领域有着广阔的应用前景。主动锁模光纤激光器容易收到外界环境(如温度变化、机械振动)、超模噪声、谐振腔内偏振态起伏等因素影响，导致脉冲展宽、频率失谐和脉冲抖动。目前为止，锁模光纤激光器采用较多的是被动锁模技术。被动锁模的核心器件是可饱和吸收体(saturableabsorber，sa)，主要分为人造sa和真实sa两大类，人造sa以非线性偏振旋转效应(nonlinearpolarizationrotation,npr)和非线性放大环形镜(nonlinearamplifyingloopmirror,nalm)为典型，真实sa以半导体可饱和吸收镜(semiconductorsaturableabsorbermirrors，sesams)和碳纳米管(carbonnanotubes，cnts)等为代表。目前已有的饱和吸收材料包括半导体可饱和吸收镜，以及石墨烯和黑磷等为代表的材料，但是半导体可饱和吸收镜工作范围小，制作成本较高；石墨烯和黑磷的稳定性不好，容易氧化变质，无法长时间工作。技术实现要素：针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于as40se6可饱和吸收体的脉冲光纤激光器。为达到以上目的，本发明的技术方案为：一种基于as40se6可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，包括泵浦光源以及与泵浦光源相连接的谐振腔，所述谐振腔中包括可饱和吸收体，所述可饱和收体为液态as40se60。所述谐振腔包括依次连接的第一耦合器、增益光纤、第二耦合器、滤波器、以及as40se6可饱和吸收体，可饱和吸收体输出端与第一耦合器相连接，形成环形回路，所述泵浦光源与第一耦合器通过单模光纤相连接，第二耦合器上连接有输出端。所述增益光纤为铒镱共掺增益光纤。所述泵浦光源的波长为972nm。所述as40se6可饱和吸收体的两端光纤的外径为20μm，厚度为3mm。与现有技术比较，本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于as40se6可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，通过在谐振腔中设置as40se6可饱和吸收体，利用光纤中的克尔效应结合硬光阑的锁模方法，在两段光纤端面之间放入非线性介质起到可饱和吸收作用，光束进入非线性介质中，色散与非线性克尔效应之间达到平衡，对脉冲进行整形，再耦合进入光纤中继续传输，as40se60具有高的非线性指数，采用as40se60液体制成kerr介质进行设计可饱和吸收体，可饱和吸收效果最佳，稳定性好、光束质量好，在生物医学、通信传感、材料加工等领域应用广泛。附图说明图1是本发明基于as40se6可饱和吸收体的脉冲光纤激光器结构示意图；图2是本发明腔内循环光脉冲经过光谱过滤器后的能量图；图3是本发明稳定后的腔内脉冲包络图；图4是本发明稳定后经过各个器件的脉冲图。具体实施方式下面将结合附图对本发明做详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。激光光束的非线性折射率的随着激光强度的变化而变化会使激光光束会产生自聚焦现象，也称为克尔效应。穿过介质的光线与内部的原子或者颗粒相互作用，从而导致更高阶的非线性。在中心对称介质中，不存在二阶非线性效应χ(2)，三阶非线性效应χ(3)起到重要的作用。通常三阶非线性效应都是需要通过额外的设计满足一定的相位匹配条件来实现，当相位匹配条件自动满足时，自诱导效应可以自发产生，通常称为克尔效应。在非线性介质中，克尔效应会引起与强度分布成比例的相位延迟，通常在光轴上最大，在边缘最小。这种通过相位分布使光束汇聚或者发散的效应其作用类似于一个透镜。克尔效应可以用数学表达式表出：n＝n0+ni2i式中n是实际折射率，n0是固定折射率，ni2是非线性折射率，i是光强。本发明利用光纤中的克尔效应结合硬光阑的锁模方法设计一种新的可饱和吸收体，硫族化合物液体有着很高的非线性效应以及快速的响应时间。如图1所示，本发明提供了一种基于as40se6可饱和吸收体的脉冲光纤激光器，包括泵浦光源7以及与泵浦光源7相连接的谐振腔，所述谐振腔中包括可饱和吸收体6，所述可饱和收体为as40se60。插入液体中的光纤，输出端涂增反膜，输入端涂增透膜。具体地，所述谐振腔包括依次连接的第一耦合器1、增益光纤2、第二耦合器3、滤波器5、以及可饱和吸收体6，可饱和吸收体6输出端与第一耦合器1相连接，形成环形回路，所述泵浦光源7与第一耦合器1通过单模光纤相连接，第二耦合器3上连接有输出端4。所述泵浦光源的波长为972nm。所述可饱和吸收体的两端光纤的外径为20μm，厚度为3mm。本发明中，所述增益光纤2为er：yb掺杂增益光纤。本发明的原理为：脉冲在光纤中的传播可以利用脉冲传输方程表示。假设脉冲宽度相比较非线性响应时间而言足够宽，自陡峭和脉冲内拉曼散射的影响很小，可以忽略掉。考虑色散和非线性效应，则脉冲传输方程表示为：式中a是慢速脉冲包络振幅，z是传播轴，t是延迟时间。β2为群速度色散，β3为三阶色散(tod)，γ为非线性参数，γ＝n2ω0/caeff，n2表示非线性指数，ω0为中心角频率，c为真空中光速，aeff是有效模面积。α为线性光纤损耗系数，通常较小。表示增益光纤中增益系数，在无源光纤中增益系数值等于零。增益光谱与掺杂在光纤纤芯中的稀土元素有关，通常会覆盖一系列波长。假设增益光谱为高斯形，增益可以表示为：ω为脉冲角频率，ω0为中心角频率，δω是增益带宽，esat表示饱和能量，当入射光能量等于饱和能量时，增益降低到小信号增益的一半波长表示的脉冲带宽转化为频域带宽：e(z)表示脉冲能量：e(z)＝∫|a|2dt本文中，光纤中的光线传播模拟过程采用标准分步法进行，将方程(3-1)等号右边整理为两项：其中和是传播算子，具体表达式如下：算法中每一步计算包含和进行迭代。具体来讲，脉冲先借助于算子传播半步，再借助算子传播一步，然后再借助算子传播半步，这样就完成了脉冲的一次传输。通过公式表示为：z表示光纤中当前的位置，h为预先设置的步长。可饱和吸收体在腔内的作用是得到一个自振幅调制的光，它会引入一定的腔内损耗，对强光的损耗比较小，对弱光的损耗较大。光脉冲在时域上看，中央部分强度较高而两翼强度较弱，因此再通过可饱和吸收体之后会在时域上得到压缩。利用可饱和吸收体，腔内自启动锁模得以实现。已知的可饱和吸收机制有好几种，主要分为人造可饱和吸收体和真实可饱和吸收体，人造可饱和吸收体如克尔透镜锁模，非线性偏振旋转效应等，真实可饱和吸收体主要有碳纳米管，半导体可饱和吸收镜等。采用as40se60作为克尔介质实现克尔透镜锁模，可饱和吸收效应可以根据四次多项式拟合得到，多项式表达式如下：η＝c4p4+c3p3+c2p2+c1p1+c0式中p为脉冲功率，对应的多项式中常数的值见表1表1多项式常数值多项式常数as40se60c40.000542238845372c30.000083644028993c20.000970522101039c10.038705066387964c00.192207923824026光束在经过可饱和吸收体之后可表示为：absa和aasa分别表示光束经过可饱和吸收体前后的振幅。光纤激光器系统中常用的光谱过滤器种类很多，如双折射滤波器，干涉滤波器，高斯滤波器等。双折射滤光片通常由一个双折射片和一个偏振片组成，其基本工作原理与lyot滤光片类似。在通过双折射片之后，脉冲包络中不同频率光之间产生相位差，具有不同的偏振状态，再通过一个偏振片之后，会产生额外的偏振损耗。干涉滤波器(也称为二向色滤波器)通常由具有不同折射率的多层介电材料组成，可以使一定频率的光通过，滤掉光谱中其它频率的光，可以分为带通、带阻、长通及低通滤波器。滤光片通常针对法向入射角进行优化，滤光片的中心波长会随着入射角的增加而减小。前两种滤波器可能具有多频带传输结构，不利于锁模。为了消除这种影响，可以使用仅具有单一峰值而没有周期性或二级结构的高斯滤波器。使用光栅重定向输入准直光束，并将准直器置于光栅的反射光的一个极大处接收光线。这种光滤波器的缺点是对光能量的利用率不高，其它极大处的光未能够得到利用。在发明中，采用高斯滤波器，其效果具体可以表示为：腔内总共包括六部分：两段无源光纤pf，一段掺铒增益光纤af，可饱和吸收体sa，输出耦合器oc及滤波器sf。假设初始脉冲为超高斯脉冲：ω0为中心频率，ω为角频率，δω为频率全宽半高。输出耦合器耦合效果可以表示为：r为输出耦合器的耦合效率。本发明的实验结果：假设初始脉冲为超高斯脉冲：p0表示初始脉冲功率，c0表示脉冲啁啾参量，m0为脉冲前后沿的锐度参量，t0为脉宽。脉冲持续时间和脉宽之间可以通过下式变换：为了得到初始脉冲，需要定义的值有：时间窗口tmax，数据点nt及起始脉冲功率p0，时域脉宽f0，光束形状因子m0及啁啾参数c0。腔内各部分参数设置见表2表2腔内器件参数整个腔内色散～0.3099ps2，重复频率～30mhz～。光束每次循环通过输出耦合器的能量如图2所示，可以看出脉冲在循环60次左右达到稳定。腔内脉冲包络如图3所示；腔内具体位置脉冲强度见图4从图2可以看出，开始时，脉冲能量较小，经过可饱和吸收体损耗较大，输出能量较低，随着能量增大，经过可饱和吸收体时损耗逐渐减小，当可饱和吸收体达到饱和，能量达到稳定，大约为2pj，根据图3，可以看到光脉冲通过增益光纤放大，通过可饱和吸收体之后脉宽得到压缩。图4中第一行到第三行分别表示脉冲时域光谱，频域相对强度光谱及光脉冲啁啾。基于克尔透镜锁模原理，设计了一种可饱和吸收体，其结构如图3-1。克尔介质采用具有高非线性效应和快速响应时间的as40se6as40se60，在入射光为1.55μm的情况下，折射率n0＝2.81，非线性指数n2＝2.31×10-17m2/w。可饱和吸收体两端光纤采用相同的尺寸，外径为20-20μm，克尔介质厚度为3mm。在此基础上，以andi激光器为模型，结合非线性薛定谔方程对光束在光纤中的传播进行模拟，并考虑光纤内部光谱过滤器及输出耦合器对光束传播的影响，最后得到整个光腔内部的光束传播过程。设置入射脉冲光束中心波长为1.55μm，模拟结果显示当脉冲在光腔内循环大概60次后，光束基本稳定，能够形成稳定的脉冲输出，输出能量大约为2pj。对于本领域技术人员而言，显然能了解到上述具体事实例只是本发明的优选方案，因此本领域的技术人员对本发明中的某些部分所可能作出的改进、变动，体现的仍是本发明的原理，实现的仍是本发明的目的，均属于本发明所保护的范围。当前第1页12