一种基于光纤微球的高重复频率光纤激光器的制作方法

1.本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种基于光纤微球的高重复频率光纤激光器。


背景技术：

2.超短脉冲激光（一般是指时间宽度小于10
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12秒的激光脉冲）产生技术是当今光电子技术领域最前沿、最活跃的研究方向之一，也是超快光学系统研究的基础和出发点。物理、化学、生物以及材料与信息科学等学科许多研究都以超短脉冲作为基本工具，不断揭示新的超快变化过程，直观探索微观世界里物质的运动规律。与传统固体或者气体超短脉冲激光器相比，以光纤作为基本材料的超短脉冲光纤激光器有很多优点，比如体积小、成本低、光束质量好、稳定性高、散热性好、能量转换效率高、易于与光纤通信等应用系统兼容等。因此，超短脉冲产生技术成为世界各国科研人员争相追逐的研究热点。
3.目前，超短脉冲光纤激光器的研究重点集中在两个方面：第一是khz量级超低重复频率、高单脉冲能量和高峰值功率；第二是高重复频率和高平均功率超短脉冲。作为主流发展趋势之一，高重复频率激光器输出的脉冲脉冲序列在时域上具有脉冲间隔短、对应脉冲光谱纵模间距大的特点。高重复频率激光的单脉冲能量和峰值功率较低，这样就可以有效避免放大过程中的一些非线性效应的出现，进而提高光纤放大器的整体效率。高重复频率超短脉冲激光在光纤通讯、天文光频梳、超快光学成像和材料加工等领域一直有着重要的应用。
4.高重复频率脉冲光源用于光纤通信可以提高数据传输速率[wrightmw,valleygc.yb
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dopedfiberamplifierfordeep
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spaceopticalcommunications[j].journaloflightwavetechnology,2005,23(3):1369.]。高重复频率对应于相邻纵模之间的间隔更小，基于此原理，高重频光学频率梳的梳齿越密，相应的其测量精度就越高。光频梳用于光学频率精密测量、粒子跃迁能级测量、远程信号时钟同步与卫星导航等领域中，为精密光谱、天文物理等科学研究方向提供了为理想的研究工具[吴学健,李岩,尉昊赟,等.飞秒光学频率梳在精密测量中的应用[j].激光与光电子学进展,2012,49(3):030001]。相比于低重复频率激光源，在生物组织成像探测中使用高重复频率激光源，可提高成像速度，改善成像质量，而且较低的单脉冲能量可以减少生物组织的损伤[jin,mageejc,betzige.high
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speed,low
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photodamagenonlinearimagingusingpassivepulsesplitters[j].naturemethods,2008,5(2):197
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202.]。而在高重复频率光纤激光器用于材料加工方面，毕尔肯大学的cankerse等人做了大量的工作，重复频率在ghz量级的超短脉冲激光器被用于硅、铜等硬质材料和水凝胶、鼠脑组织等软体材料的去除，证明在同等平均功率的情况下，其去除效率远高于低重复频率超短脉冲激光器[kersec,kalayc
ı
o
ğ
luh,elahip,etal.ablation
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cooledmaterialremovalwithultrafastburstsofpulses[j].nature,2016,537(7618):84
‑
88.]。
[0005]
如何产生高重频脉冲，目前主要技术有三种。第一种是短腔法，由于被动锁模光纤
laser based on a nonlinear microcavity[j]. nature communications, 2012, 3(1): 1
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6.]，利用一个mrr替代了“dfwm”激光腔内的梳状滤波器和高非线性光纤，从而有效地缩短了激光腔的长度，通过合理地激光腔设计，可以将激光腔的模式间隔提升到数十mhz 甚至超高一百mhz。同时mrr具有较高的品质因子，其滤波带宽较窄（对于高折射率差的mrr，其滤波带宽在一百多mhz），通过控制激光腔和 mrr谐振频率的相对位置，从而使mrr的一个谐振峰内只有一个激光腔模式，有效地解决了“dfwm”锁模激光器的“多纵模不稳定性”问题。因此之后对fd
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dfwm锁模激光器开展了大量的研究。
[0008]
2017年，中国科学院西安光学精密机械研究所的weiqiang wang等人将微环谐振腔嵌入环形光纤增益腔中，经四波混频效应使发射的各个光波长的相位相互锁定，并通过精密调谐光纤增益腔的长度，在微腔谐振模式与光纤腔模之间形成“游标卡尺”（venier）效应，从而能够实现激光器纵模自由精确选择；同时，在时域上则表现为微腔内均匀地复用了多个超短激光脉冲（类似于时分复用），最终获得了超高重频（49~735 ghz）激光脉冲输出[wang w, zhang w, chu s t, et al. repetition rate multiplication pulsed laser source based on a microring resonator[j]. acs photonics, 2017, 4(7): 1677
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1683.]。同年，qizhen sun等人利用具有高非线性和滤波特性的θ形微光纤谐振器，在无色散补偿的条件下，实验实现了一种基于滤波器驱动的四波混合频（fd
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fwm）的光纤激光器[sun q, li y, li y, et al. filter
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driven four
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wave mixing ultrafast all
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fiber laser based on microfiber resonator[c].cleo: science and innovations. optical society of america, 2017: jw2a. 92.]。2018年，meng liu等人将石墨烯沉积的mkr分别应用于在两个不同波段工作的光纤激光器，有效地产生了数百ghz重复频率脉冲[liu m, tang r, luo a p, et al. graphene
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decorated microfiber knot as a broadband resonator for ultrahigh
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repetition
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rate pulse fiber lasers[j]. photonics research, 2018, 6(10): c1
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c7.]；2020年，zixuan ding等人基于混合等离子体微光纤谐振器（hpmkr），实现了重复频率为144.3 ghz的激光脉冲[ding z, huang z, chen y, et al. all
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fiber ultrafast laser generating gigahertz
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rate pulses based on a hybrid plasmonic microfiber resonator[j]. advanced photonics, 2020, 2(2): 026002.]。
[0009]
综上所述，采用硅基波导、微光纤谐振器、滤波器驱动等技术可以实现高重复频率的光纤激光器运转，但是采用光纤微球和光纤锥耦合的技术并没有在高重复频率的光纤激光器中得到开发和应用。光纤微球与光纤拉锥的结构体积更加紧凑、成本更低，更容易与全光纤架构的激光器实现系统的集成化。


技术实现要素：

[0010]
(一) 解决的技术问题本发明提供一种基于光纤微球的高重复频率光纤激光器，采用光纤拉锥与光纤微球实现倏逝场耦合形成光纤微球谐振腔，利用微腔谐振模式与光纤腔模式之间形成耦合共振效应，利用光纤微球制备过程中几何尺寸控制可以实现高重复频率的激光脉冲输出。
[0011]
（二）采用的技术方案本发明为实现上述目的，通过以下技术方案予以实现：一种基于光纤微球的高重
复频率光纤激光器，该激光器其结构包括泵浦源（1）以及由波分复用器（2）、铒离子稀土掺杂的增益光纤（3）、光纤耦合输出器（4）、光纤微球（5）、光纤拉锥器件（6）、光纤偏振控制器（7）、偏振相关的光纤隔离器（8），所有的单模光纤器件和光纤通过标准单模光纤熔接处理后连接成光纤环形腔。
[0012]
作为本方案的进一步优化：激光器采用光纤拉锥与光纤微球实现倏逝场耦合形成光纤微球谐振腔，利用微腔谐振模式与光纤腔模式之间形成耦合共振效应，进一步能够实现对激光在频域方向的模式调控，在时域方向实现高重复频率的超短脉冲输出；作为本方案的进一步优化：激光器内选用光纤偏振控制器，可以光纤在线式挤压偏振控制器、桨式偏振控制器、电动偏振控制器。
[0013]
作为本方案的进一步优化：所述光纤波分复用器选用反射式波分复用器，工作波长为980/1550nm；作为本方案的进一步优化：光纤隔离器和光纤偏振器可采用偏振相关隔离器替代，偏振相关隔离器是光隔离器和光纤偏振器的功能集成。
[0014]
（三）有益效果本发明提供一种基于光纤微球的高重复频率光纤激光器产生方法，具有以下有益效果：本发明采用光纤拉锥与光纤微球实现倏逝场耦合形成光纤微球谐振腔，利用微腔谐振模式与光纤腔模式之间形成耦合共振效应，利用光纤微球制备过程中几何尺寸控制可以实现高重复频率的激光脉冲输出。
[0015]
本发明采用全光纤器件装置、结构简单可靠、工作性能优越，可制备不同参数的光纤微球实现100 ghz至thz的高重复频率的光纤激光器运转。
附图说明
[0016]
以下结合附图进一步说明本发明：图1为本发明的光纤激光器结构示意图。
具体实施方式
[0017]
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0018]
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例
[0019]
如图1所示一种基于光纤微球的高重复频率光纤激光器产生方法，其结构包括泵浦源（1）以及由波分复用器（2）、铒离子稀土掺杂的增益光纤（3）、光纤耦合输出器（4）、光纤微球（5）、光纤拉锥器件（6）、光纤偏振控制器（7）、偏振相关的光纤隔离器（8）、光纤偏振控制器（9）。泵浦源（1）与波分复用器（2）的泵浦端口连接，波分复用器（2）的公共端口依次连接铒离子稀土掺杂的增益光纤（3）、光纤耦合器（4）的90%输出端口、光纤拉锥器件（6）、光纤
偏振控制器（7）、偏振相关的光纤隔离器（8）、光纤偏振控制器（9）；激光全部采用标准的单模光纤化器件；光纤微球（5）与光纤拉锥器件之间采用精密的位移平台调节其相互位置，使其产生光学耦合作用。调节偏振控制器，可以实现高重复频率的激光脉冲从光纤耦合器（4）的10%输出端口输出。
[0020]
所述的泵浦源为单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于976 nm；所述的波分复用器的工作波长是980/1550 nm，其尾纤类型为单模光纤smf
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28e；所述的掺铒光纤型号为edf
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80，采购于furukawa公司；所述的光纤隔离器采用中心波长为1550 nm的与偏振相关的隔离器，其尾纤类型为单模光纤；所述的偏振控制器为三片线圈旋转式偏振控制器或挤压式偏振控制器；所述的光纤耦合器采用10:90光纤耦合器，其尾纤类型为单模光纤；本发明采用光纤拉锥与光纤微球实现倏逝场耦合形成光纤微球谐振腔，利用微腔谐振模式与光纤腔模式之间形成耦合共振效应，利用光纤微球制备过程中几何尺寸控制可以实现高重复频率的激光脉冲输出；本发明的基本教导已加以说明，对具有本领域通常技能的人而言，许多延伸和变化将是显而易知者。由于说明书揭示的本发明可在未脱离本发明精神或大体特征的其它特定形式来实施，且这些特定形式的一些形式已经被指出，所以，说明书揭示的实施例应视为举例说明而非限制。本发明的范围是由所附的申请专利范围界定，而不是由上述说明所界定，对于落入申请专利范围的均等意义与范围的所有改变仍将包含在其范围之内。