一种全保偏双向锁模光纤激光器

1.本技术涉及激光器技术领域，更具体的说，涉及一种全保偏双向锁模光纤激光器。


背景技术：

2.双向锁模光纤激光器是一种新型的谐振器，其相对于传统锁模激光器的区别在于谐振腔内能够允许两个方向的信号光同时起振，并获得两套重复频率略有差异的锁模脉冲序列。由于两套脉冲共用一个谐振腔，共模噪声能够被有效消除，同时这两套脉冲具有相当高的相干性。双向锁模激光器在双光梳光谱技术、双光梳测距、异步采样、非线性光谱成像和光纤传感等领域有着独特的优势和广阔的应用前景。在双光梳光谱技术方面，两套重复频率不同的脉冲序列可以实现自动扫描，避免了外部的机械扫描装置，大大简化了双光梳光谱技术的结构，降低了系统的成本。在双光梳测距方面，这两套重复频率不同的脉冲序列能够将超短光脉冲下转换至较宽的时间展宽脉冲，极大地降低了系统对光电探测器高带宽的需求，因此双向锁模激光器在测距领域具有非常强的应用价值。
3.目前光纤激光器中实现双向锁模主要有两种方法，一种是去除腔内用来隔离背向反射光的隔离器并利用装置在腔内的二维材料如石墨烯、碳纳米管等真实可饱和吸收体实现双向锁模，从而获得两套重复频率略有差异的脉冲序列。但是，这种方式所用的可饱和吸收体的损伤阈值低，寿命短，不利于激光器的实用化。另一种是利用非线性偏振旋转的方式实现双向锁模，但是这种方法搭建的激光器自启难，调试复杂，并且容易受到外界环境的干扰，实用性不高。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供了一种全保偏双向锁模光纤激光器，方案如下：
5.一种全保偏双向锁模光纤激光器，包括：
6.泵浦源，所述泵浦源用于产生泵浦光；
7.波分复用器，所述波分复用器具有第一端、第二端和第三端，用于将所述泵浦光耦合到谐振腔；所述波分复用器的第一端与所述泵浦源的输出端连接；
8.第一耦合器，所述第一耦合器具有第一端、第二端、第三端和第四端，用于产生锁模脉冲；所述第一耦合器的第二端连接所述波分复用器的第三端；
9.增益光纤，所述增益光纤连接在所述波分复用器的第二端与所述第一耦合器的第一端之间，用于吸收泵浦光并产生信号光；
10.双向隔离器，所述双向隔离器具有第一端和第二端，用于隔离谐振腔内反射的信号光，并使对向传播的信号光沿保偏光纤的不同轴传播；所述双向隔离器的第一端连接所述第一耦合器的第三端，所述双向隔离器的第二端通过第二耦合器连接所述第一耦合器的第四端；
11.其中，所述第二耦合器用于输出信号光，并使部分信号光在谐振腔内谐振。
12.优选的，在上述全保偏双向锁模光纤激光器中，所述泵浦源为带尾纤的半导体激
光器。
13.优选的，在上述全保偏双向锁模光纤激光器中，所述半导体激光器的输出波长为915nm或是975nm。
14.优选的，在上述全保偏双向锁模光纤激光器中，所述增益光纤为保偏的掺杂光纤。
15.优选的，在上述全保偏双向锁模光纤激光器中，所述掺杂光纤中掺杂稀土元素包括：
16.镱、铒以及铥中的一种或是多种。
17.优选的，在上述全保偏双向锁模光纤激光器中，所述第一耦合器以及所述第二耦合器均为尾纤是保偏光纤的2
×
2耦合器。
18.优选的，在上述全保偏双向锁模光纤激光器中，所述双向隔离器包括：
19.第一保偏光纤，所述第一保偏光纤用于传输信号光；
20.与所述第一保偏光纤连接的第一准直器，所述第一准直器用于对信号光进行准直处理；
21.第一法拉第旋转器，所述第一法拉第旋转器用于将信号光的偏振方向旋转45
°
；
22.起偏器，所述起偏器用于产生线偏振的信号光；
23.第二法拉第旋转器，所述第二法拉第旋转器用于将信号光的偏振方向旋转45
°
；
24.第二准直器，所述第二准直器用于对信号光进行准直处理；
25.第二保偏光纤，所述第二保偏光纤用于传输信号光。
26.优选的，在上述全保偏双向锁模光纤激光器中，至少包括如下方式之一：
27.所述第一保偏光纤的慢轴与所述起偏器的偏振方向具有45
°
的夹角，且与所述第二保偏光纤的慢轴具有90
°
的夹角；
28.所述第二保偏光纤的慢轴与所述起偏器的偏振方向具有45
°
的夹角，且与所述第一保偏光纤的慢轴具有90
°
的夹角。
29.优选的，在上述全保偏双向锁模光纤激光器中，至少包括如下方式之一：
30.所述第一法拉第旋转器为非互易性器件，能够使得信号光的偏振方向旋转45
°
；
31.所述第一法拉第旋转器为非互易性器件，能够使得信号光的偏振方向旋转45
°
。
32.优选的，在上述全保偏双向锁模光纤激光器中，至少包括如下方式之一：
33.所述第一保偏光纤的类型包括熊猫型、蝴蝶结型与椭圆芯型中的任一种；
34.所述第一准直器为非球面透镜、自聚焦透镜、以及非球面透镜与自聚焦透镜中的任一种；
35.所述第二准直器为非球面透镜、自聚焦透镜、非球面透镜与自聚焦透镜中的任一种；
36.所述第二保偏光纤的类型包括熊猫型、蝴蝶结型与椭圆芯型中的任一种。
37.通过上述描述可知，本技术技术方案提供的全保偏双向锁模光纤激光器包括：泵浦源，所述泵浦源用于产生泵浦光；波分复用器，所述波分复用器具有第一端、第二端和第三端，用于将所述泵浦光耦合到谐振腔；所述波分复用器的第一端与所述泵浦源的输出端连接；第一耦合器，所述第一耦合器具有第一端、第二端、第三端和第四端，用于产生锁模脉冲；所述第一耦合器的第二端连接所述波分复用器的第三端；增益光纤，所述增益光纤连接在所述波分复用器的第二端与所述第一耦合器的第一端之间，用于吸收泵浦光并产生信号
光；双向隔离器，所述双向隔离器具有第一端和第二端，用于隔离谐振腔内反射的信号光，并使对向传播的信号光沿保偏光纤的不同轴传播；所述双向隔离器的第一端连接所述第一耦合器的第三端，所述双向隔离器的第二端通过第二耦合器连接所述第一耦合器的第四端；其中，所述第二耦合器用于输出信号光，并使部分信号光在谐振腔内谐振。所述全保偏双向锁模光纤激光器为全光纤结构，结构紧凑稳定；现了基于非线性放大环形镜的全保偏双向锁模，获得了稳定的能自启动的两套脉冲序列。
附图说明
38.为了更清楚地说明本技术实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
39.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
40.图1为本技术实施例提供的一种全保偏双向锁模光纤激光器；
41.图2为本技术实施例提供的一种双向隔离器的结构示意图；
42.图3为本技术实施例提供的一种信号光在双向隔离器中传输的原理示意图；
43.图4为本技术实施例提供的另一种信号光在双向隔离器中传输的原理示意图；
44.图5为本技术实施例提供的又一种信号光在双向隔离器中传输的原理示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
46.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
47.参考图1所示，图1为本技术实施例提供的一种全保偏双向锁模光纤激光器，所示全保偏双向锁模光纤激光器包括：
48.泵浦源11，所述泵浦源11用于产生泵浦光；
49.波分复用器12，所述波分复用器12具有第一端a、第二端b和第三端c，所述波分复用器12用于将所述泵浦光耦合到谐振腔；所述波分复用器12的第一端a与所述泵浦源11的输出端连接；
50.第一耦合器14，所述第一耦合器14具有第一端a1、第二端b1、第三端c1和第四端d1，所述第一耦合器14用于产生锁模脉冲；所述第一耦合器14的第二端b1连接所述波分复用器12的第三端c；
51.增益光纤13，所述增益光纤13连接在所述波分复用器12的第二端b与所述第一耦
合器14的第一端a1之间，所述增益光纤13用于吸收泵浦光并产生信号光；
52.双向隔离器15，所述双向隔离器15具有第一端p和第二端q，所述双向隔离器15用于隔离谐振腔内反射的信号光，并使对向传播的信号光沿保偏光纤的不同轴传播；所述双向隔离器15的第一端p连接所述第一耦合器14的第三端c1，所述双向隔离器15的第二端q通过第二耦合器16连接所述第一耦合器14的第四端d1；
53.其中，所述第二耦合器16用于输出信号光，并使部分信号光在谐振腔内谐振。所述第二耦合器16具有两个尾纤，具体的，所述第二耦合器16的第二端b2和第四端d2分别连接有一条尾纤。如是，所述第二耦合器16可以通过第二端b2和第四端d2所连接的尾纤输出稳定的、抗干扰能力高的两套激光脉冲序列。
54.本技术实施例提供了一种基于非线性放大环形镜的全保偏双向锁模光纤激光器，激光器中使用的光纤均为保偏光纤；通过双向隔离器15能够使对向传播(顺时针或逆时针)的光沿保偏光纤不同的轴(快轴或慢轴)传输；通过调谐所述泵浦源11的功率能够使得谐振腔内对向传播的光同时谐振并实现双向锁模。
55.本技术实施例所述技术方案解决了双向锁模激光器难自启、结构冗杂不易集成的问题，大大提升了全光纤双向锁模激光器的实用性和稳定性，可以应用于双光梳光谱技术、双光梳测距、异步采样、非线性光谱成像和光纤传感等领域。
56.所述泵浦源11为带尾纤的半导体激光器。半导体型激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，具有体积小、寿命长等优点，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成，还可以用高达ghz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。
57.其中，所述半导体激光器的输出波长包括但不局限于915nm或是975nm。例如，当所述半导体激光器的输出波长为915nm时，所述波分复用器12采用975nm/1550nm波分复用器。
58.本技术实施例所述全保偏双向锁模光纤激光器中，所述增益光纤13为保偏的掺杂光纤，能够保持信号光的偏振态，使沿着保偏光纤快轴或慢轴传输的光以稳定的线偏振光传输。其中，所述掺杂光纤中掺杂稀土元素包括：镱、铒以及铥中的一种或是多种，使得保偏的掺杂光纤制作工艺简单，制作成本低。如所述增益光纤13为保偏的掺铒光纤，其可以吸收泵浦光，产生1.5μm的信号光。
59.如图1所示，所述第一耦合器14以及所述第二耦合器16均为尾纤是保偏光纤的2
×
2耦合器。所述第一耦合器14的耦合比可以为55/45，其尾纤可以为保偏1550nm的保偏光纤。所述第一耦合器14能够构成非线性放大环形器实现锁模。
60.所述第一耦合器14具有第一端a1、第二端b1、第三端c1和第四端d1，与其他光学器件的连接方式如上述，在此不再赘述。
61.所述第二耦合器16具有第一端a2、第二端b2、第三端c2和第四端d2。如图1所示，所述第二耦合器16的第一端a2连接所述双向隔离器15的第二端q；所述第二耦合器16的第三端c2连接所述第一耦合器14的第四端d1；所述第二耦合器16的第二端b2连接有尾纤17；所述第二耦合器16的第四端d2连接有尾纤18。
62.其中，所述第二耦合器16的的耦合比可以是90/10，能够将谐振腔内某一方向10％的能量耦合到谐振腔外用于激光输出，剩余90％的能量继续在腔内谐振。
63.可以根据全保偏双向锁模光纤激光器工作参数需求设定所述第一耦合器14以及
所述第二耦合器16的耦合比。如可以设定所述第一耦合器14的耦合比包括但不局限于55/45，所述第二耦合器16的耦合比包括但不局限90/10。
64.所述双向隔离器15为保偏光纤快慢轴相关的隔离器，所述双向隔离器15非互易性器件和起偏器组成的双向隔离器，能够隔离腔内的背向反射光且使对向传播的信号光沿保偏光纤的不同轴传播，如顺时针谐振的光沿保偏光纤慢轴传输并通过耦合器14实现慢轴锁模，而逆时针的谐振的光沿保偏飞光纤快轴传输并通过耦合器14实现快轴锁模。
65.本技术实施例中，采用能够使对向传输的光沿保偏光纤不同轴传输的双向隔离器15，结合了全保偏非线性放大环形器锁模的优点，可以获得稳定的、抗干扰能力高的两套脉冲序列，提高了激光器的稳定性和自启能力。
66.所述双向隔离器15的实现方式可以如图2所示。
67.参考图2所示，图2为本技术实施例提供的一种双向隔离器的结构示意图，所示双向隔离器包括：
68.第一保偏光纤1，所述第一保偏光纤1用于传输信号光；
69.与所述第一保偏光纤1连接的第一准直器2，所述第一准直器2用于对信号光进行准直处理；
70.第一法拉第旋转器3，所述第一法拉第旋转器3用于将信号光的偏振方向旋转45
°
；
71.起偏器4，所述起偏器4用于产生线偏振的信号光；
72.第二法拉第旋转器5，所述第二法拉第旋转器5用于将信号光的偏振方向旋转45
°
；
73.第二准直器6，所述第二准直器6用于对信号光进行准直处理；
74.第二保偏光纤7，所述第二保偏光纤7用于传输信号光。
75.如图2所示，在所述第一保偏光纤1的切面8中，位于切面圆形的圆心位置的圆圈表示纤芯，纤芯两侧的两圆圈连线的方向所述第一保偏光纤1的慢轴方向；在所述第二保偏光纤7的的切面9中，位于切面圆形的圆心位置的圆圈表示纤芯，纤芯两侧的两圆圈连线的方向表示所述第二保偏光纤7的慢轴方向。
76.本技术实施例所述双向隔离器15能够利用起偏器4将信号光变为线偏光，之后通过法拉第旋转器将线偏光旋转45
°
，使线偏光的角度与保偏光纤快轴或慢轴对齐，准直器将旋转后的线偏光耦合进保偏光纤。当背向反射的光束反向传输时，由于法拉第的非互易性，该背向光束将会被起偏器隔离，最终使该双向隔离器15不仅能隔离腔内的背向反射光，还允许对向传播的光束在谐振腔双向运转。
77.具体的，如图2所示，当信号光沿光信号沿第一方向传播时，即信号光依次通过所述第一保偏光纤1、所述第一准直器2、所述第一法拉第旋转器3、所述起偏器4、所述第二法拉第旋转器5、所述第二准直器6和所述第二保偏光纤7时，将该方向传播的信号光分解为沿第一保偏光纤1快轴和慢轴传输的两束信号光。
78.参考图3所示，图3为本技术实施例提供的一种信号光在双向隔离器中传输的原理示意图，如图3中虚线箭头所示，沿所述第一保偏光纤1快轴传输的信号光经过所述第一准直器2、所述第一法拉第旋转器3后，偏振方向旋转45
°
，由于偏振方向与所述起偏器4的透射方向相互垂直，虚线箭头所示信号光无法通过所述起偏器4，该光束将会被损耗。
79.参考图4所示，图4为本技术实施例提供的另一种信号光在双向隔离器中传输的原理示意图，如图4中虚线箭头所示，沿所述第一保偏光纤1慢轴传输的信号光经过所述第一
准直器2、所述第一法拉第旋转器3后，偏振方向旋转45
°
，由于偏振方向与所述起偏器4的透射方向平行，故该束信号光将无损的通过所述起偏器4，并依次通过所述第二法拉第旋转器5、所述第二准直器6后，入射所述第二保偏光纤7，由于信号光的偏振方向在所述第二法拉第旋转器5中旋转了45
°
，使得信号光的偏振方向与所述第二保偏光纤7的慢轴对齐，使得该光信号沿所述第二保偏光纤7的慢轴传播。
80.参考图5所示，图5为本技术实施例提供的又一种信号光在双向隔离器中传输的原理示意图，如图5中虚线箭头所示，当所述第二保偏光纤7的慢轴传播光信号被反射回时，由于所述第二法拉第旋转器5的非互易性，该信号光旋转45
°
后将被所述起偏器4阻挡，虚线箭头所示信号光无法通过所述起偏器，实现隔离背向反射光的功能。也就是说，所述双向隔离器15在第一方向允许信号光沿所述第二保偏光纤7的慢轴传输，且能隔离所述第二保偏光纤7的慢轴的反射光。
81.同理，当信号光沿光信号沿第二方向传播时，即信号光依次通过所述第二保偏光纤7、所述第二准直器6、所述第二法拉第旋转器5、所述起偏器4、所述第一法拉第旋转器3、所述第一准直器2和所述第一保偏光纤1时，所述双向隔离器在第二方向上允许光信号沿所述第一保偏光纤1的快轴传输，且能隔离所述第一保偏光纤1的快轴的反射光。
82.可见，采用本技术实施例所述双向隔离器15，当用于激光器时，不仅能够用于隔离器腔内的背向反射光，还允许对向传播的信号光在谐振腔双向传输。
83.本技术实施例所述双向隔离器15中，所述第一保偏光纤1的慢轴与所述起偏器4的偏振方向具有45
°
的夹角，且与所述第二保偏光纤7的慢轴具有90
°
的夹角。这样，能够使得沿第一方向通过所述第一保偏光纤1入射所述双向隔离器的信号光沿所述第二保偏光纤7的慢轴传输，且能隔离所述第二保偏光纤7的慢轴的反射光。
84.可选的，所述第一保偏光纤1的类型包括熊猫型、蝴蝶结型与椭圆芯型中的任一种。显然，可以基于需求选择所述第一保偏光纤1的类型，本技术实施例对此不作具体限定。
85.本技术实施例所述双向隔离器15中，所述第一准直器2为非球面透镜、自聚焦透镜、以及非球面透镜与自聚焦透镜中的任一种。显然，可以基于需求选择所述第一准直器2的实现方式，本技术实施例对此不作具体限定。
86.可选的，所述第一法拉第旋转器3为非互易性器件，能够使得信号光的偏振方向旋转45
°
。这样，能够使得沿第一方向通过所述第一保偏光纤1入射所述双向隔离器的信号光沿所述第二保偏光纤7的慢轴传输，且能隔离所述第二保偏光纤7的慢轴的反射光。
87.本技术实施例所述双向隔离器15中，所述第二保偏光纤7的慢轴与所述起偏器4的偏振方向具有45
°
的夹角，且与所述第一保偏光纤1的慢轴具有90
°
的夹角。这样，能够使得沿所述第二方向通过所述第二保偏光纤7入射所述双向隔离器15的信号光沿所述第一保偏光纤1的快轴传输，且能隔离所述第一保偏光纤1的快轴的反射光。
88.可选的，所述第二保偏光纤7的类型包括熊猫型、蝴蝶结型与椭圆芯型中的任一种。显然，可以基于需求选择所述第二保偏光纤7的类型，本技术实施例对此不作具体限定。
89.本技术实施例所述双向隔离器15中，所述第二准直器6为非球面透镜、自聚焦透镜、以及非球面透镜与自聚焦透镜中的任一种。显然，可以基于需求选择所述第二准直器6的实现方式，本技术实施例对此不作具体限定。
90.可选的，所述第二法拉第旋转器5为非互易性器件，能够使得信号光的偏振方向旋
转45
°
。这样，能够使得沿所述第二方向通过所述第二保偏光纤7入射所述双向隔离器15的信号光沿所述第一保偏光纤1的快轴传输，且能隔离所述第一保偏光纤1的快轴的反射光。
91.本技术实施例中，基于非互易性元件，设计并制作了一种与保偏光纤快慢轴相关的双向隔离器15。所述双向隔离器15用于全保偏双向锁模光纤激光器时，能够降低全保偏双向锁模光纤激光器中背向反射光对激光器性能的影响。
92.通过上述描述可知，本技术实施例提供的全保偏双向锁模光纤激光器解决了双向锁模激光器难自启、结构冗杂不易集成、输出功率低的问题，激光谐振腔能够允许双向谐振，实现稳定自启的双向脉冲，提升了激光器的稳定性和抗干扰能力。
93.本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
94.需要说明的是，在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
95.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
96.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。