一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器
阅读说明：本技术 一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器 (Mode locking fiber laser based on tapered multimode fiber saturable absorber ) 是由 李环环 任行浩 徐时清 李�灿 蒋昊 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器,采用全光纤结构,由泵浦源,波分复用器,增益光纤,非保偏隔离器,光偏振控制器,光纤耦合器,锥形多模光纤可饱和吸收体组成。其中,可饱和吸收体的特性由拉锥的渐变折射率多模光纤决定,由于其非线性多模干涉效应的存在,光强强的部分的光保持在基模模式,通过纤芯传播,而光强弱的部分的光以高阶模式的光偏离纤芯,进入包层而被衰减,导致锥形多模光纤具有光强相关的特性损耗关系,使得脉冲的两翼被损耗而峰值处能够通过,从而得到超短锁模脉冲。本发明采用锥形多模光纤可饱和吸收体,得到一种全光纤结构的锁模脉冲激光器,具有成本低、结构简单、损伤阈值高等优点,值得推广使用。(The invention discloses a mode-locking fiber laser based on a tapered multimode fiber saturable absorber, which adopts an all-fiber structure and consists of a pumping source, a wavelength division multiplexer, a gain fiber, a non-polarization-maintaining isolator, a light polarization controller, a fiber coupler and a tapered multimode fiber saturable absorber. The characteristic of the saturable absorber is determined by the tapered multimode graded index fiber, due to the existence of nonlinear multimode interference effect, light of a part with strong light intensity is kept in a basic mode and is transmitted through a fiber core, while light of a part with weak light intensity deviates from the fiber core with light of a high-order mode and enters a cladding to be attenuated, so that the tapered multimode fiber has a characteristic loss relation related to the light intensity, two wings of a pulse are lost, and the peak value can pass through, thereby obtaining the ultrashort mode-locked pulse. The mode-locked pulse laser with the all-fiber structure is obtained by adopting the tapered multimode fiber saturable absorber, has the advantages of low cost, simple structure, high damage threshold value and the like, and is worthy of popularization and application.)
技术领域
本发明涉及属于激光技术及非线性光学领域，尤其涉及一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器。
背景技术
在被动锁模超短脉冲光纤激光器中可饱和吸收体是最为关键的光学器件。这种器件能够满足特定的损耗关系，即当通过该器件的脉冲能量增强时，其光学损耗变小，透过率增大。目前，已经被采用的可饱和吸收体种类比较多，例如半导体可饱和吸收镜（SESAM）、碳纳米管、以石墨烯为代表的新型二维材料以及基于非线性偏振旋转（NPR）效应的等效可饱和吸收体。然而，SESAM的响应时间比较短只有皮秒量级，用它实现飞秒量级的输出比较困难。碳纳米管和石墨烯等可饱和吸收体材料稳定性较差以及材料的损伤阈值较低限制了激光器的输出功率。基于NPR的可饱和吸收体也存在稳定性差的缺点，适合实验室环境使用。
近年来已经报道了基于多模干涉效应的各种光纤器件，包括波束整形器，传感器和滤波器等。由于渐变折射率多模光纤可以减少模式色散，并且其模式的传播常数是等距的，所以其光信号自聚焦长度可以很短，甚至小于1mm，因此，渐变折射率多模光纤中的非线性效应（如：四波混频、自相位调制以及交叉相位调制等）非常丰富。目前，在非线性效应方面，基于渐变折射率多模光纤实现了贝塞尔光束和超连续谱等多种应用，这些应用都为利用渐变折射率光纤制作可饱和吸收体提供了理论支撑。而且用渐变折射率多模光纤制作的可饱和吸收体比如石墨烯等二维材料和半导体可饱和吸收镜在结构上更加简单，并且损伤阈值高，同时由于光纤的材料以石英为主较之其他的可饱和吸收体不容易老化，是一种制作可饱和吸收体非常可靠的材料。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明设计了一种成本较低、结构简单、稳定性好的可饱和吸收体，提供一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的制作方法，以及使用该可饱和吸收体得到的锁模光纤激光器。本发明设计的一个目的是解决当前可饱和吸收体存在的技术问题，提供一种高损伤阈值、低损耗的可饱和吸收体器件，此外利用该可饱和吸收体实现被动锁模光纤激光器，该激光器具有阈值功率低、结构简单、稳定性好等特点。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案为：
一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器，其特征在于，包括泵浦激光源（1）、第一非保偏隔离器（2）、光纤波分复用器（3）、第二非保偏隔离器（4）、掺铥光纤（5）、光偏振控制器（6）、一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体（7）、光纤耦合器（8）；所述的泵浦激光源（1）与第一非保偏隔离器（2）一端口（201）相连，第一非保偏隔离器（2）二端口（202）与光纤波分复用器（3）一端口（301）相连，光纤波分复用器（3）三端口（303）与第二非保偏隔离器（4）相连，第二非保偏隔离器（4）的另一端与掺铥光纤（5）的一端口（501）相连，掺铥光纤（5）二端口（502）与光偏振控制器（6）一端口（601）相连，光偏振控制器（6）的二端口（602）与一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体（7）一端口（701）相连，一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体（7）二端（702）与光纤耦合器（8）一端口（801）相连，光纤耦合器（8）二端口（802）与光纤波分复用器（3）二端口（302）相连，激光从光纤耦合器（8）的三端口（803）输出。
所述的一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体（7）由单模光纤和渐变折射率多模光纤按照单模光纤1（703）-渐变折射率多模光纤（705）-单模光纤2（704）的结构方式熔接制成，其中渐变折射率多模光纤（705）与单模光纤2（704）熔接后形成锥形结构（706）。
作为优选方案，所述的单模光纤1（703）与单模光纤2（704）为同种单模光纤。
作为优选方案，所述的一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体（7）中渐变折射率多模光纤（705）采用纤芯与包层直径比为62.5µm /125µm的多模光纤。
作为优选方案，所述的锥形结构（706）的锥区最小的纤芯直径小于7μm,锥区的长度大于20μm。
作为优选方案，所述的一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体（7）中渐变折射率多模光纤（705）长度大于15cm 。
本发明的有益效果：
1、所述的一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锥区直径和锥区长度可以通过调节光纤熔接机的具体参数进行精确控制，从而改善该可饱和吸收体的特性，易于制作出性能优异的可饱和吸收体；
2、所述的可饱和吸收体制作简单，具有成本低、结构简单、效率高、性能稳定等优点，有利于推广应用；
3、本发明设计采用全光纤结构，具有制作简单、损伤阈值高、稳定性好等特性，容易获得结构简单、成本较低、损伤阈值高、稳定性好的超短脉冲锁模光纤激光器；
4、通过对多模光纤长度、锥区直径和锥区长度的合理设计，使得所述的可饱和吸收体器件能够在宽光谱范围内实现高透过传输，从而实现较低的***损耗。
附图说明
下面结合附图及其实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器的结构示意图，
1为泵浦激光源；2为第一非保偏隔离器；3为光纤波分复用器；4为第二非保偏隔离器；5为掺铥光纤；6为光偏振控制器；7为一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体；8为光纤耦合器；201为第一非保偏隔离器一端口；202为第一非保偏隔离器二端口； 301为光纤波分复用器一端口；302为光纤波分复用器二端口；303为光纤波分复用器三端口；501为第二非保偏隔离器一端口；502为第二非保偏隔离器二端口；601为光偏振控制器一端口；602为光偏振控制器二端口；701为基于非线性多模干涉效应的饱和吸收体一端口；702为基于非线性多模干涉效应的饱和吸收体二端口；703为单模光纤1；704为单模光纤2； 705为渐变折射率多模光纤；706为锥形结构；801为光纤耦合器一端口；802为光纤耦合器二端口；803为光纤耦合器三端口。
图2是单模光纤-锥形渐变折射率多模光纤-单模光纤结构的可饱和吸收体的结构示意图。
图3是显微镜锥区图。
图4是可饱和吸收曲线图。
图5是本发明实施例中激光器锁模运转输出的光谱图。
图6是本发明实施例中激光器锁模运转输出的脉冲序列图。
图7是本发明实施例中激光器锁模运转输出的自相关拟合图。
具体实施方式
本发明的主要思想是：采用的一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体中，由于渐变折射率多模光纤的自相位调制及交叉相位调制等非线性效应会引起折射率的改变，这使得不同强度的光在渐变折射率多模光纤中传输时模式分布不同。强光由于非线性效应会保持在基模模式在多模光纤中传输，而弱光会激发出高阶模式在多模光纤中传输。由于渐变折射率多模光纤中的模场分布不同，会影响非线性效应的强度，因此通过拉锥渐变折射率多模光纤一端会显著影响进入渐变折射率多模光纤的光的模场分布，增强非线性效应的影响，就会使得激光从渐变折射率多模光纤到单模光纤中的高峰值功率的光信号以基模模模式无损耗的耦合到单模光纤的纤芯处，而低峰值功率的光信号会激发出高阶模式进入单模光纤的包层中而衰减。此特性相当于可饱和吸收体。如图1所示，一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器，其特征包括泵浦激光源（1）、第一非保偏隔离器（2）、光纤波分复用器（3）、第二非保偏隔离器（4）、掺铥光纤（5）、光偏振控制器（6）、一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体（7）、光纤耦合器（8）；所述的泵浦激光源（1）与第一非保偏隔离器（2）一端口（201）相连，第一非保偏隔离器（2）二端口（202）与光纤波分复用器（3）一端口（301）相连，光纤波分复用器（3）二端口（302）与第二非保偏隔离器（4）相连，第二非保偏隔离器（4）的另一端与掺铥光纤（5）的一端口（501）相连，掺铥光纤（5）二端口（502）与光偏振控制器（6）一端口（601）相连，光偏振控制器（6）的二端口（602）与基于非线性多模干涉效应的饱和吸收体（7）一端口（701）相连，基于非线性多模干涉效应的饱和吸收体（7）二端（702）与光纤耦合器（8）一端口（801）相连，光纤耦合器（8）二端口（802）与光纤波分复用器（3）三端口（303）相连，激光从光纤耦合器（8）的三端口（803）输出。
实施例1：
本实例给出了一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体，该可饱和吸收体由单模光纤和渐变折射率多模光纤按照单模光纤1（703）-渐变折射率多模光纤（705）-单模光纤2（704）的结构方式熔接制成，其中渐变折射率多模光纤（705）与单模光纤2（704）熔接后形成锥形结构（706），如图2所示。显微镜下的锥区图如图3所示。
本实例利用锥形多模光纤可饱和吸收体非线性效应和自聚焦效应进行测量，在2μm波段实验测得的调制深度曲线如图4所示，根据公式T＝1-ΔT×exp(-I/Isat)-αns拟合可得到少模光纤可饱和吸收体的特性参数如下：调制深度ΔT＝21.15％，饱和通量Isat＝89.04μJ/cm2，非饱和吸收损耗αns＝19.68％。
实施例2：
基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器的结构中，泵浦激光源（1）采用1570nm泵浦激光源，第一非保偏隔离器（2）采用的是1570nm非保偏隔离器，光纤波分复用器（3）采用的是1570nm/2000nm的光纤波分复用器；第二非保偏隔离器（4）采用的是2000nm非保偏隔离器；掺铥光纤（5）采用Coractive公司的长度2m、纤芯与包层比为8µm/125µm的单包层掺铥光纤；光偏振控制器（6）采用的是光纤环型偏振控制器；图2为一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体的结构示意图，其中渐变折射率多模光纤（705）采用Corning公司生产的长度约为25cm，纤芯与包层比为62.5µm/125µm的渐变折射率多模光纤；锥形结构（706）拉伸锥的纤芯最小直径为5.35um,圆锥体的长度大约是28.2um；单模光纤1和单模光纤2采用规格同为9µm/125µm的单模光纤；光纤耦合器（8）采用的分光比为10:90的2000nm光纤耦合器，其中10%的光用作输出，90%的光继续在腔内振荡。当泵浦功率达到117mW时，通过调节光学偏振控制器获得了1935nm的锁模激光。
如图5至图7所示，为图1所示的被动锁模光纤器稳定运转时输出结果，如图5所示，当泵浦功率为117mW时，采用一种基于锥形多模光纤可饱和吸收体得到的被动锁模光纤激光器锁模脉冲输出光谱图，具有明显的Kelly边带，证明激光器为被动锁模输出，其中心波长为1935nm，3dB带宽为2.1nm；图6为锁模输出的脉冲序列图，可进一步证明锁模输出的稳定性；图7为测试的脉冲波形的自相关曲线，脉宽为1.5ps。综上可知，基于锥形多模光纤可饱和吸收体的锁模光纤激光器可以实现稳定的超短脉冲输出。
以上实施例只是本发明所有方案中优选方案之一，其它对一种基于非线性多模干涉效应的2μm波段多波长被动锁模光纤激光器结构的简单改变都属于本发明所保护的范围。