自相似脉冲锁模光纤激光器
阅读说明：本技术 自相似脉冲锁模光纤激光器 (Self-similar pulse mode-locked fiber laser ) 是由 李沐霖 张巧芬 吴黎明 王桂棠 邓耀华 高梓皓 庞亮雨 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了自相似脉冲锁模光纤激光器,包括泵浦激光源和光纤环路；所述光纤环路包括依次首尾相接的波分复用耦合器、增益光纤、超高斯频谱滤波器、可饱和吸收体模块、输出耦合器、色散补偿光纤和单模光纤；所述泵浦激光源连接所述波分复用耦合器；所述可饱和吸收体模块包括两个串接的可饱和吸收体。本发明对脉冲的高功率部分与低功率部分能量的吸收差异明显,能够有效地窄化脉冲,使得最后产生的稳定锁模脉冲与理论的抛物线脉冲更相近。(The invention discloses a self-similar pulse mode-locked fiber laser, which comprises a pump laser source and a fiber loop; the optical fiber loop comprises a wavelength division multiplexing coupler, a gain optical fiber, a super-Gaussian spectrum filter, a saturable absorber module, an output coupler, a dispersion compensation optical fiber and a single-mode optical fiber which are sequentially connected end to end; the pump laser source is connected with the wavelength division multiplexing coupler; the saturable absorber module comprises two saturable absorbers connected in series. The invention has obvious energy absorption difference between the high-power part and the low-power part of the pulse, and can effectively narrow the pulse, so that the finally generated stable mode-locking pulse is closer to the theoretical parabolic pulse.)
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及自相似脉冲锁模光纤激光器。
背景技术
2004年，Ilday等人从理论上证明了光纤激光器中能够产生自相似脉冲，这种激光器的脉冲整形规律与传统的类孤子和色散管理孤子的脉冲演化截然不同，脉冲在激光器内始终是正啁啾，其脉冲能量远大于孤子脉冲整形，通过整形和压缩后可以获得高功率、无基座超短光脉冲。自相似脉冲又叫自相似子，它是指在正常群速度色散光纤内产生能量被显著放大、具有很强的线性啁啾、时域波形近似抛物线型的脉冲，这种脉冲自相似演化特性由初始脉冲能量和光纤参数决定与输入脉冲形状无关，这有利于提高输出脉冲的功率；由于自相似脉冲的强线性啁啾特性使得对其很容易进行压缩；另外自相似脉冲在光纤中传输时会保持抛物线型地演化，这将有利于脉冲进行长距离、无畸变地传输。自相似锁模光纤激光器出现的时间较晚，但因具有产生优质超短脉冲的潜力受到了国内外学者广泛的关注。
目前的自相似光纤激光器的设计原理主要基于色散管理孤子技术，由泵浦光源产生的低功率脉冲经过具有正色散的掺杂稀土增益光纤后进入可饱和吸收体，可饱和吸收体对脉冲进行整形，随后脉冲经过具有负色散的色散补偿光纤进行压缩补偿，通过控制色散补偿光纤的补偿色散量保证激光器完成自相似锁模所需的净色散量，最后经过具有正色散的单模光纤进行自相似脉冲的演化，完成一次激光腔内循环，随着循环次数的增加，脉冲的能量逐渐增加，当能量达到一定程度后，增益达到饱和，脉冲的时域波形会趋于稳定，达到锁模状态，激光器会输出稳定的锁模自相似脉冲。
现有的自相似光纤激光器中大多都只有一个可饱和吸收体作为锁模器件，可饱和吸收体的作用是对脉冲进行整形。作为一个非线性的锁模器件，脉冲的高功率部分经过可饱和吸收体时有较小的损耗，低功率部分经过可饱和吸收体时有较高的损耗，传统的光纤激光器中的可饱和吸收体虽然能够满足这样的要求，但是可饱和吸收体对脉冲的高功率部分与低功率部分能量的吸收差异不够明显，从而不能有效地窄化脉冲，导致最后产生的稳定锁模脉冲与理论的抛物线脉冲有较大的差异，如图1所示。并且，图1中的虚线表示只有一个可饱和吸收体作为锁模器件时的自相似光纤激光器的输出脉冲，实线表示与所述基于单个可饱和吸收体的激光器具有相同半高全峰和峰值功率的理论抛物线脉冲。
发明内容
本发明实施例的目的在于，提出了自相似脉冲锁模光纤激光器，对脉冲的高功率部分与低功率部分能量的吸收差异明显，能够有效地窄化脉冲，使得最后产生的稳定锁模脉冲与理论的抛物线脉冲更相近。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了自相似脉冲锁模光纤激光器，包括泵浦激光源和光纤环路；所述光纤环路包括依次首尾相接的波分复用耦合器、增益光纤、超高斯频谱滤波器、可饱和吸收体模块、输出耦合器、色散补偿光纤和单模光纤；所述泵浦激光源连接所述波分复用耦合器；所述可饱和吸收体模块包括两个串接的可饱和吸收体。
根据本发明的一种能够实现的方式，所述泵浦激光源采用980nm的泵浦激光源。
根据本发明的一种能够实现的方式，所述波分复用耦合器的频分范围为976-1560nm。
根据本发明的一种能够实现的方式，所述可饱和吸收体的不饱和损耗值的范围在0.51-0.55之间。
根据本发明的一种能够实现的方式，所述波分复用耦合器设有第一复用输入端，第二复用输入端、以及复用输出端；所述输出耦合器设有耦合输入端、第一耦合输出端和第二耦合输出端；所述第一复用输入端与泵浦激光源的输出端相连；所述增益光纤的一端连接所述复用输出端，另一端连接所述超高斯频谱滤波器的输入端，所述超高斯频谱滤波器的输出端连接所述可饱和吸收体模块的输入端，所述可饱和吸收体模块的输出端连接所述耦合输入端，所述第一耦合输出端连接所述色散补偿光纤的一端，所述色散补偿光纤的另一端连接所述单模光纤的一端，所述单模光纤的另一端连接所述第二复用输入端。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明所述的自相似脉冲锁模光纤激光器，由于其可饱和吸收体模块包括两个串接的可饱和吸收体，从而对脉冲的高功率部分与低功率部分能量的吸收差异明显，能够有效地窄化脉冲，使得最后产生的稳定锁模脉冲与理论的抛物线脉冲更相近。
附图说明
图1为现有的激光器输出稳定锁模脉冲与理论抛物线拟合图；
图2为本发明所述自相似脉冲锁模光纤激光器较优选实施例的结构示意图；
图3为本发明的激光器输出稳定锁模脉冲与理论抛物线拟合图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本发明的描述中，应当理解的是，本文中的编号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有者技术含义，不能理解为规定或者暗示所描述的对象的重要性。
图2为本发明所述自相似脉冲锁模光纤激光器较优选实施例的结构示意图。
下面为本发明中一种优选实施例的实施方式：
1、泵浦激光源：采用980nm的泵浦激光源；
2、波分复用耦合器：波分复用耦合器频分范围为976-1560nm；
3、增益光纤：光纤长度为0.23m，小信号增益为30.4/m，二阶色散β2大小为23ps2/km，非线性系数γ为4.7/(W·km)，增益饱和能量为60pJ，增益带宽为45nm；
4、超高斯频谱滤波器：超高斯系数为5，滤波器带宽为45nm；
5、可饱和吸收体：饱和功率为1500W，不饱和损耗为0.53；
6、输出耦合器：输出耦合率为10％；
7、色散补偿光纤：光纤长度为1m，二阶色散β2大小为-130ps2/km，非线性系数γ为1.3/(W·km)；
8、单模光纤：光纤长度为6m，二阶色散β2大小为23ps2/km，非线性系数γ为4.7/(W·km)。
基于本实施例给出的自相似脉冲锁模光纤激光器，其产生自相似脉冲和的过程以及整个器件的工作原理为：980nm泵浦激光源经过波分复用耦合器的第一复用输入端进入光纤环路中，在具有正色散的增益光纤中产生中心波长为1065nm的放大信号光，由于增益光纤的长度很短，其色散和非线性对信号光影响较小，因此脉冲的能量提高，但脉宽基本保持不变。随后超高斯频谱滤波器消除脉冲的低功率旁瓣部分，使脉冲能量主要集中在中心波长附近。随之通过可饱和吸收体模块，其中，第一个可饱和吸收体对脉冲进行初步整形，脉冲的高功率部分经过可饱和吸收时有较小的损耗，脉冲的低功率部分有较大的损耗，因此脉冲的能量会有较大程度的衰减，同时脉宽减小；第二个可饱和吸收体进一步对脉冲整形，脉冲的能量进一步衰减，脉宽进一步减小，由于两个可饱和吸收体的叠加作用，脉冲的高功率部分与低功率部分的能量差异得到成倍的提高。脉冲经过输出耦合器后，其10％的能量从第二耦合输出端得到输出，其余能量经过第一耦合输出端进入经过具有反常色散的色散补偿光纤后，脉冲得到压缩，其脉宽减小，峰值功率提高，最后进入单模光纤内，在正色散的作用下，脉冲的脉宽增加，峰值功率降低。最终，脉冲经过波分复用耦合器的第二复用输入端后重新输入增益光纤中，完成一次腔内循环。经过多次循环，当脉冲的脉宽和能量达到一定的临界值时，脉冲会逐渐在单模光纤内演化成具有线性啁啾的抛物线脉冲，最终得到稳定锁模的自相似脉冲输出。
图3为本发明的激光器输出稳定锁模脉冲与理论抛物线拟合图。其中，图3中的虚线表示基于两个可饱和吸收体作为锁模器件的自相似光纤激光器的输出脉冲，实线表示与所述基于两个可饱和吸收体的激光器具有相同半高全峰和峰值功率的理论抛物线脉冲。相比于图1所示的只有一个可饱和吸收体的现有自相似脉冲锁模光纤激光器，本发明的激光器是具有双重可饱和吸收体的自相似脉冲锁模光纤激光器，从两幅对比图中可以看出本发明的激光器输出的自相似脉冲更接近于理论脉冲，为了更加直观的说明，引进一个自相似系数，用来表示实际上产生的脉冲与理论脉冲的相近程度，自相似系数越小，表示实际的脉冲越接近理论上产生的自相似脉冲，其中，自相似系数的计算公式为：
式中，u(z,T)为数值模拟演化脉冲，u′(z,T)为标准抛物线型脉冲，其中标准抛物线型脉冲具有与数值模拟演化脉冲相同的半高全宽和峰值功率。
根据所述自相似系数的计算公式，只有一个可饱和吸收体的自相似脉冲激光器输出的自相似脉冲的自相似系数为0.1445，具有双重可饱和吸收体的自相似脉冲激光器输出的自相似脉冲的自相似系数为0.0498，从自相似系数上看，具有双重可饱和吸收体的自相似脉冲最后输出的脉冲激光比只有一个可饱和吸收体的自相似脉冲输出的激光更接近理论脉冲。
下表基于上述实施例中各部件的参数，双重可饱和吸收体的激光器与单可饱和吸收体的激光器在使用不同可饱和损耗值的可饱和吸收体时的自相似系数。
从上表中的数据可以更加直观的看出，基于双重可饱和吸收体的自相似锁膜脉冲激光器的自相似系数远远小于基于单个可饱和吸收体的自相似锁模脉冲激光器，也进一步说明基于双重可饱和吸收体的锁模脉冲激光器相比于基于单个可饱和吸收体的锁模脉冲激光器的输出更接近理论脉冲。
基于三个或三个以上的可饱和吸收体的激光器无法得到稳定的锁模脉冲，且可饱和吸收体的数量与激光器的成本成正相关，所以本发明提出的基于双重可饱和吸收的自相似脉冲激光器能够在尽可能保证低成本的同时还能有效窄化脉宽，使得实际输出的脉冲更接近于理论脉冲。
在本实施例中，基于双重可饱和吸收体的自相似脉冲激光器输出的脉冲更接近于理论脉冲，也就是意味着输出脉冲在整个时域脉宽内具有更好的线性啁啾分布，这将有利于提高后续脉冲的压缩质量，具有能够得到更高能量，低旁瓣的高质量超短脉冲潜力。
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