产生重复频率可调谐的高阶谐波孤子的混合锁模光纤激光器
阅读说明：本技术 产生重复频率可调谐的高阶谐波孤子的混合锁模光纤激光器 (Hybrid mode-locked fiber laser generating high-order harmonic solitons with tunable repetition frequency ) 是由 陈杰 郭雨清 翟亚宇 杨玲珍 王娟芬 于 2021-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高重频谐波孤子生成的混合锁模光纤激光器,包括：泵浦源、波分复用器、增益光纤、光隔离器、偏振控制器、光耦合器、单壁碳纳米管可饱和吸收体、在线起偏器和单模光纤。同时使用单壁碳纳米管可饱和吸收体和非线性偏振旋转效应可达到混合锁模的效果。在混合锁模掺铒光纤激光器中通过调节腔内损耗相关增益和光谱滤波效应产生可调谐重复频率高阶谐波孤子。本发明提供的谐波孤子产生的混合锁模光纤激光器能够稳定输出高重复频率谐波孤子。(The invention discloses a hybrid mode-locked fiber laser for generating high repetition frequency harmonic solitons, which comprises the following components: the device comprises a pumping source, a wavelength division multiplexer, a gain fiber, an optical isolator, a polarization controller, an optical coupler, a single-walled carbon nanotube saturable absorber, an online polarizer and a single-mode fiber. Meanwhile, the effect of hybrid mode locking can be achieved by using a single-walled carbon nanotube saturable absorber and a nonlinear polarization rotation effect. Tunable repetition frequency high-order harmonic solitons are generated in the hybrid mode-locked erbium-doped fiber laser by adjusting the related gain of the loss in the cavity and the spectral filtering effect. The hybrid mode-locked fiber laser generated by the harmonic solitons can stably output high-repetition-frequency harmonic solitons.)
技术领域
本发明涉及超快光纤激光领域，具体涉及一种产生重复频率可调谐的高阶谐波孤子的混合锁模光纤激光器。
背景技术
高重复频率的飞秒脉冲激光器已被用于各种应用，例如频率计量、高速光通信和多光子成像。主动锁模激光器可以输出重复频率为数百MHz甚至超过1GHz的飞秒脉冲序列。然而，主动锁模激光器需要在光谐振腔中加入光学相位/强度调制器来实现，结构复杂且成本高昂。一种产生高重复率脉冲的有效方法是在锁模激光器中使用混合光学器件，同时将光谐振腔缩短到约几十厘米的长度，但由于光纤长度易受到熔接长度的限制，输出脉冲的重复频率很难改变。谐波锁模孤子光纤激光器凭借其结构紧凑、低成本和低泵浦功率的优势，在不改变激光腔长度的情况下，已成为高重复率光源的有力研究工具。通过在激光腔内马赫-曾德尔干涉仪梳状滤波器，结合非线性偏振旋转效应可在光纤激光器内产生高阶谐波孤子，实现高重复率的脉冲序列，但是其高昂的成本和复杂的腔结构极大地限制了它们的应用。
发明内容
本发明提供了一种产生重复频率可调谐的高阶谐波孤子的混合锁模光纤激光器，本发明所述的高阶谐波孤子锁模机制通过调节光纤激光腔内损耗相关增益谱，同时在光谐振腔内引入光谱滤波效应，在适当的泵浦功率下合理调节腔内偏振态，利用单壁碳纳米管和非线性偏振旋转混合锁模机制，激光器产生稳定的1阶、3阶、7阶、11阶、17阶、22阶和29阶谐波孤子，第29阶谐波锁模孤子的重复频率高达528.5MHz。
本发明采用以下技术方案：
一种产生重复频率可调谐的高阶谐波孤子的混合锁模光纤激光器，包括：980nm直流泵浦源(1)，直流泵浦光源(1)顺次连接有980/1550nm波分复用器(2)，增益介质(3)，偏振无关光隔离器(4)，偏振控制器件(5)，输出耦合器件(6)，碳纳米管可饱和吸收锁模器件(7)，带有保偏光纤尾纤的在线起偏器件(8)和单模光纤(9)；980nm直流泵浦源(1)作为光源，光源通过波分复用器(2)耦合注入掺铒光纤(3)中，掺铒光纤(3)作为光纤激光器的增益介质，当光入射到掺铒光纤中，会发生自发辐射和受激辐射发射出光子；通过偏振无关隔离器(4)确保激光在腔内的单向传输，抑制反射光波对光源的不利影响；通过调节偏振控制器(5)可以改变光纤的偏振态，改变光在腔中的传输状态；单壁碳纳米管可饱和吸收体(7)作为腔中的人工可饱和吸收体在锁模的过程中发挥作用；在线起偏器(8)能够让线偏振光通过，阻止随机偏振光，在线起偏器(8)带有保偏光纤尾纤，由于保偏光纤尾纤和偏振控制器(5)的存在，形成非线性偏振旋转效应，谐波孤子形成过程同时受到非线性偏振旋转效应和单壁碳纳米管可饱和吸收体锁模器件的影响，腔内单壁碳纳米管可饱和吸收体有助于启动锁模，而稳态脉冲形状由非线性偏振控制，由于在激光器中引入了带有保偏光纤尾纤的在线起偏器，结合腔内偏振控制器的调节，光脉冲峰值处的高功率部分无衰减地通过在线起偏器，而光脉冲边翼处功率低的部分被阻挡，可以在腔内实现稳定的、窄化的锁模光脉冲输出，从而达到脉冲锁模的目的；光耦合器(6)将产生的激光分成两部分，70％输出端输出70％的激光继续在光纤激光器腔内传输，30％输出端用于输出腔内震荡产生的谐波激光脉冲。
所述的光纤激光器，单壁碳纳米管可饱和吸收体(7)是在0.05mg/mL的单壁碳纳米管分散液中进行光沉积制备而成的被动锁模器件。
所述的光纤激光器，在线起偏器(8)带有27cm长的保偏光纤尾纤。
根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于,光纤谐振腔的色散为17ps/km/nm附近。
所述的光纤激光器，泵浦功率为106.4毫瓦。
所述的光纤激光器，通过旋转腔内偏振控制器的旋钮改变腔内损耗相关增益谱和光谱滤波效应。
本发明提出的混合锁模机制光纤激光器可以获得高阶谐波锁模孤子生成，利用该方法实现的高阶谐波孤子锁模光纤激光器具有以下优点：
1、在光纤激光器腔内引入单壁碳纳米管可饱和吸收体和非线性偏振旋转效应实现混合锁模机制，通过合理调节偏振控制器，改变腔内增益损耗光谱和光谱滤波效应，得到高重频孤子输出。
2、本发明所实现的高重频光纤激光器，不需要对激光器的腔长进行精细缩短，实现高重频脉冲序列输出，所需泵浦功率低。
3、本发明所提出的光纤激光器，采用全光纤结构、稳定性高，重复性强，为产生可调谐重复频率高阶谐波孤子提供了一种新的方法。
附图说明
图1是利用光纤激光器腔内光谱滤波机制，结合腔内混合锁模机制实现高重频谐波孤子锁模的激光器结构示意图。
图2是本发明所采用的光纤激光器产生基频锁模脉冲的特性图，(a)为基频锁模脉冲的光谱图，(b)为射频频谱图，(c)为脉冲序列图。
图3是本发明所采用的光纤激光器产生的1阶、3阶、7阶、11阶、17阶、22阶、29阶谐波脉冲的射频频谱图。
图4是本发明所采用的光纤激光器产生的1阶、3阶、7阶、11阶、17阶、22阶、29阶谐波脉冲的脉冲序列图。
术语定义：Pump Laser：泵浦源，WDM：波分复用器，EDF：掺铒光纤，ISO：偏振无关隔离器，PC：偏振控制器，OC：耦合器，SWNT：单壁碳纳米管可饱和吸收体，ILP：在线起偏器，SMF：单模光纤。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明所采用的锁模机制是基于单壁碳纳米可饱和吸收体和非线性偏振旋转效应实现混合锁模，光谱滤波效应是在腔内引入带有保偏光纤尾纤的在线起偏器和腔内可实现精细偏振态调节的偏振控制器组成。
如图1所示，本发明提供的高重频谐波孤子生成混合锁模光纤激光器，包括：980nm直流泵浦源1，直流泵浦光源1顺次连接的有980/1550nm波分复用器2，增益介质3，偏振无关光隔离器4，偏振控制器件5，输出耦合器件6，碳纳米管可饱和吸收锁模器件7，带有保偏光纤尾纤的在线起偏器件8和单模光纤9。在光纤谐振腔内，在线起偏器件和偏振控制器可构成腔内光谱滤波器件，同时也可实现非线性偏振旋转锁模效应。
980nm直流泵浦源1是由一个半导体激光器二极管作为光源，是本发明光纤激光器的泵浦源；光源通过波分复用器2耦合注入掺铒光纤3中，掺铒光纤3作为光纤激光器的增益介质，当光入射到掺铒光纤中，会发生自发辐射和受激辐射发射出光子；通过偏振无关隔离器4确保激光在腔内的单向传输，抑制反射光波对光源的不利影响，从而保证系统的稳定运行；通过调节偏振控制器(PC)5可以改变光纤的偏振态，改变光在腔中的传输状态；单壁碳纳米管可饱和吸收体7是在0.05mg/mL的单壁碳纳米管分散液中进行光沉积制备而成的被动锁模器件，该器件作为腔中的人工可饱和吸收体在锁模的过程中发挥作用；在线起偏器(ILP)8能够让线偏振光通过，阻止随机偏振光，在线起偏器(ILP)8带有27cm长的保偏光纤尾纤，由于保偏光纤尾纤和偏振控制器(PC)5的存在，形成非线性偏振旋转效应，谐波孤子形成过程同时受到非线性偏振旋转效应和单壁碳纳米管可饱和吸收体锁模器件的影响，腔内单壁碳纳米管可饱和吸收体有助于启动锁模，而稳态脉冲形状由非线性偏振控制，由于在激光器中引入了带有保偏光纤尾纤的在线起偏器，结合腔内偏振控制器的调节，光脉冲峰值处的高功率部分无衰减地通过在线起偏器，而光脉冲边翼处功率低的部分被阻挡，可以在腔内实现稳定的、窄化的锁模光脉冲输出，从而达到脉冲锁模的目的；光耦合器(OC)6将产生的激光分成2部分，70％输出端输出70％的激光继续在光纤激光器腔内传输，30％输出端用于输出腔内震荡产生的谐波激光脉冲。激光器腔长约为11.28m。
如图2，为本发明光纤激光器产生的基频锁模特性图。当泵浦源的泵浦功率为19毫瓦时，激光器实现了自启动锁模脉冲输出，光谱图两边对称的Kelly边带表现出工作在反常色散下孤子的典型特征。图2(a)为基频锁模脉冲的光谱图，光谱中心波长和-3dB带宽分别为1560.6nm和5.52nm；图2(b)为基频锁模脉冲的射频频谱图，图中显示基频重复频率约为18.22MHz。根据基频锁模脉冲重复频率和激光器腔长的关系：
f＝c/nL
式中f和L分别是基频重复频率和光纤激光器的腔长，c为光速，n是光纤的折射率。可知脉冲基频重复频率18.22MHz与激光器腔长11.28m相符合的。图2(b)所示频率信噪比(SNR)约为66dB，表明本发明产生了高稳定性的基频锁模脉冲。如图2(c)所示，锁模孤子时序图，孤子强度基本一致，体现了光纤激光器输出基频锁模孤子较稳定。
如图3所示，为本发明光纤激光器产生的谐波锁模频谱图，随着泵浦功率增加至106.4毫瓦，通过旋转腔内偏振控制器的旋钮改变腔内损耗相关增益谱和光谱滤波效应，出现了具有高重复频率的谐波锁模，图3分别为1阶、3阶、7阶、11阶、17阶、22阶和29阶谐波锁模频谱图，其对应重复频率分别为18.22MHz、55.2MHz、127.5MHz、200.5HMz、309.7MHz、401.5MHz和528.5MHz。
如图4所示，为本发明光纤激光器产生的谐波锁模频谱图(图3)所对应的脉冲序列，可以看出此光纤激光器可以产生较高质量并且可以稳定传输的谐波锁模孤子。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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