基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器

摘要

本发明公开了基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器，泵浦源产生的泵浦光经过波分复用器进入增益光纤，提供激光器增益并产生随机噪声脉冲，随机噪声脉冲经过脉冲压窄机制被压窄，然后依次经过隔离器和干涉环被滤波，最后经由第三耦合器部分输出，剩余部分继续经过波分复用器和增益光纤被放大并继续参与腔内运转，干涉环包括第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器通过将单端和大比例端熔接构建干涉环。当激光在腔内周而复始的经历放大、压缩、滤波时，从而产生稳定的脉冲运转，当干涉环纵模间隔为激光器纵模间隔整数倍时，由于激光器驻波效应使得输出的光脉冲重复频率等于干涉环纵模间隔的正整数倍。

权利要求

1.基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器，其特征在于：泵浦源产生的泵浦光经过波分复用器进入增益光纤，提供激光器增益并产生随机噪声脉冲，随机噪声脉冲经过脉冲压窄机制被压窄，然后依次经过隔离器和干涉环被滤波，最后经由第三耦合器部分输出，剩余部分继续经过波分复用器和增益光纤被放大并继续参与腔内运转；

所述干涉环包括第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器通过将单端和大比例端熔接构建干涉环，两只耦合器单端间的光纤长度为L1，两只耦合器大比例端间的光纤长度为L2，据此得到干涉环的长度为L1+L2，其透过率计算公式为：其中K1、K2为耦合器功率耦合比例，β为运转激光的传播常数，由公式可以绘制得到干涉环透过谱为一系列分立的窄带透过峰，透过峰纵模间隔为 对应的频率间隔 其中c为光速，n为光纤折射率，λ为激光器中心波长，激光器输出的锁模脉冲重复频率即为该频率间隔Δf的正整数倍。

2.根据权利要求1所述基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器，其特征在于：通过调节干涉环长度可以改变其纵模间隔，通过改变耦合器功率耦合比例可以改变纵模宽度。

3.根据权利要求1或2所述基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器，其特征在于：脉冲压窄机制为基于二维可饱和吸收材料，二维可饱和吸收材料包括半导体可饱和吸收镜、拓扑绝缘体、石墨烯、碳纳米管、过渡金属氧化物和过渡金属硫化物。

4.根据权利要求1或2所述基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器，其特征在于：脉冲压窄机制为基于非线性偏振旋转或非线性光纤环镜的非线性透过机制。

5.根据权利要求1或2所述基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器，其特征在于：增益光纤为稀土离子掺杂光纤或非线性增益光纤。

说明书

基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器

技术领域

[0001] 本发明属于激光器的技术领域，特别是涉及基于高次谐波锁模的高重复频率脉冲光纤激光器。

背景技术

[0002] 目前在光纤激光器中产生脉冲激光的技术主要有增益开关、调Q、锁模等，其中只有锁模光纤激光器才可以产生脉宽为皮秒或者飞秒量级的超快光脉冲。根据锁模脉冲产生
的原理，产生的光脉冲重复频率 其中c为光速，n为光纤材料折射率，L为激光器腔长。
由于激光器腔长受激光器搭建过程中器件尾纤和增益光纤长度限制，最短只能做到米量
级，对应的光脉冲重频最高只能达到几十MHz。为了实现高重复频率锁模光脉冲输出，通常
采取在激光腔内激发高次谐波锁模的方法，传统方法为在腔内加入F‑P干涉标准具，该方法
具有成本高、加工难度大，标准具纵模间隔不可调等缺点。为改进上述缺点，本发明提出了
基于两只光纤耦合器搭建的干涉环结构，用于在激光器内取代传统的F‑P干涉标准具，本发
明结构具有制作成本低、纵模间隔可调谐的优点。产生的高重复频率锁模光脉冲可以应用
在光通信、激光加工，频率梳产生、高功率太赫兹源等领域。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供基于光纤耦合器的短腔干涉环结构，用于取代传统高次谐波锁模光纤激光器中的的F‑P干涉标准具，降低制作成本的同时容易实现输出纵模间隔的
调节，从而在光纤激光器中实现基于高次谐波锁模的高重复频率锁模光脉冲输出。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

[0005] 基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器，泵浦源产生的泵浦光经过波分复用器进入增益光纤，提供激光器增益并产生随机噪声脉冲，随机噪声脉冲经过脉冲压窄机制被压
窄，然后依次经过隔离器和干涉环被滤波，最后经由第三耦合器部分输出，剩余部分继续经
过波分复用器和增益光纤被放大并继续参与腔内运转。隔离器的存在保证了腔内激光的单
向运转，当腔内激光周而复始的经历放大、压缩、滤波时，从而产生稳定的脉冲运转。当干涉
环纵模间隔为激光器纵模间隔整数倍时，由于激光器驻波效应使得输出的光脉冲重复频率
等于干涉环纵模间隔的正整数倍，从而实现高重复频率的高次谐波锁模脉冲输出。由于此
干涉环只有两个光纤器件，因此干涉环长度可以被很好的限制在10厘米左右，从而很容易
实现GHz乃至更高重复频率的锁模光脉冲产生。

[0006] 所述干涉环包括第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器通过将单端和大比例端熔接构建干涉环，两只耦合器单端间的光纤长度为L1，两只耦合器大比例端间
的光纤长度为L2，据此得到干涉环的长度为L1+L2，其透过率计算公式为：

[0007]

[0008]

[0009]

[0010] 其中K1、K2为耦合器功率耦合比例，β为运转激光的传播常数，由公式可以绘制得到干涉环透过谱为一系列分立的窄带透过峰，透过峰纵模间隔为 对应的频
率间隔 其中c为光速，n为光纤折射率，λ为激光器中心波长。激光器输出的
锁模脉冲重复频率即为该频率间隔Δf的正整数倍。

[0011] 进一步地，通过调节干涉环长度可以改变其纵模间隔，通过改变耦合器功率耦合比例可以改变纵模宽度。

[0012] 进一步地，脉冲压窄机制为基于二维可饱和吸收材料，二维可饱和吸收材料包括半导体可饱和吸收镜、拓扑绝缘体、石墨烯、碳纳米管、过渡金属氧化物和过渡金属硫化物。

[0013] 进一步地，脉冲压窄机制也可以为基于非线性偏振旋转或非线性光纤环镜的非线性透过机制。

[0014] 进一步地，增益光纤为稀土离子掺杂光纤或非线性增益光纤。

[0015] 本发明具有以下有益效果：

[0016] 1.本结构激光器输出的脉冲重复频率不受激光器腔长限制，因此可以利用较长的增益光纤搭建激光器，从而可以实现较高功率的锁模脉冲直接输出。

[0017] 2.本结构可以通过改变干涉环长度实现激光器纵模间隔的调谐，从而可以在长腔状态下实现激光器高次谐波的同时调节输出的锁模脉冲重复频率。

[0018] 3.本结构输出的光脉冲纵模间隔较大，啁啾量大，容易实现腔外啁啾放大。

[0019] 4.利用光纤干涉环替代传统F‑P干涉标准具，制作成本低及难度大大降低、激光器纵模间隔即输出脉冲重复频率可调谐。

[0020] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附
图。

[0022] 图1：本发明激光器结构示意图。

[0023] 图2：本发明干涉环结构及透过谱。

具体实施方式

[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不
是指示或暗示所指的组件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
能理解为对本发明的限制。

[0026] 如图1‑2所示：基于光纤耦合器的高次谐波锁模激光器

[0027] 按图1结构通过光纤熔接搭建所示光纤激光器，激光器的运转过程如下所述。泵浦源产生的泵浦光经过波分复用器进入增益光纤，提供激光器增益并产生随机噪声脉冲，随
机噪声脉冲经过脉冲压窄机制被压窄，然后依次经过隔离器和干涉环被滤波，最后经由第
三耦合器部分输出，剩余部分继续经过波分复用器和增益光纤被放大并继续参与腔内运
转。隔离器的存在保证了腔内激光的单向运转，当腔内激光周而复始的经历放大、压缩、滤
波时，从而产生稳定的脉冲运转。当干涉环纵模间隔为激光器纵模间隔整数倍时，由于激光
器驻波效应使得输出的光脉冲重复频率等于干涉环纵模间隔的正整数倍，从而实现高重复
频率的高次谐波锁模脉冲输出。由于此干涉环只有两个光纤器件，因此干涉环长度可以被
很好的限制在10厘米左右，从而很容易实现GHz乃至更高重复频率的锁模光脉冲产生。

[0028] 所述干涉环包括第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器和第二耦合器通过将单端和大比例端熔接构建干涉环，两只耦合器单端间的光纤长度为L1，两只耦合器大比例端间
的光纤长度为L2，据此得到干涉环的长度为L1+L2，其透过率计算公式为：

[0029]

[0030]

[0031]

[0032] 其中K1、K2为耦合器功率耦合比例，β为运转激光的传播常数，通过调节干涉环长度可以改变其纵模间隔，通过改变耦合器功率耦合比例可以改变纵模宽度；

[0033] 由公式可以绘制得到干涉环透过谱为一系列分立的窄带透过峰，如图2所示：透过峰纵模间隔为 对应的频率间隔 其中c为光速，n为光纤折
射率，λ为激光器中心波长。激光器输出的锁模脉冲重复频率即为该频率间隔Δf的正整数
倍。

[0034] 脉冲压窄机制为基于二维可饱和吸收材料，二维可饱和吸收材料包括半导体可饱和吸收镜、拓扑绝缘体、石墨烯、碳纳米管、过渡金属氧化物和过渡金属硫化物。

[0035] 脉冲压窄机制也可以为基于非线性偏振旋转和非线性光纤环镜的非线性透过机制。

[0036] 增益光纤为稀土离子掺杂光纤或非线性增益光纤。

[0037] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施
例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合
适的方式结合。

[0038] 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，
可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明
的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅
受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。