專利名稱：全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)的制作方法
全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種光纖激光器系統(tǒng)，尤其涉及一種可整形的全正色散耗散型納秒級(jí)鎖模脈沖光纖激光器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
納秒量級(jí)的鎖模光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、性能穩(wěn)定、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便、便于耦合等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)防，軍事，以及科研方面都有重要的用途。
與傳統(tǒng)的固體鎖模激光器相比，光纖激光器自身的色散、非線性以及偏振態(tài)等特性使其在鎖模脈沖激光器領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)?；谌⒌暮纳⑿兔}沖，其形成機(jī)理不同于保守態(tài)下的群速色散和自相位調(diào)制平衡而形成的孤子脈沖。孤子脈沖能量受到孤子面積理論的限制，脈沖能量限制在O.1nJ以下。而耗散型脈沖是基于全正色散，光譜濾波， 以及光纖非線性和激光腔內(nèi)增益和損耗共同作用的結(jié)果，因而具有脈沖能量高、脈寬相對(duì)較寬(皮秒量級(jí))，峰值功率小，易于進(jìn)行展寬而受光纖非線性影響相對(duì)較小的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的調(diào)Q鎖模脈沖是基于Q開關(guān)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的增益和損耗形成低Q值存儲(chǔ)能量，高Q值釋放能量的工作模式，其產(chǎn)生的脈沖雖然在納秒量級(jí)但是脈沖和脈沖之間無(wú)相干性，因而不能進(jìn)行脈沖展寬或壓縮，因此其應(yīng)用受到局限。而基于全正色散的鎖模激光器本身能夠產(chǎn)生皮秒量級(jí)的啁啾脈沖，在經(jīng)過(guò)一定量的色散光纖展寬，就能產(chǎn)生納秒級(jí)的鎖模脈沖。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的負(fù)色散器件(如光柵對(duì))，就能使得脈沖再次壓回皮秒甚飛秒量級(jí)。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)激光腔內(nèi)的偏振狀態(tài)，可以得到不同形狀的光譜，由于鎖模脈沖的光譜和 脈沖是嚴(yán)格意義上的傅里葉變換關(guān)系，因而光譜不同，脈沖形狀也就不同?；谶@一思想，可以通過(guò)調(diào)節(jié)鎖模光纖激光器的鎖模狀態(tài)以及外加濾波器等手段控制光譜的形狀來(lái)控制脈沖的特性。近年來(lái)也有文獻(xiàn)報(bào)道利用長(zhǎng)腔光纖激光器產(chǎn)生納秒脈沖，但是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證這種光纖激光器產(chǎn)生的納秒脈沖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸其特性很難改變，說(shuō)明長(zhǎng)腔產(chǎn)生的納秒級(jí)脈沖相位復(fù)雜不能用普通的線性色散器件進(jìn)行展寬或者壓縮。因而其應(yīng)用也受到限制。而基于全正色散的皮秒量級(jí)的光纖激光器所產(chǎn)生的啁啾脈沖經(jīng)過(guò)色散光纖展寬后，其脈沖特性和光譜特性嚴(yán)格滿足傅里葉變換關(guān)系。大的啁啾保證鎖模脈沖受光纖非線性影響小，高的輸出能量保證脈沖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)的色散光纖還有足夠的剩余能量。發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種脈沖能量高、散熱效果好、易于調(diào)節(jié)、操作簡(jiǎn)便以及可作為啁啾脈沖放大的前端系統(tǒng)的全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是本發(fā)明提供了一種全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)，其特殊之處在于所述全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)包括全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)、脈沖展寬子系統(tǒng)以及帶有濾波功能的三級(jí)放大子系統(tǒng)；所述全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)通過(guò)脈沖展寬子系統(tǒng)接入帶有濾波功能的三級(jí)放大子系統(tǒng)。上述全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)包括光纖耦合的半導(dǎo)體泵浦光源、波分復(fù)用器、摻鐿光纖、偏振相關(guān)隔離器、輸出耦合器、偏振控制器以及光學(xué)濾波器；所述光纖耦合的半導(dǎo)體泵浦光源產(chǎn)生泵浦光；所述光纖耦合的半導(dǎo)體泵浦光源所產(chǎn)生的泵浦光通過(guò)波分復(fù)用器注入摻鐿光纖；所述偏振相關(guān)隔離器、輸出耦合器、偏振控制器以及光學(xué)濾波器依次連接；所述光學(xué)濾波器接入波分復(fù)用器。
上述摻鐿光纖是Ybl64的光纖；所述波分復(fù)用器的頻分范圍為980nm/1053nm ;所述輸出耦合器的輸出比率為30% ;所述半導(dǎo)體泵浦光源的工作波長(zhǎng)是976nm的單模半導(dǎo)體激光器，其輸出功率為0-250mW ;所述濾波器是1064±5nm濾波器；所述半導(dǎo)體泵浦光源、波分復(fù)用器、摻鐿光纖、偏振相關(guān)隔離器、輸出耦合器、偏振控制器以及光學(xué)濾波器之間采用 HI 1060光纖連接。
上述脈沖展寬子系統(tǒng)是G 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖；所述輸出耦合器接入G 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。
上述帶有濾波功能的三級(jí)放大子系統(tǒng)包括泵浦激光器、第一分束器、第二分束器、 第一波分復(fù)用器、第一增益光纖、第二波分復(fù)用器、第二增益光纖、第三波分復(fù)用器、第三增益光纖、偏振無(wú)關(guān)隔離器以及濾波器；所述G 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖接入第一分束器；所述泵浦激光器通過(guò)第一分束器分別接入第一波分復(fù)用器以及第二分束器；所述第一波分復(fù)用器通過(guò)第一增益光纖接入第二波分復(fù)用器；所述泵浦激光器通過(guò)第一分束器接入第二分束器后分別接入第二波分復(fù)用器以及第三波分復(fù)用器；所述第二波分復(fù)用器通過(guò)第二增益光纖接入第三波分復(fù)用器；所述第三波分復(fù)用器通過(guò)第三增益光纖和偏振無(wú)關(guān)隔離器相連；所述偏振無(wú)關(guān)隔離器接入濾波器。
上述第一分束器的分束比例是70 30 ;所述第二分束器的分束比例是60 40; 所述泵浦激光器是980nm泵浦激光器；所述濾波器是1064±4nm濾波器；所述增益光纖的吸收系數(shù)是20dB/m。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
本發(fā)明提供了一種全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括全正色散耗散型鎖模脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)A、展寬子系統(tǒng)B、具有濾波特性的三級(jí)脈沖放大子系統(tǒng)C ;全正色散耗散型鎖模脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)A連接展寬子系統(tǒng)B，之后進(jìn)入具有濾波特性的三級(jí)脈沖放大子系統(tǒng)C。該光纖激光器系統(tǒng)所用種子光源為基于光譜濾波效應(yīng)的全正色散被動(dòng)鎖模光纖激光器所產(chǎn)生的耗散型脈沖，具有線性啁啾，脈寬在皮秒量級(jí)，脈沖能量高(大于InJ);同時(shí)，該激光器系統(tǒng)采用全光纖結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率高，光束質(zhì)量好，散熱效果好，易于與其他器件耦合；第三，該激光器系統(tǒng)易于調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)便；第四， 該激光器系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)通訊波段的G 652單模光纖進(jìn)行展寬，價(jià)格便宜，效果明顯，相比于 H1-1060光纖性價(jià)比更高；第五，該激光器的三級(jí)放大子系統(tǒng)可以將原始弱信號(hào)(微瓦量級(jí))放大1000倍(毫瓦量級(jí))，放大效率高，并帶有濾波功能，不但能夠很好的抑制自發(fā)輻射背景噪聲，還能有效的進(jìn)行二次脈沖整形，使得所輸出的脈沖更能接近用戶需要。第六， 該激光器系統(tǒng)可作為啁啾脈沖放大的前端系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明所提供的光纖激光器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明所包括三個(gè)子系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。
其中
1-半導(dǎo)體泵浦光源、2-波分復(fù)用器、3-摻鐿光纖、4-偏振相關(guān)隔離器、5-輸出耦合器、6-偏振控制器、7-光學(xué)濾波器、8-標(biāo)準(zhǔn)通訊用光纖、9-第一分束器、10-第二分束器、11-泵浦激光器、12-第一波分復(fù)用器、13-第一增益光纖、14-第二波分復(fù)用器、15-第二增益光纖、16-第三波分復(fù)用器、17-第三增益光纖、18-偏振無(wú)關(guān)隔離器、19-濾波器。
具體實(shí)施方式
參見圖1，本發(fā)明提供的產(chǎn)生納秒級(jí)全正色散耗散型鎖模脈沖新型光纖激光系統(tǒng)包括依次通過(guò)光路連接的全正色散耗散型鎖模脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)A、脈沖展寬子系統(tǒng)B、具有濾波特性的三級(jí)脈沖放大子系統(tǒng)C。
全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)A激發(fā)脈沖展寬子系統(tǒng)B產(chǎn)生納秒量級(jí)的脈沖；帶有濾波功能的三級(jí)放大子系統(tǒng)C將所產(chǎn)生的納秒量級(jí)的脈沖進(jìn)行放大到所需功率和脈沖能量。
參見圖2，其中全正色散耗散型鎖模脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)A包括光纖耦合的半導(dǎo)體泵浦光源1、波分復(fù)用器2、摻鐿光纖3、偏振相關(guān)隔離器4、70 : 30輸出稱合器5、偏振控制器 6、光學(xué)濾波器7、以及用于連接的HI 1060光纖。泵浦光源I的泵浦光通過(guò)波分復(fù)用器2注入摻鐿 光纖3，所激發(fā)出的自發(fā)輻射光(ASE)以及殘余泵浦光進(jìn)入偏振相關(guān)隔離器4以產(chǎn)生線偏振光，進(jìn)入輸出I禹合器5, 70%端口進(jìn)入偏振控制器6,以改變光的偏振態(tài),再經(jīng)過(guò)光學(xué)濾波器7、最后通過(guò)波分復(fù)用器2再次循環(huán)。其中摻鐿光纖型號(hào)為CorActive公司生產(chǎn)的型號(hào)為Ybl64的光纖,長(zhǎng)度為O. 8m,諧振腔內(nèi)僅用一個(gè)偏振控制器；在輸出I禹合器之后和 1064±5nm濾波器相連；波分復(fù)用器的頻分范圍為980nm/1053nm ;輸出I禹合器的輸出比率為30% ;泵浦光源工作波長(zhǎng)為976nm的單模半導(dǎo)體激光器，輸出功率為0_250mW ;構(gòu)成激光器諧振腔的H1-1060光纖總長(zhǎng)13. 21m包括器件尾纖和所用光纖。
光通過(guò)非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，產(chǎn)生重復(fù)頻率與腔長(zhǎng)有關(guān)的啁啾脈沖。通過(guò)光譜儀和自相關(guān)儀可以得到種子光源的輸出特性。在鎖模狀態(tài)下通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)偏振控制器4可以改變鎖模的光譜特性，也就對(duì)應(yīng)著改變了鎖模的脈沖特性。
全正色散耗散型鎖模脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)中的偏振控制器可以改變光譜特性和對(duì)應(yīng)輸出脈沖波形。
將鎖模脈沖注入展寬子系統(tǒng)B之中，包括25km G 652標(biāo)準(zhǔn)通訊用光纖8。所輸出的脈沖在納秒量級(jí)。通過(guò)高速示波器即可清楚地看到納秒量級(jí)的脈沖波型，和展寬后的光譜為傅里葉變換關(guān)系。
帶有濾波功能的三級(jí)脈沖放大子系統(tǒng)C包括分束比分別為第一分束器9和第二分束器10,980nm泵浦激光器300mW 11,第一波分復(fù)用器12,第一增益光纖13,第二波分復(fù)用器14，第二增益光纖15，第三波分復(fù)用器16，第三增益光纖17，偏振無(wú)關(guān)隔離器18， 1064±4nm濾波器19。輸出的納秒級(jí)鎖模脈沖經(jīng)過(guò)第一波分復(fù)用器12接入具有濾波特性的三級(jí)脈沖放大子系統(tǒng)C。980nm泵浦激光器300mW 11通過(guò)兩個(gè)分束器分為三個(gè)泵浦不同功率，分別經(jīng)過(guò)30 %端口、70 % -40 %端口、70 % -60 %端口與第一波分復(fù)用器12、第二波分復(fù)用器14、第三波分復(fù)用器16波分復(fù)用器相連接。泵浦光和信號(hào)光經(jīng)過(guò)第一波分復(fù)用器 12進(jìn)入第一增益光纖13，之后放大的信號(hào)同第二泵浦光通過(guò)第二波分復(fù)用器14進(jìn)入第二增益光纖15，再次放大的信號(hào)和第三泵浦光通過(guò)第三波分復(fù)用器16進(jìn)入第三增益光纖17， 所輸出的放大信號(hào)經(jīng)過(guò)偏振無(wú)關(guān)隔離器18，進(jìn)入濾波器19，最后輸出。增益光纖吸收系數(shù)為20dB/m，具有濾波特性的三級(jí)脈沖放大子系統(tǒng)所用泵浦光源通過(guò)70 30，60 40的兩個(gè)分束器分成三級(jí)放大的泵浦端。
全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)，隨泵浦功率增加譜寬增加，脈沖寬度也線形增加。在200mW泵浦功率下，直接輸出15mW。通過(guò)改變腔內(nèi)偏振狀態(tài)可以調(diào)整不同的鎖模光譜。通過(guò)展寬子系統(tǒng)后，輸出為納秒級(jí)鎖模脈沖，輸出功率150yW。通過(guò)具有濾波特性的三級(jí)脈沖放大子系統(tǒng)之后，脈沖進(jìn)一步被整形，輸出功率18mW。根據(jù)需要還可進(jìn)一步放大。·
權(quán)利要求
1.一種全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于 所述全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)包括全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)、脈沖展寬子系統(tǒng)以及帶有濾波功能的三級(jí)放大子系統(tǒng)；所述全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)通過(guò)脈沖展寬子系統(tǒng)接入帶有濾波功能的三級(jí)放大子系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于所述全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)包括光纖耦合的半導(dǎo)體泵浦光源、波分復(fù)用器、摻鐿光纖、偏振相關(guān)隔離器、輸出I禹合器、偏振控制器以及光學(xué)濾波器; 所述光纖耦合的半導(dǎo)體泵浦光源產(chǎn)生泵浦光；所述光纖耦合的半導(dǎo)體泵浦光源所產(chǎn)生的泵浦光通過(guò)波分復(fù)用器注入摻鐿光纖；所述偏振相關(guān)隔離器、輸出耦合器、偏振控制器以及光學(xué)濾波器依次連接；所述光學(xué)濾波器接入波分復(fù)用器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于所述摻鐿光纖是Ybl64的光纖；所述波分復(fù)用器的頻分范圍為 980nm/1053nm;所述輸出耦合器的輸出比率為30% ;所述半導(dǎo)體泵浦光源的工作波長(zhǎng)是 976nm的單模半導(dǎo)體激光器,其輸出功率為0_250mW ;所述濾波器是1064±5nm濾波器；所述半導(dǎo)體泵浦光源、波分復(fù)用器、摻鐿光纖、偏振相關(guān)隔離器、輸出耦合器、偏振控制器以及光學(xué)濾波器之間采用HI 1060光纖連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于所述脈沖展寬子系統(tǒng)是G 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖；所述輸出耦合器接入 G 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于所述帶有濾波功能的三級(jí)放大子系統(tǒng)包括泵浦激光器、第一分束器、第二分束器、第一波分復(fù)用器、第一增益光纖、第二波分復(fù)用器、第二增益光纖、第三波分復(fù)用器、第三增益光纖、偏振無(wú)關(guān)隔離器以及濾波器；所述G 652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖接入第一分束器；所述泵浦激光器通過(guò)第一分束器分別接入第一波分復(fù)用器以及第二分束器；所述第一波分復(fù)用器通過(guò)第一增益光纖接入第二波分復(fù)用器；所述泵浦激光器通過(guò)第一分束器接入第二分束器后分別接入第二波分復(fù)用器以及第三波分復(fù)用器；所述第二波分復(fù)用器通過(guò)第二增益光纖接入第三波分復(fù)用器；所述第三波分復(fù)用器通過(guò)第三增益光纖和偏振無(wú)關(guān)隔離器相連；所述偏振無(wú)關(guān)隔離器接入濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)，其特征在于所述第一分束器的分束比例是70 30;所述第二分束器的分束比例是 60 40;所述泵浦激光器是980nm泵浦激光器；所述濾波器是1064±4nm濾波器；所述增益光纖的吸收系數(shù)是20dB/m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可整形的全正色散耗散型納秒級(jí)鎖模脈沖光纖激光器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)、脈沖展寬子系統(tǒng)以及帶有濾波功能的三級(jí)放大子系統(tǒng)；全正色散耗散型皮秒脈沖產(chǎn)生子系統(tǒng)通過(guò)脈沖展寬子系統(tǒng)接入帶有濾波功能的三級(jí)放大子系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種脈沖能量高、散熱效果好、易于調(diào)節(jié)、操作簡(jiǎn)便以及可作為啁啾脈沖放大的前端系統(tǒng)的全正色散耗散型納秒級(jí)脈沖可整形的被動(dòng)鎖模光纖激光器系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01S3/098GK103022861SQ20111029993
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者王屹山, 李曉輝, 李成, 高存孝, 張偉, 趙衛(wèi), 牛林全, 朱少嵐, 沈德元 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所