專利名稱：基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生鎖模激光脈沖的光纖激光器，屬于超短脈沖激光領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，被動(dòng)鎖模技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于產(chǎn)生超短脈沖的技術(shù)，而超短脈沖激光在生物醫(yī)學(xué)、光通訊、光時(shí)鐘信號(hào)等領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用價(jià)值。利用非線性晶體的克爾鎖模可以得到超短脈沖，但此種技術(shù)無(wú)法應(yīng)用于全光纖激光器，基于克爾鎖模的激光器也就不可避免地具有固體激光器的一切缺點(diǎn)，穩(wěn)定性差、散熱性能差等。此外，基于可飽和吸收體的被動(dòng)鎖模激光器在近些年得到了廣泛的研究，較多使用的可飽和吸收體有SESAM、碳納米管、石墨烯等，其中，SESAM以其造價(jià)高、熱損傷閾值低著稱，而且其工作時(shí)需要的功率密度較高，所以降低了穩(wěn)定性。碳納米管、石墨烯也具有熱損傷閾值低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。本發(fā)明“基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器”使用摻雜光纖陣列作為增益介質(zhì)的同時(shí)，使用其克爾效應(yīng)對(duì)脈沖鎖模，產(chǎn)生鎖模脈沖輸出。其中關(guān)鍵技術(shù)在于摻雜光纖陣列有效地結(jié)合了摻雜光纖、光纖陣列的功能，將摻雜的光纖的增益性質(zhì)和光纖的非線性效應(yīng)同時(shí)集成到光纖芯區(qū)，使得一根置于諧振腔內(nèi)的摻雜光纖陣列能同時(shí)完成激光的產(chǎn)生和克爾鎖模這兩個(gè)過(guò)程，直接輸出鎖模脈沖，并可以制作成全光纖激光器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于易于制作成全光纖激光器，結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、輸出效率高且易于鎖模。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種既包括增益介質(zhì)，同時(shí)又能進(jìn)行克爾鎖模的光纖。本發(fā)明的目的之二是提出基于該種光纖的激光器。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生激光和鎖模的目標(biāo)，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案摻雜光纖陣列的每個(gè)芯周圍都有多個(gè)芯包圍。其中，只有其中一個(gè)芯是摻有增益粒子的，并且所有芯都處于包層之內(nèi)?？梢岳眠@種光纖制作直線型激光器、環(huán)形激光器?！N用于產(chǎn)生鎖模激光脈沖的光纖激光器，其特征在于本激光器的諧振腔采用直線形或環(huán)形腔設(shè)計(jì)；對(duì)于直線形諧振腔，由摻雜光纖陣列3和光纖光柵構(gòu)成4 ；對(duì)于環(huán)形諧振腔，由摻雜光纖陣列3彎成環(huán)形，且在該環(huán)形上有兩個(gè)耦合器5、兩個(gè)耦合器5之間設(shè)有隔離器6;泵浦光1進(jìn)入諧振腔后，腔內(nèi)產(chǎn)生激光，并在克爾效應(yīng)的作用下，得到輸出鎖模脈沖2 ；所述摻雜光纖陣列3的光纖內(nèi)包含的芯的個(gè)數(shù)大于等于三個(gè)，其中包括一個(gè)摻雜稀土元素的芯，其它的芯未摻雜稀土元素。進(jìn)一步所述摻雜光纖陣列的某一芯與其相鄰芯所形成六邊形或正方形，相鄰芯的距離為1-50 μ m,芯直徑為1-20 μ m。進(jìn)一步泵浦光1波長(zhǎng)在980-1051nm，摻雜光纖陣列6中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鐠，直線型光纖激光器中光纖光柵4反射中心波長(zhǎng)在1290-1315nm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在1290-1315nm波段。
進(jìn)一步泵浦光1波長(zhǎng)在800nm、980nm或1480nm，摻雜光纖陣列6中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鉺，直線型光纖激光器中光纖光柵4反射中心波長(zhǎng)在1520-1570nm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在1520-1570nm波段。進(jìn)一步泵浦光1波長(zhǎng)在915nm或976nm，摻雜光纖陣列6中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鐿，直線型光纖激光器中光纖光柵4反射中心波長(zhǎng)在IOOOnm-IlOOnm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在IOOOnm-IlOOnm波段。進(jìn)一步泵浦光1波長(zhǎng)在800nm-1064nm，摻雜光纖陣列6中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鉺、鐿共摻元素，直線型光纖激光器中光纖光柵4反射中心波長(zhǎng)在1520-1570nm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在1520-1570nm波段。進(jìn)一步泵浦光1波長(zhǎng)在808nm，摻雜光纖陣列6中摻雜纖芯中包含的稀土元素為釹，直線型光纖激光器中光纖光柵4反射中心波長(zhǎng)在IOOOnm-IlOOnm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在IOOOnm-IlOOnm波段。進(jìn)一步泵浦光1波長(zhǎng)在1. 06 μ m、1. 2 μ m或790nm，摻雜光纖陣列6中摻雜纖芯中包含的稀土元素為銩，或銩、鈥共摻，直線型光纖激光器中光纖光柵4反射中心波長(zhǎng)在 1400nm-2300nm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在1400nm-2300nm波段。進(jìn)一步泵浦光1波長(zhǎng)在890nm或1. 1 μ m_l. 2 μ m，摻雜光纖陣列6中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鈥，直線型光纖激光器中光纖光柵4反射中心波長(zhǎng)在1 μ m-3 μ m波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在1 μ m-3 μ m波段波段。對(duì)于1米或5米長(zhǎng)的摻雜光纖陣列構(gòu)成的環(huán)形激光器，得到腔內(nèi)波形在每次經(jīng)過(guò) 1米或5米長(zhǎng)的摻雜纖芯的變化過(guò)程如圖7、圖8所示，腔內(nèi)的噪聲逐漸演變?yōu)榉€(wěn)定存在的鎖模脈沖。參數(shù)取值如下?lián)诫s纖芯增益系數(shù)0. 45，增益帶寬0. 1，耦合系數(shù)0. 774，克爾系數(shù)4，摻雜纖芯損耗系數(shù)0. 1，非摻雜芯損耗系數(shù)1。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，激光在芯內(nèi)傳播時(shí)無(wú)需滿足全反射條件，這樣，對(duì)于弱光來(lái)講，非線性項(xiàng)可以忽略，則其在芯內(nèi)的行為完全符合幾何光學(xué)，每反射一次都有一部分能量進(jìn)入其他芯。對(duì)于強(qiáng)光來(lái)講，非線性項(xiàng)起重要作用，耦合項(xiàng)可以忽略，強(qiáng)光由于非線性效應(yīng)會(huì)保持在當(dāng)前的芯內(nèi)傳播。當(dāng)外界的干擾導(dǎo)致?lián)诫s纖芯內(nèi)的光強(qiáng)出現(xiàn)噪聲時(shí)，弱光部分會(huì)由于傳播到其它芯而迅速衰減，強(qiáng)光部分由于非線性效應(yīng)而穩(wěn)定地存在于摻雜纖芯內(nèi)。這最終會(huì)導(dǎo)致激光的相位滿足特定的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鎖模，得到超短脈沖。非摻雜芯內(nèi)的弱光有可能與摻雜纖芯內(nèi)的超短脈沖一起輸出，導(dǎo)致影響脈沖質(zhì)量。由理論模型可知，加大非摻雜芯的損耗系數(shù)，可以有效地去除這種弱光的干擾。需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明中的光纖陣列的某一芯與其相鄰芯所形成的關(guān)系不只局限于六邊形、正方形，也可以是其他規(guī)則形狀或不規(guī)則形狀，其中的摻雜纖芯也不是必須位于中央的。光纖陣列與光子晶體光纖的本質(zhì)區(qū)別在于光纖陣列中的芯與芯的間距以及芯的直徑都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光的波長(zhǎng)，而光子晶體光纖中的芯與芯的間距以及芯的直徑都與激光的波長(zhǎng)相當(dāng)?，F(xiàn)有激光器的增益芯與陣列鎖模部分是分開(kāi)的，要實(shí)現(xiàn)鎖模就需要兩個(gè)獨(dú)立的元器件，而陣列結(jié)構(gòu)的光纖在焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)合面處缺陷及損傷，使激光器輸出損耗加大，工作效率低。本發(fā)明使這兩個(gè)部分合而為一，減少了后期工序及損耗，提高工作效率。


圖1為基于摻雜光纖陣列的直線型全光纖激光器。圖2為基于摻雜光纖陣列的環(huán)型全光纖激光器。。圖3為摻雜光纖陣列的截面圖。圖4為摻雜光纖陣列的截面圖。圖5為摻雜光纖陣列的截面圖。圖6為摻雜光纖陣列的截面圖。圖7為摻雜光纖陣列纖芯長(zhǎng)度為1米時(shí)構(gòu)成的環(huán)形激光器的理論模擬結(jié)果。圖8為摻雜光纖陣列纖芯長(zhǎng)度為5米時(shí)構(gòu)成的環(huán)形激光器的理論模擬結(jié)果。圖中1、包層，2、內(nèi)包層，3、無(wú)摻雜芯，4、摻雜纖芯，5、光纖光柵，6、摻雜光纖陣列， 7、泵浦光，8、輸出光，9、耦合器，10、隔離器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6及一些實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如圖1所示，光纖陣列的芯呈蜂窩狀排列，相鄰芯的距離為1_50μπι，芯直徑為 1-20μπι，只有一個(gè)芯是摻雜的，摻雜濃度在-20%之間，其余都沒(méi)有摻雜。摻雜率不會(huì)影響波長(zhǎng)，但是和輸出功率以及光纖長(zhǎng)短相關(guān)。如圖2所示，光纖陣列的包層中的芯呈蜂窩狀排列，相鄰芯的距離為1-50 μ m，芯直徑為1-20 μ m，只有一個(gè)芯是摻雜的，摻雜濃度在-20%之間，其余都沒(méi)有摻雜。如圖3所示，光纖陣列的包層中的芯呈正方形排列，相鄰芯的距離為1-50 μ m，芯直徑為1-20 μ m，只有一個(gè)芯是摻雜的，摻雜濃度在-20%之間，其余都沒(méi)有摻雜。
如圖4所示，光纖陣列的包層中的芯呈蜂窩狀排列，相鄰芯的距離為1-50 μ m，芯直徑為1-20 μ m，內(nèi)外包層形狀均為D形，只有一個(gè)芯是摻雜的，摻雜濃度在1 %-20%之間， 其余都沒(méi)有摻雜。實(shí)施例1 如圖5，增益介質(zhì)為摻鉺光纖陣列，諧振腔兩端采用光纖光柵作為腔鏡，摻鉺光纖陣列的兩端與反射波長(zhǎng)在1. 5 μ m附近的光纖光柵熔接在一起，從左端開(kāi)始向內(nèi)包層中注入波長(zhǎng)在800nm附近、980nm附近或1480nm附近的泵浦光，泵浦光在包層內(nèi)反射途中進(jìn)入摻鉺纖芯時(shí)被吸收，激發(fā)基態(tài)鉺離子，實(shí)現(xiàn)上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)，諧振腔內(nèi)產(chǎn)生激光。在輕微震動(dòng)所導(dǎo)致的激光強(qiáng)度波動(dòng)的情況下，弱光部分將傳播到其它芯內(nèi)，強(qiáng)光部分由于非線性效應(yīng)繼續(xù)在摻雜纖芯內(nèi)傳播，達(dá)到克爾鎖模條件，得到波長(zhǎng)1. 5 μ m附近的超短脈沖。實(shí)施例2 如圖6，摻鐿光纖陣列的兩端熔接在一起，在其中加入耦合器，并熔接兩個(gè)耦合器， 一個(gè)耦合器注入波長(zhǎng)在915nm附近或976nm附近的泵浦光，泵浦光在包層內(nèi)反射途中進(jìn)入摻鐿纖芯時(shí)被吸收，激發(fā)基態(tài)鐿離子，實(shí)現(xiàn)上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)，環(huán)形腔內(nèi)產(chǎn)生激光，同時(shí)隔離器能有效地杜絕環(huán)形腔內(nèi)出現(xiàn)反向激光。在輕微震動(dòng)所導(dǎo)致的激光強(qiáng)度波動(dòng)的情況下，弱光部分將傳播到其它芯內(nèi)，強(qiáng)光部分由于非線性效應(yīng)繼續(xù)在摻雜纖芯內(nèi)傳播，達(dá)成克爾鎖
5模條件，波長(zhǎng)在IOOOnm-IlOOnm附近的超短脈沖從另一個(gè)耦合器輸出。實(shí)施例3:將實(shí)施例1中的泵浦光波長(zhǎng)換成980-1051nm附近，摻雜元素?fù)Q成鐠，光纖光柵反射中心波長(zhǎng)換成1290-1315nm附近，就可以獲得該范圍內(nèi)的鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例4 將實(shí)施例1中的泵浦光波長(zhǎng)換成915nm附近或976nm附近，摻雜元素?fù)Q成鐿，光纖光柵反射中心波長(zhǎng)換成IOOOnm-IlOOnm附近，就可以獲得該范圍內(nèi)的鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例5 將實(shí)施例1中的泵浦光波長(zhǎng)換成800nm-1064nm附近，摻雜元素?fù)Q成鉺、鐿共摻，光纖光柵反射中心波長(zhǎng)換成1520-1570nm附近，就可以獲得該范圍內(nèi)的鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例6 將實(shí)施例1中的泵浦光波長(zhǎng)換成808nm附近，摻雜元素?fù)Q成釹，光纖光柵反射中心波長(zhǎng)換成IOOOnm-IlOOnm附近，就可以獲得該范圍內(nèi)的鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例7 將實(shí)施例1中的泵浦光波長(zhǎng)換成1. 06 μ m附近、1. 2 μ m附近或790nm附近，摻雜元素?fù)Q成銩(或銩、鈥共摻)，光纖光柵反射中心波長(zhǎng)換成1400nm-2300nm附近，就可以獲得該范圍內(nèi)的鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例8:將實(shí)施例1中的泵浦光波長(zhǎng)換成890nm附近或1. 1 μ m_l. 2 μ m附近，摻雜元素?fù)Q成鈥，光纖光柵反射中心波長(zhǎng)換成1 μ m-3 μ m附近，就可以獲得該范圍內(nèi)的鎖模脈沖光輸
出ο實(shí)施例9 將實(shí)施例2中的泵浦光波長(zhǎng)換成980-1051nm附近，摻雜元素?fù)Q成鐠，就可以獲得鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例10 將實(shí)施例2中的泵浦光波長(zhǎng)換成800nm附近、980nm附近或1480nm附近，摻雜元素?fù)Q成鉺，就可以獲得鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例11 將實(shí)施例2中的泵浦光波長(zhǎng)換成800nm-1064nm附近，摻雜元素?fù)Q成鉺、鐿共摻，就可以獲得鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例12 將實(shí)施例2中的泵浦光波長(zhǎng)換成808nm附近，摻雜元素?fù)Q成釹，就可以獲得鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例13 將實(shí)施例2中的泵浦光波長(zhǎng)換成1. 06 μ m附近、1. 2 μ m附近或790nm附近，摻雜元素?fù)Q成銩(或銩、鈥共摻)，就可以獲得鎖模脈沖光輸出。實(shí)施例14 將實(shí)施例2中的泵浦光波長(zhǎng)換成890nm附近或1. 1 μ m_l. 2 μ m附近，摻雜元素?fù)Q成鈥，就可以獲得鎖模脈沖光輸出。
權(quán)利要求
1.一種基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，其特征在于本激光器的諧振腔采用直線形或環(huán)形腔設(shè)計(jì)；對(duì)于直線形諧振腔，由摻雜光纖陣列(3)和光纖光柵構(gòu)成；對(duì)于環(huán)形諧振腔，由摻雜光纖陣列( 彎成環(huán)形，且在該環(huán)形上有兩個(gè)耦合器( 、兩個(gè)耦合器( 之間設(shè)有隔離器(6)；泵浦光(1)進(jìn)入諧振腔后，腔內(nèi)產(chǎn)生激光，并在克爾效應(yīng)的作用下，得到輸出鎖模脈沖O)；所述摻雜光纖陣列(3)的光纖內(nèi)包含的芯的個(gè)數(shù)大于等于三個(gè)，其中包括一個(gè)摻雜稀土元素的芯，其它的芯未摻雜稀土元素。
2.如權(quán)利要求1所述的基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，其特征在于所述摻雜光纖陣列的某一芯與其相鄰芯所形成六邊形或正方形，相鄰芯的距離為1-50 μ m，芯直徑為 1-20 μ m0
3.如權(quán)利要求1所述的基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，其特征在于泵浦光(1)波長(zhǎng)在980-1051nm，摻雜光纖陣列(6)中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鐠，直線型光纖激光器中光纖光柵(4)反射中心波長(zhǎng)在1290-1315nm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在 1290-1315nm 波段。
4.如權(quán)利要求1所述的基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，其特征在于泵浦光(1)波長(zhǎng)在800nm、980nm或1480nm，摻雜光纖陣列(6)中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鉺，直線型光纖激光器中光纖光柵(4)反射中心波長(zhǎng)在1520-1570nm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在1520-1570nm波段。
5.如權(quán)利要求1所述的基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，其特征在于泵浦光(1)波長(zhǎng)在915nm或976nm，摻雜光纖陣列(6)中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鐿，直線型光纖激光器中光纖光柵(4)反射中心波長(zhǎng)在IOOOnm-IlOOnm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在 IOOOnm-IlOOnm 波段。
6.如權(quán)利要求1所述的基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，其特征在于泵浦光(1)波長(zhǎng)在800nm-1064nm，摻雜光纖陣列(6)中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鉺、鐿共摻元素，直線型光纖激光器中光纖光柵(4)反射中心波長(zhǎng)在1520-1570nm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在1520-1570nm波段。
7.如權(quán)利要求1所述的基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，其特征在于泵浦光(1) 波長(zhǎng)在808nm，摻雜光纖陣列(6)中摻雜纖芯中包含的稀土元素為釹，直線型光纖激光器中光纖光柵(4)反射中心波長(zhǎng)在IOOOnm-IlOOnm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在 IOOOnm-IlOOnm 波段。
8.如權(quán)利要求1所述的基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，其特征在于泵浦光(1)波長(zhǎng)在1.064!11、1.24111或79011111，摻雜光纖陣列(6)中摻雜纖芯中包含的稀土元素為銩，或銩、鈥共摻，直線型光纖激光器中光纖光柵(4)反射中心波長(zhǎng)在1400nm-2300nm波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在1400nm-2300nm波段。
9.如權(quán)利要求1所述的基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，其特征在于泵浦光(1)波長(zhǎng)在89011!11或1.14111-1.2 4111，摻雜光纖陣列(6)中摻雜纖芯中包含的稀土元素為鈥，直線型光纖激光器中光纖光柵(4)反射中心波長(zhǎng)在1 μ m-3 μ m波段，環(huán)形激光器中耦合器輸出波長(zhǎng)在1 μ m-3 μ m波段波段。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于摻雜光纖陣列的鎖模激光器，屬于超短脈沖激光領(lǐng)域。主要部件用一根置于諧振腔內(nèi)的摻雜光纖陣列同時(shí)完成激光產(chǎn)生和克爾鎖模兩個(gè)過(guò)程，直接輸出鎖模脈沖。本激光器的諧振腔可采用直線形和環(huán)形兩種設(shè)計(jì)。對(duì)于直線形諧振腔，由摻雜光纖陣列(3)和光纖光柵(4)構(gòu)成。對(duì)于環(huán)形諧振腔，由摻雜光纖陣列(3)彎成環(huán)形，且在該環(huán)形上有兩個(gè)耦合器(5)、兩個(gè)耦合器(5)之間設(shè)有隔離器(6)。泵浦光(1)進(jìn)入諧振腔后，泵浦光纖陣列中間的摻雜光纖部分，產(chǎn)生激光；周邊的光纖小孔陣列具有非線性克爾效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)生的光進(jìn)行調(diào)制，得到鎖模脈沖輸出(2)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、穩(wěn)定性高、散熱性好、轉(zhuǎn)化效率高。
文檔編號(hào)H01S3/098GK102437501SQ201110404619
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者于振華, 宋晏蓉, 張新平, 張曉 , 田金榮 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)