專利名稱：自相似飛秒脈沖光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自相似飛秒脈沖光纖激光器，屬于非線性光纖光學(xué)和光纖通信交叉的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，產(chǎn)生和傳輸高功率、嚴(yán)格線性啁啾特性的光脈沖激光是國(guó)際上光纖光學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。在光纖正色散區(qū)域，具有增益的光脈沖將演化成拋物形脈沖，這種脈沖在非線性光學(xué)研究領(lǐng)域中被稱為自相似光脈沖。數(shù)學(xué)上，拋物形自相似光脈沖是帶有增益的非線性薛定諤方程(NLSE)在光纖正色散區(qū)域的自相似解。普通光孤子(光纖負(fù)色散區(qū)域中產(chǎn)生的)在功率提高時(shí)會(huì)產(chǎn)生光波分裂而無(wú)法獲得高功率傳輸。而自相似脈沖很好地解決了傳輸中脈沖的強(qiáng)度限制問(wèn)題，它在高功率傳播時(shí)，脈沖形狀不改變(始終保持拋物線形狀)，具有抵御光波分裂的能力。另外，所有的入射脈沖能量都轉(zhuǎn)化在輸出的自相似脈沖之中。這與眾所周知的NLS方程在沒(méi)有增益的情況下的孤子解是不同的，因?yàn)樵跊](méi)有增益的情況下，給定的初始脈沖最終演化成一個(gè)具有固定振幅的孤子，其余的能量則以色散波的形式輻射掉。自相似脈沖另一個(gè)特性就是它具有嚴(yán)格的線性啁啾，這種嚴(yán)格線性啁啾易于進(jìn)行高效的脈沖壓縮，從而獲得高能量、高功率、無(wú)基座、近似變換極限、無(wú)啁啾的飛秒量級(jí)的光脈沖。脈沖的這種自相似特性只由入射脈沖能量和光纖參數(shù)決定，而與初始脈沖形狀無(wú)關(guān)。
自相似脈沖的產(chǎn)生有許多方法。在光纖放大器中，可以采用增益參數(shù)縱向恒定分布、縱向指數(shù)分布、光纖的受激喇曼效應(yīng)和色散漸減光纖等方法。自相似光纖激光器的研制需要解決自相似脈沖演化的反饋以及自相似脈沖的鎖模問(wèn)題。比如，F(xiàn)..Ilday等人(F.O.Ilday，J.R.Buckley，W.G.Clarkand F.W.Wise，Self-similar Evolution of Parabolic Pulse in a Laser，Phys.Rev.Lett，2004，92(21)213902(1-4)；C.K.Nielsen，B.Ortac，T.Schreiber，andJ.Limpert，Self-starting Self-similar All-polarization Maintaining Yb-dopedFiber Laser，Opt.Lett，2005，13(23)9346-9351.)根據(jù)色散管理孤子設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用4種光器件構(gòu)成一個(gè)自相似脈沖激光器一段具有正GVD的單模光纖(SMF)，作為自相似脈沖演化的主體；盡量短的一小段增益光纖(GAIN)作為激光器的增益介質(zhì)，其GVD和非線性可以忽略；一段飽和吸收體(SA)為激光器提供鎖模和輸出耦合；色散延遲線(DDL)具有負(fù)的GVD但非線性可以忽略的，以便對(duì)形成的自相似脈沖進(jìn)行有效的壓縮。并且進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。但是，F(xiàn)..Ilday等人的設(shè)計(jì)原理和實(shí)驗(yàn)方法，所產(chǎn)生的并不是嚴(yán)格意義的自相似脈沖，還是色散管理孤子的脈沖。隨后，F(xiàn)..Ilday、F.W.Wise及F.X.Kaertner(F..Ilday，F(xiàn).W.Wise，and F.X.Kaertner，Possibility of Self-similar pulse Evolution in a Tisapphirelaser，Opt.Express，2004，12(12)2731-2738.)對(duì)鈦寶石激光器產(chǎn)生自相似脈沖激光的可能性進(jìn)行了理論上的分析，沒(méi)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道，而且鈦寶石激光器價(jià)格昂貴。C.Finot等人(C.Finot，S.Pitois，and G.Millot，Regenerative40Gbit/s Wavelength Converter Based on Similariton Generation，Opt.Lett，2005，30(14)1776-1778.)用全光器件設(shè)計(jì)的自相似脈沖激光器的實(shí)驗(yàn)裝置過(guò)于復(fù)雜。所以，在實(shí)驗(yàn)上，到目前還沒(méi)有真正能夠應(yīng)用的普通光器件，通過(guò)穩(wěn)定的反饋腔和較成熟的脈沖鎖模技術(shù)獲得自相似脈沖。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的短脈沖光纖激光器技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于自相似脈沖放大和壓縮技術(shù)的自相似光纖激光器，它可以低成本地產(chǎn)生高能量、高功率、無(wú)基座、近似變換極限、無(wú)啁啾的飛秒量級(jí)光脈沖。該自相似光纖激光器可作為品質(zhì)優(yōu)秀的光源，在光纖通信、非線性光學(xué)、超快光學(xué)和瞬態(tài)光學(xué)等領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用。
具體的講，本發(fā)明的自相似飛秒脈沖光纖激光器由泵浦激光源、波分復(fù)用耦合器(WDM)、摻鐿(Yb3+)光纖、輸出耦合器(OC)、偏振旋轉(zhuǎn)鎖模裝置、脈沖啁啾補(bǔ)償裝置以及普通光纖共同連接構(gòu)成，其中，偏振旋轉(zhuǎn)鎖模裝置由偏振控制器(PC1)、隔離器(ISO)與偏振調(diào)節(jié)器(PC2)組成，脈沖啁啾補(bǔ)償裝置由非均勻光纖布喇格光柵(Brag fiber)與法拉第鏡(FARA)組成。各部件的相互連接關(guān)系為波分復(fù)用耦合器、摻鐿光纖、輸出耦合器、偏振控制器、隔離器和偏振調(diào)節(jié)器通過(guò)普通光纖依次連接形成光纖環(huán)路；泵浦激光源與波分復(fù)用耦合器的輸入端口I連接；光纖布喇格光柵與輸出耦合器的輸入端口II連接，光纖布喇格光柵與法拉第鏡之間用光纖接頭連接。
本發(fā)明的更佳方案是在光纖環(huán)路的摻鐿光纖和輸出耦合器之間增加一段單模光纖(SMF)。
下面對(duì)本發(fā)明中的各個(gè)部件的參數(shù)要求及其功能進(jìn)一步說(shuō)明如下泵浦激光源采用現(xiàn)有市售980nm的泵浦激光源，其內(nèi)部具有光纖布喇格光柵(Brag fiber)結(jié)構(gòu)，使得泵浦光源具有高的穩(wěn)定性和更低的噪聲干擾。
波分復(fù)用耦合器要求其頻分范圍為976nm～1560nm，可完全滿足泵浦摻鐿(Yb3+)光纖的要求。
摻鐿光纖要求其吸收系數(shù)為a＝25±5dB/m；數(shù)值孔徑N.A.＝0.13；其長(zhǎng)度為0.2m～6m，其摻雜濃度為10-5～10-7。一般而言，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)摻雜濃度的要求越低(即濃度越低)，長(zhǎng)度越短，對(duì)摻雜濃度的要求越高(即濃度越高)，例如當(dāng)其長(zhǎng)度為0.2m時(shí)，其摻雜濃度可選用10-5，當(dāng)其長(zhǎng)度為6m時(shí)，其摻雜濃度可選用10-7。
單模光纖采用8m～13m長(zhǎng)的單模光纖，能提供不小于β2的正色散，β2＝+6.0×10-1ps2m-1；其非線性系數(shù)小于或等于γ，γ＝2×10-3W-1m-1；其纖心半徑不小于5μm。
輸出耦合器要求其激光輸出耦合率為3～10％。
非均勻光纖布喇格光柵負(fù)色散β2≤-7.0×10-1ps2m-1，其中心波長(zhǎng)位于1050nm，反射譜寬為0.1～0.3nm，可以有效地補(bǔ)償自相似脈沖的啁啾。
法拉第鏡采用市售的通用產(chǎn)品，可以消除線性雙折射。法拉第鏡使信號(hào)光的偏振態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，即反射光與入射光是正交偏振的，結(jié)果線性雙折射產(chǎn)生的相移經(jīng)過(guò)一次往返恰好抵消，而非線性相移不受影響，與此同時(shí)，還可以消除高雙折射光纖由于群速度失配而引起的走離效應(yīng)。
偏振控制器(PC1)、隔離器(ISO)與偏振調(diào)節(jié)器(PC2)構(gòu)成非線性偏振旋轉(zhuǎn)加成鎖模裝置，等價(jià)于類飽和吸收體的功能。
本光纖激光器各光器件的工作原理和自相似脈沖激光的產(chǎn)生過(guò)程是980nm的泵浦激光經(jīng)過(guò)WDM耦合進(jìn)入光纖環(huán)中，在摻鐿(Yb3+)光纖中產(chǎn)生1050nm的放大的信號(hào)光，一方面，該信號(hào)光在摻鐿光纖的正色散區(qū)域內(nèi)傳輸，摻鐿光纖的增益色散效應(yīng)(相當(dāng)于一種損耗)窄化了由于自相位調(diào)制(SPM)加寬的脈沖頻譜；與此同時(shí)，信號(hào)光的頻譜也被單模光纖的正色散效應(yīng)進(jìn)一步壓縮、窄化；兩種頻譜窄化效應(yīng)都使得脈沖的時(shí)域展寬，從而大大地降低了信號(hào)光脈沖的峰值功率，使信號(hào)光在摻鐿光纖中被進(jìn)一步放大，同時(shí)產(chǎn)生正的線性啁啾。當(dāng)其時(shí)域展寬到一定的臨界值時(shí)，就會(huì)形成具有拋物形狀強(qiáng)度的自相似脈沖。另一方面，由于偏振控制器(PC1)、隔離器(ISO)與偏振調(diào)節(jié)器(PC2)的作用，自相似脈沖很容易達(dá)到單環(huán)形鏡的激光閾值，從而形成帶有正線性啁啾的自相似脈沖激光。緊接著，通過(guò)輸出耦合器(OC)端口2的非均勻光纖布喇格光柵(Bragfiber)與法拉第鏡(FARA)結(jié)合的脈沖補(bǔ)償技術(shù)，有效地補(bǔ)償自相似脈沖的正線性啁啾，最后由輸出耦合器端口IV輸出的自相似脈沖是高能量、高功率、無(wú)基座、近似變換極限、無(wú)啁啾的飛秒量級(jí)的激光脈沖。
與現(xiàn)有光纖脈沖激光器相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)和效果(1)本發(fā)明激光器可以產(chǎn)生高能量、高功率、無(wú)基座、近似變換極限、無(wú)啁啾的飛秒量級(jí)的光脈沖激光。
(2)本發(fā)明如果采用高濃度(10-5量級(jí))摻雜光纖，只需要0.1cm～0.3cm摻鐿光纖即可產(chǎn)生能量為2.2nJ、輸出功率為250mW以及時(shí)域?yàn)?0fs的自相似脈沖激光。如果采用低濃度(10-7量級(jí))摻雜光纖，要達(dá)到同樣要求，其摻雜光纖長(zhǎng)度也只需要6m以內(nèi)。
(3)一旦達(dá)到激光閾值，輸出的自相似脈沖激光光譜非常穩(wěn)定。光脈沖寬度最高可以達(dá)到30fs。
(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。


圖1是本發(fā)明自相似飛秒脈沖光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
在圖1中，1為泵浦激光源、2為波分復(fù)用耦合器(WDM)、3為WDM的輸入端口I、4為WDM的輸出端口III、5為普通光纖、6為單模光纖(SMF)、7為摻鐿(Yb3+)的光纖、8為輸出耦合器(OC)、9為OC的輸入端口I、10為OC的輸入端口II、11為OC的輸出端口IV、12為OC的輸出端口III、13為偏振控制器(PC1)、14為隔離器(ISO)、15為偏振調(diào)節(jié)器(PC2)、16為WDM的輸入端口III、17為非均勻光纖布喇格光柵(Brag fiber)、18為法拉第鏡(FARA)。其中，偏振控制器、隔離器與偏振調(diào)節(jié)器共同構(gòu)成偏振旋轉(zhuǎn)鎖模裝置，非均勻光纖布喇格光柵與法拉第鏡組成脈沖啁啾補(bǔ)償裝置。
各部件的相互連接關(guān)系為波分復(fù)用耦合器2、單模光纖6、摻鐿光纖7、輸出耦合器8、偏振控制器13、隔離器14和偏振調(diào)節(jié)器15通過(guò)普通光纖5依次連接形成光纖環(huán)路；泵浦激光源1與波分復(fù)用耦合器2的輸入端口I連接；光纖布喇格光柵17與輸出耦合器8的輸入端口II連接，非均勻光纖布喇格光柵17與法拉第鏡18之間用光纖接頭連接。除摻鐿光纖和單模光纖與光纖環(huán)路的連接采用焊接方式外，其它部件與光纖環(huán)路的連接均可以采用焊接或光纖接頭連接。
下表是本發(fā)明各部件采用不同參數(shù)所得到的結(jié)果，從該表可見(jiàn)，本發(fā)明在所述的參數(shù)范圍內(nèi)可獲得穩(wěn)定的激光脈沖輸出。
本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)施方式
，任何與本發(fā)明實(shí)質(zhì)相同的修改或替換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種自相似飛秒脈沖光纖激光器，其特征在于它由泵浦激光源(1)、波分復(fù)用耦合器(2)、摻鐿光纖(7)、輸出耦合器(8)、偏振旋轉(zhuǎn)鎖模裝置、脈沖啁啾補(bǔ)償裝置以及普通光纖(5)共同連接構(gòu)成，其中，偏振旋轉(zhuǎn)鎖模裝置由偏振控制器(13)、隔離器(14)和偏振調(diào)節(jié)器(15)組成，脈沖啁啾補(bǔ)償裝置由光纖布喇格光柵(17)和法拉第鏡(18)組成，其相互連接關(guān)系為波分復(fù)用耦合器(2)、摻鐿光纖(6)、輸出耦合器(8)、偏振控制器(13)、隔離器(14)和偏振調(diào)節(jié)器(15)通過(guò)普通光纖(5)依次連接形成光纖環(huán)路；泵浦激光源(1)與波分復(fù)用耦合器(2)的輸入端口I連接；光纖布喇格光柵(17)與輸出耦合器(8)的輸入端口II連接，光纖布喇格光柵(17)與法拉第鏡(18)之間用光纖接頭連接。
2.如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于在光纖環(huán)路的摻鐿光纖和輸出耦合器之間增加一段單模光纖(6)。
3.如權(quán)利要求2所述的光纖激光器，其特征在于所述的單模光纖長(zhǎng)度為8m～13m，所提供的正色散β2不小于6.0×10-1ps2m-1，其非線性系數(shù)小于或等于2×10-3W-1m-1，其纖心半徑不小于5μm。
4.如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦激光源采用980nm的泵浦激光源。
5.如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的波分復(fù)用耦合器的頻分范圍為976nm～1560nm。
6.如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的摻鐿光纖的吸收系數(shù)為25±5dB/m，數(shù)值孔徑為0.13，其長(zhǎng)度為0.2m～5m，摻雜濃度為10-7～10-5。
7.如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的輸出耦合器的激光輸出耦合率為3～10％。
8.如權(quán)利要求1～7任一權(quán)利要求所述的光纖激光器，其特征在于非均勻光纖布喇格光柵的負(fù)色散β2≤-7.0×10-1ps2m-1，其中心波長(zhǎng)位于1050nm，反射譜寬為0.1～0.3nm。
全文摘要
自相似飛秒脈沖光纖激光器，由泵浦激光源、波分復(fù)用耦合器、摻鐿光纖、輸出耦合器、偏振旋轉(zhuǎn)鎖模裝置、脈沖啁啾補(bǔ)償裝置以及普通光纖共同連接構(gòu)成，其中，偏振旋轉(zhuǎn)鎖模裝置由偏振控制器、隔離器和偏振調(diào)節(jié)器組成，脈沖啁啾補(bǔ)償裝置由光纖布喇格光柵和法拉第鏡組成。本發(fā)明可以低成本地產(chǎn)生高能量、高功率、無(wú)基座、近似變換極限、無(wú)啁啾的飛秒量級(jí)光脈沖，在光纖通信、非線性光學(xué)、超快光學(xué)和瞬態(tài)光學(xué)等領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK1960085SQ20061012362
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者馮杰, 徐文成, 陳偉成, 劉頌豪 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué)