一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器

1.本发明涉及超快光纤激光领域，具体为一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器。


背景技术：

2.在被动锁模超快光纤激光器中，由于腔中增益和损耗、非线性和色散的平衡会产生各种各样的孤子现象，其中不仅可以输出稳定的锁模脉冲，包括单脉冲、谐波锁模脉冲和孤子分子等，被动锁模光纤激光器还可以产生混沌不规则的脉冲序列，例如类噪声脉冲、孤子雨和孤子束等。目前越来越多的研究者致力于不规则锁模脉冲激光器的研究，由于它们具有特殊的特性，可以应用于超连续谱的产生。孤子雨和孤子束脉冲作为光纤激光器产生的不规则的脉冲序列，其具有混沌、随机和高平均功率的特性，在光纤传感、激光测距、光纤通信等方面有着潜在的应用。采用全光纤的锁模光纤激光器凭借其体积小，可靠性高，成本低，适合大规模生产和广泛应用。
3.目前，光纤锁模激光器通常采用碳纳米管、石墨烯、黑磷等二维纳米材料制作成可饱和吸收体或者采用非线性偏振旋转、半导体可饱和吸收镜，在腔长较短的光纤腔结构内实现锁模，所输出的超短脉冲通常维持在单一、稳定的锁模状态，对于不用应用中所需两种以上的不同运转下的超短脉冲，需搭建两套光纤激光谐振腔满足实际需求，极大的增加了光纤激光系统的成本和复杂度。


技术实现要素：

4.本发明目的是提供一种可同时产生孤子雨和孤子束的被动锁模光纤激光器，本发明所述的锁模机制是腔内的单壁碳纳米管可饱和吸收体充当锁模器件实现激光腔内被动锁模，同时通过在腔内加入1km的单模光纤来增强腔内的非线性，这有利于孤子雨和孤子束脉冲的产生。在适当的泵浦功率下通过调节不同的腔内偏振态，使得腔中增益和损耗、非线性和色散达到动态平衡，在同一个光纤激光谐振腔内实现稳定的孤子雨和孤子束两种状态的超短脉冲输出。
5.本发明采用以下技术方案实现的：一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器，包括：980 nm泵浦源在泵浦源后依次连接有980/1550nm波分复用器，掺铒光纤，光隔离器，在线偏振控制器，输出光耦合器件，单壁碳纳米管可饱和吸收锁模器件和单模光纤。
6.980nm泵浦源作为激光器的光源，光源通过980/1550nm波分复用器耦合注入到掺铒光纤中。掺铒光纤为光纤激光器的增益介质，当光入射于掺铒光纤中时，会发生自发辐射和受激辐射从而发射出光子。通过光隔离器确保激光在腔内单向传输，抑制反射光波对光源的不利影响。通过调节在线偏振控制器可以改变光纤的偏振状态，从而改变光在腔中的传输状态。碳纳米管可饱和吸收体作为人工可饱和吸收体充当腔内唯一的锁模器件在腔内实现锁模，当光脉冲通过单壁碳纳米管可饱和吸收体时，边缘部分损耗大于中央部分，自发
辐射的输入涨落经过多次往返后，形成其强度足以使吸收体饱和的强脉冲，使得光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化，脉冲不断窄化直到其谱宽可与增益带宽相比，在腔内实现稳定窄化的锁模光脉冲输出，从而达到脉冲锁模的目的。单模光纤的长度约为1km，在腔内加入1km长的单模光纤是为了增强腔内的非线性，腔中较高的非线性有利于光纤激光器输出孤子雨和孤子束脉冲。光耦合器将产生的激光分为两部分，70%输出端用于输出70%的激光继续在光纤激光器腔内进行传输，30%输出端用于输出光纤激光器腔内震荡产生的孤子雨和孤子束脉冲。
7.进一步优选的，单壁碳纳米管可饱和吸收体锁模器件是在0.05mg/ml的单壁碳纳米管分散液中通过光沉积法制备而成的被动锁模器件。
8.进一步优选的，光纤谐振腔（即全光纤锁模激光器）的色散为18ps/km/nm。
9.进一步优选的，泵浦功率为98.4毫瓦。
10.进一步优选的，通过旋转腔内在线偏振控制器的旋钮引起了相位延迟差，改变了腔的非线性损耗。
11.本发明提出的全光纤锁模激光器可以获得稳定孤子雨和孤子束的生成，利用该方法实现的全光纤锁模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作为被动锁模器件，利用单壁碳纳米管可饱和吸收体的低饱和阈值功率、超快的恢复时间和稳定性好等优势产生稳定的激光输出。
12.2、本发明所实现的光纤激光器，通过在腔内加入1km的单模光纤增强腔内的非线性，使得光纤激光器在较小的泵浦功率下，通过改变腔内不同偏振态，可以在同一个激光腔内产生稳定性高的孤子雨和孤子束，可大幅度降低光纤激光器的复杂度。
13.3、本发明所提出的光纤激光器，采用全光纤结构、稳定性高且重复性强，为产生孤子雨和孤子束提供了一种新的方法。
14.本发明设计合理，通过在腔内的单壁碳纳米管可饱和吸收体充当锁模器件实现激光腔内被动锁模，通过在腔内加1km的单模光纤来增强腔内的非线性，这有利于孤子雨和孤子束的产生。该被动锁模全光纤激光器能够稳定输出孤子雨和孤子束脉冲，具有很好的实际应用价值。
附图说明
15.图1表示本发明利用单壁碳纳米管可饱和吸收体锁模器件，结合腔内较高的非线性同时产生孤子雨和孤子束的激光器结构示意图。
16.图2a表示本发明所采用的光纤激光器产生孤子雨的特性图，即：孤子雨的脉冲序列图。
17.图2b表示本发明所采用的光纤激光器产生孤子雨的特性图，即：一个周期内孤子雨序列的放大图。
18.图3a表示本发明所采用的光纤激光器产生的漂移孤子在噪声背景中占比不同的孤子雨的特性图，即：漂移孤子在噪声背景中占比不同的孤子雨的脉冲序列图。
19.图3b表示本发明所采用的光纤激光器产生的漂移孤子在噪声背景中占比不同的孤子雨的特性图，即：一个周期内孤子雨序列的放大图。
20.图4a表示本发明所采用的光纤激光器产生孤子束的特性图，即：孤子束的脉冲序列图。
21.图4b表示本发明所采用的光纤激光器产生孤子束的特性图，即：一个周期内孤子束序列的放大图。
22.图中：1-直流泵浦源（pump laser），2-波分复用器（wdm），3-掺铒光纤（edf），4-光隔离器（iso），5-在线偏振控制器（pc），6-光耦合器（oc），7-碳纳米管可饱和吸收体（swnt），8-单模光纤（smf）。
具体实施方式
23.以下结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。
24.本发明所采用的锁模机制是通过在光纤谐振腔中加入单壁碳纳米管可饱和吸收体充当锁模器件实现激光腔内被动锁模，通过在光纤谐振腔内加1km的单模光纤来增强腔内的非线性，这有利于孤子雨和孤子束的产生。
25.如图1所示，本发明提供的可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器，包括：980nm直流泵浦源1，直流泵浦光源1后依次闭环连接有980/1550nm波分复用器2，掺铒光纤3，光隔离器4，在线偏振控制器件5，光输出耦合器件6，单壁碳纳米管可饱和吸收锁模器件7和单模光纤8。在光纤谐振腔内，单壁碳纳米管可饱和吸收体充当腔内被动锁模器件，通过在腔内加入1km单模光纤增强腔内的非线性。
26.具体实施时，980nm泵浦源1包含一个半导体激光器二极管作为激光器的光源，是本发明所述全光纤激光器的泵浦源。
27.光源通过980/1550nm波分复用器2耦合注入到掺铒光纤3中，掺铒光纤3为光纤激光器的增益介质，当光入射到掺铒光纤中时，会发生自发辐射和受激辐射从而发射出光子。
28.通过光隔离器4确保激光在腔内单向传输，抑制反射光波对光源的不利影响，从而保证光纤激光器的稳定运行。
29.通过调节在线偏振控制器5可以改变光纤的偏振状态，从而改变光在腔中的传输状态。
30.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通过光沉积法制备而成的被动锁模器件，具体的制作步骤为：将0.5mg的单壁碳纳米管移入10ml的无水乙醇中制备为0.05mg/ml的单壁碳纳米管乙醇分散液；在需沉积的地方由上往下进行通光，通过光诱导力将单壁碳纳米管聚集到透光区域；待分散液挥发后，将沉积有单壁碳纳米管的光纤端面与另一跟光纤对接，即可获得单壁碳纳米管可饱和吸收体器件。该器件作为腔中的人工可饱和吸收体充当锁模器件在腔内实现锁模，当光脉冲通过单臂碳纳米管可饱和吸收体时，边缘部分损耗大于中央部分，自发辐射的输入涨落经过多次往返后，形成其强度足以使吸收体饱和的强脉冲，使得光脉冲在通过吸收体的过程中被窄化，脉冲不断窄化直到其谱宽可与增益带宽相比，在腔内实现稳定窄化的锁模光脉冲输出，从而达到脉冲锁模的目的。
31.单模光纤8的长度约为1km，在腔内额外加入1km长的单模光纤是为了增强腔内的非线性，光纤中的非线性效应与传输距离关系密切，较高的腔内非线性有利于光纤激光器输出孤子雨和孤子束。
32.光耦合器6将产生的激光分为两部分，70%输出端用于输出70%的激光继续在光纤激光器腔内进行传输，30%输出端用于输出光纤激光器腔内震荡产生的孤子雨和孤子束脉冲。
33.整个全光纤锁模激光器的腔长约为1033.2m。光纤谐振腔的色散为18ps/km/nm。
34.图2a和图2b为本发明光纤激光器产生的孤子雨脉冲的特性图。当泵浦源的泵浦功率为98.4毫瓦时，旋转偏振控制器的旋钮改变光纤的偏振态从而改变光在腔中的传输状态，在合适的偏振状态下，激光器实现了孤子雨脉冲的输出。将示波器的采样率设置为12.5gs/s，图2a为40μs内的孤子雨时序图，可见输出的孤子雨是有周期性的；图2b显示为一个周期内孤子雨时序图的放大图，图中显示孤子雨脉冲的周期约为5.028μs。根据脉冲周期和激光器腔长的关系：式中，t和l分别是脉冲周期和光纤激光器的腔长，c为光速，n是光纤的折射率。可知脉冲周期5.028μs与激光器腔长1033.2m是相符合的。由图可见，孤子雨的三要素在时序图中都有所体现，漂移孤子脉冲自发地从噪声背景中生成，并以几乎恒定的速度漂移，直到它们达到一个凝聚的孤子相，形成孤子雨。能量较高的为凝聚孤子相，它是由数个孤子所组成的，漂移孤子的能量较低，在背景噪声中漂移孤子由噪声背景移动至凝聚孤子相。
35.图3a和图3b为本发明光纤激光器产生的漂移孤子在噪声背景中占比不同的孤子雨的特性图。当泵浦源的泵浦功率为98.4毫瓦时，在产生如图2a和图2b的孤子雨脉冲后，通过调节偏振控制器的旋钮，可以改变漂移孤子在噪声背景中的占比，即对于不同的在线偏振控制器的调节范围，孤子雨中漂移孤子在背景噪声中的占比是不同的，原因是由于在线偏振控制器的调整引起了相位延迟差，改变了腔的非线性损耗，从而激发了不同长度的漂移孤子。图3a为40μs内漂移孤子在噪声背景中占比不同的孤子雨时序图，图3b为一个周期内孤子雨时序图的放大图。
36.图4a和图4b为本发明光纤激光器产生的孤子束脉冲序列，在相同的泵浦功率下，通过调节偏振控制器的旋钮调节腔内损耗，孤子雨脉冲中的凝聚孤子相逐渐消失，仅剩下背景噪声中的孤子形成孤子束。图4a为40μs内稳定传输的孤子束脉冲的时序图，图4b为一个周期内孤子束时序图的放大图，可知孤子束是由数十根孤子在噪声背景中随机分布而形成，增加泵浦功率至143.5mw，孤子束仍可以稳定传输，此时平均输出功率可达10.14mw。
37.应当理解的是，以上所述仅为本发明的优选实施方式，对本领域普通技术人员来说，可在本发明公开的技术范围内，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。

技术特征：
1.一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器，其特征在于：包括980nm泵浦源（1），所述泵浦光源（1）后顺次闭环连接有980/1550nm波分复用器（2）、掺铒光纤（3）、光隔离器（4）、在线偏振控制器（5）、输出光耦合器件（6）、单壁碳纳米管可饱和吸收锁模器件（7）和单模光纤（8）。2.根据权利要求1所述的一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器，其特征在于：980nm泵浦源（1）作为激光器的光源，通过波分复用器（2）耦合注入到掺铒光纤（3）中；当光入射于掺铒光纤（3）中时，发生自发辐射和受激辐射从而发射出光子；光隔离器（4）确保激光在腔内单向传输；通过调节在线偏振控制器（5）改变光纤的偏振状态，从而改变光在腔中的传输状态；光耦合器（6）将产生的激光分成两部分，70%输出端用于输出70%的激光继续在光纤激光器腔内进行传输，30%输出端用于输出光纤激光器腔内震荡产生的孤子雨和孤子束脉冲；单壁碳纳米管可饱和吸收体（7）在腔内实现稳定窄化的锁模光脉冲输出。3.根据权利要求2所述的一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器，其特征在于：单模光纤（8）的长度为1km。4.根据权利要求1至3任一所述的一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器，其特征在于：单壁碳纳米管可饱和吸收体锁模器件（7）是在0.05mg/ml的单壁碳纳米管分散液中通过光沉积法制备而成的被动锁模器件。5.根据权利要求4所述的一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器，其特征在于：光纤谐振腔的色散为18ps/km/nm。6.根据权利要求5所述的一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器，其特征在于：980nm泵浦源（1）的泵浦功率为98.4毫瓦。

技术总结
本发明公开了一种可同时产生孤子雨和孤子束的全光纤锁模激光器，包括980nm泵浦源（1），所述泵浦光源（1）后顺次闭环连接有980/1550nm波分复用器（2）、掺铒光纤（3）、光隔离器（4）、在线偏振控制器（5）、输出光耦合器件（6）、单壁碳纳米管可饱和吸收锁模器件（7）和单模光纤（8）。本发明通过在腔内的单壁碳纳米管可饱和吸收体充当锁模器件实现激光腔内被动锁模，通过在腔内加1km的单模光纤来增强腔内的非线性，这有利于孤子雨和孤子束的产生。该被动锁模全光纤激光器能够稳定输出孤子雨和孤子束脉冲。脉冲。脉冲。


技术研发人员：郭雨清 陈杰 王志强 杨玲珍 王娟芬
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2021.12.09
技术公布日：2022/3/8