高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用

摘要

本发明涉及一种高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用。该高重频可调谐锁模光纤激光器通过采用模式选择波片，将泵浦光转换为线偏振模式的光，该线偏振模式的光与待产生增益光的超宽带高增益光纤的形状适配，并且通过旋转四分之一波片，可以控制该线偏振模式的光进行旋转，可以使得光场极大值位于超宽带高增益光纤的不同增益区域，激发其中不同的发光离子产生相应的增益光，实现不同波段之间的激光切换。该多波段可调谐锁模光纤激光器输出锁模脉冲波长在1450nm～2150nm范围内可调，具有结构简单、携带方便等优点，可以将重复频率提高到大于500MHz，甚至1GHz以上，在高重频领域及脉冲的理论研究方面，有着广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用。

背景技术

不同种类的光纤激光器具有不同的输出特性。近年来，随着科技的不断发展，各种各样的新型光纤脉冲激光器不断涌现，如调Q光纤激光器、增益开关式光纤激光器、锁模光纤激光器、类锁模光纤激光器等。这些光纤激光器根据其独特的输出性能，在各种领域发挥着各种的作用。以掺铥(Tm³⁺)锁模光纤激光器为例，由于铥离子在1.8～2.1μm的宽带增益覆盖了大量大气分子的“指纹区”，因此掺铥锁模光纤激光器常被应用于高敏感度气体检测。

各种激光器中，锁模光纤激光器因其输出脉冲的各纵模间具有锁定的相位关系，在光频标定、超快测量等方向有先天优势，一直是研究的热点之一。锁模光纤激光器根据锁模的方式不同，可粗略分为主动锁模光纤激光器和被动锁模光纤激光器。主动锁模光纤激光器是通过外加主动调制的设备(如声光调制器)保持相位关系的锁定；被动锁模光纤激光器则是利用了可饱和吸收效应，通过在激光腔内加入可饱和吸收体或等效可饱和吸收体，让光在激光腔内振荡的过程中自发地形成相位锁定。与成本高、激光器结构复杂的主动锁模光纤激光器不同，被动锁模光纤激光器不需要外加调制，可以实现简单紧凑的结构，更容易实现高重频的脉冲输出。然而，传统的被动锁模光纤激光器可调谐波长范围受限，限制了其进一步的应用。基于此，有必要提供一种可调谐波长范围宽的高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种可调谐波长范围宽的高重频可调谐锁模光纤激光器及激光产生方法和应用。

一种高重频可调谐锁模光纤激光器，包括泵浦源、模式选择波片、四分之一波片、二色镜、准直器、超宽带高增益光纤和可饱和吸收体，所述二色镜、所述准直器、所述超宽带高增益光纤及所述可饱和吸收体构成谐振腔；所述泵浦源发出的泵浦光依次通过所述模式选择波片、所述四分之一波片后经由所述二色镜进入所述谐振腔，所述二色镜的表面设有用于透过泵浦光并用于反射信号光的介质膜，所述激光器基频重复率在500MHz以上且能在1450nm到2150nm间对波长进行调谐。

在其中一个实施例中，所述泵浦源为980nm半导体激光器。

在其中一个实施例中，所述介质膜对泵浦光的透过率不小于70％，对信号光的反射率为85％～99％。

在其中一个实施例中，所述超宽带高增益光纤是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯由多组对称分布的扇形结构构成，多组扇形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子包括Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺，发光中心分别位于纤芯中的不同扇形结构区域，且纤芯的各部分共掺有敏化稀土离子Yb³⁺，各稀土离子掺杂浓度均大于5wt％。

在其中一个实施例中，所述超宽带高增益光纤的增益系数大于1dB/cm，增益范围为1450nm～2150nm。

一种激光产生方法，包括如下步骤：

将泵浦光转换为线偏振模式的光；

将所述线偏振模式的光进行旋转，使得光场极大值通过不同发光离子掺杂的区域，激发不同的发光离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；

将放大后的激光通过谐振腔输出。

在其中一个实施例中，上述激光产生方法使用上述任一实施例所述的高重频可调谐锁模光纤激光器。

上述任一实施例所述的高重频可调谐锁模光纤激光器或上述任一实施例所述的激光产生方法产生的激光包括但不限于在光频标定、超快测量过程中的应用。

上述高重频可调谐锁模光纤激光器通过采用模式选择波片，将泵浦光转换为线偏振模式的光，该线偏振模式的光与待产生增益光的超宽带高增益光纤的形状适配，并且通过旋转四分之一波片，可以控制该线偏振模式的光进行旋转，可以使得光场极大值位于超宽带高增益光纤的不同增益区域，激发其中不同的发光离子产生相应的增益光，实现不同波段之间的激光切换。

该高重频可调谐锁模光纤激光器与传统的普通的锁模激光器不同，该高重频可调谐锁模光纤激光器输出锁模脉冲波长在1450nm～2150nm范围内可调，并且与传统的主动式锁模激光器相比，具有结构简单、短小精悍、携带方便等优点，可以将重复频率轻松提高到大于500MHz，尤其是高于1GHz的脉冲输出，在高重频领域及脉冲的理论研究方面，有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的高重频可调谐锁模光纤激光器的结构示意图；

图2为图1中超宽带高增益光纤的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种高重频可调谐锁模光纤激光器10，其包括泵浦源11、模式选择波片12、四分之一波片13、二色镜14、准直器15、超宽带高增益光纤16和可饱和吸收体17。二色镜14、准直器15、超宽带高增益光纤16及可饱和吸收体17构成线形的谐振腔18。泵浦源11发出的泵浦光依次通过模式选择波片12、四分之一波片13后经由二色镜14进入谐振腔18中，在谐振腔18中通过准直器15进入超宽带高增益复合结构光线16，在到达可饱和吸收体17。二色镜14的表面设有用于透过泵浦光并用于反射信号光的介质膜。

在一个具体的示例中，泵浦源为980nm半导体激光器。

介质膜可高透泵浦光，并高反信号光。在一个具体的示例中，介质膜对泵浦光的透过率不小于70％，对信号光的反射率为85％～99％。更具体地，介质膜对泵浦光的透过率不小于95％且对信号光的反射率为90％，这样可以输出10％的锁模脉冲。

超宽带高增益光纤16是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层。其中，纤芯由多组对称分布的扇形结构构成，多组扇形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子包括Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺，发光中心分别位于纤芯中的不同扇形结构区域，且纤芯的各部分共掺有敏化稀土离子Yb³⁺，各稀土离子掺杂浓度均大于5wt％。进一步，该超宽带高增益光纤16的增益范围是1450nm～2150nm，增益系数大于1dB/cm。

在一个具体的示例中，超宽带高增益光纤16的端面如图2所示，其包括纤芯，以及包覆于所述纤芯表面的包层164。所述纤芯由三组呈对称的扇形设置的稀土离子掺杂区域161、稀土离子掺杂区域162、稀土离子掺杂区域163组成。其中稀土离子掺杂区域161为Er³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域162为Tm³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域163为Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，包层164为未掺稀土离子的多组分锗酸盐玻璃；Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Yb³⁺掺杂浓度均＞5wt％。

所述超宽带高增益光纤16可采用管棒法制备，步骤如下：

a、玻璃熔制：采用传统的熔融-退火的方法分别熔制Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺和Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的大块纤芯玻璃以及大块包层玻璃；

b、包层玻璃加工：将熔制的包层玻璃通过机械加工成设计尺寸的玻璃管，然后采用物理和化学方法抛光内、外表面，得到包层164；

c、复合结构芯棒制备：分别将Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的大块纤芯玻璃通过机械加工成预设尺寸的玻璃圆柱，然后采用物理和/或化学方法抛光表面，分别将Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的玻璃圆柱拉制成玻璃细棒，即一次拉丝得到纤芯玻璃细棒；随后采用机械或激光将纤芯玻璃细棒分别加工成设计的扇形结构，再组装成复合结构纤芯棒，即依次形成稀土离子掺杂区域161、稀土离子掺杂区域162或稀土离子掺杂区域163，其中步骤b和步骤c中包层和各纤芯尺寸根据单模光纤设计要求确定；

d、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图2所示增益光纤。

此外，所述超宽带高增益光纤16还可采用3D打印方法制备，步骤如下：

a、复合结构芯棒制备：按照设计配方和尺寸，采用3D打印方法分别制备扇形结构的纤芯，按设计组装成复合结构纤芯棒，形成稀土离子掺杂区域161、稀土离子掺杂区域162和稀土离子掺杂区域163；采用3D打印方法制备包层164；

b、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图2所示的增益光纤。

图2所示的超宽带高增益光纤16可用于构建光纤激光器实现可调谐激光输出，如构建上述多波段可调谐单频光纤激光器10，通过控制光场极大值位于不同的稀土离子掺杂区域，从而激发不同的稀土离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；通过温度或应力控制装置，可以调节复合结构增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现1450nm～2150nm范围内特定波段内输出激光的波长可调谐。

该高重频可调谐锁模光纤激光器10通过采用模式选择波片12，将泵浦光转换为线偏振模式的光，该线偏振模式的光与待产生增益光的超宽带高增益光纤的形状适配，并且通过旋转四分之一波片13，可以控制该线偏振模式的光进行旋转，可以使得光场极大值位于超宽带高增益光纤16的不同增益区域，激发其中不同的发光离子产生相应的增益光，实现不同波段之间的激光切换。

该高重频可调谐锁模光纤激光器10与传统的普通的锁模激光器不同，该高重频可调谐锁模光纤激光器10输出锁模脉冲波长在1450nm～2150nm范围内可调，并且与传统的主动式锁模激光器相比，具有结构简单、短小精悍、携带方便等优点，可以将重复频率轻松提高到大于500MHz，尤其是可以轻松实现重复频率高于1GHz的脉冲输出，在高重频领域及脉冲的理论研究方面，有着广阔的应用前景。

本发明进一步还提供了一种激光产生方法，其包括如下步骤：

步骤一：将泵浦光转换为线偏振模式的光；

步骤二：将线偏振模式的光进行旋转，使得光场极大值通过不同发光离子掺杂的区域，激发不同的发光离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；

步骤三：将增益后的激光通过线形腔输出。

在步骤二中，不同发光离子掺杂的区域可以设置在一个复合结构光纤中，该复合结构光纤具有不同的增益区域，不同的增益区域含有不同的发光离子，可以进行不同程度的增益。

优选地，该激光产生方法可以使用上述图1所示的高重频可调谐锁模光纤激光器10。

上述高重频可调谐锁模光纤激光器或由上述方法产生的激光，输出锁模脉冲波长在1450nm～2150nm范围内可调，在高重频领域有着广泛的应用，例如可以将上述任一实施例的高重频可调谐锁模光纤激光器或上述激光产生方法产生的激光应用在光频标定或超快测量中。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。