一种双波长可调谐短脉冲光纤激光器

摘要

本发明请求保护一种波长可调谐短脉冲光纤激光器，本发明主要包括泵浦源(1)(10)、波分复用器(2)(4)(6)(11)、增益光纤(3)(12)、石墨烯可饱和吸收体(5)、光纤耦合器(7)(13)、环形器(16)(17)、反射式可调滤波器(8)(14)、50：50光纤耦合器组成的宽带光纤环镜(9)(15)。本发明采用双环形腔或双线性腔结构，波分复用器(4)(6)和石墨烯可饱和吸收体(5)作为双环形腔或双线性腔结构共同的分支，利用石墨烯可饱和吸收体的波长吸收范围广、吸收平稳、低饱和强度、超快恢复时间等优点，结合反射式可调滤波器可实现光纤激光器稳定输出单波长可调谐、双波长间隔大的同步短脉冲。

说明书

技术领域

本发明属于激光技术与非线性光学领域，具体为一种双波长可调谐短脉冲 光纤激光器。

背景技术

随着已有的双波长短脉冲固体激光器存在着操作和技术复杂、体积庞大、效 率低下、可靠性差等缺陷，极大地限制了双波长短脉冲激光器使用范围，目前 只限于实验室内使用。而双波长短脉冲光纤激光器由于具有损耗小、紧凑性高、 光纤程度高、效率高、散热性好、与通讯光纤兼容性好，因而受到人们的广泛 关注，在激光加工、通信传感、探测诊断、生物医学、光谱学、军事等众多领 域有着广阔的前景。

已有的双波长短脉冲光纤激光器的同步方式主要有主动和被动两种方式。 主动方式有着重复频率高、线宽窄等优点，但引入的主动调制器件破坏了全光 纤结构，且成本较高。被动方式如采用非线性环形镜(NOLM)、非线性偏振旋 转技术(NPR)、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、以及基于单壁碳纳米管 (SWCNT)和石墨烯(Graphene)等技术或器件，被广泛用于短脉冲的产生。 其中石墨烯由于零带隙结构使其吸收范围从可见光到远红外光，有与波长无关 并且比较平稳的吸收特征，故石墨烯通常看作双波长短脉冲光纤激光器理想的 可饱和吸收体。

已有的双波长短脉冲光纤激光器其单个波长大多不可调谐，限制了其应用 范围，而加入反射式可调谐滤波器使双波长皆可调谐的双波长短脉冲可调谐光 纤激光器能够扩大其应用范围，更具有实际使用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服目前双波长可调谐短脉冲激光器制作复 杂、不稳定、成本高、调谐难度大、光纤化程度低、双波长间隔小等问题，提 供一种光纤化程度高、制作简单、成本相对低廉、能稳定输出易调谐且双波长 间隔大的同步短脉冲光纤激光器。本发明的技术方案如下：

一种双波长可调谐短脉冲光纤激光器，其包括：用于产生第一波长的可调 谐短脉冲光纤激光器第一支路、用于产生第二波长的可调谐短脉冲光纤激光器 第二支路、用于分离和结合第一、第二波长，并结合第一支路、第二支路组成 的线性腔或环形腔进行调制产生短脉冲的公共支路、用于选择第一波长的第一 反射式可调滤波器及用于选择第二波长的第二反射式可调滤波器，所述公共调 谐支路包括依次串联连接的第二波分复用器、石墨烯可饱和吸收体及第三波分 复用器，所述可调谐短脉冲第一支路通过公共支路与第一反射式可调滤波器相 连接，产生可调谐短脉冲光纤激光；所述可调谐短脉冲第二支路通过公共支路 与第二反射式可调滤波器相连接。

进一步的，所述可调谐短脉冲光纤激光器第一支路与可调谐短脉冲光纤激 光器第二支路之间的连接包括以下连接方式：即可调谐短脉冲第一支路与可调 谐短脉冲第二支路之间先并联后再与公共调谐支路进行串联连接；或可调谐短 脉冲光纤激光器第一支路通过第一环形器、可调谐短脉冲光纤激光器第二支路 通过第二环形器分别并联在公共调谐支路的两端；或可调谐短脉冲第一支路通 过公共调谐支路与可调谐短脉冲第二支路进行串联连接。

进一步的，当可调谐短脉冲第一支路与可调谐短脉冲第二支路之间先并联 后再与公共调谐支路进行串联连接或可调谐短脉冲第一支路通过公共调谐支 路与可调谐短脉冲第二支路进行串联连接时包括用于泵浦第一增益光纤的的 第一泵浦源、用于将第一泵浦源激光耦合到线性腔或环形腔当中的第一波分复 用器、用于激发出第一波长激光的第一增益光纤、用于输出第一波长激光的第 一光纤耦合器、用于反射第一波长激光的第一宽带光纤环镜，可调谐短脉冲第 二支路包括用于泵浦第二增益光纤的第二泵浦源、用于将第二泵浦源激光耦合 到线性腔或环形腔当中的第四波分复用器、用于激发出的第二波长激光的)第 二增益光纤、用于输出第二波长激光的第二光纤耦合器、用于反射第二波长激 光的第二宽带光纤环镜，可调谐短脉冲光纤激光器第一支路通过第一环形器、 可调谐短脉冲光纤激光器第二支路通过第二环形器分别并联在公共调谐支路 的两端时包括除第一宽带光纤环镜、第二宽带光纤环镜之外的上述其他器件。

进一步的，当可调谐短脉冲第一支路与可调谐短脉冲第二支路之间先并联 后再与公共支路进行串联连接时，第一泵浦源连接第一波分复用器泵浦输入端 a，第一宽带光纤环镜第一光纤耦合器信号输入端j，第一光纤耦合器信号输出 端k连接第一波分复用器信号输入端b，第一波分复用器信号输出端c连接第一 增益光纤，第一增益光纤另一端连接第二波分复用器信号输入端d，第二波分复 用器信号输出端f连接石墨烯可饱和吸收体，石墨烯可饱和吸收体另一端连接第 三波分复用器信号输入端g，第三波分复用器信号输出端h连接第一反射式可调 滤波器，形成第一路线性腔，第一路线性腔产生的激光由第一光纤耦合器耦合 输出端l输出；第二泵浦源连接第四波分复用器泵浦输入端m，第二宽带光纤环 镜第二光纤耦合器信号输入端p，第二光纤耦合器信号输出端q连接第四波分复 用器信号输入端n，第四波分复用器信号输出端o连接第二增益光纤，第二增益 光纤另一端连接第二波分复用器信号输入端e，第二波分复用器信号输出端f连 接石墨烯可饱和吸收体，石墨烯可饱和吸收体另一端连接第三波分复用器信号 输入端g，第三波分复用器信号输出端i连接第二反射式可调滤波器，形成第二 路线性腔，第二路线性腔产生的激光由第二光纤耦合器耦合输出端r输出。

进一步的，所述第一泵浦源和第二泵浦源是半导体激光器、固态激光器、 气体激光器、光纤激光器中的任意一种，其输出中心波长分别是793nm、980nm、 1570nm中三种之中的任意一种，且二者输出中心波长不一致。

进一步的，所述第一增益光纤和第二增益光纤是单包层或者双包层稀土掺杂 光纤，其中掺杂的稀土元素是镱、饵、铥、钬中的一种或几种。

进一步的，所述石墨烯可饱和吸收体还可以为氧化石墨烯可饱和吸收体，二 者层数是单层、双层、多层。

进一步的，所述第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、第一 光纤耦合器、第四波分复用器、第二光纤耦合器中信号可逆向输入，即信号输 入端也可以作信号输出端，信号输出端也可以作信号输入端；第二波分复用器 和第三波分复用器可以为：1550/2000nm、1550/1050nm、1050/2000nm三种工 作波长模式中的任意一种，二者工作波长一致。

进一步的，所述第二波分复用器和第三波分复用器可以换成成多路波分复用 器，使双波长可调谐短脉冲光纤激光器扩展成多波长可调谐短脉冲光纤激光器。

进一步的，所述第一反射式可调滤波器和第二反射式可调滤波器工作波长分 别为1550nm、2000nm、1050nm三种之中的任意一种，二者工作波长不一致， 二者反射率都为R，其中0.9＜R＜1。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明双波长可调谐短脉冲光纤激光器具有以下优点：

1.该光纤激光器利用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质和石墨烯或者氧 化石墨烯作为可饱和吸收体，结合双腔设计，全光纤结构，不用空间调制器件， 结构相对简单，易于调整，环境稳定性好；

2.该光纤激光器采用石墨烯或者氧化石墨烯作为可饱和吸收体，二者具有 波长吸收范围广、低饱和强度、超快恢复时间、吸收平稳等优点；

3.该光纤激光器短脉冲输出双波长间隔大，双波长可以分别调节，易实现 两种不同波长调谐和短脉冲同步。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例1双波长可调谐短脉冲光纤激光器基本原理图；

图2为实施例2双波长可调谐短脉冲光纤激光器基本原理图；

图3为实施例3双波长可调谐短脉冲光纤激光器基本原理图；

图中：1、第一泵浦源；2、第一波分复用器；3、第一增益光纤；4、第二 波分复用器；5、石墨烯可饱和吸收体；6、第三波分复用器；7、第一光纤耦合 器；8、第一反射式可调滤波器；9、第一50：50光纤耦合器组成的宽带光纤环 镜；10、第二泵浦源；11、第四波分复用器；12、第二增益光纤；13、第二光 纤耦合器；14、第二透射式可调滤波器；15、第二50：50光纤耦合器组成的宽 带光纤环镜；16、第一环形器；17、第二环形器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1所示，实施例1

一种双波长可调谐短脉冲光纤激光器基本原理图如图1所示。图中1、10 分别为第一、第二泵浦源，可以分别选用中心波长为1570nm、980nm的半导 体激光二极管；2、11分别为第一、第四波分复用器，可以分别选用1570/2000 nm、980/1550nm波分复用器；3、12分别为第一、第二增益光纤，可以分别选 用掺铥、掺饵单模光纤；4、6分别为第二、第三波分复用器，可选用1550/2000 nm波分复用器；5为石墨烯可饱和吸收体，可利用旋转涂膜法将聚甲基丙烯酸 甲酯(PMMA)涂在有铜衬底的石墨烯薄层上，随后将之置于过硫酸铵水溶液 中消除铜衬底形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯堆，用光纤插针将之捕获，在烤箱 中干燥后夹在两个跳线头之间，并将跳线头用法兰盘固定制成；7、13分别为第 一、第二光纤耦合器，可以分别选用中心波长为2000nm、1550nm的20：80 输出光纤耦合器，其中80％用于耦合输出，20％用于循环；8、14分别为第一、 第二反射式可调滤波器，可以分别选用中心波长为2000nm、1550nm的可调谐 光纤布喇格光栅，反射率为R，其中0.9＜R＜1；9、15分别为第一、第二50： 50光纤耦合器组成的宽带光纤环镜，可以分别选用中心波长为2000nm、1550 nm的光纤耦合器用来组成宽带光纤环镜。

第一泵浦源1连接第一波分复用器2泵浦输入端a，第一50：50光纤耦合 器组成的宽带光纤环镜9第一光纤耦合器7信号输入端j，第一光纤耦合器7信 号输出端k连接第一波分复用器2信号输入端b，第一波分复用器2信号输出端 c连接第一增益光纤3，第一增益光纤3另一端连接第二波分复用器4信号输入 端d，第二波分复用器4信号输出端f连接石墨烯可饱和吸收体5，石墨烯可饱 和吸收体5另一端连接第三波分复用器6信号输入端g，第三波分复用器6信号 输出端h连接第一反射式可调滤波器8，形成第一路线性腔，第一路线性腔产生 的激光由第一光纤耦合器7耦合输出端l输出；第二泵浦源10连接第四波分复 用器11泵浦输入端m，第二50：50光纤耦合器组成的宽带光纤环镜15第二光 纤耦合器13信号输入端p，第二光纤耦合器13信号输出端q连接第四波分复用 器11信号输入端n，第四波分复用器11信号输出端o连接第二增益光纤12， 第二增益光纤12另一端连接第二波分复用器4信号输入端e，第二波分复用器 4信号输出端f连接石墨烯可饱和吸收体5，石墨烯可饱和吸收体5另一端连接 第三波分复用器6信号输入端g，第三波分复用器6信号输出端i连接第二反射 式可调滤波器14，形成第二路线性腔，第二路线性腔产生的激光由第二光纤耦 合器13耦合输出端r输出；第二波分复用器4、石墨烯可饱和吸收体5和第三 波分复用器6作为两线性腔同一支路。

实施例2

一种双波长可调谐短脉冲光纤激光器基本原理图如图2所示。图中1、10 分别为第一、第二泵浦源，可以分别选用中心波长为1570nm、980nm的半导 体激光二极管；2、11分别为第一、第四波分复用器，可以分别选用1570/2000 nm、980/1550nm波分复用器；3、12分别为第一、第二增益光纤，可以分别选 用掺铥、掺饵单模光纤；4、6分别为第二、第三波分复用器，可选用1550/2000 nm波分复用器；5为石墨烯可饱和吸收体，可利用旋转涂膜法将聚甲基丙烯酸 甲酯(PMMA)涂在有铜衬底的石墨烯薄层上，随后将之置于过硫酸铵水溶液 中消除铜衬底形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯堆，用光纤插针将之捕获，在烤箱 中干燥后夹在两个跳线头之间，并将跳线头用法兰盘固定制成；7、13分别为第 一、第二光纤耦合器，可以分别选用中心波长为2000nm、1550nm的20：80 输出光纤耦合器，其中80％用于耦合输出，20％用于循环；8、14分别为第一、 第二反射式可调滤波器，可以分别选用中心波长为2000nm、1550nm的可调谐 光纤布喇格光栅，反射率为R，其中0.9＜R＜1；16、17分别为第一、第二环形 器，可以分别选用中心波长为2000nm、1550nm的光纤环形器。

第一泵浦源1连接第一波分复用器2泵浦输入端a，第一波分复用器2信号 输出端c连接第一增益光纤3，第一增益光纤3另一端连接第一环形器16信号 输入端s，第一环形器16信号输出端u连接第二波分复用器4信号输入端d，第 二波分复用器4信号输出端f连接石墨烯可饱和吸收体5，石墨烯可饱和吸收体 5另一端连接第三波分复用器6信号输入端g，第三波分复用器6信号输出端h 连接第一光纤耦合器7信号输入端j，第一光纤耦合器7信号输出端k连接第一 波分复用器2信号输入端b，形成第一光纤环形谐振腔，其中第一环形器16中 间端t连接第一反射式可调滤波器8，第一光纤环形谐振腔产生的激光经第一光 纤耦合器7耦合输出端l输出；第二泵浦源10连接第四波分复用器11泵浦输入 端m，第四波分复用器11信号输出端o连接第二增益光纤12，第二增益光纤 12另一端连接第二环形器17信号输入端v，第二环形器17信号输出端x连接 第二波分复用器4信号输入端e，第二波分复用器4信号输出端f连接石墨烯可 饱和吸收体5，石墨烯可饱和吸收体5另一端连接第三波分复用器6信号输入端 g，第三波分复用器6信号输出端i连接第二光纤耦合器13信号输入端p，第二 光纤耦合器13信号输出端q连接第四波分复用器11信号输入端n，形成第二光 纤环形谐振腔，其中第二环形器17中间端w连接第二反射式可调滤波器14， 第二光纤环形谐振腔产生的激光经第二光纤耦合器13耦合输出端r输出；第二 波分复用器4、石墨烯可饱和吸收体5和第三波分复用器6组合作为双环形腔结 构的同一支路。

实施例3

一种双波长可调谐短脉冲光纤激光器基本原理图如图3所示。图中1、10 分别为第一、第二泵浦源，可以分别选用中心波长为1570nm、980nm的半导 体激光二极管；2、11分别为第一、第四波分复用器，可以分别选用1570/2000 nm、980/1550nm波分复用器；3、12分别为第一、第二增益光纤，可以分别选 用掺铥、掺饵单模光纤；4、6分别为第二、第三波分复用器，可选用1550/2000 nm波分复用器；5为石墨烯可饱和吸收体，可利用旋转涂膜法将聚甲基丙烯酸 甲酯(PMMA)涂在有铜衬底的石墨烯薄层上，随后将之置于过硫酸铵水溶液 中消除铜衬底形成聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯堆，用光纤插针将之捕获，在烤箱 中干燥后夹在两个跳线头之间，并将跳线头用法兰盘固定制成；7、13分别为第 一、第二光纤耦合器，可以分别选用中心波长为2000nm、1550nm的20：80 输出光纤耦合器，其中80％用于耦合输出，20％用于循环；8、14分别为第一、 第二反射式可调滤波器，可以分别选用中心波长为2000nm、1550nm的可调谐 光纤布喇格光栅，反射率为R，其中0.9＜R＜1；9、15分别为第一、第二50： 50光纤耦合器组成的宽带光纤环镜，可以分别选用中心波长为2000nm、1550 nm的光纤耦合器用来组成宽带光纤环镜。

第一泵浦源1连接第一波分复用器2泵浦输入端a，第一50：50光纤耦合 器组成的宽带光纤环镜9连接第一光纤耦合器7信号输入端j，第一光纤耦合器 7信号输出端k连接第一波分复用器2信号输入端b，第一波分复用器2信号输 出端c连接第一增益光纤3，第一增益光纤3另一端连接第二波分复用器4信号 输入端d，第二波分复用器4信号输出端f连接石墨烯可饱和吸收体5，石墨烯 可饱和吸收体5另一端连接第三波分复用器6信号输入端g，第三波分复用器6 信号输出端h连接第一反射式可调滤波器8，形成第一路线性腔，第一路线性腔 产生的激光由第一光纤耦合器7耦合输出端l输出；第二泵浦源10连接第四波 分复用器11泵浦输入端m，第二50：50光纤耦合器组成的宽带光纤环镜15连 接第二光纤耦合器13信号输入端p，第二光纤耦合器13信号输出端q连接第四 波分复用器11信号输入端n，第四波分复用器11信号输出端o连接第二增益光 纤12，第二增益光纤12另一端连接第三波分复用器6信号输出端i，第三波分 复用器6信号输入端g连接石墨烯可饱和吸收体5，石墨烯可饱和吸收体5另一 端连接第二波分复用器4信号输出端f，第二波分复用器4信号输入端e连接第 二反射式可调滤波器14，形成第二路线性腔，第二路线性腔产生的激光由第二 光纤耦合器13耦合输出端r输出；第二波分复用器4、石墨烯可饱和吸收体5 和第三波分复用器6作为两线性腔同一支路。

以上实施例仅涉及1550/2000nm一种输出工作模式，还可以增加1550/1050 nm、1050/2000nm两种工作模式。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范 围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或 修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。