一种双色矢量脉冲光纤激光器

本发明涉及超快光纤激光器领域，具体涉及一种双色矢量脉冲光纤激光器。

背景技术：

1、超快光纤激光器在光纤通信、光纤传感、材料加工、医疗、军事等领域具有重要应用价值。目前，对于超快光纤激光器的研究波段从可见光区域一直延伸到了中红外区域。由于光纤本征双折射以及外界因素(比如：压力、温度梯度等)的干扰，使得激光脉冲在光纤中传输的时候会经历双折射，产生偏振模色散，导致传输信号发生畸变。

2、通过优化参数(比如群速度色散、光纤非线性、饱和吸收、交叉相位调制等)，在特定的条件下，可以产生矢量脉冲。矢量脉冲在长距离传输的过程中能够保持信号不失真，在偏振复用光纤通信系统中具有重要应用价值，可以为当前6g通信技术的发展提供有效支持。

3、当前，对于矢量脉冲光纤激光器的研究主要集中在单一波段，并且对于双色超快光纤激光器的研究大都是在标量近似下进行的，鲜有关于双色矢量脉冲光纤激光器的报道。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种双色矢量脉冲光纤激光器，其能够提供双向输出的矢量激光脉冲，双色波段的波长间隔可达几百纳米，极大地拓展了当前矢量脉冲光纤激光器的工作波段范围。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明主要针对双色脉冲光纤激光器的矢量特性进行设计。如采用掺镱光纤和掺铒光纤作为增益介质，并选用偏振不敏感纳米材料制成饱和吸收体，实现1.06-μm和1.55-μm两个波段矢量脉冲光纤激光的同时及双向输出。值得一提的是，本发明设计方案还可以拓展到其它组合的双色矢量脉冲光纤激光器，比如1.06-μm/2-μm双色矢量脉冲光纤激光器、1.55-μm/2-μm双色矢量脉冲光纤激光器、1.06-μm/1.7-μm双色矢量脉冲光纤激光器等。具体方案如下所示：

4、一种双色矢量脉冲光纤激光器，包括：由单模光纤或保偏光纤循环连接的第一环形腔和由单模光纤或保偏光纤循环连接的第二环形腔，所述第一环形腔和第二环形腔相交叠；

5、所述第一环形腔、第二环形腔内均设置有稀土离子掺杂的增益光纤，且第一环形腔、第二环形腔内设置的增益光纤所掺杂的稀土离子并非是同一种。

6、进一步地，所述稀土离子掺杂的增益光纤为单包层光纤或双包层光纤。

7、进一步地，所述稀土离子掺杂的增益光纤包括掺铒光纤、掺镱光纤或掺铥光纤中的一种。

8、在本发明的一个实施例中：

9、当所述第一环形腔设置的稀土离子掺杂的增益光纤为掺铒光纤时，所述第一环形腔包括依次循环连接的：1550nm光纤分束器、1550nm色散补偿光纤、976/1550波分复用器、掺铒光纤、976/1550波分复用器、1550nm光纤时延线、偏振控制器、1550nm光纤偏振分束器、1550nm保偏光纤时延线、1550nm光纤偏振分束器、1064/1550波分复用器、饱和吸收体和1064/1550波分复用器，所述976/1550波分复用器上设置有976nm激光二极管。具体而言，1550nm光纤分束器的尾纤为smf-28光纤，且为双向输出，分束比根据实际情况可选。1550nm色散补偿光纤在1550nm波段提供正常群速度色散，用来补偿环形腔内的反常群速度色散，并且色散补偿光纤的具体长度取决于腔内的净色散值需要被设置为多少，如果环形腔工作在正色散波段，则需要用四端口环形器和两个啁啾光纤布拉格光栅替代色散补偿光纤。单个激光二极管平均输出功率大于300mw。1550nm光纤时延线的调节范围为百皮秒以上，可以改变第一环形腔和第二环形腔内光纤激光脉冲之间的时间延迟，使得两个环形腔内的激光脉冲处于时域同步/非同步状态，如果腔内光纤激光工作在其它波段，则需要替换对应波段的光纤时延线。1550nm保偏光纤时延线的调节范围为百皮秒以上，可以调节单一偏振分量的时间延迟，使得耦合之后的矢量脉冲展现出不同的偏振态特性，如果腔内光纤激光工作在其它波段，则需要替换对应波段的光纤时延线。所述1550nm光纤偏振分束器的耦合端连着单模光纤，分解端连着保偏光纤，可以分解/耦合1550nm波段矢量脉冲激光的正交偏振分量，如果腔内光纤激光工作在其它波段，则需要替换对应波段的光纤偏振分束器。

10、当所述第二环形腔内设置的稀土离子掺杂的增益光纤为掺镱光纤时，所述第二环形腔包括依次循环连接的：1064/1550波分复用器、饱和吸收体、1064/1550波分复用器、1064nm光纤偏振分束器、1064nm保偏光纤时延线、1064nm光纤偏振分束器、1064nm光纤分束器、976/1064波分复用器、掺镱光纤、976/1064波分复用器、1064nm四端口环形器、偏振控制器，所述976/1064波分复用器上设置有976nm激光二极管，所述四端口环形器的两端还分别设置有啁啾光纤布拉格光栅。具体而言，1064nm光纤分束器的尾纤为hi1060光纤，且为双向输出，分束比根据实际情况可选。啁啾光纤布拉格光栅在1064nm波段提供反常群速度色散，可以独立地改变第二环形腔内顺时针和逆时针两个方向1064nm波段脉冲光纤激光的群速度色散，从而在输出端的两个方向上获取特性不同的矢量脉冲光纤激光。1064nm保偏光纤时延线的调节范围为百皮秒以上，可以调节单一偏振分量的时间延迟，使得耦合之后的矢量脉冲展现出不同的偏振态特性。如果腔内光纤激光工作在其它波段，则需要替换对应波段的光纤时延线。四端口环形器支持四个端口，可同时支持第二环形腔内顺时针和逆时针两个方向1064nm波段的光纤激光。如果腔内光纤激光工作在其它波段，则需要替换对应波段的四端口环形器。所述1064nm光纤偏振分束器的尾纤为hi1060光纤和pm1060光纤，可以分解/耦合1064nm波段矢量脉冲激光的正交偏振分量，如果腔内光纤激光工作在其它波段，则需要替换对应波段的光纤偏振分束器。

11、在位于上方的全光纤掺铒环形谐振腔内，即第一环形腔内，两个976nm的激光二极管发射出的泵浦光通过两个976/1550波分复用器耦合进环形腔内，被掺铒光纤吸收，产生1550nm波段的光信号。这里采用双向泵浦的方式，可以有效提升光学转换效率。色散补偿光纤用来补偿环形腔内的反常群速度色散。光纤时延线可以调节上下两个环形腔内的时间延迟，使它们处于时域同步/非同步状态。偏振控制器的作用是改变腔内的线性双折射。两个光纤偏振分束器的作用是分解/耦合光信号的正交偏振分量。保偏光纤时延线用来改变单一偏振分量的时间延迟。两个1064/1550波分复用器用来耦合/分离1064nm和1550nm两个波段的光纤激光。饱和吸收体用来调制1064nm和1550nm两个波段的光纤激光，将其从连续状态调制成脉冲状态。光纤分束器的作用是同时输出顺时针(cw)和逆时针(ccw)两个方向的矢量脉冲激光，有利于观察到多态矢量脉冲。该环形腔内的各个元件通过单模光纤以及保偏光纤相连接。

12、在位于下方的全光纤掺镱环形谐振腔内，即第二环形腔内，两个976nm的激光二极管发射出的泵浦光通过两个976/1064波分复用器耦合进环形腔内，被掺镱光纤吸收，产生1064nm波段的光信号。四端口环形器可以同时支持两个方向的光纤激光传输。两个啁啾光纤布拉格光栅用来补偿环形腔内的正常群速度色散。虽然利用棱镜对或者光栅对可以有效补偿正色散，但是会破坏系统的全光纤结构。偏振控制器的作用是改变腔内的线性双折射。两个光纤偏振分束器的作用是分解/耦合光信号的正交偏振分量。保偏光纤时延线用来改变单一偏振分量的时间延迟。两个1064/1550波分复用器用来耦合/分离1064nm和1550nm两个波段的光纤激光。饱和吸收体用来调制1064nm和1550nm两个波段的光纤激光，将其从连续状态调制成脉冲状态。光纤分束器的作用是同时输出顺时针和逆时针两个方向的矢量脉冲激光，有利于观察到多态矢量脉冲。该环形腔内的各个元件通过单模光纤以及保偏光纤相连接。

13、在本发明的一个实施例中：

14、当所述第一环形腔设置的稀土离子掺杂的增益光纤为掺铒光纤时，所述第一环形腔包括依次循环连接的：1550nm光纤分束器、1550nm色散补偿光纤、976/1550波分复用器、掺铒光纤、976/1550波分复用器、1550nm光纤时延线、偏振控制器、1550nm光纤偏振分束器、1550nm保偏光纤时延线、1550nm光纤偏振分束器、1550/2000波分复用器、饱和吸收体和1550/2000波分复用器，所述976/1550波分复用器上设置有976nm激光二极管；

15、当所述第二环形腔内设置的稀土离子掺杂的增益光纤为掺铥光纤时，所述第二环形腔包括依次循环连接的：1550/2000波分复用器、饱和吸收体、1550/2000波分复用器、2000nm光纤偏振分束器、2000nm保偏光纤时延线、2000nm光纤偏振分束器、2000nm光纤分束器、793/2000波分复用器、掺铥光纤、793/2000波分复用器、2000nm色散补偿光纤和偏振控制器，所述793/2000波分复用器上设置有793nm激光二极管。

16、在本发明的一个实施例中：

17、当所述第一环形腔内设置的稀土离子掺杂的增益光纤为掺铥光纤时，所述第一环形腔包括依次循环连接的：1064/2000波分复用器、饱和吸收体、1064/2000波分复用器、2000nm光纤分束器、2000nm色散补偿光纤、793/2000波分复用器、掺铥光纤、793/2000波分复用器、2000nm光纤时延线、偏振控制器、2000nm光纤偏振分束器、2000nm保偏光纤时延线、2000nm光纤偏振分束器，所述793/2000波分复用器上设置有793nm激光二极管；

18、当所述第二环形腔内设置的稀土离子掺杂的增益光纤为掺镱光纤时，所述第二环形腔包括依次循环连接的：1064/2000波分复用器、饱和吸收体、1064/2000波分复用器、1064nm光纤偏振分束器、1064nm保偏光纤时延线、1064nm光纤偏振分束器、1064nm光纤分束器、976/1064波分复用器、掺镱光纤、976/1064波分复用器、1064nm四端口环形器、偏振控制器，所述976/1064波分复用器上设置有976nm激光二极管，所述四端口环形器的两端还分别设置有啁啾光纤布拉格光栅。

19、进一步地，所述单模光纤包括smf-28、hi1060或sm1950；所述保偏光纤包括pm1550、pm1060或pm1950。如果腔内光纤激光工作在其它波段，要根据实际情况选择对应波段的单模光纤。

20、进一步地，所述偏振控制器包括三桨偏振控制器，通过旋转三个桨，可以有效改变腔内的线性双折射。

21、进一步地，所述第一环形腔、第二环形腔共用同一个饱和吸收体。

22、进一步地，所述饱和吸收体是由偏振不敏感纳米材料制备而成的饱和吸收体，所述饱和吸收体是由偏振不敏感纳米材料制备而成的饱和吸收体，该饱和吸收体具有宽光谱调制特性，可以同时调制1.06-μm和1.55-μm两个波段的光纤激光。如果工作波段为其它波段，该饱和吸收体结构仍然适用。但是，饱和吸收体的组分会根据实际情况做出相应改变。为了制备该饱和吸收体，可以采用单一种类的材料，也可以采用两种不同的材料，按照abab……这样交错分布的结构来制备；制备方法包括：化学气相沉积、磁控溅射沉积、溶液光吸附等。

23、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

24、(1)本发明第一环形腔、第二环形腔内均设置有稀土离子掺杂的增益光纤，且第一环形腔、第二环形腔内设置的增益光纤所掺杂的稀土离子并非是同一种，并选用与工作波段相匹配的光纤偏振分束器、光纤时延线等元件，能够提供多种双向输出的矢量激光脉冲，双色波段的波长间隔可达几百纳米，极大地拓展了当前矢量脉冲光纤激光器的工作波段范围。

25、(2)本发明采用掺镱光纤和掺铒光纤，并选用与工作波段相匹配的光纤偏振分束器、光纤时延线等元件，来有效获取1.06-μm/1.55-μm双色矢量脉冲光纤激光。并且，该结构的双色矢量脉冲光纤激光器的工作波段也可以是其它组合，但是需要替换对应波段的元件。

26、(3)本发明选用偏振不敏感纳米材料饱和吸收体，实现对双色波段光纤激光的同时调制。在制备饱和吸收体的过程中，可以采用单一种类的材料，也可以采用两种不同的材料，按照abab……这样交错分布的结构来制备。该饱和吸收体的结构可以是透射式，也可以是反射式的。

27、(4)本发明中，第一环形腔和第二环形腔内的保偏光纤时延线，可以改变矢量脉冲单一偏振分量的时延。通过该时延线的调节，可以连续调节矢量脉冲的偏振态。

28、(5)本发明中，第二环形腔内的两个啁啾光纤布拉格光栅，可以独立地改变第二环形腔内顺时针和逆时针两个方向传输的激光脉冲所经历的群速度色散，为输出端观察到多态矢量脉冲提供有利条件。

29、(6)本发明克服当前对于单一波段矢量脉冲光纤激光器和双色标量脉冲光纤激光器研究的局限性。