本實用新型涉及光纖激光器技術領域，特別涉及一種復合腔光纖激光器。

背景技術：

多脈沖現象是鎖模光纖激光器運轉的普遍現象與本征屬性。多脈沖的產生機理，一般被認為是色散、非線性、增益、損耗以及腔內飽和吸收效應的聯(lián)合作用的結果，對于同一激光器，可以通過改變偏振設置、抽運功率來獲得多脈沖激光。然而在激光器的參數調節(jié)過程中，多脈沖的產生、簇包絡結構以及時域分布是隨機出現的、不可預計的、不可控制的。為此，多脈沖激光的研究工作更多的是停留在原理性的探討上，在技術應用上很少涉及。最近，人們意識到在激光器中引入主動介入的濾波效應或調制功能器件，可實現部分可控的脈沖產生?，F已報道的主動介入的濾波效應或調制功能器件的方法有：內嵌Fabry–Pérot濾波器【文獻1.Y.L.Qi et al,Opt.Express 23,17720(2015)】、Lyot濾波器【文獻2.S.Liu et al,IEEE Photon.Technol.Lett.28,864(2016)】、微型共振腔(microing resonator)【文獻3.M.Peccianti et al,Nat.Commun.3,765(2012)】或Mach-Zehnder干涉儀【文獻4.D.Mao et al,Sci.Rep.3,3223(2013)】等。

常見的多脈沖現象，如孤子雨、孤子分子、怪波等，所形成的脈沖團簇是由同種脈沖格式組成。然而，最新的研究進展發(fā)現，同一激光器不僅能產生同種脈沖格式的多脈沖現象，而且也能產生異種脈沖格式的多脈沖現象。異種脈沖格式之間相互作用不呈現出明顯的相干性，其原因在于異種脈沖格式產生于同一透射率函數的不同透射峰，因此它們的相位很難鎖定。如在“8”字形NALM腔激光器中獲得的孤子分子與方波類噪聲共存的多脈沖疊加態(tài)【文獻5.Y.-Q.Huang et al,Opt.Lett.41,4056(2016)】、在環(huán)形腔激光器中獲得的常規(guī)孤子與耗散孤子共存的多脈沖疊加態(tài)【文獻6.D.Mao et al,Opt.Lett.38,3190(2013)】，以及在復合腔激光器中獲得的調Q鎖模與方波類噪聲共存的多脈沖疊加態(tài)【文獻7.T.Qiao et al,Opt.Express 24,18755(2016)】。這些異種脈沖格式共存疊加態(tài)僅是時域上的簡單疊加，并不存在著明顯的相干相互作用。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種主腔與子腔共享增益光纖且通過在子腔內設置拉錐增益光纖而明顯提高激光器輸出的異種脈沖格式間相互作用的復合腔光纖激光器以解決現有技術的不足。

本實用新型通過以下技術方案來實現實用新型目的：

復合腔光纖激光器，包括主腔和內嵌于所述主腔內的子腔，所述主腔包括抽運光源、波分復用器、增益光纖、光纖耦合器和偏振控制器，其特征在于：所述增益光纖為帶有平面光纖端面的拉錐增益光纖且設于子腔內，主腔與子腔共用增益光纖且通過光纖端面的空間準直耦合進行對接而實現光路連通，由此，主腔與子腔通過共享相同增益光纖的方式使得復合腔光纖激光器的結構更為緊湊，同時通過調整偏振控制器與抽運功率使子腔和主腔分別基于不同的脈沖產生機制產生的異種脈沖格式間實現相干調制。

進一步地，所述主腔為環(huán)形腔、線形腔、“8”字形腔，“σ”形腔、“％”形腔或“9”字形腔中的任意一種，光纖耦合器為Y型或X型。

進一步地，所述主腔為環(huán)形腔且還設有光纖隔離器和鎖模器，光纖耦合器為Y型，所述抽運光源與波分復用器的抽運信號端連接，波分復用器的合波端與子腔的一個端面連接，子腔的另一個端面依次連接光纖耦合器，偏振控制器、光纖隔離器和鎖模器，所述的光纖耦合器的輸出端為激光器輸出端。

進一步地，所述增益光纖為一體型或倏逝波型拉錐增益光纖；所述倏逝波型拉錐增益光纖是將一根增益光纖加熱通過拉錐系統(tǒng)拉錐并拉斷為一對光纖錐，再使用光纖耦合系統(tǒng)使得兩個熔斷光纖錐相互靠近，兩個光纖錐均包括錐體端和非錐體端，光纖錐芯徑小于10μm，光纖錐錐體長度為0.1～3cm，兩個光纖錐的錯位空間間隙為10～300μm；所述一體型拉錐增益光纖是將一根增益光纖加熱通過拉錐系統(tǒng)使光纖在拉錐過程中間段芯徑變小但未拉斷而制成。

進一步地，所述子腔內設有由平整的平面光纖端面形成的第一腔鏡和第二腔鏡，第一腔鏡和第二腔鏡的光反射率為20％～40％。子腔腔鏡反射率是決定主腔與子腔能否同時起振和能否同時產生獨立的異種脈沖格式的先決條件，如子腔腔鏡反射率太大，將會使得子腔的增益競爭能力比主腔的增益競爭能力強，導致只有子腔能起振，而如果子腔腔鏡反射率太小，將會使得子腔的增益競爭能力比主腔的增益競爭能力弱，導致只有主腔能起振。

進一步地，所述第一腔鏡和第二腔鏡構成Fabry–Pérot子腔。

進一步地，所述子腔的制備工藝為：將增益光纖的非錐體端面與單模光纖的打磨端面進行空間準直對接使通光效率大于62％，再進行溶膠粘貼固化以形成穩(wěn)定的子腔。

進一步地，所述主腔為線形腔且子腔內還設有半導體飽和吸收鏡，半導體飽和吸收鏡與增益光纖的非拉錐端粘貼連接，光纖耦合器為X型，光纖耦合器的兩個輸出端連接形成一個閉環(huán)，一個輸入端作為整個激光器的輸出端，另一個輸入端與波分復用器的抽運信號端連接，波分復用器的合波端依次連接偏振控制器和子腔腔鏡，所述增益光纖為倏逝波型拉錐增益光纖。

進一步地，所述光纖耦合器的分光比為90:10～60:40，所述半導體飽和吸收鏡與光纖耦合器分別構成主腔的兩個腔鏡。

進一步地，所述鎖模器為材料飽和吸收體鎖模器或類飽和吸收體鎖模器中的任一種或二者的組合；所述材料飽和吸收體鎖模器為石墨烯、碳納米管、黑磷、拓撲絕緣體、硫化物系列二維材料、硒化物系列二維材料、半導體飽和吸收體材料、金納米線一維材料、銀納米線一維材料、酒精或復合材料墨水等具有光學飽和吸收效應的實體材料；所述類飽和吸收體鎖模器為通過非線性偏振旋轉技術(NPR)、非線性環(huán)路鏡技術(NOLM)或非線性放大環(huán)路鏡技術(NALM)實現的類飽和吸收效應。

本實用新型提供的復合腔光纖激光器，具有以下有益效果：

1、主腔內嵌有子腔，二者共享增益介質且基于獨立的脈沖產生機制同時產生各自的脈沖格式，可以通過改變子腔的參數來改變子腔產生的脈沖參數(如重復率、脈寬、時域空間分布)，進而實現子腔產生的控制脈沖對主腔產生的信號脈沖的動態(tài)控制，實現同波長的異種脈沖格式構成的多脈沖激光相干疊加態(tài)，解決了同種脈沖格式因很難快速而準確地分辨出控制脈沖與信號脈沖所形成多脈沖相干疊加態(tài)無法實現的精準光場控制的問題；

2、對Fabry–Pérot子腔中的高摻增益介質進行拉錐，可以獲得增強型的偏振、非線性和濾波效應，偏振增益濾波拉錐子腔不僅放大了脈沖、抑制了噪聲，而且還增強了光脈沖的非線性效應，進一步增強了異種脈沖格式之間的相互作用，實現了現有激光器中難以實現的異種脈沖格式的相干作用與共振操控，脈沖間的相互作用處于共振狀態(tài)時，其相互束縛、相互牽引的能力比非相干狀態(tài)時更為強烈，可以達到良好的光場操控效果。

附圖說明

圖1為本實用新型復合腔光纖激光器實施例1的結構示意圖；

圖2為本實用新型復合腔光纖激光器實施例2的結構示意圖；

圖3為本實用新型復合腔光纖激光器實施例3的結構示意圖；

其中：1—抽運光源，2—波分復用器，3a—倏逝波型拉錐增益光纖，3b—一體型拉錐增益光纖，4—子腔，5a—第一腔鏡，5b—第二腔鏡，6—光纖隔離器，7a—第一偏振控制器，7b—第二偏振控制器，8—光纖耦合器，9—鎖模器，10—激光器輸出端，11—半導體飽和吸收鏡。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的實施方式作進一步詳細的說明。

本實用新型的復合腔光纖激光器中，抽運光源、波分復用器、光纖隔離器、偏振控制器、光纖耦合器和增益光纖均采用商用器件，根據工作波長為1000nm、1310nm、1550nm和2000nm波段的要求，可分別對應在增益光纖中摻Nd³⁺、Yb³⁺、Pr³⁺、Er³⁺或Tm³⁺。

實施例1

如圖1所示，復合腔光纖激光器，包括主腔和內嵌于主腔內的子腔4，主腔包括抽運光源1、波分復用器2、增益光纖、光纖耦合器8和偏振控制器7a和7b，增益光纖為帶有平面光纖端面的拉錐增益光纖且設于子腔4內，主腔與子腔4共用增益光纖且通過光纖端面的空間準直耦合進行對接而實現光路連通。

其中，主腔為環(huán)形腔且還設有光纖隔離器6和鎖模器9，為了使相干作用更為明顯、實驗操作調節(jié)更為容易設置兩個偏振控制器，光纖耦合器8為Y型，抽運光源1與波分復用器2的抽運信號端連接，波分復用器2的合波端與子腔4的一個端面連接，子腔4的另一個端面依次連接光纖耦合器8，第一偏振控制器7a、光纖隔離器6、第二偏振控制器7b和鎖模器9，光纖耦合器8的輸出端為整個激光器輸出端10，子腔4內設有由平整的平面光纖端面形成的第一腔鏡5a和第二腔鏡5b，第一腔鏡5a和第二腔鏡5b的光反射率為20％～40％，第一腔鏡5a和第二腔鏡5b構成Fabry–Pérot子腔。

此外，增益光纖為倏逝波型拉錐增益光纖3a，倏逝波型拉錐增益光纖3a是將一根增益光纖加熱通過拉錐系統(tǒng)拉錐并拉斷為一對光纖錐，再使用光纖耦合系統(tǒng)使得兩個熔斷光纖錐相互靠近，兩個光纖錐均包括錐體端和非錐體端，光纖錐芯徑小于10μm，光纖錐錐體長度為0.1～3cm，兩個光纖錐的錯位空間間隙為10～300μm；基于倏逝波傳輸理論，光波將從一個增益光纖錐耦合進另一個增益光纖錐，光纖錐的錐體緩度以及錐體重疊區(qū)長度的參數選擇，會產生不同的光纖雙折射參數，雙折射參數可達10^-6～10^-5量級之間，從而使得光波經過不同的錐體參數的光纖錐時呈現不同的偏振特性，由于拉錐光纖的幾何尺寸比單模光纖要小很多，導致光纖的非線性系數增強。

鎖模器9為材料飽和吸收體鎖模器，為具有光學飽和吸收效應的石墨烯，其作用是基于光學飽和吸收效應在激光器中產生自啟動光脈沖，光學飽和吸收鎖模器可以通過物理超聲分散做成光學薄膜或通過熱泳法將光學飽和吸收材料沉積在光纖端面上而制得；鎖模器9也可以用類飽和吸收體鎖模器，采用兩個偏振控制器之間放置一個偏振敏感的光纖隔離器6的組合方式，其物理功能是產生類飽和吸收作用，即光波在激光器中運轉時因光波偏振態(tài)演化與強度有關表現為光波演化的非線性偏振旋轉現象，偏振敏感的光纖隔離器6作為偏振光波強度的甄別器可以實現對特定偏振態(tài)光波的飽和吸收作用，從而在激光器中產生自啟動脈沖，這樣，兩個偏振控制器之間放置一個偏振敏感的光纖隔離器6的組合就形成了等效的鎖模器9，此時激光器中的材料鎖模器可以去掉或保留，但如果光纖隔離器6為偏振非敏感型的，與兩個偏振控制器則不能構成類飽和吸收效應，激光器中的材料鎖模器一定要存在。

使用本實施例的復合腔光纖激光器進行異種脈沖格式間相干調制時，包括以下步驟：

S1、將增益光纖的非錐體端面與單模光纖的打磨端面進行空間準直對接使通光效率大于62％，使主腔與子腔4具有相當的增益競爭能力，兩腔能同時起振，再進行溶膠粘貼固化以形成穩(wěn)定的子腔4；

S2、旋轉第一偏振控制器7a和第二偏振控制器7b中手柄角度與手柄的擠壓強度，并調節(jié)抽運功率使主腔與子腔4的激光脈沖具有相同的波長，從而使異種脈沖格式產生共振相互作用；

S3、改變光纖錐錐體重疊區(qū)長度和錐體緩度來改變子腔產生的脈沖參數使子腔產生的控制脈沖對主腔產生的信號脈沖進行動態(tài)控制。

其中，主腔的脈沖產生機制是基于NPR的類飽和吸收效應，而子腔4的脈沖產生機制是增益濾波與非線性效應的聯(lián)合作用形成的類飽和吸收效應，主腔和子腔基于各自獨立的脈沖產生機制分別產生不同的脈沖格式，而選擇不同接入的子腔4(即選擇不同的子腔4中增益光纖錐的錐體緩度、和錐體耦合長度)可獲得物理參數不同的子腔脈沖；

調節(jié)偏振控制器可以改變激光器內的偏振設置，使得主腔與子腔4各自產生的異種脈沖格式在時域上產生重疊、在頻域上具有相同的波長。當主腔和子腔4產生的不同脈沖格式在激光器中運轉時存在著穩(wěn)定的時域重疊時，基于非線性效應異種脈沖就存在著直接的相干作用，這種異種脈沖之間的相干作用與光場控制是通過改變抽運光源的功率而動態(tài)可調的，當異種脈沖格式具有相同的波長和相同的相位差時，異種脈沖格式之間的相互作用將處于共振相干狀態(tài)，這樣，子腔4產生的脈沖格式就對主腔產生的另一脈沖格式進行相干調制與光場控制。

實施例2

如圖2所示，與實施例1的不同之處在于，Fabry–Pérot子腔內的增益光纖為一體型增益光纖錐3b，一體型拉錐增益光纖3b是將一根增益光纖加熱通過拉錐系統(tǒng)使光纖在拉錐過程中間段芯徑變小但未拉斷而制成，光纖錐芯徑為20～80μm，一體型拉錐增益光纖3b相比倏逝波型拉錐增益光纖3a其制備工藝相對簡單且損耗小，無需對拉錐光纖錐對進行空間錯位耦合，但一體化型增益光纖錐子腔同樣具有增強的非線性、偏振效應以及濾波效應。

使用本實施例的復合腔光纖激光器進行異種脈沖格式間相干調制時的步驟與實施例1相同。

實施例3

如圖3所示，復合腔光纖激光器，包括主腔和內嵌于主腔內的子腔4，主腔包括抽運光源1、波分復用器2、增益光纖、光纖耦合器8和偏振控制器，增益光纖為帶有平面光纖端面的拉錐增益光纖且設于子腔4內，主腔與子腔4共用增益光纖，主腔為線形腔且子腔4內還設有半導體飽和吸收鏡11，半導體飽和吸收鏡11與增益光纖的非拉錐端粘貼連接，光纖耦合器8為X型，光纖耦合器8的兩個輸出端連接形成一個閉環(huán)，一個輸入端作為整個的激光器輸出端10，另一個輸入端與波分復用器2的抽運信號端連接，波分復用器2的合波端依次連接偏振控制器和子腔腔鏡，增益光纖為倏逝波型拉錐增益光纖3a(或一體型拉錐增益光纖3b)。

其中，光纖耦合器8的分光比為90:10～60:40，半導體飽和吸收鏡11為主腔和子腔4的共同腔鏡，半導體飽和吸收鏡11與光纖耦合器8分別構成主腔的兩個腔鏡，半導體飽和吸收鏡11和平面光纖端面分別構成Fabry–Pérot子腔的第一腔鏡5a和第二腔鏡5b，第一腔鏡5a和第二腔鏡5b的光反射率為20％～40％，此外，半導體飽和吸收鏡11還作為鎖模器使得激光器產生自啟動脈沖。

使用本實施例的復合腔光纖激光器進行異種脈沖格式間相干調制時的步驟與實施例1相同。

以上所述的僅是本實用新型的一些實施方式。對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。