CN103151683A - 一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于：包括有顺次连接泵浦源1、用于将泵浦光和反射光耦合进光路的波分复用器2、用于产生激光所需的反转粒子数的增益光纤3、用于控制激光重复频率的非增益光纤4、用于改变激光偏振态的偏振控制器5以及用于将激光分成两束的偏振分束器6，所述偏振分束器6一激光输出端连接用于产生非线性饱和吸收来实现锁模自启动的可饱和吸收体7，偏振分束器6另一激光输出端为保偏输出端，所述可饱和吸收体7的反射光经偏振分束器6进入波分复用器2中，本发明装置具有锁模脉冲序列更稳定，抗干扰能力更强，激光器能长期稳定运行等优点，实现不同重复频率和中心波长的脉冲激光输出。

Description

一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器

[技术领域]

本发明涉及偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器

[背景技术]

由于光纤激光器具有增益特性好、输出光束质量好、体积小、使用灵活、与光纤通信系统连接方便等特点，使得光纤脉冲激光器在众多领域已经得到了广泛应用。目前光纤脉冲激光器常用的锁模方式有偏振旋转锁模和可饱和吸收锁模，但是都存在一定缺陷，偏振旋转锁模的锁模阈值高，而且光纤质量轻易受外界干扰，机械振动会导致偏振旋转锁模不稳甚至消失，得到的脉冲没有长期稳定性，脉冲序列的调制也相当大，不能自启动；可饱和吸收锁模可以实现锁模自启动，但是得到的脉冲易分裂、高噪声，且长时间锁模脉冲会对可饱和吸收体造成损伤。实验中一般都是采用加防护罩和使用减震平台等等方式来降低各种噪声带来的影响，但是在实际应用中并不可行，特别是在工业激光应用领域，剧烈震动是不可避免的，通过这些措施并不能消除干扰。

保偏光输出也成为光纤激光器研究的重点，光纤通信外调制、光纤陀螺、传感等都对激光器的偏振特性有严格要求，要求其有单偏振输出。一般采用非保偏光纤制成的激光器，能够得到较稳的功率输出，但激光的偏振态紊乱，简单地加入起偏器会使激光器的输出功率不稳定，而且偏振特性也得不到改善。实现单偏振输出最简单的方法是采用保偏光纤制作激光器，但由于保偏掺杂光纤价格昂贵，而且技术还不够成熟，不能满足应用要求，使其应用受到了限制。

影响光纤激光器发展的另一个因素就是泵浦功率，一般来说，低功率泵浦的激光器可以极大地降低整体器件的成本，但在低功率泵浦时，启动和维持锁模将变得更加困难，并且影响锁模的长期稳定性。

[发明内容]

本发明克服了上述技术的不足，提供了一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，该发明采用σ腔型结构，用偏振旋转和可饱和吸收联合控制，首先是利用可饱和吸收体能实现锁模自启动，并且降低了锁模阈值，稳定性好，它的吸收响应时间可以控制脉冲宽度；然后偏振旋转可以抑制脉冲分裂，降低锁模噪声，两者同时锁模得到的锁模脉冲序列更稳定，抗干扰能力更强，并且激光器能长期稳定运行；最后用偏振分束器实现脉冲激光保偏输出。同时改用不同长度的光纤，以及不同型号的增益光纤、偏振分束器和可饱和吸收体，可以实现不同重复频率和中心波长的脉冲激光输出。采用光纤封装的偏振分束器和可饱和吸收体，可以做成全光纤的激光器。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，包括有顺次连接泵浦源1、用于将泵浦光和反射光耦合进光路的波分复用器2、用于产生激光所需的反转粒子数的增益光纤3、用于控制激光重复频率的非增益光纤4、用于改变激光偏振态的偏振控制器5以及用于将激光分成两束的偏振分束器6，所述偏振分束器6一激光输出端连接用于产生非线性饱和吸收来实现锁模自启动的可饱和吸收体7，偏振分束器6另一激光输出端为保偏输出端，所述可饱和吸收体7的反射光经偏振分束器6进入波分复用器2中。

所述偏振分束器6与可饱和吸收体7之间依次设有λ/4波片和微透镜。

所述偏振控制器5与偏振分束器6之间设有光准直器。

所述偏振控制器5与光直准器之间设有光隔离器。

所述偏振分束器6与波分复用器2之间设有光准直器。

所述偏振分束器6与可饱和吸收体7之间设有偏振控制器。

所述偏振控制器5与偏振分束器6之间设有光隔离器.

所述增益光纤3为单模、多模光纤、双包层或光子晶体，所述非增益光纤4也为单模、多模光纤、双包层或光子晶体。

所述偏振分束器6为空间偏振分束器或2×2全光偏振分束器。

所述饱和吸收体7为半导体可饱和吸收反射镜、涂覆有饱和吸收材料的反射镜或掺杂具有饱和吸收特性离子的反射镜。

本发明的有益效果是：

1、本发明可实现偏振态稳定控制的锁模光纤激光器，可形成稳定的锁模自启动，不需要人工调校，使用方便，适合满足工业激光的应用；其输出的脉冲是偏振态实现自稳定控制，而且是常规非保偏光纤中实现稳定的保偏输出，有利脉冲压缩、调控、非线性频率变换、非线性光学成像等一系列实际应用。

2、本发明利用光纤激光腔内非线性偏振旋转控制产生等效的快速非线性饱和效应，降低光纤激光腔内饱和吸收的阈值，获得超低阈值的锁模自启动，克服常规被动锁模光纤激光中脉冲涨落或长期光照射饱和吸收体，如半导体可饱和吸收反射镜（SESAM）等，而不可避免地产生的光损伤，增加锁模光纤激光的长期稳定性和使用寿命。

3、本发明利于控制光纤偏振非线性旋转以钳制光纤激光腔内峰值功率，降低被动锁模的脉冲涨落，克服常规的非线性偏振旋转锁模易受外界干扰等缺陷，获得稳定的锁模超短脉冲激光，也利于克服脉冲涨落对SESAM反射镜可能的损伤。

4、本发明在低泵浦阈值下锁模自启动，可克服光纤腔内非线性效应可能诱导的光谱畸变，输出无光谱畸变的高斯型光谱；也可克服光纤非线性B积分对脉冲宽度的影响，输出脉冲易于压缩，得到脉冲对比度高且无旁瓣的飞秒脉冲；锁模阈值低可以极大地降低激光腔内的高阶非线性效应及强度－相位噪声。

5、本发明所涉及的偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，兼容锁模光纤激光脉冲时间频谱特性的多种调控方法，如调谐泵浦光功率、控制光纤腔内偏振状态、控制光纤激光腔长度等。

[附图说明]

图1为本发明的原理结构图；

图2为本发明实施例一半空间半光纤激光器结构示意图；

图3为本发明实施例二全光纤激光器结构示意图。

[具体实施方式]

下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：

如图1所示，一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于：包括有顺次连接泵浦源1、用于将泵浦光和反射光耦合进光路的波分复用器2、用于产生激光所需的反转粒子数的增益光纤3、用于控制激光重复频率的非增益光纤4、用于改变激光偏振态的偏振控制器5以及用于将激光分成两束的偏振分束器6，所述偏振分束器6一激光输出端连接用于产生非线性饱和吸收来实现锁模自启动的可饱和吸收体7，偏振分束器6另一激光输出端为保偏输出端，所述可饱和吸收体7的反射光经偏振分束器6进入波分复用器2中。

实施例一：

如图2所示，所述偏振分束器6与可饱和吸收体7之间依次设有λ/4波片和微透镜。

所述偏振控制器5与偏振分束器6之间设有光准直器。

所述偏振控制器5与光准直器之间设有光隔离器。

所述偏振分束器6与波分复用器2之间设有光准直器。

如上所述本实施例为半空间半光纤激光器结构，采用图2所示的σ腔结构，利用可饱和吸收镜和偏振旋转来实现锁模。

本实施例采用波长为980nm的半导体激光器进行正向泵浦，通过波分复用器耦合进光路，为了充分吸收，采用高掺杂的掺镱光纤做为增益介质。从掺镱光纤出来的光进入HI1060的单模光纤，这里单模光纤用于控制重复频率，由f＝c/nL可知，其中f为重复频率，c为光速，n为光纤折射率，L为光腔长度，改变激光器的腔长，可以实现不同重复频率脉冲输出。经单模光纤后光进入偏振控制器，改变激光的偏振态。然后光通过一个波长为1040nm的光隔离器，确保光的单向运行。光准直器让光纤光变成空间光，所用光准直器的中心波长为1040nm，耦合距离为300mm。空间光经过一个中心波长在1040nm的空间偏振分束器分为竖直偏振和水平偏振两束光，一束光用于输出，另一束光经过一个波长为1040nm的λ/4玻片，偏振方向改变45度，然后通过微透镜把聚焦在可饱和吸收体上。所用可饱和吸收体中心波长为1040nm，调制深度为40，时间延迟为7ps。通过可饱和吸收体反射回来的光再次经过1040nm的λ/4的玻片出射，光偏振方向再改变45度，原来的水平偏振光变为竖直偏振的光，再次经过偏振分束器时发生反射。再用配对的光准直器将空间光耦合进腔内。这里光准直器到可饱和吸收体的距离约为150mm，往返一次刚好满足一对可饱和吸收体的耦合距离，所用光准直器的耦合效率为70%。耦合入腔内的光进入波分复用器形成环形腔。

实施例二：

如图3所示，所述偏振分束器6与可饱和吸收体7之间设有偏振控制器。

所述偏振控制器5与偏振分束器6之间设有光隔离器.

如上所述，本实施例为全光纤激光器结构，采用图3所示的σ腔结构，利用可饱和吸收镜和偏振旋转来实现锁模。

本实施例采用波长为980nm的半导体激光器进行正向泵浦，通过波分复用器耦合进光路，为了充分吸收，采用高掺杂的掺镱光纤做为增益介质。单模光纤用于控制重复频率，其长度根据实际所需脉冲重复频率而定。偏振控制器用来改变激光的偏振态。然后光通过一个波长为1040nm的光隔离器，确保光的单向运行。经隔离器出来的光接入中心波长为1040nm的光纤偏振分束器，其中光纤偏振分束器一相邻两端为单模光纤，用于连接隔离器和波分复用器，用于腔内循环；另外两端为保偏光纤，用于输出和连接光纤可饱和吸收体，所用可饱和吸收体中心波长为1040nm。

实施例三：

本实施例为中心波长的控制，在图2和图3中保持激光器腔型结构不变，利用可饱和吸收镜和偏振旋转来实现锁模。

本实施例采用波长为980nm的半导体激光器进行正向泵浦，用波分复用器将泵浦光耦合进光路，采用高掺杂的掺铒光纤做为增益介质，用中心波长1550nm单模光纤控制脉冲的重复频率。经单模光纤后光进入偏振控制器，改变激光的偏振态。然后光再通过一个波长为1550nm的光隔离器，确保光的单向运行，图2中将光准直器、λ/4玻片、空间偏振分束器以及可饱和吸收体的中心波长换为1550nm，实现半空间半光纤中心波长在1550nm的脉冲激光输出；图3中将光纤偏振分束器和可饱和吸收体换成中心波长1550nm即可，则实现全光纤上网中心波长在1550nm的脉冲激光输出。

所述增益光纤（3）为单模、多模光纤、双包层或光子晶体，所述非增益光纤（4）也为单模、多模光纤、双包层或光子晶体。

如上所述，通过改变增益光纤的类型以及非增益光纤的类型，实现不同中心波长脉冲激光的输出。

所述偏振分束器6为空间偏振分束器或2×2全光偏振分束器。

如上所述，通过改变偏振分束器的类型来实现光纤激光腔内偏振态非线性饱和吸控的制收。

所述饱和吸收体7为半导体可饱和吸收反射镜、涂覆有饱和吸收材料的反射镜、掺杂具有饱和吸收特性离子的反射镜，或与可饱和材料的结合的光纤Bragg光栅反射镜。

如上所述，通过改变饱和吸收体的类型来实现不同中心波长脉冲激光的输出。

Claims (10)

1.一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于：包括有顺次连接泵浦源（1）、用于将泵浦光和反射光耦合进光路的波分复用器（2）、用于产生激光所需的反转粒子数的增益光纤（3）、用于控制激光重复频率的非增益光纤（4）、用于改变激光偏振态的偏振控制器（5）以及用于将激光分成两束的偏振分束器（6），所述偏振分束器（6）一激光输出端连接用于产生非线性饱和吸收来实现锁模自启动的可饱和吸收体（7），偏振分束器（6）另一激光输出端为保偏输出端，所述可饱和吸收体（7）的反射光经偏振分束器（6）进入波分复用器（2）中。 

2.根据权利要求1所述的一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于所述偏振分束器（6）与可饱和吸收体（7）之间依次设有 

/4波片和微透镜。 

3.根据权利要求2所述的一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于所述偏振控制器（5）与偏振分束器（6）之间设有光准直器。 

4.根据权利要求3所述的一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于所述偏振控制器（5）与光准直器之间设有光隔离器。 

5.根据权利要求4所述的一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于所述偏振分束器（6）与波分复用器（2）之间设有光准直器。 

6.根据权利要求1所述的一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于所述偏振分束器（6）与可饱和吸收体（7）之间设有偏振控制器。 

7.根据权利要求6所述的一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于所述偏振控制器（5）与偏振分束器（6）之间设有光隔离器。 

8.根据权利要求1所述的一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于所述增益光纤（3）为单模、多模光纤、双包层或光子晶体，所述非增益光纤（4）也为单模、多模光纤、双包层或光子晶体。 

9.根据权利要求1所述的一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于所述偏振分束器（6）为空间偏振分束器或2×2全光偏振分束器。 

10.根据权利要求1所述的一种偏振态稳定控制的自启动锁模光纤激光器，其特征在于所述饱和吸收体（7）为半导体可饱和吸收反射镜、涂覆有饱和吸收材料的反射镜或掺杂具有饱和吸收特性离子的反射镜。 

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