CN103972779A - 偏振合束非线性旋转锁模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振合束非线性旋转锁模方法，该方法采用非线性偏振旋转锁模，激光腔内形成的锁模脉冲先经过脉冲偏振分离进行脉冲分离展宽，分离后得到的低峰值功率的脉冲经过增益介质进行放大，放大之后的脉冲经法拉第镜旋转镜反射后返回进行第二次放大，再进行脉冲合束，得到高峰值功率的脉冲；脉冲在激光腔内数次往返放大，得到高能量的激光脉冲经过耦合输出器件输出。本发明能够得到稳定输出的高能量锁模脉冲。

Description

偏振合束非线性旋转锁模方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种偏振合束非线性旋转锁模的方法。

背景技术

锁模脉冲激光器由于其种种优点，例如输出的脉宽窄、峰值功率高、光谱范围宽等等，广泛应用于信息处理、通信、激光光谱、互联网及光全息技术等领域。获得超短脉冲锁模激光的方式很多，常见的包括可饱和吸收体技术锁模和非线性偏振旋转锁模等。可饱和吸收锁模结构简单，能自锁模，但是得到的脉冲容易分裂而且噪声高，并且可饱和吸收体不能承受过高的峰值功率，长时间的锁模也会对可饱和吸收体造成损伤。采用非线性偏振旋转锁模技术的锁模脉冲激光器，由于光的非线性效应，锁模的稳定性较差，易受环境影响；激光脉冲放大在增益介质中进行，导致脉冲容易分裂以及调制不稳定性，极易受到高阶非线性效应的影响，不利于获得非常干净压缩脉冲，输出脉冲的主峰通常伴有较大的傍瓣脉冲；在增益介质中放大的激光模式的偏振方向不确定，激光腔内模式的控制非常困难，而不同偏振模式相互竞争通常带来额外的增益噪声，偏振随环境干扰的随机抖动很难控制，输出激光脉冲的稳定性一般难以提高，相应的时域-频域噪声较大，输出脉冲的载波包络相位偏移较大；受限于激光增益介质的损伤阈值，得到的锁模激光脉冲的能量有限；锁模激光脉冲相对于连续背景光时域占空比通常比较低，在增益介质中易于受到放大自发辐射连续光的影响，获得的脉冲对比度一般不高。由于上述这些因素的存在，制约了非线性偏振旋转锁模激光器的发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题而提供的一种偏振合束非线性旋转锁模的方法，该方法可以得到稳定输出的高能量锁模脉冲。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种偏振合束非线性旋转锁模方法，该方法采用非线性偏振旋转锁模，激光腔内形成的锁模脉冲先经过脉冲偏振分离合束进行脉冲分离展宽，分离后得到的低峰值功率的脉冲经过增益物质进行放大，放大之后的脉冲经法拉第镜旋转镜反射后返回进行第二次放大，再进行脉冲合束，得到高峰值功率的脉冲；脉冲在激光腔内数次往返放大，得到高能量的激光脉冲后通过耦合输出器件输出。

所述分离展宽采用双折射晶体、偏振分束单元或者两者的组合将单个高峰值功率的脉冲分离成多个低峰值功率的脉冲。

所述双折射晶体以任意角度切，采用两块对称排列的双折射晶体作为一个脉冲展宽压缩单元。

所述双折射晶体为钒酸钇晶体、铌酸锂晶体组、碳酸钙晶体或二氧化钛晶体。

所述双折射晶体单元的长度依次成倍增长排列，即第二个双折射晶体单元的长度为第一个双折射晶体单元长度的两倍，第三个双折射晶体单元的长度为第二个双折射晶体单元长度的两倍，依次类推；其后一晶体单元的晶轴与光线夹角相对前一晶体单元旋转45度。

所述偏振分束单元是由两块对称摆放的偏振分束镜和下部锥形石英晶体构成，其纵向长度依次成倍增长排列，即第二单元的纵向长度为第一单元纵向长度的两倍，第三单元的纵向长度为第二单元纵向长度的两倍，依次类推；其后一单元与前一单元纵向呈45度角摆放。

所述增益介质为固体激光器工作物质或者掺杂光纤；所述固体激光器工作物质为钛蓝宝石、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）或掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）；所述掺杂光纤为掺杂一种或多种稀土元素的单模光纤或者大芯径多模光纤、双包层光纤或光子晶体光纤。

所述法拉第旋转镜为空间结构或者光纤结构。

所述偏振分离合束将某一入射偏振光分束二个正交偏振方向，经不同路径传播后合束，不同偏振方向的光束经由不同的延时，产生偏振时域分离。

本发明激光增益和偏振非线性旋转锁模由腔内不同的光学器件完成；在腔内引入偏振分束，不同偏振模式的激光以不同路径经由增益介质，经法拉第反射镜后以正交的偏振模式再次通过增益介质，腔内的偏振分束确保只有一种偏振模式在激光腔内获得最佳增益（最低损耗），完全抑制不同偏振模式的增益竞争以及偏振随机抖动对激光增益的影响。本发明可以得到稳定输出的高能量锁模脉冲。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

⑴、本发明中激光进入增益介质前对脉冲进行展宽，降低其峰值功率，能有效避免损伤增益介质，减低高阶非线性效应的影响。

⑵、本发明中非线性偏振旋转与增益介质分离开，能有效避免脉冲的分裂以及脉冲调制不稳定性。

⑶、本发明采用双折射晶体或者偏振分束器件进行脉冲分离展宽和合束，能够避免高阶啁啾的影响。

⑷、脉冲的展宽量可通过改变晶体单元的纵向结构来精确控制，便于调节。

⑸、激光腔内脉冲经多次偏振多条路径进行放大，克服激光增益介质损伤阈值对锁模激光脉冲能量的限制，能够得到高功率激光脉冲输出。

⑹、本发明能产生皮秒或者飞秒量级的脉冲激光，可有效抑制傍瓣脉冲，压缩获得非常干净的主峰脉冲。

⑺、本发明适用于各种光学波段；本发明激光工作物质可采用晶体、各种稀土元素掺杂的增益光纤、气体以及染料等。

⑻、本发明的激光腔内只有一种偏振模式获得最佳增益（最低损耗），不同偏振模式的增益竞争以及偏振随机抖动对激光增益的影响得以完全抑制。

⑼、本发明除脉冲分离展宽部分，其他可全部使用光纤元件，利于系统的小型化。

⑽、本发明可以按照需求增加泵浦源的个数和功率，提高激光器的输出。

⑾、本发明可利用偏振分束器作为耦合输出器，得到保偏的激光脉冲输出。

⑿、本发明的非线性偏振旋转锁模不易受环境影响，输出激光的稳定性得以提升。

⒀、本发明采用法拉第反射镜和腔内偏振分束免疫环境干扰对腔内激光偏振模式的影响，避免脉冲偏振的随机抖动，控制偏振随机涨落和模式竞争，减低输出脉冲的时域-频域噪声以及载波包络相位偏移。

⒁、本发明激光腔内脉冲偏振分束多路径通过增益介质，脉冲的时域占空比得以提升，有利于降低放大自发辐射连续光的影响，提高输出脉冲对比度。

⒂、本发明的偏振合束非线性偏振旋转锁模阈值可以通过调节偏振旋转反射部分实现有效控制。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为本发明采用双折射晶体分离展宽的一种偏振合束非线性旋转锁模固体激光器的原理图；

图3为图2激光器偏振旋转反射部分的保偏光纤快慢轴布局及调节示意图；

图4为本发明采用偏振分束器分离展宽的一种偏振合束非线性旋转锁模光纤激光器的原理图；

图5为本发明采用双折射晶体和偏振分束器相结合分离展宽的一种偏振合束非线性旋转锁模光纤激光器的原理图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明，以便于更清楚的理解本发明。

参阅图1，本发明采用偏振旋转反射部分100来进行非线性偏振旋转锁模，激光腔内形成的锁模脉冲先经过脉冲偏振分离合束部分200进行脉冲分离展宽，分离后得到的低峰值功率的脉冲经过增益物质302进行放大，放大之后的脉冲经法拉第旋转镜303和反射镜304反射之后返回进行第二次放大，再经脉冲偏振分离合束部分200进行脉冲合束，得到高峰值功率的脉冲。脉冲在腔内多次往返放大，得到高能量的激光脉冲，并通过偏振旋转反射部分100中的耦合输出器件输出。

实施例1

参阅图2，该图是本发明采用双折射晶体分离展宽的一种偏振合束非线性旋转锁模固体激光器的原理图，偏振旋转反射部分100包括偏振分束器101、保偏光纤耦合器103和105、高功率隔离器102、保偏光纤104。所述保偏光纤耦合器103、105的工作波长优选为1064nm，偏振分束器101采用偏振分束镜，保偏光纤耦合器103的慢轴和入射面之间的夹角优选为15度。高功率隔离器102、保偏光纤104的工作波段优选为1064nm。脉冲偏振分离合束部分包括三组长度成倍增长的双折射晶体组201、202和203。双折射晶体组201、202和203采用钒酸钇晶体，晶体的长度依次优选为2cm、4cm、8cm。所述泵浦源301优选为绿光激光器。所述增益介质302优选为钛蓝宝石。所述法拉第旋转镜303为空间结构，工作波长为1064nm。所述反射镜304为1064nm高反镜。

该激光器由保偏光纤104实现非线性偏振旋转锁模。如图3所示，保偏光纤104两端的偏振分束器101和高功率隔离器102分别为输入端和输出端。入射进保偏光纤104的光的偏振方向与保偏光纤104输入端的慢轴方向一致，扭曲光纤输出端，使得保偏光纤104输出端输出的光的偏振方向与偏振分束器101的入射面呈一定的角度。激光经高功率隔离器102端输出，进入偏振分束器101，一部分会透射一部分会反射。透射的那部分进入激光腔，反射的那部分则会作为耦合输出。激光脉冲经钒酸钇晶体单元201、202、203进行脉冲的分离展宽。分离后的激光脉冲经泵浦放大部分进行放大，再经法拉第旋转镜303和高反镜304旋转反射，经放大部分进行再次放大，然后依次经过钒酸钇晶体单元203、202、201，多脉冲合成为一个脉冲。合成后的脉冲经偏振分束器101，反射光通过保偏光纤耦合器105进入保偏光纤104，并从保偏光纤耦合器103输出。高功率隔离器102保证激光脉冲的单向传播。从保偏光纤耦合器103输出的脉冲光通过高功率隔离器102，经偏振分束器101分成偏振方向不同的两束光，透射光返回激光腔形成振荡，耦合输出的反射光则是激光器输出的保偏高功率脉冲激光。

实施例2

参阅图4，该图是本发明采用偏振分束器分离展宽的一种偏振合束非线性旋转锁模光纤激光器的原理图，偏振旋转反射部分包括偏振分束器101、高功率隔离器102、保偏光纤耦合器103、保偏光纤104。所述保偏光纤耦合器103的工作波长优选为1064nm，偏振分束器101采用2×2结构的光纤偏振分束器，工作波段优选为1064nm。保偏光纤104的长度优选为70cm。保偏光纤104输出端和偏振分束器101上端口熔接时慢轴之间的夹角优选为70度。所述高功率隔离器102和保偏光纤104的工作波段优选为1064nm。脉冲偏振分离合束部分包括三组延时成倍增长的偏振分束单元201、202及203。偏振分束单元201、202、203采用偏振分束镜和45度角的锥角反射棱镜。光纤耦合器301工作波长优选为1064nm。掺镱双包层光纤302长度优选为1.5m。泵浦合束器303为（1+2）×1结构。多模半导体激光器304和305的输出功率优选为10w，工作波长优选为976nm。所述光纤法拉第旋转镜306工作波长优选为1064nm。

该激光器由保偏光纤104实现非线性偏振旋转锁模。激光脉冲经偏振分束器单元201、202、203进行脉冲的分离展宽。分离后的激光脉冲经放大部分进行放大，放大采用反向泵浦。激光脉冲通过光纤耦合器301进入掺镱双包层光纤302。掺镱双包层光纤302的末端连接泵浦合束器303的输出端，多模半导体激光器304和305分别连接泵浦合束器303的两个泵浦输入端。泵浦合束器303的输入端连接光纤法拉第旋转镜306。激光脉冲经光纤法拉第旋转镜306反射回来，经放大部分进行再次放大，然后依次经过偏振分束单元203、202、201，多脉冲合成为一个脉冲。合成后的脉冲经光纤耦合器103，反射光进入保偏光纤104，并从偏振分束器101左端输入。高功率隔离器102保证激光脉冲的单向传播。由于慢轴之间的夹角，激光脉冲通过高功率隔离器102，经偏振分束器101分成偏振方向不同的两束光，透射光返回激光腔形成振荡，耦合输出的反射光则是激光器输出的保偏高功率脉冲激光。

实施例3

参阅图5，该图是本发明采用双折射晶体和偏振分束器相结合分离展宽的一种偏振合束非线性旋转锁模光纤激光器的原理图，偏振旋转反射部分包括偏振分束器101、高功率隔离器102、保偏光纤耦合器103、保偏光纤104。所述保偏光纤耦合器103的工作波长优选为1550nm，偏振分束器101采用2×2结构的光纤偏振分束器，工作波段优选为1550nm。保偏光纤104的长度优选为50cm。保偏光纤104输出端和偏振分束器101上端口熔接时慢轴之间的夹角优选为60度。所述高功率隔离器102和保偏光纤104的工作波段优选为1550nm。脉冲偏振分离合束部分包括两组长度成倍增长的双折射晶体组201、202以及两组延时成倍增长的偏振分束单元203、204。双折射晶体组201、202采用钒酸钇晶体，晶体的长度依次优选为3cm、6cm。偏振分束单元203、204采用偏振分束镜和45度角的锥角反射棱镜。光纤耦合器301工作波长优选为1550nm。掺铒光纤302长度优选为1 m。波分复用器303优选为980nm/1550nm。半导体激光器304输出功率优选为200mw，工作波长优选为976nm。所述光纤法拉第旋转镜305工作波长优选为1550nm。

该激光器由保偏光纤104实现非线性偏振旋转锁模。激光脉冲经双折射晶体单元201、202以及偏振分束器单元203、204进行脉冲的分离展宽。分离后的激光脉冲经放大部分进行放大，放大采用反向泵浦。激光脉冲通过光纤耦合器301进入掺铒光纤302。掺铒光纤302的末端连接波分复用器303的1550nm输入端，半导体激光器304连接波分复用器303的980nm输入端。波分复用器303的输出端连接光纤法拉第旋转镜305。激光脉冲经光纤法拉第旋转镜305反射回来，经放大部分进行再次放大，然后依次经过。偏振分束单元204、203和双折射晶体组202、201，多脉冲合成为一个脉冲。合成后的脉冲经光纤耦合器103，反射光进入保偏光纤104，并从偏振分束器101左端输入。高功率隔离器102保证激光脉冲的单向传播。由于慢轴之间的夹角，激光脉冲通过高功率隔离器102，经偏振分束器101分成偏振方向不同的两束光，透射光返回激光腔形成振荡，耦合输出的反射光则是激光器输出的保偏高功率脉冲激光。

Claims (9)

1.一种偏振合束非线性旋转锁模方法，其特征在于该方法采用非线性偏振旋转锁模，激光腔内形成的锁模脉冲先经过脉冲偏振分离进行脉冲分离展宽，分离后得到的低峰值功率的脉冲经过增益介质进行放大，放大之后的脉冲经法拉第镜旋转镜反射后返回进行第二次放大，再进行脉冲合束，得到高峰值功率的脉冲；脉冲在激光腔内数次往返放大，得到高能量的激光脉冲经过耦合输出器件输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述分离展宽采用双折射晶体、偏振分束单元或者两者的组合将单个高峰值功率的脉冲分离展宽成多个低峰值功率的脉冲。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述双折射晶体以任意角度切，采用两块对称排列的双折射晶体作为一个脉冲展宽压缩单元。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述双折射晶体为钒酸钇晶体、铌酸锂晶体组、碳酸钙晶体或二氧化钛晶体。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述双折射晶体单元的长度依次成倍增长排列，即第二个双折射晶体单元的长度为第一个双折射晶体单元长度的两倍，第三个双折射晶体单元的长度为第二个双折射晶体单元长度的两倍，依次类推；其后一个晶体单元的晶轴与光线夹角相对前一个晶体单元旋转45度。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述偏振分束单元是由两块对称摆放的偏振分束镜和下部锥形石英晶体构成，其纵向长度依次成倍增长排列，即第二单元的纵向长度为第一单元纵向长度的两倍，第三单元的纵向长度为第二单元纵向长度的两倍，依次类推；其后一单元与前一单元纵向呈45度角摆放。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述增益介质为固体激光器工作物质或者掺杂光纤；所述固体激光器工作物质为钛蓝宝石、掺钕钇铝石榴石或掺钕钒酸钇；所述掺杂光纤为掺杂一种或多种稀土元素的单模光纤或者大芯径多模光纤、双包层光纤或光子晶体光纤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述法拉第旋转镜为空间结构或者光纤结构。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏振分离合束将某一入射偏振光分束二个正交偏振方向，经不同路径传播后合束，不同偏振方向的光束经由不同的延时，产生偏振时域分离。