CN110350387A - 一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器，涉及光纤激光技术。光纤分束器、第二泵浦源、第二保偏增益光纤构成非线性放大环形镜；分束器将脉冲分成两束光，分别逆时针和顺时针传输再回到分束器上发生干涉，非线性放大环形镜在锁模光纤激光器中起到快可饱和吸收体作用实现锁模；再通过功率预放大、主功率放大和色散补偿实现低重复频率高单脉冲能量的超短脉冲输出。该结构大大降低了锁模启动的阈值，降低了重复频率，简化了激光器系统同时提高了整体的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光技术，尤其涉及一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器。
背景技术
日益增长的高精度微加工市场的需求对激光器脉冲的峰值功率和重复频率提出了更高的要求，纳秒脉冲激光器一般无法满足精细加工的要求。成本低、稳定性高、高增益放大的超短脉冲光纤激光器引起人们的广泛关注。这些优点对于工业材料加工激光器来说尤为重要。在过去工作在皮秒或者飞秒区域的低重复频率，高单脉冲能量的大功率激光器大多是锁模系统通过声光调制器或者电光调制器进行脉冲选择降低重复频率，放大后用于高精度微加工。通常锁模振荡器与脉冲选择器相结合并且经过再生放大器，这样往往导致系统体积庞大，复杂度高，价格昂贵、系统稳定性差。以工业为代表的这些领域对超快激光器在不同环境下，运转的稳定性提出了更高的要求，而工业级超快激光器尤其是种子源的稳定性和可靠性始终没有得到很好的解决。利用光纤技术取代固体的种子源技术本身就有诸多的优点，在光纤技术中利用全保偏光纤的激光器更是被认为是能够抵抗环境变换的有效方法。
目前全保偏光纤锁模激光器的锁模机制主要有非线性环路反射镜、可饱和吸收体。可饱和吸收体中半导体可饱和吸收体有寿命，容易损坏；其他碳基可饱和吸收体，例如碳纳米管、石墨烯等，在自然环境下很容易劣化、失去锁模启动功能。Claude Aguergaray等人于2012年在Optics Express上发表的《Mode-locked femtosecond all-normalall-PMYb-doped fiber laser using anonlinear amplifying loop mirror》论文报导全保偏非线性环路反射镜锁模激光器。非线性环路反射镜构成的8字型锁模光纤激光器可以利用全保偏光纤结构进行锁模，但是目前所有该方式锁模的光纤激光器的重复频率都在兆赫兹量级以上，难以实现百kHz量级重复频率，皮秒或飞秒量级脉冲宽度的光纤激光器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
为了直接获得百kHz重复频率高单脉冲能量的，自启动性良好和长期稳定锁模的脉冲激光，本发明提出了一种低重复频率单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所述低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器包括：第一波分复用器、第二波分复用器、第一泵浦源、第二泵浦源、第一保偏增益光纤、第二保偏增益光纤、带通滤波器、光纤耦合器、光纤分束器、光纤隔离器、小功率光放大器、主功率光放大器和色散补偿装置；其中，光纤分束器为2´2分束器，包括第一至第四端口；第一波分复用器和第二波分复用器均有三个端口，分别为信号输入端口、泵浦端口、公共端口；所述光纤耦合器有公共端口、第一输出端口和第二输出端口三个端口；
所述第一泵浦源与所述第一波分复用器的泵浦端口连接；所述第一保偏增益光纤的一端与第一波分复用器公共端连接，另一端与所述光纤隔离器的输入端连接；隔离器输出端口与所述分束器第一端口连接；所述分束器第二端口与光纤耦合器公共端口连接，第三端口与所述第二波分复用器信号输入端连接，第四端口与所述第二保偏增益光纤的一端连接；所述第二泵浦源与第二波分复用器的泵浦端连接；第二波分复用器的公共端与第二保偏增益光纤的另一端连接。所述带通滤波器的一端与光纤耦合器的第一输出端口连接，另一端与第一波分复用器的信号输入端口连接；脉冲激光从光纤耦合器第二输出端口输出，入射至所述小功率光放大器，再进入所述主功率放大器；脉冲激光最后通过色散补偿装置进行脉冲压缩后输出。
如前所述的一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，包含百米量级保偏光纤，设置在带通滤波器与第一波分复用器之间，用以降低激光器重复频率。
如前所述的一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，所用的保偏光纤采用保偏单模光纤、大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤和保偏光子晶体光纤中的一种或多种。
如前所述的一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，所述色散补偿装置采用棱镜对、光栅对、啁啾镜对中的一种或多种。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所述的低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器， 振荡器中包含百米量级保偏光纤，脉冲重复频率小于1MHz，脉冲光谱宽度大于5nm，压缩后脉冲宽度能够达到皮秒或飞秒量级；
本发明的光纤激光器可得到自启动的锁模激光脉冲列，且脉冲列的特性不受外界环境的干扰；采用全保偏光纤结构同时提高了整体的稳定性和可靠性；
本发明所述激光器振荡腔内包含两个波分复用器、两根增益光纤和两个泵浦源，直接输出百kHz量级重复频率脉冲，大大简化了低重复频率高单脉冲能量锁模光纤激光器的系统。
附图说明
图1是本发明实施例一的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中，将第一泵浦源与所述第一波分复用器的泵浦端口连接；将百米量级保偏光纤的一端与第一波分复用器的信号输入端口连接；第一保偏增益光纤的一端与第一波分复用器公共端连接，另一端与光纤隔离器的输入端连接；隔离器输出端口与分束器第一端口连接；分束器第二端口与光纤耦合器公共端口连接，第三端口与第二波分复用器信号输入端连接，第四端口与所述第二保偏增益光纤的一端连接；第二泵浦源与第二波分复用器的泵浦端连接；第二波分复用器的公共端与第二保偏增益光纤的另一端连接。带通滤波器的一端与光纤耦合器的第一输出端口连接，另一端与百米量级保偏光纤连接；
通过第一波分复用器和第二波分复用器将泵浦源激光耦合到腔内，将泵浦功率提高到光纤激光器阈值之上，使激光器发生振荡；
激光器中的振荡形成随机小脉冲；
激光脉冲通过隔离器输入至光纤分束器的第一端口，连接第一和第二端口的保偏光纤中的倏逝波耦合进连接第三和第四端口的保偏光纤中，从而从第三和第四端口输出；从第三端口输出的脉冲通过第二泵浦源、第二波分复用器和第二增益光纤构成的光纤放大器放大后进入第四端口；从第四端口输出的激光脉冲通过第二增益光纤、第二波分复用器和第二泵浦源构成的光纤放大器放大后进入第三端口；光纤分束器将第一端口的入射激光分成两个相向传播的光，放大器在环内的非对称下获得非对称相位差，再回到分束器进行干涉从第二端口输出进入光纤耦合器；光纤耦合器将激光分束后，一部分激光通过第一端口入射至带通滤波器和百米量级保偏光纤，入射至第一波分复用器中，通过第一泵浦源和第一保偏增益光纤放大后入射到光纤隔离器中构成整个激光器的振荡回路；另一部分激光从光纤耦合器第二端口输出。光纤分束器、第二泵浦源、第二波分复用器、第二保偏增益光纤构成非线性放大环形镜，非线性放大环形镜在锁模光纤激光器中起到快可饱和吸收体作用，脉冲的透射率与非线性放大环形镜中两束光非线性相移量有关，透射率是两束光的相移差的函数，引入相移偏置相移量越大透射率越高，相移量越低透射越低，脉冲的中心部分强，在非线性放大环形镜中产生的相移量大，所以透射高，脉冲更加容易形成振荡，从而使得非线性放大环形镜实现快可饱和吸收体的作用，实现激光器锁模，形成超短脉冲输出。将光纤耦合器第二端口输出的激光通过小功率光放大器进行预防大，接着通过主功率放大器进行放大，将单脉冲能量放大至大于10微焦量级，再通过色散补偿装置进行脉冲压缩，最终实现低重复频率高单脉冲能量的皮秒或飞秒脉冲输出。
本发明的光纤激光器可得到自启动的锁模激光脉冲列，且脉冲列的特性不受外界环境的干扰；可利用非线性偏振旋转锁模光纤激光器中能用到的所有脉冲形成机制，包括孤子、自相似、全正色散和放大自相似等。脉冲重复频率小于1MHz，脉冲光谱宽度大于5nm，压缩后脉冲宽度能够达到皮秒或飞秒量级。空间色散补偿装置例如棱镜对、光栅对、啁啾镜对等。
保偏光纤采用保偏单模光纤、大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤和保偏光子晶体光纤中的一种或多种，通过改变光纤长度改变激光器重复频率。
实施例一
如图1所示，本实施例中，低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤激光器包括：第一波分复用器1、第二波分复用器7、第一泵浦源2、第二泵浦源8、第一保偏增益光纤11、第二保偏增益光纤6、百米量级保偏光纤3、带通滤波器4、光纤耦合器5、光纤分束器9、光纤隔离器10、小功率光放大器12、主功率光放大器13、色散补偿装置14；其中，光纤分束器9为2´2分束器，包括第一至第四端口；第一波分复用器1和第二波分复用器7均有三个端口，分别为信号输入端口、泵浦端口、公共端口；光纤耦合器5有公共端口、第一输出端口和第二输出端口三个端口；第一泵浦源2与第一波分复用器1的泵浦端口连接；百米量级保偏光纤3与第一波分复用器1的信号输入端口连接；第一保偏增益光纤11的一端与第一波分复用器1公共端连接，第一保偏增益光纤11的另一端与光纤隔离器10的输入端连接；隔离器10输出端口与分束器9第一端口连接；分束器9第二端口与光纤耦合器5公共端口连接，第三端口与第二波分复用器7信号输入端连接，第四端口与第二保偏增益光纤6的一端连接；第二泵浦源8与第二波分复用器7的泵浦端连接；第二波分复用器7的公共端与第二保偏增益光纤6的另一端连接。带通滤波器4的一端与光纤耦合器5的第一输出端口连接，带通滤波器4的另一端与百米量级保偏光纤3连接；
通过第一波分复用器1和第二波分复用器7将泵浦源激光耦合到腔内，将泵浦功率提高到光纤激光器阈值之上，使激光器发生振荡；激光器中的振荡形成随机小脉冲；激光脉冲通过隔离器10传输进入光纤分束器9的第一端口，连接第一端口和第二端口的保偏光纤中的倏逝波耦合进连接第三端口和第四端口的保偏光纤中，从而从第三端口和第四端口输出；从第三端口输出的脉冲通过第二泵浦源8、第二波分复用器7和第二保偏增益光纤6构成的光纤放大器放大后进入第四端口；从第四端口输出的激光脉冲通过第二保偏增益光纤6、第二波分复用器7和第二泵浦源8构成的光纤放大器放大后进入第三端口；光纤分束器9将第一端口的入射激光分成两个相向传播的光，放大器在环内的非对称下获得非对称相位差，再回到分束器9进行干涉从第二端口输出进入光纤耦合器5；光纤耦合器5将激光分束后，一部分激光通过第一端口入射至带通滤波器4和百米量级保偏光纤3，入射至第一波分复用器1中，通过第一泵浦源2和第一保偏增益光纤11放大后入射到光纤隔离器10中构成整个激光器的振荡回路；另一部分激光从光纤耦合器5第二端口输出。光纤分束器9、第二泵浦源8、第二波分复用器7、第二保偏增益光纤6构成非线性放大环形镜，非线性放大环形镜在锁模光纤激光器中起到快可饱和吸收体作用，脉冲的透射率与非线性放大环形镜中两束光非线性相移量有关，透射率是两束光的相移差的函数，引入相移偏置相移量越大透射率越高，相移量越低透射越低，脉冲的中心部分强，在非线性放大环形镜中产生的相移量大，所以透射高，脉冲更加容易形成振荡，从而使得非线性放大环形镜实现快可饱和吸收体的作用，实现激光器锁模，形成超短脉冲输出。将光纤耦合器5第二端口输出的激光通过小功率光放大器12进行预放大，接着通过主功率放大器13进行放大，将单脉冲能量放大至大于10微焦量级，再通过色散补偿装置14进行脉冲压缩，最终实现低重复频率高单脉冲能量的飞秒或皮秒脉冲输出。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所述低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器包括：第一波分复用器、第二波分复用器、第一泵浦源、第二泵浦源、第一保偏增益光纤、第二保偏增益光纤、带通滤波器、光纤耦合器、光纤分束器、光纤隔离器、小功率光放大器、主功率光放大器和色散补偿装置；其中，光纤分束器为2´2分束器，包括第一至第四端口；第一波分复用器和第二波分复用器均有三个端口，分别为信号输入端口、泵浦端口、公共端口；所述光纤耦合器有公共端口、第一输出端口和第二输出端口三个端口；
所述第一泵浦源与所述第一波分复用器的泵浦端口连接；所述第一保偏增益光纤的一端与第一波分复用器公共端连接，另一端与所述光纤隔离器的输入端连接；隔离器输出端口与所述分束器第一端口连接；所述分束器第二端口与光纤耦合器公共端口连接，第三端口与所述第二波分复用器信号输入端连接，第四端口与所述第二保偏增益光纤的一端连接；所述第二泵浦源与第二波分复用器的泵浦端连接；第二波分复用器的公共端与第二保偏增益光纤的另一端连接；
所述带通滤波器的一端与光纤耦合器的第一输出端口连接，另一端与第一波分复用器的信号输入端口连接；脉冲激光从光纤耦合器第二输出端口输出，入射至所述小功率光放大器，再进入所述主功率放大器；脉冲激光最后通过色散补偿装置进行脉冲压缩后输出。
2.如权利要求1所述的一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，包含百米量级保偏光纤，设置在带通滤波器与第一波分复用器之间，用以降低激光器重复频率。
3.如权利要求1所述的一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所用的保偏光纤采用保偏单模光纤、大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤和保偏光子晶体光纤中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的一种低重复频率高单脉冲能量的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所述色散补偿装置采用棱镜对、光栅对、啁啾镜对中的一种或多种。
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