CN110690640B - 一种皮秒光纤种子激光源结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种皮秒光纤种子激光源结构，包括激光线型的谐振腔，谐振腔内包含半导体饱和吸收镜、分光器、波分合成器、增益光纤、光纤光栅；波分合成器连接有通过波分合成器把泵浦激光耦合进谐振腔的泵浦激光二极管连接；分光器分别连接有光纤隔离器和保偏光纤隔离器，保偏光纤隔离器连接有作为种子源输出信号端口的前向输出端口，光纤隔离器连接有用于监控与系统内部处理信号输出的后向输出端口。该结构允许使用非保偏（SM）的激光二极管作为泵浦，锁模激光输出的脉冲是线偏振信号，降低生产成本；另外，光束在半导体可饱和吸收镜上的工作点是可以沿直线移动的，通过步进马达实现，使超短脉冲锁模光纤激光器的整体寿命比单点寿命提高20倍以上。

Description

一种皮秒光纤种子激光源结构
技术领域
本发明涉及超短脉冲光纤激光器的技术领域，尤其涉及一种工作波长在一微米区间、工作寿命能达到一万小时以上、激光信号为线偏振的皮秒光纤种子激光源结构。
背景技术
随着激光技术与激光器在工业制造、医疗、通信、国防、科学研究及娱乐等领域中的应用越来越普遍，对激光系统及相关器件的要求也在不断增长。不仅对激光系统及相关器件的数量需求日益增加，对它们的种类、性能、体积、成本等方面的要求也不断提高。
超短脉冲激光、尤其是光纤型超短脉冲激光是激光学科的新领域，近年来逐渐发展出较为成熟的产品。由于超短激光脉冲具有峰值功率极高、几乎无热效应等独特性能，所以超短脉冲激光器在医疗、美容、工业精密加工、生物技术、物理技术、光谱学以及光通讯等领域得到越来越广泛的应用。
早期的超短脉冲激光器多是固体型、自由空间光束传播式谐振腔结构。它们可以作为种子源，也可以组成放大器。但固体型超短脉冲激光器与放大器除了在工作波长范围和脉冲宽度方面方面受到可选择材料的限制外，它们最主要的缺点是在自由空间光学系统取得要求的稳定性和可靠性所面临的困难和复杂问题。近年来不断涌现出来的光纤型超短脉冲光纤型激光器，在光束质量、光传递特性、可靠性、稳定性、集成度、体积大小等方面都具有很大的优势。当然，光纤型超短脉冲激光器能取得的脉冲能量不如固体型激光器。目前，人们经常采用光纤与固体混合型的激光系统。在这类系统中，除了大功率放大器以外，从种子源到各级预放大器都采用光纤型结构。因此，光纤型超短脉冲激光器正显示出极佳的应用前景和市场前景。
取得超短脉冲种子信号的技术主要有：1）被动锁模技术；2）主动锁模技术；3）纳秒脉冲压缩技术。虽然各种技术的基础研究都在不断进展，利用半导体饱和吸收镜（SESAM，即Semiconductor Saturable Absorber Mirror)实现的被动锁模技术在产品中应用得最为广泛，也最为成熟。利用SESAM实现的被动锁模光纤激光器以光纤和SESAM的非线性效应作为锁模机制，锁模实现自主启动，激光器为全光纤构架，结构简单、集成度高、性能稳定、泵浦阈值小、响应时间短、插入损耗小，是当前最受欢迎的超短脉冲激光种子源。
但是采用半导体饱和吸收镜的锁模光纤种子激光器的最主要缺点是饱和吸收镜的单点工作寿命比较短（设计得好的种子源单点寿命可达一千小时左右）。为了达到大多数应用的要求，饱和吸收镜表面工作点位置切换是种子源激光器中的一个必要技术。此外，种子源中各器件参数的优化也是设计种子源中的一个重要环节。
发明内容
本发明的目的是提供一种1微米波段皮秒脉冲锁模光纤种子激光器的设计，具体为皮秒光纤种子激光源结构，其谐振腔为线型腔，实现皮秒量级脉冲锁模的关键器件包括：半导体饱和吸收镜（被动锁模调制器）、光纤光栅（高反镜和带通滤波器）、掺镱的增益光纤、波分合成器及分光器。谐振腔内的所有器件都具有保偏性能。泵浦二极管产生连接的976纳米泵浦激光通过波分合成器耦合到腔内，输出脉冲通过分光器实现。半导体饱和吸收镜通过步进马达驱动的机械一维移动结构实现了数十个点的精确换位，使振荡器的工作寿命达到一万小时以上。
本发明在解决这些问题的技术方案为：一种皮秒光纤种子激光源结构，包括激光线型的谐振腔，谐振腔内包含半导体饱和吸收镜、分光器、波分合成器、增益光纤、光纤光栅；波分合成器连接有通过波分合成器把泵浦激光耦合进谐振腔的泵浦激光二极管连接；分光器分别连接有光纤隔离器和保偏光纤隔离器，保偏光纤隔离器连接有作为种子源输出信号端口的前向输出端口，光纤隔离器连接有用于监控与系统内部处理信号输出的后向输出端口。
泵浦激光二极管产生连续的976 纳米泵浦激光，通过波分合成器耦合进谐振腔。泵浦光开始时在掺镱的增益光纤中产生光谱宽度较宽的荧光辐射（波长约从1020纳米到1070纳米以上），并在增益的作用下逐渐被放大；这个受激辐射信号在光纤光栅（反射谱宽度大约为0.7纳米）的滤波作用下和增益光纤放大竞争作用下逐步变窄，信号功率集中在0.1纳米至0.2纳米的光谱范围内，转变成激光。连续的激光在半导体饱和吸收镜的非线性作用下转变成脉冲，脉冲宽度也逐步得到压缩。当泵浦光达到某个阈值后，脉冲中各个频率成份间的相位被锁住，腔内形成锁模脉冲。分光器是谐振腔的输出耦合器，有两个输出端口，前向输出端口和后向输出端口；由于该器件包含一个偏振器，它又是谐振腔调的偏振选择器件。分光器的输出耦合比例在10%至30%之间。脉冲信号通过分光器时，按设定的比例耦合输出。因为前向耦合输出的脉冲能量比较大，所以通常把前向输出端口作为种子源的输出信号端口，而把后向输出端口输出的信号用于监控与系统内部处理。也因为这个原因，前向输出端口的信号隔离器需要用保偏光纤隔离器，而后向输出端口则不需要，除非有特殊的要求。为了避免光纤端面反射信号对激光振荡的干扰，光纤光栅的腔外端必须能隔离反射信号。可以用把端点处的光纤绕成小圈来进行隔离，也可以在这一端再加一个隔离器。
进一步的，所述的半导体饱和吸收镜的安装机构为一维移动方式实现工作点位置切换的结构。即振荡器采用了可以使光束在SESAM表面的工作点实现一维移动的机械装置。移动的步长可以精细到2微米。SESAM表面工作点每次换点时移动距离约为25微米，2微米和基本步长可以充分保证移动的精度。机械装置的移动总行程可达4毫米，而SESAM的宽度为1毫米至1.5毫米。所以，机械装置对常用的SESAM有充分的移动余地，在需要时还可以使用更长的SESAM零件，得到更多可换的工作点。按此方式，一个可工作距离为1毫米的SESAM可以有约40个工作点，使SESAM的总工作寿命达20000小时以上。
实现工作点移动的机械装置采用的是使SESAM移动的原理。在这种装置中，使SESAM移动时光路的准直状态保持不变的一个关键是SESAM表面应与机械结构的移动方向（移动轴）严格平行。本装置中，SESAM底座的设计使SESAM表面与一维平台移动轴之间的平行度是可调节的。调节是通过表面相对于平台移动轴的转动予以实现。SESAM底座由相连的两部分组成，它们之间的夹角可以用锣钉的推拉加以改变。当底座的固定部分固定在可移动的平台上表面时，这个夹角的改变就使底座前表面与平台移动轴之前的夹角随之改变。由于SESAM表面与底座前表面的平行度能控制在每毫米2微米以内，所以把底座表面与平台移动轴之间的平行度调节好后，在绝大多数情况下，SESAM表面与平台移动轴之间的平行度也就能达到要求了。这为种子激光器的准直调节带来了方便。
进一步的，所述的半导体饱和吸收镜一维工作点位置切换是通过现场可编程逻辑门阵列控制步进马达实现的。
进一步的，所述波分合成器为纳米波分合成器。
进一步的，所述的泵浦激光二极管为纳米单模激光二极管。
进一步的，所述的分光器为保偏光纤分光器。
进一步的，所述的半导体饱和吸收镜为可换点的半导体饱和吸收镜模块。
该皮秒光纤种子激光源结构为一种工作波长在1微米范围的激光器，包括谐振腔，谐振腔的器件有掺镱的增益光纤;WDM（波分合成器）；（FBG）光纤光栅；SESAM（半导体饱和吸收镜）；分光器等。腔外的辅助器件有：单模光纤输出的泵浦激光二极管；光纤型隔离器。通过偏振器使产生的光脉冲具有确定的线偏振状态。振荡器实现基频锁模。脉冲重复频率与腔的等效光纤长度有确定的简单关系:
Figure DEST_PATH_IMAGE001
ν为重复频率；c为光速；L为腔的等效光纤长度；n为光纤的折射率。
通过基频锁模得到的重复频率可以从15MHz到80MHz左右。
皮秒光脉冲在腔内的放大由一段掺镱的增益光纤（YDF）实现。腔内含有一个WDM（波分合成器）。它把泵浦激光二极管提供的泵浦能量传送给增益光纤。该器件在腔内的位置与方向使激光器可以用非保偏的泵浦激光二极管作为泵浦源。
振荡器产生的脉冲通过2X2保偏光纤分光器耦合输出。分光器的输出端分光比例可以10%至30%范围里变化。信号输出可以选择功率高的端口。该端口与通往SESAM的端口在分光器的同一端。另一个端口可以用于振荡器状态的监控，也可以用于其它功能。信号端口接有保偏隔离器。另一端口也接有隔离器，该隔离器视实际功能可用保偏隔离器，也可用非保偏隔离器。
FBG和SESAM形成激光振荡器线型腔两端的反射器件。FBG和SESAM还组成锁模的关键器件：光谱带通滤波器和光学被动调制器。
FBG的光谱带宽和中心波长为控制种子激光器的中心波长与光谱宽度的主要因素。信号的光谱宽度与脉冲宽度的乘积乘积接近著名的富利叶变换限制极限。当FBG的光谱带宽为0.6nm至0.7nm时，产生的脉冲激光的光谱宽度约为0.12nm至0.14nm，相应的脉冲宽度约在10皮秒上下。FBG对这个光谱范围的反射率接近100%。FBG的腔外光纤的端点部分用盘绕成小圈（<1厘米）的方法做成光纤截止端，以防止干扰信号返回振荡腔内。
半导体饱和吸收镜（SESAM）形成谐振腔的另一个个反射镜。同时，它是锁模形成的关键器件。其影响锁模性能的主要参数为调制深度、饱和能量密度、和恢复时间常数。为了有利于锁模起振，可以提高入射光束的功率密度（即减小光斑尺寸）。但功率密度的提高可能会影响饱和吸收镜在这个工作点的工作寿命。为了兼顾锁模起振和保证SESAM的基本工作寿命的需要。把光束聚焦到SESAM的光束聚光器的输出光束的光腰直径在8至10微米。即光束在SESAM表面的光斑直径为8微米以上。这使得SESAM表面的一个工作点的正常工作寿命达到500至1500小时。
本发明的有益效果为：本发明的皮秒光纤种子激光源结构采用半导体可饱和吸收镜结合反射镜（布拉格光栅层或金属膜）共同使用，以半导体材料充当可饱和吸收体，形成线型的谐振腔，结构简单、紧凑。这个结构使锁模的自起动可靠，脉冲信号稳定。该结构的设计允许使用非保偏（SM）的激光二极管作为泵浦，锁模激光输出的脉冲是线偏振信号，可以比一些其它的设计降低生产成本；另一点，也是最重要的一点就是，光束在半导体可饱和吸收镜上的工作点是可以沿直线移动的，且工作点的移动可由芯片控制，通过步进马达实现，使超短脉冲锁模光纤激光器的整体寿命比单点寿命提高20倍以上。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种皮秒光纤种子激光源结构的结构简图；
图中，谐振腔1、光纤光栅102、增益光纤103、波分合成器104、分光器5、半导体饱和吸收镜106、保偏光纤隔离器107、光纤隔离器108、泵浦激光二极管109、前向输出端口110、后向输出端口111。
具体实施方式
实施例1
本实施例1所描述的一种皮秒光纤种子激光源结构，如图1所示，包括激光线型的谐振腔，谐振腔内包含半导体饱和吸收镜106、分光器105、波分合成器104、增益光纤103、光纤光栅102；波分合成器连接有通过波分合成器把泵浦激光耦合进谐振腔的泵浦激光二极管109连接；分光器分别连接有光纤隔离器108和保偏光纤隔离器107，保偏光纤隔离器连接有作为种子源输出信号端口的前向输出端口110，光纤隔离器连接有用于监控与系统内部处理信号输出的后向输出端口111。
泵浦激光二极管产生连续的976 纳米泵浦激光，通过波分合成器耦合进谐振腔。泵浦光开始时在掺镱的增益光纤中产生光谱宽度较宽的荧光辐射（波长约从1020纳米到1070纳米以上），并在增益的作用下逐渐被放大；这个受激辐射信号在光纤光栅（反射谱宽度大约为0.7纳米）的滤波作用下和增益光纤放大竞争作用下逐步变窄，信号功率集中在0.1纳米至0.2纳米的光谱范围内，转变成激光。连续的激光在半导体饱和吸收镜的非线性作用下转变成脉冲，脉冲宽度也逐步得到压缩。当泵浦光达到某个阈值后，脉冲中各个频率成份间的相位被锁住，腔内形成锁模脉冲。分光器是谐振腔的输出耦合器，有两个输出端口，前向输出端口和后向输出端口；由于该器件包含一个偏振器，它又是谐振腔调的偏振选择器件。分光器的输出耦合比例在10%至30%之间。脉冲信号通过分光器时，按设定的比例耦合输出。因为前向耦合输出的脉冲能量比较大，所以通常把前向输出端口作为种子源的输出信号端口，而把后向输出端口输出的信号用于监控与系统内部处理。也因为这个原因，前向输出端口的信号隔离器需要用保偏光纤隔离器，而后向输出端口则不需要，除非有特殊的要求。为了避免光纤端面反射信号对激光振荡的干扰，光纤光栅的腔外端必须能隔离反射信号。可以用把端点处的光纤绕成小圈来进行隔离，也可以在这一端再加一个隔离器。
在本实施例中，所述的半导体饱和吸收镜的安装机构为一维移动方式实现工作点位置切换的结构。
在本实施例中，所述的半导体饱和吸收镜一维工作点位置切换是通过现场可编程逻辑门阵列控制步进马达实现的。
在本实施例中，所述波分合成器为纳米波分合成器。
在本实施例中，所述的泵浦激光二极管为纳米单模激光二极管。
在本实施例中，所述的分光器为保偏光纤分光器。
在本实施例中，所述的半导体饱和吸收镜为可换点的半导体饱和吸收镜模块。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术内容作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种皮秒光纤种子激光源结构，其特征在于，包括激光线型的谐振腔(1)，谐振腔(1)内包含半导体饱和吸收镜(106)、分光器(105)、波分合成器(104)、增益光纤(103)、光纤光栅(102 )；波分合成器连接有通过波分合成器把泵浦激光耦合进谐振腔(1)的泵浦激光二极管(109)连接；分光器(105)分别连接有光纤隔离器(108)和保偏光纤隔离器(107)，保偏光纤隔离器(107)连接有作为种子源输出信号端口的前向输出端口(110)，光纤隔离器(108)连接有用于监控与系统内部处理信号输出的后向输出端口(111)，所述前向输出端口(110)输出的脉冲能量大于所述后向输出端口(111)输出的脉冲能量；所述分光器(105)内包含一个偏振器，偏振器用于谐振腔调的偏振选择，所述泵浦激光耦合进所述谐振腔(1)后，先经所述增益光纤(103)第一次增益放大后，传输至所述光纤光栅(102 )并经其滤波和反射后，再经所述增益光纤(103)第二次增益放大后，传输至所述半导体饱和吸收镜(106)后，经过所述半导体饱和吸收镜(106)转变成脉冲，当所述泵浦激光达到某个阈值后，所述脉冲中各个频率成份间的相位被锁住，所述谐振腔(1)内形成锁模脉冲，所述半导体饱和吸收镜(106)的表面接收经过光束聚光器输出的光束，所述半导体饱和吸收镜(106)的安装机构为一维移动方式实现工作点位置切换的结构，一维移动方式实现工作点位置切换的结构设有一维平台移动轴，所述半导体饱和吸收镜(106)的表面与所述一维平台移动轴之间的平行度可调节，以使得所述半导体饱和吸收镜(106)的表面与所述一维平台移动轴的移动方向保持平行，进而使所述半导体饱和吸收镜(106)移动时光路的准直状态保持不变。
2.根据权利要求1所述的皮秒光纤种子激光源结构，其特征在于，所述的半导体饱和吸收镜(106)一维工作点位置切换是通过现场可编程逻辑门阵列控制步进马达实现的。
3.根据权利要求1所述的皮秒光纤种子激光源结构，其特征在于，所述波分合成器(104)为纳米波分合成器。
4.根据权利要求1所述的皮秒光纤种子激光源结构，其特征在于：所述的泵浦激光二极管(109)为纳米单模激光二极管。
5.根据权利要求1所述的皮秒光纤种子激光源结构，其特征在于：所述的分光器(105)为保偏光纤分光器。
6.根据权利要求1所述的皮秒光纤种子激光源结构，其特征在于：所述的半导体饱和吸收镜(106)为可换点的半导体饱和吸收镜模块。
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