CN113206427B - 一种高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,包括泵浦激光器和泵浦保护器,还包括波分复用器、短腔长锁模谐振腔和输出光隔离器,所述泵浦激光器的输出端连接泵浦保护器的输入端,所述泵浦保护器的输出端连接波分复用器的泵浦端,所述波分复用器的公共端连接短腔长锁模谐振腔,所述波分复用器的信号端连接输出光隔离器的输入端,所述输出光隔离器的输出端作为高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器的输出端。本发明具有锁模稳定性好、结构简单且效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域,更具体地说,特别涉及一种高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器。
背景技术
近年来,高重频飞秒激光器在光频梳、光谱学、光通信、激光雷达、非线性光学、双/多光子显微镜等领域得到了广泛应用,吸引了国内外大批学者的深入研究。特别的,在光谱学领域,飞秒激光器的重频越高意味着同等输出功率下飞秒激光梳齿谱线功率越高,可以带来更高的测试信噪比。目前主要有两种技术手段可以实现GHz高重频飞秒激光器,分别是主动锁模和被动锁模技术。主动锁模虽然能够产生GHz以上的高重频飞秒脉冲输出,但是需要外部高频信号源或者信号再生设备,增加了系统成本和结构复杂度。另外,主动锁模激光器需要工作在谐振腔本振频率的整数倍谐波频率,长谐振腔结构也会引入较高的相位噪声。相比而言,被动锁模技术具有结构简单、稳定性高、成本低廉等优势,能够直接产生脉冲宽度几百飞秒的超短激光输出,被动锁模GHz飞秒激光器是目前研究的热点方向。
基于空间耦合的固体激光器激光器已经可以实现重复频率160GHz的高重频连续锁模脉冲输出。相比于空间耦合的固体激光器而言,光纤锁模飞秒激光器结构更加紧凑、启动阈值低、光转换效率高、光束质量好、光路无需机械调整等优点。激光在光纤内部传输可以带来低损耗,且稳定性更高,通过短腔法设计已经获得重复频率最高达到1-20GHz的锁模飞秒脉冲输出。
采用光纤体制方案实现高重频飞秒激光器都采用的是线性短腔法设计,几乎都采用的一段非保偏光纤作为增益光纤,这就带来了环境中振动和温度的变化容易引起锁模状态不稳定的问题。在光纤技术中利用保偏器件被认为是能够抵抗环境干扰的有效方法,然而高重频对应的短腔长结构,限制了传统单偏振光纤器件的使用,导致采用保偏光纤作为增益光纤的高重频飞秒激光器的有关研究报告非常少。2020年,报告了一种采用保偏光纤设计的GHz高重频锁模光纤激光器,该工作采用线偏振泵浦光激励保偏光纤制备的谐振腔,利用谐振腔增益光纤中快慢轴的泵浦差异,实现了重复频率1和2.2GHz的线偏振飞秒激光输出,但是由于谐振腔本质上支持快轴和慢轴光双偏振运转,在高泵浦功率的时候腔内存在快慢轴光强度的交叉耦合,同样会引起锁模不稳定。如何获得一种可以高稳定工作的GHz高重频飞秒锁模光纤激光器仍然是目前科研人员面临的技术难点。
综上,现有的高重频飞秒激光器仍存在以下主要问题:一是基于主动锁模的飞秒锁模激光器系统成本高且结构复杂,需要外部信号源,长谐振腔结构容易引入较高的相位噪声;二是基于被动锁模的固体飞秒锁模激光器虽可以实现高重复频率,但空间结构相对庞大,稳定性不高,效率有待提升;三是基于光纤体制的飞秒锁模激光器,之前主要采用非保偏光纤为增益光纤实现线性短腔长设计,激光器的锁模状态容易受到环境中的振动和温度变化的影响;四是基于光纤体制的飞秒锁模激光器,目前采用保偏光纤作为增益光纤的线性短腔长设计,虽然实现了GHz重频的输出,但由于谐振腔本质上支持快轴和慢轴光双偏振运转,在泵浦功率足够高时,腔内存在快慢轴光强度的交叉耦合,激光器的锁模状态同样容易受到影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,以克服现有技术所存在锁模稳定性不足、结构复杂、效率低的缺陷。
为了达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,包括泵浦激光器和泵浦保护器,还包括波分复用器、短腔长锁模谐振腔和输出光隔离器,所述泵浦激光器的输出端连接泵浦保护器的输入端,所述泵浦保护器的输出端连接波分复用器的泵浦端,所述波分复用器的公共端连接短腔长锁模谐振腔,所述波分复用器的信号端连接输出光隔离器的输入端,所述输出光隔离器的输出端作为高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器的输出端;
所述短腔长锁模谐振腔包括第一光纤陶瓷插芯头、第二光纤陶瓷插芯头、45°倾斜光纤光栅、第三光纤陶瓷插芯头、半导体可饱和吸收镜、保偏增益光纤、介质膜双色镜和陶瓷套管,所述第一光纤陶瓷插芯头的一端连接波分复用器的公共端,第一光纤陶瓷插芯头的另一端通过陶瓷套管与第二光纤陶瓷插芯头镀有介质膜双色镜的一端连接,所述第二光纤陶瓷插芯头另一端通过刻有45°倾斜光纤光栅的保偏增益光纤与第三光纤陶瓷插芯头一端连接,所述第三光纤陶瓷插芯头另一端与半导体可饱和吸收镜通过光学胶水连接,所述半导体可饱和吸收镜和介质膜双色镜之间形成短腔长谐振腔。
进一步地,所述短腔长锁模谐振腔为重频1GHz短腔长谐振,所述第一半导体可饱和吸收镜和介质膜双色镜之间的短腔长谐振腔的长度为10cm。
进一步地,所述短腔长锁模谐振腔为重频3GHz短腔长谐振,所述第一半导体可饱和吸收镜和介质膜双色镜之间的短腔长谐振腔的长度为3.3cm。
进一步地,所述高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器为全光纤结构。
进一步地,所述高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器中的光纤均为熊猫保偏光纤结构。
进一步地,所述泵浦激光器为单模连续激光器、光纤激光器或光纤耦合的半导体激光器。
进一步地,所述介质膜双色镜为多层介质膜结构,采用真空蒸镀方式蒸镀到第二光纤陶瓷插芯头的端面,所述介质膜双色镜在泵浦激光器输出波长处透过率大于95%,在高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器输出波长处反射率大于98%。
进一步地,所述第一光纤陶瓷插芯头和第三光纤陶瓷插芯头为FC/PC头。
进一步地,所述波分复用器为反射型保偏波分复用器,该反射型波分复用器的波分范围为980nm/1550nm。
进一步地,所述保偏增益光纤中掺杂离子为Yb3、Er3+、Tm3+、Ho3+中的一种或几种,所述第一保偏增益光纤的增益系数大于1dB/cm。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明选择保偏光纤作为增益光纤,与选择非保偏光纤的方案相比,激光器对环境温度和震动变化不敏感,稳定性更高。
2、本发明直接将45°倾斜光纤光栅刻写在保偏增益光纤上,使得短腔长锁模谐振腔只能在慢轴激射,进一步提高激光器的工作稳定性,同时输出激光器为线偏振激光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器的原理图。
图2是本发明实施例一中1GHz高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器的结构图。
图3是本发明图2中短腔长谐振腔结构示意图。
图4是本发明中介质膜双色镜的透射谱。
图5是本发明保偏光纤陶瓷插芯头示意图。
图6是本发明实施例二中3GHz高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器结构图。
图7是图6中短腔长谐振腔结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例一
参阅图1-图5所示,本实施例公开了一种高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,包括泵浦激光器1和泵浦保护器2,还包括波分复用器3、短腔长锁模谐振腔和输出光隔离器5,泵浦激光器1的输出端通过单模保偏光纤连接泵浦保护器2的输入端,泵浦保护器2的输出端通过单模保偏光纤连接波分复用器3的泵浦端,波分复用器3的公共端通过单模保偏光纤连接短腔长锁模谐振腔,波分复用器3的信号端通过单模保偏光纤连接输出光隔离器5的输入端,输出光隔离器5的输出端作为高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器的输出端。
所述的短腔长锁模谐振腔包括第一光纤陶瓷插芯头41、第二光纤陶瓷插芯头42、45°倾斜光纤光栅43、第三光纤陶瓷插芯头44、半导体可饱和吸收镜45、保偏增益光纤46、介质膜双色镜47和陶瓷套管48,第一光纤陶瓷插芯头41的一端连接波分复用器3的公共端,第一光纤陶瓷插芯头41的另一端通过陶瓷套管48与第二光纤陶瓷插芯头42镀有介质膜双色镜47的一端连接,第二光纤陶瓷插芯头42另一端通过刻有45°倾斜光纤光栅43的保偏增益光纤46与第三光纤陶瓷插芯头44一端连接,第三光纤陶瓷插芯头44另一端与半导体可饱和吸收镜45通过光学胶水连接,半导体可饱和吸收镜45和介质膜双色镜47之间形成短腔长谐振腔。
泵浦激光器1输出的泵浦光按次序经过泵浦保护器2、波分复用器3耦合进入短腔长锁模谐振腔;在逐渐增加泵浦激光器1功率的作用下,谐振腔内增益光纤吸收泵浦光能量累积受激辐射增益,半导体可饱和吸收镜45进行强度调制,由于保偏增益光纤刻写有45°倾斜光纤光栅,仅在谐振腔的慢轴方向发生由自发辐射、随机激射、调Q锁模激射至连续波锁模激射的演化过程;在形成稳定的连续波锁模激射后,产生的GHz高重频线偏振飞秒锁模激光脉冲经过介质膜双色镜47输出一部分,并按次序经过波分复用器3、输出光隔离器5后输出。
所述的短腔长锁模谐振腔为重频1GHz短腔长谐振4,第一半导体可饱和吸收镜45和介质膜双色镜47之间的短腔长谐振腔的长度为10cm。
第一光纤陶瓷插芯头41、第二光纤陶瓷插芯头42和第三光纤陶瓷插芯头44采用保偏光纤陶瓷插芯头,如图5所示,由熊猫保偏光纤的纤芯和包层6、熊猫保偏光纤的涂覆层7、陶瓷层8组成,可以用陶瓷套管直接将两个陶瓷插芯头进行对接耦合。
所述的高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器为全光纤结构。
所述的高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器中的光纤均为熊猫保偏光纤结构。
所述的泵浦保护器2用于防止产生的ASE背向反射光对泵浦激光器造成损害,泵浦激光器2的工作波长位于增益光纤掺杂离子的吸收带内。
所述泵浦激光器1为单模连续激光器、光纤激光器或光纤耦合的半导体激光器。
所述的介质膜双色镜47为多层介质膜结构,采用真空蒸镀方式蒸镀到第二光纤陶瓷插芯头42的端面,介质膜双色镜47在泵浦激光器输出波长处透过率大于95%,在高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器输出波长处反射率大于98%。
所述的第一光纤陶瓷插芯头41和第三光纤陶瓷插芯头44为FC/PC头。
所述的波分复用器3为反射型保偏波分复用器,该反射型波分复用器的波分范围为980nm/1550nm。
所述的保偏增益光纤46中掺杂离子为Yb3、Er3+、Tm3+、Ho3+中的一种或几种,保偏增益光纤46的增益系数大于1dB/cm。
所述的45°倾斜光纤光栅43直接刻写在保偏增益光纤上,光栅工作波长处于保偏增益光纤的增益峰,形成快轴和慢轴偏振对比度大于20dB。
实施例二
参阅图6和图7所示,本实施例的其他结构与实施例相同,不同之处在于:
本实施例中的短腔长锁模谐振腔为重频3GHz短腔长谐振9,包括第一光纤陶瓷插芯头91、第二光纤陶瓷插芯头92、45°倾斜光纤光栅93、第三光纤陶瓷插芯头94、半导体可饱和吸收镜95、保偏增益光纤96、介质膜双色镜97和陶瓷套管98,第一光纤陶瓷插芯头91的一端连接波分复用器3的公共端,第一光纤陶瓷插芯头91的另一端通过陶瓷套管98与第二光纤陶瓷插芯头92镀有介质膜双色镜97的一端连接,第二光纤陶瓷插芯头92另一端通过刻有45°倾斜光纤光栅93的保偏增益光纤96与第三光纤陶瓷插芯头94一端连接,第三光纤陶瓷插芯头94另一端与半导体可饱和吸收镜95通过光学胶水连接,半导体可饱和吸收镜95和介质膜双色镜97之间形成短腔长谐振腔,半导体可饱和吸收镜95和介质膜双色镜97之间的短腔长谐振腔的长度为3.3cm。
通过缩短线性谐振腔腔长,实现的锁模光纤激光器重复频率的提升,泵浦激光器1输出泵浦光,泵浦激光器1通过单模保偏光纤连接泵浦保护器2的输入端,泵浦保护器2的输出端通过单模保偏光纤连接波分复用器3的泵浦端,波分复用器3的公共端通过单模保偏光纤连接重频3GHz短腔长锁模谐振腔9,波分复用器3的信号端通过单模保偏光纤连接输出光隔离器5的输入端,输出光隔离器5的输出端输出重频3GHz线偏振飞秒锁模激光。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式,但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改,只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围,都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,其特征在于:包括泵浦激光器和泵浦保护器,还包括波分复用器、短腔长锁模谐振腔和输出光隔离器,所述泵浦激光器的输出端连接泵浦保护器的输入端,所述泵浦保护器的输出端连接波分复用器的泵浦端,所述波分复用器的公共端连接短腔长锁模谐振腔,所述波分复用器的信号端连接输出光隔离器的输入端,所述输出光隔离器的输出端作为高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器的输出端;
所述短腔长锁模谐振腔包括第一光纤陶瓷插芯头、第二光纤陶瓷插芯头、45°倾斜光纤光栅、第三光纤陶瓷插芯头、半导体可饱和吸收镜、保偏增益光纤、介质膜双色镜和陶瓷套管,所述第一光纤陶瓷插芯头的一端连接波分复用器的公共端,第一光纤陶瓷插芯头的另一端通过陶瓷套管与第二光纤陶瓷插芯头镀有介质膜双色镜的一端连接,所述第二光纤陶瓷插芯头另一端通过刻有45°倾斜光纤光栅的保偏增益光纤与第三光纤陶瓷插芯头一端连接,所述第三光纤陶瓷插芯头另一端与半导体可饱和吸收镜通过光学胶水连接,所述半导体可饱和吸收镜和介质膜双色镜之间形成短腔长谐振腔;
所述高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器为全光纤结构;
所述泵浦激光器为单模连续激光器、光纤激光器或光纤耦合的半导体激光器。
2.根据权利要求1所述的高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,其特征在于:所述短腔长锁模谐振腔为重频1GHz短腔长谐振,所述半导体可饱和吸收镜和介质膜双色镜之间的短腔长谐振腔的长度为10cm。
3.根据权利要求1所述的高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,其特征在于:所述短腔长锁模谐振腔为重频3GHz短腔长谐振,所述半导体可饱和吸收镜和介质膜双色镜之间的短腔长谐振腔的长度为3.3cm。
4.根据权利要求1所述的高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,其特征在于:所述高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器中的光纤均为熊猫保偏光纤结构。
5.根据权利要求1所述的高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,其特征在于:所述介质膜双色镜为多层介质膜结构,采用真空蒸镀方式蒸镀到第二光纤陶瓷插芯头的端面,所述介质膜双色镜在泵浦激光器输出波长处透过率大于95%,在高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器输出波长处反射率大于98%。
6.根据权利要求1所述的高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,其特征在于:所述第一光纤陶瓷插芯头和第三光纤陶瓷插芯头为FC/PC头。
7.根据权利要求1所述的高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,其特征在于:所述波分复用器为反射型保偏波分复用器,该反射型波分复用器的波分范围为980nm/1550nm。
8.根据权利要求1所述的高重频线偏振飞秒锁模光纤激光器,其特征在于:所述保偏增益光纤中掺杂离子为Yb3、Er3+、Tm3+、Ho3+中的一种或几种,所述保偏增益光纤的增益系数大于1dB/cm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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