CN101483310A - 稳偏激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及稳偏激光器，属于稳偏激光器的装置和应用技术领域。该激光器包括：一个具有三个端口的光偏振分束器(PBS)，具有两个端点的第一光路，第一端点与PBS的第一端口相连接，一个偏振反射器被连接到第一光路的第二端口，一个第二光路，第二光路的第一端点与所述PBS的第三端口相连接，一个三端口的光环形器，一个光学单元，连接到所述光环形器的第二端口上；一个第三光路，该第三光路连接在所述光环形器第三端口及PBS的第二端口之间；第一光路，第二光路中至少放置一个光学放大器。本发明可以对第一次发生偏振的光进行筛选，使第二次产生偏振的光减弱，这使输出激光的性能永远是稳定的。本发明可以应用于各种激光器。

Description

稳偏激光器
本专利申请的优先权请求是依据题目为《稳偏激光器》，专利申请号为：61/028462，申请日为：2008年2月13日的美国专利申请的全部内容而提出的。
技术领域
本发明属于稳偏激光器的装置和应用技术领域，特别涉及产生包括可调谐和波长扫描激光器在内的产生激光光束的技术、设备和系统。
背景技术
一个激光器包含一个光学腔或谐振腔，以及激光腔内的产生激光的介质。一个激光器可以设计成包含一个频率调节元件，用来在激光器运转的时候扫描激光频率或波长。例如，用于光学断层扫描技术(OCT)的高速波长扫描激光器和用于光传感询答应用的激光器。
可调谐激光器和波长扫频光纤激光器对偏振变化的敏感度是激光器制造技术的一大挑战。因为在激光器中产生偏振的激光腔会包含光纤，因此当温度和机械应力改变的时候，会产生各种不同的因素，其结果就是激光输出功率会因为温度、震动或者施加于光纤上的应力而变的异常灵敏。可调谐激光器和波长扫频激光器可以被设计成各种不同的构造，包括光纤激光器的激光腔的增益介质和光程可以设计到光纤里面或者与光纤结合在一起。例如，快速波长扫频激光器可以基于傅立叶域锁模技术，单模(SM)光纤的长度(例如几公里)是用来增加激光器的腔长，以满足频域锁模的条件。在这个设计中，波长扫描速度等同于激光腔内光的往返时间。R.Huber，M.Wojtkowski，J.G.Fujimoto描述了这样一个例子：“傅立叶域锁模：一种新的激光操作模式和光学相干断层扫描应用。”摘自光学快车，Vol.14，No.8，pp.3225-3237(2006).由于单模光纤的长期使用，激光腔内的偏振往往会出现波动，因此造成输出功率和输出激光偏振的波动。
其他构造的激光器也能表现出光偏振敏感性并且由于激光谐振腔中光偏振的变化，输出激光的性能可能会严重退化。
发明内容
本发明提出一种稳偏激光器，以克服光偏振在激光器的激光腔中引起的波动和变化。
本发明提出的一种稳偏激光器，其特征在于，该激光器包括：
一个光偏振分束器(PBS)，该偏振分束器具有第一端口、第二端口和第三端口。处于第一光偏振态的光在第一端口和第二端口之间传输，处于与第一偏振态垂直的第二偏振态的光在进入第一端口后被导向第三端口；一个第一光路，该第一光路包括第一端点和第二端点，第一端点与PBS的第一端口相连接，用来将光导入到PBS的第一端口中，并接收以第一偏振态的方式从第二端口传输到第一端口的光；
一个偏振反射器被连接到第一光路的第二端口，用来反射接收自第一光路的光使之返回到第一光路，反射回第一光路的光的偏振态与最初进入到连接在PBS第一端口的第一光路的光偏振态相垂直；
一个第二光路，该第二光路包括第一端点和第二端点，第二光路的第一端点与所述PBS的第三端口相连接，用来接收来自第三端口的第二偏振态的光，并将接收到的光导向第二端口；
一个光环形器，该光环形器包括第一端口，第二端口和第三端口，用来将第一端口接收的光传输到第二端口，将第二端口接收到的光传输到第三端口，第一端口与第二光路的第二端点相连接，将第二光路的光导向第二端口；
一个光学单元，该光学单元连接到所述光环形器的第二端口上，用来接收光，并将返回光束引导至光环形器的第二端口；
一个第三光路，该第三光路连接在所述光环形器第三端口及PBS的第二端口之间，用来将该光环形器第三端口的光学单元的返回光束引导至PBS的第二端口，从PBS第二端口至第一端口传输的第三光路的光处于第一偏振状态；第一光路，第二光路中至少放置一个光学放大器，将经由第一光路从所述偏振反射器到PBS、经由第二光路从PBS回到该偏振反射器的光放大并引起激光震荡。
本发明提出的另一种稳偏激光器，其特征在于，该激光器包括：
一个光偏振分束器(PBS)，含有第一端口，第二端口及第三端口，第一偏振态的光经由PBS的第一端口和第二端口传输，第二偏振态的光垂直于第一偏振态的光由第一端口进入，由第三端口输出；
第一光路，含有第一端点和第二端点，第一端点连接PBS的第一端口将光导入到PBS的第一端口，并将接收到的第一偏振状态的光，由PBS的第二端口传输到第一端口；
一个偏振反射镜，连接在第一光路的第二端点，将从第一光路接收到的光返射回第一光路，该反射光垂直于最初从PBS的第一端口进入第一光路的偏振光；
第二光路包括一个第一端点和一个第二端点，第一端点与PBS的第三端口相连接，第二端点与PBS的第二端口相连接；由第一端点接收自第三端口导入到第二端口的第二偏振态的光，将第二光路第一偏振态的光从到PBS的第二端口传输到第一端口；在第一光路，第二光路中至少放置一个光学放大器，将经由第一光路从偏振反射器到PBS、经由第二光路从PBS回到偏振反射器的光放大并引起激光震荡，使自偏振反射镜通过第一光路到PBS，通过第二光路到光环形器、光学单元、光环形器，再通过第三光路到PBS，到偏振反射镜的激光谐振。
本发明提出的第三种一种稳偏激光器，其特征在于，该激光器包括：
一个带有第一端口、第二端口和第三端口的光环行器，该光环行器从第一端口接收光并从第二端口输出，把从第二端口接收到的光传入第三端口并输出；
一个包含第一端点和第二端点的第一光路，第一端点与光环行器的第二端口相连接，用来接收光并传送到光环行器的第一端口；
一个偏振反射器，与第一光路的第二端点相连接，用来反射接收来自第一光路的光，并将其反射回到第一光路，反射回去的光的偏振态垂直于起初通过第一光路进入到PBS第一端口的光的偏振态；
一个包含第一端点和第二端点的第二光路，第一端点被连接到光环行器的第三端口，用来接收从第三端点发出的光并且传送到第二端点；第二光路的第二端点与光环行器的第一端口相连接，用来把第二光路中从光环行器的第一端口接收到的光传送到光环行器的第二端口；光放大器与第一光路和第二光路中的一条相连接，用来使光放大并在一个循环中产生震动，该循环经过第一光路到第二光路从偏振反射器到光环行器，再到光环行器，最后传送到光反射器。
在一个实施例中，一个稳偏激光器可以包含一个单项光环路和一个偏振反射镜，该偏振反射镜光学地与一个双光路相连接，用来为激光谐振选择一个光偏振态，同时抑制光的其他偏振态。一个光放大器被用来提供至少一个单项光回路，同时双向光路用来选择激光频率并发出激光。这个光滤波器可以是一个连接到单向光环路的反射光滤波器，或者是一个与单向光环路(或双向光通路)连接的传输光滤波器。
在另一个实施例中，一个稳偏激光器包括一个光偏振分束器(PBS)，该偏振分束器具有一个第一端口、一个第二端口和一个第三端口。处于第一光偏振态的光在第一端口和第二端口之间传输，处于与第一偏振态垂直的第二偏振态在进入第一端口后被导向第三端口。在此装置中，包括一个具有一个第一端点和一个第二端点的第一光路，第一端点与PBS的第一端口相连接，用来将光导入到PBS的第一端口中，并接收以第一偏振态的方式从第二端口传输到第一端口的光。一个偏振反射镜被连接到第一光路的第二端口，用来反射接收自第一光路的光使之返回到第一光路，反射回第一光路的光的偏振态与开头进入到连接在PBS第一端口的第一光路的光偏振态相垂直。这个装置还包括一个第二光路，第二光路包括一个第一端点和一个第二端点，第二光路的第一端点与PBS的第三端口相连接，用来接收来自第三端口的第二偏振态的光，并将接收到的光导向第二端口。这个装置还包括一个光环行器和一个与第三光路相连接的光学单元。光环行器包括一个第一端口、一个第二端口和一个第三端口，用来将第一端口接收的光传输到第二端口，将第二端口接收的光传输到第三端口。第一端口与第二光路的第二端口相连接，将第二光路的光导向第二端口。光学单元连接到光环行器的第二端口上，用来接收光并引导一个返回光束回到光环行器的第二端口。第三光路连接在光环行器的第三端口和PBS的第二端口之间，用来引导来自处于光环行器第三端口的光学单元的返回光束到PBS的第二端口，这里第三光路的从PBS第二端口传输到PBS第一端口的光处于第一偏振态。在这个装置中，一个光放大器至少被连接到第一、第二和第三光路中的一个，用来放大光以引起来自偏振反射镜、经由第一光路到PBS、经由第二光路到光环行器、再经由第三光路到PBS、再到偏振反射镜构成的光回路的激光谐振。
在另一个实施例中，一个稳偏激光器包含一个具有一个第一端口、一个第二端口和一个第三端口的偏振分束器(PBS)，还包含一个偏振反射镜。处于第一光偏振态的光在PBS的第一端口和第二端口之间传输，处于与第一偏振态正交的第二偏振态的光进入第一端口后被导向第三端口。第一光路具有第一端点和第二端点，第一端点与PBS的第一端口相连接，将光导入PBS的第一端口，并接收从第二端口传输到第一端口的第一偏振态的光。偏振反射镜被连接到第一光路的第二端点，用来反射接收来自第一光路的光，并将其反射回到第一光路，反射回去的光的偏振态垂直于起初通过第一光路进入到PBS第一端口的光的偏振态。这个激光器包括一个具有第一端点和第二端点的第二光路，第一端点与PBS的第三端口相连接，用来接收来自第三端口的处于第二偏振态的光，并将该光导向第二端点。第二光路的第二端点与PBS的第二端口相连接，引导来自PBS的第二端口的第二光路中的第一光偏振态的光到PBS的第一端口。一个光放大器被连接到第一和第二光路中的至少一个中，用来放大光以在由偏振反射镜、经由第一光路的PBS、第二光路、PBS和偏振反射镜而形成的光环路中产生激光振荡。在另外一个实施例中，
一个稳偏激光器包含一个光环行器，一个偏振反射镜和一个第一光路。光环行器包括一个第一端口、一个第二端口和一个第三端口，用来引导接收自第一端口的光输出到第二端口，并引导接收自第二端口的光到第三端口。第一光路具有第一端点和第二端点，第一端点被连接到光环行器的第二端口上，用来引导光进入光环行器的第二端口并接收光。偏振反射镜被连接到第一光路的第二端点上，用来反射接收自第一光路的光，并反射回第一光路，反射回去的光的偏振态垂直于开始进入第一光路并从光环行器第二端口输出的光的偏振态。这个激光器包括一个第二光路，第二光路具有一个第一端点和一个第二端点，第一端点被连接到光环行器的第三端口，用来接收来自第三端口的光，并引导接收的光到第二端点。第二光路的第二端点被连接到光环行器的第一端口，引导接收自第二光路来自光环行器第二端口的光到光环行器的第二端口。一个光放大器被连接在第一光路和第二光路中的至少一个光路中，用来放大光而在偏振反射镜、连接光环行器的第一光路、第二光路、光环行器和偏振反射镜构成的光回路中产生谐振从而产生激光。
这些以及其他稳偏激光器方案，其相关技术和它们的应用在附图中、发明内容和权利要求中加以进一步描述，
本发明的特点及效果：
本发明所描述的激光器的例子包括激光腔内的一个腔内偏振选择区域，它可以对第一次发生偏振的光进行筛选，使第二次严生偏振的光减弱，并与第一个偏振光方向垂直。包含在腔内偏振选择区域的偏振分束器把第一次与第二次产生的偏振光分开。腔内偏振选择区域光学回路来保证第一偏振光重复第二偏振光的路线并把其覆盖。这使得无论在激光腔的任何地方偏振状态如何改变，第一偏振光永远是不变的。因此输出激光的性能永远是稳定的。本发明可以应用于各种激光器，包括可调激光器，波长扫频激光器和稳波激光器，但并不局限于此。
附图说明
图1和图2展示了一个可调节偏振态激光器的实施例，该激光器包含一个单向和偏振维持回路和一个光学单元，该单元提供一个反射可调滤波器调谐和激光波长扫描功能。
图3展示了一个波长扫描激光器的实施例，其中一个可调滤波器是典型的单向并且偏振维持回路，用以对激光波长的调谐和扫描，这里由PBS构成回路的滤波器尾纤形成偏振维持滤波器以保持环境的稳定。
图4展示了另一个可调节偏振态激光器的实施例，其中光放大器是双向的，并且被放置在激光腔的线性区域。
图5展示了被放置在的激光腔的线性区域的双向光放大器和可调带通滤波器的可调节偏振态激光器的实施例。
图6展示了另一个可调节偏振态激光器的实施例，其中光环行器是用来形成一个单向的保偏回路，其作用是如果使用的环行器和输出的功率、波长对偏振变化不敏感，那么输出的偏振就不会被确定。因此偏振敏感型环行器可以用来确定偏振。
图7展示的是图6可调节偏振态激光器的一种变化形式，其中光放大器是双向的，并且被放置在激光腔的线性区域。
图8展示的是图6可调节偏振态激光器的另一种变化形式，其中可调带通滤波器和光放大器都是双向的并且被放置在激光腔的线性区域。
图9展示的是尾纤偏振光束分光器，它有基于双折射光楔生成的三个端口与三条光纤来实现稳偏激光。
图10展示的是应用于图1、2中光反射单元的反射滤光片。
图11展示的是搭建在稳偏激光器中的光学监测单元。
图12展示了稳偏激光器中实现带有重复传输峰值的窄带通滤波器，其能够获得除用来调谐激光的可调滤波片以外的窄带激光。
图13展示了基于稳偏激光器的光学断层扫描(OCT)装置。
具体实施方式
图1和图2所展示的是稳偏激光器的初次设计图。这种设计可以用来建立一个稳定的偏振激光器在一个稳定的激光波长下和可调激光器，波长扫频激光器。这样的激光器包括一个偏振分束器(PBS)110，具有第一个端口1，第二端口2和第三端口3。光在第一次发生偏振后通过偏振分束器的第一端口和第二端口，通过第一端口的光产生第二次偏振，其偏振方向将和第一次偏振光方向成90°度并通过第三端口传出。该激光器包括第一光路111，并且具有第一端点和第二端点，第一端点被连接到PBS 110的第一端口1上，用来把光引导到PBS 110的第一端口并接收从PBS 110的第二端口到第一端口传输过来的第一偏振光。在这个激光器中，偏振反射器140被连接在第一光路111的第二端点，用来反射最初从第一光路111进入PBS 110并从第一光路111原路返回的与第一偏振光方向成90°度的偏振光。这个激光器还包括第二光路112，并具有第一端点和第二端点，其中第一端点被连接到PBS 110的第三端口，用来接收通过第二光路的从第三端口发出的光并且传送到第二端点。该激光器包含一个光环行器120，它包含一个与第二光路112连接的第一端口1，第二端口2和第三端口3，接收从第一端口传入的光并从第二端口传出，第二端口传入的光从第三端口传出。第一端口被连接到第二光路112的第二端点，用来引导第二光路112的光进入到第二端口。与光环行器第二端口连接的是一个光反射单元150，用来接收从光环行器第二端口传出的光并引导被其传送回来的线偏振光回到光环行器的第二端口。该光反射单元150可以作为一个可以调整或稳定反射波长的光反射过滤器来控制激光器中的激光波长。第三光路113与光环行器120的第三端口和PBS 110的第二端口相连接，其作用是把从光反射单元150反射回的通过光环行器120第三端口的线偏振光发送到PBS 110的第二端口。
光放大器130至少被接在第一光路111，第二光路112和第三光路113中的一条，作用是使光循环中的激光产生震动，这个循环从偏振反射器到PBS 110经过第一光路111，由第二光路112到光环行器，经过光反射单元150回到光环行器120，再由经第三光路113到达PBS 110，最后到达偏振反射器140。
图1和图2可以组成一个光纤激光器。图1中描述的是一个在第二光路112和第三光路113中利用PM光纤和在光环行器120和光反射单元150之间得到想要的偏振的光路的光纤激光器。在图中，PBS 110在第二回路112和第三回路113中被分成2种偏振保偏光纤(PM)和单模光纤(SM)在最初设计的光路111中。光纤也可被用在第一光路111中。当在端口间改变光的方向时，光环行器120可以作为一个PM循环器来保持光的偏振。PM循环器120利用它的第一端口从PBS 110来接收光，并引导其进入光环行器120的第二端口。光环行器120的第二端口用来接收对偏振感应非常灵敏的可以当作扫描过滤器或者可调过滤器的光反射单元150的光。从光反射单元150的扫描或可调激光器中反射回的光被光环行器120接收并传送到其第三端口。第三回路中的光放大器130被连接在PBS 110和光环行器120之间，它的配置眼可以有很多种选择，如利用电能产生光学增益的半导体光学放大器(SOA)，掺铒化合物光纤放大器(EDFA)和其他在光泵浦激光器激发下产生的泵浦激光波长的稀土离子光纤放大器。光学放大器130可以与PM光纤相连。光放大器130的输出端与PBS的第二PM端口相连接。光从第二PM端口进入SM端口并在SM光纤中传播直到被法拉第旋转镜140反射回来。由于法拉第旋转镜140的正色结合性质，反射光别传入到PBS 110的PM的第一端口。这是一个对偏振不敏感的循环。为了得到最大的光学输出，PM115会与光放大器130的输出相连接，来为激光器提供稳定的偏振输出。
在图1，2中，光反射单元150与光环行器120相连接，可以在光环行器120的第二端口执行各种不同的光学运算。例如，对于可调或波长扫描激光器来说，光学单元150可以作为一个可调波长过滤光学部分与光环行器120的第二端口相连接，其作用是用来过滤一定波长的反射光来得到被反射回来的在中心波长的线偏振光和调整中心波长。再举另一个例子，光学单元150可以作为一个稳定的光反射过滤器当反射光在中心波长下而调整中的光在其他波长时。
图1和图2对光学单元150作为一个可调光学反射装置进行了详细的描述。光的偏振信息被传送到光学单元150的扫描或可调过滤器中，在光学单元150中光学元件反射表面不是S偏振就是P偏振，并且光学单元150被设计成当反射回的光的偏振状态在经过过滤器时不会被改变。更确切地说，光学单元150包含一个光学衍射光栅152，作用是从光环行器120的第二端口接收光并使其发生衍射。透镜153和154被用于接收从152中产生的衍射光并且传送其进入多边形旋转器155。多边形旋转器155把衍射光反射到镜子156中，镜子156再把其反射回多边形旋转器155中。多边形旋转器155再通过透镜154和153把反射回的光再传送到光栅152中。下一步，光栅152再使从155中反射回的光产生衍射并传送到光环行器的第二端口。多边形旋转器155的作用是，从光栅152出来的不同方向的衍射光传入到镜子156的时间也不同。光学单元150的波长扫描机理提供波扫描。多边形旋转器155的平面为激光器不断提供激光扫描，只要过滤的光能被反射回光环行器中，扫描或可调激光器的其他部分的作用就会生效。当PM光纤在光环行器120与光学单元150被用做传输光时，光束准直器151，如光纤瞄准仪会被放在光栅152和PM光纤末梢之间的光路中来使光与PM光纤连接并对从其传出的光进行校准。
在图1中光放大器所在的第三光路一个单向光路，激光只能沿顺时针方向传播。图2展示了扫描激光器的另一种设计。光放大器130被放在了双向光路111中用SM或者PM光纤连接。在这个设计中法拉第旋转镜140的正色结合性质可以对光放大器130的偏振灵敏度自动的进行补偿并且激光器中的每一个往返的光经过光放大器后都会有一个比原来2倍大的增益。
与在图1和图2中的光反射单元150不同的是，图3到图8中的稳偏激光器在激光腔中运用了能传送的光过滤器314，作用是当调整中的光在其他波长时，在过滤器的中心传送波长下对光进行选择并使其作为激光器的波长。与图1和图2相比，这个能传送的光过滤器314简化了激光腔的构造。在一些方案中，象图3至8中的能传送的光过滤器314可能会被淘汰，激光波长的选择有可能会通过光放大器130和其他器件来实现。
图3到图5对基于激光腔中含有能传送的光过滤器的第二种激光器进行了描述。这种设计可以应用于可调或波长扫频激光器。这个第二种激光器包含一个偏振分束器(PBS)110并含有三个端口。光发生第一次偏振在PBS 110的第一与第二端口之间通过。在进入第一端口并传送到第三端口时发生第二次偏振，并且偏振方向与第一次偏振光方向成90°度。第一光路311包含第一端点和第二端点，并且第一端点与PBS 110的第一端口连接，作用是引导光进入PBS 110的第一端口并在发生第一次偏振时接收偏振光。这个激光器包含一个与第一光路311的第二端点相连的偏振光反射器140，作用是反射从第一光路311反射回的与从PBS 110第一端口分出的第一偏振光方向垂直的光。第二光路包括第一端点和第二端点，第一端点与PBS 110的第三端口相连，作用是接收从第三端点发出的第二偏振光并传送其进入第二端点。第二光路312中的第二端点与PBS110中的第二端口连接，作用是把从在第二光路中的第一偏振光从PBS 110第二端口传送到第一端口。这个激光器也包含一个至少与第一光路或第二光路连接的光放大器130用来放大光并在偏振反射器140光循环中产生激光震动，使PBS 110经过第一光路311到达第二光路312再回到PBS 110，然后传入偏振反射器140。建立可调波长扫频激光器，可调波长滤波元件314可以接入光路311或312中的一条，作用是接收光并对其过滤，使其产生具有中心波长的过滤光并对其调整。光频隔离器316被接入到第二光路312来保证从PBS 110的第三端口到PBS 110的第二端口的第二光路的单向性。
图3介绍了在一次绕行中光在第二光路312经过一次光放大器130的情景。图4中，放大器130放在第一光路311中，因此在一次绕行中，光穿过放大器2次。在图3与图4中，可调光过滤器314被放在第二光路中用来在依次绕行中过滤一次光。图5中光过滤器314和放大器130都被放在了第一光路311中，因此在一次绕行中光被同时过滤和放大了两次。
图6到8对含有可传送的光滤波器的激光器的第三种设计进行了描述。这种设计可用于可调或波长扫频激光器。这个设计包含了一个光环行器610，具有第一、第二和第三端口，用来传送从第一端口进入的光到第二端口进行输出，传送从第二端口进入的光到第三端口进行输出。第一光路311拥有第一端点和第二端点，第一端点与光环行器610的第二端口连接，用来把光传送到光环行器610的第一端口并接收光。偏振反射器140与第一光路的第二端点连接，作用是反射从第一光路311反射回的与从光环行器610第二端口分出的第一偏振光方向垂直的光。第二光路312包括第一端点和第二端点，第一端点与光环行器610的第三端口连接用来接收从第三端口发送的光并把其传送到第二端点。第二端点与光环行器610的第一端口连接用来传送在第一光路中从第一端口到第二端口接收到的光。这个激光器也包含一个至少与第一光路或第二光路连接的光放大器130，用来放大光并在偏振反射器140光循环中产生激光震动，使光环行器610经过第一光路311到达第二光路312再回到光环行器610然后传入偏振反射器140。这个激光器可以被设计成可调谐激光器通过在第一光路与第二光路中连接可调波长过滤元件314，其作用是用来过滤一定波长的反射光来得到被反射回来的在中心波长的线偏振光和调整中心波长。
如图7所示的激光腔结构中，在光环行器610构成的回路中，加入一个可调谐滤波器314；在回路610外放置一个光放大器130，即光放大器130位于回路610与法拉第反射镜140之间的第一光路311中。这种结构可以有效防止由滤波器314反射的光进入到光放大器130中，特别是当滤波器314采用F-P滤波器，这种结构更具有优越性，原因是由位于F-P滤波器传输带宽外的光不能通过滤波器，不能在回路610中传播，就不可能进入光放大器130中。只有位于F-P滤波器传输带宽内的光才能在回路610中传播，再直接输入到达光放大器130中进行信号放大。
如图8所示的结构中，可调谐滤波器314与光放大器130都放置在位于回路610与法拉第反射镜140之间的第一光路311中，在激光腔中，激光是双向通过滤波器314与光放大器130的。在这种结构中，滤波器314采用带通滤波器，通过调整带通滤波器，就可以使预期的特定波长的光得到加强，其它波长的激光受到抑制。此结构中的滤波器314不能采用F-P滤波器，否则在激光腔中，有用的激光信号与干扰激光信号都会放大而增强。
在图1-5的结构中，在PBS 110的两个端口之间形成光学回路，在图6-8的结构中，通过光环行器610来形成回路。这些光学回路具有单向性，即光是沿顺时针方向传播的。在图1-8的例子中，第一光路111或311中的光信号在光路中是双向传播的。在激光腔的结构中都有一个光纤延迟线142，例如在图1-5的结构中，光纤延迟线142位于PBS110与法拉第反射镜140之间，在图6-8的结构中，光纤延迟线142被位于光环行器610与法拉第反射镜140之间。以等于激光模式间距的速率调整可调谐滤波器的频率就可以是改变激光在激光腔往返的时间，从而达到锁模的目的。另外，在激光腔的线性光路中加上光纤延迟线142后，由于激光将会往返两次通过光纤延迟线142，所以光纤的长度只需要由锁模所需要的光纤长度的一半即可达到预期效果。值得注意的是：激光腔的线性光路不包含光放大器。这种设计能更有效的减小激光器的尺寸，降低激光器的成本。
当偏振反射镜140采用法拉第反射镜时，法拉第反射镜位于第一光路(111或者311)的终端，它主要用于反射来自第一光路的光。在这种结构中，经法拉第反射镜反射后的光与从PBS110与光环形器610出射反射前的光偏振态是正交的，法拉第反射镜是一个45度的反射镜，这样就能够保证在第一光路中反射后光的偏振态与反射之前光的偏振态是正交的。当偏振反射镜140采用一个反射镜与一个1/4玻片时，1/4玻片的两个正交的偏振主轴的方向应与从PBS 110与光环形器610出射光的光轴成45度角，1/4玻片位于PBS110或光环形器610与反射镜140的中间位置。
在这些激光器中，合理的光路设计可以使得激光腔的光的偏振态保持不变。在第一光路111或311中可以加上保偏光纤就可以保持激光腔中的偏振态，保偏光纤的偏振方向要求与从PBS110与光环行器610中出射光的偏振态一致。1/4玻片位于保偏光纤与反射镜之间，反射镜的主轴与1/4玻片的偏振轴和保偏光纤的主偏振方向都成45°度角。
在图1-8所示的激光器中，偏振态的选择机制都是内调制的。以图1为例，PBS110、法拉第反射镜与位于PBS 110与光环形器120之间的光路就能够有效抑制由PBS110、光环形器120、放大器130所组成的第三光路中的部分偏振光，第三光路中的偏振光只有一部分通过PBS110传播到达法拉第反射镜140，这样就损失了一部分偏振光。另外，通过PBS110的光通过第一光路到达法拉第反射镜140反射后重新沿第一光路返回，再传播回PBS110与光环形器120组成的第二光路，这个过程也会损失掉一部分的偏振光。由PBS110、光环形器120、放大器130所组成的第三光路中的偏振光经过PBS110到达法拉第反射镜后损失的偏振光比与其正交的偏振光损失的少，所以其光强较强。激光腔中的光环行器可以把两束正交偏振光的偏差放大，所以这种类型的激光器对偏振态的变化十分敏感。在光纤激光器中，采用这种结构就可以避免甚至消除掉偏振灵敏度。这种结构更多被用于多波长扫描激光器中，有利于克服由于温度，应力或者是震动对激光器工作稳定性的影响。
在图1-8所示的激光器中，偏振态的选择还可以采用其它的机制。例如：在图1-5的激光器中，在PBS110两个端口之间的回路可以被设计成这样一个回路，当光进入PBS110结束循环并到达法拉第镜140进行反射后，光的偏振状态改变并以90镀角进入循环回路。如果回路是自由空间，可以在回路中加入光偏振旋转器或者光偏振控制器，这样也可以使得从PBS110出射光的偏振态经过第一光路后变成期望得到的偏振态。如果回路采用保偏光纤，可以在光纤的尾部让光的偏振态改变90°度。例如，在图3中，如果保偏光纤的慢轴平行于有PBS 110出射光的偏振态，并且应该具有良好的方向特性才能保证偏振光经过保偏光纤传播能够通过PBS 110最后到达法拉第反射镜140。在图1-8的稳偏激光器中，可以在回路中加入偏振控制器，使光的偏振方向旋转90°度，从而确保激光的偏振态稳定。
如图1—5，PBS 110可以是一个偏振cube，它主要包括一个偏振选择反射面，其中一个偏振态的光被反射，与它的偏振态垂直的那束光则可以通过偏振cube。另外，PBS110也可以是一个双折射晶体，它把一束光分为偏振态互相垂直的两束光，其中一束光通过PBS 110后直接进入第一光路，与第一束光的偏振态垂直的那束光经过PBS 110后直接进入第二光路。图9给出了是一个双折射晶体型的PBS 110，它把一束光分成沿着晶体轴方向传播的两束偏振态互相垂直光S与P。PBS 110的端口与单模激光器相连使得单模激光器输出的光能耦合进双折射楔中，在双折射楔中光分成偏振态互相S光与P光两束光。光纤准直器930位于双折射楔910与光纤940之间。光纤921，922与双折射楔910的另一个端口相连。目的在于使得偏振态互相垂直的S光和P光经准直后能在相互独立的光路中传输。经过双折射910后的所形成的P光通过光纤921进行传输，S光通过光纤922进行传输。这种基于双折射楔的偏振分束器比偏振cube PBS在结构更加紧凑。
图3-8所示的光滤波器314可以有各种不同的类型，比如F-P滤波器、多层干涉滤波器等。类似的，图1-2中光学单元150中的反射式滤波器也可以由不同于基于多边形设计的其他不同的滤波器结构来实现。
图10是一个反射式滤波器1000的实例。反射式滤波器1000作为图1-2中的光学单元150使用，它是由一个光栅152和一个扫描反射镜1010组成。光栅152和扫描反射镜1010的位置是相互联系的。光被光栅152接收后被衍射成各个频率不同的衍射光分量，最后这些不同的衍射光以不同的角度被扫描反射镜1010接收。这些不同的衍射光经过扫描反射镜1010反射后只有特定频率范围内的分量能够再次通过光栅152最后到达准直器151中，与此同时，其他频率的分量经扫描反射镜1010不能到达准直器151中。通过选择扫描反射镜1010不同角度使得特定的不同频率的衍射光进入准直器151中，其频率是由扫描反射镜1010的角度决定的。一个控制器被安装到扫描反射镜1010中来控制和检测扫描反射镜1010的角度。例如galvonometer可以被用于控制扫描反射镜1010。
稳偏激光器与一种监视装置相连以监测激光的一个或多个参数。例如激光的光功率和激光的频率。图11给出一个监视模型的例子。这个模型可以安置到其他激光器中，如图2-8所示的激光器中。
如图11所示光学监视模型包含一个光连接器1110，通过和激光耦合，掉谐振腔中的激光有一小部分不能进入光纤中。通过测量和监测由光连接器1110输出的激光来获取相应的参数。如图11所示的光学监测模型包括一个光学探测器1120，如光电二极管，它用于监测由光连接器1110输出激光的光功率。如图11所示的光学监测模型包括一个激光频率监视仪1130，它用于监测由光连接器1110输出激光的光频率。
激光频率监视仪1130包括光环行器1131、光纤布拉格光栅1132、F-P光学滤波器1134、光学探测器1135和光学探测器1136。光环行器1131有三个接口，光从接口1输入接口2输出，从2输入3输出。接口1作为接收端口接收从光连接器1110出来的光。光在从接口2输出到由光纤布拉格光栅1132、F-P光学滤波器1134、光学探测器1135组成的光路中。通过光纤布拉格光栅1132可以选择与其共振频率相同的激光。用已知的FBG的共振频率作为参考频率。端口3与带有光探测器1136的光路相连。因此当激光频率被调制成已知的FBG的共振频率时，从光环行器1131到FBG1132的激光被FBG1132反射回去而不能穿过FBG1132到达F-P光学滤波器1134和光探测器1135中。被反射回来的光经由环行器1131被光探测其1136接收。当激光的波长与FBG的共振频率不同时，激光可以穿过FBG1132到达F-P光学滤波器1134中。经过调制的激光可以通过光滤波器1134。因此通过对激光频率的调制，能够产生一系列有自由光谱范围分隔的共振传输峰。由光探测其1135测的的共振波峰的数量决定了激光频率的改变量但不能提供有关频率的准确信息。FBG 1132和光探测器1136结合合使用来提供一个有关频率的参考信息。因此探测器1135和1136的输出光结合起来才能得到激光调制频率的完整信息。
如图11所示，光学连接器1110与第一条光路耦合。在第一条光路中光是双向传播的。用于检测激光强度的PIN功率检测器1120被耦合到光路中以接收通过偏振分束器111的耦合激光。激光频率检测仪1130被耦合到光路中以接收通过法拉第反射镜140的耦合激光。或者光学连接器1110可以被放置到激光谐振腔的其他位置上。比如在闭合的光回路中的某个位置。这个光回路由第二光路112、光环行器120、第三光路113和偏振分束器110组成。或者是在一个双向光路中的某个位置。这个光路是由光环行器120和光学单元150组成。
如上面有关与稳偏激光器的例子所述，一个可调节的光过滤装置被插入到激光谐振腔中用于调节激光的波长。图1，2，10和11显示了可调节反射滤波器的例子，图3-8显示了可调节反射滤波器的例子。因此激光的半波宽度是由可调节滤波装置来决定。一个光学滤波器被安置在稳偏极光器中的激光谐振腔中以减小激光的带宽或者去除激光中不想要的波段。这个光学滤波器具有重复的周期性的透过波峰和比可调滤波装置的带宽窄的的带宽。例如这个附件的光学滤波器有个光谱透过范围。这个在两个相邻的滤波峰间的光谱透过范围大约等于或者相当于可调节滤波器的半波宽度和光铺透过宽度。这个光谱透过宽度小于激光纵模宽度。这个附加的光学滤波器可以成为一个补偿光学滤波器并且可以被放置到激光器中的激光光路中。比如激光谐振腔中的闭合光回路中或者激光谐振腔的双向线性光路中。
图12给出了采用窄带宽光学滤光器的保偏极光器的例子。使用这种具有重复的透过峰的窄带宽光学滤光器的保偏极光器可以达到对窄带宽激光进行操作的目的。其效果超过了使用可调节激光滤光器的保偏极光器。在这个例子中光滤波器1210被放置在图3中使用的激光谐振腔的双向线性光路中。具体地，光滤波器1210被放置在第一光路311中的位于偏振分束器110和法拉第反射镜140之间的位置。或者光滤波器1210也可放置在第二闭合光回路312中。光滤波器1210被作为具有周期性透过峰的法拨滤波器来使用。其周期宽度有透镜的自由光谱宽度决定。自由光谱宽度等于或者小于可调节滤光器314的滤波带宽。光滤波器1210的带宽小于激光的纵模宽度。
上述的保偏激光器技术已经应用与许多仪器中了。图13中给出了一个基于保偏激光器的相干光断层扫描仪(OCT)。这台OCT仪器使用偏振稳定可调节或波长扫描激光器来产生激光束1312。光连接器1320把激光束1321分成两路。一路是进入样品光路1321的样品光，另一路是进入参考光路1322的参考光。样品光路1321由光学头1330组成。光学头1330负责对射入到样品1340的样品激光束进行调制使它能在OCT仪器上行程图像并且还负责收集从样品上返回来得光。光学头1330把从样品返回来得经收集的光沿着样品光路1321返回到光连接器1320中去。在参考光路1322的末端有个反射镜，通过这个反射镜把参考光返回到光连接器1320中去。被反射回来的参考光与从样品1340返回来得经收集的光在光连接器1320中重叠并产生干涉作用。被反射回来的参考光与从样品1340返回来得经收集的光叠加所产生的光部分被光连接器1320传输到OCT的输出端1322作为OTC的信号。光探测器1360用于检测OCT光信号1322并且把它转换为电信号以便供OCT处理单元出来从而得到对样品1340的测量。在这里，保偏激光器1310的使用提高了OCT的测量精度。
如图中13所示在此OCT设备的应用中，对于步长扫描OCT成像来说保偏激光器1310被作为傅立叶锁模激光器(FDML)来使用。在这个FDML中，单模光纤被使用来增加激光谐振腔的长度以满足锁模区域的频率条件的要求，在此条件下激光器1310的波长扫描频率被设置为等于光在谐振腔中往返一周的时间。这种OCT系统的例子被R.Huber，M.Wojtkowski，J.G.Fujimoto等人在Optics Express，Vol.14，No.8，pp.3225-3237(2006)中描述为：Fourier domain mode locking(FDML)一种激光相干光断层扫面技术的新的控制领域和应用。由于长的单模光纤的使用，激光谐振腔中的偏振态在缺乏对激光偏振态控制的情况下容易造成波动。而本发明所描述的保偏激光器的设计能够减小此问题并真强FDML OCT的使用效果。
虽然本发明包括很多的特性，但是这些不能解释为对发明或者说本发明所述内容在使用范围上的限制，而是应作为本发明独特的特点所描述。本发明不同部分所描述的特性也可以把他们结合起来作为一个整体使用。相反，本发明所描述的某一方面的特性也可以在不同的要求下重复使用或者和其他特性联合使用。虽然许多特性是通过特定的组合或者说如本发明所述的内容所描述的那样，但是可以通过把这些以后的特性作为一个单元通过特定的组合和本发明中描述的组合以产生新的特性。
这里只介绍了一些设备。通过本发明的介绍，可以对已经介绍的设备和其他一些设备作相应的调整和改进。

Claims (29)

1.一种稳偏激光器，其特征在于，该激光器包括：
一个光偏振分束器(PBS)，该偏振分束器具有第一端口、第二端口和第三端口；处于第一光偏振态的光在第一端口和第二端口之间传输，处于与第一偏振态垂直的第二偏振态的光在进入第一端口后被导向第三端口；
一个第一光路，该第一光路包括第一端点和第二端点，第一端点与PBS的第一端口相连接，用来将光导入到PBS的第一端口中，并接收以第一偏振态的方式从第二端口传输到第一端口的光；
一个偏振反射器被连接到第一光路的第二端口，用来反射接收自第一光路的光使之返回到第一光路，反射回第一光路的光的偏振态与最初进入到连接在PBS第一端口的第一光路的光偏振态相垂直；
一个第二光路，该第二光路包括第一端点和第二端点，第二光路的第一端点与所述PBS的第三端口相连接，用来接收来自第三端口的第二偏振态的光，并将接收到的光导向第二端口；
一个光环形器，该光环形器包括第一端口，第二端口和第三端口，用来将第一端口接收的光传输到第二端口，将第二端口接收到的光传输到第三端口，第一端口与第二光路的第二端点相连接，将第二光路的光导向第二端口；
一个光学单元，该光学单元连接到所述光环形器的第二端口上，用来接收光，并将返回光束引导至光环形器的第二端口；
一个第三光路，该第三光路连接在所述光环形器第三端口及PBS的第二端口之间，用来将该光环形器第三端口的光学单元的返回光束引导至PBS的第二端口，从PBS第二端口至第一端口传输的第三光路的光处于第一偏振状态；第一光路，第二光路中至少放置一个光学放大器，将经由第一光路从所述偏振反射器到PBS、经由第二光路从PBS回到该偏振反射器的光放大并引起激光震荡。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述偏振反射器包含一个法拉第反射镜，连接在第一光路的第二端点，用来反射从第一光路进入PBS并从第一光路原路返回的与第一偏振光方向成90°度的偏振光。
3.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述偏振反射镜由一个反射镜与一个1/4玻片组成，该1/4玻片的两个正交的偏振主轴与经由第一光路从PBS的第一端口出射的光成45°角，该1/4玻片位于PBS与反射镜之间。
4.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述光学放大器由在光环形器及PBS之间的第三光路组成。
5.如权利要求4所述激光器，其特征在于，该激光器还包括：
一个光学耦合器，连接在第三光路中光学放大器和PBS之间，耦合出部分光作为激光光束经由光学放大器输出。
6.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述PBS由一个双折射晶体构成，它把第一偏振态的光及第二偏振态的光折射为一束沿第一光路及一束沿第二光路的光。
7.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述PBS由一个偏振体构成，该偏振体主要包括一个偏振选择反射面，用来将第二偏振态的光反射为第一偏振态。
8.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述光学单元包含一个可调波长可滤波的光学单元，连接在光环形器的第二端口，用来过滤具有反射中心波长的接收光的光束并调整该光束波长的中心。
9.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述光学单元包含一个衍射光栅、一个旋转多边形及一系列反射镜，光由光环形器进入衍射光栅后导入至旋转多边形，并由旋转多边形导入至该反射镜，被反射镜反射到衍射光栅，光由衍射光栅经由旋转多边形的旋转选择一定波长的光返回至光环形器。
10.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述光学单元包含一个衍射光栅、一系列反射镜，光由光环形器进入衍射光栅后导入至该反射镜，被反射镜反射回衍射光栅，并且该光学单元包含一个控制器用来控制所述反射镜反射从光栅到光环形器的特定波长的光。
11.如权利要求1所述激光器，其特征在于，该激光器还包括光学监视模块，将从偏振反射器中接收的小部分光经第一光路导入到PBS，经由第二通路到光环形器、光学单元及光环形器，经由第三光路到PBS及偏振反射器，该光学监视模块用来测量光的频率或能级。
12.如权利要求1所述激光器，其特征在于，所述光学单元包含一个可调波长可滤波的光学单元，连接在光环形器的第二端口用来过滤接收光的波长；
所述激光器还包含一个光学滤波器，置于激光器的一个光路中，用来多次、周期的传输峰值。
13.如权利要求12所述激光器，其特征在于，所述的光学滤波器的频谱宽度在两个相邻的光波的波峰之间，与波长可调的可滤波的光学单元的带宽相当，传输带宽小于处于激光模式下的激光的纵模间距。
14.一种稳偏激光器，其特征在于，该激光器包括：
一个光偏振分束器(PBS)，含有第一端口，第二端口及第三端口，第一偏振态的光经由PBS的第一端口和第二端口传输，第二偏振态的光垂直于第一偏振态的光由第一端口进入，由第三端口输出；
第一光路，含有第一端点和第二端点，第一端点连接PBS的第一端口将光导入到PBS的第一端口，并将接收到的第一偏振状态的光，由PBS的第二端口传输到第一端口；
一个偏振反射镜，连接在第一光路的第二端点，将从第一光路接收到的光返射回第一光路，该反射光垂直于最初从PBS的第一端口进入第一光路的偏振光；
第二光路包括一个第一端点和一个第二端点，第一端点与PBS的第三端口相连接，第二端点与PBS的第二端口相连接；由第一端点接收自第三端口导入到第二端口的第二偏振态的光，将第二光路第一偏振态的光从到PBS的第二端口传输到第一端口；在第一光路，第二光路中至少放置一个光学放大器，将经由第一光路从偏振反射器到PBS、经由第二光路从PBS回到偏振反射器的光放大并引起激光震荡，使自偏振反射镜通过第一光路到PBS，通过第二光路到光环形器、光学单元、光环形器，再通过第三光路到PBS，到偏振反射镜的激光谐振。
15.如权利要求14所述激光器，其特征在于，所述偏振反射器包含一个与第一光路的第二端点相连的法拉第反射器，用来接收第一光路的光并反射回第一光路，这个反射回的偏振光的方向在第一光路中与法拉第反射器接收的光的偏振方向垂直。
16.如权利要求14所述激光器，其特征在于，所述偏振反射器包括一个反射器和一个1/4波片，它的两个相互垂直的主偏振轴之一与和PBS的第一端口相连的光偏振轴成45°度角，其中1/4波片位于PBS与反射器之间。
17.如权利要求14所述激光器，其特征在于，该激光器还包括：
可调波长过滤元件，与第一或第二光路中的一条相连接，用来接收光并对其进行过滤使其产生中心波长的线偏振光和调整中心波长。
18.如权利要求12所述激光器，其特征在于，所述PBS包含一个双折射晶体，用于把光分成两种不同的偏振光，一种沿第一路径传播，另一种沿第二路径传播。
19.如权利要求14所述激光器，其特征在于，所述PBS由一个包含了偏振反射表面的立方体组成，用于反射第二偏振光并传播第一偏振光。
20.如权利要求14所述激光器，其特征在于，该激光器还包括可调波长过滤元件，与第一或第二光路相连接，用来接收光并对其进行过滤使其产生中央波长的线偏振光和调整中央波长。
21.如权利要求14所述激光器，其特征在于，该激光器还包括光学检测单元，与第一光路与第二光路中的一条相连接，用来接收部分从第一光路或第二光路中传送出的光并对其频率或平均功率进行测量。
22.如权利要求14所述激光器，其特征在于，该激光器还包括第一光过滤器，与第一光路或第二光路的一条相连接，用来过滤一定波长的反射光来得到被反射回来的在中央波长的线偏振光和调整中央波长；第二光过滤器与第一光路与第二光路中的一条相连接并且具有重复性的周期性的传送波峰。
23.如权利要求22所述激光器，其特征在于，所述第二光过滤器在两个相邻的波峰之间有光谱间隔，光谱间隔与第一光过滤器的带宽相等或相似并且传送带宽小于激光器纵向模的模间隔。
24.一种稳偏激光器，其特征在于，该激光器包括：
一个带有第一端口、第二端口和第三端口的光环行器，该光环行器从第一端口接收光并从第二端口输出，把从第二端口接收到的光传入第三端口并输出；
一个包含第一端点和第二端点的第一光路，第一端点与光环行器的第二端口相连接，用来接收光并传送到光环行器的第一端口；
一个偏振反射器，与第一光路的第二端点相连接，用来反射接收来自第一光路的光，并将其反射回到第一光路，反射回去的光的偏振态垂直于起初通过第一光路进入到PBS第一端口的光的偏振态；
一个包含第一端点和第二端点的第二光路，第一端点被连接到光环行器的第三端口，用来接收从第三端点发出的光并且传送到第二端点；第二光路的第二端点与光环行器的第一端口相连接，用来把第二光路中从光环行器的第一端口接收到的光传送到光环行器的第二端口；光放大器与第一光路和第二光路中的一条相连接，用来使光放大并在一个循环中产生震动，该循环经过第一光路到第二光路从偏振反射器到光环行器，再到光环行器，最后传送到光反射器。
25.如权利要求24所述激光器，其特征在于，所述的偏振反射器包含一个与第一光路的第二端点相连的法拉第反射器，用来接收第一光路的光并反射回第一光路，该反射回的偏振光的方向在第一光路中与法拉第反射器接收的光的偏振方向垂直。
26.如权利要求24所述激光器，其特征在于，所述的偏振反射器包括一个反射器和一个1/4波片，1/4波片的两个相互垂直的主偏振轴之一与和光环行器的第二端口相连的光偏振轴成45°度角，其中1/4波片位于光环行器与反射器之间。
27.如权利要求24所述激光器，其特征在于，该激光器还包括：
可调波长过滤元件，在第二光路中与光环行器的第一和第三端口相连接，用来接收并对其进行过滤并产生中心波长的线偏振光和调整中心波长。
28.如权利要求24所述激光器，其特征在于，该激光器还包括：
可调波长过滤元件，与第一，第二光路相连接，用来过滤一定波长的反射光得到被反射回来的在中心波长的线偏振光和调整中心波长；
附加的光过滤器，具有重复的周期性的传送峰，并且被连接在第一光路或第二光路中。
29.如权利要求24所述激光器，其特征在于，所述附加的光过滤器，在两个相邻的波峰之间有光谱间隔，该光谱间隔与可调波长过滤元件的带宽相等或相似并且传送带宽小于激光器纵向模的模间隔。
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