CN101740995B - 全正色散腔锁模全光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全正色散腔锁模全光纤激光器。它利用掺稀土光纤作为激光增益介质、工作在全正色散区、利用偏振分束器分光、带通型长周期光纤光栅滤波器作为锁模激光中心波长选择和锁模激光的光谱滤波光脉冲压缩和半导体可饱和吸收体作为锁模元件等产生高重复率、高功率、结构简单、高效率的光纤激光器结构，是环境稳定、新型结构可以实现全光纤化的锁模超短激光脉冲激光器。具有皮秒和飞秒光脉冲宽度偏振激光输出，波长＞1μm激光。经高功率光纤放大器放大后可用于分子系统的泵浦-探测超快光物理实验或环境监测和微波光子学及生物物理学探测、双波长的泵浦-探测超快光物理实验、合频光辐射产生、相干反斯托克斯拉曼散射显微和微机械加工等。

Description

全正色散腔锁模全光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，特别涉及一种具有高脉冲重复率超短激光脉冲输出的被动锁模全光纤激光器，适用于产生稳定的超短激光脉冲输出用于多光子成像显微等生物医学应用等和采用直接差频法产生超短脉冲中红外激光辐射用于分子系统的泵浦-探测等科学实验，环境监测和微波光子学及生物物理学探测等，属光信息技术领域。

背景技术

现今分子系统的泵浦-探测等科学实验，环境监测和微波光子学及生物物理学探测等需要高平均功率超短脉冲的中红外光源。近年来固体激光介质如可调谐钛宝石激光器技术和谐波频率变换技术及光参量振荡与放大技术的发展，高重复率超短光脉冲覆盖从200nm的极紫外到4μm的中红外都已得到实现。而THz系统可提供的波长超过20μm。

近年来，高功率光纤超短光脉冲激光技术的飞速发展为发展基于光纤激光技术的双波长混频产生高功率高重复率中红外辐射光源提供了新的机遇和可能性(H.M.Pask，R.J.Carman，D.C.Hanna，A.C.Tropper，C.J.Mackechnie，P.R.Barber，and J.M.Dawes，IEEE J.Sel.Top.QuantumElectron.1，2(1995).)(F.Roser，J.Rothhard，B.Ortac，A.Liem，O.Schmidt，T.Schreiber，J.Limpert，and A.Tunnermann，Opt.Lett.30，2754(2005).)。光纤激光器因其独特的波导结构具有简单、高效率、坚固、轻量、一体化、高可靠性、高稳定性。而最近具有宽带激光振荡的掺Nd³⁺、Pr³⁺，Yb³⁺、Er³⁺和Tm³⁺光纤激光器及放大器的进展提供了产生波长大于1μm的双波长超短脉冲激光的可能性。而掺Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺和Tm³⁺光纤(Tm³⁺＞200nm，Er³⁺＞80nm)特别是掺Tm³⁺光纤因其具有很宽增益带宽因此也是产生双波长飞秒激光脉冲振荡潜在的有效的介质(H.M.Pask，R.J.Carman，D.C.Hanna，A.C.Tropper，C.J.Mackechnie，P.R.Barber，and J.M.Dawes，IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.1，2(1995).)。

利用半导体可饱和吸收体作为锁模元件在光纤激光器中实现被动锁模产生超短激光脉冲一直是一个受到高度重视的研究领域(A.Isomaki et al，Optics Express，Vol14，No.20，9238，2006)(A.Chong et al，Opt.Lett.，Vol.33，No.22，2638，2008)，并已有大量的研究结果发表，也有一些商业产品。但已有的商业化锁模光纤激光器只输出单波长激光，尚无商品化双波长锁模光纤激光器。

最近的关于工作在全正色散区的掺Y_b ³⁺光纤激光文献报道(FrankW.Wise et al，High energy femtosecond fiber lasers based on pulsepropagation at normal dispersion，Laser &Photonics.Rev.2，No.1-2，58-73，2008)使得输出大能量、结构稳定、实用化的超短脉冲光纤激光器技术又向前迈进了一大步。尽管由于全正色散腔体使得这种锁模光纤激光器输出带有大量正的线性啁湫的皮秒激光脉冲，但采用腔外色散压缩后可以得到变换极限的大能量飞秒激光脉冲，当然由于这种激光器采用光谱滤波光脉冲压缩的机理使得激光器输出的光谱带宽受到一定的限制.但由于这种激光器结构简化并可以实现全光纤化并输出皮秒级大能量锁模光脉冲，因此受到学术界的重视。

在全正色散腔锁模掺Yb光纤激光器中，光谱滤波在锁模激光脉冲的形成和对锁模光纤激光器稳定性的影响已有一些文献报道(B.G.Bale et al，Spectral filtering for mode locking in the normal dispersive regime，OptLett.，Vol.33，No，9，2008，941；A.Chong et al，Properties of normal dispersionfemtosecond fiber lasers，J.O.S.A(B)，Vol.25，No.2，2008，140).光谱滤波在全正色散锁模光纤激光腔中起着对自相位调制脉冲展宽的光脉冲产生压缩效应，同时对腔内自幅度调制产生作用，对锁模激光器的稳定性起着非常关键的作用，可以认为适当的光谱滤波是全正色散锁模光纤激光器自起振并稳定锁模工作的关键技术。已有公开文献报道的如2006年和2007年美国Cornell大学在环形腔非线性偏振旋转机理的掺Y_b ³⁺光纤激光中采用4到12nm带宽的干涉滤光片或不同厚度的双折射石英片构成的光谱滤波片实现了稳定的锁模震荡(A.Chong et al，All Normal dispersion femtosecond fiber laser，OpticsExpress，Vol.14，No.21，2006，10095；A.Chong et al.，All Normal dispersionfemtosecond fiber laser with pulses energy above 20nJ，Optics letters，Vol.32，No.16，2007，2408；K.Kieu et al.，Sub-100fs pulses at watt-level powersfrom a dissipative-soliton fiber laser，Opt Lett.，Vol.34，No.5，2009，539)，2007-2008年美国海军实验室和德国汉洛威大学汉洛威激光也采用类似锁模机理的全正色散环形腔的掺Y_b ³⁺光纤激光实现了锁模振荡(其中海军实验室采用全正色散环形腔内放置干涉滤光片，而德国激光汉洛威分别采用了特殊设计的光纤波分复用器(WDM)作为腔内光谱滤波器实现脉冲压缩和腔内半导体可饱和吸收体启动的原理(Janet W.Lou et al.，Experimental measurements ofsoliton pulse characteristics from an all normal dispersion Yb-doped fiberlaser，Optics Express，Vol.15，No.8，2007，4960；O.Prochnow et al.，All fibersimilariton laser at 1μm without dispersion compensation，Optics Express，Vol.15，No.11，2007，6889；Michael Schultz et al，All fiber Ytterbiumfemtosecond laser without dispersion compensation，Optics Express，Vol.16，No.24，2008，19562))。对环境稳定的全正色散采用全保偏掺Y_b ³⁺光纤的锁模激光器，2008年美国Cornell大学利用半导体可饱和吸收体锁模机理在线性腔保偏掺Y_b ³⁺光纤激光中采用12nm的双折射石英片构成的光谱滤波片实现了稳定的锁模振荡(A.Chong et al.，Environment stable all normal-dispersionfemtosecond fiber laser，Optics letters，Vol.33，No.10，2008，1071)。2006年日本大阪大学激光工程研究所采用全保偏光纤环形腔掺Yb光纤激光器无腔内色散补偿实现调谐的锁模激光输出(K.Sumimura et al，Environmentally-stablemode-locked Yb fiber laser composed of all polarization maintaining fiberwith a broad tuning range，OSA/CLEO 2006，CThJ4.pdf)。而近年来采用保偏掺Y_b ³⁺光纤的锁模激光器如德国和丹麦等一般也采用腔内色散补偿如衍射光栅对或光子晶体光纤，或采用反射式啁湫光纤光栅(CFBG)作为输出耦合器和色散补偿器(T.Schreiber et al，Microjoule levelall-polarization-maintaining femtosecond fiber source，Optics letters，Vol.31，No.5，2006，574；C.K.Nielsen et al.，Self-starting self-similar allpolarization maintaining Yb-doped fiber laser，Optics Express，Vol.13，No.23，2005，9346；B.Ortac et al，Experimental and numerical study ofpulses dynamics in positive net cavity dispersion mode-locked Yb-dopedfiber lasers，Optics Express，Vol.15，No.23，2007，15595；Dmitry et al.，Monolithic all PM femtosecond Yb-fiber laser stabilized with a narrow-bandfiber Bragg grating and pulses-compressed in a hollow core photonic crystalfiber，Optics Express，Vol.16，No.18，2008，14004)。但在上述目前报道的全正色散区工作的锁模掺Yb光纤激光器中，腔内采用了非光纤化的干涉滤光片或反射型的啁湫光纤布拉格光栅(CFBG)作为腔面反射镜或输出镜，这些元件或影响腔体的全光纤化，或影响激光腔体的设计。

最近几年长周期带通型光纤光栅(Long Period Grating，LPG)滤波器研究的进展(Radan Slavík et al.，Long-Period Fiber-Grating-Based Filter forGeneration of Picosecond and Subpicosecond Transform-Limited Flat-TopPulses，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.20，NO.10，2008，806；D.Nodop et.al.，Long period gratings written in Large modephotonic crystal fiber，Appl.Physics.B，92，2008，509-512)使得采用长周期带通型光纤光栅滤波器作为锁模激光脉冲压缩和激光波长滤波调谐元件、工作在全正色散腔体的全光纤锁模激光器的设计成为可能，但据作者了解目前尚无公开文献报道。

公开号为CN101202408A的中国发明专利“共保偏光纤光栅可调谐双波长光纤激光器”其采用了保偏光纤光栅的两个不同偏振态所具有的两个光谱反射峰通过改变压力或温度改变保偏光纤光栅的反射峰位置实现双波长线偏振调谐激光输出。其缺点是：1.这两个由于保偏光纤固有的大的双折射引起的不同反射峰(分别有不同的偏振态)的光谱间隔比较小而且调节的范围很小；2.由于采用窄带宽保偏光纤光栅作为激光腔体反射面，很难实现被动锁模产生超短激光脉冲；3.此腔体结构适合窄线宽调谐双波长光纤激光器。公开号为CN1194453C的中国发明专利“一种多波长输出光纤激光器”，采用AWG(阵列波导光栅)作为腔内光滤波器实现多波长激光输出。

公开号为CN101510663A的中国发明专利“偏振双波长光纤超短脉冲激光器”中，提出利用偏振分光的方式利用保偏光纤的两个光轴方向(快轴和慢轴)作为两个波长的激光的偏振方向。但是该技术由于光纤激光器两个波长锁模激光工作在零色散或接近零色散区域内，激光腔内采用了两个平行的衍射光栅对或反射式啁湫光纤光栅(CFBG)作为腔内两个波长的色散补偿器件，以输出飞秒脉宽的双波长锁模激光脉冲。

经过文献检索，有如下技术涉及锁模光纤激光器，如Jian Liu，UltrshortStable Mode-locked Fiber Laser At One Micron By Using PolarizationMaintaining(PM)Fiber and Photonic Bandgap Fiber(PBF)，US Patent，US2008/0151945A1、Hong Lin，Wavelength Tunable，Polarization StableMode-locked Fiber Laser，World International Property Organization，PCT/US00/19170，2001和O.Okhotnikov et al，A Mode-Locked Fiber Laser，World International Property Organization，PCT/FI2006/050184，2006等。上述技术采用了工作在负色散区概念，腔内有固体衍射光栅对或光子带隙光纤光栅进行色散补偿等，这也影响了激光腔体的全光纤化从而影响了锁模光纤激光器的长期稳定性，或者激光器的造价很昂贵影响其使用范围。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种工作在全正色散区，无色散补偿元件，实现全光纤化、实用化，输出大能量激光脉冲的锁模全光纤激光器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种全正色散腔锁模全光纤激光器，它是工作在全正色散区的全光纤超短脉冲线性腔激光器，所述的线性腔激光器包括第一激光腔体端面兼锁模用的半导体可饱和吸收体、光纤激光增益介质、带通型长周期光纤光栅、输出耦合器和第二激光腔体端面；所述的带通型长周期光纤光栅，为一段中心波长1.0～1.1μm、带宽4～12nm的带通型长周期光纤光栅，或中心波长为1.0～1.1μm、带宽为4～12nm的两段带通型长周期光纤光栅，且各段带通型长周期光纤光栅的中心波长不同；所述的光纤激光增益介质为保偏掺稀土增益光纤。

这种全正色散腔锁模全光纤线性腔激光器，具有以下三种具体的结构：

第一种线性腔激光器的结构为：

一个半导体可饱和吸收体粘在波分复用器的一个光纤端面上产生锁模光脉冲；

一个泵浦源为波分复用器提供泵浦光，作为输入泵浦光；

一个波分复用器与保偏掺稀土光纤连接用于将泵浦源的泵浦激光输入到保偏掺稀土光纤中产生激光增益；

一个带通型长周期保偏光纤光栅的一端与保偏增益光纤的另一端连接；

一个只有单偏振轴震荡输出的光纤耦合器的一端与带通型长周期光纤光栅的另一端连接；

一个全反射腔镜与输出耦合器的另一端连接。

第二种线性腔激光器的结构为：

一个部分反射率的耦合镜与保偏980/1064波分复用器的信号输入光纤连接；

976nm光纤耦合的泵浦激光与保偏980/1064波分复用器的泵浦激光输入光纤连接将泵浦激光输入到激光器腔内；

一段保偏的掺Y_b ³⁺增益光纤的一端与保偏980/1064波分复用器的另一端连接，该连接端为信号激光和泵浦激光输入的共用端；

保偏的掺Y_b ³⁺增益光纤的另一端与偏振分束器合束一字端保偏光纤连接，偏振分束器将两个偏振方向不同波长的激光分开；

两个保偏光纤耦合的衰减器的一端分别与偏振分束器的两个偏振方向耦合光纤连接，两个衰减器分别调节激光腔内两个波长激光的净增益平衡；

保偏光纤耦合的衰减器的另一端分别与两个不同中心波长、带宽为4到12nm的带通型长周期保偏光纤光栅的一端连接，带通型长周期保偏光纤光栅的功能是双波长激光中心波长的选择和两个波长锁模激光光谱滤波光脉冲压缩；

两个半导体可饱和吸收体分别与两个带通型长周期保偏光纤光栅的另一端光纤通过耦合光学系统或直接通过光学胶连接，半导体可饱和吸收体充当锁模元件和激光器的腔体反射元件。

第三种线性腔激光器的结构为：

一个部分反射率的耦合镜与偏振分束器合束一字端保偏光纤连接；

两个保偏光纤980/1064波分复用器的信号输入光纤分别与偏振分束器的两个偏振方向耦合光纤连接；

两个光纤耦合的976nm泵浦激光分别与两个保偏980/1064波分复用器的泵浦激光输入光纤连接，将泵浦激光输入到激光器腔内；

两段不同长度的保偏掺Y_b ³⁺增益光纤的一端分别与两个保偏980/1064波分复用器的另一端连接，该端为信号激光和泵浦激光公用端，保偏掺Y_b ³⁺增益光纤在泵浦激光作用下产生激光增益；

两段不同长度的保偏掺Y_b ³⁺增益光纤的另一端分别与两个不同中心波长、带宽为4到12nm的带通型长周期保偏光纤光栅的一端连接，带通型长周期保偏光纤光栅的作用是双波长激光中心波长的选择和两个波长锁模激光的光谱滤波光脉冲压缩；

两个半导体可饱和吸收体分别与两段不同中心波长的带通型长周期保偏光纤光栅的另一端光纤通过耦合光学系统或直接通过光学胶连接，半导体可饱和吸收体充当锁模元件和一个激光腔体反射元件。

一种全正色散腔锁模全光纤激光器，它为工作在全正色散区的超短脉冲非保偏光纤环型腔激光器，所述的环型腔激光器包括一个光纤耦合的隔离器、光纤偏振控制器、带光纤耦合输出的976nm或915nm泵浦激光器、976/1060nm或915/1064nm波分复用器、普通单模掺Y_b ³⁺光纤激光增益介质、一段单模光纤、一个单模带通型长周期光纤光栅和一个光纤耦合的偏振分束器；所述的单模带通型长周期光纤光栅，其中心波长为1.0～1.1μm、带宽为4～12nm；该激光器的结构为：

一个光纤偏振控制器与光纤耦合的隔离器连接，隔离器保证光纤环形腔单向形成激光振荡，光纤偏振控制器调节和控制腔内激光偏振；

一个980/1060波分复用器的信号输入端与光纤偏振控制器连接；

光纤耦合的泵浦激光与980/1060波分复用器的泵浦激光输入端连接将泵浦激光耦合进光纤环形激光腔内；

单模掺杂光纤增益介质的一端与980/1060波分复用器的信号激光/泵浦激光混合端连接，增益介质在泵浦激光下产生信号激光增益；

一段普通单模光纤的一端与掺杂光纤增益介质的另一端连接；

单模带通型长周期光纤光栅的一端与一段普通单模光纤的另一端连接；

另一个光纤偏振控制器的一端与一个带通型长周期光纤光栅的另一端连接，光纤偏振控制器调节和控制腔内激光偏振；

一个光纤耦合的偏振分束器的输入光纤端与光纤偏振控制器的另一端连接；

光纤耦合的隔离器的输入端与光纤耦合偏振分束器的一个输出端光纤连接构成一个单向环形光纤激光器腔体，光纤耦合偏振分束器的另一个输出端光纤作为锁模环形腔激光器的输出端口。

一种全正色散腔锁模全光纤激光器，它为工作在全正色散区的超短脉冲全保偏光纤环型腔激光器，所述的环型腔激光器包括一个光纤端面粘贴有半导体可饱和吸收体的保偏光纤环路器、偏振光纤隔离器、保偏光纤激光增益介质、带通型长周期保偏光纤光栅滤波器和输出耦合器；所述的带通型长周期光纤光栅滤波器，其中心波长为1.0～1.1μm、带宽为4～12nm；所述的光纤激光增益介质，采用一段保偏掺稀土增益光纤作为增益介质；该激光器的结构为：

一个泵浦源为波分复用器提供泵浦光，作为输入泵浦光；

一个波分复用器与保偏掺稀土光纤连接用于将泵浦源的泵浦激光输入保偏掺稀土光纤中产生激光增益；

一个带通型长周期保偏光纤光栅的一端与保偏增益光纤的另一端连接，带通型长周期保偏光纤光栅的功能是锁模激光脉冲中心波长的选择和锁模光谱脉冲压缩，实现锁模激光器的稳定工作；

一个只有单偏振轴震荡输出的光纤耦合器的一端与带通型长周期光纤光栅的另一端连接，锁模激光脉冲从光纤耦合器输出；

一个保偏光纤环路器的第一端光纤与光纤耦合器的另一端连接；

一个保偏光纤环路器的第二端光纤与一个半导体可饱和吸收体通过光学镜头或直接用光学胶连接，半导体可饱和吸收体对激光的非线性作用在环形腔激光器中产生锁模效应形成超短激光脉冲；

一个保偏光纤环路器的第三端光纤与一个保偏光纤耦合的隔离器连接，隔离器使得光纤环形腔激光器单向产生激光震荡；

隔离器的输出端光纤与波分复用器的另一端光纤连接，构成一个完整的、单向震荡的环形激光腔。

本发明技术方案中所述的保偏掺稀土增益光纤为普通单模或单模保偏掺稀土光纤，或采用双复层泵浦的掺稀土的大芯径单模保偏光纤，或掺稀土的保偏大芯径单模光子晶体光纤；所述的掺稀土为掺Nd³⁺、Yb³⁺。

与现有技术相比，本发明具有一下几方面明显的优点：

1.在环形腔锁模光纤激光器中采用单模带通型长周期光纤光栅，整个激光器工作在全正色散区，腔内无自由空间色散补偿器件或光子晶体色散补偿光纤，实现了全光纤一体化结构，这意味着激光腔体更为稳定、更为实用化，并可输出更大的激光脉冲能量。

2.线性腔锁模保偏光纤激光器中采用带通型长周期保偏光纤光栅，整个激光器工作在全正色散区，激光器设计更为简化，实现了全光纤一体化，这也意味着激光腔体更为稳定、更为实用化，真正环境稳定化，并可输出更大的激光脉冲能量。

3.在线性腔锁模双波长光纤激光器中采用带通型长周期保偏光纤光栅，整个两个激光波长锁模激光器工作在全正色散区，激光器设计更为简化，实现了全光纤一体化，这也意味着激光腔体更为稳定、更为实用化，真正环境稳定化，并可输出更大的双波长激光脉冲能量。

附图说明

图1是实施例1提供的全正色散腔锁模全光纤激光器的结构组成示意图；

图2是实施例2提供的全正色散腔锁模全光纤激光器的结构组成示意图；

图3是实施例3提供的全正色散腔锁模全光纤激光器的结构组成示意图；

图4是实施例4提供的全正色散腔锁模全光纤激光器的结构组成示意图；

图5是实施例5提供的全正色散腔锁模全光纤激光器的结构组成示意图。

图中：0(01，02)、锁模用的半导体可饱和吸收体元件；1(101，102)、带通型长周期保偏光纤光栅；10、普通单模带通型长周期光纤光栅；2、保偏光纤耦合偏振分束器；3(301，302)、保偏掺Y_b ³⁺增益光纤；30、普通单模掺Y_b ³⁺增益光纤；4(401，402)、保偏光纤976/1064波分复用器；40、单模光纤976/1064波分复用器；5(51，52)、976nm泵浦激光(源)；6、部分反射输出镜；8(15)、单模光纤偏振控制器；9、光纤耦合的偏振分束器；12、全反射镜；13、一定输出比率单偏振保偏光纤输出耦合器；14、单模光纤耦合隔离器；17、保偏光纤环路器；18、保偏光纤耦合隔离器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

本实施例提供一种工作在全正色散区、环境稳定的锁模全保偏掺Yb³⁺光纤线性腔激光器的结构，采用一段保偏掺稀土增益光纤作为增益介质，其腔内应用了适当中心波长和带宽的带通型保偏长周期光纤光栅滤波器作为锁模激光器中心波长选择和光谱滤波脉冲压缩的元件，实现全光纤超短脉冲激光器稳定锁模振荡。

参见附图1，它是本实施例采用线性腔锁模全保偏光纤激光器的腔体结构的示意图；腔内利用了适当中心波长和带宽的带通型保偏长周期光纤光栅滤波器作为锁模激光器中心波长调谐和光谱滤波脉冲压缩的元件。泵浦激光通过波分复用器(WDM)耦合进保偏掺杂稀土光纤产生增益，激光器腔内采用了适当中心波长和带宽的带通型长周期光纤光栅滤波器作为激光器中心波长的选择和光谱滤波脉冲压缩的元件，保偏光纤输出耦合器输出部分锁模激光功率并确保只有一个光轴方向激光振荡，全反射镜作为激光腔的第一腔体端面，一个通过光学系统耦合或直接粘在光纤端面上的半导体可饱和吸收体作为激光器的第二反射腔面和锁模元器件，半导体可饱和吸收体对激光的非线性作用与增益光纤、适当中心波长(1.0～1.1μm)和带宽(4～12nm)的带通型保偏长周期光纤光栅光谱滤波光脉冲压缩、在整个正色散激光腔体产生稳定的锁模超短脉冲激光。由图1可以看到，其具体连接关系是：泵浦激光5通过波分复用器(WDM)4耦合进保偏掺杂稀土光纤3产生增益；激光器腔内采用了中心波长为1.1μm、带宽为6nm的带通型长周期光纤光栅滤波器1作为激光器中心波长的选择和光谱滤波光脉冲压缩的元件；一个保偏光纤输出耦合器13与适当带宽的带通型长周期光纤光栅滤波器1连接，保偏光纤输出耦合器13输出部分锁模激光功率并确保只有慢轴方向的激光振荡；全反射镜12作为激光腔的第一反射端面；一个通过光学系统耦合或直接粘在光纤端面上的半导体可饱和吸收体0作为光纤激光器的第二反射腔面和锁模元器件，半导体可饱和吸收体0对激光的非线性作用与增益光纤3、适当带宽的带通型保偏长周期光纤光栅滤波器光脉冲压缩1在整个正色散激光器腔体产生稳定的锁模超短脉冲激光，通过保偏光纤输出耦合器13输出。全光纤激光器腔内全部光纤器件为保偏器件，以确保腔内激光偏振稳定，环境稳定地锁模工作。

实施例2：

本实施例提供一种工作在全正色散区、环境稳定工作的锁模双波长全保偏掺Y_b ³⁺光纤线性腔激光器的结构。采用一段保偏掺稀土增益光纤作为增益介质，其腔内应用了两个适当中心波长(中心波长为1.0～1.1μm可调)、带宽为4～12nm的带通型保偏长周期光纤光栅滤波器作为双波长锁模光纤激光器中心波长选择调谐和光谱滤波光脉冲压缩的元件，利用半导体可饱和吸收体实现双波长全光纤超短脉冲激光器稳定的锁模振荡。

图2是本实施例的一种采用半导体可饱和吸收体锁模、工作在全正色散区的双波长全光纤线性腔激光器的腔体结构示意图；腔内利用了两个适当带宽和中心波长的带通型长周期光纤光栅滤波器作为锁模激光器中心波长选择和光谱滤波脉冲压缩的元件。泵浦激光通过波分复用器(WDM)耦合进保偏掺杂稀土光纤产生增益，偏振分束器作为双波长激光分光器件，两个中心波长不同的带通型长周期保偏光纤光栅作为激光腔内双波长激光选择元件和锁模光谱滤波光脉冲压缩的元件，半导体可饱和吸收体作为锁模元件的、工作在全正色散区的双波长超短脉冲光纤激光器。参见附图2，该光纤激光器结构的具体连接关系是：一个部分反射率的耦合镜6与保偏980/1064波分复用器4的激光信号输入光纤连接，耦合镜6的功能是输出锁模激光脉冲和整个激光器的第二个反射端面；一个保偏光纤波分复用器(WDM)4与泵浦激光5连接，泵浦激光5通过波分复用器(WDM)4耦合进光纤激光腔内；一段保偏的掺Y_b ³⁺增益光纤3的一端与保偏980/1064波分复用器4的另一端(信号激光和泵浦激光公用端)连接以产生激光增益；保偏的掺Y_b ³⁺增益光纤3的另一端与偏振分束器2合束一字端保偏光纤连接，偏振分束器2的功能是将两个波长的激光用偏振的方式从空间上分开；两个保偏光纤耦合的衰减器11，12的一端分别与偏振分束器2的两个偏振方向耦合光纤连接，衰减器11，12的功能是改变双波长光纤激光两个波长臂的损耗以平衡两个波长激光的净增益；保偏光纤耦合的衰减器11，12的另一端分别与两个不同中心波长(其中一个中心波长为1.02μm，另一个为1.09μm)、带宽为10nm的带通型长周期保偏光纤光栅101，102的一端连接，带通型长周期保偏光纤光栅101，102的作用是双波长激光中心波长的选择和两个波长锁模激光的光脉冲压缩；两个半导体可饱和吸收体01，02分别与两个带通型长周期保偏光纤光栅101，102的另一端光纤通过耦合光学系统或直接通过光学胶连接，半导体可饱和吸收体01，02充当锁模元件和激光腔的一个腔反射元件。偏振分束器2将两个波长的激光用偏振的方式从空间上分开从而分别操控(如锁模等)，而两个波长激光锁模的实现是采用了两个半导体可饱和吸收体01，02，两个不同中心波长的带通型长周期保偏光纤光栅101，102选择两个不同的锁模中心波长并在全正色散激光腔体实现锁模光谱滤波光脉冲压缩，实现稳定的双波长锁模超短脉冲激光脉冲输出。

实施例3：

本实施例提供一种工作在全正色散、环境稳定的锁模双波长全保偏掺Y_b ³⁺线性腔光纤激光器的结构。采用两段不同长度的保偏掺稀土增益光纤作为增益介质，其腔内应用了两个适当中心波长(1.0～1.1μm)、带宽为4～12nm的带通型长周期保偏光纤光栅滤波器作为双波长锁模光纤激光器中心波长选择调谐和光谱滤波光脉冲压缩的元件，利用半导体可饱和吸收体实现双波长全正色散腔体全光纤超短脉冲激光器锁模振荡。

图3是本实施例中一种采用半导体可饱和吸收体实现锁模，工作在全正色散区双波长全光纤线性腔激光器的腔体结构示意图；腔内利用了两个适当中心波长(1.0～1.1μm)和带宽(4～12nm)的带通型长周期光纤光栅滤波器作为锁模激光器中心波长选择调谐和光谱滤波光脉冲压缩的元件。参见附图3，其具体结构为：一个部分反射率的耦合镜6与偏振分束器2合束一字端保偏光纤连接，耦合镜6的功能是锁模激光输出端口和第一个激光器腔体反射面；两个保偏光纤980/1064波分复用器401，402的信号激光输入光纤分别与偏振分束器2的两个偏振方向耦合光纤连接，偏振分束器2的功能是将两个波长的激光用偏振的方式从空间上分开；两个光纤耦合的976nm泵浦激光51，52通过波分复用器(WDM)401，402分别耦合进光纤激光腔内；两段不同长度的保偏掺Y_b ³⁺增益光纤301，302的一端分别与两个保偏980/1064波分复用器4的另一端(信号激光和泵浦激光公用端)连接，泵浦激光在增益光纤中产生激光增益；两段保偏掺Y_b ³⁺增益光纤301，302的另一端分别与两个不同中心波长(波长分别可选择为1.02和1.08μm)、带宽为12nm的带通型长周期保偏光纤光栅101，102的一端连接，带通型长周期保偏光纤光栅101，102的作用是双波长激光中心波长选择和两个波长锁模激光的光谱滤波光脉冲压缩；两个半导体可饱和吸收体01，02分别与两个带通型长周期保偏光纤光栅101，102的另一端光纤通过耦合光学系统或直接通过光学胶连接，半导体可饱和吸收体01，02充当激光锁模元件和激光腔的腔体反射元件。偏振分束器2将两个波长的激光用偏振的方式从空间上分开从而分别操控(如锁模等)，而两个波长激光锁模的实现是采用了两个半导体可饱和吸收体01，02，两个不同中心波长、12nm带宽的带通型长周期保偏光纤光栅101，102选择两个不同的锁模中心波长并在全正色散激光腔体实现锁模光谱滤波脉冲压缩，形成稳定的双波长锁模超短脉冲输出。

实施例4：

本实施例提供一种工作在全正色散环形腔的锁模掺Y_b ³⁺光纤激光器的结构，采用一段单模掺稀土增益光纤作为增益介质，其腔内应用了适当中心波长(1.0～1.1μm)和带宽(4～12nm)的带通型长周期光纤光栅滤波器作为锁模激光器中心波长选择和光谱滤波光脉冲压缩的元件，实现全光纤超短脉冲激光器稳定锁模振荡。

参见附图4，它是本实施例采用环形腔非线性偏振旋转锁模的全光纤激光器腔体结构示意图；腔内利用了适当中心波长和带宽的带通型长周期光纤光栅滤波器作为锁模激光器中心波长选择和光谱滤波光脉冲压缩的元件。泵浦激光通过波分复用器(WDM)耦合进单模掺杂稀土光纤产生增益，环形腔激光器腔内采用了适当带宽的带通型长周期带通性光纤光栅滤波器作为激光器中心波长的选择和光谱滤波光脉冲压缩的元件，一个光纤耦合的隔离器确保光纤激光器单向振荡，两个光纤偏振控制器调整光纤激光器腔内激光的偏振方向，一个偏振分束器作为锁模激光器的输出耦合器，增益光纤、带通型长周期光纤光栅滤波器、隔离器、两个光纤偏振控制器、偏振分束器组成的激光的非线性偏振旋转可饱和吸收体产生稳定的锁模脉冲。由图4可见其具体连接关系是：泵浦激光5通过波分复用器(WDM)40耦合进单模掺杂稀土光纤30产生增益，一个适当中心波长为1.02μm、带宽为12nm的带通型长周期光纤光栅滤波器10通过一段单模光纤16与单模掺杂稀土光纤30连接，带通型长周期光纤光栅滤波器10作为激光器中心波长的选择和光谱滤波光脉冲压缩的元件，一个光纤偏振控制器8与长周期带通性光纤光栅滤波器10连接，光纤偏振控制器8的作用是调整腔内激光偏振态并与其它器件产生可饱和吸收体产生锁模激光脉冲，一个光纤耦合的偏振分束器9与光纤偏振控制器8连接并构成输出比率可变的激光输出端口，一个光纤耦合的隔离器14与光纤耦合的偏振分束器9连接，隔离器14的作用是确保环形腔光纤激光器单向振荡，另一个光纤偏振控制器15与隔离器14连接，光纤偏振控制器15的作用是调整环形腔内激光的偏振态并与其它器件形成被动锁模产生超短激光脉冲的可饱和吸收体，光纤偏振控制器15、波分复用器(WDM)40、单模掺杂稀土光纤30、一段单模光纤16、适当中心波长和带宽的带通型长周期光纤光栅滤波器10、光纤偏振控制器8、光纤耦合的偏振分束器9、隔离器14构成一个利用非线性偏振旋转锁模环形腔的激光器，带通型长周期光纤光栅滤波器10产生腔内波长选择和光谱滤波光脉冲压缩作用，两个光纤偏振控制器8和15、增益光纤30、带通型长周期光纤光栅滤波器10、光纤耦合的偏振分束器9产生非线性偏振旋转可饱合吸收体锁模。

实施例5：

本实施例提供一种工作在全正色散区的锁模掺Y_b ³⁺全保偏光纤环形腔激光器的结构，采用一段保偏掺稀土增益光纤作为增益介质，利用半导体可饱和吸收体实现锁模工作，其腔内应用了适当中心波长(1.0～1.1μm)和带宽(4～12nm)的带通型长周期保偏光纤光栅滤波器作为锁模激光器中心波长选择调谐和光谱滤波光脉冲压缩的元件，实现稳定的全光纤超短脉冲激光器锁模振荡。

参见附图5，它是本实施例所述的一种采用半导体可饱和吸收体锁模的全保偏光纤激光器环形腔体结构示意图；腔内利用了适当带宽(4～12nm)和中心波长(1.0～1.1μm)的带通型长周期保偏光纤光栅滤波器作为锁模激光器中心波长选择调谐和光谱滤波光脉冲压缩的元件。泵浦激光通过波分复用器(WDM)耦合进掺杂保偏稀土光纤产生增益，环形腔激光器腔内采用了适当带宽的带通型长周期光纤光栅滤波器作为激光器中心波长的选择和光谱滤波光脉冲压缩的元件，一个保偏光纤耦合的隔离器确保光纤激光器单向环行振荡，一个保偏光纤耦合器为锁模激光输出耦合器，增益光纤、带通型长周期光纤光栅滤波器、隔离器、光纤耦合器和半导体可饱和吸收体组成的激光环行腔体产生稳定的锁模激光脉冲。其具体连接关系由图5可见：泵浦激光5通过波分复用器(WDM)4耦合进保偏掺杂稀土光纤3产生增益；一个中心波长为1.06μm、带宽为8nm的带通型长周期保偏光纤光栅滤波器1的一端与掺杂保偏稀土光纤3的另一端连接，带通型长周期光纤光栅滤波器1作为锁模光纤激光器中心波长的选择和光谱滤波光脉冲压缩的元件；一个偏振光纤耦合器13的一端光纤与带通型长周期保偏光纤光栅滤波器1的另一端光纤连接，偏振光纤耦合器13的作用是输出腔内锁模激光；一个保偏光纤环行器17的输入光纤端与偏振光纤耦合器13的另一端光纤连接，一个半导体可饱和吸收体0通过光学镜头耦合或直接用光学胶粘在保偏光纤环行器17的第二端光纤上，半导体可饱和吸收体0对激光的非线性作用形成稳定的锁模激光脉冲；保偏光纤环行器17的输出光纤端与保偏光纤隔离器18的输入端连接，保偏光纤隔离器18的作用是使光纤环形腔激光器单向工作；保偏光纤隔离器18的输出端光纤与波分复用器(WDM)4的信号输入端光纤连接，形成一个完整的环形激光腔；半导体可饱和吸收体0对激光的非线性作用与增益光纤3、适当带宽的带通型长周期保偏光纤光栅滤波器1光脉冲压缩，从而在整个正色散激光腔体产生稳定的锁模超短脉冲激光，通过保偏光纤输出耦合器13输出。

Claims (3)

1.一种全正色散腔锁模全光纤激光器，它为工作在全正色散区的全光纤超短脉冲线性腔激光器，其特征在于：所述的线性腔激光器包括第一激光腔体端面兼锁模用的半导体可饱和吸收体、光纤激光增益介质、带通型长周期光纤光栅、输出耦合器和第二激光腔体端面；所述的带通型长周期光纤光栅，为一段中心波长1.0～1.1μm、带宽4～12nm的带通型长周期光纤光栅，或中心波长为1.0～1.1μm、带宽为4～12nm的两段带通型长周期光纤光栅，且各段的中心波长不同；所述的光纤激光增益介质为保偏掺稀土增益光纤；

所述的线性腔激光器的结构为：

一个部分反射率的耦合镜[6]与保偏980/1064波分复用器[4]的信号输入光纤连接，耦合镜[6]输出锁模激光脉冲；

976nm光纤耦合的泵浦激光[5]与保偏980/1064波分复用器[4]的泵浦激光输入光纤连接将泵浦激光输入激光器腔内；

一段保偏的掺Y_b ³⁺增益光纤[3]的一端与保偏980/1064波分复用器[4]的另一端连接，该连接端为信号激光和泵浦激光[5]的共用端，增益光纤在激光泵浦下对两个偏振方向的激光都产生增益；

保偏的掺Y_b ³⁺增益光纤[3]的另一端与偏振分束器的合束一字端的保偏光纤连接，偏振分束器[2]将两个不同偏振方向的激光分开；

两个保偏光纤耦合的衰减器[11，12]的一端分别与偏振分束器[2]的两个不同偏振方向的耦合光纤连接，衰减器[11，12]分别调节两个不同波长激光腔体的净增益；

保偏光纤耦合的衰减器[11，12]的另一端分别与两个不同中心波长的带通型长周期保偏光纤光栅[101，102]的一端连接；带通型长周期保偏光纤光栅[101，102]的作用是分别对衰减器[11，12]输出的两个不同波长的激光进行选择以及对两个波长的锁模激光光谱进行滤波和光脉冲压缩，稳定锁模脉冲；

两个半导体可饱和吸收体[01，02]分别与两个带通型长周期保偏光纤光栅[101，102]的另一端光纤通过耦合光学系统或直接通过光学胶连接，半导体可饱和吸收体充当锁模元件和激光器的腔体反射元件。

2.一种全正色散腔锁模全光纤激光器，它为工作在全正色散区的全光纤超短脉冲线性腔激光器，其特征在于：所述的线性腔激光器包括第一激光腔体端面兼锁模用的半导体可饱和吸收体、光纤激光增益介质、带通型长周期光纤光栅、输出耦合器和第二激光腔体端面；所述的带通型长周期光纤光栅，为一段中心波长1.0～1.1μm、带宽4～12nm的带通型长周期光纤光栅，或中心波长为1.0～1.1μm、带宽为4～12nm的两段带通型长周期光纤光栅，且各段的中心波长不同；所述的光纤激光增益介质为保偏掺稀土增益光纤；

所述的线性腔激光器的结构为：

一个部分反射率的耦合镜[6]与偏振分束器[2]的合束一字端的保偏光纤连接，耦合镜[6]输出锁模激光脉冲；

两个保偏光纤980/1064波分复用器[401，402]的信号输入光纤分别与偏振分束器[2]的两个不同偏振方向的耦合光纤连接；

两个光纤耦合的976nm泵浦激光[51，52]分别与两个保偏980/1064波分复用器[401，402]的泵浦激光输入光纤连接，将泵浦激光输入到激光器腔内；

两段不同长度的保偏掺Y_b ³⁺增益光纤[301，302]的一端分别与两个保偏980/1064波分复用器[4]的另一端连接，该端为信号激光和泵浦激光公用端；

两段不同长度的保偏掺Y_b ³⁺增益光纤[301，302]的另一端分别与两个不同中心波长的带通型长周期保偏光纤光栅[101，102]的一端连接；长周期保偏光纤光栅[101，102]的作用是分别对保偏掺Y_b ³⁺增益光纤[301，302]输出的两个不同波长的激光进行选择以及对两个波长锁模激光的光谱进行滤波和光脉冲压缩，稳定锁模脉冲；

两个半导体可饱和吸收体[01，02]分别与两个不同中心波长的带通型长周期保偏光纤光栅[101，102]的另一端光纤通过耦合光学系统或直接通过光学胶连接，半导体可饱和吸收体充当锁模元件和一个激光腔体反射元件。

3.根据权利要求2所述的一种全正色散腔锁模全光纤激光器，其特征在于：所述的保偏掺稀土增益光纤为普通单模或单模保偏掺稀土光纤，或掺稀土的保偏大芯径单模光子晶体光纤；所述的掺稀土为掺Nd³⁺或Yb³⁺。

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