CN102169210A - 光纤波分复用器件及包含该器件的环形腔光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤波分复用器件及包含该光纤波分复用器件的环形腔光纤激光器，该光纤波分复用器件包括双尾纤光纤准直透镜，所述双尾纤光纤准直透镜一端面上固定有波分复用膜片，或镀有可实现波分复用的膜。本发明的光纤波分复用器件及包含该光纤波分复用器件的环形腔光纤激光器，可在避免空间耦合带来的损耗和不稳定的同时，减少光纤激光器的光纤长度，提高其重复频率，以提高其作为光源的频率梳的分辨率。

Description

光纤波分复用器件及包含该器件的环形腔光纤激光器

技术领域

本发明涉及锁模光纤激光器及频率梳测量技术领域，尤其涉及一种光纤波分复用器件及包含该器件的环形腔光纤激光器。

背景技术

光学频率梳用于实现对光学频率极其精密的测量，其由锁模激光器产生，是一种超短脉冲激光。超短光脉冲的载波由单一频率的光构成，这种光会在光谱上该频率显示为一条竖线，表示只存在该频率的光波。在这里，锁模激光器发射的光脉冲的两个特征为研制光学频率梳的关键。第一个特征是脉冲相位：包络相对于载波发生微小位移，导致脉冲发生细微变化，脉冲包络的峰值可以和对应的载波波峰同时出现，也可以偏移到载波的波峰同时出现，该偏移量称为脉冲相位。第二个特征为重复频率(频率间隔)，锁模激光器以重复频率发射脉冲序列，这种脉冲序列光的频谱不是以载波频率为中心向两边连续延展，而是形成许多离散的频率，这个频率分布很像梳齿，彼此间隔与激光器的重复频率精确相等。但在通常情况下，前后两个脉冲的相位会发生一些不可预知但是却固定不变的偏移，这是，梳齿的频率会偏移重复频率的整数倍，出现零点漂移，使得梳齿频率不可确定。

光学频率梳技术是目前超短脉冲激光科学最前沿的研究内容之一。对激光载波包络相位漂移的锁相控制已实现了多种控制和成果，但是对于理想的重复频率仍未能达到。锁模光纤激光器用半导体激光器作为抽运光源，产生超短脉冲激光。理想的脉冲的重复频率即纵模频率间隔在250MHz至1000MHz。

常规的环形腔光纤激光器由于含有光纤式抽运激光波分复用准直器以及光纤式或空间式隔离器，其光学长度均大于10厘米，不利于光纤激光器光纤长度的缩短以及重复频率的提高。

T.Wilken，P.Vilar-Welter，T.W.

Th.Udem T.Steinmetz，R.Holzwarth于2010年在Conference on Laser and Electro-optics(CLEO)2010发表的名为“High Repetition Rate，Tunable Femtosecond Yb-fiberLaser”的论文中介绍的光纤激光器，无论用单个光栅，还是光栅对，都可将光纤激光振荡器的重复频率提高到570MHz。但是，其抽运功率是由空间耦合，抽运激光功率为1.4W，输出功率最高可达500mW；光纤与准直透镜的耦合也是空间耦合，这增加了耦合的难度和稳定性，也增加了元件的体积和重量。

J.L.Morse，J.W.Sickler，J.Chen，F.X.

和E.P.Ippen于2009年在Conference on Laser and Electro-optics(CLEO)发表的名为“Highrepetition rate，high average power，femtosecond erbium fiber ring laser”的文章中提出的环形腔光纤激光器，通过空间耦合去掉光纤波分复用准直器，可将光纤激光振荡器的重复频率提高到301MHz，但空间耦合将带来损耗和不稳定，该激光器的抽运功率是1.2W，输出功率只有61mW。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何在避免空间耦合带来的损耗和不稳定的同时，减少光纤激光器的光纤长度，提高其重复频率，以提高其作为光源的频率梳的分辨率。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种光纤波分复用器件，该器件包括双尾纤光纤准直透镜，所述双尾纤光纤准直透镜一端面上固定有波分复用膜片，或镀有可实现波分复用的膜。

其中，所述双尾纤光纤准直透镜进一步包括：置于双芯玻璃管中并固定的两根光纤，所述两个光纤对称置于所述玻璃管的轴线两侧，所述双芯玻璃管一端面倾斜；聚焦透镜，置于所述双芯玻璃管的倾斜端面之后，并与所述双芯玻璃管置入同一根玻璃管中；或置于一根玻璃管中，并与置于另一根玻璃管中的所述双芯玻璃管的倾斜端面粘接固定。

其中，所述双芯玻璃管的倾斜端面倾斜8°，且抛光并镀有增透膜。

本发明还提供了一种包含上述波分复用器件的环形腔光纤激光器，该光纤激光器以所述波分复用器件作为第一准直器，由所述第一准直器、第一单模光纤、掺杂增益光纤、第二单模光纤、第二准直器、空间光隔离器、偏振控制元件、偏振分光器、色散元件、第一反射镜、第二反射镜以及四分之一波片顺次置于环形光路上构成，所述第二反射镜上沿低于从所述偏振分光器到所述色散元件之间的光路，所述第二反射镜将由第一反射镜经所述色散元件返回的光水平导入所述第一准直器。

其中，所述掺杂增益光纤为正色散或负色散。

其中，所述偏振控制元件包括顺次放置在所述空间隔离器与所述偏振分光器之间的四分之一波片以及半波片。

其中，所述空间隔离器由薄膜磁光材料制成，形状为片状、块状或管状。

其中，所述色散元件为光栅对、光纤或光子晶体光纤。

其中，所述光栅密度范围为150条/毫米-2000条/毫米。

其中，所述第二准直器输出光斑直径小于1mm，最佳工作距离在5cm-20cm之间。

(三)有益效果

本发明提出光纤波分复用器件，用膜片式波分复用技术与光纤光束准直技术相结合，形成新的集成化的光纤波分复用准直器。此集成两种功能的光纤波分复用准直器取代了常规的光纤波分复用器和光纤准直器，从而大大缩短了光纤激光器中光纤的长度，简化了激光器系统，提高了耦合功率以及效率，提高了重复频率即频率间隔，可提高其作为光源的频率梳的分辨率。

本发明的光纤波分复用器件及包含该器件的环形腔光纤激光器，用薄膜磁光材料的空间光隔离器代替常规的光纤式隔离器或体磁光材料的自由空间隔离器，也缩短了光纤长度或自由空间。

本发明的光纤波分复用器件及包含该器件的环形腔光纤激光器，由于光纤长度缩短，有利于脉冲光谱的展宽或脉冲的缩短。同时，由于激光脉冲在光纤放大器中不断缩短和峰值功率的迅速提高，增益与非线性之间的相互作用增强，有助于补偿光栅对以及放大器光纤中的三阶色散，使输出脉冲更加窄化和旁瓣减少。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的光纤波分复用器件结构示意图；

图2为依照本发明一种实施方式的环形腔光纤激光器双芯玻璃毛细管横截面示意图；

图3为依照本发明一种实施方式的环形腔光纤激光器结构示意图；

图4为使用本发明一种实施方式的环形腔光纤激光器作为光源得到的光谱形状和宽度光谱图形；

图5为使用本发明一种实施方式的环形腔光纤激光器作为光源得到的脉冲的自相关曲线；

其中，I：双芯毛细玻璃管；II、III：光纤；IV：聚焦透镜；V：WDM膜片；1：第二准直器；2：空间光隔离器；3：四分之一波片；4：半波片；5：偏振分光器；6：第二反射镜；7、8：光栅；9：第一反射镜；10：四分之一波片；11：第一准直器；12：第一单模光纤；13：掺杂增益光纤；14：第二单模光纤。

具体实施方式

本发明提出的光纤波分复用器件及包含该器件的环形腔光纤激光器，结合附图及实施例详细说明如下。

如图1所示，依照本发明一种实施方式的集成化光纤波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)器件包括：双尾纤光纤准直透镜，该双尾纤光纤准直透镜一端面上固定有WDM膜片V，或镀有可实现WDM的膜。该器件是将WDM与光纤准直功能集成的器件，该器件能够保证入射光最大限度地耦合入增益光纤，保证光纤中运转的激光最大限度地透过该器件准直输出。

其中，双尾纤光纤准直透镜进一步包括：两根光纤II、III，置于双芯毛细玻璃管I的两个孔内，此两孔以该双芯毛细玻璃管的轴心为中心对称分布在毛细管两侧，其直径略大于光纤直径(如图2所示)，之后用胶水固定两根光纤II、III，双芯毛细玻璃管I的一端面研磨倾斜8°并抛光镀增透膜；以及聚焦透镜IV，置于该双芯毛细玻璃管I的倾斜端面之后，并与双芯毛细玻璃管I置入同一根石英玻璃管中；或置于一根石英玻璃管中，并与置于另一根石英玻璃管中的双芯玻璃管的倾斜端面粘接固定，该聚焦透镜IV可以是任何焦距的非球面透镜、自聚焦透镜或普通透镜等等，只要保证输出的光有合适的工作距离。这样，抽运光通过泵浦入射光纤和聚焦透镜IV准直输出打到WDM膜片或可实现WDM的膜，实现几乎完全无损耗的准直输出，另一方面又能通过反射耦合入另一根激光信号光纤。导入抽运光的泵浦光入射光纤可以是普通单模光纤；耦合入的激光信号光纤可以是普通的单模光纤，也可以是增益光纤。

如图3所示，依照本发明一种实施方式的以上述波分复用器件作为第一准直器的环形腔光纤激光器，其锁模机制为非线性偏振旋转，由第一准直器11、第一单模光纤12、掺杂增益光纤13、第二单模光纤14、第二准直器1、空间光隔离器2、偏振控制元件3、4(偏振控制元件3为四分之一波片，偏振控制元件4为半波片)、偏振分光器5、色散元件(本实施方式中为光栅对7、8)、第一反射镜9、以及第二反射镜6、四分之一波片10顺次置于环形光路上构成。第二反射镜6上沿高度低于从偏振分光器5到光栅7之间的光路；第一反射镜9将返回的光高降低，经过光栅8、7、传递到第二反射镜6；第二反射镜6将光线水平导入第一准直器11。

第一单模光纤12、掺杂增益光纤13以及第二单模光纤14与两个准直器熔接在一起，其总长度根据需要的重复频率(频率间隔)和锁模类型决定第一单模光纤12、掺杂增益光纤13以及第二单模光纤14的总长度。该掺杂增益光纤13可以使正色散的，也可以是负色散的，掺杂稀土元素(铒、镱、钬、铥)，高掺杂或低掺杂，长度任意。

该片式空间隔离器2为片状、块状或管状，由薄膜磁光材料制成，替换利用利用磁光晶体/玻璃类体材料制成的空间隔离器或者光纤空间隔离器，可减小腔长，提高重复频率。

另外，该激光器的腔内可以有色散补偿，也可以无色散补偿。无色散补偿时，激光器可工作在孤子锁模方式，或全正色散工作方式；有色散补偿时，色散元件可以为光栅对(图3中为反射式光栅对，由光栅7和光栅8组成)或光纤或光子晶体光纤，对于1微米波长的光纤放大器，光栅对作为负色散元件是较好的选择，因为其光栅对间隔可以调节以达到最佳带宽。而对于长于1.3微米波长的光纤激光器，如果腔内只有增益光纤，可选择正和负色散的增益光纤，色散的平衡靠加减光纤长度实现。光栅可以使反射式光栅或透过式光栅，可根据光纤超短脉冲缩小至最小尺寸，光栅密度可根据三阶色散的要求选择，通常的选择范围为150条/毫米-2000条/毫米，光栅对之间的距离可以根据依照输出脉冲光谱和脉宽要求调谐。

第二准直器1为短工作距离光纤准直器，其输出光斑直径小于1mm，最佳工作距离在5cm-20cm之间。

另外，腔内的四分之一波片3、半波片4、以及偏振分光器5机器支架均为小型化和薄型设计。

下面说明上述光纤激光器的操作过程。

根据需要的脉冲能量，决定抽运功率；将抽运激光功率提高，并通过第一准直器11耦合到腔内，将抽运激光功率提高到光纤激光器阈值之上，通过对准相对的两个准直器1、11使激光器发生振荡；通过调节波片3、4、10使激光器达到锁模状态，从偏振分光器5输出超短脉冲激光。调节光栅对7、8的距离或其它色散元件，使脉冲的光谱最宽；观察到的光谱形状和宽度光谱图形如图4所示。观察到的脉冲的自相关曲线如图5所示。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种光纤波分复用器件，其特征在于，该器件包括双尾纤光纤准直透镜，所述双尾纤光纤准直透镜一端面上固定有波分复用膜片，或镀有可实现波分复用的膜。

2.如权利要求1所述的光纤波分复用器件，其特征在于，所述双尾纤光纤准直透镜进一步包括：

置于双芯玻璃管中并固定的两根光纤，所述两个光纤对称置于所述玻璃管的轴线两侧，所述双芯玻璃管一端面倾斜；

聚焦透镜，置于所述双芯玻璃管的倾斜端面之后，并与所述双芯玻璃管置入同一根玻璃管中；或置于一根玻璃管中，并与置于另一根玻璃管中的所述双芯玻璃管的倾斜端面粘接固定。

3.如权利要求2所述的光纤波分复用器件，其特征在于，所述双芯玻璃管的倾斜端面倾斜8°，且抛光并镀有增透膜。

4.一种包含权利要求1-3任一项所述的波分复用器件的环形腔光纤激光器，其特征在于，该光纤激光器以所述波分复用器件作为第一准直器，由所述第一准直器、第一单模光纤、掺杂增益光纤、第二单模光纤、第二准直器、空间光隔离器、偏振控制元件、偏振分光器、色散元件、第一反射镜、第二反射镜以及四分之一波片顺次置于环形光路上构成，所述第二反射镜上沿低于从所述偏振分光器到所述色散元件之间的光路，所述第二反射镜将由第一反射镜经所述色散元件返回的光水平导入所述第一准直器。

5.如权利要求4所述的环形腔光纤激光器，其特征在于，所述掺杂增益光纤为正色散或负色散。

6.如权利要求4所述的环形腔光纤激光器，其特征在于，所述偏振控制元件包括顺次放置在所述空间隔离器与所述偏振分光器之间的四分之一波片以及半波片。

7.如权利要求4所述的环形腔光纤激光器，其特征在于，所述空间隔离器由薄膜磁光材料制成，形状为片状、块状或管状。

8.如权利要求4所述的环形腔光纤激光器，其特征在于，所述色散元件为光栅对、光纤或光子晶体光纤。

9.如权利要求8所述的环形腔光纤激光器，其特征在于，所述光栅密度范围为150条/毫米-2000条/毫米。

10.如权利要求4所述的环形腔光纤激光器，其特征在于，所述第二准直器输出光斑直径小于1mm，最佳工作距离在5cm-20cm之间。

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