CN102570254A - 带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器 - Google Patents

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曾祥龙
张倩武
詹祥
胡俊高
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Abstract

本发明涉及一种带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器。它包括980nm泵浦光源、波分复用器、掺镱光纤、第一光纤准直器、第一1/4波片、半波片、偏振分束器、第一衍射光栅、第二衍射光栅、第三衍射光栅、第四衍射光栅、光隔离器、第二1/4波片、第二光纤准直器、单模光纤、第三光纤准直器、准相位匹配晶体和第四光纤准直器，偏振分束器有一个输入端口a，两个输出端口b、c；980nm泵浦光源与波分复用器的一个输入端相连接，为激光器持续提供泵浦能量。本发明结构简单，实现了激光器腔内非线性管理，可以减小脉冲宽度，显著提高脉冲峰值功率。可用于军事、医疗等领域。

Description

带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器
技术领域
本发明具体涉及一种带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器，属于激光技术领域。
背景技术
目前，超短激光脉冲已经成为前沿科学研究的最活跃、最具有创造性的工具和手段，尤其是在探索微观层次上的超快过程中，例如原子内电子的运动过程、不同能级之间的电子跃迁等，提供更高时间分辨的研究；在热核反应快速点火机制、激光与等离子体相互作用及强场物理等，需要脉宽极窄且峰值功率极高的超短激光脉冲；在生物化学领域，需要时间分辨率极高的探测光源，研究极快的化学反应过程，例如分子键的断裂与重组，分子与原子的振动过程和基于飞秒光纤激光器泵浦产生太赫兹波等，超短激光脉冲正在发挥越来越重要的作用。
获得飞秒甚至亚飞秒脉冲主要集中在固态飞秒激光器系统中，然而固态激光器的结构非常复杂，使得系统的成本和维护难度大大提高。超短脉冲光纤激光器由于结构紧凑、高可靠性、高光转换效率，越来越受到人们的关注。尤其是掺镱锁模光纤激光器，具有增益带宽大、掺杂粒子数密度高、吸收截面积大、激光二极管泵浦效率高等特点，成为大功率超短脉冲激光的主要实现技术之一。
大功率掺镱锁模光纤激光器已经从孤子脉冲锁模、展宽脉冲锁模、自相似脉冲锁模发展到全正色散脉冲锁模，可获得的飞秒脉冲，据报道已经可以产生脉宽小于200fs、单脉冲能量大于20nJ的脉冲输出。随着进一步腔内色散管理机制的改进和光子晶体光纤激光器的发展，输出脉冲能量会进一步提高。然而，超短脉冲在光纤中的高阶非线性效应会引起光脉冲分裂，极大地限制了输出脉冲宽度。为了避免过多的非线性相移对脉冲的影响，目前大多采用色散管理机制来生成展宽脉冲，以降低峰值功率，然后通过色散补偿实现飞秒脉冲输出。
发明内容   
针对以上获取短脉冲方法中存在的不足，本发明的目的在于提供一种带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器，能减小脉冲宽度，显著提高脉冲峰值功率，可用于军事、医疗等领域。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器，包括980nm泵浦光源、波分复用器、掺镱光纤、第一光纤准直器、第一1/4波片、半波片、偏振分束器、第一衍射光栅、第二衍射光栅、第三衍射光栅、第四衍射光栅、光隔离器、第二1/4波片、第二光纤准直器、单模光纤、第三光纤准直器、准相位匹配晶体和第四光纤准直器。其特征在于所述偏振分束器有一个输入端口a，两个输出端口b、c；所述980nm泵浦光源与所述波分复用器的一个输入端相连接，为激光器持续提供泵浦能量；所述波分复用器的输出端通过所述掺镱光纤与第一光纤准直器的输入端连接，所述第一光纤准直器的输出光束依次经第一1/4波片、半波片、偏振分束器、第一衍射光栅、第二衍射光栅、第三衍射光栅、第四衍射光栅、光隔离器和第二1/4波片，输入到第二光纤准直器，所述第二光纤准直器的输出端口通过单模光纤连接第三光纤准直器的输入端口，所述第三光纤准直器的输出光束经准相位匹配晶体输入到第四光纤准直器，所述第四光纤准直器的输出端口通过光纤连接所述波分复用器的另一个输入端，从而首尾连接构成一个光环路。
上述偏振分束器的输出端口c为激光器输出端
上述准相位匹配晶体通过改变其温度来实现腔内非线性管理。
本发明的工作原理：
在超短脉冲光纤激光器中，利用准相位匹配晶体的级联二阶非线性产生自散焦来补偿三阶克尔效应引起的非线性，实现大能量的超短脉冲输出。激光器采用环形腔结构，包括一段较长的正色散单模光纤，一段尽可能短但同时又能提供足够增益的掺镱光纤。波分复用器将泵浦光耦合进入掺镱光纤；光脉冲在单模光纤中进行自相似演化；在掺镱增益光纤中被放大，由于增益光纤足够短，所以脉冲在放大期间可以忽略色散和非线性效应；两个1/4波片，一个半波片以及偏振分束器构成了一个饱和吸收体，它是完成被动锁模的重要部件，起到稳定脉冲的作用；在偏振分束器处，一部分能量进入衍射光栅对，与其正交偏振的光脉冲能量不允许在激光腔内运行而输出腔外，作为激光器的输出激光；衍射光栅作为色散延迟线用来压缩腔内脉冲同时引入了大部分的损耗；准相位匹配晶体为激光腔内加入了额外的自散焦非线性，通过控制晶体温度可以改变腔内的非线性强度，实现了可控的非线性补偿。最后光脉冲通过波分复用器耦合到掺镱光纤，开始下一圈的运行。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
（1）在传统的自相似锁模掺镱脉冲光纤激光器中加入准相位匹配晶体，可在大的相位失配条件下引入非线性控制，实现了更短的脉冲宽度以及更高的峰值功率；
（2）通过改变准相位匹配晶体温度即可实现腔内非线性管理，调谐手段简单、结构紧凑、可靠性高。
附图说明
图１是本发明一个实施例的结构框图。
图2是图1示例一定温度的输出光脉冲与未经非线性补偿的激光器输出光脉冲对比。
图3是图1示例一定温度的输出光脉冲在腔内演化过程。
图4是未经非线性补偿的激光器输出光脉冲在腔内演化过程。
图5是图1示例一定温度下输出光脉冲的频谱与未经非线性补偿的激光器输出光脉冲频谱的对比。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：
参见图1， 本带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器，包括980nm泵浦光源（1）、波分复用器（2）、掺镱光纤（3）、第一光纤准直器（4）、第一1/4波片（5）、半波片（6）、偏振分束器（7）、第一衍射光栅（8）、第二衍射光栅（9）、第三衍射光栅（10）、第四衍射光栅（11）、光隔离器（12）、第二1/4波片（13）、第二光纤准直器（14）、单模光纤（15）、第三光纤准直器（16）、准相位匹配晶体（17）和第四光纤准直器（18）。所述偏振分束器（7）有一个输入端口a，两个输出端口b、c；所述980nm泵浦光源（1）与所述波分复用器（2）的一个输入端相连接，为激光器持续提供泵浦能量；所述波分复用器（2）的输出端通过所述掺镱光纤（3）与第一光纤准直器（4）的输入端口连接，所述第一光纤准直器（4）的输出光束依次经第一1/4波片（5）、半波片（6）、偏振分束器（7）、第一衍射光栅（8）、第二衍射光栅（9）、第三衍射光栅（10）、第四衍射光栅（11）、光隔离器（12）和第二1/4波片（13）输入到第二光纤准直器（14），所述第二光纤准直器（14）的输出端口通过单模光纤（15）连接第三光纤准直器（16）的输入端口，所述第三光纤准直器（16）的输出光束经准相位匹配晶体（17）输入到第四光纤准直器（18），所述第四光纤准直器（18）的输出端口通过光纤连接所述波分复用器（2）的另一个输入端，从而首尾连接构成一个光环路。
所述偏振分束器（7）的端口c为激光器输出端。
所述准相位匹配晶体（17）通过改变其温度来实现腔内非线性管理。
实施例二：
本实施例结合附图并以未经非线性补偿的激光器脉冲输出作为对比，通过模拟计算进一步来描述本发明。
参见图2，将晶体温度设定为36℃，曲线（19）为本发明的激光脉冲输出，曲线（20）为相同条件下未经非线性补偿的激光器输出脉冲。通过对比可知，本实施例由于引入了非线性补偿，腔内具有较小的非线性积累，产生较小的瞬时频移量和脉冲展宽，实现了更窄的脉冲输出以及更高的脉冲峰值功率。
参见图3，图3为本实施例稳定状态的脉冲在腔内运行一周的演化过程，图4为相同条件下未经非线性补偿的激光器输出脉冲在腔内运行一周的演化过程。通过对比可知，本实施例的输出脉冲在腔内脉宽幅度变化相对较小，同时具有较大的峰值功率和单脉冲能量。
参见图5，曲线（21）本实施例稳定状态下输出脉冲的频谱，曲线（22）为相同条件下未经非线性补偿的激光器输出脉冲的频谱。通过对比可知，本实施例和未经非线性补偿的激光器输出同样具有自相似脉冲的特性，具有抵御光波分裂的能力。

Claims (3)

1.一种带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器，包括980nm泵浦光源（1）、波分复用器（2）、掺镱光纤（3）、第一光纤准直器（4）、第一1/4波片（5）、半波片（6）、偏振分束器（7）、第一衍射光栅（8）、第二衍射光栅（9）、第三衍射光栅（10）、第四衍射光栅（11）、光隔离器（12）、第二1/4波片（13）、第二光纤准直器（14）、单模光纤（15）、第三光纤准直器（16）、准相位匹配晶体（17）和第四光纤准直器（18）；其特征在于所述偏振分束器（7）有一个输入端口a，两个输出端口b、c；所述980nm泵浦光源（1）与所述波分复用器（2）的一个输入端相连接，为激光器持续提供泵浦能量；所述波分复用器（2）输出端口通过所述掺镱光纤（3）与第一光纤准直器（4）的输入端口相连接，所述第一光纤准直器（4）的输出光束依次经第一1/4波片（5）、半波片（6）、偏振分束器（7）、第一衍射光栅（8）、第二衍射光栅（9）、第三衍射光栅（10）、第四衍射光栅（11）、光隔离器（12）和第二1/4波片（13），输入到第二光纤准直器（14），所述第二光纤准直器（14）的输出端口通过单模光纤（15）连接第三光纤准直器（16）的输入端口，所述第三光纤准直器（16）的输出光束经准相位匹配晶体（17）输入到第四光纤准直器（18），所述第四光纤准直器（18）的输出端口通过光纤连接所述波分复用器（2）的另一个输入端口，从而首尾连接构成一个光环路。
2.根据权利要求1所述的一种带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器，其特征在于所述偏振分束器（7）的输出端口c为激光器输出端。
3.根据权利要求1所述的一种带有非线性补偿的超短脉冲光纤激光器，其特征在于所述准相位匹配晶体（17）通过改变其温度来实现腔内非线性管理。
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