CN102751650A - 掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器 - Google Patents

掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器 Download PDF

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李平雪
刘志
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杨春
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掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器，属于激光器技术领域，其能够从激光震荡器直接提供高平均功率、高脉冲能量激光输出。激光器是基于非线性偏振旋转原理是实现锁模的，结构包括首先976nm半导体激光从激光器入射到非球面准直镜，经过二色镜，在通过非球面聚焦镜入射进光子晶体光纤中，再由非球面镜准时入射到二色镜上，反射入到四分之一波片上再经过窄带滤波片，再通过光学隔离器，依次通过半波片和四分之一波片，最后再次经过二色镜，非球面聚焦镜打入光子晶体光纤，构成激光器谐振腔，该腔型激光器结构简单，易于调试，而且能够直接产生高平均功率，大脉冲能量激光，可以用于激光加工和非线性变换等应用。

Description

掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器
技术领域
本发明涉及一种掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器，具体涉及到高平均功率脉冲激光系统，属于激光技术领域。
背景技术
高功率、大能量的脉冲光纤激光器以其诸多优点被认为是未来脉冲激光器的发展趋势，但是传统光纤纤芯模场面积较小，光纤激光器的功率提升受到非线性的严重限制。传统的被动锁模技术广泛被应用于脉冲激光器的设计中，如半导体可饱和吸收镜做为锁模器件，实现稳定锁模激光。但是在锁模激光器中由于使用的半导体饱和吸收体受自身材料的因素，有上限的损伤阈值，限制了锁模激光器功率的进一步提升，也是高功率被动锁模激光器实现的一个瓶颈。
鉴于以上的情况，本专利采用了非线性偏振旋转(NonlinearPolarization Rotation)技术锁模，该技术首先是1991年M.Hofer等人最早于光纤激光器中实现的。其后MIT的K.Tamura等人利用NPR技术得到了脉宽453fs的稳定序列输出（参见Tamura K,HausHA,Ippen EP.Self-starting additive pulse mode-locked erbiumfiber ring laser.Electronics Letters 1992;28(24):2226-8）。之后又进行了一系列改进工作：通过于激光器中加入一段正色散补偿光纤，得到了脉宽为77fs、单脉冲能量90pJ、峰值功率大于1kW的脉冲序列；又通过加入石英片和起偏器件构成的空间滤波装置，对孤子激光器频谱中的边带进行了较好的抑制。
对基于非线性偏振旋转机理的激光器，研究学者对于不同色散条件作了许多研究。早期的光纤激光器的工作集中在负色散或近零色散条件下，从非线性薛定谔方程的理论角度看，为了获得稳定的孤子解，需要利用光纤中的反常色散与非线性效果相抵消。而其后人们认识到，即使是在正色散条件下，光纤激光器也能运转。Cornell大学Frank Wise小组对于全正色散激光器从理论和实验上进行了一系列研究，指出光纤激光器运行在全正色散的关键因素在于有限增益带宽，即在频域上由自相位调制所产生的频谱展宽仅有部分获得增益，剩下随着激光的运转逐渐损耗，为了激光器进一步稳定，往往会加入滤波装置。另一方面，时域上由群速度色散引起的脉冲展宽由非线性偏振旋转进行压缩，从而达到稳定。
同时，在该激光器的设计中增益介质引入了光子晶体光纤，它自身独有的结构，产生了优异的特性，如它具有大的表面-体积比，散热极好，大的模场面积并且基模运转可以实现超短脉冲激光的高功率和高光束质量输出。
综上，提出了一种利用光子晶体光纤作为增益介质的、结构简单的非线性高光束质量、高平均功率的锁模激光器有一定的科研意义和应有价值。
发明内容
本发明目的在于提出一种掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器，其具有高平均功率、结构简单、使用方便、稳定性好等特点。
为了解决现有光纤激光器的振荡器，脉冲激光输出的功率较低和脉冲能量较低等问题，本发明提出一种简便行而有效的激光系统。
本发明的技术方案如下:
掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器，其利用非线性偏振旋转技术实现激光器锁模的设计目的，包括有抽运泵浦和主要由增益介质、锁模器件构成的激光器环形谐振腔。976nm半导体激光器（LD）1为抽运泵浦，光子晶体光纤5为增益介质，锁模脉冲激光光学隔离器10和半波片11和四分之一波片12共同组成锁模器件，依次由器件二色镜I3-四分之一波片II12-半波片11-锁模脉冲激光光学隔离器10-窄带滤波片9-四分之一波片I8-二色镜II7-非球面镜6-光子晶体光纤5-非球面聚焦镜4-二色镜I3构成环形谐振腔；激光器1出射976nm半导体激光泵浦光从激光器1入射到非球面准直镜I2，经过二色镜I3；二色镜I3的透射光通过非球面聚焦镜4入射进光子晶体光纤5中，再由非球面镜6准直入射到二色镜II7上，二色镜II7的反射光入到四分之一波片I8上再经过窄带滤波片9、锁模脉冲激光光学隔离器10，依次通过半波片11和四分之一波片II12，最后再次经过二色镜I3，非球面聚焦镜4打入光子晶体光纤5中，构成激光器环形谐振腔。锁模脉冲激光光学隔离器10起到保证激光在谐振腔内单向传输作用，易于激光器的长期稳定工作；最后锁模脉冲激光由隔离器10的逃逸窗口出射激光。
所述的光子晶体光纤5采用掺镱光纤，其使用的长度为1.8m。
所述的二色镜I3和二色镜II7均对于1040nm激光高反和976nm激光高透光率。
所述的窄带滤波片9中心波长在1047.1nm，半宽4nm峰值透过率为90%。
所述的偏振旋转锁模激光器，其等效谐振腔长度为3.3m，相应重复频率为90.7MHz，在30瓦的泵浦功率下获得11.7W的锁模激光输出。
本专利采用非线性偏振选择锁模优化结构腔型实现了10瓦以上级1043nm脉冲光子晶体光纤激光器。其优点是：激光器是基于大模场光子晶体光纤的，比普通双包层光纤能够有效抑制非线性作用，并且得到了高光束质量、高功率的脉冲输出。同时由光学隔离器逃逸窗棱镜输出，获得了良好的偏振特性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为激光器的重复频率示波器序列图
1为976nm半导体激光器；2为非球面准直镜I；3为二色镜I；4为非球面聚焦镜；5为光子晶体光纤；6为非球面准直镜II；7为二色镜II；8为四分之一波片I；9为窄带滤波片；10为锁模脉冲激光光学隔离器；11.半波片；12为四分之一波片II。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，激光振荡级是光子晶体光纤激光器，增益光纤是掺Yb的大模场双包层光子晶体光纤，长度1.8m。其纤芯的单模场直径为29μm(对应的单模场面积为660μm2),数值孔径为0.03,内包层直径170μm,数值孔径0.62，具有六角型周期性排布的空气孔。光纤对于976nm的激光吸收系数是13dB/m，提供了足够了增益。两端经过塌陷和打磨出8度倾角（防止自激振荡激光的产生）直接通过带有尾纤的976nm半导体激光1准直聚焦进入光子晶体光纤包层泵浦，圆偏振光经过光纤增益放大后，经过非球面准直镜6，入射到二色镜II7后反射入四分之一波片I8，这里线椭圆偏光变成了线偏振光，然后经过美国Semrock窄带滤波片9，其中心波长为1047.1nm，作用了对激光增益光谱在频域上限制，引入损耗机制。再经过光学隔离器10，其中隔离器确保光沿单一方向传播。因为增益介质中如果存在驻波则会产生空间烧孔效应，影响激光的相干性，故而加入隔离器迫使激光运行在行波状态以避免烧孔效应的产生。在通过半波片11，这个波片和光隔离器的配合能够调节谐振腔内激光功率密度，保证稳定锁模是的最后输出。最后经过四分之一波片II12转换成椭圆偏振光重新回到光子晶体光纤中增益放大。激光器的运行方向和光学隔离器一致，由于光纤中存在的对于光强敏感的非线性效应（自相位调制、交叉相位调制），将使得脉冲前后沿（光强较弱）与脉冲中心（光强较强）的偏振态不一致，经过调整波片组，使得激光输出脉冲中心对应偏振方向的透过率达到最大，这样脉冲前后沿分量会损耗，于是脉冲压缩，结果使脉冲在腔内往返一次后有微小窄化，这种情况与使用快饱和吸收体相类似，经过几个周期的放大和压缩循环，最终得到稳定的超短脉冲。而且腔内没有负色散的器件，激光器运行在全正色散状态。泵浦功率30W时候，获得了平均功率11.7W、重复频率90.7MHz的锁模激光输出,从图2中可以看出锁模脉冲幅值强度一致,时间间隔均匀,证明了激光器运行的稳定性和可靠性。在锁模光纤激光器中，由于光纤本身所能承受的最大功率限制，当泵浦功率超过一定阈值时，若脉冲之间在非线性和色散参量之间达到平衡，应该出现稳定的单脉冲模。在非线性偏转旋转锁模激光器中非线性效应过高时会出现脉冲分裂，导致多脉冲束缚态的出现。
本发明设计中，使用区别于传统光纤的光子晶体光纤，其好处是可以提供高平均功率，高光束质量的激光运行。同时，该谐振腔的设计结构简单，损耗小，易于调试，方便集成化封装。可以直接用于激光非线性变换和精密加工等应用。

Claims (5)

1.掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器，其利用非线性偏振旋转技术实现激光器锁模的设计目的，其特征在于：包括有抽运泵浦和主要由增益介质、锁模器件构成的激光器环形谐振腔；976nm半导体激光器LD（1）为抽运泵浦，光子晶体光纤（5）为增益介质，锁模脉冲激光光学隔离器（10）、半波片（11）和四分之一波片（12）共同组成锁模器件，依次由器件二色镜I（3-四分之一波片II（12）-半波片（11）-锁模脉冲激光光学隔离器（10）-窄带滤波片（9）-四分之一波片I（8）-二色镜II（7）-非球面镜（6）-光子晶体光纤（5）-非球面聚焦镜（4）-二色镜I（3）构成环形谐振腔；激光器（1）出射976nm半导体激光从激光器（1）入射到非球面准直镜I（2），经过二色镜I（3）；二色镜I（3）的透射光通过非球面聚焦镜（4）入射进光子晶体光纤（5）中，再由非球面镜（6）准直入射到二色镜II（7）上，二色镜II（7）的反射光入到四分之一波片I（8）上再经过窄带滤波片（9）、锁模脉冲激光光学隔离器（10），依次通过半波片（11）和四分之一波片II（12），最后再次经过二色镜I（3），非球面聚焦镜（4）打入光子晶体光纤（5）中，构成激光器环形谐振腔；锁模脉冲激光光学隔离器（10）起到保证激光在谐振腔单向传输的作用，易于激光器的长期稳定工作；最后锁模脉冲激光光学隔离器(10）的逃逸窗口出射激光。
2.根据权利要求1所述的掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器，其特征在于：所述的光子晶体光纤（5）采用掺镱光纤，其使用的长度为1.8m。
3.根据权利要求1所述的掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器，其特征在于：所述的二色镜I（3）和二色镜II（7）均对于1040nm激光高反和976nm激光高透光率。
4.根据权利要求1所述的掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器，其特征在于：所述的窄带滤波片（9）中心波长在1047.1nm，半宽4nm峰值透过率为90%。
5.根据权利要求1所述的掺镱光子晶体光纤非线性偏振旋转锁模激光器，其特征在于：所述的偏振旋转锁模激光器，其等效谐振腔长度为3.3m，相应重复频率为90.7MHz，在30瓦的泵浦功率下获得11.7W的锁模激光输出。
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PB01 Publication
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