CN103236629B - 一种偏振稳定的光纤激光级联放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，包括有用于防止种子光回光损坏种子源的激光空间隔离器，激光空间隔离器与用于分离不同方向激光的第一偏振分束器连接，第一偏振分束器与第一光纤准直器连接，第一光纤准直器与第一合束器的连接，第一合束器与用于产生粒子数反转的第一增益光纤连接，第一增益光纤与第二光纤准直器连接，第二光纤准直器与用于使激光偏振角度旋转45度的法拉第旋光镜连接，法拉第旋光镜与用于将入射光原路返回的全反镜连接，第一合束器泵浦输入端连接有第一泵浦源，第一偏振分束器一反射端作为保偏脉冲输出端。本发明具有在放大过程中始终保持放大和输出高功率激光线偏振态稳定等优点。
Description
[技术领域]
本发明涉及一种偏振稳定的光纤激光级联放大器。
[背景技术]
光纤激光器与其它仪器耦合方便，可以方便的获得高功率，获得了学术界和工业界的广泛关注。任意偏振状态的激光光波均可以看成是两个完全正交的偏振模构成的，当它通过理想的轴对称光纤中传输时，偏振态保持不变，但是由于光纤制造工艺以及应力、温度等因素，光纤中存在双折射现象，两个不同方向的正交偏振模式会发生模式耦合，这样引入了输出光偏振状态的不稳定。
输出光偏振状态稳定的光纤激光在光纤陀螺、光纤传感、非线性变频、超连续谱展宽、相干光束组合、光学相干层析成像等领域有重要应用。
例如，光子晶体光纤在进行超连续谱展宽的时候，对偏振态很敏感，展宽的光谱成分受控于输入光的偏振态。这样严重影响产生的白光光源的质量。普遍采用的解决方法是采用保偏的光子晶体光纤作为放大光纤，来保持放大过程中的偏振状态恒定。但是在这种方法中，光子晶体光纤价格昂贵，切割难度大，断面容易受到灰尘影响、对环境要求较高。保偏光子晶体光纤还需要进行空间耦合，并且耦合效率低。另外一种普遍采用的方法是采用普通非保偏光纤进行放大，并使用起偏器输出线偏振光。但是由于放大光纤的双折射效应，放大过程中会引入激光偏振态的抖动。根据马吕斯定律，当进入起偏器的激光偏振态发生改变的时候，输出激光的功率就会变化，造成输出激光功率的抖动。这时可以采用反馈控制的方法来稳定光纤，通过检测输出激光的功率反馈控制入射激光的偏振角度，这样来保证输出激光的功率稳定。但是这种方法的缺点是反馈的带宽有限，如果放大过程中偏振扰动较大，那么就很难达到良好的功率稳定效果。
因此有必要解决上述问题。
[发明内容]
本发明克服了上述技术的不足，提供了一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，通过在各级放大之间加入偏振分束器以及90度的法拉第旋光反射镜。在光学中，可以以琼斯运算来描述偏振的现象。偏振光的状态以琼斯向量表示，而其他线性的光学元件则以琼斯矩阵表示，当偏振光通过偏振片或是玻片时，把原来偏振状态的琼斯向量乘以光学元件的琼斯矩阵，即可运算出新的偏振态。例如偏振方向平行于x轴的线偏振光可以表示为右旋圆偏振光可以表示为偏振方向平行于y轴的线偏振光可以表示为穿透方向平行于x轴的线偏振片的琼斯矩阵为快轴(在晶体的界面上，与光轴平行的方向称为快轴)在y轴的1/4玻片的琼斯矩阵平行于x轴的线偏振光通过快轴在y轴的1/4玻片后的偏振状态为即偏振方向与x轴成-45度的线偏振光。对于本发明所述的光纤激光放大器，根据琼斯矩阵的计算，当只考虑光纤的圆双折射、线性双折射和温度、震动、电光效应引起的互易双折射，忽略非线性效应时，传输光纤和法拉第旋光镜的和作用琼斯矩阵为这样当激光经过光纤增益并通过法拉第旋光镜旋转反射回来，经过原光纤出射时，激光偏振态旋转90度，并且抵消掉了光纤中引入的原双折射和线性双折射和环境引起的互易双折射。放大器就可以保证只有一种偏振态的激光被放大，光纤初次引入的偏振抖动可以被补偿掉，并且通过偏振分束器以与入射光呈90度方向输出进入下一级。这样保证了激光在放大过程中始终保持线偏振态进行放大和输出，这样减少了放大过程中引入的偏振抖动，这样再通过反馈控制来稳定脉冲输出能量时，就可以获得更好的稳定效果。这种结构的激光器可以直接获得偏振稳定的高功率激光激光器，也可以通过光子晶体光纤展宽获得稳定的白光光源，可以作为白光武器，用于生物相干层析成像、非线性频率转换、光纤陀螺、光学相干层析成像。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，包括有用于防止种子光回光损坏种子源的激光空间隔离器100，所述激光空间隔离器100输出端与用于分离不同方向激光的第一偏振分束器201一透射端连接，所述第一偏振分束器201另一透射端与第一光纤准直器301一端连接，所述第一光纤准直器301另一端与第一合束器401的信号输入端连接，所述第一合束器401复用端与用于产生粒子数反转的第一增益光纤601一端连接，所述第一增益光纤601另一端与第二光纤准直器302一端连接，所述第二光纤准直器302另一端与用于使激光偏振角度旋转45度的第一第一法拉第旋光镜701一端连接，所述第一法拉第旋光镜701另一端与用于将入射光原路返回的第一全反镜801连接，所述第一合束器401泵浦输入端连接有第一泵浦源501，所述第一偏振分束器201一反射端作为保偏脉冲输出端。
所述第一偏振分束器201一反射端与第二偏振分束器202一反射端连接，第二偏振分束器202另一反射端与第三光纤准直器303一端连接，所述第三光纤准直器303另一端与第二合束器402信号输入端连接，所述第二合束器402复用端与第二增益光纤602一端连接，所述第二增益光纤602另一端与第四光纤准直器304一端连接，所述第四光纤准直器304另一端与第二法拉第旋光镜702一端连接，所述第二法拉第旋光镜702另一端与第二全反镜802连接，所述第二合束器402泵浦输入端连接有第二泵浦源502，所述第二偏振分束器202一透射端作为保偏脉冲输出端。
所述第一偏振分束器201一反射端与第二偏振分束器202第一透射端连接，第二偏振分束器20第二透射端与第三光纤准直器303一端连接，所述第三光纤准直器303另一端与第二合束器402信号输入端连接，所述第二合束器402复用端与第二增益光纤602一端连接，所述第二增益光纤602另一端与第四光纤准直器304一端连接，所述第四光纤准直器304另一端与第二法拉第旋光镜702一端连接，所述第二法拉第旋光镜702另一端与第二全反镜802连接，所述第二合束器402泵浦输入端连接有第二泵浦源502，所述第二偏振分束器202一反射端与第五光纤准直器305一端连接，所述第五光纤准直器305另一端与第三合束器403、信号输入端连接，所述第三合束器403复用端与第三增益光纤603一端连接，所述第三增益光纤603另一端与第六光纤准直器306一端连接，所述第六光纤准直器306另一端与第三法拉第旋光镜703一端连接，所述第三法拉第旋光镜703另一端与第三反射镜803连接，所述第三合束器403泵浦输入端连接有第三泵浦源503，所述第二偏振分束器202第三透射端作为偏振高功率激光输出端。
所述的第一合束器401、第二合束器402和第三合束器403为波分复用器、泵浦合束器或高功率泵浦合束器。
所述的第一偏振分束器201和第二偏振分束器202为偏振分束立方或偏振分束平片。
所述的第一泵浦源501、第二泵浦源502和第三泵浦源503至少为一个。
所述的第一增益光纤601、第二增益光纤602和第三增益光纤603为单模增益光纤、双包层增益光纤、光子晶体光纤，所述的第一增益光纤601、第二增益光纤602和第三增益光纤603掺杂离子为镱、铒、钬、镨或铥。
所述的第一第一法拉第旋光镜701、第二法拉第旋光镜702和第三法拉第旋光镜703为光纤结构或空间结构。
本发明的有益效果是：
1、本发明不使用保偏增益光纤，具有耦合简单，使用方便的优点；
2、本发明能够使激光始终以正交的偏振状态通过光纤放大器，克服放大的过程中偏振相关光学元件的影响，有利于提高功率放大的稳定性；
3、本发明通过法拉第旋光镜将激光偏振方向旋转90度，激光两次通过光纤，可以补偿环境干扰以及光纤双折射应力引入的偏振抖动；
4、本发明可以组成级联放大装置，各级均可以采用专利所述的偏振选择装置，能够获得高功率的激光输出；
5、本发明能够使得激光两次通过增益光纤，更高效地利用了泵浦光，能够获得更高的泵浦转换效率；
6、本发明放大后的激光脉冲能够输入到光子晶体光纤中进行超连续谱的展宽，获得稳定光谱成分的白光光源；
7、由于绿光或紫外倍频晶体对偏振敏感，所以本发明所获得的高功率偏振稳定激光可以用于稳定的绿光倍频或紫外光非线性和频；
8、本发明采用双包层层增益光纤可以获得高功率激光输出；
9、本发明通过偏振分束器来选择特定偏振态的激光来进行放大，这样对各级放大之间起到的隔离的作用，可以不使用隔离器，进一步减少了器件的使用；
10、本发明能够抑制激光放大过程中的自发辐射(ASE)，种子光两次通过放大光纤，这样可以激光缓慢获得增益，降低放大过程中产生的ASE。
[附图说明]
图1为本发明的偏振稳定的光纤激光级联放大器结构示意图；
图2为本发明实施例一结构示意图；
图3为本发明实施例二结构示意图。
[具体实施方式]
下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：
如图1所示，一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，包括有用于防止种子光回光损坏种子源的激光空间隔离器100，所述激光空间隔离器100输出端与用于分离不同方向激光的第一偏振分束器201一透射端连接，所述第一偏振分束器201另一透射端端与第一光纤准直器301一端连接，所述第一光纤准直器301另一端与第一合束器401的信号输入端连接，所述第一合束器401复用端与用于产生粒子数反转的第一增益光纤601一端连接，所述第一增益光纤601另一端与第二光纤准直器302一端连接，所述第二光纤准直器302另一端与用于使激光偏振角度旋转45度的第一法拉第旋光镜701一端连接，所述第一法拉第旋光镜701另一端与用于将入射光原路返回的第一全反镜801，所述第一合束器401泵浦输入端连接有第一泵浦源501，所述第一偏振分束器201一反射端作为保偏脉冲输出端。
实施例一：
如图2所示，本实施例提供一种偏振稳定的掺Yb二级级联光纤激光放大器，但是本结构的增益光纤不限于掺Yb光纤，也可以使用其他稀土离子的掺杂光纤。
激光器包括激光空间隔离器100、1064nm的第一偏振分束立方体201、第二偏振分束立方体202，1064nm的第一光纤准直器301、第二光纤准直器302、第三光纤准直器303、第四光纤准直器304，976nm/1064nm的第一波分复用器401、第二波分复用器402，976nm的半导体激光器作为第一泵浦源501、第二泵浦源502，掺Yb的第一增益光纤601、第二增益光纤602，第一第一法拉第旋光镜701、第二法拉第旋光镜702，1064nm第一第一全反镜801、第二第二全反镜802。
所述第一偏振分束器201一反射端与第二偏振分束器202一反射端连接，第二偏振分束器202另一反射端与第三光纤准直器303一端连接，所述第三光纤准直器303另一端与第二合束器402信号输入端连接，所述第二合束器402复用端与第二增益光纤602一端连接，所述第二增益光纤602另一端与第四光纤准直器304一端连接，所述第四光纤准直器304另一端与第二法拉第旋光镜702一端连接，所述第二法拉第旋光镜702另一端与第二全反镜802连接，所述第二合束器402泵浦输入端连接有第二泵浦源502，所述第二偏振分束器202一透射端作为保偏脉冲输出端。
具体结构为：1064nm的种子光通过空间光隔离器100进入预放大级，光隔离器防止回光损坏种子源；种子光通过第一偏振分束立方体201后，p光(与入射面平行的光)进入1064nm的第一光纤准直器301，第一光纤准直器301连接976nm/1064nm的第一波分复用器401的1064nm输入端，976nm的半导体激光器作为第一泵浦源501连接第一波分复用器401的976nm输入端，第一波分复用器401的复用端与掺Yb第一增益光纤601连接，将泵浦光注入第一增益光纤601中产生粒子数反转。掺Yb增第一益光纤601连接1064nm的第二光纤准直器302，将放大后的激光输出。输出的激光通过第一第一法拉第旋光镜701，激光的偏振角度将产生45度的旋转，第一第一法拉第旋光镜701后放置一块1064nm的第一第一全反镜801，将入射的激光原路返回，激光再次经过第一第一法拉第旋光镜701时，偏振方向沿同一方向旋转45度，这样两次总共旋转90度，激光再次通过1064nm的第二光纤准直器302进入掺Yb第一增益光纤601，再次进行增益以及偏振补偿以后，入射到第一偏振分束立方体201上，此时激光的偏振方向已经旋转为s光(与入射面垂直的光)，所以放大后的激光会经过第一偏振分束立方体201反射出去，反射出来的放大光具有确定的偏振状态，进入下一级可以继续保偏放大。
一级放大光为s光，通过第二偏振分束立方体202反射，进入1064nm的第三光纤准直器303，第三光纤准直器303连接976nm/1064nm的第二波分复用器402的1064nm输入端，976nm的半导体激光器作为第二泵浦源502连接第二波分复用器402的976nm输入端，第二波分复用器402的复用端与掺Yb第二增益光纤602连接，将泵浦光注入掺Yb第二增益光纤602中产生粒子数反转。掺Yb第二增益光纤602连接1064nm的第四光纤准直器304将放大后的激光输出，输出的激光通过第二法拉第旋光镜702，激光的偏振角度将产生45度的旋转，第二法拉第旋光镜702后放置一块1064nm的第二第二全反镜802，将入射的激光原路返回，激光再次经过第二法拉第旋光镜702时，偏振方向沿同一方向旋转45度，这样两次总共旋转90度，激光再次通过1064nm的第四光纤准直器304进入掺Yb第二增益光纤602，再次进行增益以及偏振补偿以后，入射到第二偏振分束立方体102上，此时激光的偏振方向已经旋转为p光，所以放大后的激光会经过第二偏振分束立方体202透射出来，透射出来的放大激光具有确定的偏振状态。
实施例二：
如图3所示，本实施例提供一种偏振稳定的高功率掺Er双包层三级级联光纤激光放大器，但是本结构的增益光纤不限于掺Er光纤，也可以使用其他稀土离子的掺杂光纤。
激光器包括激光空间隔离器100，1550nm的第一偏振分束立方体201、第一偏振分束立方体202，1550nm的第一光纤准直器301、第二光纤准直器302、第三光纤准直器303、第四光纤准直器304，1550nm的高功率第五光纤准直器305、第六光纤准直器306，976nm/1550nm的第一波分复用器401、第二波分复用器402，第一高功率泵浦合束器403，976nm的半导体激光器作为第一泵浦源501、第二泵浦源502，20W的976nm半导体激光器作为第三泵浦源503，掺Er单模第一增益光纤601、第二增益光纤602，掺Er双包层第三增益光纤603，第一第一法拉第旋光镜701、第二法拉第旋光镜702、第三法拉第旋光镜703，1550nm第一第一全反镜801、第二第二全反镜802、第三全反镜803。
所述第一偏振分束器201一反射端与第二偏振分束器202第一透射端连接，第二偏振分束器202第二透射端与第三光纤准直器303一端连接，所述第三光纤准直器303另一端与第二合束器402信号输入端连接，所述第二合束器402复用端与第二增益光纤602一端连接，所述第二增益光纤602另一端与第四光纤准直器304一端连接，所述第四光纤准直器304另一端与第二法拉第旋光镜702一端连接，所述第二法拉第旋光镜702另一端与第二全反镜802连接，所述第二合束器402泵浦输入端连接有第二泵浦源502，所述第二偏振分束器202一反射端与第五光纤准直器305一端连接，所述第五光纤准直器305另一端与第三合束器403信号输入端连接，所述第三合束器403复用端与第三增益光纤603一端连接，所述第三增益光纤603另一端与第六光纤准直器306一端连接，所述第六光纤准直器306另一端与第三法拉第旋光镜703一端连接，所述第三法拉第旋光镜703另一端与第三反射镜803连接，所述第三合束器403泵浦输入端连接有第三泵浦源503，所述第二偏振分束器202第三透射端作为偏振高功率激光输出端。
具体结构为：1550nm的种子光通过空间光隔离器100进入预放大级，光隔离器防止回光损坏种子源。种子光通过第一偏振分束立方体201后，p光进入1550nm的第一光纤准直器301，第一光纤准直器301连接976nm/1550nm的第一波分复用器401的1550nm输入端，976nm的半导体激光器作为第一泵浦源501连接第一波分复用器401的976nm输入端，第一波分复用器401的复用端与掺Er单模第一增益光纤601连接，将泵浦光注入第一增益光纤601中产生粒子数反转。掺Er单模第一增益光纤601连接1550nm的光纤准直器302将放大后的激光输出，输出的激光通过第一第一法拉第旋光镜701，激光的偏振角度将产生45度的旋转，第一第一法拉第旋光镜701后放置一块1550nm的第一第一全反镜801，将入射的激光原路返回，激光再次经过第一法拉第旋光701镜时，偏振方向沿同一方向旋转45度，这样两次总共旋转90度，激光再次通过1550nm的第二光纤准直器302进入掺Er单模第一增益光纤601，再次进行增益以及偏振补偿以后，入射到第一偏振分束立方体201上，此时激光的偏振方向已经旋转为s光，所以放大后的激光会经过第一偏振分束立方体201反射出去，反射出来的放大光具有确定的偏振状态，进入下一级可以继续保偏放大。
一级放大光为对于第二偏振分束立方体202是p光，会被完全透射，进入1550nm的第三光纤准直器303，第三光纤准直器303连接976nm/1550nm的第二波分复用器402的1550nm输入端，976nm的半导体激光器作为第二泵浦源502连接第二波分复用器402的976nm输入端，第二波分复用器402的复用端与掺Er单模第二增益光纤602连接，将泵浦光注入掺Er单模第二增益光纤602中产生粒子数反转。掺Er单模第二增益光纤602连接1550nm的第四光纤准直器304将放大后的激光输出，输出的激光通过第二法拉第旋光镜702，激光的偏振角度将产生45度的旋转，第二法拉第旋光镜702后放置一块1550nm的第二第二全反镜802，将入射的激光原路返回，激光再次经过第二法拉第旋光镜702时，偏振方向沿同一方向旋转45度，这样两次总共旋转90度，激光再次通过1550nm的第四光纤准直器304进入掺Er单模第二增益光纤602，再次进行增益以及偏振补偿以后，入射到第二偏振分束立方体102上，此时激光的偏振方向已经旋转为p光，所以放大后的激光会经过第二偏振分束立方体102反射出来。
二级放大输出的激光进入1550nm的高功率第五光纤准直器305，第五光纤准直器305连接(2+1)×1高功率第三泵浦合束器403的种子光输入端，两个20W的976nm的高功率半导体激光器作为第三泵浦源503连接(2+1)×1高功率第三泵浦合束器403的泵浦输入端，(2+1)×1高功率第三泵浦合束器403的复用端与掺Er双包层第三增益光纤603连接，将泵浦光注入掺Er第三增益光纤603中产生粒子数反转。掺Er双包层第三增益光纤603连接1550nm的高功率第六光纤准直器306将放大后的激光输出，输出的激光通过第三法拉第旋光镜703，激光的偏振角度将产生45度的旋转，第三法拉第旋光镜703后放置一块1550nm的第三全反镜803，将入射的激光原路返回，激光再次经过第三法拉第旋光镜703时，偏振方向沿同一方向旋转45度，这样两次总共旋转90度，激光再次通过1550nm的第六光纤准直器306进入掺Er双包层第三增益光纤602，再次进行增益以及偏振补偿以后，入射到第二偏振分束立方体202上，此时激光的偏振方向已经旋转为p光，所以放大后的激光会经过第二偏振分束立方体202透射出来，获得稳定偏振的高功率激光。
Claims (6)
1.一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，其特征在于：包括有用于防止种子光回光损坏种子源的激光空间隔离器(100)，所述激光空间隔离器(100)输出端与用于分离不同方向激光的第一偏振分束器(201)一透射端连接，所述第一偏振分束器(201)另一透射端与第一光纤准直器(301)一端连接，所述第一光纤准直器(301)另一端与第一合束器(401)的信号输入端连接，所述第一合束器(401)复用端与用于产生粒子数反转的第一增益光纤(601)一端连接，所述第一增益光纤(601)另一端与第二光纤准直器(302)一端连接，所述第二光纤准直器(302)另一端与用于使激光偏振角度旋转45度的第一法拉第旋光镜(701)一端连接，所述第一法拉第旋光镜(701)另一端与用于将入射光原路返回的第一全反镜(801)连接，所述第一合束器(401)泵浦输入端连接有第一泵浦源(501)，所述第一偏振分束器(201)一反射端作为保偏脉冲输出端，所述第一偏振分束器(201)一反射端与第二偏振分束器(202)一反射端连接，第二偏振分束器(202)另一反射端与第三光纤准直器(303)一端连接，所述第三光纤准直器(303)另一端与第二合束器(402)信号输入端连接，所述第二合束器(402)复用端与第二增益光纤(602)一端连接，所述第二增益光纤(602)另一端与第四光纤准直器(304)一端连接，所述第四光纤准直器(304)另一端与第二法拉第旋光镜(702)一端连接，所述第二法拉第旋光镜(702)另一端与第二全反镜(802)连接，所述第二合束器(402)泵浦输入端连接有第二泵浦源(502)，所述第二偏振分束器(202)一透射端作为保偏脉冲输出端，所述的第一偏振分束器(201)和第二偏振分束器(202)为偏振分束立方或偏振分束平片。
2.根据权利要求1所述的一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，其特征在于所述第一偏振分束器(201)一反射端与第二偏振分束器(202)第一透射端连接，第二偏振分束器(202)第二透射端与第三光纤准直器(303)一端连接，所述第三光纤准直器(303)另一端与第二合束器(402)信号输入端连接，所述第二合束器(402)复用端与第二增益光纤(602)一端连接，所述第二增益光纤(602)另一端与第四光纤准直器(304)一端连接，所述第四光纤准直器(304)另一端与第二法拉第旋光镜(702)一端连接，所述第二法拉第旋光镜(702)另一端与第二全反镜(802)连接，所述第二合束器(402)泵浦输入端连接有第二泵浦源(502)，所述第二偏振分束器(202)一反射端与第五光纤准直器(305)一端连接，所述第五光纤准直器(305)另一端与第三合束器(403)信号输入端连接，所述第三合束器(403)复用端与第三增益光纤(603)一端连接，所述第三增益光纤(603)另一端与第六光纤准直器(306)一端连接，所述第六光纤准直器(306)另一端与第三法拉第旋光镜(703)一端连接，所述第三法拉第旋光镜(703)另一端与第三反射镜(803)连接，所述第三合束器(403)泵浦输入端连接有第三泵浦源(503)，所述第二偏振分束器(202)第三透射端作为偏振高功率激光输出端。
3.根据权利要求1或2所述的一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，其特征在于所述的第一合束器(401)、第二合束器(402)和第三合束器(403)为波分复用器、泵浦合束器或高功率泵浦合束器。
4.根据权利要求1或2所述的一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，其特征在于所述的第一泵浦源(501)、第二泵浦源(502)和第三泵浦源(503)至少为一个。
5.根据权利要求1或2所述的一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，其特征在于所述的第一增益光纤(601)、第二增益光纤(602)和第三增益光纤(603)为单模增益光纤、双包层增益光纤、光子晶体光纤，所述的第一增益光纤(601)、第二增益光纤(602)和第三增益光纤(603)掺杂离子为镱、铒、钬、镨或铥。
6.根据权利要求1或2所述的一种偏振稳定的光纤激光级联放大器，其特征在于所述的第一法拉第旋光镜(701)、第二法拉第旋光镜(702)和第三法拉第旋光镜(703)为光纤结构或空间结构。
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