CN103401134A

CN103401134A - 一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器

Info

Publication number: CN103401134A
Application number: CN2013103772644A
Authority: CN
Inventors: 郝强; 曾和平
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2013-11-20

Abstract

一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器，由光纤耦合半导体激光器、波分复用器、掺镱单模增益光纤、两个光纤准直器、两个四分之一玻片、两个二分之一波片、偏振分束器、法拉第旋转器、两个反射光栅、反射镜以及光隔离器组成，飞秒激光器采用半空间半光纤的环形腔结构，联合法拉第旋转器和二分之一波片的共同作用，采用一组光栅对对激光器进行腔内色散管理，使两次通过法拉第旋转器的激光的偏振方向转过90度，从偏振分束器的一个垂直反射端口反射，避免光路高度的降低和额外的反射镜的引入；通过二分之一波片调节照射到第一反射光栅上入射光的偏振方向，达到最高的衍射效率，降低激光器的腔内损耗，实现降低锁模阈值的效果。

Description

一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种超短脉冲激光光源装置，具体涉及一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器。

背景技术

飞秒脉冲光纤激光器由于其自身的多个特点，如结构紧凑、电光效率高、光束质量优等，在各领域各学科的研究和应用日益广泛。特别是脉冲宽度在飞秒和皮秒量级、中心波长在1.0微米附近的近红外激光越来越受到生物、医药、精细加工需求的青睐。掺镱离子的有源光纤特别适合作为1.0微米波段附近产生和放大激光的介质。目前，在实验室中，采用该技术已经获得了平均功率高达百瓦、峰值功率超过十兆瓦的超短脉冲激光输出（Optics Letters，Vol.35，page94-96，2010）。

由于掺镱离子的有源单模光纤（生产商/型号，OFS/YbDF350，Nlight/Yb1200-4/125，Nufern/SM-YSF-LO）及无源单模光纤（Corning/Hi1060，Nufern/1060-XP）等在1.0微米波段为正色散（二阶传播常数β₂>0，或色散参量D<0），因此，如果需要从激光振荡器直接输出飞秒脉冲（脉冲宽度小于1ps），就需要在激光器内部进行色散管理。通常，通过引入光栅对对腔内色散进行管理。如，已有文献报道（Optics Letters，Vol.30，No.14，page1888-1890）、（Optics Express，Vol.11，No.26，page3550-3554）和专利（申请号200410073285.8）分别通过引入一组或者两组光栅对，通过调节平行放置的两块光栅的间距调节色散净值，实现激光器的腔内或者腔外的色散管理。

如文献报道（Optics Letters，Vol.30，No.14，page1888-1890）中，采用一组光栅对，即两块光栅，进行色散补偿。由于该组光栅对的入射光和出射光为同一偏振方向（水平偏振），因此需要通过调节光栅对后端的反射镜（原文中标注为mirror的反射镜）的俯角，降低反射光高度，才能将入射光和出射光空间分离，再通过安置于入射光路下方的与入射光成45度角的反射镜，将激光反射注入后续器件中。该种光路结构的特点是必须通过调节反射镜的俯角，将入射光和出射光空间分离，缺点是空间光路的高度无法统一，前高后低。而光路的爬高和降低会给激光器的光路设计、器件安装、固定封装带来相当的不便，也会给激光器的运转带来极大的不稳定因素。

又如文献报道（Optics Express，Vol.11，No.26，page3550-3554）中，采用两组光栅对，即四块光栅，进行色散补偿。虽然，四块光栅解决了统一光路高度的问题，但是，四块光栅的安装和色散调节需要有两个移动平台的辅助，给安装和调试带来不便。而且，由于光栅对水平偏振和竖直偏振的衍射损耗不同，文献中并未考虑这一因素，也未优化腔内损耗。

再如专利（申请号200410073285.8）中，将振荡器输出的激光进行能量预放大后，在腔外进行色散补偿。该专利采用相近的光路结构，通过直角棱镜分离进出光栅对的激光。由于该专利未改善进入光栅对激光的偏振态，因此该结构需要能量预放大器的辅助，才能确保一定的输出能量。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明专利提出了一种联合法拉第旋转器和二分之一波片的共同作用，仅采用一组光栅对（即两块光栅）对激光器进行腔内色散管理的技术。该技术统一了激光器空间光路的高度，便于激光器组装和调试；降低了由光栅引入的衍射损耗，可以实现低锁模阈值的激光运转。

本发明技术方案是这样实现的：

一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器，由光纤耦合半导体激光器、波分复用器、掺镱单模增益光纤、两个光纤准直器、两个四分之一玻片、两个二分之一波片、偏振分束器、法拉第旋转器、两个反射光栅、反射镜以及光隔离器组成，飞秒激光器采用半空间半光纤的环形腔结构，联合法拉第旋转器和二分之一波片的共同作用，仅采用一组光栅对（即两块光栅）对激光器进行腔内色散管理，使两次通过法拉第旋转器的激光的偏振方向转过90度，从偏振分束器的一个垂直反射端口反射，避免光路高度的降低和额外的反射镜的引入；通过二分之一波片调节照射到第一反射光栅上入射光的偏振方向，达到最高的衍射效率，以降低激光器的腔内损耗，实现降低锁模阈值的效果。

一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器，具体结构如下：

A)所述的光纤耦合半导体激光器作为飞秒激光器的泵浦源，提供的泵浦光经由波分复用器的泵浦端注入飞秒激光器中；所述的波分复用器的公共端与掺镱单模增益光纤连接；所述的掺镱单模增益光纤的另一端连接有出射端光纤准直器，将光纤光路转换成空间光路；

B)所述的空间光经由第一四分之一玻片、第一二分之一波片，偏振态由椭圆偏振光变成线偏振光，从偏振分束器的a端进入，其水平偏振光从偏振分束器的c端出射，竖直偏振态从偏振分束器的b端出射；

C)从偏振分束器b端出射的激光作为飞秒激光器的输出激光；

D)从偏振分束器c端出射的水平偏振光经过法拉第旋转器，偏振方向顺时针转过45度，再经过第二二分之一波片的控制，偏振方向调整至第一反射光栅和第二反射光栅最大衍射效率的位置；

E)空间光路经由所述的反射镜，以原光路高度反射回第二反射光栅以及第一反射光栅，第一反射光栅的出射光经过所述的第二二分之一波片，偏振方向复原，即水平偏振顺时针转45度的位置。而后，第二次经过法拉第旋转器后，偏振方向继续顺时针转过45度，垂直偏振从偏振分束器的d反射；

F)偏振分束器d端的出射光经由光隔离器和第二四分之一玻片，进入到入射端光纤准直器，完成空间光路到光纤光路的转换；

G)所述的入射端光纤准直器的尾纤端与波分复用器的信号端相连，完成整个光路回路的连接。

所述光纤耦合半导体激光器，为整个飞秒激光器提供连续的泵浦能量。

所述的掺镱单模增益光纤为激光器的增益介质。

所述的光纤准直器用来实现光纤光路与空间光路的转换。

偏振分束器的垂直偏振输出端口b作为飞秒激光器的输出端。

光学器件的中心波长为1.06微米，适应1.0-1.1微米的工作波段。

所述光学器件包括:波分复用器、掺镱单模增益光纤、出射端光纤准直器、入射端光纤准直器、第一四分之一玻片、第一二分之一波片、偏振分束器、法拉第旋转器、第二二分之一波片、第一反射光栅、第二反射光栅、反射镜、光隔离器、第二四分之一玻片。

本发明优点和积极效果是：

1、该结构不仅通过调节二分之一玻片可以降低光栅的衍射损耗，实现低阈值激光运转，而且可以统一激光器空间部分的光路高度，提高激光器的稳定性，改善激光器组装和调试的难度，利于激光器的工业化组装和生产。

2、法拉第旋转器的作用是使空间光路的偏振方向转过90度，从而可从偏振分束器的垂直反射端d端口输出反射，避免了光路高度的降低，统一器件布局的中心位置，简化了光路设计，优化了激光器的稳定性。

3、二分之一波片的作用是调节照射到反射光栅上的入射光的偏振方向，以达到最高的衍射效率，降低了激光器的腔内损耗，实现降低锁模阈值的效果。

附图说明

图1为本发明一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器的光路示意图；

图2中(a)本发明中第一反射光栅、第二反射光栅和反射镜上的光斑位置；

图2中(b)反射镜具有一定下压倾角时第一反射光栅、第二反射光栅和反射镜上的光斑位置。

101、光纤耦合半导体激光器，102、波分复用器，103、掺镱单模增益光纤，104、出射端光纤准直器，105、入射端光纤准直器，106、第一四分之一玻片，107、第一二分之一波片，108、偏振分束器，109、法拉第旋转器，110、第二二分之一波片，111、第一反射光栅，112、第二反射光栅，113、反射镜，114、光隔离器，115、第二四分之一玻片。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。

一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器如图1所示，飞秒激光器（100）采用半空间半光纤的环形腔结构。

所述的飞秒激光器100由光纤耦合半导体激光器101、波分复用器102、掺镱单模增益光纤103、出射端光纤准直器104、入射端光纤准直器105、第一四分之一玻片106、第一二分之一波片107、偏振分束器108、法拉第旋转器109、第二二分之一波片110、第一反射光栅111、第二反射光栅112、反射镜113、光隔离器114、第二四分之一玻片115组成。

所述的法拉第旋转器109和第二二分之一波片110为优化腔内损耗和统一光路高度的最关键部分。

所述的光纤耦合半导体激光器101作为飞秒激光器100的泵浦源，提供连续的泵浦能量；泵浦光经由波分复用器102的泵浦端注入飞秒激光器100中。所述的波分复用器102的公共端与掺镱单模增益光纤103连接。所述的掺镱单模增益光纤103的另一端连接有出射端光纤准直器104。

所述的出射端光纤准直器104的作用是将光纤光路转换成空间光路。

所述的空间光经由第一四分之一玻片106、第一二分之一波片107，偏振态从椭圆偏振光变成线偏振光。从偏振分束器108的a端进入，其水平偏振光从偏振分束器108的c端出射，竖直偏振态从偏振分束器108的b端出射。

从偏振分束器108b端出射的激光作为飞秒激光器100的输出激光。

从偏振分束器108c端出射的水平偏振光经过法拉第旋转器109，偏振方向顺时针转过45度。再经过第二二分之一波片110的控制，偏振方向调整至第一反射光栅111和第二反射光栅112最大衍射效率的位置。

空间光路经由所述的反射镜113，以原光路高度反射回第二反射光栅112以及第一反射光栅111。其中，第一反射光栅111上的入射光斑与出射光斑重合，第二反射光栅112上的入射光斑与出射光斑重合，如图2中（a）所示。在第二反射光栅112和反射镜113上的光斑为椭圆形的原因是由第一反射光栅111将入射光衍射的效果。

图2中（b）展示了将反射镜113调至有一定俯角时候的效果图，其中，第一反射光栅111上的入射光斑与出射光斑不重合，第二反射光栅112上的入射光斑与出射光斑不重合，第二反射光栅112上两光斑的间距比第一反射光栅111上两光斑的间距略大。明确的表明了进入第一反射光栅111的入射光与出射光具有一定的倾角。图2中（b）中的效果仅作为反例说明，本实施例不采用图2中（b）的光路。

第一反射光栅111的出射光经过所述的第二二分之一波片110，偏振方向复原，即水平偏振顺时针转45度的位置。而后，第二次经过法拉第旋转器109后，偏振方向继续顺时针转过45度，即偏振方向为垂直偏振，进而可从偏振分束器108的d反射。

偏振分束器108d端的出射光经由光隔离器114和第二四分之一玻片115，进入到入射端光纤准直器105，完成空间光路到光纤光路的转换。所述的光隔离114和第二四分之一玻片115的作用分别是实现光路的单向运转和改变激光的偏振态。

所述的入射端光纤准直器105的尾纤端与波分复用器102的信号端相连，完成整个光路回路的连接。

光学器件包括:波分复用器102、掺镱单模增益光纤103、出射端光纤准直器104、入射端光纤准直器105、第一四分之一玻片106、第一二分之一波片107、偏振分束器108、法拉第旋转器109、第二二分之一波片110、第一反射光栅111、第二反射光栅112、反射镜113、光隔离器114、第二四分之一玻片115。

所述光学器件的中心波长为1.06微米，适应1.0-1.1微米的工作波段。

Claims

1.一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器，由光纤耦合半导体激光器、波分复用器、掺镱单模增益光纤、两个光纤准直器、两个四分之一玻片、两个二分之一波片、偏振分束器、法拉第旋转器、两个反射光栅、反射镜以及光隔离器组成，其特征在于:飞秒激光器采用半空间半光纤的环形腔结构，联合法拉第旋转器和二分之一波片的共同作用，仅采用一组光栅对对激光器进行腔内色散管理，使两次通过法拉第旋转器的激光的偏振方向转过90度，从偏振分束器的一个垂直反射端口反射，避免光路高度的降低和额外的反射镜的引入；通过二分之一波片调节照射到第一反射光栅上入射光的偏振方向，达到最高的衍射效率，降低激光器的腔内损耗，实现降低锁模阈值的效果。

2.根据权利要求1所述的一种低阈值飞秒脉冲光纤激光器，其特征在于具体结构如下：

A)所述光纤耦合半导体激光器（101）作为飞秒激光器（100）的泵浦源，提供的泵浦光经由波分复用器（102）的泵浦端注入飞秒激光器（100）中；所述的波分复用器（102）的公共端与掺镱单模增益光纤（103）连接；所述的掺镱单模增益光纤（103）的另一端连接有出射端光纤准直器（104），将光纤光路转换成空间光路；

B)所述的空间光经由第一四分之一玻片（106）、第一二分之一波片（107），偏振态从椭圆偏振光变成线偏振光，从偏振分束器（108）的a端进入，其水平偏振光从偏振分束器（108）的c端出射，竖直偏振态从偏振分束器（108）的b端出射；

C)从偏振分束器（108）b端出射的激光作为飞秒激光器（100）的输出激光；

D)从偏振分束器（108）c端出射的水平偏振光经过法拉第旋转器（109），偏振方向顺时针转过45度，再经过第二二分之一波片（110）的控制，偏振方向调整至第一反射光栅（111）和第二反射光栅（112）最大衍射效率的位置；

E)空间光路经由所述的反射镜（113），以原光路高度反射回第二反射光栅（112）以及第一反射光栅（111），第一反射光栅（111）的出射光经过所述的第二二分之一波片（110），偏振方向复原，即水平偏振顺时针转45度的位置，而后，第二次经过法拉第旋转器（109）后，偏振方向继续顺时针转过45度，垂直偏振从偏振分束器（108）的d反射；

F)偏振分束器（108）d端的出射光经由光隔离器（114）和第二四分之一玻片（115），进入到入射端光纤准直器（105），完成空间光路到光纤光路的转换；

G)所述的入射端光纤准直器（105）的尾纤端与波分复用器（102）的信号端相连，完成整个光路回路的连接。