CN103779767B - 一种基于光栅滤波全正色散掺铒光纤激光器及其调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光栅滤波全正色散掺铒光纤激光器及其调节方法。本发明的全正色散掺铒光纤激光器包括：偏振分光棱镜、隔离器、第一1/4波片、光栅、第一准直器、增益光纤、第二准直器、第二1/4波片片和1/2波片，构成环形谐振腔；泵浦源经波分复用器耦合至增益光纤中，耦合器经光纤连接至第二准直器；环形谐振腔中插入了光栅，利用光栅作为谐振腔内滤波器，通过调节第一准直器的横向位置以及角度以调节第一准直器的方向，使某一中心波长的衍射光进入准直器，从而滤波实现激光器的自锁模；并调节第一准直器与光栅的衍射点之间的距离，实现输出脉冲的光谱宽度的调节。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器，具体涉及一种利用光栅作为激光器腔内滤波器的方法达到锁模目的的全正色散掺铒光纤激光器其控制方法。
背景技术
单模光纤激光器诞生于80年代中期，真正稳定的超短脉冲光纤激光器（20ps）出现在1989年。近年来随着固体飞秒激光器的发展,飞秒量级的光纤激光器也已出现,并成为飞秒固体激光器强有力的竞争对手。它的最大优点是小型化、高效率、省能源、稳定性好。
光纤激光器内脉冲形成机制，经历了从孤子型、展宽-压缩型、自相似型到全正色散或放大自相似等几个阶段，人们对光纤激光器的锁模和脉冲形成机制的认识也不断提高。光纤激光器包括利用负色散与自相位调制平衡的孤子型光纤激光器，以及腔内引入色散平衡元件的展宽脉冲型光纤激光器。然而孤子型光纤激光器中，孤子面积最终限制了光纤激光器所能获得的最高能量；而展宽脉冲型光纤激光器中，展宽脉冲锁模对应的非线性相移为π左右始终使脉冲的能量在一定程度上受到了限制。也就是说，如果使谐振腔内的自振幅调制起到更大的脉冲成型的作用，从而不依赖于孤子机制也能稳定激光脉冲，光纤激光器的脉冲能量可以得到进一步的提高。
同时，随着超短脉冲激光器的发展，对脉冲的能量要求也因为应用需要而越来越高。近年来，在没有应用任何色散补偿元件的光纤激光器中实现了稳定的锁模运转。对于掺镱光纤激光器而言，由于其增益光纤及单模光纤在1μm波段均产生正色散，所以也更容易实现。这种全正色散光纤激光器是由康奈尔大学的Wise研究组第一次提出的，在谐振腔中附加提供了自振幅调制的频谱滤波元件，产生的脉冲能量达到了20nJ。但是单模光纤在1.5μm波段产生负色散，所以比较难实现全正色散光纤激光器。现阶段全正色散光纤激光器主要是通过腔内插入双折射滤波器的掺镱光纤激光器，目前已报道的全正色散掺铒光纤激光器也是通过腔内插入双折射滤波器的锁模机制。
发明内容
针对以上现有技术中的全正色散掺铒光纤激光器采用双折射滤波的办法具有光谱以及光谱宽度难以调节等缺点，本发明提出了利用光栅作为腔内滤波器的全正色散掺铒光纤激光器的方案，实现了输出脉冲光谱的中心波长和光谱宽度同时可调的全正色散光纤激光器。
本发明的一个目的在于提供一种基于光栅滤波的全正色散掺铒光纤激光器。
本发明的全正色散掺铒光纤激光器包括：偏振分光棱镜、隔离器、第一1/4波片、光栅、第一准直器、增益光纤、第二准直器、第二1/4波片和1/2波片，构成环形谐振腔；泵浦源经耦合器耦合至增益光纤中，耦合器经光纤连接至第二准直器；连续光和脉冲经过隔离器后变成线偏光；再经过第一1/4波片后变成椭圆偏振光，入射到光栅上衍射；调整光栅的角度，使得衍射光的强度最大；调节第一准直器的位置，一定光谱宽度的衍射光进入第一准直器；脉冲和连续光经过光纤后偏振方向发生不同程度的旋转；通过第二准直器进入第二1/4波片后，脉冲和连续光分别变成偏振方向不同的线偏光，通过调节1/2波片，使得脉冲的偏振方向与隔离器的偏振方向一致，从而脉冲经过隔离器在环形谐振腔内形成振荡；脉冲的P偏振分量透过偏振分光棱镜，脉冲的S偏振分量经偏振分光棱镜反射提供稳定的输出。
光栅采用闪耀光栅。耦合器采用波分复用器。连接耦合器和第二准直器的光纤采用色散补偿光纤。增益光纤采用掺饵增益光纤。
本发明的全正色散掺铒光纤激光器主要采用非线性偏振旋转NPR锁模原理。环形谐振腔内为全正色散配置，所以没有光谱滤波的条件下无法达到自锁模，必须在环形谐振腔内插入滤波器。隔离器是偏振相关的，当连续光和脉冲经过隔离器后变成线偏光。因为光纤是克尔介质，强度不同的光经过光纤增益光纤以及连接耦合器和第二准直器的光纤后，偏振方向会发生不同程度的旋转，因为脉冲和连续光的强度不同，所以两个椭圆偏振的旋转程度不同从而偏振方向不同，通过第二准直器进入第二1/4波片后，第二1/4波片将脉冲和连续光又变成了偏振方向不同的线偏光，通过调节1/2波片，使得脉冲的偏振方向与隔离器的偏振方向一致，从而脉冲经过隔离器在环形谐振腔内形成振荡，连续光被隔离掉。本发明在掺铒光纤激光器的环形谐振腔中插入了光栅作为滤波器，由于准直器的孔径数值一定，只有一定光谱宽度的衍射光能够进入准直器，调节第一准直器的方向与光栅的某一中心波长的衍射光的方向一致时，此中心波长附近一定光谱宽度的衍射光进入第一准直器，从而实现了滤波的作用以达到自锁模的目的；通过改变第一准直器的方向，可以实现不同中心波长的滤波光谱，实现了光纤激光器的输出脉冲的光谱在一定范围内可以调节。同时由于准直器的孔径一定，还可以通过调节第一准直器与光栅的衍射点的距离，改变第一准直器的张角，从而调节输出脉冲的光谱宽度。
本发明的另一个目的在于提供一种全正色散掺铒光纤激光器的调节方法。
本发明的全正色散掺铒光纤激光器的调节方法，包括以下步骤：
1）连续光和脉冲经过隔离器后变成线偏光，再经过第一1/4波片后变成椭圆偏振光，入射到光栅上衍射；
2）调整光栅的角度，使得衍射光的强度最大，通过调节第一准直器的横向位置以及角度以调节第一准直器的方向，使某一中心波长的衍射光进入准直器，以实现滤波，并调节第一准直器与光栅的衍射点的距离，以调节输出脉冲的光谱宽度；
3）脉冲和连续光经过光纤后偏振方向发生不同程度的旋转，通过第二准直器进入第二1/4波片后，脉冲和连续光分别变成偏振方向不同的线偏光；
4）通过调节1/2波片，使得脉冲的偏振方向与隔离器的偏振方向一致，从而脉冲经过隔离器在环形谐振腔内形成振荡，脉冲的P偏振分量透过偏振分光棱镜，脉冲的S偏振分量经偏振分光棱镜反射提供稳定的输出。
本发明的优点：
（1）利用光栅作为谐振腔内滤波器，从而实现激光器的自锁模；
（2）通过调节第一准直器的方向以及准直器与光栅的衍射点之间的距离，实现输出脉冲的中心波长以及光谱宽度的调节。
附图说明
图1为本发明的全正色散掺铒光纤激光器的一个实施例的结构示意图；
图2为本发明的全正色散掺铒光纤激光器的输出脉冲的光谱宽度的曲线图；
图3为本发明的全正色散掺铒光纤激光器的输出脉冲的自相关的曲线图；
图4为本发明的全正色散掺铒光纤激光器的中心波长可调节的输出脉冲光谱；
图5为本发明的全正色散掺铒光纤激光器的光谱宽度可调节的输出脉冲光谱。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例的全正色散掺铒光纤激光器包括：偏振分光棱镜PBS、隔离器ISO、第一1/4玻片QW1、光栅G、第一准直器CL1、增益光纤F、波分复用器WDM、第二准直器CL2、第二1/4玻片QW2和1/2玻片HW，构成环形谐振腔；泵浦源P经波分复用器WDM耦合至增益光纤中。脉冲的P偏振分量透过偏振分光棱镜PBS在环形谐振腔内振荡，脉冲的S偏振分量经偏振分光棱镜PBS反射，再经平面镜M反射，作为稳定的输出。
泵浦源P采用平均功率为900mW的974nm单模二极管反向泵浦。全正色散掺铒光纤激光器的重复频率为90MHz，平均功率为120mW。采用闪耀光栅起到光谱滤波作用以达到自锁模的目的。
图2为输出脉冲的光谱宽度的曲线图；图3为输出脉冲的自相关的曲线图，该自相关曲线为压缩好的脉冲自相关曲线，脉冲宽度为250fs。
通过调节第一准直器CL1的横向位置以及角度以调节第一准直器的方向，使某一中心波长的衍射光进入第一准直器，以实现滤波。图4给出了第一准直器与光栅的衍射点距离为26mm时，调节调节第一准直器的方向，得到的三条不同的中心波长的输出脉冲光谱。光谱中心波长分别为1530nm、1550nm和1570nm。
通过调节第一准直器与光栅的衍射点的距离d，以调节输出脉冲的光谱宽度，如图5所示，其中a为d=26mm时的输出脉冲光谱，b为d=45mm时的输出脉冲光谱，c为d=80mm时的输出脉冲光谱，由图可见，随着距离d的增加，第一准直器的张角变小，从而输出脉冲的光谱宽度变窄。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (5)
1.一种全正色散掺铒光纤激光器，其特征在于，所述全正色散掺铒光纤激光器包括：偏振分光棱镜、隔离器、第一1/4波片、光栅、第一准直器、增益光纤、第二准直器、第二1/4波片和1/2波片，构成环形谐振腔；泵浦源经耦合器耦合至增益光纤中，耦合器经光纤连接至第二准直器；连续光和脉冲经过隔离器后变成线偏光；再经过第一1/4波片后变成椭圆偏振光，入射到光栅上衍射；调整光栅的角度，使得衍射光的强度最大；调节第一准直器的位置，一定光谱宽度的衍射光进入第一准直器；脉冲和连续光经过光纤后，偏振方向发生不同程度的旋转；通过第二准直器进入第二1/4波片后，脉冲和连续光分别变成偏振方向不同的线偏光，通过调节1/2波片，使得脉冲的偏振方向与隔离器的偏振方向一致，从而脉冲经过隔离器在环形谐振腔内形成振荡；脉冲的P偏振分量透过偏振分光棱镜，脉冲的S偏振分量经偏振分光棱镜反射提供稳定的输出；所述增益光纤采用掺饵增益光纤。
2.如权利要求1所述的全正色散掺铒光纤激光器，其特征在于，所述光栅采用闪耀光栅。
3.如权利要求1所述的全正色散掺铒光纤激光器，其特征在于，所述耦合器采用波分复用器。
4.如权利要求1所述的全正色散掺铒光纤激光器，其特征在于，连接耦合器和第二准直器的光纤采用色散补偿光纤。
5.一种全正色散掺铒光纤激光器的调节方法，其特征在于，增益光纤采用掺饵增益光纤，所述调节方法包括以下步骤：
1)连续光和脉冲经过隔离器后变成线偏光，再经过第一1/4波片后变成椭圆偏振光，入射到光栅上衍射；
2)调整光栅的角度，使得衍射光的强度最大，通过调节第一准直器的横向位置以及角度以调节第一准直器的方向，使某一中心波长的衍射光进入第一准直器，以实现滤波，并调节第一准直器与光栅的衍射点的距离，以调节输出脉冲的光谱宽度；
3)脉冲和连续光经过光纤后偏振方向发生不同程度的旋转，经过第二准直器和第二1/4波片后，脉冲和连续光分别变成偏振方向不同的线偏光；
4)通过调节1/2波片，使得脉冲的偏振方向与隔离器的偏振方向一致，从而脉冲经过隔离器在环形谐振腔内形成振荡，脉冲的P偏振分量透过偏振分光棱镜，脉冲的S偏振分量经偏振分光棱镜反射提供稳定的输出。
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