CN103944048A - 一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器及制作方法，所述飞秒激光器包括腔体部分和空间光路部分；所述腔体部分包括808nm单模半导体光泵浦（1）、808nm光纤式单模隔离器（2）、808/920nm波分复用器（3）、单包层掺钕增益光纤（4）、920nm光纤准直器（5）；所述空间光路部分包括低通二向色镜（6）、920nm1/4波片（7）、920nm偏振分束棱镜（8）、920nm法拉第旋光器（9）、920nm1/2波片（10）、双折射滤波片（11）。本发明发掘了掺钕光纤在900–920nm之间的锁模潜力，在保证单脉冲能量的前提下提高了光-光转换效率，同时这一激光器的发明使得集成化的双光子荧光显微镜有了更优且便于集成的光源。
Description
技术领域
本发明涉及光纤飞秒激光器技术领域，更具体涉及一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器及制作方法。
背景技术
光纤飞秒激光器是飞秒激光技术的典型之一。飞秒激光技术是近些年来在量子光学及非线性光学的基础上迅速发展起来的应用技术，其定义为脉宽从几个飞秒到几百飞秒之间的超快激光脉冲，其中1fs=10-15s。新型的双光子显微镜需要使用飞秒激光作为激发光源，才能够利用双光子效应激发生物荧光蛋白进而成像。在这一分支领域，传统的方法是使用钛宝石激光器作为光源，其优势在于可靠的稳定性和宽带可调谐性。然而，钛宝石激光器成本较高，系统庞大，便携性较差；最近使用蓝光泵浦的钛宝石激光器成本有较大幅度的降低，其输出功率偏低这一劣势并未得到改善。这无疑限制了双光子显微镜的研究发展。光纤飞秒激光器的使用对双光子显微镜的微型化也是十分必要的，由于激光可以在光纤形成的腔内振荡，不比像空间光路那样考虑很多准直、聚焦、耦合以及晶体相位匹配等问题，这样可以节省很多空间，便于集成。
锁模技术是光纤飞秒激光器的核心技术，其要点在于频域内实现增益带宽内的多个模式相位锁定，使得时域内产生超短脉冲。当前较为流行的光纤飞秒激光器的锁模技术分为两类，一类为主动锁模，但需要额外添加主动锁模元件，腔型结构复杂；另一类为被动锁模，腔型结构简单，可以充分利用增益介质的增益带宽。其中，在被动锁模光纤飞秒激光器领域，非线性偏振旋转锁模技术是当前较为流行的技术之一，它利用光在光纤中传播产生的非线性偏振旋转效应，以及在腔内空间部分使用偏振控制元件构成可饱和吸收体，从而实现光纤激光器在增益带宽内的模式锁定，产生飞秒量级的超短光脉冲。
目前锁模中心波长在900–950nm之间的光纤飞秒激光器，其制作方法主要有两大类，第一类线性腔输出900–950nm的超短脉冲，从当前国际上发表的论文来看，腔内必须增加色散元件来平衡色散，这样对单脉冲能量有一定的限制，难以超过0.5nJ；第二类是最新的研究采用W型双包层掺钕光纤作为环形腔内的增益光纤，其横截面折射率分布为W型，即纤芯>外包层>内包层，尽管这种结构的掺钕光纤在室温下即可有效抑制1064nm处的四能级辐射，从而提高900–950nm之间的三能级辐射，然而其与普通单模光纤或者其他双包层光纤的熔接损耗较大，导致光-光转换效率较低，不到1%。
总之，现有的900-950nm波段的光纤飞秒激光器存在成本高，结构复杂，光-光转换效率较低，飞秒脉冲能量低的技术缺陷。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提高900-950nm波段光钎飞秒激光器的输出功率和光-光转换效率。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器，所述飞秒激光器包括腔体部分和空间光路部分；所述腔体部分包括808nm单模半导体光泵浦1、808nm光纤式单模隔离器2、808/920nm波分复用器3、单包层掺钕增益光纤4、920nm光纤准直器5；所述空间光路部分包括低通二向色镜6、920nm1/4波片7、920nm偏振分束棱镜8、920nm法拉第旋光器9、920nm1/2波片10、双折射滤波片11；
所述808nm单模半导体光泵浦1、808nm光纤式单模隔离器2、808/920nm波分复用器3按顺序焊接在一起，在所述808nm光纤式单模隔离器2与808/920nm波分复用器3的焊接处，焊接所述920nm光纤准直器5，形成腔体单元；所述腔体部分包括两个腔体单元，分别为腔体一和腔体二；
所述单包层掺钕增益光纤4的一端焊接在所述腔体一的808/920nm波分复用器3上，其另一端焊接在所述腔体二的808/920nm波分复用器3上，形成环形腔体；所述腔体一的920nm光纤准直器5与所述腔体二的920nm光纤准直器5之间设置空间光路部分，所述空间光路部分依次为低通二向色镜6、920nm1/4波片7、920nm偏振分束棱镜8、920nm法拉第旋光器9、920nm1/2波片10、920nm偏振分束棱镜8、双折射滤波片11、920nm1/2波片10、920nm1/4波片7。
优选地，所述空间光路部分还包括色散补偿光栅对（12），位于所述腔体一的920nm光纤准直器（5）和所述空间光路部分的920nm1/4波片（7）之间，所述低通二向色镜（6）从所述空间光路部分去除。
优选地，所述空间光路部分还包括滤波光栅（13），位于所述腔体一的920nm光纤准直器（5）和所述空间光路部分的920nm1/4波片（7）之间，所述低通二向色镜（6）从所述空间光路部分去除。
优选地，所述色散补偿光栅对12为反射式光栅或透射式光栅。
优选地，所述滤波光栅13为反射式光栅或透射式光栅。
一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器的制作方法，所述包括以下步骤：
S1、根据激光器的波长910nm，选取单包层掺钕增益光纤为增益光纤；
S2、根据激光器的波长910nm，选取780HP或HI780为920nm光纤准直器5与808/920nm波分复用器3尾纤；
S3、根据所设定的重复频率，调配所述单包层掺钕增益光纤4的长度、空间光路部分的长度，保证增益光纤能够在808nm附近提供约30dB的吸收增益；其中有重复频率=光速/(折射率*环形腔体的腔长)；
S4、焊接所述飞秒激光器的腔体部分、焊接所述单包层掺钕增益光纤（4）到所述腔体部分；
S5、设置空间光路部分；
S6、调节两个920nm光纤准直器5之间的耦合，使一端出射光能够较好地耦合至另一端，从而形成连续激光输出；
S7、调节空间光路部分的920nm1/4波片7、920nm1/2波片10与双折射滤波片11的光轴取向，从而实现锁模脉冲光输出。
优选地，所述步骤S7中利用光谱仪监测输出的脉冲光。
（三）有益效果
本发明提供了一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器及制作方法，本发明发掘了掺钕光纤在900–920nm之间的锁模潜力，在保证单脉冲能量的前提下提高了光-光转换效率，同时这一激光器的发明使得集成化的双光子荧光显微镜有了更优且便于集成的光源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个较佳实施例的一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器的结构示意图；
图2为本发明的另一个较佳实施例的一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器的结构示意图；
图3为本发明的另一个较佳实施例的一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器的结构示意图。
附图说明：
1、808nm单模半导体光泵浦；2、808nm光纤式单模隔离器；3、808/920nm波分复用器；4、单包层掺钕增益光纤；5、920nm光纤准直器；6、低通二向色镜；7、920nm1/4波片；8、920nm偏振分束棱镜；9、920nm法拉第旋光器；10、920nm1/2波片；11、双折射滤波片；12、色散补偿光栅对；13、滤波光栅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例1
图1为本发明的一个较佳实施例的一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器的结构示意图；本实施例中，本发明的基于单包层掺钕光纤及环形腔的飞秒激光器，所述飞秒激光器包括腔体部分和空间光路部分；所述腔体部分包括808nm单模半导体光泵浦1、808nm光纤式单模隔离器2、808/920nm波分复用器3、单包层掺钕增益光纤4、920nm光纤准直器5；所述空间光路部分包括低通二向色镜6、920nm1/4波片7、920nm偏振分束棱镜8、920nm法拉第旋光器9、920nm1/2波片10、双折射滤波片11；所述808nm单模半导体光泵浦1、808nm光纤式单模隔离器2、808/920nm波分复用器3按顺序焊接在一起，在所述808nm光纤式单模隔离器2与808/920nm波分复用器3的焊接处，焊接所述920nm光纤准直器5，形成腔体单元；所述腔体部分包括两个腔体单元，分别为腔体一和腔体二；所述单包层掺钕增益光纤4的一端焊接在所述腔体一的808/920nm波分复用器3上，其另一端焊接在所述腔体二的808/920nm波分复用器3上，形成环形腔体。
所述腔体一的920nm光纤准直器5与所述腔体二的920nm光纤准直器5之间设置空间光路部分，所述空间光路部分依次为低通二向色镜6、920nm1/4波片7、920nm偏振分束棱镜8、920nm法拉第旋光器9、920nm1/2波片10、920nm偏振分束棱镜8、双折射滤波片11、920nm1/2波片10、920nm1/4波片7。
本发明还公开了一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器的制作方法，其特征在于，所述包括以下步骤：
S1、根据激光器的波长910nm，选取单包层掺钕增益光纤为增益光纤，利用其在室温下的三能级辐射特性；
S2、根据激光器的波长910nm，为保证其在腔体内的单模、低损耗振荡，选取780HP或HI780为920nm光纤准直器5与808/920nm波分复用器3尾纤；
S3、根据所设定的重复频率，调配所述单包层掺钕增益光纤4的长度、空间光路部分的长度，保证增益光纤能够在808nm附近提供约30dB的吸收增益；其中有重复频率=光速/(折射率*环形腔体的腔长)；
S4、焊接所述飞秒激光器的腔体部分、焊接所述单包层掺钕增益光纤4到所述腔体部分；
S5、设置空间光路部分；
S6、调节两个920nm光纤准直器5之间的耦合，使一端出射光能够较好地耦合至另一端，从而形成连续激光输出；
S7、调节空间光路部分的920nm1/4波片7、920nm1/2波片10与双折射滤波片11的光轴取向，利用光谱仪监测输出的脉冲光，实现锁模脉冲光输出。
实施例2
图2为本发明的另一个较佳实施例的一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器的结构示意图；与实施例1相比较，本实施例增加了光学器件色散补偿光栅对12，位于所述腔体一的920nm光纤准直器（5）和所述空间光路部分的920nm1/4波片（7）之间，所述低通二向色镜（6）从所述空间光路部分去除。所述色散补偿光栅对12为反射式光栅或透射式光栅。本实施例的腔体部分与实施例相同，本实施例的制作方法与实施例1相同，这里不再赘述。
实施例3
图3为本发明的另一个较佳实施例的一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器的结构示意图；与实施例1相比较，本实施例增加了光学器件滤波光栅13，位于所述腔体一的920nm光纤准直器（5）和所述空间光路部分的920nm1/4波片（7）之间，所述低通二向色镜（6）从所述空间光路部分去除。所述滤波光栅13为反射式光栅或透射式光栅。本实施例的腔体部分与实施例相同，本实施例的制作方法与实施例1相同，这里不再赘述。
本发明的一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器利用808nm单模半导体光泵浦作为激励光源，保证腔内的足够高的抽运功率及非线性，从而实现锁模；采用被动锁模中的非线性偏振旋转锁模机制，直接产生飞秒级光锁模脉冲；采用双折射滤波片11、低通二向色镜来滤除四能级系统激射波段光强，保证激光器工作在三能级波长并维持锁模的稳定性。
本发明发掘了掺钕光纤在900–920nm之间的锁模潜力，在保证单脉冲能量的前提下提高了光-光转换效率，同时这一激光器的发明使得集成化的双光子荧光显微镜有了更优且便于集成的光源。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器，其特征在于，所述飞秒激光器包括腔体部分和空间光路部分；所述腔体部分包括808nm单模半导体光泵浦（1）、808nm光纤式单模隔离器（2）、808/920nm波分复用器（3）、单包层掺钕增益光纤（4）、920nm光纤准直器（5）；所述空间光路部分包括低通二向色镜（6）、920nm1/4波片（7）、920nm偏振分束棱镜（8）、920nm法拉第旋光器（9）、920nm1/2波片（10）、双折射滤波片（11）；
所述808nm单模半导体光泵浦（1）、808nm光纤式单模隔离器（2）、808/920nm波分复用器（3）按顺序焊接在一起，在所述808nm光纤式单模隔离器（2）与808/920nm波分复用器（3）的焊接处，焊接所述920nm光纤准直器（5），形成腔体单元；所述腔体部分包括两个腔体单元，分别为腔体一和腔体二；
所述单包层掺钕增益光纤（4）的一端焊接在所述腔体一的808/920nm波分复用器（3）上，其另一端焊接在所述腔体二的808/920nm波分复用器（3）上，形成环形腔体；所述腔体一的920nm光纤准直器（5）与所述腔体二的920nm光纤准直器（5）之间设置空间光路部分，所述空间光路部分依次为低通二向色镜（6）、920nm1/4波片（7）、920nm偏振分束棱镜（8）、920nm法拉第旋光器（9）、920nm1/2波片（10）、920nm偏振分束棱镜（8）、双折射滤波片（11）、920nm1/2波片（10）、920nm1/4波片（7）。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光器，其特征在于，所述空间光路部分还包括色散补偿光栅对（12），位于所述腔体一的920nm光纤准直器（5）和所述空间光路部分的920nm1/4波片（7）之间，所述低通二向色镜（6）从所述空间光路部分去除。
3.根据权利要求1所述的飞秒激光器，其特征在于，所述空间光路部分还包括滤波光栅（13），位于所述腔体一的920nm光纤准直器（5）和所述空间光路部分的920nm1/4波片（7）之间，所述低通二向色镜（6）从所述空间光路部分去除。
4.根据权利要求2所述的飞秒激光器，其特征在于，所述色散补偿光栅对（12）为反射式光栅或透射式光栅。
5.根据权利要求3所述的飞秒激光器，其特征在于，所述滤波光栅（13）为反射式光栅或透射式光栅。
6.一种基于单包层钕光纤及环形腔的飞秒激光器的制作方法，其特征在于，所述包括以下步骤：
S1、根据激光器的波长910nm，选取单包层掺钕增益光纤为增益光纤；
S2、根据激光器的波长910nm，选取780HP或HI780为920nm光纤准直器（5）与808/920nm波分复用器（3）尾纤；
S3、根据所设定的重复频率，调配所述单包层掺钕增益光纤（4）的长度、空间光路部分的长度，保证增益光纤能够在808nm附近提供约30dB的吸收增益；其中有重复频率=光速/(折射率*环形腔体的腔长)；
S4、焊接所述飞秒激光器的腔体部分、焊接所述单包层掺钕增益光纤（4）到所述腔体部分；
S5、设置空间光路部分；
S6、调节两个920nm光纤准直器（5）之间的耦合，使一端出射光能够较好地耦合至另一端，从而形成连续激光输出；
S7、调节空间光路部分的920nm1/4波片（7）、920nm1/2波片（10）与双折射滤波片（11）的光轴取向，从而实现锁模脉冲光输出。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S7中利用光谱仪监测输出的脉冲光。
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Application publication date: 20140723 Assignee: Beijing Chaowei landscape Biology Technology Co., Ltd. Assignor: Peking University Contract record no.: 2018990000204 Denomination of invention: Femtosecond laser device based on single cladding neodymium optical fibers and ring cavity and manufacturing method Granted publication date: 20170825 License type: Exclusive License Record date: 20180808 |