CN104184025A - 一种多次泵浦的光纤激光器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术领域，公开了一种多次泵浦的光纤激光器结构，包括谐振腔、直线放置的增益光纤，以及依泵浦光路设置的反射镜、偏振分束器、泵浦光偏振态旋转单元和分光镜；谐振腔及腔内的增益光纤置于分光镜后面；分光镜镀有振荡光的增透膜和泵浦光的高反膜，谐振腔前腔面镀有振荡光的部分透射膜和泵浦光的增透膜，后腔面镀有振荡光和泵浦光的高反射膜；线偏振泵浦光的偏振特性使其可往返四次通过上述增益光纤。利用直线放置的增益光纤加上多次泵浦结构，从而减小了所需增益光纤长度，缩短了激光器腔长，有效地解决了提高增益光纤泵浦效率和单纵模激光器需要较短谐振腔之间的矛盾。

Description

一种多次泵浦的光纤激光器结构

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种多次泵浦的光纤激光器结构。

背景技术

在光纤激光器中，一般来说，为了保证对泵浦光的充分吸收，需要的增益光纤都会很长，即使使用的是高增益光纤。与之矛盾的是，随着光纤器件不断向小型化、集成化发展，要求光纤激光器所用增益光纤越短越好。

缩短谐振腔长度，可增大纵模间隔，以致在小信号增益曲线满足振荡阈值条件的有效宽度内，只存在一个纵模，从而实现单纵模振荡。对于单纵模激光器，短腔显然容易获得单纵模。

锁模脉冲的周期等于光在腔内来回一次所需要的时间，激光器的谐振腔越短，相应的FSR就会越大。因而对50G、100G甚至10G锁模激光器，需短腔。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多次泵浦的光纤激光器结构，具有短谐振腔、高泵浦效率等优点。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种多次泵浦的光纤激光器结构，包括谐振腔、直线放置的增益光纤，以及依泵浦光路设置的反射镜、偏振分束器、 泵浦光偏振态旋转单元和分光镜；谐振腔及腔内的增益光纤置于分光镜后面；分光镜镀有振荡光的增透膜和泵浦光的高反膜，谐振腔前腔面镀有振荡光的部分透射膜和泵浦光的增透膜，后腔面镀有振荡光和泵浦光的高反射膜；泵浦源发出的泵浦光第一次经过偏振分束器和偏振态旋转单元之后经分光镜反射进入谐振腔内的增益光纤进行泵浦，并被后腔面反射沿原光路返回经过偏振态旋转单元之后其偏振方向与初始偏振方向垂直，经偏振分束器后其传播方向与初始传播方向垂直并被反射镜反射后再次沿偏振分束器、偏振态旋转单元、分光镜、谐振腔、分光镜、偏振态旋转单元、偏振分束器往返传播一次；振荡光由前腔面出射后经分光镜输出。

进一步的，所述直线放置的增益光纤设于一毛细管中，毛细管两端面分别构成谐振腔的前腔面和后腔面；分光镜与毛细管之间设有一微透镜。

进一步的，所述毛细管内，由紫外胶将增益光纤成直线状态固定在毛细管中。

进一步的，所述直线放置的增益光纤两端分别连接两光纤头，两光纤头的端面分别构成谐振腔的前腔面和后腔面。

进一步的，所述偏振态旋转单元为泵浦光的1/4波片，或者是45°法拉第旋转片和泵浦光的1/2波片。

进一步的，所述泵浦源输入端和振荡光输出端均设有保偏光纤准直器。

进一步的，所述谐振腔内还设有标准具、光子吸收体或半导体饱和吸收片各光学元件中的一种或多种；所述谐振腔的后腔面设于后腔镜上，位于上述光学元件后面，或者所述谐振腔的后腔面设于末端的光学元件后端面。

进一步的，所述谐振腔内还设有半导体饱和吸收片，设于增益光纤后面；所述谐振腔的后腔面设于该半导体饱和吸收片后端面；或者所述谐振腔内增益光纤后面依次设有动态增益均衡器和半导体饱和吸收片，所述谐振腔的后腔面设于该半导体饱和吸收片后端面。

本发明的另一技术方案：一种多次泵浦的光纤激光器结构，包括谐振腔、直线放置的增益光纤，以及依泵浦光路设置的反射镜、偏振分束器、 泵浦光偏振态旋转单元；所述谐振腔靠近偏振态旋转单元一端为后腔面，镀有泵浦光的增透膜和振荡光的高反膜；所述增益光纤末端端面镀有泵浦光的高反膜和振荡光的增透膜，增益光纤后面设有布儒斯特片和输出腔镜；所述输出腔镜镀有振荡光的部分透射膜；泵浦光输入端和振荡光输出端分别设有准直器；泵浦光经准直器准直后第一次经过偏振分束器和偏振态旋转，然后进入增益光纤泵浦，并被增益光纤末端端面反射沿原光路返回经过偏振态旋转单元之后其偏振方向与初始偏振方向垂直，经偏振分束器后其传播方向与初始传播方向垂直并被反射镜反射后再次沿偏振分束器、偏振态旋转单元、增益光纤、偏振态旋转单元、偏振分束器往返传播一次；振荡光经输出腔镜和准直器准直之后输出。

进一步的，所述增益光纤与布儒斯特片之间设有标准具或/和光子吸收体。

本发明的有益效果为：利用直线放置的增益光纤加上多次泵浦结构，从而减小了所需增益光纤长度，缩短了激光器腔长，有效地解决了提高增益光纤泵浦效率和单纵模激光器需要较短谐振腔之间的矛盾。

附图说明

图1为本发明激光器实施例一结构示意图；

图2为本发明激光器实施例二结构示意图；

图3为本发明激光器实施例三结构示意图；

图4为本发明激光器实施例四结构示意图；

图5为本发明激光器实施例五结构示意图；

图6为本发明激光器实施例六结构示意图；

图7为本发明激光器实施例七结构示意图；

图8为本发明激光器实施例八结构示意图；

图9为本发明激光器实施例九结构示意图。

附图标记：1、偏振分束器；2、反射镜；3、1/4波片；4、分光镜；5、微透镜；6、毛细管；7、增益光纤；8、45°法拉第旋转片；9、1/2波片；10、光纤头；11、后腔镜；12、vernier标准具；13、光子吸收体；14、布儒斯特片；15、保偏光纤准直器；16、半导体饱和吸收体；17、可调谐标准具；18、输出腔镜；S1、泵浦光高反振荡光增透膜；S2、泵浦光增透振荡光部分透射膜；S3、泵浦光和振荡光的高反膜；S4、泵浦光高反振荡光增透膜；S5、振荡光的高反膜；S6、振荡光和泵浦光的增透膜；S7、振荡光的部分透射；S8、泵浦光增透振荡光高反膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

如图1所示为本发明多次泵浦的光纤激光器结构具体实施例一，包括谐振腔、直线放置的增益光纤7，以及依泵浦光路设置的反射镜2、偏振分束器1、 泵浦光偏振态旋转单元和分光镜4；谐振腔及腔内的增益光纤7置于分光镜4后面；分光镜4镀有振荡光的增透膜和泵浦光的高反膜S1，谐振腔前腔面镀有振荡光的部分透射膜和泵浦光的增透膜，后腔面镀有振荡光和泵浦光的高反射膜；泵浦源发出的线偏振泵浦光第一次经过偏振分束器和偏振态旋转之后经分光镜反射进入谐振腔内的增益光纤进行泵浦，并被后腔面反射沿原光路返回经过偏振态旋转单元之后其偏振方向与初始偏振方向垂直，经偏振分束器后其传播方向与初始传播方向垂直并被反射镜反射后再次沿偏振分束器1、偏振态旋转单元、分光镜4、谐振腔、分光镜4、偏振态旋转单元、偏振分束器1往返传播一次；振荡光由前腔面出射后经分光镜4输出激光。其中，直线放置的增益光纤7设于一毛细管6中，毛细管6两端面分别构成谐振腔的前腔面和后腔面，即毛细管6前端面镀泵浦光增透振荡光部分透射膜S2，后端面镀泵浦光和振荡光的高反膜S3；分光镜4与毛细管6之间设有一微透镜5。毛细管6内，使用紫外胶将增益光纤7成直线近似无应力状态固定在毛细管6中，以保证近似保偏。该增益光纤7为高增益光纤，如Er:Yb高掺杂光纤等。该实施例中，偏振态旋转单元采用的是泵浦光的1/4波片3，线偏振的泵浦光透射过偏振分束器1（PBS）之后经1/4波片3，变成圆偏振光，经分光镜4反射并由微透镜5耦合进入增益光纤7，在增益光纤7镀有泵浦光高反膜的另一端反射回来，第二次经过增益光纤7，返回的泵浦光经分光镜4反射再次通过1/4波片3后，圆偏振光变为线偏振光，且其偏振方向与初始入射泵浦光的偏振方向正交，并被偏振分束器1反射至与原光路正交方向，被反射镜2反射再次经过偏振分束器1反射，通过1/4波片3后又变成圆偏振光，经分光镜4反射后被微透镜5再次耦合进入增益光纤7，并被增益光纤7另一端反射再沿原光路返回，第三次和第四次经过增益光纤7，返回时再次通过1/4波片3，泵浦光又变回线偏振光，且其偏振方向与初始入射泵浦光的偏振方向一样。振荡光在增益光纤7两端面之间谐振，并通过增益光纤7前端的泵浦光增透振荡光部分透射膜S2透射后由分光镜4输出成为激光。在这种结构中，线偏振的泵浦光四次经过增益光纤7，有效提高了泵浦效率，从而减小了所需增益光纤长度，缩短了激光器腔长。该结构也适用于较长的增益光纤。

如图2所示的实施例二，与实施例一不同的是该实施例中偏振态旋转单元采用一个45°法拉第旋转片8和泵浦光的1/2波片9结合。如图2所示，当水平偏振的泵浦光直接透射过偏振分束器1后经45°法拉第旋转片8后，变成45°偏振的线偏振光，经过1/2波片9后其偏振方向又旋转了90°，经分光镜4反射并由微透镜5耦合进入增益光纤7，在增益光纤7另一端被反射回来，第二次经过增益光纤7，并由分光镜4反射后再次经过1/2波片9，其偏振方向再旋转90°，经过45°法拉第旋转片8后，其偏振方向再旋转45°，这时泵浦光的偏振方向变成竖直方向，在偏振分束器1中被反射至与原光路正交的方向，并被反射镜2反射后又再次被偏振分束器1反射，通过45°法拉第旋转片8和1/2波片9，并由分光镜4反射和微透镜5耦合第三次经过增益光纤7，经增益光纤7另一端反射后沿原光路返回，第四次经过增益光纤7，并由分光镜4反射后再次通过1/2波片9和45°法拉第旋转片8后泵浦光成为水平偏振的线偏振光。振荡光在增益光纤7两端面之间谐振，并通过增益光纤7前端的泵浦光增透振荡光部分透射膜S2透射后由分光镜4输出成为激光。该结构中的增益光纤7也可以是保偏增益光纤。

如图3所示的实施例三，与实施例一不同的是，初始入射的泵浦光为竖直偏振的线偏振光，进入偏振分束器1后被反射至与初始入射光路正交的方向，并依次经过1/4波片3、分光镜4、微透镜5耦合进入增益光纤7，并被反射后沿原光路返回，再次经过1/4波片3后变为水平偏振的线偏振光，直接透射过偏振分束器1，并被反射镜2反射后再次经过偏振分束器1、1/4波片3、分光镜4、微透镜5耦合进入增益光纤7并再次被反射后沿原光路返回，经过1/4波片3后其偏振方向又变为竖直线偏振。振荡光在增益光纤7两端面之间谐振，并通过增益光纤7前端的泵浦光增透振荡光部分透射膜S2透射后由分光镜输出成为激光。

如图4所示的实施例四，与实施例一不同的是，该实施例中直线放置的增益光纤7不是由毛细管固定，而是通过在直线放置的增益光纤7两端分别连接两光纤头10，两光纤头10的端面分别构成谐振腔的前腔面和后腔面。当增益光纤7较长时，采用两个光纤头10将增益光纤7拉直，使增益光纤7处于直线放置状态，且受应力较小，这样增益光纤7可以近似保偏。其中，靠近分光镜4一端的光纤头10端面镀有泵浦光增透振荡光部分透射膜S2，另一端的光纤头10端面镀泵浦光和振荡光的高反膜S3。泵浦光的泵浦过程与实施例一相似。振荡光在两光纤头10之间及增益光纤7内谐振，并部分透射过前端光纤头10端面由分光镜4输出激光。

如图5所示的实施例五，其结构与实施例四相近，不同的是，其偏振态旋转单元采用一个45°法拉第旋转片8和泵浦光的1/2波片9结合，泵浦光的泵浦过程与实施例二相似。振荡光在两光纤头10之间及增益光纤7内谐振，并部分透射过前端光纤头10端面由分光镜4输出激光。

如图6所示的实施例六，在实施例一的结构上增加一半导体饱和吸收体16，如SESAM，构成短腔锁模激光器结构。该半导体饱和吸收体16设于毛细管6后面，该结构中，毛细管6末端镀泵浦光高反振荡光增透膜S4，半导体饱和吸收体16末端镀振荡光高反膜S5。泵浦光的泵浦过程与实施例一相同，振荡光在毛细管6前端面与半导体饱和吸收体16末端面之间谐振，并部分透射过毛细管6前端面，由分光镜4输出激光。对于锁模脉冲，不同波长可能增益不同，导致脉冲不平坦，可以在谐振腔中加入动态增益均衡器（DGE）,将输出脉冲平坦化。该实施例在泵浦源输入端和振荡光输出端均设有保偏光纤准直器15。

如图7所示的实施例七，在实施例六的锁模激光器结构的基础上增加一可调谐标准具17，设于谐振腔中。在该结构中，也可以在谐振腔中加入动态增益均衡器（DGE）,使得输出脉冲平坦化。利用该可调谐标准具17对激光器输出激光的纵模间隔进行调谐。

如图8所示的实施例八，在实施例一的基础上增加了vernier标准具12、光子吸收体13和布儒斯特片14（Brewster片），依次设于增益光纤7后面，在增益光纤7与viernier标准具12之间设有一微透镜5，在布儒斯特片14后面设置一后腔镜11，后腔镜11上镀有振荡光的高反膜S5。该结构中，泵浦光的泵浦过程与实施例一相同，振荡光在毛细管6前端面与后腔镜11之间谐振，依次经过增益光纤7、vernier标准具12、光子吸收体13和布儒斯特片14，并部分透射过毛细管6前端面，由分光镜4输出激光。其中，光子吸收体13采用的是KTP或PPKTP，用以降低输出激光的噪声。vernier标准具12可以对输出激光波长进行调谐，布儒斯特片14使得输出激光为偏振光。并在泵浦源输入端和振荡光输出端均设有保偏光纤准直器15。

如图9所示的实施例九，与上述实施例不同的是，该实施例中，泵浦光的偏振分束器1、 泵浦光偏振态旋转单元与谐振腔在同一方向上，具体的，该结构包括谐振腔、直线放置的增益光纤7，以及依泵浦光路设置的反射镜2、偏振分束器1、 泵浦光偏振态旋转单元；所述谐振腔靠近偏振态旋转单元一端为后腔面，镀有泵浦光的增透膜和振荡光的高反膜S8；所述增益光纤7末端端面镀有泵浦光的高反膜和振荡光的增透膜S4，增益光纤7后面设有布儒斯特片14和输出腔镜18；所述输出腔镜18镀有振荡光的部分透射膜S7；泵浦光输入端和振荡光输出端分别设有准直器；泵浦光经准直器准直后第一次经过偏振分束器1和偏振态旋转单元，然后进入增益光纤7泵浦，并被增益光纤7末端端面反射沿原光路返回经过偏振态旋转单元之后其偏振方向与初始偏振方向垂直，经偏振分束器1后其传播方向与初始传播方向垂直并被反射镜2反射后再次沿偏振分束器1、偏振态旋转单元、增益光纤7、偏振态旋转单元、偏振分束器1往返传播一次；振荡光经输出腔镜18和准直器准直之后输出。该实施例中，在增益光纤7与布儒斯特片14之间还设有vernier标准具12或/和光子吸收体13。准直器采用的是保偏光纤准直器15，直线放置的增益光纤7设于一毛细管6中，毛细管6两端面分别构成谐振腔的前腔面和后腔面；毛细管6两端分别设有微透镜5。毛细管6前端面镀泵浦光增透振荡光高反膜S8，作为谐振腔后腔面，毛细管6后端面镀泵浦光高反振荡光增透膜S4，输出腔镜18镀有振荡光的部分透射膜S7，作为谐振腔的前腔面。偏振态旋转单元采用的是泵浦光的1/4波片3，水平线偏振的泵浦光由保偏光纤准直器15准直后直接经过偏振分束器1、1/4波片3之后变成圆偏振光，再经微透镜5耦合进入增益光纤7进行泵浦，被增益光纤7后端面反射沿原路返回再次经过增益光纤7，并再次经1/4波片3之后变为竖直方向线偏振光，并被偏振分束器1反射至与原光路正交方向，被反射镜2反射再次经过偏振分束器1反射，通过1/4波片3后又变成圆偏振光，经微透镜5耦合第三次经过增益光纤7，被增益光纤7末端面反射沿原路返回第四次经过增益光纤7，经1/4波片3后又变成水平偏振的线偏振光。振荡光在毛细管6前端面与输出腔镜18之间谐振，并部分经输出腔镜18透射输出激光，并由输出腔镜18后面的保偏光纤准直器15准直输出。

上述各实施例可通过精确控制直线放置状态的增益光纤7的长度来确定输出激光的纵模间隔。通过可调谐标准具17对纵模间隔进行调谐。增益光纤7较短时可采用毛细管6固定的结构，较长时可采用两光纤头10拉直的结构。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：包括谐振腔、直线放置的增益光纤，以及依泵浦光路设置的反射镜、偏振分束器、 泵浦光偏振态旋转单元和分光镜；谐振腔及腔内的增益光纤置于分光镜后面；分光镜镀有振荡光的增透膜和泵浦光的高反膜，谐振腔前腔面镀有振荡光的部分透射膜和泵浦光的增透膜，后腔面镀有振荡光和泵浦光的高反射膜；泵浦源发出的泵浦光第一次经过偏振分束器和偏振态旋转之后经分光镜反射进入谐振腔内的增益光纤进行泵浦，并被后腔面反射沿原光路返回经过偏振态旋转单元之后其偏振方向与初始偏振方向垂直，经偏振分束器后其传播方向与初始传播方向垂直并被反射镜反射后再次沿偏振分束器、偏振态旋转单元、分光镜、谐振腔、分光镜、偏振态旋转单元、偏振分束器往返传播一次；振荡光由前腔面出射后经分光镜输出。

2.如权利要求1所述多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：所述直线放置的增益光纤设于一毛细管中，毛细管两端面分别构成谐振腔的前腔面和后腔面；分光镜与毛细管之间设有一微透镜。

3.如权利要求2所述多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：所述毛细管内，由紫外胶将增益光纤成直线状态固定在毛细管中。

4.如权利要求1所述多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：所述直线放置的增益光纤两端分别连接两光纤头，两光纤头的端面分别构成谐振腔的前腔面和后腔面。

5.如权利要求1所述多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：所述偏振态旋转单元为泵浦光的1/4波片，或者是45°法拉第旋转片和泵浦光的1/2波片。

6.如权利要求1所述多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：所述泵浦源输入端和振荡光输出端均设有保偏光纤准直器。

7.如权利要求1-6任一项所述多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：所述谐振腔内还设有标准具、光子吸收体或半导体饱和吸收片各光学元件中的一种或多种；所述谐振腔的后腔面设于后腔镜上，位于上述光学元件后面，或者所述谐振腔的后腔面设于末端的光学元件后端面。

8.如权利要求1-6任一项所述多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：所述谐振腔内还设有半导体饱和吸收片，设于增益光纤后面，所述谐振腔的后腔面设于该半导体饱和吸收片后端面；或者所述谐振腔内增益光纤后面依次设有动态增益均衡器和半导体饱和吸收片，所述谐振腔的后腔面设于该半导体饱和吸收片后端面。

9.一种多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：包括谐振腔、直线放置的增益光纤，以及依泵浦光路设置的反射镜、偏振分束器、 泵浦光偏振态旋转单元；所述谐振腔靠近偏振态旋转单元一端为后腔面，镀有泵浦光的增透膜和振荡光的高反膜；所述增益光纤末端端面镀有泵浦光的高反膜和振荡光的增透膜，增益光纤后面设有布儒斯特片和输出腔镜；所述输出腔镜镀有振荡光的部分透射膜；泵浦光输入端和振荡光输出端分别设有准直器；泵浦光经准直器准直后第一次经过偏振分束器和偏振态旋转单元，然后进入增益光纤泵浦，并被增益光纤末端端面反射沿原光路返回经过偏振态旋转单元之后其偏振方向与初始偏振方向垂直，经偏振分束器后其传播方向与初始传播方向垂直并被反射镜反射后再次沿偏振分束器、偏振态旋转单元、增益光纤、偏振态旋转单元、偏振分束器往返传播一次；振荡光经输出腔镜和准直器准直之后输出。

10.如权利要求9所述多次泵浦的光纤激光器结构，其特征在于：所述增益光纤与布儒斯特片之间设有标准具或/和光子吸收体。