CN104242025B - 一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，由光纤耦合输出激光二极管、波分复用耦合器、掺镱单模光纤、光纤频谱滤波器、单模光纤、光纤准直器、四分之一波片、二分之一波片、偏振分光棱镜、45°反射镜、光栅、光纤隔离器组成；利用负啁啾脉冲在掺镱单模光纤中放大时的自相位调制压缩光谱，形成窄带无啁啾皮秒脉冲，由光纤频谱滤波器消除非线性光谱压缩残余旁瓣，在单模光纤中完成自相似演化，直接输出宽带线性啁啾抛物线脉冲，去啁啾后输出傅里叶变换极限飞秒激光。本发明飞秒激光器效率高，自相似演化光谱展宽量大，可以获得高能量、窄脉宽的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲，结构紧凑，操作简单。

Description

一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，特别涉及一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器。

背景技术

被动锁模光纤飞秒激光器具有成本低廉、结构紧凑、操作简单、可自启动、光束质量好和稳定性强等突出优势，在光学频率计量、高精高速材料加工、太赫兹产生、高精度大尺度距离测量、生物医学成像、组织处理以及纳米诊断等领域有着广泛的应用。飞秒激光脉冲在被动锁模光纤激光器中的形成过程主要是增益、群速度色散和自相位调制三者的演变平衡过程。可饱和吸收体在其中起到启动和稳定锁模的作用，目前最常用的是非线性偏振旋转方式。在光纤激光器腔内呈负色散的情况下，群速度色散与自相位调制效应的平衡支持光孤子的产生，称为孤子锁模，是最早发展起来的光纤锁模技术。然而，这种孤子锁模光纤激光器一般情况下只能获得脉冲能量几十皮焦耳(pJ，10^-12 J)、脉冲宽度数百飞秒的激光脉冲，过高的能量会引入过大的非线性相位积累，破坏稳定的锁模运转。为提高光纤飞秒激光器的输出指标，获得更高的脉冲能量和更短的脉冲宽度，在腔内引入大小相同、符号相反的色散分布，使脉冲在腔内周期性地展宽和压缩的锁模机制称为呼吸孤子锁模或色散管理孤子锁模。利用这种方式可以有效地降低腔内脉冲峰值功率，将锁模光纤激光器的输出脉冲能量提高到纳焦耳(nJ，10^-9 J)量级。但是，呼吸孤子脉冲能量的进一步提高依然会引发脉冲分裂等不稳定现象。带有线性啁啾的抛物线形脉冲可以在正色散增益光纤中产生并自相似地放大而不发生分裂，从而支持更高能量的脉冲输出，当光纤激光器腔内呈较大的净正色散时，也可以在光纤激光器内实现脉冲自相似演化，称为自相似锁模。由于自相似脉冲具有抛物线脉冲形状和线性啁啾，可以承受更高的非线性扰动而不发生光波分裂，避免脉冲裂变，因此自相似锁模方式可以将呼吸孤子锁模光纤飞秒激光器输出脉冲能量提高2个数量级，同时由于自相似脉冲只带有线性啁啾，只需采用简单的腔外色散补偿就可以获得高质量的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。除此之外，自相似锁模光纤激光器的时间抖动小，噪声小，非常适合诸如光学频率梳之类的精密科学研究。

锁模光纤激光器腔内的脉冲自相似演化最早是在一段正色散的长普通单模光纤中实现的，这种自相似锁模激光器采用的增益光纤很短，使得脉冲放大过程中几乎没有色散和非线性作用，避免破坏单模光纤中的脉冲自相似演化过程，腔内采用光栅对补偿脉冲在单模光纤中自相似演化累积的啁啾，实现激光器自洽。但是在这种腔型结构中光纤放大器的有限增益带宽最终会破坏脉冲的自相似演化，从而限制输出飞秒激光脉冲能量和脉冲宽度指标的进一步提高。现有的另一类自相似锁模光纤激光器其腔内的脉冲自相似演化过程是在正色散的长增益光纤中完成的，并通过在负色散光纤中的孤子脉冲演化或引入窄带频谱滤波环节来平衡非线性相位积累和稳定脉冲成形，实现激光器自洽。其中，第一种自相似-孤子锁模方式中，脉冲能量放大和光谱展宽最终受限于负色散光纤中的脉冲孤子裂变；而第二种耗散自相似锁模方式，通常采用衍射光栅结合光纤准直器形成高斯形窄带滤波器，实现强烈的光谱滤波以完成增益光纤中的脉冲自相似放大演化，这种腔型结构不仅引入了过多的空间分立元件，占用空间大、光路调节困难、丧失了光纤激光器最重要的紧凑性和易操作优势，而且这种直接采用附加频谱滤波装置窄化放大脉冲光谱的方式，损失了大部分的腔内脉冲能量，不利于高能量和窄脉宽的飞秒激光脉冲输出。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提出一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器。该飞秒激光器不受增益带宽限制，不依赖附加分立元件的强制光谱滤波，能量损耗小，能够获得高能量、窄脉宽的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。

本发明的技术解决方案是：

一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，包括：光纤耦合输出激光二极管、波分复用耦合器、掺镱单模光纤、光纤频谱滤波器、单模光纤、第一光纤准直器、第一四分之一波片、第一二分之一波片、偏振分光棱镜、第一45°反射镜、第二二分之一波片；第一光栅、第二光栅、爬高镜、第二四分之一波片、第二光纤准直器、光纤隔离器和第二45°反射镜；

光纤耦合输出激光二极管作为所述飞秒激光器的泵浦光源，输出泵浦光经由波分复用耦合器的泵浦端耦合入掺镱单模光纤产生激光，波分复用耦合器的输出端直接与掺镱单模光纤熔接；

掺镱单模光纤作为所述飞秒激光器的增益介质放大负啁啾脉冲，利用掺镱单模光纤的自相位调制作用感应正频率啁啾以平衡初始负啁啾，使得负啁啾脉冲的长、短波部分脉冲能量重新分布，不断向中心波长附近集中，在放大负啁啾脉冲能量的同时实现负啁啾脉冲光谱非线性压缩，在掺镱单模光纤后形成窄带的高峰值功率的无啁啾皮秒脉冲；

掺镱单模光纤输出端直接与光纤频谱滤波器熔接，光纤频谱滤波器消除脉冲非线性光谱压缩后残余的低功率光谱旁瓣；

光纤频谱滤波器后面熔接有单模光纤，所述无啁啾皮秒脉冲在单模光纤的自相位调制和正群速度色散作用下完成自相似演化和光谱展宽，形成宽带的线性啁啾抛物线脉冲；

单模光纤之后熔接有第一光纤准直器，将所述线性啁啾抛物线脉冲从单模光纤中耦合输出至空间，依次经过第一四分之一波片和第一二分之一波片，将所述宽带线性啁啾抛物线脉冲的偏振态从椭圆偏振光调整为线性偏振光；

偏振态调整为线性偏振光的宽带线性啁啾抛物线脉冲通过偏振分光棱镜分为两部分，一部分通过偏振分光棱镜反射端输出，作为所述飞秒激光器的输出；另一部分通过偏振分光棱镜透射到第一45°反射镜上，经过第一45°反射镜改变光路传输方向后，再经过第二二分之一波片之后，宽带线性啁啾抛物线脉冲进入由第一光栅和第二光栅构成的光栅对，宽带线性啁啾抛物线脉冲通过所述光栅对之后由爬高镜折返，再次进入所述光栅对，通过所述光栅对之后变为负啁啾脉冲，负啁啾脉冲依次通过第二二分之一波片和第二45°反射镜，第二45°反射镜将负啁啾脉冲改变方向，负啁啾脉冲之后经过第二四分之一波片从线性偏振光再次转换为椭圆偏振光，之后通过第二光纤准直器进入光纤隔离器，保证负啁啾脉冲沿单一方向传输，光纤隔离器的输出端与波分复用耦合器的信号输入端熔接，负啁啾脉冲通过光纤隔离器和波分复用耦合器之后，再次进入掺镱单模光纤进行光谱压缩放大，完成一次腔内激光脉冲振荡循环。

所述飞秒激光器为非线性偏振旋转环形激光腔结构。

所述飞秒激光器的输出耦合比率通过旋转第一四分之一波片和第一二分之一波片进行调整。

所述第二二分之一波片将宽带线性啁啾抛物线脉冲的偏振方向调整为光栅对最大衍射效率方向。

所述爬高镜包括两个45°反射镜，该两个45°反射镜之间夹角为90°。

所述负啁啾脉冲啁啾量的大小通过调整第一光栅和第二光栅间距实现。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提供的基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，利用增益光纤的自相位调制作用感应正频率啁啾平衡初始负啁啾，在放大激光脉冲能量的同时进行光谱压缩，以此实现腔内脉冲的非线性相位平衡，稳定自相似脉冲成形，不同于传统自相似锁模激光器，本发明不依赖于附加分立元件的强制光谱滤波，极大地降低了腔内脉冲能量损耗，提高了激光器效率，可以直接从光纤锁模激光器输出高能量(>10 nJ)的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。

(2)本发明提供的基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，利用负啁啾脉冲在增益光纤中的光谱压缩放大过程可以大大提升腔内脉冲的光谱能量密度，由此极大地增加了普通单模光纤自相位调制作用下的脉冲光谱展宽；同时在增益光纤中脉冲光谱不断窄化，使得脉冲光谱宽度远小于放大器增益带宽，从而有效避免了增益整形对腔内脉冲演化的扰动，因此，与现有技术相比，本发明可以实现超出增益带宽的自相似锁模运转，获得窄脉宽(<30 fs)的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。

(3)发明提供的基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，相比于现有自相似锁模激光器，本发明不需要附加空间分立元件进行窄带滤波来实现激光器自洽，结构紧凑，光路简单，操作方便，工作稳定。

附图说明

图1为本发明基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器的装置结构示意图；

图2为数值模拟的本发明激光器掺镱单模光纤后形成的窄带无啁啾皮秒脉冲时域强度曲线和相位曲线；

图3为数值模拟的本发明激光器掺镱单模光纤后形成的窄带无啁啾皮秒脉冲光谱强度曲线；

图4为数值模拟的本发明激光器偏振分光棱镜反射端输出的宽带抛物线形啁啾脉冲时域强度曲线和拟合的抛物线形脉冲强度曲线；

图5为数值模拟的本发明激光器偏振分光棱镜反射端输出的宽带抛物线形啁啾脉冲光谱强度曲线；

图6为数值模拟的本发明激光器输出脉冲经光栅对压缩后的飞秒激光脉冲。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明飞秒激光器利用负啁啾脉冲在正色散增益光纤中放大过程中的自相位调制效应感应正频率啁啾以平衡初始负啁啾，使得负啁啾脉冲的长、短波部分脉冲能量重新分布，不断向中心波长附近集中，在放大负啁啾脉冲能量的同时实现光谱非线性压缩，形成窄带的高峰值功率的无啁啾皮秒脉冲再注入到单模光纤，利用单模光纤的自相位调制和正群速度色散完成自相似演化和光谱展宽，直接输出宽带的线性啁啾抛物线脉冲，去啁啾后可获得高能量、窄脉宽的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。不同于现有技术，本发明中腔内激光脉冲的非线性相位平衡过程并不依赖于附加分立元件的强制光谱滤波，而是利用增益光纤的自相位调制作用感应的正频率啁啾平衡初始负啁啾，在放大脉冲能量的同时实现光谱压缩，极大地降低了腔内脉冲能量损耗，提高了激光器的效率，有利于获得高能量的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲；由光谱压缩放大带来脉冲光谱能量密度的提升，极大地增加了脉冲在单模光纤中获得的光谱展宽，同时由于在增益光纤中脉冲光谱不断窄化，远小于放大器增益带宽，从而有效避免了增益整形的扰动，有利于实现超出增益带宽的自相似锁模运转，获得窄脉宽的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲；由于不需要采用空间分立元件实现窄带滤波，该激光器还具有结构紧凑，操作简单的特点。

本发明基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器的装置结构如图1所示，采用非线性偏振旋转环形激光腔结构。包括光纤耦合输出激光二极管1、波分复用耦合器2、掺镱单模光纤3、光纤频谱滤波器4、单模光纤5、第一光纤准直器6、第一四分之一波片7、第一二分之一波片8、偏振分光棱镜9、第一45°反射镜10、第二二分之一波片11；第一光栅12、第二光栅13、爬高镜14、第二四分之一波片15、第二光纤准直器16、光纤隔离器17和第二45°反射镜18。光纤耦合输出激光二极管1作为飞秒激光器的泵浦光源，输出980nm连续泵浦光经由波分复用耦合器2的泵浦端耦合入掺镱单模光纤3产生激光，波分复用耦合器2的输出端直接与掺镱单模光纤3熔接。掺镱单模光纤3作为所述飞秒激光器的增益介质放大负啁啾脉冲，利用掺镱单模光纤3的自相位调制作用感应正频率啁啾以平衡初始负啁啾，形成无啁啾的高峰值功率～10kW皮秒脉冲，脉冲时域强度曲线和相位曲线分别如图2中18和19所示，使得负啁啾脉冲的长、短波部分脉冲能量重新分布，不断向中心波长附近集中，在放大负啁啾脉冲能量的同时实现负啁啾脉冲光谱非线性压缩，形成窄带2nm～3nm的无啁啾皮秒脉冲，光谱强度曲线如图3中20所示，在掺镱单模光纤后形成窄带的高峰值功率的无啁啾皮秒脉冲。掺镱单模光纤3的输出端直接与光纤频谱滤波器4熔接，该滤波器的带宽为3nm～5nm，由此消除负啁啾脉冲在掺镱单模光纤3中进行非线性光谱压缩后残余的低功率光谱旁瓣。光纤频谱滤波器4后面熔接有单模光纤5，使得窄带高峰值功率无啁啾皮秒脉冲在单模光纤5的自相位调制和正群速度色散的共同作用下完成自相似演化和光谱展宽。单模光纤5后输出的脉冲时域强度曲线如图4中21所示，拟合的抛物线形脉冲强度曲线22与曲线21的一致性，说明脉冲在单模光纤5中完成了自相似演化形成抛物线脉冲。由于自相似演化初期脉冲的峰值功率高，在单模光纤5自相位调制作用下的光谱展宽量大，生成的抛物线脉冲具有宽带50nm～60nm光谱，如图5中光谱强度曲线23所示。单模光纤5之后熔接有第一光纤准直器6，将宽带线性啁啾抛物线脉冲从单模光纤5中耦合输出至空间，依次经过第一四分之一波片7和第一二分之一波片8，将宽带线性啁啾抛物线脉冲的偏振态从椭圆偏振光调整为线性偏振光，而后通过偏振分光棱镜9分为两部分。第一四分之一波片7和第一二分之一波片8固定在可旋转调整架上，偏振分光棱镜9固定在水平棱镜架上。宽带线性啁啾抛物线脉冲的一部分通过偏振分光棱镜9反射端直接输出，通过旋转第一四分之一波片7和第一二分之一波片8可以调整该输出耦合比率，在激光腔外采用光栅对补偿直接输出的宽带抛物线脉冲的线性正啁啾，可以获得脉冲宽度<30 fs的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲，对应的归一化脉冲时域强度曲线和脉冲啁啾曲线分别如图6中24和25所示。另一部分宽带线性啁啾抛物线脉冲通过偏振分光棱镜9透射到第一45°反射镜10上，经过第一45°反射镜10改变光路传输方向后，再经过第二二分之一波片11之后进入由第一光栅12和第二光栅13构成的光栅对。其中，第二二分之一波片11固定在可旋转调整架上，用于调整宽带线性啁啾抛物线脉冲的偏振方向为光栅对最大衍射效率方向。第一光栅12和第二光栅13以里特罗角插入光路以减少损耗，平行放置为脉冲提供负啁啾，第二光栅13固定在一维精密微位移平台上，用于微调光栅对间距。宽带线性啁啾抛物线脉冲通过光栅对之后由两个成90°夹角放置的45°反射镜组成的爬高镜14折返，沿低于入射光路水平面且平行于入射光路返回，再次进入第一光栅12和第二光栅13，由此带有正啁啾的宽带抛物线脉冲被补偿成负啁啾脉冲。负啁啾脉冲啁啾量的大小通过调整第一光栅12和第二光栅13的间距控制，光栅对间距越大，负啁啾量越大。负啁啾脉冲依次通过第二二分之一波片11和第二45°反射镜18，第二45°反射镜18将负啁啾脉冲改变方向，负啁啾脉冲之后经过第二四分之一波片15从线性偏振光再次转换为椭圆偏振光，之后通过第二光纤准直器16进入光纤隔离器17，第二光纤准直器16的尾纤直接与光纤隔离器17的输入端熔接，保证负啁啾脉冲沿单一方向传输。光纤隔离器17的输出端直接与波分复用耦合器2的信号输入端熔接，负啁啾脉冲通过光纤隔离器17和波分复用耦合器2之后，再次进入掺镱单模光纤3进行光谱压缩放大，由此完成一次腔内激光脉冲振荡循环。飞秒激光器中的波分复用耦合器2、光纤频谱滤波器4、第一光纤准直器6和第二光纤准直器16、光纤隔离器17的尾纤共长2m～3m，光纤类型相同，纤芯直径和数值孔径与掺镱单模光纤3相匹配。飞秒激光器中的第一四分之一波片7、第一二分之一波片8、偏振分光棱镜9、第一45°反射镜10、第二二分之一波片11、第一光栅12、第二光栅13、爬高镜14、第二四分之一波片15和第二45°反射镜18的中心波长均为1040nm，工作波长覆盖1000nm～1100nm波段。飞秒激光器工作情况是自动维持，输出监视主要利用光谱分析仪观察脉冲光谱，利用自相关器观测脉冲形状。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应该视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，其特征在于包括：光纤耦合输出激光二极管(1)、波分复用耦合器(2)、掺镱单模光纤(3)、光纤频谱滤波器(4)、单模光纤(5)、第一光纤准直器(6)、第一四分之一波片(7)、第一二分之一波片(8)、偏振分光棱镜(9)、第一45°反射镜(10)、第二二分之一波片(11)；第一光栅(12)、第二光栅(13)、爬高镜(14)、第二四分之一波片(15)、第二光纤准直器(16)、光纤隔离器(17)和第二45°反射镜(18)；

光纤耦合输出激光二极管(1)作为所述飞秒激光器的泵浦光源，输出泵浦光经由波分复用耦合器(2)的泵浦端耦合入掺镱单模光纤(3)产生激光，波分复用耦合器(2)的输出端直接与掺镱单模光纤(3)熔接；

掺镱单模光纤(3)作为所述飞秒激光器的增益介质放大负啁啾脉冲，利用掺镱单模光纤(3)的自相位调制作用感应正频率啁啾以平衡初始负啁啾，使得负啁啾脉冲的长、短波部分脉冲能量重新分布，不断向中心波长附近集中，在放大负啁啾脉冲能量的同时实现负啁啾脉冲光谱非线性压缩，在掺镱单模光纤(3)后形成窄带的高峰值功率的无啁啾皮秒脉冲；

掺镱单模光纤(3)输出端直接与光纤频谱滤波器(4)熔接，光纤频谱滤波器(4)消除脉冲非线性光谱压缩后残余的低功率光谱旁瓣；

光纤频谱滤波器(4)后面熔接有单模光纤(5)，所述无啁啾皮秒脉冲在单模光纤(5)的自相位调制和正群速度色散作用下完成自相似演化和光谱展宽，形成宽带的线性啁啾抛物线脉冲；

单模光纤(5)之后熔接有第一光纤准直器(6)，将所述线性啁啾抛物线脉冲从单模光纤(5)中耦合输出至空间，依次经过第一四分之一波片(7)和第一二分之一波片(8)，将所述宽带线性啁啾抛物线脉冲的偏振态从椭圆偏振光调整为线性偏振光；

偏振态调整为线性偏振光的宽带线性啁啾抛物线脉冲通过偏振分光棱镜(9)分为两部分，一部分通过偏振分光棱镜(9)反射端输出，作为所述飞秒激光器的输出；另一部分通过偏振分光棱镜(9)透射到第一45°反射镜(10)上，经过第一45°反射镜(10)改变光路传输方向后，再经过第二二分之一波片(11)之后，宽带线性啁啾抛物线脉冲进入由第一光栅(12)和第二光栅(13)构成的光栅对，宽带线性啁啾抛物线脉冲通过所述光栅对之后由爬高镜(14)折返，再次进入所述光栅对，通过所述光栅对之后变为负啁啾脉冲，负啁啾脉冲依次通过第二二分之一波片(11)和第二45°反射镜(18)，第二45°反射镜(18)将负啁啾脉冲改变方向，负啁啾脉冲之后经过第二四分之一波片(15)从线性偏振光再次转换为椭圆偏振光，之后通过第二光纤准直器(16)进入光纤隔离器(17)，保证负啁啾脉冲沿单一方向传输，光纤隔离器(17)的输出端与波分复用耦合器(2)的信号输入端熔接，负啁啾脉冲通过光纤隔离器(17)和波分复用耦合器(2)之后，再次进入掺镱单模光纤(3)进行光谱压缩放大，完成一次腔内激光脉冲振荡循环。

2.根据权利要求1所述的一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，其特征在于：所述飞秒激光器为非线性偏振旋转环形激光腔结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，其特征在于：所述飞秒激光器的输出耦合比率通过旋转第一四分之一波片(7)和第一二分之一波片(8)进行调整。

4.根据权利要求1所述的一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，其特征在于：所述第二二分之一波片(11)将宽带线性啁啾抛物线脉冲的偏振方向调整为光栅对最大衍射效率方向。

5.根据权利要求1所述的一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，其特征在于：所述爬高镜(14)包括两个45°反射镜，该两个45°反射镜之间夹角为90°。

6.根据权利要求1所述的一种基于光谱压缩放大的自相似锁模光纤飞秒激光器，其特征在于：所述负啁啾脉冲啁啾量的大小通过调整第一光栅(12)和第二光栅(13)间距实现。