CN104319617A - 一种带宽和中心波长可调节的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带宽和中心波长可调节的激光器，包括有泵浦源、泵浦保护器、泵浦合束器、增益光纤、第一准直器、第一四分之一波片、第一二分之一波片、第一偏振分光立方、法拉第旋转镜、第二二分之一波片、第二偏振分光立方、透射光栅、反射面互相垂直的角镜对、反射镜、以及第二准直器。本案采用的是非线性旋转偏振锁模和具有腔内滤波效应的组合结构，结构简洁易实现，角镜对能够相对其入射光方向平移，第二准直器能够相对其入射光的垂直方向平移，这样在光路中不插入和替换任何其它多余元件的情况下，就可以分别实现锁模带宽和中心波长的连续调谐，其适用范围广。

Description

一种带宽和中心波长可调节的激光器

[技术领域]

本发明涉及一种带宽和中心波长可调节的激光器。

[背景技术]

随着上世纪80年代末和90年代初克尔锁模的发明，关于飞秒激光器的应用在世界各大研究机构迅速铺展开来。飞秒激光的产生，主要依赖种子源的锁模，而如今常规的商业飞秒激光系统的种子源大多仍然由固态的元件和激光晶体所构成，依靠这种固态激光技术所研发的种子源对温湿度要求高，对环境要求苛刻，且成本昂贵，并不适合下一代工业用超快激光器的普及。

近些年光纤锁模技术的发展大大推动了超快光纤激光振荡器的发展，基于掺杂稀土元素光纤的激光器于20世纪80年代出现，稳定的超短脉冲激光器的出现可追随到1989年Menyuk C R等人在Pulsepropagation in an elliptically birefringent Kerr medium中提出的方法，光纤增益介质由于细长，易于散热，相同体积下其表面积体积比比固态激光器大2～3个数量级，另外光纤激光器的横模由光纤纤芯和数值孔径决定，不会因为热变形而变化，所以很容易保持单模运转，上述优势是固态激光器所不能比拟的。光纤激光器的发展经历了孤子锁模、展宽压缩型脉冲锁模、自相似锁模到全正色散锁模等几个阶段，早期的飞秒光纤激光器多采用通讯波长用的掺铒光纤，于是孤子锁模(soliton mode locking)和展宽压缩脉冲锁模(stretched pluse)锁模成为主流机制，进入新世纪以后，随着高掺杂掺镱光纤的发展，自相似和全正色散的锁模理论被提出，使得飞秒光纤振荡级的单脉冲能量图突破了10nJ(Chong A,Renninger W H,Wise F.All-normal-dispersionfemtosecond fiber laser with pulse energy above 20nJ)，这种发展使人们对飞秒光纤振荡器有了更多的期待。

双包层稀土掺杂光纤(DCF)与普通的单包层增益光纤的最大区别是，能使用多模泵浦。近些年来，尽管工艺和技术不断提高，单管单模976PUMP的最大输出功率还仅仅在1W左右，而且价格昂贵。相比来说，近些年发展迅速的多模976PUMP，单管能够轻松输出几十W甚至上百W，而且10W的多模PUMP相比于1W的单模PUMP，其价格仅为后者的十分之一，近些年不断崛起的双包层增益光纤放大技术正是依托多模LD的强大输出功率和低廉价格优势。双包层光纤有两个包层，内包层比较小，一般只有5～10um或者大模场10～40um，内包层用来限制信号光的传输以及增益。而外包层通常直径在125um～400um之间，而且具有高达0.46的数值孔径用来限制泵浦光在内部传输。这样巧妙的结构设计，使得光纤容纳了更多的泵浦光同时，又保证了信号光的单模传输和放大，这种技术和大模场技术相结合，被广泛应用在通信和激光器的放大器中，但是在种子源中使用的却寥寥，原因在于种子源中的锁模器件耐受功率的限制以及锁模机制的限制。2012年麻省理工学院的Yue Zhou等人在“Nonlinear-polarization-evolution mode-locking in a hybrid cavity:a routetoward low repetition-rate fiber lasers”中提到，他们用NPR锁模技术采用单模泵浦并加上滤波器效应在振荡器中得到119mW的锁模输出功率，单脉冲能量最大为10nJ，而我们常见的锁模激光器一般最多只有一百到两百毫瓦左右的直接输出，并且单脉冲能量在nJ量级。这种量级的输出功率不经过放大一般很难使用，这使得这类型的种子源不能直接应用于类似于薄膜刻划等中小功率的超快激光应用领域。

因此，有必要解决以上问题。

[发明内容]

本发明克服了上述技术的不足，提供了一种带宽和中心波长可调节的激光器，其调节灵活，适用范围广。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种带宽和中心波长可调节的激光器，包括有泵浦源1，所述泵浦源1输出端顺次连接有泵浦保护器2、泵浦合束器3、增益光纤5、以及第一准直器7，所述第一准直器7的出射光通过第一四分之一波片8、第一二分之一波片9后入射到第一偏振分光立方10中，所述第一偏振分光立方10的透射分束端输出的光经过法拉第旋转镜11、第二二分之一波片12后入射到第二偏振分光立方13中，所述第二偏振分光立方13的反射分束端输出的光入射到透射光栅15中，所述透射光栅15后侧设有用于将经透射光栅15的衍射光平行反射回透射光栅15的反射面互相垂直的角镜对14，所述角镜对14能够相对其入射光方向平移，所述透射光栅15前侧设有用于将第二次经透射光栅15的衍射光转向输出的反射镜16，所述反射镜16转向输出的光经过第二四分之一波片17入射到第二准直器18中，所述第二准直器18输出端与泵浦合束器3一输入端连接，所述第二准直器18能够相对其入射光的垂直方向平移，其中，所述第一偏振分光立方10的反射分束端作为光纤激光器的输出端。

所述第一四分之一波片8、第一二分之一波片9、第二四分之一波片17都设置在可调节波片入射角度的波片架上。

所述第一偏振分光立方10、第二偏振分光立方13都设置在固定的立方体镜架上。

所述第二二分之一波片12粘接在所述法拉第旋转镜11上，所述法拉第旋转镜11设置在一个旋转镜架上，所述法拉第旋转镜11能够相对其旋转轴旋转。

所述角镜对14设置在一个角镜对平移台上，所述角镜对14能够随所述角镜对平移台相对角镜对14入射光方向平移。

所述第二准直器18设置在一个准直器平移台上，所述第二准直器18能够随所述准直器平移台相对第二准直器18入射光的垂直方向平移。

如上所述的泵浦源1为多模泵浦源，所述泵浦保护器2为多模泵浦保护器，所述泵浦合束器3为多模泵浦合束器，所述增益光纤5为双包层增益光纤；或所述泵浦源1为单模泵浦源，所述泵浦保护器2为单模泵浦保护器，所述泵浦合束器3为单模波分复用器，所述增益光纤5为单模增益光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用了非线性旋转偏振锁模和具有腔内滤波效应的组合结构，结构简洁易实现，角镜对能够相对其入射光方向平移，第二准直器能够相对其入射光的垂直方向平移，这样在光路中不插入和替换任何其它多余元件的情况下，就可以分别实现锁模带宽和中心波长的连续调谐，其适用范围广。

2、在第一准直器与第一偏振分光立方之间顺次设置第一四分之一波片和第一二分之一波片，如此，通过第一四分之一波片使得第一准直器的出射光椭圆度发生改变，通过第一二分之一波片使通过第一四分之一波片后的光的偏振方向发生改变，两个波片配合使用能够改变光通过偏振立方后的能量比率，即控制脉冲锁模和腔内的输出耦合效率。

3、在第一偏振分光立方与第二偏振分光立方之间依次设置法拉第旋转镜和第二二分之一波片，如此形成一个偏振相关的隔离器效果，可以控制腔内激光的单向运转。

4、通过在透射光栅后侧设置反射面互相垂直的角镜对，角镜对能够相对其入射光方向平移，如此平移角镜对，能够保证经过两次经过透射光栅后的出射光的不同波长的分量都互相平行传播。

5、第一四分之一波片、第一二分之一波片、第二二分之一波片、第二四分之一波片都设置在可调节波片入射角度的波片架上，便于调节波片入射角度。

6、第二二分之一波片粘接在所述法拉第旋转镜上，所述法拉第旋转镜设置在一个旋转镜架上，所述法拉第旋转镜能够相对其旋转轴旋转，如此，通过调节法拉第旋转镜的旋转角度来调节光的偏振状态，使第二偏振分光立方的透射光最小、反射光最大，达到了光转向和光反向隔离的效果。

7、所述角镜对设置在一个角镜对平移台上，角镜对能够随所述角镜对平移台相对角镜对入射光方向平移，便于平移角镜对。

8、所述第二准直器设置在一个准直器平移台上，第二准直器能够随所述准直器平移台相对第二准直器入射光的垂直方向平移，便于平移第二准直器。

9、泵浦源使用多模泵浦，泵浦保护器使用多模保护器，泵浦合束器使用多模泵浦合束器，增益光纤使用双包层增益光纤，便于提高泵浦功率和获得大功率的锁模激光输出。

[附图说明]

图1是本案的光路图。

[具体实施方式]

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，一种带宽和中心波长可调节的激光器，包括有泵浦源1，所述泵浦源1输出端顺次连接有泵浦保护器2、泵浦合束器3、增益光纤5、以及第一准直器7，所述第一准直器7的出射光通过第一四分之一波片8、第一二分之一波片9后入射到第一偏振分光立方10中，所述第一偏振分光立方10的透射分束端输出的光经过法拉第旋转镜11、第二二分之一波片12后入射到第二偏振分光立方13中，所述第二偏振分光立方13的反射分束端输出的光入射到透射光栅15中，所述透射光栅15后侧设有用于将经透射光栅15的衍射光平行反射回透射光栅15的反射面互相垂直的角镜对14，所述角镜对14能够相对其入射光方向平移，所述透射光栅15前侧设有用于将第二次经透射光栅15的衍射光转向输出的反射镜16，所述反射镜16转向输出的光经过第二四分之一波片17入射到第二准直器18中，所述第二准直器18输出端与泵浦合束器3一输入端连接，所述第二准直器18能够相对其入射光的垂直方向平移，其中，所述第一偏振分光立方10的反射分束端作为光纤激光器的输出端。

所述第一四分之一波片8、第一二分之一波片9、第二四分之一波片17都设置在可调节波片入射角度的波片架上，其中，调节第一四分之一波片8和第一二分之一波片(9)的旋转角度可以调节激光的锁模与否。

所述第一偏振分光立方10、第二偏振分光立方13都设置在固定的立方体镜架上。

所述第二二分之一波片12粘接在所述法拉第旋转镜11上，所述法拉第旋转镜11设置在一个旋转镜架上，所述法拉第旋转镜11能够相对其旋转轴旋转，以便于调整激光的反向隔离度。

所述角镜对14设置在一个角镜对平移台上，所述角镜对14能够随所述角镜对平移台相对角镜对14入射光方向平移。

所述第二准直器18设置在一个准直器平移台上，所述第二准直器18能够随所述准直器平移台相对第二准直器18入射光的垂直方向平移。

如上所述，本案所使用的锁模方式为非线性旋转偏振锁模，输出点为第一偏振分光立方10的反射分束端，线偏振光经过法拉第旋转镜11、第二二分之一波片12第二偏振分光立方13、透射光栅15、角镜对14、透射光栅15、反射镜16后，被第二四分之一波片17改变为椭圆偏振光，该椭圆偏振光被耦合到第二准直器18中并且经由介质中的单模光纤和增益光纤的非线性效应，产生非线性旋转偏振效应，即此时脉冲各部位的椭圆光长短轴间的位相差相同，但脉冲中间部位的光强要高于脉冲前后沿的光强。当脉冲经过增益光纤得到增益放大时，在光纤的非线性效应作用下，会产生非线性相移，由于非线性相移与光强有关，因而沿脉冲不同部位产生的非线性相移不同，从而使得脉冲各部位的偏振态发生了变化，通过调整第一四分之一波片8和第一二分之一波片9使被放大的光脉冲偏振方向以合适的取向通过偏振相关光隔离器从而经历最小的偏振相关损耗，这种非线性偏振旋转效应与波片和偏振分束立方的综合作用，使得初始光脉冲在光腔内反复循环时，其强度较低的前后沿越来越弱，而峰值越来越强，相当于受可饱和吸收体效应的影响，最后形成稳定的超短脉冲输出。其中，第一偏振分光立方10、法拉第旋转镜11、第二二分之一波片12、第二偏振分光立方13的配合，起到反向隔离的效果，形成单方向的行波激光器。

如上所述，本案在全正色散下锁模、滤波的机制很关键，现有技术中常规做法是采用插入事先定制参数的滤波片的方法，通过改变插入滤波片的厚度或者角度等来对锁模的光谱的中心波长或者是针对带宽进行控制，然而这种对带宽的设置往往不能连续可调，而且中心波长和带宽很难兼具调节；现有技术也有采用插入双光栅的方法，对腔内的色散进行补偿至微正或者负色散，在这样的净色散条件下进行锁模，但是锁模后的输出功率偏低。本案在非线性旋转偏振效应下加入了新的基于单块的透射光栅15的滤波调节装置，起到了在全正色散下仍然能可控滤波的带宽及滤波的中心的效果。在本案中，光束通过透射光栅15后，光线会沿着水平方向衍射发散，该发散光经过角镜对14平行反射后第二次射入透射光栅15，由于返回光和入射光平行，所以二次经透射光栅15的光束的不同波长分量在不同空间位置分开，但都保持平行，该平行光经过第二四分之一波片17以后，被第二准直器18所截取部分光谱。在本案中通过调节角镜对平移台就能调节入射到第二准直器18前的光谱的空间宽度，理论上角镜对14距离透射光栅15的长度越长，光谱展宽的效果越明显，光谱在空间展开时的密度越小，被第二准直器18所接收的带宽就越少，通过准直器平移台来调节第二准直器18接受光的中心位置就能调节光谱的中心波长。另外这种方法同时兼具一定的负色散补偿作用，在长光纤的情形下减小输出光的啁啾量。

实施例1：

所述泵浦源1采用976nm的多模泵浦源，最大功率在8W，所述泵浦保护器2为多模泵浦保护器，最大耐受功率20W，所述泵浦合束器3为多模泵浦合束器，所述增益光纤5采用双包层大模场掺镱增益光纤，模场直径10um。

实施时，泵浦保护器2的出射端与泵浦合束器3通过光纤熔接相连，所述泵浦合束器3的泵浦入射端为105/125多模光纤，数值孔径为0.22，泵浦合束器3的尾纤为大模场双包层无源增益纤，纤芯直径为10um，并且该无源光纤与增益光纤5熔接相连；本实施例采用的增益光纤5在976nm处的吸收为4.1dB/m，并且该增益光纤5与第一准直器7的单模尾纤熔接相连；单模尾纤的模场直径为10um以和增益光纤5相匹配。第一准直器7的输出端经过直径为12.7mm的第一四分之一波片8、直径为12.7mm的第一二分之一波片9、边长为10mm的第一偏振分光立方10、以及法拉第旋转镜11、直径为12.7mm的第二二分之一波片12和边长为10mm的第二偏振分光立方13后打入到透射光栅15中，所述透射光栅15的长度大于30mm，入射光经过透射光栅15后衍射并打入到角镜对14中，并且被再次反射回透射光栅15表面，二次经过透射光栅15后被反射镜16所反射，并最终经过第二四分之一波片17后打入到第二准直器18中，所述第二准直器18的单模尾纤与泵浦合束器3的一输入端相连。在本实例中所使用的角镜对14、反射镜16均为宽带介质膜反射镜，带宽在100nm以上，防止反射镜对锁模光谱产生截断影响。

在本实施例中，通过调节角镜对平移台使锁模光谱在8～30nm左右连续可调，通过调节准直器平移台，得到了从1020～1060nm的连续可调光。

如上所述，在本实例中，泵浦源1导入到泵浦合束器3的泵浦功率约5W，在中心波长为1060nm附近得到了约820mW的锁模飞秒光输出，带宽超过30nm，在腔外用线性压缩器压缩后测量的得到的脉宽在100fs左右。在第一偏振分光立方10的反射分束端的输出功率超过800mW，大大超过同类的飞秒光纤振荡器仅几十mW或者百毫瓦的量级输出。

实施例2：

所述的泵浦源1采用976nm的单模合束后的泵浦源，最大功率为500mW。所述的泵浦保护器2为单模泵浦保护器，最大耐受功率在600mW。所述泵浦合束器3采用单模波分复用器，所述的增益光纤5采用单包层高掺杂增益光纤，吸收系数为1200dB/m,在波长为1030nm处模场直径为4μm。

实施时，所述泵浦合束器3尾纤、第一准直器7尾纤、第二准直器18尾纤均为Hi1060单模光纤，以便于配合连接。第一准直器7的输出端经过直径为12.7mm的第一四分之一波片8、直径为12.7mm的第一二分之一波片9、边长为10mm的第一偏振分光立方10、以及法拉第旋转镜11、直径为12.7mm的第二二分之一波片12和边长为10mm的第二偏振分光立方13后打入到透射光栅15中，所述透射光栅15的长度大于30mm，入射光经过透射光栅15后衍射并打入到角镜对14中，并且被再次反射回透射光栅15表面，二次经过透射光栅15后被反射镜16所反射，并最终经过第二四分之一波片17后打入到第二准直器18中，所述第二准直器18的单模尾纤与泵浦合束器3的一输入端相连。在本实例中所使用的角镜对14、反射镜16均为宽带介质膜反射镜，带宽在100nm以上，防止反射镜对锁模光谱产生截断影响。

在本实施例中，通过调节角镜对平移台使锁模光谱在8～30nm左右连续可调；通过调节准直器平移台，得到了中心波长从1020～1050nm不同位置的锁模光。

如上所述，在本实例中，泵浦源1导入到波分复用器3的泵浦功率约450mW，在中心波长为1040nm附近进行锁模时，在第一偏振分光立方10的反射分束端的输出功率约为100mW。

如上所述，本案保护的是一种带宽和中心波长可调节的激光器，一切与本案结构相同或相近的技术方案都应示为落入本案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种带宽和中心波长可调节的激光器，其特征在于包括有泵浦源(1)，所述泵浦源(1)输出端顺次连接有泵浦保护器(2)、泵浦合束器(3)、增益光纤(5)、以及第一准直器(7)，所述第一准直器(7)的出射光通过第一四分之一波片(8)、第一二分之一波片(9)后入射到第一偏振分光立方(10)中，所述第一偏振分光立方(10)的透射分束端输出的光经过法拉第旋转镜(11)、第二二分之一波片(12)后入射到第二偏振分光立方(13)中，所述第二偏振分光立方(13)的反射分束端输出的光入射到透射光栅(15)中，所述透射光栅(15)后侧设有用于将经透射光栅(15)的衍射光平行反射回透射光栅(15)的反射面互相垂直的角镜对(14)，所述角镜对(14)能够相对其入射光方向平移，所述透射光栅(15)前侧设有用于将第二次经透射光栅(15)的衍射光转向输出的反射镜(16)，所述反射镜(16)转向输出的光经过第二四分之一波片(17)入射到第二准直器(18)中，所述第二准直器(18)输出端与泵浦合束器(3)一输入端连接，所述第二准直器(18)能够相对其入射光的垂直方向平移，其中，所述第一偏振分光立方(10)的反射分束端作为光纤激光器的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种带宽和中心波长可调节的激光器，其特征在于所述第一四分之一波片(8)、第一二分之一波片(9)、第二四分之一波片(17)都设置在可调节波片入射角度的波片架上。

3.根据权利要求1所述的一种带宽和中心波长可调节的激光器，其特征在于所述第一偏振分光立方(10)、第二偏振分光立方(13)都设置在固定的立方体镜架上。

4.根据权利要求1所述的一种带宽和中心波长可调节的激光器，其特征在于所述第二二分之一波片(12)粘接在所述法拉第旋转镜(11)上，所述法拉第旋转镜(11)设置在一个旋转镜架上，所述法拉第旋转镜(11)能够相对其旋转轴旋转。

5.根据权利要求1所述的一种带宽和中心波长可调节的激光器，其特征在于所述角镜对(14)设置在一个角镜对平移台上，所述角镜对(14)能够随所述角镜对平移台相对角镜对(14)入射光方向平移。

6.根据权利要求1所述的一种带宽和中心波长可调节的激光器，其特征在于所述第二准直器(18)设置在一个准直器平移台上，所述第二准直器(18)能够随所述准直器平移台相对第二准直器(18)入射光的垂直方向平移。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种带宽和中心波长可调节的激光器，其特征在于所述泵浦源(1)为多模泵浦源，所述泵浦保护器(2)为多模泵浦保护器，所述泵浦合束器(3)为多模泵浦合束器，所述增益光纤(5)为双包层增益光纤。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的一种带宽和中心波长可调节的激光器，其特征在于所述泵浦源(1)为单模泵浦源，所述泵浦保护器(2)为单模泵浦保护器，所述泵浦合束器(3)为单模波分复用器，所述增益光纤(5)为单模增益光纤。