CN104577679B - 一种被动锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种被动锁模光纤激光器，包括全光纤环形腔，全光纤环形腔由偏振控制模块、合束器、增益光纤依次连接构成；偏振控制模块包括第一光纤准直器、非线性偏振旋转锁模器、偏振相关隔离器、双折射滤光片、第二光纤准直器，其中，第一光纤准直器、偏振相关隔离器、双折射滤光片和所述第二光纤准直器依次设置，非线性偏振旋转锁模器的前置光栅、后置光栅分别设置于所述第二光纤准直器与双折射滤光片、偏振相关隔离器和第一光纤准直器之间。采用本发明提供的一种被动锁模光纤激光器，使得不同激光腔长度时调节波片均能得到稳定锁模脉冲，势必会大大改善偏振锁模方案的稳定性和实用性，进一步推动其商业化。

Description

一种被动锁模光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光领域，特别是涉及一种被动锁模光纤激光器。

背景技术

在激光领域，产生皮秒或飞秒脉冲的技术方案分为两大类：主动锁模和被动锁模。主动锁模光纤激光器能够产生几GHz甚至几十GHz的高重复频率的脉冲序列，但是主动锁模需要使用一个射频信号发生器和一个相位或强度调制器，这增加了系统的复杂度及成本，且主动锁模激光器输出脉冲宽度一般在皮秒量级。一般来说，被动锁模光纤激光器可以产生重复频率为几MHz或者几十MHz的皮秒或者飞秒脉冲序列，例如使用基于半导体可饱和吸收镜、碳纳米管锁模或者非线性偏振旋转锁模。

非线性偏振锁模成本低，一般运用两个偏振控制器和一个偏振片来实现被动锁模。若采用光纤型偏振控制器，腔长太长，受外界环境影响很大，得到的锁模脉冲幅度噪声大。若采用四分之一玻片和二分之一玻片进行偏振控制，可以较大范围的控制腔长，进而得到较大范围的重复频率。但是该部分各器件是分立的，需采用空间耦合，不适合作为产品商业化。

申请号为201410065316.9的专利“一种被动锁模光纤激光器”中，采用波分复用器、掺珥光纤、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一四分之一玻片、第二四分之一玻片、光隔离器、带通滤光片、偏振分束器、二分之一玻片实现非线性偏振旋转被动锁模。利用高掺杂光纤作为增益介质，减小激光腔长度，增加激光器重复频率；通过在激光腔中引入带通滤光片，滤除腔中杂散分量及噪声，降低量子噪声导致的时钟抖动；通过管理激光腔色散，既可以产生较窄的脉冲，又可以获得较宽的频谱，同时也降低了激光器的强度噪声。

但是对于1um波段的激光器，低的重复频率，可以提高脉冲能量，具有更广泛的工业应用。低的重复频率意味着长的激光腔长度，即调节偏振控制器或者玻片较难得到稳定锁模脉冲，且脉冲幅度噪声大，脉冲序列长期稳定性较差。另外，第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一四分之一玻片、第二四分之一玻片、光隔离器、带通滤光片、偏振分束器、二分之一玻片各器件是分立的，对准、调节较麻烦，只适合实验室，不适宜作为产品。常规光纤在1um波段处于正常色散范围，要想对该波段进行色散补偿，需要在腔内额外加入色散补偿器件比如棱镜对、光栅对等，使得系统结构更加复杂。如果能够将第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一四分之一玻片、第二四分之一玻片、光隔离器、带通滤光片、偏振分束器、二分之一玻片各器件进行集成，这样集成器件、合束器和增益光纤即可组成锁模种子源，将合束器、无源光纤和增益光纤进行密封并用TEC或水冷板对密封盒和偏振控制模块进行温度控制，保持它们的工作温度恒定，减少温度变化对密封盒和偏振控制模块的影响，同时对腔内器件进行优化，使得不同激光腔长度时调节波片均能得到稳定锁模脉冲，势必会大大改善偏振锁模方案的稳定性和实用性，进一步推动其商业化。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种被动锁模光纤激光器，包括全光纤环形腔，所述全光纤环形腔由偏振控制模块、合束器、增益光纤依次连接构成；

所述偏振控制模块包括第一光纤准直器、非线性偏振旋转锁模器、偏振相关隔离器、双折射滤光片、第二光纤准直器，其中，所述第一光纤准直器、偏振相关隔离器、双折射滤光片和所述第二光纤准直器依次设置，所述非线性偏振旋转锁模器的前置光栅、后置光栅分别设置于所述第二光纤准直器与双折射滤光片、偏振相关隔离器和第一光纤准直器之间。

进一步地，所述偏振相关隔离器由第一偏振分束器、第一二分之一波片、法拉第旋转器和第二偏振分束器依次连接构成。

进一步地，所述偏振控制模块中，第二偏振分束器作为检偏器。

进一步地，所述双折射滤光片由石英波片和石英波片补偿片构成。

进一步地，所述石英波片补偿片和石英波片放置的相对角度相反；所述石英波片补偿片和石英波片的材料均为石英晶体。

进一步地，所述非线性偏振旋转锁模器的前置光栅由第三偏振分束器、第二二分之一玻片、和第二四分之一玻片依次连接构成；所述非线性偏振旋转锁模器的后置光栅具体为第一四分之一玻片。

进一步地，所述偏振控制模块中，第三偏振分束器作为起偏器。

进一步地，还包括带通滤波片，所述带通滤波片设置于光纤环形腔内。

进一步地，还包括密封盒，所述密封盒将合束器和增益光纤密封在密封盒内。

进一步地，还包括温度控制系统，所述温度控制系统设有TEC或水冷板对所述密封盒和偏振控制模块进行恒温控制。

采用本发明提供的一种被动锁模光纤激光器，使得不同激光腔长度时调节波片均能得到稳定锁模脉冲，势必会大大改善偏振锁模方案的稳定性和实用性，进一步推动其商业化。

附图说明

图1为本发明实施例中被动锁模光纤激光器的结构示意图；

图2为偏振控制模块的结构示意图；

图3为倾斜放置的双折射滤波片；

图4为模拟的双折射率滤波片透过率曲线图；

图5为实际测试的双折射率滤波片透过率曲线图；

图6为偏振锁模得到的光谱图；

图7为偏振锁模得到的时域脉冲图；

图8为偏振锁模得到的脉冲自相关曲线图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更浅显易懂，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明提供一种被动锁模光纤激光器，参考图1所示，包括偏振控制模块1、合束器2、增益光纤3连接构成全光纤环形腔，其中，偏振控制模块1如图2所示，包括第一光纤准直器4、第一四分之一玻片5、第一偏振分束器6、第一二分之一波片7、法拉第旋转器8、第二偏振分束器9、石英波片10、石英波片补偿片11、第三偏振分束器12、第二二分之一波片13、第二四分之一玻片14、第二光纤准直器15。

其中，第一偏振分束器6、第一二分之一波片7、法拉第旋转器8、第二偏振分束器9共同构成偏振相关隔离器，使得环形腔内的信号光只在一个方向传输。

进一步地，石英波片10和石英波片补偿片11共同构成双折射滤光片。其中石英波片补偿片和石英波片材料相同，放置角度相反，是为了补偿光通过石英波片后光线的偏向，使得光线再次回到各器件的中心。

进一步地，第三偏振分束器12既作为起偏器，与第二二分之一玻片13、第一四分之一玻片5和第二四分之一玻片14一起构成非线性偏振旋转锁模器的前置光栅，又作为输出耦合器；非线性偏振旋转锁模器的后置光栅具体为第一四分之一玻片。

其中，第一光纤准直器4、偏振相关隔离器、双折射滤光片和第二光纤准直器15依次设置，非线性偏振旋转锁模器的前置光栅、后置光栅分别设置于第二光纤准直器15与双折射滤光片、偏振相关隔离器和第一光纤准直器4之间。

进一步地，将合束器、增益光纤和腔内无源光纤密封在密封盒内，减少外界环境对谐振腔的干扰，提高系统长期稳定性，使得偏振锁模方案得以商业化。

进一步地，对偏振锁模方案谐振腔进行温度控制，用TEC或水冷板对密封盒和偏振控制模块进行温度控制，保持它们的工作温度恒定，减少温度变化对密封盒和偏振控制模块的影响，保证系统能长时间稳定的运行。

在本发明的优选实施例中，全光纤环形腔结构紧凑，稳定性相比空间耦合方式要好，且易调节。调节第一四分之一玻片5、第二二分之一玻片13和第二四分之一玻片14，改变腔内脉冲的偏振状态，在非线性偏振旋转效应的作用下，实现锁模皮秒脉冲输出。脉冲宽度为5-100ps，重复频率为5-50MHz，平均功率为50-1000mW。

进一步地，本发明采用的滤光片是双折射滤光片，通过不同滤光片参数的调整，可以比较自由的改变环形腔的腔长，即使在较长的激光腔长度即较低重复频率时，也不会出现脉冲不稳或脉冲分裂的情况，大大拓宽了该锁模光纤激光器的工业应用范围。

双折射滤光片是由放置在两个偏振方向相互平行的偏振片之间的双折射晶体片构成的。它利用晶体的双折射效应和色散特性，对不同波长的入射光波的偏振态改变量不同，并利用检偏器进行滤波的。在偏振控制模块1中，第三偏振分束器12作为起偏器，第二偏振分束器9起到了检偏器的作用。晶体片采用石英晶体，布鲁斯特角放置可以减小端面反射，所以晶体不需要镀膜。以晶体面法线为轴进行旋转，可以调整透过率曲线的透射峰的波长。

具体的，一束光通过起偏器后变成线偏振光(p光)，再以布鲁斯特角入射到晶体上，进入晶体后分解成o光和e光。由于o光和e光具有不同的折射率，并且由于晶体的色散性质，不同的波长具有不同的折射率，所以当到达晶体后表面重新合成时，光的偏振态会发生变化，输出光中重新出现了s光分量。检偏器将s光分量滤除，从而实现了滤波的效果。

假定光轴与入射面夹角为入射角为θ_i，晶体片厚度为L，如图3所示：

则利用琼斯矩阵法可以得到滤光片的传输矩阵：

$M_b=\left(\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right)$

其中，矩阵各元素分别由下列表达式给出：

$m_{11}=a_0[(1-\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}{{\mathrm{qn}}_e^2}){\cos }^2\mathrm{\φexp}\left({\mathrm{i\δ}}_e\right)+{\sin }^2\mathrm{\φexp}\left({\mathrm{i\δ}}_o\right)]$

$m_{12}=m_{21}=a_0\left\{\sqrt{1-\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}{{\mathrm{qn}}_e^2}}\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\φ}\right[\mathrm{epx}\left({\mathrm{i\δ}}_e\right)-\exp \left({\mathrm{i\δ}}_o\right)\left]\right\}$

$m_{22}=a_0[{\sin }^2\mathrm{\φexp}\left({\mathrm{i\δ}}_e\right)+(1+\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}{{\mathrm{qn}}_e^2}){\cos }^2\mathrm{\φexp}\left({\mathrm{i\δ}}_o\right)]$

式中：

$a_0={\left[(1-\frac{{\cos }^2\mathrm{\φ}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}{{\mathrm{qn}}_e^2})\right]}^{-1}$

$q=1-(\frac{1}{n_o^2}-\frac{1}{n_e^2}){\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i{\cos }^2\mathrm{\φ}$

${\mathrm{\δ}}_e=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L[n_e\sqrt{1-\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i{\sin }^2\mathrm{\φ}}{{\mathrm{qn}}_e^2}-\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i{\cos }^2\mathrm{\φ}}{{\mathrm{qn}}_o^2}}-n_o\sqrt{1-\frac{{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}{n_o^2}}+\frac{n_o}{\sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i/n_o^2}}]$

${\mathrm{\δ}}_o=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L\frac{n_o}{\sqrt{1-\sin {\mathrm{\θ}}_i/n_o^2}}$

n_o，n_e分别是o光和e光的主轴折射率，可以由晶体的Sellmeier公式得到。从检偏器输出的光只有M_b(2，2)部分，所以最终滤光片的透过率为：

$T={\left|M_b\left(\mathrm{2,2}\right)\right|}^2=1-\frac{{\left(\sin \mathrm{\θ}\sin 2\mathrm{\φ}\right)}^2}{{[1-{\left(\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\right)}^2]}^2}{\left(\sin \frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)}^2$

其中，δ＝δ_e-δ_o＝2πL(n'_e-n_o)/λ，n′_e为e光的折射率。透过率曲线如图4。

从透过率公式可以看出，当δ＝2kπ,k＝0,1,2...时，入射光将全部透射，T＝1；当δ＝(2k+1)π,k＝0,1,2...时，入射光将会被检偏器全部反射，T＝0。假定要设计的滤光片带宽为λ_FWHM，中心波长为λ₀，与中心波长最临近的一个透射极小的波长为λ_min，自由光谱范围为λ_FSR，则

λ_FSR＝2λ_FWHM＝2(λ₀-λ_min),

(n'_e-n_o)L＝k₁λ₀

$(n_e^{\′}-n_o)L=\frac{({2k}_1+1){\mathrm{\λ}}_{\min }}{2}$

由上面三式可以得到衍射级次k1表达式

$k_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_0-{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FSR}}/2}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FSR}}}$

由此晶体片的厚度L就可以得到：

$L=\frac{k_1{\mathrm{\λ}}_0}{n_e^{\′}-n_o}$

对于10MHz和50MHz两种重复频率的种子源，我们首先利用脉冲传输方程确定两种重频下所需滤光片的带宽，然后分别利用上面的方法设计了对应的滤光片，厚度分别为10.5mm和4.2mm。

为了进一步稳定脉冲，可以在腔内加入一个带通滤波片。

实际滤光片的透射曲线如图5所示。从图中可以看成，测量结果与设计要求是相符合的。

此外，双折射滤光片还具有一定的色散补偿功能。光场经过双折射滤光片所产生的群延迟在波长坐标轴上具有一系列的峰值，在峰值波长的左右两边，双折射滤光片产生很大的二阶色散，且色散峰值正负相反，而在峰值波长处，二阶色散为零。色散的大小和带宽可通过改变晶体波片的厚度、倾斜角和旋转角来控制。一般情况，色散峰值越大带宽越窄，相同条件下波片厚度越大色散带宽越窄。对于1um波段光纤激光器，采用常规光纤谐振腔处于正常色散范围，双折射滤光片的加入，可以对色散进行一定程度的补偿，提高脉冲的输出特性，而不需要加入空间结构的棱镜对或光栅对，使得系统过于复杂。

偏振锁模得到的光谱如图6所示，该光谱显示得到的锁模脉冲为损耗孤子脉冲，可以得到高的能量而不分裂。宽的谱宽预示着窄的脉宽，后续继续对该种子源进行色散补偿，可以得到飞秒脉冲。调节波片5、13和14，可以得到不同形状的光谱，比如三角形等。

偏振锁模得到的时域脉冲如图7所示，脉冲序列幅度较均衡，有利于进一步的降低频率，提高脉冲能量。

偏振锁模得到的脉冲自相关曲线如图8所示，脉宽可以低至5ps以下。

以上对本发明所提供的一种被动锁模光纤激光器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种被动锁模光纤激光器，其特征在于，包括全光纤环形腔，所述全光纤环形腔由偏振控制模块、合束器、增益光纤依次连接构成；

所述偏振控制模块包括第一光纤准直器、非线性偏振旋转锁模器、偏振相关隔离器、双折射滤光片、第二光纤准直器，其中，所述第一光纤准直器、偏振相关隔离器、双折射滤光片和所述第二光纤准直器依次设置，所述非线性偏振旋转锁模器的前置光栅、后置光栅分别设置于所述第二光纤准直器与双折射滤光片、偏振相关隔离器和第一光纤准直器之间。

2.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述偏振相关隔离器由第一偏振分束器、第一二分之一波片、法拉第旋转器和第二偏振分束器依次连接构成。

3.根据权利要求2所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，在所述偏振控制模块中，第二偏振分束器作为检偏器。

4.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述双折射滤光片由石英波片和石英波片补偿片构成。

5.根据权利要求4所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述石英波片补偿片和石英波片放置的相对角度相反；所述石英波片补偿片和石英波片的材料均为石英晶体。

6.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，所述非线性偏振旋转锁模器的前置光栅由第三偏振分束器、第二二分之一玻片、和第二四分之一玻片依次连接构成；所述非线性偏振旋转锁模器的后置光栅具体为第一四分之一玻片。

7.根据权利要求6所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，在所述偏振控制模块中，第三偏振分束器作为起偏器。

8.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，还包括带通滤波片，所述带通滤波片设置于光纤环形腔内。

9.根据权利要求1所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，还包括密封盒，所述密封盒将合束器和增益光纤密封在密封盒内。

10.根据权利要求9所述的被动锁模光纤激光器，其特征在于，还包括温度控制系统，所述温度控制系统设有TEC或水冷板对所述密封盒和偏振控制模块进行恒温控制。