CN105071208A - 一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器及单向锁模运转方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器及单向锁模运转方法，涉及一种脉冲激光器。该方法是将光纤耦合器引入非线性不对称性的谐振腔中，激光器中顺时针方向的脉冲经过掺镱光纤放大后通过光纤积累非线性效应，到达偏振分束器，在此实现可饱和吸收从而实现锁模；对于逆时针方向脉冲经过掺镱光纤放大后先通过光纤耦合器输出了一定的能量，再达到偏振分束器；逆时针方向由于光纤耦合器的输出损耗，功率较低，非线性效应小；顺时针方向激光功率更高，积累非线性效应更多；在实现锁模运转之后，在相反方向上微弱自发辐射不能积累足够非线性效应实现锁模，所以激光器能量全部集中在锁模方向上。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲激光器，具体是一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器及单向锁模运转方法。
背景技术
超快锁模光纤激光器与传统的固体激光器相比具有光束质量好、增益高、效率高、阈值低、可调谐、结构紧凑、运转可靠、散热性好等优点。在过去的20年间里，超快光纤激光器得到了迅猛的发展，在光通讯、光传感、激光医疗、工业加工、航空航天、材料科学、光谱学以及非线性光学领域得到了广泛的应用。超快光纤激光器是当今光学研究活跃的领域之一。
之前的研究已经证实单向的环形腔结构能够减少腔内的寄生反射从而降低锁模启动阈值：单向环形腔结构的锁模启动阈值低于线性腔的启动阈值。所以通常来说，超快光纤激光器结构大部分采用的是单向环形腔结构。保证激光器的单向运转不仅能够降低对大功率泵浦源的需求，并且可以使腔内的能量集中到单一方向，防止两个相反方向的脉冲互相干扰。到目前为止，环形光纤激光器是依靠在谐振腔内加入光隔离器来实现其单向运转的特性。
然而额外加入一个光隔离器会带来不可避免的插入损耗，也使得腔的结构变得复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器及单向锁模运转方法，无需隔离器，依靠谐振腔的非线性不对称性在预定的方向实现单向锁模运转的非线性偏振旋转锁模，谐振腔结构更加简单。
本发明是以如下技术方案实现的：一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器，包括泵浦源以及由波分复用器、掺镱光纤、第一四分之一波片、二分之一波片、偏振分束器、第二四分之一波片和光纤耦合器通过光纤连接构成的谐振腔；所述的泵浦源与波分复用器的泵浦端口连接，波分复用器的公共端口依次经掺镱光纤、第一四分之一波片、二分之一波片、偏振分束器、第二四分之一波片，然后连接至光纤耦合器的输入端口，光纤耦合器的输出端口连接至波分复用器的信号端口；器件之间通过单模光纤连接；将所述的第一四分之一波片、二分之一波片、偏振分束器和第二四分之一波片放置在工作台上，构成启动锁模模块。
一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器单向锁模运转方法；具体步骤如下：
将光纤耦合器引入非线性不对称性的谐振腔中，激光器中顺时针方向的脉冲经过掺镱光纤放大后通过光纤积累非线性效应，到达偏振分束器，在此实现可饱和吸收从而实现锁模；对于逆时针方向脉冲经过掺镱光纤放大后先通过光纤耦合器输出了一定的能量，再达到偏振分束器；
逆时针方向由于光纤耦合器的输出损耗，功率较低，非线性效应小；顺时针方向激光功率更高，积累非线性效应更多；在实现锁模运转之后，在相反方向上微弱自发辐射不能积累足够非线性效应实现锁模，所以激光器能量全部集中在锁模方向上。
本发明好的有益效果是：谐振腔无须加入光隔离器，结构简单可靠、维护方便、可实现自启动锁模、工作性能优越、成本低、易于操作；
利用谐振腔的非线性不对称性以及非线性偏振旋转锁模技术来实现单向锁模运转技术在激光器不同的工作波长、色散区域均可适用。
附图说明
图1为本发明的实验装置图；
图2为激光器输出脉冲光谱图；
图3为激光器顺时针输出脉冲序列图；
图4为激光器顺时针输出射频图；
图5为激光器顺时针输出脉冲的自相关曲线，插图为脉冲压缩后的自相关曲线。
具体实施方式
如图1所示，一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器有一泵浦源1以及由波分复用器2、掺镱光纤3、第一四分之一波片4、二分之一波片5、偏振分束器6、第二四分之一波片7和光纤耦合器8通过光纤连接构成的谐振腔；所述的泵浦源1与波分复用器2的泵浦端口2b连接，波分复用器2的公共端口依次经掺镱光纤3、第一四分之一波片4、二分之一波片5、偏振分束器6、第二四分之一波片7，然后连接至光纤耦合器8的输入端口，光纤耦合器8的输出端口连接至波分复用器2的信号端口；器件之间通过单模光纤连接；将所述的第一四分之一波片4、二分之一波片5、偏振分束器6和第二四分之一波片7放置在工作台上，构成启动锁模模块。
本实施例中，所述的泵浦源1采用单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于976nm。
所述的波分复用器2的工作波长是980/1060nm。
所述的掺镱光纤3型号为YB406，采购于CorActive公司。
所述的光纤耦合器8采用10:90光纤耦合器；波分复用器2的公共端口依次经掺镱光纤3、第一四分之一波片4、二分之一波片5、偏振分束器6、第二四分之一波片7，然后连接至光纤耦合器8的90％输入端口8b，光纤耦合器8的90％输出端口8a连接至波分复用器2的信号端口2a。信号端口2a为激光器的输入端口，8d为激光器的反向输出监测端口。谐振腔内没有光隔离器；器件之间全部使用单模光纤连接；谐振腔的设计运转方向为图1中顺时针方向；其稳定的超短脉冲通过光纤耦合器的10％输出端口8c输出。
掺镱光纤4与工作台之间的单模光纤长度为6米，掺镱光纤4与光纤耦合器8之间的单模光纤长度为2.5米；光纤耦合器8与工作台之间的单模光纤长度为3米。
以图1为例，具体介绍脉冲激光器单向锁模运转方法：
顺时针方向脉冲经过掺镱光纤放大后通过光纤积累非线性效应，依次经过第一四分之一波片4、二分之一波片5到达偏振分束器6，在此实现可饱和吸收从而实现锁模；
逆时针方向脉冲经过掺镱光纤放大后先通过光纤耦合器输出了10％的能量，再达到偏振分束器6；
逆时针方向由于光纤耦合器的输出损耗，功率较低，非线性效应小；顺时针方向激光功率更高，积累非线性效应更多；在实现锁模运转之后，在相反方向上微弱自发辐射不能积累足够非线性效应实现锁模，所以激光器能量全部集中在锁模方向上。
谐振腔的非线性不对称性设计，使得逆时针方向从增益光纤出发，首先经过光纤耦合器输出损耗再到达偏振分束器，而顺时针方向不经历损耗直接到达偏振分束器。顺时针方向的非线性效应占优。
非线性不对称性的谐振腔通过激光器输出的位置引入，或通过增益光纤与偏振分束器之间连接光纤的不同长度引入。长度越长，则积累的非线性效应越强。两个方向的光纤长度差异越大，谐振腔的非线性不对称性也就越强。
以顺时针方向连接掺镱光纤与偏振分束器光纤长度6米，逆时针方向光纤长度5.5米为例，激光器在顺时针方向实现稳定单向运转。
激光器输出脉冲的光谱如图2，其中实线为顺时针方向输出，虚线为逆时针方向输出。逆时针方向探测的输出功率仅为顺时针方向的千分之一，从光谱上判断其可能是顺时针方向脉冲在腔内的光纤熔接端面的微弱反射。其锁模脉冲序列及射频频谱图分别如图3和4所示。射频频谱图中接近80dB的边模抑制比表明该锁模脉冲激光器具有很高的可靠性和稳定性。图5为激光器顺时针输出脉冲的自相关曲线，脉宽为36.5ps，插图为脉冲压缩后的自相关曲线，压缩后脉宽为1.14ps。
工作过程：根据预先设定的激光器运转方向进行谐振腔设计，使得在预设方向上的非线性效应占据优势。随着泵浦功率逐渐提高，激光器在预设方向上首先锁模。再利用非线性偏振旋转锁模的特性，使得能量集中在预设方向，激光器能够维持单向运转。在本发明中，没有使用光隔离器，而是利用谐振腔的非线性不对称性以及非线性偏振旋转锁模技术的特性实现了在预定方向的单向锁模运转。
本激光器预设的运转方向为激光器装置图1中的顺时针方向。激光器中顺时针方向的脉冲经过掺镱光纤放大后通过光纤积累非线性效应，到达偏振分束器，在此实现可饱和吸收从而实现锁模；对于逆时针方向脉冲经过掺镱光纤放大后先通过光纤耦合器输出了10％的能量，再达到偏振分束器。光纤耦合器引入了谐振腔的非线性不对称性：顺时针方向激光功率更高，积累非线性效应更多；逆时针方向由于光纤耦合器的输出损耗，功率较低，非线性效应小。
非线性偏振旋转锁模技术是依赖于光在光纤中传播时积累的非线性效应来实现锁模。所以对于使用非线性偏振旋转锁模技术的锁模激光器，非线性效应强的方向容易实现锁模。在实现锁模运转之后，在相反方向上微弱自发辐射不能积累足够非线性效应实现锁模，所以激光器能量全部集中在锁模方向上。
逐步增加泵浦功率，激光器总是在顺时针方向得到稳定的单向输出，其中心波长在1062nm。而逆时针方向探测到的输出功率仅为顺时针方向功率的千分之一，从光谱上判断其可能是顺时针方向脉冲在腔内的光纤熔接端面的微弱反射。
Claims (8)
1.一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器，其特征在于：包括泵浦源(1)以及由波分复用器(2)、掺镱光纤(3)、第一四分之一波片(4)、二分之一波片(5)、偏振分束器(6)、第二四分之一波片(7)和光纤耦合器(8)通过光纤连接构成的谐振腔；所述的泵浦源(1)与波分复用器(2)的泵浦端口连接，波分复用器(2)的公共端口依次经掺镱光纤(3)、第一四分之一波片(4)、二分之一波片(5)、偏振分束器(6)、第二四分之一波片(7)，然后连接至光纤耦合器(8)的输入端口，光纤耦合器(8)的输出端口连接至波分复用器(2)的信号端口；器件之间通过单模光纤连接；将所述的第一四分之一波片(4)、二分之一波片(5)、偏振分束器(6)和第二四分之一波片(7)放置在工作台上，构成启动锁模模块。
2.如权利要求1所述的一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器，其特征在于：所述的泵浦源(1)采用单模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于976nm。
3.如权利要求1所述的一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器，其特征在于：所述的波分复用器(2)的工作波长是980/1060nm。
4.如权利要求1所述的一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器，其特征在于：所述的掺镱光纤(3)型号为YB406。
5.如权利要求1所述的一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器，其特征在于：所述的光纤耦合器(8)采用10:90光纤耦合器；波分复用器(2)的公共端口依次经掺镱光纤(3)、四分之一波片(4)、二分之一波片(5)、偏振分束器(6)、四分之一波片(7)，然后连接至光纤耦合器(8)的90％输入端口，光纤耦合器(8)的90％输出端口连接至波分复用器(2)的信号端口。
6.如权利要求1所述的一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器，其特征在于：掺镱光纤(4)与工作台之间的单模光纤长度为6米，掺镱光纤(4)与光纤耦合器(8)之间的单模光纤长度为2.5米；光纤耦合器(8)与工作台之间的单模光纤长度为3米。
7.一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器单向锁模运转方法；其特征在于：具体步骤如下：
将光纤耦合器引入非线性不对称性的谐振腔中，激光器中顺时针方向的脉冲经过掺镱光纤放大后通过光纤积累非线性效应，到达偏振分束器，在此实现可饱和吸收从而实现锁模；对于逆时针方向脉冲经过掺镱光纤放大后先通过光纤耦合器输出了一定的能量，再达到偏振分束器；
逆时针方向由于光纤耦合器的输出损耗，功率较低，非线性效应小；顺时针方向激光功率更高，积累非线性效应更多；在实现锁模运转之后，在相反方向上微弱自发辐射不能积累足够非线性效应实现锁模，所以激光器能量全部集中在锁模方向上。
8.根据权利要求7所述的一种非线性偏振旋转锁模脉冲激光器单向锁模运转方法；其特征在于：非线性不对称性的谐振腔通过激光器输出的位置引入，或通过增益光纤与偏振分束器之间连接光纤的不同长度引入。
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