CN105896248B - 一种高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，包括高功率种子源部分和孤子自频移部分；高功率种子源部分包括腔体部分和空间部分；腔体部分包括半导体光泵浦、光纤合束器、色散补偿光纤、光纤准直器、双包层增益光纤；空间光路部分包括1/4波片、1/2波片、偏振分束棱镜、双折射滤波片、光隔离器；孤子自频移部分包括宽带高反镜、透镜、光隔离器、1/2波片和孤子自频移装置。采用双包层增益光纤提高激光输出功率，同时通过改变双折射滤波片的角度旋转实现波长的调谐输出，最后用孤子自频移装置实现从1550nm波段到1.7μm波段的转换，是多光子荧光显微镜性能更优的光源。可实现自启锁模激光输出和高功率调谐输出，结构简单、工作性能优越、成本低廉且易于操作。

Description

一种高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤锁模激光器技术领域，更具体涉及一种高功率可调谐1.7um锁模光纤激光器。
背景技术
多光子显微镜(Multiphoton Microscopy，MPM)具有成像深度深、光损伤小、空间分辨率和对比度高、荧光收集率高、探测光路要求低、光漂泊区域小的特性，是研究生物组织结构的有利工具。因此，目前以非线性光效应产生的MPM技术，已被广泛应用于老年痴呆研究、细胞中钙离子的研究、血管再生的研究、肿瘤细胞迁移等各个生物研究领域，为开拓新学科和促进科学研究领域向更高层次发展起到了非常重要的作用。然而要想实现MPM的关键技术之一就是要获得高质量的超短脉冲激光源。目前，大多数MPM系统主要是基于钛宝石激光系统，输出峰值能量为20nJ到30nJ的飞秒激光脉冲，如此高的输出能量足以开展上述实验研究。然而，抛开结构复杂和价格昂贵等缺点，这些激光系统的输出波长一般在700-1100nm范围以内，对于多光子成像在新鲜组织样品或生物活体成像的应用有很大的限制。
由于生物组织样品十分不均匀而且组织成分间存在较强的散射，这些因素使得光学成像只能用于薄切片或者组织表层，因此成像深度的提高是一个主要的科学挑战。MPM技术的发展在很大的程度提高了高分辨率成像的深度，特别在活体成像当中效果更加明显。生物组织中的多光子激发成像深度主要依赖于没有发生散射的光子达到焦平面的能力和收集非线性荧光的能力。因此，要想提高成像深度，必须需要降低组织样品的散射作用。而影响散射作用的最直接因素就是激光工作波长，现有研究表明在综合考吸收效应和散射效应后，最佳激发波长在1.7μm范围附近。因此要想提高多光子成像深度需要激发激光工作在1.7μm波段附近的可调谐飞秒激光源。
但是目前1.7μm波段附近的可调谐飞秒激光源大部分采用的是飞秒激光同步泵浦光参量振荡器来实现虽然说这种系统都可以实现1.7μm波段范围的飞秒激光输出，但是该光参量振荡器结构复杂，长期稳定性差，而且整个系统成本较高也不适合整个系统的大规模实用化集成开发。因此如何更有效的产生1.7μm波段附近的可调谐飞秒激光源是多光子显微成像等应用领域急需解决的问题。
发明内容
针对现有1.7μm锁模光纤激光现存的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，能够产生稳定锁模激光脉冲。
为实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器,包括高功率种子源部分和孤子自频移部分；
所述高功率种子源部分包括腔体部分和空间部分，其中：
腔体部分包括半导体光泵浦、光纤合束器、色散补偿光纤、第一光纤准直器、双包层增益光纤；
空间光路部分包括第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束棱镜、双折射滤波片、第一光隔离器、第二1/4波片；
所述孤子自频移部分包括宽带平面高反镜、第二光隔离器、第二1/2波片、透镜和孤子自频移装置；
所述高功率种子源部分为按顺序熔接在一起的半导体光泵浦、光纤合束器、色散补偿光纤和第一光纤准直器；
所述光纤合束器另一输出端与双包层Er:Yb共掺增益光纤、第二光纤准直器顺序熔接。
在第一光纤准直器和第二光纤准直器设置空间光路部分，所述空间光路依次为第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束棱镜、双折射滤波片(8)、第一光隔离器、第二1/4波片；
所述孤子自频移部分是光路中依次放置的第二光隔离器、第二1/2波片、透镜和孤子自频移装置。
依据本发明，所述的半导体光泵浦为多模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于976nm附近。
所述光纤光束合束器的工作波长是976/1550nm，光纤光束合束器的泵浦端尾纤采用多模980nm光纤，信号输出端尾纤采用与双包层增益光纤(12)匹配的双包层光纤。
所述色散补偿光纤类型为单模光纤，用于补偿腔内的过多的负色散，在1550nm波段提供负色散。
所述第一光纤准直器和第二光纤准直器工作波长为1550±40nm，尾纤采用负色散单模光纤。
所述第一1/4波片、第一1/2波片、第二1/4波片和第二1/2波片工作波长均为1550±40nm。
所述第一隔离器和第二隔离器工作波长为1550±40nm，隔离度大于30dB。
所述双包层Er:Yb共掺增益光纤在1550nm波段提供正色散。
所述孤子自频移装置采用拉锥单模光纤或光子晶体光纤作为工作物质。
本发明的高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，带来的技术效果在于：
1、合理设计种子激光结构和拉锥单模光纤或光子晶体结构，利用拉锥单模光纤或光子晶体光纤的孤子自频移效应，实现1.7μm波段的飞秒激光调谐输出。
2、是多光子荧光显微镜性能更优的光源。
3、结构简单可靠、可实现自启锁模激光输出、实现高功率调谐输出、而且工作性能优越、成本低廉易于操作。
附图说明：
图1为本发明的高功率可调谐1.7um锁模光纤激光器的光路结构示意图，也是一个较佳的实施例。
图2为孤子自频移装置中拉锥单模光纤或光子晶体光纤的结构示意图。
图中的标记分别表示：1、半导体泵浦源，2、光纤合束器，3、色散补偿光纤，4、第一光纤准直器，5、第一1/4波片，6、第一1/2波片，7、偏振分光棱镜，8、双折射滤光片，9、第一光隔离器，10、第二1/4波片，11、第二光纤准直器，12、双包层Er:Yb共掺增益光纤；13：宽带平面高反镜；14：第二光隔离器；15：第二第一1/2波片；16：透镜；17：孤子自频移装置。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
以下给出的实施例，是为了使本领域的技术人员对本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，其高功率可调谐激光光路结构如图1所示，包括：
高功率种子源部分和孤子自频移部分；
所述高功率种子源部分包括腔体部分和空间部分，其中：
腔体部分包括半导体光泵浦1、光纤合束器2、色散补偿光纤3、第一光纤准直器4和双包层增益光纤12。
空间光路部分包括第一1/4波片5、第一1/2波片6、偏振分束棱镜7、双折射滤波片8、第一光隔离器9、第二1/4波片10；
孤子自频移部分包括宽带平面高反镜13、第二光隔离器14、第二1/2波片15、透镜16和孤子自频移装置17。
高功率种子源部分为按顺序熔接在一起的半导体光泵浦1、光纤合束器2、色散补偿光纤3和第一光纤准直器4；光纤合束器2另一输出端与双包层增益光纤12、第二光纤准直器11顺序熔接。
在第一光纤准直器4和第二光纤准直器11设置空间光路部分，该空间光路依次为第一1/4波片5、第一1/2波片6、偏振分束棱镜7、双折射滤波片8、第一光隔离器9、第二1/4波片10。
孤子自频移部分是光路中依次放置第二光隔离器14、第二1/2波片15、透镜16和孤子自频移装置17。
本实施例中，半导体泵浦源1，为光纤耦合输出的半导体激光器，用于输出波长为976nm的泵浦激光，典型输出功率为10W，光纤尾纤为多模光纤；
光束合束器2，为将泵浦光耦合进入激光腔内，泵浦端2a尾纤类型为105/125多模光纤，信号输出端2b和2c尾纤类型为双包层增益光纤匹配光纤。
色散补偿光纤3采用正色散补偿光纤，模场直径5um。
第一光纤准直镜5和第二准直镜12，为将空间光与光纤光相互转换，尾纤类型为单模负色散光纤；
第一1/4波片6、第一1/2波片7、第二1/4波片11、第二1/2波片，用于改变激光偏振实现非线性偏振旋转锁模，波片镀有对激光在1500-1600nm高透膜；
偏振分束棱镜8，消光比大于1000:1，镀有对激光在1500-1600nm高透膜；
双折射滤波片9，采用熔石英材料，厚度为7.5mm；
第一光隔离器10和第二光隔离器，工作波长为1550±40nm，隔离度大于30dB；
孤子自频移装置17如图2所示，采用长度较短的拉锥单模光纤或光子晶体光纤，通过控制拉锥区长度和芯径来优化孤子自频移效应。
本实施例中采用的双包层Er:Yb共掺增益光纤12，是一种多模泵浦源和Er:Yb共掺双包层光纤，可以实现高功率输出；同时合理优化色散补偿光纤长度，调整腔内色散分布，保证激光脉冲稳定输出；通过调整双折射滤光片的角度可以有效实现激光的调谐输出，最终耦合进入优化后的孤子自频移装置实现可调谐的1.7μm锁模光纤激光输出，这样就会实现一种高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器。该高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧、适于重复生产和组装，适于批量化生产、成本较低、激光单向输出、高输出功率、宽带可调谐输出、高稳定性以及高光束质量等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。
最后所应说明的是，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本发明不限于上述实施例，本领域的技术人员在本发明的技术方案的基础上所进行的简单修改或者等同替换，都不会脱离本发明技术方案保护的范围。

Claims (9)

1.一种高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，包括高功率种子源部分和孤子自频移部分；其特征在于：
所述高功率种子源部分包括腔体部分和空间部分，其中：
腔体部分包括半导体光泵浦(1)、光纤合束器(2)、色散补偿光纤(3)、第一光纤准直器(4)、双包层增益光纤(12)；
空间光路部分包括第一1/4波片(5)、第一1/2波片(6)、偏振分束棱镜(7)、双折射滤波片(8)、第一光隔离器(9)、第二1/4波片(10)；
所述孤子自频移部分包括宽带平面高反镜(13)、第二光隔离器(14)、第二1/2波片(15)、透镜(16)和孤子自频移装置(17)；
所述高功率种子源部分为按顺序熔接在一起的半导体光泵浦(1)、光纤合束器(2)、色散补偿光纤(3)和第一光纤准直器(4)；所述光纤合束器(2)的另一输出端与双包层Er:Yb共掺增益光纤(12)、第二光纤准直器(11)顺序熔接；
在第一光纤准直器(4)和第二光纤准直器(11)设置空间光路部分，所述空间光路依次为第一1/4波片(5)、第一1/2波片(6)、偏振分束棱镜(7)、双折射滤波片(8)、第一光隔离器(9)、第二1/4波片(10)；
所述孤子自频移部分是光路中依次放置的第二光隔离器(14)、第二1/2波片(15)、透镜(16)和孤子自频移装置(17)。
2.如权利要求1所述的高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，其特征在于,所述的半导体光泵浦(1)为多模光纤耦合的半导体激光器，其中心波长位于976nm附近。
3.如权利要求1所述的高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，其特征在于，所述光纤光束合束器(2)的工作波长是976/1550nm，光纤光束合束器(2)的泵浦端尾纤采用多模980nm光纤，信号输出端尾纤采用与双包层增益光纤(12)匹配的双包层光纤。
4.如权利要求1所述的高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，其特征在于，所述色散补偿光纤(3)类型为正色散补偿光纤，用于补偿腔内的负色散，在1550nm波段提供正色散。
5.如权利要求1所述的高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤准直器(4)和第二光纤准直器(11)工作波长为1550±40nm，尾纤采用负色散单模光纤。
6.如权利要求1所述的高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一1/4波片(5)、第一1/2波片(6)、第二1/4波片(10)和第二1/2波片(15)工作波长均为1550±40nm。
7.如权利要求1所述的高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一光隔离器 (9)和第二光隔离器 (14)工作波长为1550±40nm，隔离度大于30dB。
8.如权利要求1所述的高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，其特征在于，所述双包层Er:Yb共掺增益光纤(12)在1550nm波段提供正色散。
9.如权利要求1所述的高功率可调谐1.7μm锁模光纤激光器，其特征在于，所述孤子自频移装置(17)采用拉锥单模光纤或光子晶体光纤作为工作物质。
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