CN106159660A - 一种用于锁模激光谐振腔的反馈式光纤偏振控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够对自由空间光路长度进行微调的光纤偏振控制器，该装置包括：入射光纤、入射光纤准直器(2)、入射光准直器俯仰调节台(3)、四分之一波片(4)、二分之一波片(5)、光隔离器(6)、出射镜微动压电陶瓷(7)、出射光准直器俯仰调节台(8)、出射光纤准直器(9)、出射光纤(10)及支架底座(11)。四分之一波片、二分之一波片及光隔离器，彼此之间互不影响，可以达到自由调节的效果。整个装置光学部分布置紧凑，占用的空间非常小，整个系统的尺寸约长8cm，宽3cm，高4cm。由于出射镜微动压电陶瓷具有电致伸缩的特性，偏振控制器集成了对光路长度进行微调的功能，方便地实现对光学路径长度的控制，适合于锁模激光重复频率的锁定。

Description

一种用于锁模激光谐振腔的反馈式光纤偏振控制器

一、技术领域

本发明涉及锁模激光谐振腔中的偏振控制技术，尤其涉及一种可以微小调节谐振腔腔长的光纤偏振控制器。

二、背景技术

激光作为20世纪最伟大的发明之一，曾经并且正在有力地推动着世界前沿科学技术的发展，在方兴未艾的新科技革命浪潮中起着举足轻重的作用。作为超短脉冲激光产生的关键技术，飞秒锁模激光拥有其他研究技术平台无法达到的时间和频率的超高精度与超高分辨率，极大地提高了人类探索自然规律的能力，成为探索与揭示微观世界规律的前沿科学与高新技术的制高点，在许多应用领域诸如时间分辨光谱技术、激光核聚变、超精细加工、高速光纤通信、化学反应过程及产物的控制等方面发挥着极其重要的作用。

所谓“锁模”是指通过锁定激光器内所有能够振荡的激光纵模的相位而形成周期性的超短脉冲。随着光纤技术的发展，基于光纤的非线性效应来产生超短脉冲的锁模方法以其体积小、可自起振、可靠性高等特点成为了被动锁模激光器的首选对象。相比于可饱和吸收体、非线性光纤环形镜锁模，非线性偏振旋转(Nonlinear Polarization Rotation，NPR)锁模技术是近年来兴起的一种具有很高应用价值的新型锁模方法，该技术利用自相位调制和交叉相位调制等非线性效应，使光纤中传播的光脉冲的偏振态发生非线性演化从而实现被动锁模。因其具有结构简单、响应速度快、损耗阈值高等优点，成为了光纤锁模激光发展的主流技术。

为了使锁模激光能够在高速光采样、生物医学、光谱分析等领域发挥更重要的作用，人们一直追求更高重复频率的锁模光脉冲。在锁模激光中，高重复频率对应短的激光谐振腔腔长，然而构成激光器锁模的关键元件如偏振控制器、隔离器等光纤器件本身即具有一定的封装长度及预留尾纤，限制了重复频率的提高。此外，在具体的锁模激光的应用中，常常需要扫描激光的重复频率，例如大尺寸绝对距离测量技术需要微小地改变重复频率以获得公里尺度的合成波长；光学频率梳技术中重复频率的精密锁定及反馈，需要重复频率扫描的范围覆盖数千赫兹的范围。实现锁模激光重复频率的调谐只能通过改变激光谐振腔的腔长来实现，然而现有的锁模激光系统中腔长的控制部分独立于关键锁模元件，体积较大，严重影响重复频率的提高；另一方面，构成谐振腔的大量分立光学元器件需要定期地进行光路调整，不利于锁模激光的长期稳定的工作。

三、发明内容

(1)发明目的

本发明的目的是提供一种新型的反馈式光纤偏振控制器，一方面通过光学元器件的集成化减小了锁模激光谐振腔的长度，使锁模脉冲的重复频率得到提高；另一方面，通过将锁模器件与压电陶瓷巧妙的结合实现了对谐振腔腔长的灵活可调，使锁模器件具有结构简单、紧凑、使用方便等优点，易于实现飞秒锁模激光的长期稳定运行。

(2)技术方案：

本发明的反馈式光纤偏振控制器的全部组件包括：导入光纤、入射光准直镜、入射光俯仰调节台、四分之一波片、二分之一波片、光隔离器、出射光准直镜、出射镜微动压电陶瓷、出射光俯仰调节台、出射光纤，以及用于调整各光学器件的机械调整架。

所述光纤偏振控制器，采用光纤输入/输出的结构，所述的导入光纤及射光纤，其特征在于采用单模光纤，易于和其他类型的光纤通过熔接使用。所述入射光准直器及出射光准直器，其特征在于采用焊接在光纤末端的微型非球面透镜，具有极低的插入损耗，准直输出的光束直径约1.5mm，两个准直器之间的距离并没有严格的要求。所述入射光俯仰调节台及出射光俯仰调节台，其特征在于通过互成120°的3根压簧及3根顶丝固定于支架上，可以对准直器进行高精度的俯仰调节，具有很好的重复性。所述的四分之一波片、二分之一波片及光隔离器均通过顶丝独立固定在支架上，当把顶丝锁紧时，可以实现其旋转角度的固定，具有很好的重复性。

所述出射镜微动压电陶瓷，其特征在于采用环形压电陶瓷，一端通过环氧树脂胶固定于支架上，其自由端依次与出射光俯仰调节台、出射光准直器及出射光纤相连，当施加给压电陶瓷的电压发生变化时，利用其电致伸缩特性，可以实现对自由空间光程进行微调，进而对锁模激光重复频率进行调谐。所述底座支架，其特征在于提供各光学元器件的固定位置关系。

(3)技术效果

本发明的优点在于，自由空间光路部分同时固定有四分之一波片，二分之一波片及光隔离器，均可以达到自由调节的效果，彼此之间互不影响。偏振控制器集成了对光路长度进行微调的功能，方便地实现对光学路径长度的控制，适合于锁模激光重复频率的锁定。由于经过特殊的设计，占用的空间非常小，整个系统的尺寸约长8cm，宽3cm，高4cm。有利于缩小锁模激光的体积，提高激光的重复频率及稳定性，方便使用。

四、附图说明

图1是本发明反馈式光纤偏振控制器的整体结构图；

图2是本发明反馈式光纤偏振控制器的爆炸图；

图3是本发明反馈式光纤偏振控制器的剖视图；

图4是本发明反馈式光纤偏振控制器的工作原理图。

五、具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作详细说明。

本发明提供了一种用于锁模激光的反馈式偏振控制器，所谓“反馈”，是指该器件不仅可以用于实现激光锁模，还可以通过电压控制的方式，反馈锁模激光的谐振腔长，实现重复频率锁定至外部的频率基准。

参见图1、2、3，本发明提供的反馈式偏振控制器，包括顺序连接的入射光纤(1)、入射光纤准直器(2)、入射光准直器俯仰调节台(3)、四分之一波片(4)、二分之一波片(5)、光隔离器(6)、出射镜微动压电陶瓷(7)、出射光准直器俯仰调节台(8)、出射光纤准直器(9)、出射光纤(10)及支架底座(11)。

在组装的过程中，先将四分之一波片4、二分之一波片5及光隔离器6固定在底座支架上11，由精密的机械设计保证三者的光心共线；接着，将导入光纤1通过光纤熔接的方式连接至入射光准直器2，入射光俯仰调节台3可以用于调整入射光准直器输出光束的方向角；与此同时，将出射光纤10依次焊接至出射光准直器9，并依次固定于出射光准直器俯仰调节台8、出射镜微动压电陶瓷7及底座11上；在进行光束对准的过程中，可引入另外一束激光，将其耦合入入射光纤，通过入射光俯仰调节台及出射光俯仰调节台的配合，使出射光纤耦合输出的光功率达到最高，至此，反馈式偏振控制器组装完成。

参见图4，本发明专利的工作原理是这样的：四分之一波片及二分之一波片的组合构成了一个光束偏振态调节器，光隔离器起到了光隔离与起偏器双重作用，光束经过光隔离器以后成为线偏振光，该线偏振光由于光纤自身的二向色性，分解成沿光纤两个主轴方向的偏振态进行传播，由于自相位调制及交叉相位调制等非线性效应，作用在两正交偏振分量上，使得脉冲的偏振态发生非线性演化，脉冲的不同部位由于强度不同，导致整个脉冲的偏振态是非均匀的。当光脉冲再一次返回偏振控制器时，通过调节二分之一波片及四分之一波片的旋转角度，可以迫使光脉冲的中心波分成为线偏振，进而能够以极低的损耗的通过光隔离器，实现激光锁模。

在本实施例中，实现激光锁模之后，可以利用光电探测器12对锁模激光进行探测，其输出信号通过频率计数器13进行计数获得锁模激光的重复频率。在需要对重复频率进行调谐的场合，可以施加一个高压信号给出射镜微动压电陶瓷，电压的变化将线性改变压电陶瓷的伸缩，通过改变激光器的腔长实现重复频率的调节。

发明相对目前市场上的光纤偏振控制器有如下优势：

1)传统的光束偏振调节通常采用3片波片(起偏波片，四分之一波片及二分之一波片)，本发明仅采用四分之一波片与二分之一波片的组合，并集成了光隔离器，在系统尺寸无明显增大的基础上，实现光隔离的功能，保证了光束的单向通过特性；

2)将压电陶瓷集成于偏振控制器中，可以实现自由空间光路部分的微小调节，与锁模激光相结合可以高精度地实现重复频率的精密控制，具有很好的可靠性及重复性。

本发明制作的反馈式光纤偏振控制器，具有结构简单、紧凑、自准直、易调节、稳定性好等优点，可以广泛地应用于对系统尺寸要求较高的光束偏振控制的场合，特别适用于锁模激光的使用，结合标准的微波频率源，可以利用本装置实现锁模激光重复频率的锁定，具有良好的应用前景。

Claims (1)

1.一种用于锁模激光谐振腔的反馈式光纤偏振控制器，其特征在于，包括：

导入光纤(1)，采用单模光纤，负责将入射光信号耦合进入系统；

入射光纤准直器(2)，采用焊接在导入光纤1末端的微型非球面透镜，具有极低的插入损耗，将光束耦合至自由空间准直输出，输出的光束直径约1.5mm；

入射光准直器俯仰调节台(3)，通过互成120°的3根压簧及3根顶丝固定于底座支架(11)上，一方面提供入射光纤准直器(2)的机械固定，另一方面对准直器(2)进行高精度的三维俯仰调节；

四分之一波片(4)，垂直放置在入射光纤准直器(2)的透射光路中，使光束经过波片的光心，通过旋转波片的方向角用于光束偏振态的调节；

二分之一波片(5)，同轴放置于四分之一波片(4)的透射光路上，通过空间方向角度的旋转，与四分之一波片(4)结合使得光脉冲的峰值功率位置为线偏振状态。

光隔离器(6)，同轴放置于在二分之一波片(5)的透射光路上，同时起到光隔离与起偏器的作用，一方面保证光束的单向传输，另一方面通过方向角的调节保证光脉冲的峰值功率位置以极低的插入损耗通过，吸收脉冲的两翼能量，实现脉冲窄化；

出射镜微动压电陶瓷(7)，采用环形压电陶瓷，一端通过环氧树脂胶固定于底座支架(11)上，其自由端提供出射光准直器俯仰调节台(8)的固定，采用高压驱动的方式，可以实现电致伸缩，微调自由空间光路部分的长度；

出射光准直器俯仰调节台(8)，通过互成120°的3根压簧及3根顶丝固定于底座支架(11)上，一方面提供出射光纤准直器(9)的机械固定，另一方面对准直器(9)进行高精度的三维俯仰调节；

出射光纤准直器(9)：同轴放置于光隔离器(6)的透射光路上，同时固定于出射光准直器俯仰调节台(8)，采用焊接在出射光纤(10)一端的微型非球面透镜，具有极低的插入损耗，将自由空间的光束耦合进入出射光纤(10)；

出射光纤(10)：采用单模光纤，将偏振态发生改变后的光束耦合输出；

支架底座(11)：提供各光学元器件的固定位置关系。