CN106207733B - 非线性相位偏置环路锁模器件及其激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非线性相位偏置环路锁模器件及其激光器，该器件包括：封装壳体，分别固定在所述封装壳体的两端的第一准直器和第二准直器，位于所述封装壳体内部的第一反射角镜和第二反射角镜，位于所述第一反射角镜和第二反射角镜之间的合束镜；所述合束镜包括半透半反面；位于所述合束镜与所述第二准直器之间的相位偏置单元；本发明实施例提供的非线性相位偏置环路锁模器件及其激光器通过相位偏置单元、包括半透半反面的合束镜以及反射角镜将相位偏置、非线性环路锁模以及耦合输出功能集成为一个三端口光纤器件，实现了相位偏置功能和锁模功能的集成化，节省了很多空间，且结构简单，成本低，易于集成，不受环境及偏振态影响，锁模状态重复性好。

Description

非线性相位偏置环路锁模器件及其激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种非线性相位偏置环路锁模器件及其激光器。

背景技术

光纤飞秒激光器是飞秒激光技术的典型之一。飞秒激光技术是近些年来在量子光学及非线性光学的基础上迅速发展起来的应用技术，其定义为脉宽从几个飞秒到几百飞秒之间的超快激光脉冲，其中1fs＝10～15s。新型的双光子显微镜需要使用飞秒激光作为激发光源，才能够利用双光子效应激发生物荧光蛋白进而成像。在这一分支领域，传统的方法是使用钛宝石激光器作为光源，其优势在于可靠的稳定性和宽带可调谐性。然而，钛宝石激光器成本较高，系统庞大，便携性较差；最近使用蓝光泵浦的钛宝石激光器成本有较大幅度的降低，但其输出功率偏低这一劣势并未得到改善。这无疑限制了双光子显微镜的研究发展。光纤飞秒激光器的使用对双光子显微镜的微型化也是十分必要的，由于激光可以在光纤形成的腔内振荡，不比像空间光路那样考虑很多准直、聚焦、耦合以及晶体相位匹配等问题，这样可以节省很多空间，便于集成。

锁模技术是光纤飞秒激光器的核心技术，其要点在于频域内实现增益带宽内的多个模式相位锁定，使得时域内产生超短脉冲。当前较为流行的光纤飞秒激光器的锁模技术分为两类，一类为主动锁模，但需要额外添加主动锁模元件，腔型结构复杂；另一类为被动锁模，腔型结构简单，可以充分利用增益介质的增益带宽。

目前锁模中心波长在900–950nm之间的光纤飞秒激光器，其制作方法主要有两大类，第一类线性腔输出900–950nm的超短脉冲，从当前国际上发表的论文来看，腔内必须增加色散元件来平衡色散，这样对单脉冲能量有一定的限制，难以超过0.5nJ；第二类是最新的研究采用W型双包层掺钕光纤作为环形腔内的增益光纤，其横截面折射率分布为W型，即纤芯>外包层>内包层，尽管这种结构的掺钕光纤在室温下即可有效抑制1064nm处的四能级辐射，从而提高900–950nm之间的三能级辐射，然而其与普通单模光纤或者其他双包层光纤的熔接损耗较大，导致光-光转换效率较低，不到1％。

总之，现有的900-950nm波段的光纤飞秒激光器存在成本高，结构复杂、难以集成，受环境及偏振状态影响，难于锁模、自启动重复性差等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种集成化的相位偏置环路锁模器件。

为此目的，本发明提出了一种非线性相位偏置环路锁模器件，包括：

封装壳体，分别固定在所述封装壳体的两端的第一准直器和第二准直器，位于所述封装壳体内部的第一反射角镜和第二反射角镜，

位于所述第一反射角镜和第二反射角镜之间的合束镜；

所述合束镜包括半透半反面；

位于所述合束镜与所述第二准直器之间的相位偏置单元；

经过所述第一准直器的第一激光射向所述第一反射角镜，并经过所述第一反射角镜反射后射向所述合束镜的半透半反面；经过所述第二准直器的第二激光射向所述相位偏置单元，利用所述相位偏置单元使所述第一激光和第二激光的相位差始终保持π/2；所述第二激光经过所述相位偏置单元后射向所述合束镜的半透半反面；

其中，经过所述半透半反面透射后的部分所述第一激光和经过所述半透半反面反射后的部分所述第二激光在所述合束镜内发生干涉，并经过所述第二反射角镜反射后，从所述封装壳体的激光输出口输出。

优选的，所述合束镜还包括反射面；所述第一激光经过所述半透半反面的反射后射向所述反射面，经过所述反射面的反射后射向所述半透半反面，并在所述半透半反面发生透射和反射，其中，反射的部分光线再次经过所述第一反射角镜到达所述第一准直器，透射的部分光线到达所述第二准直器。

优选的，所述相位偏置单元包括磁致旋光晶体和1/4波片，所述第二激光从所述第二准直器出射后，在所述磁致旋光晶体内发生若干次反射和所述1/4波片的折射后射向所述合束镜的半透半反面；

其中，所述第二激光在所述磁致旋光晶体内发生若干次反射后，其偏振方向旋转90度；所述1/4波片的快轴与所述第一激光的偏振方向重合，慢轴与所述第二激光的偏振方向重合；或者，所述1/4波片的慢轴与所述第一激光的偏振方向重合，快轴与所述第二激光的偏振方向重合。

优选的，所述磁致旋光晶体包括位于所述1/4波片两侧的第一磁致旋光晶体和第二磁致旋光晶体；

所述第二激光从所述第二准直器出射后，在所述第一磁致旋光晶体内发生若干次反射，并经过所述1/4波片的折射后射向所述第二磁致旋光晶体，且在所述第二磁致旋光晶体内发生若干次反射后射向所述合束镜的半透半反面。

优选的，所述相位偏置单元还包括：位于所述磁致旋光晶体两侧的磁体，所述磁体用于改变所述第二激光的偏振方向。

优选的，该器件还包括：设置在所述封装壳体的激光输出口的第三准直器，经过所述第二反射角镜反射的部分第一激光和部分第二激光从所述第三准直器输出。

另一方面，本发明实施例还提供了一种激光器，包括上述任意一种所述的非线性相位偏置环路锁模器件，还包括：第一光泵浦、第一波分复用器和增益光纤；所述第一光泵浦连接所述第一波分复用器的输入端；所述第一波分复用器包括第一输出端和第二输出端；所述第一输出端连接所述第一准直器；所述第二输出端通过所述增益光纤连接所述第二准直器。

优选的，该激光器还包括：第二光泵浦和第二波分复用器；所述第二泵浦连接所述第二波分复用器的输入端；所述第二波分复用器包括第三输出端和第四输出端；所述第三输出端通过所述增益光纤连接所述第一准直器；所述第四输出端连接所述第二准直器。

优选的，该激光器还包括：位于所述第一输出端和所述第一准直器之间的第四准直器和第五准直器；所述第四准直器和所述第五准直器之间设有色散补偿单元。

优选的，所述色散补偿单元为：透射式光栅或反射式光栅。

本发明实施例提供的非线性相位偏置环路锁模器件及其激光器，通过相位偏置单元、包括半透半反面的合束镜以及反射角镜将相位偏置、非线性环路锁模以及耦合输出功能集成为一个三端口光纤器件，实现了相位偏置功能和锁模功能的集成化，节省了很多空间，且结构简单，成本低，易于集成，不受环境及偏振态影响，锁模状态重复性好。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例提供的非线性相位偏置环路锁模器件的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的非线性相位偏置环路锁模器件的结构示意图；

图3为本发明又一实施例提供的非线性相位偏置环路锁模器件的结构示意图；

图4为本发明再一实施例提供的非线性相位偏置环路锁模器件的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的激光器的结构示意图；

图6为本发明另一实施例提供的激光器的结构示意图；

图7为本发明又一实施例提供的激光器的结构示意图；

图8为本发明再一实施例提供的激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

在被动锁模光纤飞秒激光器领域，基于非线性环路反射镜锁模原理的激光器近些年发展较快，目前已在掺铒及掺镱光纤激光器中得到应用。光纤环路反射镜把环形光纤作为非线性反射镜，光纤环路有一个接近50:50的分束器，把输出分为两个出口，由于分束器不是精确的50:50，分束器处的干涉就不是100％。若定义输出端口光强与输入端口光强之比为反射率，该反射率受到正反向光的非线性折射率影响，较强的光沿一个方向回路传播会得到较高折射率，使两个方向传播的光之间产生相位差。当光脉冲强度接近透过率最大值，脉冲两翼会更多地被反射，脉冲尖峰则更多地通过，因此出射脉冲会比入射脉冲更窄，这相当于一个可饱和吸收体，产生飞秒量级的超短光脉冲。

基于非线性环路反射镜原理的激光器成本低，结构简单、易于集成，不受环境及偏振状态影响，锁模状态重复性好。制作基于非线性环路反射镜原理的激光器的关键是在环路中正向、反向震荡的偏振光产生固定的相位差，常用的方法是在腔内引入固定的相位偏置非线性器件以达到锁模的目的。

基于此，本发明实施例提供了一种非线性相位偏置环路锁模器件，如图1所示，该器件包括：

封装壳体1，分别固定在所述封装壳体1的两端的第一准直器2和第二准直器3，位于所述封装壳体1内部的第一反射角镜4和第二反射角镜5，

位于所述第一反射角镜4和第二反射角镜5之间的合束镜6；

所述合束镜6包括半透半反面61；

位于所述合束镜6与所述第二准直器3之间的相位偏置单元7；

其中，经过所述第一准直器2的第一激光8射向所述第一反射角镜4，并经过所述第一反射角镜4反射后射向所述合束镜6的半透半反面61；经过所述第二准直器3的第二激光9射向所述相位偏置单元7，利用所述相位偏置单元7使所述第一激光8和第二激光9的相位差始终保持π/2；所述第二激光9经过所述相位偏置单元7后射向所述合束镜6的半透半反面61；

其中，经过所述半透半反面61透射后的部分所述第一激光8和经过所述半透半反面61反射后的部分所述第二激光9在所述合束镜6内发生干涉，并经过所述第二反射角镜5反射后，从所述封装壳体1的激光输出口10输出。

需要说明的是，该第一准直器2和第二准直器3可以为920nm保偏光纤准直器，该合束镜6可以为920nm合束镜6，并且包括50％透射、50％反射的半透半反膜。该第一反射角镜4和第二反射角镜5可以是920nm的反射角镜。其中，封装壳体1可以为金属封装壳体1。

本发明实施例提供的非线性相位偏置环路锁模器件，通过相位偏置单元、包括半透半反面的合束镜以及反射角镜将相位偏置、非线性环路锁模以及耦合输出功能集成为一个三端口光纤器件，实现了相位偏置功能和锁模功能的集成化，节省了很多空间，且结构简单，成本低，易于集成，不受环境及偏振态影响，锁模状态重复性好。

在上述实施例的基础上，如图1所示，本发明实施例提供的锁模器件中的合束镜6还包括反射面62；所述第一激光8经过所述半透半反面61的反射后射向所述反射面62，经过所述反射面62的反射后射向所述半透半反面61，并在所述半透半反面61发生透射和反射，其中，反射的部分光线再次经过所述第一反射角镜4到达所述第一准直器2，透射的部分光线到达所述第二准直器3。

其中，第二激光9经过该半透半反面61的透射后射向该合束镜6的反射面62，经过该反射面62的反射后再次射向该半透半反面61，并在该半透半反面61发送透射和反射，同样的，反射的部分光线射向第一反射角镜4后到达第一准直器2，透射的部分光线到达第二准直器3。

在上述实施例的基础上，如图2所示，所述相位偏置单元7包括磁致旋光晶体71和1/4波片72，所述第二激光9从所述第二准直器3出射后，在所述磁致旋光晶体71内发生若干次反射和所述1/4波片72的折射后射向所述合束镜6的半透半反面61；

其中，所述第二激光9在所述磁致旋光晶体71内发生若干次反射后，其偏振方向旋转90度；所述1/4波片72的快轴与所述第一激光8的偏振方向重合，慢轴与所述第二激光9的偏振方向重合；或者，所述1/4波片72的慢轴与所述第一激光8的偏振方向重合，快轴与所述第二激光9的偏振方向重合。

需要说明的是，根据需要，可以使第二激光9在磁致旋光晶体71中折返多次，只需保证多种折返后，第二激光9的偏振方向旋转90度。举例来说，可以折返5次，每次折返使第二激光9的偏振方向旋转18度。优选的，该磁致旋光晶体71入射断面和出射断面均贴有一块楔角片，入射光经过楔角片后以微小角度入射至磁致旋光晶体71的端面。其中，该磁致旋光晶体71的激光入射点和出射点镀有920nm高透膜，增加激光的透光率，在内部折返点镀有920nm高反膜，从而提高激光在磁致旋光晶体71内部发生反射时的反射率，减少能量损耗。其中，该1/4波片72可以为920nm1/4波片72，该1/4波片72的快轴、慢轴分别与正向入射、反向入射的激光偏振方向重合，使正向、反向空间光经过器件后相位差始终保持π/2，以实现相位偏置的功能。

在上述实施例的基础上，如图3所示，所述磁致旋光晶体71包括位于所述1/4波片72两侧的第一磁致旋光晶体711和第二磁致旋光晶体712；

所述第二激光9从所述第二准直器3出射后，在所述第一磁致旋光晶体711内发生若干次反射，并经过所述1/4波片72的折射后射向所述第二磁致旋光晶体712，且在所述第二磁致旋光晶体712内发生若干次反射后射向所述合束镜6的半透半反面61。

其中，该相位偏置单元7还包括：位于所述磁致旋光晶体两侧的磁体73，所述磁体73用于改变所述第二激光9的偏振方向。

需要说明的是，根据需要，磁致旋光晶体71可以为两块，即第一磁致旋光晶体711和第二磁致旋光晶体712，可以使第一激光8和第二激光9在每块磁致旋光晶体内部发生两次反射，即在每块磁致旋光晶体内部折返3次，由于第一激光8和第二激光9在每块磁致旋光晶体中受到磁体73的作用发生磁光效应，经过每次折返，偏振光的偏振方向旋转15°，折返三次偏振光的偏振方向共计旋转45°。与单次透射穿过磁致旋光晶体使偏振光偏振方向旋转45°的设计相比，在磁致旋光晶体中折返三次，每次折返中偏振光的偏振方向只需旋转15°，有效减小了单次通过磁致旋光晶体所需要的偏振方向旋转角度，降低了对磁场强度的要求，进而可以使用较小体积的磁体73保证旋转偏振方向的功能实现，利于集成化设计。

在上述实施例的基础上，如图4所示，该器件还包括：设置在所述封装壳体1的激光输出口10的第三准直器11，经过所述第二反射角镜5反射的部分第一激光8和部分第二激光9从所述第三准直器11输出。

如图5所示，本发明实施例还提供了一种激光器，该激光器包括上述任意一种非线性相位偏置环路锁模器件外，还包括：第一光泵浦121、第一波分复用器131和增益光纤14；所述第一光泵浦121连接所述第一波分复用器131的输入端；所述第一波分复用器131包括第一输出端和第二输出端；所述第一输出端连接所述第一准直器2；所述第二输出端通过所述增益光纤14连接所述第二准直器3。

其中，该激光器为基于集成化的非线性相位偏置环路锁模器件制成的非线性环路反射镜锁模原理的掺钕保偏飞秒光纤激光器，该第一光泵浦121可以是808nm单模半导体光泵浦，该第一波分复用器131为808nm/920nm保偏波分复用器，该增益光纤14为单包层保偏掺钕增益光纤，该光泵浦与该波分复用器的输入端焊接，该第一波分复用器131第一输出端焊接到第一准直器2，第二输出端焊接到该增益光纤14的一端，增益光纤14的另一端焊接到第一准直器2上，形成环形腔，第三准直器11则作为整个激光器的激光输出端。

在上述实施例的基础上，如图6所示，该激光器还可以包括：第二光泵浦122和第二波分复用器132；所述第二泵浦连接所述第二波分复用器132的输入端；所述第二波分复用器132包括第三输出端和第四输出端；所述第三输出端通过所述增益光纤14连接所述第一准直器2；所述第四输出端连接所述第二准直器3。

其中，第二光泵浦122可以与第一光泵浦121相同，第二波分复用器132可以与第一波分复用131器相同，最终形成双端泵浦。

在上述实施例的基础上，如图7、8所述，该激光器还可以还包括：位于所述第一输出端和所述第一准直器2之间的第四准直器15和第五准直器16；所述第四准直器15和所述第五准直器16之间设有色散补偿单元17。

其中，该第四准直器15和第五准直器16可以是920nm保偏光纤准直器。需要解释的是，如图7所示，该色散补偿单元17可以为：透射式光栅，如图8所示，该色散补偿单元17可以为反射式光栅，通过透射式光栅或反射式光栅可以进行腔内色散补偿。

本发明实施例提供的激光器为基于本发明实施例提供的非线性相位偏置环路锁模器件设计的非线性环路反射镜锁模原理的掺钕保偏飞秒光纤激光器。有助于解决非线性环路反射镜锁模原理激光器的相位偏置功能和锁模功能的器件集成化，实现掺钕非线性环路反射镜锁模原理的保偏飞秒光纤激光器。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种非线性相位偏置环路锁模器件，其特征在于，包括：

封装壳体，分别固定在所述封装壳体的两端的第一准直器和第二准直器，位于所述封装壳体内部的第一反射角镜和第二反射角镜，

位于所述第一反射角镜和第二反射角镜之间的合束镜；

所述合束镜包括半透半反面；

位于所述合束镜与所述第二准直器之间的相位偏置单元；

经过所述第一准直器的第一激光射向所述第一反射角镜，并经过所述第一反射角镜反射后射向所述合束镜的半透半反面；经过所述第二准直器的第二激光射向所述相位偏置单元，利用所述相位偏置单元使所述第一激光和第二激光的相位差始终保持π/2；所述第二激光经过所述相位偏置单元后射向所述合束镜的半透半反面；

其中，经过所述半透半反面透射后的部分所述第一激光和经过所述半透半反面反射后的部分所述第二激光在所述合束镜内发生干涉，并经过所述第二反射角镜反射后，从所述封装壳体的激光输出口输出。

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述合束镜还包括反射面；所述第一激光经过所述半透半反面的反射后射向所述反射面，经过所述反射面的反射后射向所述半透半反面，并在所述半透半反面发生透射和反射，其中，反射的部分光线再次经过所述第一反射角镜到达所述第一准直器，透射的部分光线到达所述第二准直器。

3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述相位偏置单元包括磁致旋光晶体和1/4波片，所述第二激光从所述第二准直器出射后，在所述磁致旋光晶体内发生若干次反射和所述1/4波片的折射后射向所述合束镜的半透半反面；

其中，所述第二激光在所述磁致旋光晶体内发生若干次反射后，其偏振方向旋转90度；所述1/4波片的快轴与所述第一激光的偏振方向重合，慢轴与所述第二激光的偏振方向重合；或者，所述1/4波片的慢轴与所述第一激光的偏振方向重合，快轴与所述第二激光的偏振方向重合。

4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于，所述磁致旋光晶体包括位于所述1/4波片两侧的第一磁致旋光晶体和第二磁致旋光晶体；

所述第二激光从所述第二准直器出射后，在所述第一磁致旋光晶体内发生若干次反射，并经过所述1/4波片的折射后射向所述第二磁致旋光晶体，且在所述第二磁致旋光晶体内发生若干次反射后射向所述合束镜的半透半反面。

5.根据权利要求3或4所述的器件，其特征在于，所述相位偏置单元还包括：位于所述磁致旋光晶体两侧的磁体，所述磁体用于改变所述第二激光的偏振方向。

6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括：设置在所述封装壳体的激光输出口的第三准直器，经过所述第二反射角镜反射的部分第一激光和部分第二激光从所述第三准直器输出。

7.一种激光器，其特征在于，包括上述权利要求1-6任意一项所述的非线性相位偏置环路锁模器件，还包括：第一光泵浦、第一波分复用器和增益光纤；所述第一光泵浦连接所述第一波分复用器的输入端；所述第一波分复用器包括第一输出端和第二输出端；所述第一输出端连接所述第一准直器；所述第二输出端通过所述增益光纤连接所述第二准直器。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，还包括：第二光泵浦和第二波分复用器；所述第二光泵浦连接所述第二波分复用器的输入端；所述第二波分复用器包括第三输出端和第四输出端；所述第三输出端通过所述增益光纤连接所述第一准直器；所述第四输出端连接所述第二准直器。

9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，还包括：位于所述第一输出端和所述第一准直器之间的第四准直器和第五准直器；所述第四准直器和所述第五准直器之间设有色散补偿单元。

10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，所述色散补偿单元为：透射式光栅或反射式光栅。