CN107895881A - 全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器 - Google Patents

全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器，依次由波分复用器、增益光纤、偏振相关隔离器、螺旋光纤及偏振相关分束器连接而成，闭合循环光路形成谐振腔，其中使用螺旋光纤，偏振相关分束器组成非线性光开关实现被动锁模。整个环形腔结构由光纤或光纤耦合器件连接而成。不需要进行光纤‑空间‑光纤光路转换，不需要对空间光进行繁琐调整。机械扰动等影响自然减弱，螺旋光纤实现偏振旋转演化的同时，还可以结合螺旋角度作为偏振控制器改变进入偏振分束器的偏振态，实现窄化脉冲。本发明改变了传统的偏振控制方式。同时以新的形式简单直接的实现了对保偏光纤的非线性偏振旋转操控。

Description

全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器
技术领域
本发明涉及一种光纤激光器，特别涉及一种全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器。
背景技术
光纤激光器以其结构简单、成本低、转换效率高、免维护等优点在现代工业应用中扮演着越来越重要的角色。目前，光纤激光器锁模技术主要有三类：主动锁模、被动锁模和主被动混合锁模。被动锁模是获得低能量超短脉冲种子源的有效方法。它结构简单，在腔内不使用调制器等有源器件的前提下，实现超短脉冲的输出。基于光纤激光器主要可利用非线性偏振旋转、可饱和吸收体、或者非线性干涉环形镜锁模等方法实现锁模。其中，基于非线性偏振旋转锁模的方法及装置成本低廉，腔内器件损伤几率低；但是，大部分非线性偏振旋转锁模激光器是基于不保偏光纤及不保偏光纤耦合器件搭建，其长期稳定性、输出脉冲的参数一致性较差。基于可饱和吸收体锁模的方法中，用到了非线性吸收材料。由于该材料长期受高峰值功率脉冲的照射、以及量子亏损的影响，经常会出现不可逆转的光致损伤现象，使得激光器的可靠性较差。另外，基于非线性干涉环形镜锁模的激光器需要的锁模临界阈值较高，且脉冲易分裂，尚未成功用于实际应用中。
常见的非线性偏振旋转锁模通常有两种实现方式。这两种方式都是基于脉冲在不保偏单模光纤中的非线性偏振演化实现锁模。其中，一种是利用半空间半光纤结构，在空间光路中插入若干半波片和四分之一波片。脉冲在光纤内发生非线性偏振演化后，通过进一步控制波片的旋转角度操控脉冲偏振态，而后经过检偏器件进行偏振选择，最终实现脉冲窄化。另一种是全光纤结构，通过光纤式的偏振控制器，即通过外界应力挤压改变光纤内部的双折射效应，进而实现偏振控制，而后经过检偏器件进行偏振选择，最终实现脉冲窄化。前者是半空间半光纤相结构，后者是全光纤结构，这两种方法都需要手动、电动调节玻片或偏振控制器，锁模过程繁琐。此外，这两种基于不保偏单模光纤的锁模激光器极易受外界环境扰动（机械振动和温度波动）的影响，终使锁模状态中断。
近期，文献（Applied Optics,Vol.55,No.21,page5766-5770）报道了基于保偏光纤的非线性偏振锁模激光器。不同于常规的基于不保偏单模光纤的非线性偏振旋转锁模激光器，该激光器使用了保偏光纤结构，采用两次90°熔接的方法抵消了高双折射保偏光纤中的线性双折射，使得光纤中脉冲在快慢轴上的分量有足够的作用距离，实现了充分的交叉相位调制过程，达到偏振演化的目的。在这之后，文献（Optics Letters,Vol.42,No3,page575-578）进一步报道了全保偏光纤结构的激光器结构。该激光器同样是采用了角度熔接方法，通过四次（包括两次90°和两次30°）角度熔接，达到了与旋转玻片同样的效果，最终实现脉冲锁模。我们注意到，上述了两篇文献皆通过第一次角度熔接实现了脉冲从线偏振到椭圆偏振的演化，进而在快轴和慢轴上产生交叉相位调制；同时，由于采用是高双折射光纤，在交叉相位调制以后必须通过另一次角度熔接将两个垂直偏振态累积相位延迟补偿。虽然保偏光纤的內秉双折射可以隔离外界的机械振动，但温度对光纤快轴、慢轴的双折射的仍有显著影响。因此，上述两种激光器并不能长期稳定工作。当存在外界温度扰动时，锁模脉冲极不稳定。
发明内容
本发明是针对现在非线性偏振旋转锁模存在的问题，提出了一种全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器，通过控制激光在保偏螺旋光纤中的脉冲演化来实现非线性的相位调制及锁模。
本发明的技术方案为：一种全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器，由各种全保偏光纤器件首尾连接成闭合循环光路，形成谐振腔, 谐振腔依次由波分复用器、增益光纤、偏振相关隔离器、螺旋光纤及偏振相关分束器连接而成；
波分复用器的第一输入端与半导体泵浦源的输出端相连，输出端与增益光纤相连, 将泵浦源发射出的泵浦光耦合进谐振腔的增益光纤内；
增益光纤吸收泵浦光并对其放大，增益光纤输出光脉冲经过偏振相关隔离器进入螺旋光纤；
螺旋光纤实现线偏振光的非线性偏振演化，由脉冲的两个垂直分量在螺旋光纤中产生进行交叉相位调制；螺旋光纤输出端以角度熔接与偏振相关分束器的输入端相连；
偏振相关分束器将螺旋光纤输出的两个垂直分量分离，输出的竖直分量从监测端口输出，输出的水平分量则进入波分复用器的第二输入端，进入循环光路；
偏振相关分束器与螺旋光纤组成非线性光开关，偏振相关分束器的透射方向与入射螺旋光纤脉冲的偏振方向相互垂直，使得脉冲尖峰相对应的偏振态得以非线性偏振旋转的方式通过偏振相关分束器进入循环光路，而脉冲边沿则从监测端口输出腔外，以此窄化脉冲得到稳定持续的超短脉冲。
所述螺旋光纤由两段完全相同的螺旋光纤反向熔接而成，螺旋光纤由无到有、小到大的速度旋转预制棒，导致光纤内部的折射率也随之变化，线偏振脉冲从第一段螺旋光纤的无旋转端入射，保持线偏振态传输；再进入变速旋转端，从线偏振演化成椭圆偏振或圆偏振传输；而后进入等速旋转端，保持椭圆偏振或圆偏振态传输；之后，再反向通过第二段螺旋光纤，即从等速旋转端入射，再进入变速旋转端，最后进入无旋转端，从而，在无非线性相移的前提下，在两端反向熔接的螺旋光纤中形成了线偏振光-椭圆偏振光-线偏振光的演化，在非线性相移的作用下，从第二段螺旋光纤出射的线偏振光相较无非线性相移是偏振旋转了一定角度，旋转角度的大小与非线性相移量的大小有关。
所述螺旋光纤可为熊猫型保偏光纤、“一”字型保偏光纤，椭圆型保偏光纤，领结型保偏光纤中任意一种保偏光纤。
本发明的有益效果在于：本发明全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器，整个环形腔结构由光纤或光纤耦合器件连接而成。不需要进行光纤-空间-光纤光路转换，不需要对空间光进行繁琐调整。机械扰动等影响自然减弱，螺旋光纤实现偏振旋转演化的同时，还可以结合螺旋角度作为偏振控制器改变进入偏振分束器的偏振态，实现窄化脉冲。本发明改变了传统的偏振控制方式。同时以新的形式简单直接的实现了光纤内偏振旋转演化。
附图说明
图1为本发明全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器结构示意图；
图2为本发明螺旋光纤部分原理示意图。
具体实施方式
如图1为全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器结构示意图,包括按闭合环路光路依次连接的波分复用器1、掺铒单模增益光纤2、光纤偏振相关隔离器3、螺旋光纤4、偏振相关分束器5。谐振腔由全保偏光纤器件构成，波分复用器1的第一输入端与半导体泵浦源6相连，偏振相关分束器的另一端口作为输出监测端7。
波分复用器1输出端与掺铒单模增益光纤2相连，增益光纤2的另一端与偏振相关隔离器3的输入端相连。偏振相关隔离器3的输出端与螺旋光纤4输入端连接，螺旋光纤4输出端与光纤偏振相关分束器5输入端连接，螺旋光纤4输出端的慢轴与偏振相关分束器5的快轴平行熔接，光纤偏振相关分束器5的输出端与波分复用器1的第二输入端相连，构成环形振荡腔。
波分复用器1用于将泵浦源6发射出的泵浦光耦合进谐振腔的增益光纤2内，光经过增益光纤被放大。
其次光在经过偏振隔离器3后的线偏振光在慢轴传播。线偏振脉冲从第一段螺旋光纤的无旋转端入射，保持线偏振态传输；再进入变速低转旋转速端，从线偏振演化成椭圆偏振或圆偏振传输；而后进入等速旋转端，保持椭圆偏振或圆偏振态传输；入射的线偏振光转换为高转速端出射的圆偏振光，之后，再反向通过第二段螺旋光纤，即从等速旋转端入射，再进入变速旋转端，最后再进入无旋转端。第二段螺旋光纤高转速端入射的圆偏振光转变为低转速端出射的线偏振光，从而，在无非线性相移的前提下，在两端反向熔接的螺旋光纤中形成了线偏振光-椭圆偏振光-线偏振光周期转变的偏振态演化。当考虑非线性相移的后，在非线性相移的作用下，从第二段螺旋光纤出射的线偏振光相较无非线性相移是偏振旋转了一定角度。旋转角度的大小与非线性相移量的大小有关。其次偏振相关分束器5与螺旋光纤4以及配合特定的熔接角度组合成了非线性光开关或类可饱和吸收体，使用类可饱和吸收体原理进行锁模。使用特定角度的熔接11与螺旋光纤4可以较为全面的控制偏振态，使得脉冲尖峰相对应的偏振态得以通过进入偏振相关分束器5后输出回到波分复用器1，而脉冲边沿则从另一监测端口7输出滤出腔外，以此窄化脉冲得到稳定持续的超短脉冲。
图1中的螺旋光纤4在拉制成型时，会以由无到有、小到大的速度旋转预制棒，不同转速对应光纤内应力轴的螺旋距也不同，导致光纤内部的折射率也随之变化，因此可以实现线偏振光到椭圆偏振光的转变，也就类似于1/4波片。我们可以将从无旋转端入射的线偏振光，在变速旋转端转换为椭圆偏振端或圆偏振光。在这里，我们将两段完全相同的螺旋光纤反向熔接，即高速螺旋端相连接，即在不考虑非线性效应的前提下，螺旋光纤中形成了线偏振光-椭圆偏振光-线偏振光周期转变的偏振态演化（如图2）。当考虑非线性相移的后，在非线性相移的作用下，从第二段出射的线偏振光相较无非线性相移是偏振旋转了一定角度。旋转角度的大小与非线性相移量的大小有关。
螺旋光纤在实现多种偏振态的转换的同时，两个垂直偏振分量一直没有走离，两者之间的交叉相位调制效应作用时间可以取决于螺旋光纤的长度及入射光强。经过较长的螺旋光纤，实现了非线性偏振演化的同时，脉冲可以达到更优的交叉相位调制的效果。使脉冲的峰值部分与边沿部分的偏振态差别较大利于偏振分束器窄化脉冲。
所述螺旋光纤可以为熊猫型保偏光纤、“一”字型保偏光纤，椭圆型保偏光纤，领结型保偏光纤等类型的保偏光纤。
偏振相关分束器5的透射方向与入射螺旋光纤4脉冲的偏振方向相互垂直，构成了与腔内非线性相关的损耗，即使得脉冲尖峰相对应的偏振态得以通过偏振相关分束器5进入谐振腔环路，而脉冲边沿则从另一端口即监测端口7输出腔外，以此窄化脉冲得到稳定持续的超短脉冲。

Claims (3)

1.一种全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器，其特征在于，由各种全保偏光纤器件首尾连接成闭合循环光路，形成谐振腔, 谐振腔依次由波分复用器、增益光纤、偏振相关隔离器、螺旋光纤及偏振相关分束器连接而成；
波分复用器的第一输入端与半导体泵浦源的输出端相连，输出端与增益光纤相连, 将泵浦源发射出的泵浦光耦合进谐振腔的增益光纤内；
增益光纤吸收泵浦光并对其放大，增益光纤输出光脉冲经过偏振相关隔离器进入螺旋光纤；
螺旋光纤实现线偏振光的非线性偏振演化，由脉冲的两个垂直分量在螺旋光纤中产生进行交叉相位调制；螺旋光纤输出端以角度熔接与偏振相关分束器的输入端相连；
偏振相关分束器将螺旋光纤输出的两个垂直分量分离，输出的竖直分量从监测端口输出，输出的水平分量则进入波分复用器的第二输入端，进入循环光路；
偏振相关分束器与螺旋光纤组成非线性光开关，偏振相关分束器的透射方向与入射螺旋光纤脉冲的偏振方向相互垂直，使得脉冲尖峰相对应的偏振态得以非线性偏振旋转的方式通过偏振相关分束器进入循环光路，而脉冲边沿则从监测端口输出腔外，以此窄化脉冲得到稳定持续的超短脉冲。
2.根据权利要求1所述全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器，其特征在于，所述螺旋光纤由两段完全相同的螺旋光纤反向熔接而成，螺旋光纤由无到有、小到大的速度旋转预制棒，导致光纤内部的折射率也随之变化，线偏振脉冲从第一段螺旋光纤的无旋转端入射，保持线偏振态传输；再进入变速旋转端，从线偏振演化成椭圆偏振或圆偏振传输；而后进入等速旋转端，保持椭圆偏振或圆偏振态传输；之后，再反向通过第二段螺旋光纤，即从等速旋转端入射，再进入变速旋转端，最后进入无旋转端，从而，在无非线性相移的前提下，在两端反向熔接的螺旋光纤中形成了线偏振光-椭圆偏振光-线偏振光的演化，在非线性相移的作用下，从第二段螺旋光纤出射的线偏振光相较无非线性相移是偏振旋转了一定角度，旋转角度的大小与非线性相移量的大小有关。
3.根据权利要求1所述全保偏光纤的非线性偏振旋转锁模激光器，其特征在于，所述螺旋光纤可为熊猫型保偏光纤、“一”字型保偏光纤，椭圆型保偏光纤，领结型保偏光纤中任意一种保偏光纤。
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