CN109273972B - 一种全光纤飞秒激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光技术和非线性光学领域，针对现有激光器输出平均功率、峰值功率低，锁模阈值高、脉冲宽或结构复杂等不足，提供一种全光纤飞秒激光器。激光器包括泵浦光源、波分复用器、增益光纤、低色散小模场非线性光纤、偏振分束器、带通滤波器和偏振控制器；低色散小模场非线性光纤的模场直径≤4.2μm；带通滤波器包括偏振相关隔离器、偏振保持光纤和起偏器；偏振相关隔离器、起偏器分别按45°角与偏振保持光纤的偏振光轴熔接；波分复用器、增益光纤、低色散小模场非线性光纤、偏振分束器、偏振相关隔离器、偏振保持光纤和起偏器依次连接构成全光纤环形腔；偏振控制器位于偏振分束器与偏振相关隔离器之间，和/或起偏器与波分复用器之间。

Description

一种全光纤飞秒激光器
技术领域
本发明涉及激光技术和非线性光学技术领域，具体涉及一种全光纤飞秒激光器。
背景技术
光纤激光以高效率、易集成、优异的光束质量等特性在激光技术发展中迅速崛起，成为学术界和产业界的热点研究课题。作为一种重要的激光技术，超快光纤激光为强场物理、阿秒科学、纳米科学及生物成像等领域提供了全新的研究手段，极大促进了这些学科的发展。
飞秒光纤激光技术的多领域应用与潜在发展，对激光器输出性能也提出了更高要求，需要兼具高激光功率与高可靠性等特性。但是现有光纤激光放大器输出信噪比与性能稳定性较低，难以满足现实需求，限制了高功率飞秒光纤激光器的产业化和应用市场拓展。
例如：北京工业大学提出的中国专利申请“1m耗散孤子锁模激光器”(申请号201310688074.4)，公开了一种锁模光纤激光器，该激光器包括波分复用器、增益光纤、隔离器、偏振控制器、耦合输出等元件。该锁模光纤激光器以非线性偏振旋转锁模方式实现锁模。
由于该锁模光纤激光器采用了低效率的915nm泵浦激光二极管泵浦，使得其锁模输出功率最大仅为30mW；同时，因采用了传统的全正色散锁模方案，使其锁模光谱相对较窄，与此相对应的压缩后脉冲宽度较宽，通常在200-300fs。
再如：Martin Baumgartl等人在“66W average power from a microjoule-classsub-100fs fiber oscillator”OPTICS LETTERS,VOLUME37,NUMER10,MAY 15,2012一文中，提出一种利用大模场棒状光子晶体光纤作为增益介质的锁模激光器。该锁模光纤激光器由泵浦源、耦合透镜、棒状光子晶体增益光纤、光学隔离器、波片以及双级带通滤波器组成。激光器采用了锁模光纤激光器工作在正色散区、棒状光子晶体光纤作为增益介质和非线性偏振旋转作为锁模器件的方案实现高能量超短脉冲激光输出。
由于该锁模光纤激光器采用自由空间耦合的方式实现锁模激光输出，使得激光器结构复杂且体积庞大，不利于实际应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有激光器存在输出平均功率、峰值功率低，锁模阈值高、脉冲宽或结构复杂、体积庞大不利于实际应用等不足，而提供一种全光纤飞秒激光器。该激光器能够实现高平均功率与高峰值功率全光纤飞秒激光输出，同时也保证了装置的结构紧凑性与环境稳定性；对于提升现阶段超短脉冲激光器输出参数与可靠性具有重要意义，且在阿秒科学、纳米科学及超精密极端制造领域有重要的应用价值。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种全光纤飞秒激光器，包括泵浦光源、波分复用器，其特殊之处在于，还包括增益光纤、低色散小模场非线性光纤、偏振分束器、带通滤波器和偏振控制器；所述低色散小模场非线性光纤的模场直径≤4.2μm；所述带通滤波器包括偏振相关隔离器、偏振保持光纤和起偏器；偏振相关隔离器、起偏器的偏振光轴分别按45°角与偏振保持光纤的偏振光轴熔接，偏振相关隔离器与起偏器的偏振光轴呈0°；所述波分复用器、增益光纤、低色散小模场非线性光纤、偏振分束器、偏振相关隔离器、偏振保持光纤和起偏器依次连接构成全光纤环形腔；所述偏振控制器位于偏振分束器与偏振相关隔离器之间，和/或起偏器与波分复用器之间。
进一步地，全光纤飞秒激光器还包括偏振合束器；所述泵浦光源为两个，其输出端分别与偏振合束器的输入端相连，偏振合束器的输出端与波分复用器的输入端相连。
进一步地，上述泵浦光源采用单模泵浦激光二极管。
进一步地，上述低色散小模场非线性光纤的长度为100～200cm；所述偏振保持光纤的长度为10～30cm。
进一步地，上述低色散小模场非线性光纤的长度为167cm；所述偏振保持光纤的长度为22cm。
进一步地，上述偏振保持光纤的模场直径为6.2μm。
进一步地，上述增益光纤的长度为35cm，模场直径为4.2μm。
本发明的工作原理：
通过波分复用器将合束的泵浦激光与信号激光耦并入增益光纤中，为高平均功率与高峰值功率全光纤飞秒激光产生提供足够的激光增益；然后再经低色散小模场非线性光纤与偏振分束器相连；在低色散小模场非线性光纤中发生增强的自相位调制非线性效应，使入射进低色散小模场非线性光纤中飞秒激光的输出光谱呈高相干性非线性光谱展宽。
基于高峰值功率超短脉冲激光在低色散小模场非线性光纤中非线性传输时，利用增强的自相位调制非线性光学效应，使入射进其中的飞秒激光光谱呈高相干性非线性光谱展宽，并结合有效地色散补偿技术，通过优化低色散小模场非线性光纤与环形腔中偏振保持光纤的长度，实现高平均功率、高峰值功率低阈值全光纤飞秒激光输出。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明提供的激光器首次基于高峰值功率超短脉冲激光在低色散小模场非线性光纤中非线性传输时，由增强的自相位调制非线性光学效应引起的高相干性超宽非线性光谱产生机理与方法，通过优化低色散小模场非线性光纤长度与环形腔45°熔接带通滤波器中偏振保持光纤的长度，实现高平均功率与高峰值功率飞秒输出。相比于现有的锁模光纤激光器而言，本发明不仅可以显著提升锁模激光输出平均功率与峰值功率，而且也可以有效降低锁模阈值。
2、本发明在实现高平均功率与高峰值功率飞秒激光输出的基础上，保证了结构紧凑的高可靠性稳定锁模运转，克服了现有采用自由空间耦合方式激光器结构复杂、体积庞大、不利于实际应用等缺陷。
3、本发明通过改变低色散小模场非线性光纤的长度和装置中45°熔接带通滤波器偏振保持光纤的长度，实现了激光器参数如锁模阈值、平均功率、峰值功率、光谱宽度与脉冲宽度等参数的有效调控，这对于显著提升现阶段锁模激光输出性能具有重要的参考价值。
附图说明
图1是本发明全光纤飞秒激光器实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例中带通滤波器的滤波特性；
图3是本发明实施例输出锁模脉冲序列；
图4是本发明与对照激光器的输出锁模光谱图(黑色实线为本发明实施例的输出锁模光谱，黑色虚线为对照激光器的锁模光谱)；
图5是本发明与对照激光器的输出脉冲宽度图(黑色实线为本发明实施例输出脉冲宽度，黑色虚线为对照激光器的输出脉冲宽度)。
图中各标号的说明如下：
1—泵浦光源、2—偏振合束器、3—波分复用器、4—增益光纤、5—低色散小模场非线性光纤、6—偏振分束器、7—偏振控制器、8—偏振相关隔离器、9—偏振保持光纤、10—起偏器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的一种全光纤飞秒激光器，包括泵浦光源1、偏振合束器2、波分复用器3、增益光纤4、低色散小模场非线性光纤5、偏振分束器6、带通滤波器和偏振控制器7。
泵浦光源1采用单模泵浦激光二极管。单模泵浦激光二极管选用最大输出功率为600mW，中心波长为976nm的窄线宽激光器，其6小时激光输出功率稳定度小于0.3％均方根值，且输出光纤是偏振保持单模光纤，模场直径为6.2μm。
偏振合束器2选用双端口输入-单端口输出偏振合束器，其三个端口光纤模场直径均为6.2μm，两个输入端口为偏振保持单模光纤，输出端口为非保偏单模光纤。
泵浦光源1为两个，两个泵浦光源1的输出端分别与偏振合束器2的输入端相连，偏振合束器2的输出端与波分复用器3的输入端相连。
波分复用器3为单模光纤波分复用器，其三个端口光纤均为非保偏的单模光纤，且模场直径均为6.2μm。
增益光纤4为单模增益光纤，其模场直径为4.2μm，长度为35cm；对976nm泵浦光的吸收系数为1200dB/m，能够为获得高平均功率与高峰值功率全光纤飞秒激光产生提供足够的激光增益。
低色散小模场非线性光纤5的模场直径为4.2μm，长度为167cm，色散系数为20fs2/mm(在1030nm的色散系数最小为0fs2/mm，最大为30fs2/mm)；主要用于产生增强的自相位调制效应以产生高相干性超宽非线性光谱输出(高相干性超宽非线性光谱是指该光谱具有对称的对峰分布，且其中所包含的光谱相位是线性变化的，并且含有此光谱的激光脉冲经过色散补偿后可以获得≤110fs的脉冲宽度)。
带通滤波器为基于偏振特性的全保偏光纤45°熔接带通滤波器，包括依次熔融拼接的偏振相关隔离器8、偏振保持光纤9和起偏器10。偏振相关隔离器8、偏振保持光纤9与起偏器10的光纤模场直径均为6.2μm，偏振保持光纤9的长度为22cm。偏振相关隔离器8、起偏器10与偏振保持光纤9的偏振光轴均按45°角熔接，偏振相关隔离器8与起偏器10的偏振光轴呈0°。基于22cm偏振保持单模光纤偏振特性的45°熔接带通滤波器滤波特性如图2所示。
如图1所示，波分复用器3、增益光纤4、低色散小模场非线性光纤5、偏振分束器6、偏振相关隔离器8、偏振保持光纤9和起偏器10依次连接构成全光纤环形腔。本实施例中，为实现稳定的锁模运转，偏振控制器7为两个，其中一个偏振控制器7位于偏振分束器6与偏振相关隔离器8之间，其两端分别与偏振分束器6和偏振相关隔离器8相连；另一个偏振控制器7位于起偏器10与波分复用器3之间，其两端分别与起偏器10和波分复用器3相连；全光纤环形腔的总腔长为4.2m。
本实施例的工作过程：
两个泵浦光源1通过偏振合束器2合束产生泵浦激光；泵浦激光通过偏振合束器2与波分复用器3后进入增益光纤4；增益光纤4的输出端与低色散小模场非线性光纤5连接。
泵浦激光经过增益光纤4和低色散小模场非线性光纤5后所产生的宽带信号激光经过偏振分束器6的90％输出端口输出，剩余10％用于提供腔内反馈信号；反馈信号经带通滤波器后，传输至波分复用器3，构成环形振荡。波分复用器3再将泵浦激光与信号激光耦合到同一单模光纤中。
图3为本实施例全光纤飞秒激光器的输出锁模脉冲序列。本实施例全光纤飞秒激光器的锁模阈值泵浦功率为260mW，输出激光的光谱位于1013-1046nm(参见图4)，平均功率为350mW，压缩脉冲宽度为107fs(参见图5)，重复频率为46.2MHz，峰值功率为58kW。
为更直观、形象地展示本专利技术方案的优异性能，将实施例中的低色散小模场非线性光纤替换为同等长度的传统光纤(6.2μm模场直径)、其它参数不变，作为对照，得到一种激光器。
通过实测知该激光器的锁模阈值泵浦功率为439mW，输出激光的光谱位于1013-1035nm，(参见图4)平均功率为300mW，压缩脉冲宽度为147fs(参见图5)，重复频率为46.2MHz，峰值功率为43.7kW。
由此可见，通过低色散小模场非线性光纤5增强的自相位调制效应在低锁模阈值、高平均功率、高峰值功率飞秒激光产生中具有重要的应用价值。
以上仅是对发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此。例如，偏振控制器7也可以只有一个；当偏振控制器7为一个时，其两端分别与起偏器10和波分复用器3相连，或者其两端分别与偏振分束器6和偏振相关隔离器8相连。本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (7)

1.一种全光纤飞秒激光器，包括泵浦光源(1)、波分复用器(3)，其特征在于：还包括增益光纤(4)、低色散小模场非线性光纤(5)、偏振分束器(6)、带通滤波器和偏振控制器(7)；
所述低色散小模场非线性光纤(5)的模场直径≤4.2μm，用于产生增强的自相位调制非线性光学效应，使入射进其中的飞秒激光光谱呈高相干性非线性光谱展宽；
所述带通滤波器包括偏振相关隔离器(8)、偏振保持光纤(9)和起偏器(10)；偏振相关隔离器(8)、起偏器(10)的偏振光轴分别按45°角与偏振保持光纤(9)的偏振光轴熔接，偏振相关隔离器(8)与起偏器(10)的偏振光轴呈0°；
所述波分复用器(3)、增益光纤(4)、低色散小模场非线性光纤(5)、偏振分束器(6)、偏振相关隔离器(8)、偏振保持光纤(9)和起偏器(10)依次连接构成全光纤环形腔；
所述偏振控制器(7)位于偏振分束器(6)与偏振相关隔离器(8)之间，和/或起偏器(10)与波分复用器(3)之间；
所述低色散小模场非线性光纤(5)的长度与所述偏振保持光纤(9)的长度适配设置，以满足全光纤飞秒激光输出的要求。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤飞秒激光器，其特征在于：还包括偏振合束器(2)；
所述泵浦光源(1)为两个，其输出端分别与偏振合束器(2)的输入端相连，偏振合束器(2)的输出端与波分复用器(3)的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的一种全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述泵浦光源(1)采用单模泵浦激光二极管。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述低色散小模场非线性光纤(5)的长度为100～200cm；所述偏振保持光纤(9)的长度为10～30cm。
5.根据权利要求4所述的一种全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述低色散小模场非线性光纤(5)的长度为167cm；所述偏振保持光纤(9)的长度为22cm。
6.根据权利要求5所述的一种全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述偏振保持光纤(9)的模场直径为6.2μm。
7.根据权利要求6所述的一种全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述增益光纤(4)的长度为35cm，模场直径为4.2μm。
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