CN109904715A - 一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，包括一个NALM锁模、一个全保偏激光器振荡腔以及一个脉冲测试装置，采用“8字型”结构，全保偏激光器振荡腔的一端与NALM锁模连接，全保偏激光器振荡腔的另一端与脉冲测试装置连接。本发明采用全保偏结构的NALM锁模技术和百米以上的长振荡腔，可在较高脉冲能量情况下直接实现较低重复频率的脉冲输出，无需采用AOM降低脉冲重复频率，加强了激光器结构的紧凑性和稳定性。同时，在振荡环路中使用了掺Yb离子的1064nm有源增益光纤，与目前主流的掺镱光纤放大器兼容，保证了激光器良好的脉冲质量输出，最终1064nm的飞秒激光输出。

Description

一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器。

背景技术

近年来，光纤激光器凭借其光束质量好、能量转化效率高、结构紧凑、成本低廉的特点在激光微纳加工领域备受青睐。利用掺杂稀土元素的光纤作为增益介质的超快光纤激光器具有结构更紧凑、稳定性好、量子转换效率高等优点，飞秒量级的光纤激光器已经逐渐得到认可，高精度微加工中的应用需求也越来越广泛。相对于传统高功率高重复频率的光纤激光器可广泛应用于工业加工领域，低重复频率超短脉冲激光器则在激光雷达、生物医学探测、相干断层扫描、微纳结构激光加工等领域有着越来越广泛的应用。

相比于传统的固体锁模激光器，光纤激光器因其本身的非线性特性，如色散、偏振态等，在锁模脉冲激光器领域具有独特的优势。基于非线性放大环路反射镜(NonlinearAmplifying Loop Mirror(NALM))锁模技术的光纤激光器具有结构简单，稳定性好的特点。NALM是一种全光纤的锁模结构，一般构成“8”字形锁模光纤激光器，它的锁模特性可以等效为饱和吸收体，这种激光器最早在1991年由Richardson等人提出，如而后，为了保证系统输出的稳定性，开始在振荡器中采用全保偏光纤，全保偏光纤结构的系统鲁棒性高，受外界环境影响极小，有利于振荡器外的功率放大。2015年，JAN SZCZEPANEK等基于非线性放大环路反射镜锁模，采用全保偏光纤获得了重复频率15MHz，单脉冲能量3.46nJ，脉宽220fs的激光输出。由于NALM锁模技术要实现自启动锁模比较困难，目前在实际应用中常在环路中与偏振控制器件相结合,通过偏振器件调节环路中光的偏振态，能够容易实现稳定锁模。但环路中引入的偏振控制器件需要手控调节偏振控制器才可实现锁模，这不仅增大了激光器的锁模复杂性，还会降低整个激光器的稳定性，当外部环境剧烈变化或者发生震荡时，激光器将很容易丢失锁模。因此，如在NALM锁模技术中实现一个全光纤的保偏结构且能够达到自锁模的效果，则可以大大提高光纤激光器的稳定性。

另一方面，作为被动锁模技术的光纤激光器实现锁模的一个重要因素就是增益光纤。在NALM锁模技术振荡腔的增益光纤使用上，目前市面上大多数商业化激光器振荡腔的增益介质为1030nm中心波长的有源掺铒光纤，该中心波长的环形振荡腔易于实现种子源的锁模，但种子源锁模产生的激光在后续的放大系统中，与市场上常用的在1060-1100nm增益窗口的双包层大模场掺镱光纤放大器兼容性较差，因此，激光振荡腔如使用在1064nm波长有更好增益吸收的有源掺镱光纤。相比目前同样使用较为广泛的稀土元素铒、钕离子，镱离子能级结构简单，量子效率高，无激发态吸收以及有较大的增益带宽等优点，作为掺杂介质逐渐受到人们的广泛关注和重视，可与后续放大器系统搭配使用以获得更高的输出功率和脉冲能量。

目前主流的光纤激光器多为100MHz及以上的高重复频率锁模激光器，为将激光器应用于雷达、生物探测等需要较低激光重复频率要求的研究领域，需要一种低重复频率的激光脉冲。这通常需要将振荡腔输出的种子源脉冲在进行功率放大之前经过一个外部声光调制技术(AOM)来实现降低激光重复频率的步骤。2007年，F.的研究团队通过在放大器中引入声光调制器(AOM)，对振荡器输出光选频后再放大的方法，在重复频率900kHz、脉冲宽度500fs将单脉冲能量提高到了100μJ。2017年，Song Huanyu等利用声光调制器将NPR锁模振荡器输出重复频率降到1MHz，通过啁啾脉冲放大得到24fs压缩脉宽，1μJ单脉冲能量的脉冲输出。但接入外部声光调制器件的方法不仅会使种子源激光在放大过程中引入部分损耗，也使激光器失去了结构的紧凑性，增加激光器结构的不稳定性。因此，若能够在激光器振荡腔中实现激光的低重复频率输出，则可大大简化激光器的复杂结构，增强激光器整体结构的紧凑性。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于NALM锁模技术、中心波长在1064nm的低重频自锁模保偏掺镱光纤激光器，能量转化效率高，系统兼容性强、结构简单。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，包括一个NALM锁模、一个全保偏激光器振荡腔以及一个脉冲测试装置，采用“8字型”结构，全保偏激光器振荡腔的一端与NALM锁模连接，全保偏激光器振荡腔的另一端与脉冲测试装置连接。

进一步地，连接NALM锁模和全保偏激光器振荡腔的器件是分束比为60:40的2×2耦合器。

进一步地，所述NALM锁模包括第一980二极管泵浦、第一1064nm波分复用器、第一增益光纤以及第一普通单模光纤；第一980二极管泵浦的泵浦光进入第一1064nm波分复用器，即信号光和泵浦光同向，采用正向泵浦方式，第一1064nm波分复用器的正向与环内的第一增益光纤连接，第一增益光纤为NALM锁模提供了光信号功率和相位的增益；第一1064nm波分复用器的反向连接第一普通单模光纤，第一普通单模光纤用于控制光在NALM锁模中产生的自相位调制效应。

进一步地，所述全保偏激光器振荡腔包括第一隔离器、第二980二极管泵浦、第二1064nm波分复用器、第二增益光纤、第二普通单模光纤、2nm的带通滤波器、和10:90的1×2耦合器；第二980二极管泵浦、第二1064波分复用器和第二增益光纤组成反向放大器；第一隔离器连接在60:40的2×2耦合器的输出端，其作用是保持NALM锁模的输出光单向传输，并且隔离掉反向放大器输入时可能导致的反向光传输，避免反向光对环路光束的干扰而影响激光器锁模，同时起到保护器件的作用；与第一隔离器相连接的反向放大器采取反向泵浦的方式，第二980二极管泵浦通过第二1064nm波分复用器后与第二增益光纤连接；NALM锁模的输出光经反向放大器进行光的放大，获得等大的光强，同时累积非线性色散；反向放大器的输出端，即第二1064nm波分复用器的另一端与第二普通单模光纤连接，光在第二普通单模光纤中传输产生的自相位调制通过与前述结构产生的色散进行相位匹配可实现激光器的自锁模；同时，第二普通单模光纤的光纤长度加长了激光器的振荡腔，根据激光重复频率与振荡腔腔长的反比关系，可使得激光的重复频率得以降低，实现低重复频率的激光脉冲输出；第二普通单模光纤连接一个中心波长为1064nm、带宽2nm的带通滤波器；在2nm的带通滤波器与60:40的2×2耦合器之间用一个分束比10:90的1×2耦合器进行分束；信号光经过环形腔一周后，10:90的1×2耦合器中10％的光作为输出，剩余的90％的光作为下一轮输入进行迭代。

进一步地，所述第一增益光纤和第二增益光纤采用的型号是CorActive Yb401-PM。

进一步地，所述第一普通单模光纤和第二普通单模光纤采用的型号是Nufern PM-980。

进一步地，所述60:40的2×2耦合器的结构为输入端、60％分束端、40％分束端以及输出端；全保偏激光器振荡腔的光从60:40的2×2耦合器的输入端进入，60:40的2×2耦合器将输入光分束成60：40的光分别从60％分束端和40％分束端输出进入NALM锁模；60％分束端连接正向泵浦的第一增益光纤，使得进入到NALM锁模中的逆时针方向信号光逆时针先得到放大后再经过单模光纤获得更大的非线性相移量；40％分束端连接第一普通单模光纤，顺时针方向的光束先经过第一普通单模光纤再经过增益放大同样累积了一定量的非线性相移，但较60％端的非线性相移量要少；60％分束端的逆时针光束和40％分束端顺时针光束在NALM锁模中传输一圈之后将重新回到60:40的2×2耦合器中进行干涉调制，由于两束光束不同的光强和相位使得60:40的2×2耦合器中的反射率获得更强的调制深度。

进一步地，所述脉冲探测装置包括第二隔离器、50:50的1×2耦合器、20G宽带示波器和光谱仪；第二隔离器连接全保偏激光器振荡腔的10:90的1×2耦合器的10％输出端，其作用是防止输出光由于其他条件的影响造成光反向传输会振荡腔中影响锁模效果，保护振荡腔；50:50的1×2耦合器连接在第二隔离器之后，将输出光束分束成两束等光强的光分别输入20G宽带示波器和光谱仪；20G宽带示波器用以测试激光器的锁模波形和重复频率，光谱仪用于测量锁模光谱。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明可获得自启动锁模的同时可直接输出较低重复频率，避免种子激光在AOM调制过程中造成的能量与频率信号损失，保持较高的可靠性与稳定性，并可与后续的脉冲功率放大系统有更好的兼容性。所设计的全光纤激光器受使用环境影响较小且更加紧凑简便。

本发明输出中心波长在1064nm，现有商用激光器多在1030nm，这个波长与现有1064波长的大模场放大器不兼容，本发明一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器所用的有源增益光纤，在1064波长具有更高的能量转化率，因此该种子源激光输出对大模场光纤放大器有更好的兼容性。

本发明输出具有1.14MHz的低重复频率以及高啁啾的脉冲能量输出，相比以往锁模技术产生的10～100MHz的脉冲在放大之前往往需要通过声光调制系统进行降频，该振荡器的输出脉冲无需经过AOM降频，可以更好地保持放大过程中的脉冲质量且加强了光纤激光器的紧凑性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器的模块设计流程图；

图2为本发明低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器的系统示意图；

图3为本发明连接NALM与主环路结构的40:60耦合器5的2×2端口示意图；

图4为本发明20G带宽示波器15所测得的激光脉冲重复频率示意图；

图5为本发明20G带宽示波器15所测得的激光单脉冲示意图；

图6为本发明光谱仪16所测的锁模脉冲频域对数型光谱(大)及线性型光谱(小)示意图。

其中，1、980二极管泵浦(LD1)；2、1064波分复用器1(WDM-1)；3、增益光纤CorActive Yb 401-PM；4、普通单模光纤Nufern PM-980；5、60:40的2×2耦合器；5-1、输入端；5-2、60％分束端；5-3、40％分束端；5-4、输出端；6、隔离器(ISO-1)；7、980二极管泵浦(LD2)；8、1064波分复用器(WDM)；9、增益光纤CorActive Yb 401-PM；10、普通单模光纤Nufern PM-980；11、2nm的带通滤波器；12、10:90的1×2耦合器；13、隔离器(ISO-2)；14、50:50的1×2耦合器；15、20G宽带示波器；16、光谱仪。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器内部结构设计如图1所示，该激光器由三部分组成，采用“8字型”结构，即一个NALM结构、一个主环路振荡腔以及一个脉冲测试模块。种子源使用全保偏光纤元件，使得激光器在外部环境扰动下仍然可以非常稳定地工作。

如图2是发明一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器系统示图。NALM环结构包括二极管泵浦1(LD-1)、1064nm波分复用器2(WDM-1)和增益光纤3组成，以及一段普通单模光纤4(SMF)。二极管泵浦1(LD-1)泵浦光进入波分复用器2(WDM-1)，即信号光和泵浦光同向，采用正向泵浦方式。波分复用器2(WDM-1)的正向与环内的长度为1m的增益光纤3连接，采用的型号是CorActive Yb 401-PM，该所述增益光纤3为NALM环路提供了光信号功率和相位的增益。波分复用器2(WDM-1)的反向连接一段长度为1m的普通单模光纤4，光纤采用的型号是Nufern PM-980，所述普通单模光纤4主要是用于控制光在NALM环路中产生的自相位调制效应。

振荡腔主环路(右)由隔离器6(ISO-1)、反向放大器7-9、普通单模光纤10、带宽为2nm的1060nm波长带通滤波器11以及一个90:10的1×2耦合器12。隔离器6接在60:40的2×2耦合器5的输出端5-4，其作用是保持NALM的输出光单向传输，并且隔离掉反向放大器输入时可能导致的反向光传输，避免反向光对环路光束的干扰而影响激光器锁模，同时起到保护器件的作用。与隔离器6相连接的反向放大器采取反向泵浦的方式。二极管泵浦7(LD-2)通过1064nm波分复用器8(WDM-2)后与长度为1m的CorActiveYb 401-PM的增益光纤9连接。NALM的输出光经反向放大器进行光的放大，获得等大的光强，同时累积非线性色散。反向放大器的输出端，即波分复用器8(WDM-2)的另一端与170m的无源光纤10连接，光纤型号Nufern PM980-XP，光在无源光纤10中传输产生的自相位调制通过与前述结构产生的色散进行相位匹配可实现激光器的自锁模；同时，170m的光纤长度加长了激光器的振荡腔，根据激光重复频率与振荡腔腔长的反比关系，可使得激光的重复频率得以降低，实现低重复频率的激光脉冲输出。无源光纤10连接一个中心波长为1064nm，带宽2nm的带通滤波器11。在带通滤波器11与60:40耦合器5之间用一个分束比10:90的1×2耦合器12进行分束。信号光经过环形腔一周后，耦合器12中10％的光作为输出，剩余的90％的光作为下一轮输入进行迭代。

连接NALM环和主环路的器件是分束比为60:40的2×2耦合器5。如图3，所述2×2耦合器5为连接主环路和NALM环的连接器，结构为输入端5-1、60％分束端5-2、40％分束端5-3以及输出端5-4。主环路的光从耦合器5的输入端5-1进入，耦合器将输入光分束成60：40的光分别从60％分束端5-2和40％分束端5-3输出进入NALM环路。60％分束端5-2连接正向泵浦的放大器增益光纤3，使得进入到NALM中的逆时针方向信号光逆时针先得到放大后再经过单模光纤获得更大的非线性相移量；40％分束端5-3连接普通单模光纤4(SMF)，顺时针方向的光束先经过单模光纤4再经过增益放大同样累积了一定量的非线性相移，但较60％端的非线性相移量要少。60％分束端5-2的逆时针光束和40％分束端5-3顺时针光束在NALM环中传输一圈之后将重新回到耦合器中进行干涉调制，由于两束光束不同的光强和相位使得耦合器中的反射率获得更强的调制深度。

在振荡腔中10:90耦合器12的10％输出端连接了一个脉冲探测装置。脉冲探测装置由一个隔离器13(ISO-2)，50:50的1×2耦合器14以及20G宽带示波器15和光谱仪16构成。隔离器13(ISO-2)连接振荡腔主环路10:90耦合器12的10％输出端，其作用是防止输出光由于其他条件的影响造成光反向传输会振荡腔中影响锁模效果，保护振荡腔。50:50的耦合器14连接在隔离器13(ISO-2)之后，将输出光束分束成两束等光强的光分别输入20G宽带示波器15和光谱仪16。20G宽带示波器15用以测试激光器的锁模波形和重复频率，光谱仪16用于测量锁模光谱。

在实验中调节振荡腔的泵浦功率，当NALM和主环路中的泵浦二极管泵浦1(LD-1)与二极管泵浦7(LD-2)功率分别为130mW与180mW时，形成稳定的单脉冲锁模，如图4所示，脉冲的重复频率为1.14MHz。单个脉冲波形可以使用光电探测器进行探测并在20G的宽带示波器15上显示，如图5所示，脉冲的半高全宽(FWHM)为91.25ps。值得一提的是，两台泵浦功率可以同时在90-130mW、160-180mW范围内进行调节而不影响单脉冲锁模状态。使用光谱仪16采集输出脉冲的光谱，脉冲的对数光谱和线性光谱(内含)如图6所示，脉冲的中心波长1064nm，光谱宽度为10.4nm。从线性光谱图中可以看出，光谱的边缘会出现陡峭的形状，这是由于振荡腔是全正色散下实现的锁模。

本发明可获得自启动锁模的同时可直接输出较低重复频率，避免种子激光在AOM调制过程中造成的能量与频率信号损失，保持较高的可靠性与稳定性，并可与后续的脉冲功率放大系统有更好的兼容性。所设计的全光纤激光器受使用环境影响较小且更加紧凑简便。

本发明输出中心波长在1064nm，现有商用激光器多在1030nm，这个波长与现有1064波长的大模场放大器不兼容，本发明一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器所用的有源增益光纤，在1064波长具有更高的能量转化率，因此该种子源激光输出对大模场光纤放大器有更好的兼容性。

本发明输出具有1.14MHz的低重复频率以及高啁啾的脉冲能量输出，相比以往锁模技术产生的10～100MHz的脉冲在放大之前往往需要通过声光调制系统进行降频，该振荡器的输出脉冲无需经过AOM降频，可以更好地保持放大过程中的脉冲质量且加强了光纤激光器的紧凑性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，其特征在于，包括一个NALM锁模、一个全保偏激光器振荡腔以及一个脉冲测试装置，采用“8字型”结构，全保偏激光器振荡腔的一端与NALM锁模连接，全保偏激光器振荡腔的另一端与脉冲测试装置连接。

2.根据权利要求1所述的低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，其特征在于，连接NALM锁模和全保偏激光器振荡腔的器件是分束比为60:40的2×2耦合器。

3.根据权利要求2所述的低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，其特征在于，所述NALM锁模包括第一980二极管泵浦、第一1064nm波分复用器、第一增益光纤以及第一普通单模光纤；第一980二极管泵浦的泵浦光进入第一1064nm波分复用器，即信号光和泵浦光同向，采用正向泵浦方式，第一1064nm波分复用器的正向与环内的第一增益光纤连接，第一增益光纤为NALM锁模提供了光信号功率和相位的增益；第一1064nm波分复用器的反向连接第一普通单模光纤，第一普通单模光纤用于控制光在NALM锁模中产生的自相位调制效应。

4.根据权利要求3所述的低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，其特征在于，所述全保偏激光器振荡腔包括第一隔离器、第二980二极管泵浦、第二1064nm波分复用器、第二增益光纤、第二普通单模光纤、2nm的带通滤波器、和10:90的1×2耦合器；第二980二极管泵浦、第二1064波分复用器和第二增益光纤组成反向放大器；第一隔离器连接在60:40的2×2耦合器的输出端，其作用是保持NALM锁模的输出光单向传输，并且隔离掉反向放大器输入时可能导致的反向光传输，避免反向光对环路光束的干扰而影响激光器锁模，同时起到保护器件的作用；与第一隔离器相连接的反向放大器采取反向泵浦的方式，第二980二极管泵浦通过第二1064nm波分复用器后与第二增益光纤连接；NALM锁模的输出光经反向放大器进行光的放大，获得等大的光强，同时累积非线性色散；反向放大器的输出端，即第二1064nm波分复用器的另一端与第二普通单模光纤连接，光在第二普通单模光纤中传输产生的自相位调制通过与前述结构产生的色散进行相位匹配可实现激光器的自锁模；同时，第二普通单模光纤的光纤长度加长了激光器的振荡腔，根据激光重复频率与振荡腔腔长的反比关系，可使得激光的重复频率得以降低，实现低重复频率的激光脉冲输出；第二普通单模光纤连接一个中心波长为1064nm、带宽2nm的带通滤波器；在2nm的带通滤波器与60:40的2×2耦合器之间用一个分束比10:90的1×2耦合器进行分束；信号光经过环形腔一周后，10:90的1×2耦合器中10％的光作为输出，剩余的90％的光作为下一轮输入进行迭代。

5.根据权利要求4所述的低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，其特征在于，所述第一增益光纤和第二增益光纤采用的型号是CorActive Yb 401-PM。

6.根据权利要求4所述的低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，其特征在于，所述第一普通单模光纤和第二普通单模光纤采用的型号是Nufern PM-980。

7.根据权利要求4所述的低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，其特征在于，所述60:40的2×2耦合器的结构为输入端、60％分束端、40％分束端以及输出端；全保偏激光器振荡腔的光从60:40的2×2耦合器的输入端进入，60:40的2×2耦合器将输入光分束成60：40的光分别从60％分束端和40％分束端输出进入NALM锁模；60％分束端连接正向泵浦的第一增益光纤，使得进入到NALM锁模中的逆时针方向信号光逆时针先得到放大后再经过单模光纤获得更大的非线性相移量；40％分束端连接第一普通单模光纤，顺时针方向的光束先经过第一普通单模光纤再经过增益放大同样累积了一定量的非线性相移，但较60％端的非线性相移量要少；60％分束端的逆时针光束和40％分束端顺时针光束在NALM锁模中传输一圈之后将重新回到60:40的2×2耦合器中进行干涉调制，由于两束光束不同的光强和相位使得60:40的2×2耦合器中的反射率获得更强的调制深度。

8.根据权利要求4所述的低重频的1064nm自锁模保偏掺镱光纤激光器，其特征在于，所述脉冲探测装置包括第二隔离器、50:50的1×2耦合器、20G宽带示波器和光谱仪；第二隔离器连接全保偏激光器振荡腔的10:90的1×2耦合器的10％输出端，其作用是防止输出光由于其他条件的影响造成光反向传输会振荡腔中影响锁模效果，保护振荡腔；50:50的1×2耦合器连接在第二隔离器之后，将输出光束分束成两束等光强的光分别输入20G宽带示波器和光谱仪；20G宽带示波器用以测试激光器的锁模波形和重复频率，光谱仪用于测量锁模光谱。