CN110098557A - 一种全光纤被动锁模激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤被动锁模激光器，包含可饱和吸收镜、增益光纤、波分复用器、泵浦源以及集成多膜层滤光片的全光纤器件；可饱和吸收镜的输入端通过单模保偏光纤与增益光纤的一端连接，泵浦源的输出端通过单模保偏光纤连接波分复用器的一个输入端，波分复用器与全光纤器件之间通过单模保偏光纤连接后，与增益光纤的另一端通过单模保偏光纤连接，全光纤器件与可饱和吸收镜之间形成激光器振荡腔。本发明使用集成多膜层滤光片的全光纤器件作为锁模激光器输出腔镜拥有非常多的技术优点：锁模激光器锁模稳定，受机械振动与环境温度变化影响小；锁模激光器易自启动；锁模激光器易实现高重复频率；锁模激光器输出光谱平坦。

Description

一种全光纤被动锁模激光器
技术领域
本发明属于激光领域，涉及基于半导体可饱和吸收镜(简称：SESAM)的被动锁模激光器，特别是一种全光纤被动锁模激光器。
背景技术
多膜层滤光片是光学精密测量实验中的常用元件，它通过在玻璃的表面镀多层介质膜形成干涉，使设计波长范围内的光经过它之后被反射或者透射。多膜层滤光片种类繁多，用途不一，常见的多膜层滤光片可以分为截止多膜层滤光片和带通多膜层滤光片两种，带通多膜层滤光片只允许部分波长范围内的光通过。如果多膜层滤光片的介质膜折射率在空间呈周期性分布，形成啁啾多膜层滤光片，那么它拥有一定量的色散补偿能力，在超快激光器中被广泛应用，与传统的色散补偿器件光栅和棱镜对相比，多膜层滤光片具有损耗低、反射率高、对光路不敏感以及光谱带宽可以大到几十甚至上百纳米等优点，同时，啁啾多膜层滤光片的色散量可以被控制的很小，从而使它能支持高重复频率飞秒激光器。
超短脉冲(皮秒或者飞秒)激光器是激光器领域最热门的前沿研究课题之一，它在超快动力学、生物医疗、高速光通讯以及精密加工等领域有着广泛的应用。光纤锁模激光器由于其结构简单、成本低、免维护等优点成为超短脉冲激光器领域一个及其重要的分支。光纤锁模激光器可以通过主动锁模、被动锁模以及主被动混合锁模三种方式获得，被动锁模是超短脉冲激光器最有效的获得方式，它结构简单，在腔内不使用调制器等有源器件就能实现超短脉冲输出。
基于法布里-帕罗(F-P)腔结构的光纤锁模激光器通常使用光纤光栅与SESAM之间形成光学谐振腔来实现被动锁模，但是这种结构的锁模激光器，由于光纤光栅自身的缺陷，拥有如下缺点:
1、光纤光栅易受机械振动与环境温度变化的影响，容易导致锁模不稳定，甚至导致激光器锁模状态终止。
2、光纤光栅的光谱很难做成平顶结构，导致锁模激光器输出光谱不平坦，这对后续的激光器放大非常不利。
3、啁啾光纤光栅的啁啾量很难控制的很小，反射率较低，因此基于啁啾光纤光栅的锁模激光器很难做成高重复频率锁模激光器，并且锁模激光器经常自启动困难，特别是飞秒锁模激光器，自启动更困难。
发明内容
针对上述基于光纤光栅与SESAM之间形成腔结构锁模激光器中存在的缺点，本发明提出了一种全光纤被动锁模激光器，利用集成多膜层滤光片的全光纤器件代替光纤光栅，解决了锁模激光器易受机械振动、环境温度变化的影响、自启动困难、光谱不平坦等问题。
本发明解决其技术问题，所采用的全光纤被动锁模激光器，包含可饱和吸收镜、增益光纤、波分复用器、泵浦源以及集成多膜层滤光片的全光纤器件；可饱和吸收镜的输入端通过单模保偏光纤与增益光纤的一端连接，泵浦源的输出端通过单模保偏光纤连接波分复用器的一个输入端，波分复用器与全光纤器件之间通过单模保偏光纤连接后，与增益光纤的另一端通过单模保偏光纤连接，全光纤器件与可饱和吸收镜之间形成激光器振荡腔。
进一步地，在本发明的全光纤被动锁模激光器中，波分复用器位于全光纤器件与增益光纤之间，波分复用器的另一输入端与全光纤器件的一端通过单模保偏光纤连接，波分复用器的输出端与增益光纤的所述另一端通过单模保偏光纤连接，全光纤器件的另一端作为锁模激光输出端；或者，
全光纤器件位于波分复用器与增益光纤之间，波分复用器的输出端与全光纤器件的一端通过单模保偏光纤连接，全光纤器件的另一端与增益光纤通过单模保偏光纤连接，波分复用器的另一输入端作为锁模激光输出端。
进一步地，在本发明的全光纤被动锁模激光器中，所述全光纤被动锁模激光器为全光纤结构。
进一步地，在本发明的全光纤被动锁模激光器中，所述可饱和吸收镜为全光纤结构，具体为用光纤准直器耦合的方式来实现全光纤结构，或用光纤直接耦合的方式来实现全光纤结构。
进一步地，在本发明的全光纤被动锁模激光器中，所述增益光纤为掺Yb光纤，长度为0.2～1m。
进一步地，在本发明的全光纤被动锁模激光器中，所述泵浦源为976nm光纤激光器。
进一步地，在本发明的全光纤被动锁模激光器中，所述波分复用器与泵浦源既放在激光器振荡腔的腔内或者腔外。
进一步地，在本发明的全光纤被动锁模激光器中，所述集成多膜层滤光片的全光纤器件包括两个光纤准直器与一个多膜层滤光片，该多膜层滤光片只对设定波长范围内的光谱反射，反射率为10％～90％，光纤准直器与多膜层滤光片封装成一个光纤器件，两个光纤准直器分别位于分别多膜层滤光片的两侧，用于通过光纤与外部连接。
进一步地，在本发明的全光纤被动锁模激光器中，所述集成多膜层滤光片的全光纤器件中的多膜层滤光片为啁啾多膜层滤光片或者为无啁啾多膜层滤光片。
进一步地，在本发明的全光纤被动锁模激光器中，所述可饱和吸收镜与全光纤器件之间形成的激光器振荡腔的腔长为0.5～10m，对应锁模激光器输出脉冲重复频率为10～200MHz。
总体而言，本发明与现有的基于光纤光栅与SESAM形成腔结构锁模激光器相比的技术优势为:锁模激光器锁模稳定，受机械振动与环境温度变化影响小；锁模激光器易自启动；锁模激光器易实现高重复频率；锁模激光器输出光谱平坦。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为全光纤被动锁模激光器结构示意图；
图2为全光纤被动锁模激光器结构示意图2；
图3为集成多膜层滤光片的全光纤器件结构示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为:1-SESAM，2-增益光纤，3-波分复用器、4-泵浦源、5-集成多膜层滤光片的全光纤器件，6-光纤准直器，51-多膜层滤光片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为全光纤被动锁模激光器结构示意图，本发明提供的一种全光纤被动锁模激光器，包括SESAM(可饱和吸收镜)1、增益光纤2、波分复用器3、泵浦源4以及集成多膜层滤光片的全光纤器件5；各个器件之间通过单模保偏光纤熔接在一起。其中，SESAM 1与增益光纤2的一端连接；增益光纤2的另一端与波分复用器3的输出端连接；波分复用器3的第一输入端与泵浦源4的输出端连接；波分复用器3的第二输入端与集成多膜层滤光片的全光纤器件5的一端连接；全光纤器件5与可饱和吸收镜1之间形成激光器振荡腔，集成多膜层滤光片的全光纤器件5的另一端作为锁模输出。
本发明利用集成多膜层滤光片的全光纤器件5与SESAM 1形成光学谐振腔，增加泵浦源输出能量，当腔内增益大于损耗时，满足锁模条件，实现锁模激光输出。
本发明的工作原理是:泵浦源4通电后产生泵浦光，泵浦光经过波分复用器3进入到增益光纤2中，增益光纤2吸收泵浦光后自发辐射产生信号光，一部分信号光进入SESAM1后，低脉冲峰值功率部分被吸收，高脉冲峰值功率部分被反射回激光器振荡腔内；增益光纤2产生的另一部分信号光经过波分复用器3第一输出端后进入集成多膜层滤光片的全光纤器件5，部分符合设定波长范围内的信号光被集成多膜层滤光片的全光纤器件5反射回腔内形成光纤谐振腔。当泵浦光的输出能量较弱时，激光腔内损耗大于增益，无法产生脉冲激光，当增大电流使泵浦光的能量增大到一定数值时，激光腔内增益大于损耗，满足激光器锁模条件，产生脉冲激光。产生的脉冲激光从集成多膜层滤光片的全光纤器件一端透射出去作为锁模激光输出。
图2为全光纤被动锁模激光器结构示意图2，将图1中集成多膜层滤光片的全光纤器件5与波分复用器3之间的位置对调，通过在腔外增加泵浦能量，也能实现激光器锁模。具体工作原理与上述原理类似，这里不再赘述。
SESAM 1为反射式可饱和吸收体，选自半导体、纳米管或者石墨烯，SESAM 1采用光纤准直器耦合的方式实现全光纤结构。
增益光纤2为稀土掺杂光纤，选自掺Yb光纤、掺Nd光纤、掺Er光纤或者掺Tm光纤等，本发明优选掺Yb光纤，其吸收波长为915-976nm，光纤长度为0.2～1m。例如本发明的增益光纤为掺Yb光纤，光纤长度为0.4m。
泵浦源4采用半导体激光二极管，其波长范围为增益光纤2的吸收波长，常见的泵浦波长有530nm、800nm、915nm、976nm、1480nm等，功率一般小于1W，输出形式为单模光纤。
波分复用器3与泵浦源4既可以放在激光器振荡腔的腔内也可以放在激光器振荡腔的腔外。激光器振荡腔的腔长(即图1与图2中全光纤器件5与SESAM 1之间的光纤长度)为0.5～10m对应锁模激光器输出脉冲重复频率为10～200MHz。在本实施例中，可饱和吸收镜与集成多膜层滤光片的全光纤器件之间的腔长为2.5m，对应锁模激光器输出脉冲重复频率为40MHz。
图3为集成多膜层滤光片的全光纤器件结构示意图(最外层方框代表:固定光纤准直器与多膜层滤光片的一种夹具，可以为方形、圆形等封装结构)。它包括两个光纤准直器6与一个多膜层滤光片51，多膜层滤光片51只对设定波长范围内的光谱反射，反射率为10％～90％，例如在本实施例中选择为80％。多膜层滤光片51既可以为啁啾多膜层滤光片也可以为无啁啾多膜层滤光片，通过微透镜胶合的方式，将光纤准直器6与多膜层滤光片51封装成一个光纤器件，这样可以极大程度地减小该器件对机械振动以及环境温度变化的影响。两个光纤准直器6分别位于多膜层滤光片51的两侧，用于通过光纤与外部连接。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种全光纤被动锁模激光器，其特征在于，包含可饱和吸收镜、增益光纤、波分复用器、泵浦源以及集成多膜层滤光片的全光纤器件；可饱和吸收镜的输入端通过单模保偏光纤与增益光纤的一端连接，泵浦源的输出端通过单模保偏光纤连接波分复用器的一个输入端，波分复用器与全光纤器件之间通过单模保偏光纤连接后，与增益光纤的另一端通过单模保偏光纤连接，全光纤器件与可饱和吸收镜之间形成激光器振荡腔。
2.根据权利要求1所述的全光纤被动锁模激光器，其特征在于，波分复用器位于全光纤器件与增益光纤之间，波分复用器的另一输入端与全光纤器件的一端通过单模保偏光纤连接，波分复用器的输出端与增益光纤的所述另一端通过单模保偏光纤连接，全光纤器件的另一端作为锁模激光输出端；或者，
全光纤器件位于波分复用器与增益光纤之间，波分复用器的输出端与全光纤器件的一端通过单模保偏光纤连接，全光纤器件的另一端与增益光纤通过单模保偏光纤连接，波分复用器的另一输入端作为锁模激光输出端。
3.根据权利要求1所述的全光纤被动锁模激光器，其特征在于，所述全光纤被动锁模激光器为全光纤结构。
4.根据权利要求1所述的全光纤被动锁模激光器，其特征在于，所述可饱和吸收镜为全光纤结构，具体为用光纤准直器耦合的方式来实现全光纤结构，或用光纤直接耦合的方式来实现全光纤结构。
5.根据权利要求1所述的全光纤被动锁模激光器，其特征在于，所述增益光纤为掺Yb光纤，长度为0.2～1m。
6.根据权利要求1所述的全光纤被动锁模激光器，其特征在于，所述泵浦源为976nm光纤激光器。
7.根据权利要求1所述的全光纤被动锁模激光器，其特征在于，所述波分复用器与泵浦源既放在激光器振荡腔的腔内或者腔外。
8.根据权利要求1所述的全光纤被动锁模激光器，其特征在于，所述集成多膜层滤光片的全光纤器件包括两个光纤准直器与一个多膜层滤光片，该多膜层滤光片只对设定波长范围内的光谱反射，反射率为10％～90％，光纤准直器与多膜层滤光片封装成一个光纤器件，两个光纤准直器分别位于多膜层滤光片的两侧，用于通过光纤与外部连接。
9.根据权利要求8所述的全光纤被动锁模激光器，其特征在于，所述集成多膜层滤光片的全光纤器件中的多膜层滤光片为啁啾多膜层滤光片或者为无啁啾多膜层滤光片。
10.根据权利要求1所述的全光纤被动锁模激光器，其特征在于，所述可饱和吸收镜与全光纤器件之间形成的激光器振荡腔的腔长为0.5～10m，对应锁模激光器输出脉冲重复频率为10～200MHz。
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