CN110808528A - 一种全光纤柱矢量脉冲激光器 - Google Patents

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姚俊娜
王安廷
江新华
王敬好
明海
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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Abstract

本发明公开了一种全光纤柱矢量脉冲激光器，通过将少模长周期光栅加入激光腔内，作为模式转换器件；四氧化三铁磁性溶液作为可饱和吸收体调节腔内损耗，实现柱矢量脉冲光的输出，并提出了一种成本低、操作简单的戳泡式镀膜方法用于可饱和吸收体和光纤激光器的集成，该激光器主要包括放大器、环形器、模式选择器、少模长周期光纤光栅、镀膜的光纤端面、可饱和吸收体等。由于少模长周期光纤光栅具有高模式耦合效率和低插入损耗，以及所采用的可饱和吸收体具有恢复速度快、调制深度大等特性，所以该激光器可输出高纯度的超快柱矢量脉冲光，且具有操作简单、成本低、集成度高等优点，可应用于通信、显微成像等领域。

Description

一种全光纤柱矢量脉冲激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，具体涉及一种全光纤柱矢量脉冲激光器。
背景技术
柱矢量光是一种在空间上非同一分布的光场，其偏振在横截面上呈对称分布，主要分为角向和径向偏振两种偏振态，由于其特殊的偏振和振幅分布，使得其在很多领域都有广泛的应用，如显微成像、材料加工、光通信等领域。
相比于主动锁模或调q脉冲激光器，基于可饱和吸收体的脉冲激光器以其结构简单、体积小、价格低、稳定性高等优点越来越受到广泛的研究和关注，作为一个新型的可饱和吸收材料，四氧化三铁具有很大的三阶非线性磁化率和高的非线性吸收，另外它还具有半导体特性，具有可调的带宽和皮秒量级的恢复速度，由于其优越的性能也很快地被应用到超快脉冲激光器中，但是基于四氧化三铁地柱矢量脉冲激光器还没有报道过。
目前有很多种将可饱和吸收体加入到光纤激光器中的方法，(a)将材料涂在拉锥光纤的锥区或者D型光纤的抛光面，但是成本高、制作方法也比较麻烦，并且在微小的外力作用下就可能折断；(b)夹在两根跳线之间，用法兰盘连接，此处采用制备复合薄膜或者滴涂在光纤跳线的端面上，然后但是制作薄膜的过程较为复杂，直接滴涂的方法制作出来的薄膜很厚并且厚度无法控制；
目前大多数的柱矢量脉冲激光器，其模式转换大多集中于采用错位焊接或者模式选择器的方式，插入损耗大，耦合效率低，难以实现高效率的柱矢量激光输出。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术中所描述的不足，提出一种高效率柱矢量脉冲激光器，具有结构简单、纯度高、稳定性高、便于集成化等特点。
本发明解决其技术问题的技术方案为：
一种全光纤柱矢量光束激光器，包括放大器、环形器、模式选择器、少模长周期光纤光栅、镀膜的光纤端面、四氧化三铁可饱和吸收体，其中：
所述放大器，用于提供激光产生和放大，产生基模光束，由泵浦源、波分复用器和增益介质构成。所述泵浦源为半导体激光二极管；所述的增益介质为掺杂稀土离子光纤；
所述环形器，用于控制激光环腔单向运转，激光从①端射入，再从②端口射出，其中②端口串联着模式选择器和少模长周期光栅，最后由部分反射的镀膜端面反射回②端口，从③端口射出，继续在激光环腔中运转。
所述模式选择器，可以是偏振控制器，用来调整入射到少模长周期光纤光栅上的基模光束的偏振态，选择性的激发径向或角向偏振光。
所述长周期光纤光栅，是指在两模光纤上刻写的长周期光栅，采用电弧脉冲技术点对点刻写而成，在共振波长处可以实现从基模到一阶模式的耦合，且模式耦合效率高,插入损耗小。
所述镀膜光纤端面，是为宽谱响应且部分反射的输出端面。
所述耦合器，为1：99的光纤耦合器，其中1％的输出用于脉冲、光谱和频谱的检测。
所述可饱和吸收体，用于调制腔内损耗，实现脉冲输出。此处采用四氧化三铁磁性溶液作为可饱和吸收材料，具体将材料加入到激光器中的方法如下：首先用胶头滴管吸取少量溶液，然后在干净的培养皿上挤出一个大小对称的泡泡，然后用光纤跳线头去戳泡泡，这样材料便可以均匀地附着在光纤跳线端面上，放在空气中几分钟便可以完全蒸干。用这种方法可以获得超薄地膜层厚度，也可以通过控制戳泡泡的次数来控制膜层厚度。
所述的全光纤柱矢量脉冲激光器实现如下：将少模长周期光栅加入激光腔内，作为模式转换器件，四氧化三铁磁性溶液作为可饱和吸收体调节腔内损耗，由于少模长周期光纤光栅具有高模式耦合效率和低插入损耗，以及所采用的可饱和吸收体具有较大的调制深度和较小的非饱和损耗，所以该激光器可输出高纯度的柱矢量脉冲光。
本发明与现有技术相比的优点在于：
相比之前报道，具有阈值低，稳定性高，便携性好，成本低，操作简单等优点。
附图说明
下面将对所提出的实施例中所使用的附图作简要地介绍，以便更清楚地说明本发明实施例的技术方案，显然，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。
图1为本发明的全光纤柱矢量脉冲激光器模块图；
图2为本发明的全光纤柱矢量脉冲激光器结构图。
图中，1为放大器，2为环形器，3为模式选择器，4为少模长周期光纤光栅，5为镀膜光纤端面，6为耦合器，7为四氧化三铁可饱和吸收体，11为泵浦源，12为波分复用器，13为增益介质。
具体实施方式
实验中所采用的少模光纤均为两模光纤，其归一化频率2.405<V<3.8，支持径向和角向轴对称偏振光，我们所采用地少模长周期光栅电弧脉冲技术点对点刻写而成，具有高模式耦合效率和低插入损耗。其耦合效率可大于99％，并且插入损耗低可以至0.01dB。
实验所采用的可饱和吸收体为四氧化三铁磁性溶液，其具有很大的三阶非线性磁化率和高的非线性吸收，另外它还具有半导体特性，具有可调的带宽和皮秒量级的恢复速度，具体将材料加入到激光器中的方法如下：首先用胶头滴管吸取少量溶液，然后在干净的培养皿上挤出一个大小对称的泡泡，然后用光纤跳线头去戳泡泡，这样材料便可以均匀地附着在光纤跳线端面上，放在空气中几分钟便可以完全蒸干，然后通过法兰盘夹在两个光纤跳线中间。用这种方法可以获得超薄的膜层厚度，也可以通过控制戳泡泡的次数来控制膜层厚度，从而来得到不同特性的可饱和吸收体，经过细心调控，很容易就能得到调制深度大于10％，非饱和损耗小于10％的可饱和吸收体。
通过以上理论分析，本发明通过将少模长周期光纤光栅和四氧化三铁的可饱和吸收体引入激光腔内实现柱矢量激光脉冲光的输出。
下面参照实施例图，对本发明的实施方式进行详细的描述。
如图2所示，泵浦源11通过波分复用器12耦合到激光腔内，注入到增益介质13上提供能量。放大器1产生基模激光并放大，基模激光经过环形器的①端射入，从②端口输出经过模式选择器3，再入射到少模长周期光纤光栅4，可以选择性地激发一阶模式(径向偏振光和角向偏振光)，其耦合效率可大于99％，并且插入损耗低可以至0.01dB，一阶模式到达镀膜光纤端面5，一部分输出，一部分返回到腔内，重新经过少模长周期光栅转化为基模，再由环形器的③端经过耦合器6传输到四氧化三铁可饱和吸收体7，所做的可饱和吸收体具有较大的调制深度和较小的非饱和损耗，最终实现角向或径向偏振脉冲光输出，最后再经过波分复用器，构成完整的激光谐振，通过调节偏振控制器3，可以选择性地激发径向或角向偏振光，从镀膜光纤端面5输出。
本发明的创新之处在于：将少模长周期光栅加入激光腔内，作为模式转换器件，四氧化三铁磁性溶液作为可饱和吸收体调节腔内损耗，由于少模长周期光纤光栅具有高模式耦合效率和低插入损耗，以及所采用的可饱和吸收体具有较大的调制深度和较小的非饱和损耗，所以该激光器可输出高纯度的柱矢量脉冲光。
尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，在不背离由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化、替换及改造。此外，不意味着本申请的范围限于说明书中描述的工艺、设备、制造、以及物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员从本发明的公开内容将很容易意识到那些现在存在的或以后发现的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其与这里描述的根据本发明相应实施所使用的完成基本上相同的功能或达到基本上相同的结果。因此，期望所附的权利要求将这样的工艺、设备、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims (2)

1.一种全光纤柱矢量脉冲激光器，其特征在于：包括：放大器(1)、环形器(2)、模式选择器(3)、少模长周期光纤光栅(4)、镀膜光纤端面(5)、耦合器(6)、四氧化三铁可饱和吸收体(7)，其中：
所述放大器(1)，用于提供激光产生和放大，产生基模光束，由泵浦源、波分复用器和增益介质构成，所述泵浦源为半导体激光二极管；所述的增益介质为稀土掺杂离子光纤；
所述环形器(2)，用于控制激光环腔单向运转，激光从①端射入，再从②端口射出，其中②端口串联着模式选择器和少模长周期光栅，最后由部分反射的镀膜端面反射回②端口，从③端口输出，继续在激光环腔中运转；
所述模式选择器(3)，可以是偏振控制器，用来调整入射到少模长周期光纤光栅(4)上的基模光束的偏振态，选择性的激发径向或角向轴对称偏振光；
所述长周期光纤光栅(4)，是指在两模光纤上刻写的长周期光栅，采用电弧脉冲技术点对点刻写而成，在共振波长处可以实现从基模到一阶模式的耦合；
所述镀膜光纤端面(5)，为宽谱响应且部分反射的输出端面；
所述耦合器(6)，为1乘2的光纤耦合器，其中很小一部分的输出用于脉冲、光谱和频谱的检测，可以用1：99的光纤耦合器，1％作为输出端；
所述四氧化三铁可饱和吸收体(7)，用于调制腔内损耗，实现脉冲输出，采用四氧化三铁磁性溶液作为可饱和吸收材料，具体将材料加入到激光器中的方法如下：首先用胶头滴管吸取少量溶液，然后在干净的培养皿上挤出一个大小对称的泡泡，然后用光纤跳线头去戳泡泡，这样材料便可以均匀地附着在光纤跳线端面上，放在空气中几分钟便可以完全蒸干；用这种方法可以获得超薄地膜层厚度，也可以通过控制戳泡泡的次数来控制膜层厚度，从而获得不同特性的可饱和吸收材料。
2.根据权利要求1所述的全光纤柱矢量脉冲激光器，其特征在于：模式选择器(3)以及其左边的环形光路所采用的光纤都是单模光纤，少模长周期光栅及其右边的光路所采用的光纤都是两模光纤，并且单模光纤和两模光纤之间的焊点是对芯焊接的；由放大器(1)产生基模激光并放大，基模激光经过环形器的①端射入，从②端口输出经过模式选择器(3)，再入射到少模长周期光纤光栅(4)，选择性地激发一阶模式(即径向偏振光和角向偏振光)，一阶模式到达镀膜光纤端面(5)，一部分输出，一部分返回到腔内，重新经过少模长周期光栅转化为基模，再由环形器的③端经过耦合器(6)传输到四氧化三铁可饱和吸收体(7)，由于所做的可饱和吸收体具有较大的调制深度和较小的非饱和损耗，最终实现角向或径向偏振脉冲光输出。
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