CN111129937A - 一种窄带皮秒锁模光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄带皮秒锁模光纤激光器，包括主振荡腔和非线性光纤环路，所述主振荡腔和非线性光纤环路通过四端口光纤耦合器连接；所述主振荡腔为环形主振荡腔或线形主振荡腔；所述主振荡腔中使用窄带光谱限制器件将脉冲激光的光谱宽度进行限制，所述非线性光纤环路用于启动和维持锁模，非线性光纤环路中使用非互易性相位器件为不同方向传输的激光提供相位差值，降低锁模启动阈值。本发明所公开的窄带皮秒锁模光纤激光器彻底摆脱了现有皮秒锁模光纤激光器存在的可饱和吸收器件的易损伤、性能易退化问题，可以大幅提高单脉冲能量，提升激光器的稳定性、可靠性和使用寿命，更加适合应用于各种复杂环境下的超精密工业加工场合。

Description

一种窄带皮秒锁模光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术和超快激光技术领域，特别涉及一种窄带皮秒锁模光纤激光器。
背景技术
超快激光的特点是脉冲宽度极其短暂，短至皮秒(10-12秒)甚至飞秒(10-15秒)量级。由于超快激光脉冲宽度极短、峰值功率高，因此，超快激光应用于材料加工时热效应很小，加工精度可以达到微米甚至百纳米量级，这使得超快激光应用于高端精密加工具有独特的优势。特别地，目前脉宽在几个皮秒至十几皮秒附近的皮秒激光器在高端精密加工领域的应用尤其广泛。
这些工业级皮秒激光器大多是利用锁模光纤激光器产生皮秒脉冲激光，再利用激光功率放大器对皮秒脉冲激光进行放大。锁模光纤激光器具有体积紧凑、稳定性高、光束质量易控制、几乎无需调试维护等优点。作为皮秒激光器的前端，其作用是产生皮秒脉冲激光，因此锁模光纤激光器的输出性能对整套皮秒激光器系统非常重要。
目前，用于工业级皮秒激光器前端的锁模光纤激光器，输出激光的光谱宽度较窄，典型的光谱半高全宽大多小于1nm。这种窄带皮秒锁模光纤激光器，基本结构都是半导体可饱和吸收镜结合窄带光纤光栅组成的线性腔，利用半导体可饱和吸收镜作为锁模器件实现锁模启动，利用窄带光纤光栅将光谱限制在1nm以下。但是，半导体可饱和吸收镜的破坏阈值较低，易被脉冲激光打坏，而且其性能会随使用时间而出现退化。半导体可饱和吸收镜的破坏和退化，将导致整个皮秒激光器的停摆，会给工业加工生产线带来不可估量的损失。现有的解决方案是，通过每隔一段时间更换一次半导体可饱和吸收镜与激光的作用位置点的方式来保证激光器的连续工作，但是作用位置点的更换势必会带来激光器输出特性的变化，这并不是一个完美的解决方案。针对以上缺点，目前亟需从根本上改变窄带皮秒锁模光纤激光器的结构，使其更加稳定可靠。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种窄带皮秒锁模光纤激光器，激光器输出激光的光谱半高全宽在1nm以下，激光器使用非线性环路反射镜锁模取代传统的可饱和吸收体锁模，彻底提高窄带皮秒锁模光纤激光器的输出性能、可靠性和使用寿命。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种窄带皮秒锁模光纤激光器，包括主振荡腔和非线性光纤环路，所述主振荡腔和非线性光纤环路通过四端口光纤耦合器连接；所述主振荡腔为环形主振荡腔或线形主振荡腔；所述主振荡腔中使用窄带光谱限制器件将脉冲激光的光谱宽度进行限制，所述非线性光纤环路中使用非互易性相位器件为不同方向传输的激光提供相位差值，降低锁模启动阈值。
上述方案中，所述环形主振荡腔包括通过光纤呈顺时针连接的输出光纤耦合器、窄带光谱限制器件一、隔离器、波分复用器一和掺镱增益光纤一，所述波分复用器一外接半导体泵浦激光器一，所述四端口光纤耦合器的端口A和端口D分别连接掺镱增益光纤一和输出光纤耦合器。
上述方案中，所述非线性光纤环路包括通过光纤呈顺时针连接的掺镱增益光纤二、波分复用器二和非互易性相位器件，所述波分复用器二外接半导体泵浦激光器二，所述四端口光纤耦合器的端口B和端口C分别连接掺镱增益光纤二和非互易性相位器件。
上述方案中，所述线形主振荡腔包括通过光纤呈线形连接的窄带光谱限制器件二、偏振片、波分复用器三和掺镱增益光纤三，所述波分复用器三外接半导体泵浦激光器三，所述掺镱增益光纤三连接四端口光纤耦合器的端口A。
进一步的技术方案中，所述窄带光谱限制器件一由窄带光纤光栅一和环形器组成，或由窄带体光栅一或窄带滤波片一，以及位于其两侧的光纤准直器一和光纤准直器二组成。
进一步的技术方案中，所述非互易性相位器件包括1/4波片，所述1/4波片的一侧由内向外依次设置法拉第旋光器一和光纤准直器三，所述1/4波片的另一侧由内向外依次设置法拉第旋光器二和光纤准直器四。
进一步的技术方案中，所述窄带光谱限制器件二由窄带光纤光栅二组成，或由窄带体光栅二或窄带滤波片二，以及位于其一侧的光纤准直器五组成。
更进一步的技术方案中，所述光纤为保偏光纤。
上述方案中，所述主振荡腔中使用窄带光谱限制器件将脉冲激光的光谱半高全宽限制在1nm以下。
通过上述技术方案，本发明提供的窄带皮秒锁模光纤激光器的优点及有益效果如下：
1、本发明提出的窄带皮秒锁模光纤激光器，使用非线性环路反射镜锁模，取代破坏阈值较低、性能易退化的真实的可饱和吸收体锁模器件，从根本上提升了窄带皮秒锁模光纤激光器的输出激光单脉冲能量、可靠性和使用寿命。
2、本发明提出的窄带皮秒锁模光纤激光器，使用窄带光谱限制器件将脉冲激光的光谱半高全宽限制在1nm以下，可以满足对窄带皮秒激光的应用需求。
3、本发明中提出的窄带皮秒锁模光纤激光器，在非线性光纤环路中使用非互易性相位器件，可以降低锁模阈值，提高锁模稳定性。
4、本发明中提出的窄带皮秒锁模光纤激光器，光纤和光纤器件全部使用保偏光纤，可以提高锁模光纤激光器的稳定性，适合应用于外部环境复杂的工业加工现场。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例一所公开的一种窄带皮秒锁模光纤激光器结构示意图；
图2为本发明实施例一所公开的一种窄带光谱限制器件一结构示意图；
图3为本发明实施例一所公开的另一种窄带光谱限制器件一结构示意图；
图4为本发明实施例所公开的非互易性相位器件结构示意图；
图5为本发明实施例二所公开的另一种窄带皮秒锁模光纤激光器结构示意图；
图6为本发明实施例二所公开的一种窄带光谱限制器件二结构示意图；
图7为本发明实施例二所公开的另一种窄带光谱限制器件二结构示意图。
图中，1、环形主振荡腔；2、非线性光纤环路；3、四端口光纤耦合器；4、线形主振荡腔；11、掺镱增益光纤一；12、波分复用器一；13、半导体泵浦激光器一；14、隔离器；15、窄带光谱限制器件一；16、输出光纤耦合器；151、环形器；152、窄带光纤光栅一；153、光纤准直器一；154、窄带体光栅一或窄带滤波片一；155、光纤准直器二；21、掺镱增益光纤二；22、波分复用器二；23、半导体泵浦激光器二；24、非互易性相位器件；241、光纤准直器三；242、法拉第旋光器一；243、1/4波片；244、法拉第旋光器二；245、光纤准直器四；41、掺镱增益光纤三；42、波分复用器三；43、半导体泵浦激光器三；44、偏振片；45、窄带光谱限制器件二；451窄带光纤光栅二；452、窄带体光栅二或窄带滤波片二；453、光纤准直器五。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提出一种产生光谱半高全宽小于1nm的皮秒激光脉冲的窄带皮秒锁模光纤激光器，通过使用非线性环路锁模，取代现有技术中的可饱和吸收器件锁模，从而彻底提高窄带皮秒锁模光纤激光器的输出性能、可靠性和使用寿命。
图1是本发明的实施例一的窄带皮秒锁模光纤激光器结构示意图。如图1所示，窄带皮秒锁模光纤激光器包括环形主振荡腔1、非线性光纤环路2和四端口光纤耦合器3。
在环形主振荡器1中，激光器的增益介质为掺镱增益光纤一11，掺镱增益光纤一11的一端与四端口光纤耦合器3的端口A相连，另一端与波分复用器一12的一端相连。激光器的泵浦为半导体泵浦激光器一13，半导体泵浦激光器一13的输出端与波分复用器一12的另外一端相连，通过波分复用器一12将泵浦光引入掺镱增益光纤一11。波分复用器一12的第三端与隔离器14相连，隔离器14的作用为保证环形主振荡腔中的激光传输方向为顺时针方向。隔离器14的另外一端与窄带光谱限制器件一15相连，窄带光谱限制器件一15的作用为将脉冲激光的光谱限制在1nm以下。窄带光谱限制器件一15的另外一端与输出光纤耦合器16相连，输出光纤耦合器16的作用为输出激光，输出光纤耦合器16的腔外输出端e的输出百分比可为20％。输出光纤耦合器16的另一端与四端口光纤耦合器3的端口D相连，形成闭合回路。
在本实施例中，窄带光谱限制器件一15可以是窄带光纤光栅一152，如图2所示，入射光由环形器151端口a进入环形器151，通过环形器151的端口b入射进窄带光纤光栅一152，通过窄带光纤光栅一152作用并反射由环形器151的端口b再进入环形器，然后通过环形器151的端口c输出。
可选地，窄带光谱限制器件一15可以是窄带体光栅一或窄带滤波片一154，如图3所示，激光通过光纤准直器一153从光纤输出到自由空间，经过窄带体光栅一或窄带滤波片一154，再通过光纤准直器二155入射进光纤。
在环形主振荡腔1中，激光的传输方向为顺时针方向，由四端口光纤耦合器3的端口D沿着光纤传输到端口A。然后，激光从端口A进入四端口光纤耦合器3，按照四端口光纤耦合器3的分光比，分为两路激光分别进入四端口光纤耦合器3的端口B和端口C。两路激光在非线性光纤环路2中，分别沿由端口B到端口C的顺时针方向，和沿由端口C到端口B的逆时针方向传输，最终在四端口光纤耦合器3处汇合。两路激光在非线性光纤环路中传输时，积累了不同的相位，会发生干涉，并通过四端口光纤耦合器3的端口D从非线性光纤环路2输出。端口D输出激光的光强，与非线性光纤环路2中两路激光积累的相位差之间的依赖关系，会导致实现锁模，产生锁模脉冲激光。锁模脉冲激光最终由输出光纤耦合器16的端口e输出。
在非线性光纤环路2中，非线性环路的非对称性通过掺镱增益光纤二21提供，掺镱增益光纤二21的一端与四端口光纤耦合器3的端口B相连，另一端与波分复用器二22的相连，半导体泵浦激光器二23的输出端与波分复用器二22的另外一端相连，通过波分复用器二22将泵浦光引入掺镱增益光纤二21。波分复用器二22的第三端与非互易性相位器件24相连，非互易性相位器件24的作用是为不同方向传输的激光提供相位差，从而降低锁模启动阈值，提高锁模的稳定性。非互易性相位器件24的另外一端与四端口光纤耦合器3的端口C相连，形成闭合回路。
由于光纤中的克尔效应，非线性光纤环路的透射率和反射率会产生与环路入射激光光强之间的依赖关系，这相当于一个基于克尔效应的虚拟可饱和吸收体，可以实现锁模启动和维持锁模状态。
非互易性相位器件24的具体结构如图4所示。由于非线性光纤环路中，存在顺时针和逆时针传输的两路激光信号，因此非互易性相位器件24中，存在由光纤准直器三241传输到光纤准直器四245，和由光纤准直器四245传输到光纤准直器三241的两路激光。一路激光依次通过法拉第旋光器一242、1/4波片243和法拉第旋光器二244，另一路激光依次通过法拉第旋光器二244、1/4波片243和法拉第旋光器一242，通过法拉第旋光器将偏振方向改变45°，从而两路相对传输的激光的偏振方向分别与1/4波片的快轴或慢轴重合，从而产生非互易性的相位差，作用为降低锁模启动阈值，提高锁模的稳定性。
图5是本发明的实施例二的窄带皮秒锁模光纤激光器结构示意图。如图5所示，窄带皮秒锁模光纤激光器包括线形主振荡腔4、非线性光纤环路2和四端口光纤耦合器3。
在线形主振荡腔4中，激光器的增益介质为掺镱增益光纤三41，掺镱增益光纤三41的的一端与四端口光纤耦合器3的端口A相连，另一端与波分复用器三42的一端相连。激光器的泵浦为半导体泵浦激光器三43，半导体泵浦激光器三43的输出端与波分复用器三42的另外一端相连，通过波分复用器三42将泵浦光引入掺镱增益光纤三41。波分复用器三42的第三端与偏振片44相连，偏振片44的作用为限制腔内的激光的偏振方向为同一方向的线偏振光。偏振片44的另外一端与与窄带光谱限制器件二45相连，窄带光谱限制器件二45为反射式器件。图5中的非线性光纤环路2的结构和作用与图1中非线性光纤环路2的结构和作用相同。
线形主振荡腔4中，激光的传输方向为，从四端口光纤耦合器3的端口A传输到窄带光谱限制器件二45，经过窄带光谱限制器件二45反射，再传输回四端口光纤耦合器3的端口A。然后，激光从端口A进入四端口光纤耦合器3，按照四端口光纤耦合器3的分光比，分为两路激光分别进入四端口光纤耦合器3的端口B和端口C。两路激光在非线性光纤环路2中，分别沿由端口B到端口C的顺时针方向，和沿由端口C到端口B的逆时针方向传输，最终在四端口光纤耦合器3处汇合。两路激光在非线性光纤环路中传输时，积累了不同的相位，会发生干涉，并通过四端口光纤耦合器3的端口D从非线性光纤环路2输出。端口D输出激光的光强，与非线性光纤环路2中两路激光积累的相位差之间的依赖关系，会导致实现锁模，产生锁模脉冲激光。锁模脉冲激光最终由四端口光纤耦合器3的端口D输出。
在本实施例中，如图6所示，窄带光谱限制器件二45可以是窄带光纤光栅二451，窄带光纤光栅二451的尾纤直接与偏振片44的尾纤熔接。
可选地，如图7所示，窄带光谱限制器件二45可以是窄带体光栅二或窄带滤波片二452，图7中激光通过光纤准直器五453从光纤输出到自由空间，经过窄带体光栅二或窄带滤波片二452，窄带体光栅二或窄带滤波片二452为反射式器件，再通过光纤准直器五453入射回光纤。
本发明中，半导体泵浦激光器一13、半导体泵浦激光器二23和半导体泵浦激光器三43均为中心波长为976nm的单模半导体激光器，提供泵浦激光。
本发明中光纤和光纤器件全部使用保偏光纤，可以提高锁模光纤激光器的稳定性，适合应用于外部环境复杂的工业加工现场。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种窄带皮秒锁模光纤激光器，其特征在于，包括主振荡腔和非线性光纤环路，所述主振荡腔和非线性光纤环路通过四端口光纤耦合器连接；所述主振荡腔为环形主振荡腔或线形主振荡腔；所述主振荡腔中使用窄带光谱限制器件将脉冲激光的光谱宽度进行限制，所述非线性光纤环路用于启动和维持锁模，所述非线性光纤环路中使用互易性相位器件为不同方向传输的激光提供相位差值，降低锁模启动阈值。
2.根据权利要求1所述的一种窄带皮秒锁模光纤激光器，其特征在于，所述环形主振荡腔包括通过光纤呈顺时针连接的输出光纤耦合器、窄带光谱限制器件一、隔离器、波分复用器一和掺镱增益光纤一，所述波分复用器一外接半导体泵浦激光器一，所述四端口光纤耦合器的端口A和端口D分别连接掺镱增益光纤一和输出光纤耦合器。
3.根据权利要求1所述的一种窄带皮秒锁模光纤激光器，其特征在于，所述非线性光纤环路包括通过光纤呈顺时针连接的掺镱增益光纤二、波分复用器二和非互易性相位器件，所述波分复用器二外接半导体泵浦激光器二，所述四端口光纤耦合器的端口B和端口C分别连接掺镱增益光纤二和非互易性相位器件。
4.根据权利要求1所述的一种窄带皮秒锁模光纤激光器，其特征在于，所述线形主振荡腔包括通过光纤呈线形连接的窄带光谱限制器件二、偏振片、波分复用器三和掺镱增益光纤三，所述波分复用器三外接半导体泵浦激光器三，所述掺镱增益光纤三连接四端口光纤耦合器的端口A。
5.根据权利要求2所述的一种窄带皮秒锁模光纤激光器，其特征在于，所述窄带光谱限制器件一由窄带光纤光栅一和环形器组成，或由窄带体光栅一或窄带滤波片一，以及位于其两侧的光纤准直器一和光纤准直器二组成。
6.根据权利要求1或3所述的一种窄带皮秒锁模光纤激光器，其特征在于，所述非互易性相位器件包括1/4波片，所述1/4波片的一侧由内向外依次设置法拉第旋光器一和光纤准直器三，所述1/4波片的另一侧由内向外依次设置法拉第旋光器二和光纤准直器四。
7.根据权利要求4所述的一种窄带皮秒锁模光纤激光器，其特征在于，所述窄带光谱限制器件二由窄带光纤光栅二组成，或由窄带体光栅二或窄带滤波片二，以及位于其一侧的光纤准直器五组成。
8.根据权利要求2或3或4所述的一种窄带皮秒锁模光纤激光器，其特征在于，所述光纤为保偏光纤。
9.根据权利要求1所述的一种窄带皮秒锁模光纤激光器，其特征在于，所述主振荡腔中使用窄带光谱限制器件将脉冲激光的光谱半高全宽限制在1nm以下。
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