CN112909716A - 一种基于混合调制锁模的全保偏飞秒光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合调制锁模的全保偏光纤飞秒激光器，属于激光技术领域。包括非线性放大环镜、线性臂、第一半导体激光器、第一波分复用器和可饱和吸收体反射镜；非线性放大环镜包括保偏无源光纤、第一保偏增益光纤和耦合器；保偏无源光纤和第一保偏增益光纤通过耦合器连接在一起，耦合器的第一输出端连接线性臂的一端，线性臂的另一端与可饱和吸收体反射镜相连；可饱和吸收体反射镜用于激光器的自启动锁模，并作为反射镜与环状激光传输结构构成谐振腔实现激光脉冲的往复振荡。本发明采用可饱和吸收体反射镜，实现激光器锁模自启动，非线性放大环镜及线形臂采用全保偏光纤结构，提高了系统的稳定性。

Description

一种基于混合调制锁模的全保偏飞秒光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种基于混合调制锁模的全保偏光纤飞秒激光器。

背景技术

飞秒激光因其时间尺度极短、峰值功率极高等优点，被广泛应用在材料加工、生物医学成像、显微光谱、通信等领域，飞秒激光技术的持续创新发展与应用开拓，是当前国际激光技术乃至现代科学技术中一个非常重要的研究领域。另一方面由于光纤的表面积对体积的比很大，散热效果好，无需安装循环水冷却的装置，使得光纤激光器可以极大程度地小型化，另外光纤激光器可以采用全保偏光纤结构，大大提高了系统的稳定性。因此，结合两者的优点，高稳定性、小型化的全保偏飞秒光纤激光器在科学研究以及工业生产中有着非常大的应用前景。

目前，飞秒脉冲的产生主要依赖于被动锁模技术。在光纤激光器中，被动锁模的实现方案主要有可饱和吸收体锁模、基于加成脉冲锁模技术的非线性偏振旋转锁模和非线性光学环镜锁模三种。可饱和吸收体一般为半导体或石墨烯、碳纳米管等具有精细结构的材料，具有较低的损伤阈值和较短的使用寿命，限制了激光器输出功率和工作条件。而非线性偏振旋转锁模依赖于光的偏振态在光谐振腔中的演化，可以忍受较高的功率输出，但非保偏光纤结构使得其稳定性受温度、震动等外界环境的影响较大，当激光器因外界影响脱离锁模状态后，没有一种可遵循的操作方式能够使其恢复之前的锁模状态，因而可重复度较低。在非线性光学环镜锁模激光器中，环形腔中相向传输的光因经过增益光纤的顺序不同而积累不同大小的非线性相移，并在耦合器处发生干涉相长或相消，从而导致透射光强在一定非线性相移区域内与入射光强成正比，当非线性相移差取值合理时便可实现锁模。非线性光学环镜锁模与非线性偏振旋转锁模都是基于光学快速克尔效应的加成脉冲锁模机制，响应速度较快，具有极高的信噪比。而且非线性光学环镜锁模可采用全保偏光纤结构，无空间元件，成本较低，可承受较高的功率，系统具有极高的稳定性。

目前，大多数利用非线性光学环镜锁模机制的激光器均采用“8字形”结构，但是由于这种激光器为全闭环结构，腔长不可调节，腔内的物理量及其对锁模过程的影响关系也难以测量，限制了其性能的提高和实际应用。为了解决这一问题可以将激光器结构中的激光环形腔打开变成线性臂，线性臂一端装上位置可调节的端镜，从而使整个谐振腔的长度可调。在这样只包含非线性光学环镜和线性臂的激光器结构中，为了实现自启动锁模，在环形镜内插入了非互异性空间元件，使脉冲附加的相位与传播方向相关，通过改变该元件中波片的角度来得到最优的自启动锁模效果。但是，空间元件的引入，在一定程度上降低了系统的稳定性，也不利于激光器的小型化和集成化。同时，由于腔内的锁模机制还没有被完全理解，波片的最优旋转角度也是通过试探得到的，增加了系统的不确定度。

光纤激光器内的色散分布是决定激光脉冲演化机制的重要因素，工作于负色散区域的孤子脉冲以其高度的稳定性受到广泛关注，但受限于其需要负色散和传输过程中累积的非线性相移之间的精确平衡，激光脉冲的单脉冲能量受到限制，脉冲边沿分布对称的凯利(Kelly)边带，在较大能量运转时会演化成高阶孤子，极易因受到扰动分裂成若干个基阶孤子和相应的色散波，影响输出脉冲质量。在色散管理区域中存在的色散管理孤子较传统孤子可以承受更高的单脉冲能量，由于正负色散交替分布，激光脉冲在传输过程中会经历周期性的拉伸压缩过程，增强了激光脉冲对非线性的容忍度，将单脉冲能量较孤子脉冲提高一个数量级。在正色散区域，利用增益介质的光谱滤波作用、克尔非线性效应、正色散以及增益和损耗的共同作用构建与外界环境交换能量达到平衡的系统，输出耗散孤子脉冲，耗散孤子可以容忍更高的非线性作用，在一定程度上可以避免光波分裂问题。1993年Anderson等人提出，具有单调线性啁啾的抛物线形激光脉冲在放大过程中能够实现形状不变，无光波分裂的自相似传输，称为自相似脉冲。实验和理论证明在光纤正色散区域的激光脉冲可以在放大器中实现自相似演化，与传统孤子和色散管理孤子对比，自相似脉冲能够容忍更强的非线性而不发生光波分裂，腔内的正色散可以将脉冲所积累的非线性相移“线性化”，因此可以实现光谱宽度增加而不影响脉冲的稳定性，自相似脉冲在光纤中的演化是单调的，在具有周期性边界条件的光纤激光器中无法形成自洽演化，因此需要额外引入反向作用机制实现锁模。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于混合调制锁模的全保偏光纤飞秒激光器，旨在解决现有非线性环镜锁模激光器的自启动特性和稳定性无法兼得的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于混合调制锁模的全保偏光纤飞秒激光器，包括非线性放大环镜、线性臂、第一半导体激光器、第一波分复用器和可饱和吸收体反射镜；非线性放大环镜包括保偏无源光纤、第一保偏增益光纤和耦合器，保偏无源光纤和第一增益光纤通过耦合器连接在一起，耦合器的第一输出端连接线性臂的一端，线性臂的另一端与可饱和吸收体反射镜相连；

可饱和吸收体反射镜用于激光器的自启动锁模，并作为反射镜与环状激光传输结构构成谐振腔实现激光脉冲的往复振荡。

优选地，环状激光传输结构可以为非线性光学环镜、带有可编程相移元件的非线性光学环镜和非线性放大环镜、带有高非线性光纤的非线性放大环镜等利用两路相向传输激光脉冲在输出端干涉实现锁模调制的环形激光传输结构。

优选地，第一半导体激光器通过第一波分复用器与所述第一增益光纤相连，用于发射泵浦光实现第一增益光纤中的粒子数反转，为传输的激光脉冲提供预设幅度的增益并使在环状激光传输结构中相向传输的激光脉冲积累不同大小的非线性相移完成锁模调制，在不同色散条件下，腔内脉冲可以实现不同的脉冲形状，使得激光器稳定锁模运转。

优选地，耦合器的第二输出端作为激光器的输出端。

优选地，全保偏光纤飞秒激光器还包括一透镜组，设置于线性臂与可饱和吸收体反射镜之间，用于将环形激光传输结构输出后经所述线性臂入射的激光脉冲变换光斑大小聚焦到所述可饱和吸收体反射镜上。

优选地，所述线性臂为保偏无源光纤、增益放大单元、光谱滤波单元以及它们组合构成的线形激光传输结构。

优选地，透镜组包括准直透镜和聚焦透镜，透镜组与可饱和吸收体反射镜采用一体式集成结构，以实现减小系统空间抖动性的目的，同时经透镜组输出的激光脉冲扩束后传输到可饱和吸收体反射镜上，起到避免可饱和吸收体损伤的作用。

优选地，可饱和吸收体反射镜中的可饱和吸收体为半导体可饱和吸收体、石墨烯、碳纳米管等具有引入脉冲相位抖动功能的元件或直接通过对第一半导体激光器进行编程使激光器启动时有足够大的瞬时冲击电流、利用压电陶瓷等机械方法引入相位扰动等方式，此时所述可饱和吸收体反射镜可用一个普通反射镜代替，也可以通过腔内可饱和吸收体和反射镜的结合实现相同功能。

优选地，耦合器的分光比为50:50以利于更容易实现激光锁模，也可以为40:60、30:70、20:80、10:90或者其他比例以利于激光能量输出及改变输出特性。

优选地，耦合器的第二输出端与放大器相连，放大器包括第二半导体激光器、第三半导体激光器、第二波分复用器、第三波分复用器和第二增益光纤；

耦合器的第二输出端经过隔离器后与第二波分复用器的第一输入端相连，第二半导体激光器与第二波分复用器的第二输入端相连，第二波分复用器的输出端通过第二增益光纤与第三波分复用器的输入端相连，第三半导体激光器与第三波分复用器的第二输出端相连，第三复用器的第一输出端与一反射镜相连，第二半导体激光器和第三半导体激光器双向泵浦所述第二增益光纤用于为放大器输入的激光脉冲提供进一步的幅值增益。

优选地，第一增益光纤和第二增益光纤可以采用正色散分布光纤，用于引入自相似演化机制，达到提高激光脉冲能量，防止脉冲分裂，引入线性啁啾，展宽平滑光谱的目的；还可以采用负色散分布光纤实现激光脉冲能量的提升，并利用孤子的传输特性。或者，第一增益光纤和第二增益光纤可以为掺镱、掺铒或者掺铥的保偏光纤。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本发明采用可饱和吸收体反射镜，引入振幅调制，实现激光器锁模自启动，非线性放大环镜及线形臂内不含有任何空间元件，而是采用全保偏光纤结构，保证激光脉冲在传输过程中的偏振态不变，提高了系统的稳定性；激光脉冲经由透镜组扩束后传输到可饱和吸收体反射镜上，使得焦斑处的激光强度远小于可饱和吸收体的损伤阈值，保证激光器长期运转的稳定性；透镜组与可饱和吸收体反射镜一体化集成，减小空间抖动，提升激光器短期运转的稳定性；

2、本发明采用可饱和吸收体反射镜在所述激光器中完成锁模自启动，无需引入非互易空间元件，极大简化了激光器结构；在非线性放大环镜及线形臂内不含有任何空间元件，而是采用全保偏光纤结构，简化了激光器结构，有利于实现小型化和集成化；透镜组与可饱和吸收体反射镜一体化集成，进一步简化系统结构，缩小所述激光器体积；

3、本发明采用非线性放大环镜和线形臂结合的谐振腔结构可通过改变线形臂中光纤的长度和透镜组中透镜的间距调节谐振腔长度，提高激光器的调节自由度，并且可以实时监测腔内脉冲演化特性；在以上所述激光器结构的基础上增添调节元件，能进一步提高激光器的调节自由度，优化输出激光脉冲参数，提升激光器输出性能指标；

4、本发明根据激光器工作波长的不同采用不同掺杂元素的增益光纤，拓宽激光器的应用范围；根据激光器的色散分布特征采用不同的激光脉冲演化机制，可在全负色散区域、色散管理区域和全正色散区域实现锁模，拓宽激光器的应用范围(在净负色散区域，利用近光孤子的演化特性和飞秒时间尺度下的时域滤波特性得到稳定的近抛物线形激光脉冲输出，在净正色散区域，在非线性放大环镜或线形臂中引入耗散机制，确保激光脉冲演化的自洽性)；在激光器输出端连接放大器，采用正色散分布的增益光纤，利用自相似激光脉冲演化理论对输出激光脉冲的功率进一步放大，增加光谱宽度，避免光波分裂，拓宽应用领域；更进一步地，自相似演化脉冲的优良光束特性结合啁啾脉冲放大技术获得可抵御增益窄化效应、具有线性啁啾分布、易于压缩的高能量激光脉冲。

附图说明

图1是本发明提供的基于混合调制锁模的全保偏光纤飞秒激光器的结构示意图；

图2是本发明提供的激光器的放大器的结构示意图；

图3是本发明提供的使用掺铒光纤作为增益介质的全负色散分布的激光器输出光谱图；

图4为本发明提供的使用掺铒光纤作为增益介质的正色散分布的激光器输出光谱图；

图5为本发明提供的工作于净正色散区域激光器的结构示意图；

图6(a)为本发明提供的自适应调节输出功率的激光器结构示意图；

图6(b)为本发明提供的在非线性放大环镜中增加调节自由度的激光器示意图；

图6(c)为本发明提供的在线形臂中增加调节自由度的激光器示意图；

图7(a)为本发明提供的在线形臂中增加输出端的激光器示意图。

图7(b)为本发明提供的在透镜组中增加输出端的激光器示意图。

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不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于混合调制锁模的全保偏光纤飞秒激光器，包括非线性放大环镜、线性臂、第一半导体激光器、第一波分复用器和可饱和吸收体反射镜；非线性放大环镜包括保偏无源光纤、第一保偏增益光纤和耦合器，保偏无源光纤和第一增益光纤通过耦合器连接在一起，耦合器的第一输出端连接线性臂的一端，线性臂的另一端与可饱和吸收体反射镜相连；

可饱和吸收体反射镜用于激光器的自启动锁模，并作为反射镜与环状激光传输结构构成谐振腔实现激光脉冲的往复振荡。

具体地，第一半导体激光器通过第一波分复用器与所述第一增益光纤相连，用于发射泵浦光实现第一增益光纤中的粒子数反转，为传输的激光脉冲提供预设幅度的增益并使在环状激光传输结构中相向传输的激光脉冲积累不同大小的非线性相移完成锁模调制，在不同色散条件下，腔内脉冲可以实现不同的脉冲形状，使得激光器稳定锁模运转。

具体地，全保偏光纤飞秒激光器还包括一透镜组，设置于线性臂与可饱和吸收体反射镜之间，用于将环形激光传输结构输出后经所述线性臂入射的激光脉冲变换光斑大小聚焦到所述可饱和吸收体反射镜上。透镜组包括准直透镜和聚焦透镜，透镜组与可饱和吸收体反射镜采用一体式集成结构，以实现减小系统空间抖动性的目的，同时经透镜组输出的激光光束扩束后传输到可饱和吸收体反射镜上，起到避免可饱和吸收体损伤的作用。

图1是本发明实施例提供的一种基于混合锁模调制的全保偏光纤飞秒激光器的结构示意图，采用非线性光学环镜锁模的谐振腔结构，由非线性放大环镜1、线形臂2、透镜组8和可饱和吸收体反射镜11构成。非线性放大环镜1作为激光器的锁模元件提供振幅调制产生超短脉冲序列，并在输出端12提供一种飞秒时间尺度下的动态滤波机制得到近抛物线形的脉冲。线形臂2一端与非线性放大环镜1的输出端相连接，一端通过透镜组8将激光脉冲进行光斑尺寸的变换，经扩束后传输到可饱和吸收体反射镜11上，使激光脉冲在激光器谐振腔内往复振荡，可饱和吸收体反射镜11一方面引入振幅调制完成激光器自启动锁模，另一方面充当反射端镜使从所述透镜组8输出的激光脉冲在谐振腔内得以振荡传输。

本发明提供的激光器采用全保偏光纤结构，可通过调节所述激光器谐振腔内色散分布得到不同的激光脉冲演化行为，调控输出激光脉冲参数。当激光器谐振腔采用全负色散分布的光纤时，通过孤子传输模型可以在非线性放大环镜1内得到两个相向传输的稳定的近孤子解，在耦合器7处发生干涉，通过透射率和光强的函数关系实现对输出激光脉冲的动态滤波，提供了一种飞秒时间尺度的新颖光谱整形技术，得到近抛物线形的具有光滑平坦宽光谱的脉冲序列；

本发明提供的激光器谐振腔内，激光脉冲在耦合器7处按照所述耦合器7的分光比分成两路强度相等的激光脉冲分别沿顺时针方向和逆时针方向在非线性放大环镜1中相向传输，相等的分光比可以为所述非线性放大环镜1提供最大的调制深度。第一增益光纤4在非线性放大环镜1中位置不对称，第一半导体激光器5发出的泵浦光通过第一波分复用器6注入到第一增益光纤4中产生粒子数反转为传输的激光脉冲提供一定的幅值增益，两路激光脉冲在传输过程中被放大的次序不同，因此在非线性放大环镜1的传输过程中因激光脉冲强度差异积累不同大小的非线性相移，当两路激光脉冲重新传输到耦合器7时脉冲各部分存在相位差，依照干涉原理发生干涉相消或相长。因为激光脉冲中心的强度大，相应的相位差也较大，而所述耦合器7的透过率在一定范围内与相位差成正比，因此激光脉冲中心部分的透过率比较大，两翼部分的透过率比较小，从而对激光脉冲进行压缩，起到锁模调制的作用。第一增益光纤4、第一半导体激光器5和第一波分复用器6可以用一个可编辑的相移元件替代，起到的作用相同。此外，在第一增益光纤远离耦合器7的一端可连接一段非线性系数较高的光纤，起到增大所述环内相向传输激光脉冲间相移差的作用。在全负色散的工作区域下，所述两路激光脉冲在所述非线性放大环镜1演化成稳定的近孤子脉冲，腔内激光脉冲的各项参数可通过在所述非线性放大环镜1中插入分光比1：99或其他有较大分光差异的耦合器观察和测量，以减小对激光器运转的影响。再经由非线性放大环镜的滤波作用在激光器的输出端12得到稳定的、光谱光滑无边带的近抛物线激光脉冲。激光脉冲在所述非线性放大环镜1是利用光纤克尔效应的新型锁模方式，响应速度快，结构简单稳定，信噪比高。但是由于所述耦合器7的透过率在激光脉冲相位差为零时等于零且其曲线斜率为正，致使激光脉冲在无足够透射强度的情况下很难建立起振荡，自启动锁模困难；

经过非线性放大环镜1进行锁模调制的激光脉冲一部分通过耦合器7输出到线形臂2中继续传输，一部分在耦合器7处的输出端12输出，线形臂2结构大大增强了系统的调节及检测自由度，便于实时监测腔内激光脉冲演化的动力学行为，探索谐振腔内物理参数对激光脉冲输出、锁模调制等关键特性的影响，对激光器的设计和优化具有重要的指导意义。为了解决所述非线性放大环镜1中自启动锁模困难的问题且不在激光器中引入空间元件，控制成本，令激光脉冲在线形臂2传输输出后通过透镜组8扩束后以松聚焦的方式传输到可饱和吸收体反射镜11上，所述可饱和吸收体反射镜11通过对脉冲建立初期引入振幅调制，完成激光器的自启动锁模，可饱和吸收体反射镜11中的可饱和吸收体11的材料广泛，可以是半导体可饱和吸收体、石墨烯、碳纳米管和其他可引入相位抖动的功能性光学元件，或直接通过对所述第一半导体激光器5进行编程使激光器启动时有足够大的瞬时冲击电流、利用压电陶瓷等机械方法引入扰动等方式，以及通过计算环镜内的非线性相移仅利用环镜内的非线性(可增加高非线性光纤)的方式，此时可饱和吸收体反射镜11可用普通的反射镜代替，进一步减小系统的复杂度。同时，松聚焦的聚焦方式使得焦斑处的激光脉冲强度远低于可饱和吸收体的损伤阈值，从而保证激光器长时间稳定运转，所述可饱和吸收体反射镜11另一方面作为谐振腔的反射端镜将入射的激光脉冲原路反射耦合到线形臂2的保偏无源光纤中使激光脉冲在谐振腔内往复振荡，稳定输出。所述基于混合调制锁模的全保偏光纤激光器充分结合非线性放大环镜1和可饱和吸收体反射镜11的优势和特点，增强激光器的稳定性，提高系统的自启动锁模特性；

在本发明提供的实例中，所述透镜组8及可饱和吸收体反射镜11采用一体化集成结构，缩小系统体积，进一步减小外界环境因素对激光器的影响。同时在保证线性臂2的输出激光脉冲通过可饱和吸收体反射镜11调制、反射后与线形臂2之间有足够高的耦合效率情况下，可以去掉透镜组8，进一步简化激光器结构；

图2是本发明提供的放大器结构示意图，在激光器输出端12输出的近抛物线形激光脉冲通过隔离器16作为信号光输入所述放大器13中，其中，第二半导体激光器5’和第三半导体激光器5”发出的泵浦光分别通过第二波分复用器6’和第三波分复用器15注入到第二增益光纤14中使得粒子数反转，为输入到所述放大器13的激光脉冲提供幅值增益，达到实现输出高功率、平滑宽光谱激光脉冲的目的。第二增益光纤14采用正常色散光纤时，由于正常色散和非线性、增益的相互作用，经由非线性放大环镜1滤波整形的近抛物线形激光脉冲在所述放大器13中呈自相似演化，即在放大过程中激光脉冲的形状不变，而脉冲宽度、振幅呈指数增长，这一放大机制提高了激光脉冲对非线性相移的容忍度，突破了传统孤子激光脉冲的功率限制，且输出激光脉冲的啁啾为严格线性，为压缩脉冲宽度获得超短超强的激光脉冲奠定了基础；

图3为本发明提供的使用掺铒光纤作为增益介质的全负色散分布的激光器输出光谱图，在非线性放大环镜1和可饱和吸收体反射镜11的协同锁模调制下，激光器具有良好的自启动锁模特性，激光脉冲稳定输出，通过非线性放大环镜1内相向传输激光脉冲的相位差分布与激光器输出比之间的函数关系引入时域滤波机制，对输出端12的激光脉冲进行整形，得到近抛物线形的激光脉冲输出；

图4为本发明提供的使用正色散分布的掺铒作为增益光纤的放大器输出光谱图，将激光器输出的近抛物线形激光脉冲经由正色散分布的增益光纤进行放大，引入自相似演化机制，避免放大过程中的脉冲分裂现象，通过正色散将激光脉冲传输过程中积累的非线性相移“线性化”，得到脉形状不变的具有线性啁啾分布的高能量激光脉冲输出；

图5为本发明提供的工作于净正色散区域激光器结构示意图，当所述激光器工作于净正色散区域时，由于光纤的正色散和非线性的作用不会相互补偿，所述谐振腔内传输的激光脉冲在时域上随着传输距离不断展宽，激光器无法自洽运转，为使激光脉冲在腔内激光时达到自洽，在图1实例的基础上在所述非线性放大环镜1或线性臂2中插入耗散元件17，所述耗散元件17可以是合适带宽的光纤式带通滤波器或光栅等具有光谱绿波整形的元件，限制激光脉冲在谐振腔内演化过程中的光谱宽度以及时域上的脉冲宽度，使激光脉冲满足谐振腔内的边界条件达到稳定锁模运转的目的，同时为了提高所述激光器的输出功率，可以在所述非线性放大环镜1或线形臂2内插入合适分光比例的耦合器作为所述激光器的输出端；

在本实例中耗散元件17的位置灵活，并不局限于示意图中提供的位置，且可以在所述激光器的非线性放大环镜1或线形臂2内插入色散补偿光纤和元件控制谐振腔内的色散分布；

本发明提供的实例中，所述激光器器结构中可以增添光学元件提高系统的调节自由度。图6(a)-6(c)为增加调节自由度后激光器的示意图，图6(a)为自适应调节输出功率的激光器结构示意图。在非线性放大环镜1中第一增益光纤4远离所述耦合器7的一端连接一段非线性系数极高的高非线性光纤18，高非线性光纤18的输出端通过无源非保偏光纤3与耦合器7相连，构成闭合的环形结构，使在非线性放大环镜中逆时针传输的激光脉冲经由增益光纤4放大后输入到高非线性光纤18中积累更大的非线性相移，这一机制大大增加了非线性放大环镜1中相向传输激光脉冲的相位差，借助孤子的耗散机制被动调节激光器输出功率的大小，保证激光器单脉冲运转，获得输出功率连续可调谐的激光脉冲序列。

图6(b)为在非线性放大环镜中增加调节自由度的激光器示意图。在第一波分复用器6的输出端与第四波分复用器6”的输入端相连，第四半导体激光器19通过所述第四波分复用器6”泵浦连接在第四波分复用器的第三增益光纤4”，第三增益光纤4”再通过与耦合器7连接构成完整的非线性放大环镜1，对传输的激光脉冲序列进行放大。从线形臂2中输入到非线性放大环镜1中的激光脉冲经由耦合器7分成两路激光脉冲依次通过非线性放大环镜1中的第一增益光纤4和第三增益光纤4”，为相向传输的激光脉冲提供幅值增益，通过独立调控第一半导体激光器5和第四半导体激光器19的泵浦功率大小和调节路径可以控制相向传输激光脉冲的非线性相移差，极大地提高激光器输出激光脉冲的参数调节范围，增加激光器的可调节性。同时，可以利用非线性放大环镜1中第一半导体激光器5或第四半导体激光器19泵浦功率的瞬时响应特性，引入足够的扰动，并将所述激光器中的可饱和吸收体反射镜11用反射镜代替，实现自启动锁模，起到进一步提高激光器运转稳定性、降低成本的目的；

图6(c)为在线形臂中增加调节自由度的激光器示意图。第五半导体激光器20通过线形臂2与耦合器7之间连接的第五波分复用器21泵浦第四增益光纤22，为从耦合器7输入到线形臂2中的激光脉冲提供幅值增益，进一步提高激光脉冲能量。从所述第四增益光纤22中输出的激光脉冲经由透镜组8扩束后聚焦到可饱和吸收体反射镜11上，再反射耦合回线形臂2中，在激光器谐振腔内往复振荡。通过独立调控第一半导体激光器5和第五半导体激光器20的泵浦功率大小和调节方式可以极大地提高激光器输出激光脉冲的参数调节范围，提高激光脉冲能量，增加激光器的可调节性；

图7(a)-7(b)为增加输出端后激光器的示意图，图7(a)为在透镜组中增加输出端的激光器示意图。半波片23调节从线形臂2输出，经透镜组8中准直透镜9准直后的激光脉冲的偏振特性。偏振分束器24实现经半波片23调节偏振特性后的激光脉冲的能量的部分输出，未被输出的激光脉冲的能量经过聚焦透镜10聚焦到可饱和吸收体反射镜11上，再反射耦合回线形臂2中，在激光器谐振腔内往复振荡。通过半波片23和偏振分束器24的组合，可以增加激光器的输出端，也可以调节激光器输出脉冲的能量，还可以提高激光器输出脉冲的能量。这里半波片23和偏振分束器24的组合也可以由一定反射率和透射率的半透半反镜替代；

图7(b)为在线形臂中增加输出端的激光器示意图。耦合器25将从耦合器7输入到线形臂2中的激光脉冲耦合，一部分从输出端26输出，剩余部分激光脉冲从线形臂2输出，经过透镜组8扩束后传输到可饱和吸收体反射镜11上，再反射耦合回线形臂2中。反射耦合回来的激光脉冲再次经过耦合器25耦合，一部分从输出端27输出，剩余部分在激光器谐振腔内往复振荡。通过耦合器25的耦合作用可以增加激光器的输出端和提高激光器输出脉冲的能量。线形臂中加入的耦合器的个数可以增删，输出端口也可以只存在其中一部分。在本发明提供的实例中，所有不同结构分布的激光器可以相互结合和替代，增加激光器的调节自由度，且都可以通过隔离器16与放大器13相连，利用自相似演化得到高能量、高功率、宽光谱、具有线性啁啾的激光脉冲。将放大器13的输出端与传统的啁啾脉冲放大系统相连，利用自相似放大激光脉冲的优良光束特性抵御放大过程中的增益窄化效应，避免光波分裂，易于进行脉冲压缩。

在本发明提供的实例中，各光纤元件可相互集成，增加系统结构的紧凑性，并不影响所述激光器性能的实现，所述激光器中涉及保偏光纤的自由端均可以焊接对应接口的跳线，提高激光器运转稳定性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于混合调制锁模的全保偏光纤飞秒激光器，其特征在于，包括非线性放大环镜、线性臂、第一半导体激光器、第一波分复用器和可饱和吸收体反射镜；所述非线性放大环镜包括保偏无源光纤、第一保偏增益光纤和耦合器；所述保偏无源光纤和所述第一增益光纤通过所述耦合器连接在一起，所述耦合器的第一输出端连接所述线性臂的一端，所述线性臂的另一端与所述可饱和吸收体反射镜相连；

所述可饱和吸收体反射镜用于激光器的自启动锁模，并作为反射镜与所述环状激光传输结构构成谐振腔实现激光脉冲的往复振荡。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一半导体激光器通过所述第一波分复用器与所述第一增益光纤相连，用于发射泵浦光实现所述第一增益光纤中的粒子数反转，为传输的激光脉冲提供预设幅度的增益并使在所述环状激光传输结构中相向传输的激光脉冲积累不同大小的非线性相移完成锁模调制，在不同色散条件下，腔内脉冲可以实现不同的脉冲形状，使得激光器稳定锁模运转。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述耦合器的第二输出端作为激光器的输出端。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，还包括一透镜组，所述透镜组设置于所述线性臂与所述可饱和吸收体反射镜之间，用于将环形激光传输结构输出后经所述线性臂入射的激光脉冲聚焦到所述可饱和吸收体反射镜上。

5.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述线性臂为保偏无源光纤、增益放大单元、光谱滤波单元、光束拆分单元以及它们组合构成的线形激光传输结构。

6.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述透镜组包括准直透镜和聚焦透镜，所述透镜组与所述可饱和吸收体反射镜采用一体式集成结构。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体反射镜中的可饱和吸收体为半导体可饱和吸收体、石墨烯或者碳纳米管。

8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述耦合器的第二输出端与放大器相连，所述放大器包括第二半导体激光器、第三半导体激光器、第二波分复用器、第三波分复用器和第二增益光纤；

所述耦合器的第二输出端经过隔离器后与所述第二波分复用器的第一输入端相连，所述第二半导体激光器与所述第二波分复用器的第二输入端相连，所述第二波分复用器的输出端通过所述第二增益光纤与所述第三波分复用器的输入端相连，所述第三半导体激光器与所述第三波分复用器的第二输出端相连，所述第三波分复用器的第一输出端与第一反射镜相连，所述第二半导体激光器和所述第三半导体激光器构成双向泵浦，所述第二增益光纤用于为所述放大器输入的激光脉冲提供进一步的幅值增益。

9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤为正色散光纤、负色散光纤、近零色散光纤，掺镱、掺铒或者掺铥的保偏光纤。

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