CN113241578A - 基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器及实现方法。激光器包括泵浦源及依次排列在光路上构成激光谐振腔的第一高反射镜、双折射晶体、法拉第旋转器、第一准直器、第二准直器、二分之一波片、偏振分光棱镜和第二高反射镜，第一准直器与第二准直器通过保偏增益光纤相连；在光纤激光器发生振荡时形成的小脉冲光经偏振分光棱镜偏振处理为两束正交脉冲光，入射到第二准直器后分别沿着保偏增益光纤的快轴和慢轴传播；由相移单元相互交换传输路径以使每束正交脉冲分别沿着对方的光路回传，在偏振分光棱镜发生干涉锁模以形成超短脉冲输出。激光器的整体系统简单，能够提高光纤激光器的系统稳定性和锁模稳定性。

Description

基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器及实现方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其是涉及一种基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器及实现方法。

背景技术

非线性偏振旋转(NPR，Nonlinear Polarization Rotation)锁模光纤激光器属于被动锁模光纤激光器的一种，与其他锁模激光器相比，不仅具有结构紧凑，稳定性好，价格低廉等优势，还无须外界信号调制及任何有源器件就可以实现自锁模。非线性偏振旋转锁模光纤激光器的这些特点，使其在光通信、光传感等领域具有重要的应用价值。

现有的非线性偏振旋转(NPR)光纤激光器无法完全利用全保偏的系统，在激光器的腔内使用的是非保偏光纤，很容易受到环境干扰，导致现有的NPR光纤激光器的稳定性较差。

发明内容

为解决现有非线性偏振旋转光纤激光器易受环境干扰存在稳定性较差的缺陷，本发明提出一种基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器及实现方法，能够提高光纤激光器的系统稳定性和锁模稳定性。

本发明提出一种基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器，包括泵浦源及依次排列在光路上构成激光谐振腔的第一高反射镜、双折射晶体、法拉第旋转器、第一准直器、第二准直器、二分之一波片、偏振分光棱镜和第二高反射镜，第一准直器与第二准直器通过保偏增益光纤相连；

所述泵浦源用于将泵浦光注入激光谐振腔内使光纤激光器发生振荡；

所述偏振分光棱镜偏振用于在光纤激光器发生振荡时形成随机的小脉冲光经偏振分光棱镜偏振处理为两束正交脉冲光；

所述二分之一波片用于将两束正交脉冲光入射到第二准直器后分别沿着保偏增益光纤的快轴和慢轴传播；

所述法拉第旋转器和所述双折射晶体构成相移单元；

所述第一高反射镜对经过所述相移单元的两束正交脉冲光进行反射，让两束正交脉冲光二次经过所述相移单元后相互交换传输路径以使每束正交脉冲分别沿着对方的光路回传；

所述第二高反射镜将正交脉冲光反射回激光谐振腔内；

两束正交脉冲光依次经过保偏增益光纤、二分之一波片、偏振分光棱镜向第二高反射镜回传，以在偏振分光棱镜发生干涉锁模以形成超短脉冲输出。

在一个优选实施例中，所述基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器还包括波分复用器，波分复用器的公共端通过保偏增益光纤与第一准直器连接，波分复用器的透射端与第二准直器连接，而泵浦源连接至波分复用器的尾部。

在一个优选实施例中，第二准直器采用第二光纤准直器实现，第二光纤准直器连接在保偏增益光纤与二分之一波片之间，且泵浦源与第二光纤准直器相连。

在一个优选实施例中，第一准直器采用第一光纤准直器实现，第一光纤准直器通过保偏增益光纤与第二准直器相连，且泵浦源与第一光纤准直器相连。

在一个优选实施例中，保偏增益光纤采用大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤或保偏光子晶体光纤。

在一个优选实施例中，所述法拉第旋转器采用薄片式法拉第旋转器，或磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。

在一个优选实施例中，在偏振分光棱镜与高反射镜之间设有用于进行色散补偿的色散补偿元件。

在一个优选实施例中，色散补偿元件为光栅对或者棱镜对。

本发明还公开一种基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器的实现方法包括：

步骤S1、将泵浦源的泵浦光耦合到激光谐振腔内，使激光器发生振荡形成随机的小脉冲光；

步骤S2、随机的小脉冲光以偏振分光棱镜为起点产生线偏振态的两束正交脉冲光，两束正交脉冲光经过二分之一波片分别投影到保偏增益光纤的快轴和慢轴上；

步骤S3、两束正交脉冲光分别沿着保偏增益光纤的快轴和慢轴传输，经保偏增益光纤放大后，到达第一准直器后进入法拉第旋转器；

步骤S4、由法拉第旋转器将两束正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°，然后两束正交脉冲光依次经过双折射晶体到达第一高反射镜，经第一高反射镜反射后，二次经过双折射晶体及法拉第旋转器，法拉第旋转器再次将两束正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°，让两束正交脉冲光相互交换传输路径以使每束正交脉冲分别沿着对方的光路回传；

步骤S5、两束正交脉冲光经过保偏增益光纤返回至第二准直器时只剩下非线性相移；然后经过二分之一波片、偏振分光棱镜向第二高反射镜传输，由第二高反射镜将正交脉冲光反射回激光谐振腔内，在偏振分光棱镜发生干涉锁模以形成超短脉冲输出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明公开的光纤激光器的整体系统结构简单，采用二分之一波片将两束正交脉冲光（偏振的光）投射到保偏增益光纤的快慢轴上，分别沿着保偏增益光纤的快轴和慢轴传输，采用法拉第旋转器实现群速度失配和线形相移的补偿，法拉第旋转器同时和双折射晶体构成相移单元以使正交偏振状态下快轴的光与慢轴的光之间产生相位差，在激光器的输出端口设置偏振分光棱镜产生干涉实现锁模，这大大降低了锁模启动的阈值，简化了激光器结构，同时提高了整体的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的光纤激光器实施例一的结构示意图。

图2为本发明的光纤激光器实施例二的结构示意图。

图3为本发明的光纤激光器实施例三的结构示意图。

图4为本发明的光纤激光器实施例四的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本申请为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本发明公开了一种基于相位偏置非线性偏振旋锁模光纤激光器（又简称“光纤激光器”或“激光器”），通过改进激光器的结构，在激光器的谐振腔内采用保偏增益光纤以提高激光器的工作稳定性。

实施例一

如图1所示，本实施例公开的光纤激光器包括泵浦源7及依次排列在光路上构成激光谐振腔的第一高反射镜1、双折射晶体2、法拉第旋转器3、第一准直器4、第二准直器8、二分之一波片9、偏振分光棱镜10和第二高反射镜12，第一准直器4与第二准直器8通过保偏增益光纤5相连，故可通过调节保偏增益光纤5的长度可以按需调节光纤激光器的激光谐振腔的腔长；泵浦源7通过耦合器将泵浦光耦合到腔内，且泵浦源7的泵浦功率大于光纤激光器的振荡阈值以使光纤激光器发生振荡。

光纤激光器在发生振荡时形成随机的小脉冲光，小脉冲光以偏振分光棱镜10为起点，经过二分之一波片9将小脉冲光分为两个互相垂直偏振分量入射到第二准直器8后分别沿着保偏增益光纤5的快轴和慢轴传播，使小脉冲光分成正交两束正交脉冲光，两束正交脉冲光之间的强度比由入射脉冲与保偏增益光纤5的夹角决定。

泵浦源7通过耦合器将泵浦光注入激光谐振腔内，正交脉冲光进入保偏增益光纤5经过放大，再从第一准直器4输出；之后正交脉冲光进入至法拉第旋转器3，法拉第旋转器3将正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°；然后正交脉冲光经过双折射晶体2，通过旋转双折射晶体2将线偏振态的脉冲投影到双折射晶体2的快轴和慢轴上，经过第一高反射镜1反射后再次通过双折射晶体2后经过法拉第旋转器3；当正交脉冲光第二次经过法拉第旋光器3时，法拉第旋光器3将正交脉冲旋转90°，使两束正交脉冲光经法拉第旋光器3相互交换传输路径，两束正交脉冲光法拉第旋光器3因此可以沿着对方的光路返回，当法拉第旋光器3返回至第二准直器8时，两束正交脉冲光之间的群速度失配和线性相移可以得到完美的补偿，只剩下非线性相移。

在两束正交脉冲光法拉第旋光器3再次通过二分之一波片9，最后正交脉冲光在偏振分光棱镜10处发生干涉。由于两束正交脉冲正反两次通过了法拉第旋转器3和双折射晶体2，两束正交脉冲光产生了非互异性非线性相移差

，在保偏增益光纤5中产生的非线性相移和非互异性相移构成了

的相位偏置，使得保偏增益光纤5、第一准直器4、法拉第旋转器3、双折射晶体2和第一高反射镜1构成等效快速可饱和吸收体，且等效快速可饱和吸收体的反射率随着非线性相移的变化率发生改变。

其中，所述双折射晶体2的快轴和慢轴引入非对称相移，导致与不同轴平行的偏振传播的光的相移差

（即相位偏置），相移差

的大小由双折射晶体的性质和厚度决定，即

，其中，n_e为其中一束正交脉冲光的折射率，n_o为另一束正交脉冲光的折射率，l为双折射晶体2的厚度，λ为波长。

其中，正交脉冲光的反射率与两束正交脉冲非线性相移量有关，反射率是两束正交脉冲的相移差的函数，引入相移偏置相移量是为了增大反射率的变化速率，使得等效可饱和吸收体的反射率随着光强的变化更快；脉冲的中心部分强，在谐振腔中产生的相移量大，所以反射率高，脉冲更加容易形成振荡，从而实现激光器锁模，形成超短脉冲输出。

在第一实施例中，耦合器采用波分复用器6，波分复用器6的公共端通过保偏增益光纤5与第一准直器4连接，波分复用器6的透射端与第二准直器8连接，而泵浦源7连接至波分复用器6的尾部。由波分复用器6将泵浦源7产生的泵浦光耦合进入激光谐振腔内。

在本实施例中，泵浦源7为976nm的单模泵浦。法拉第旋转器3工作波长为 1550nm，波分复用器6内置976nm高反1550nm高透的滤光片，第一准直器4和第二准直器8均镀有1550nm增透膜，二分之一波片9前后镀1550nm增透膜，双折射晶体2前后均镀1550nm增透膜，偏振分光棱镜10的透射反射比为50:50。第一高反射镜1和第二高反射镜12各镀有1550nm全反膜。

其中，保偏增益光纤5采用大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤或保偏光子晶体光纤。

其中，所述法拉第旋转器采用薄片式法拉第旋转器，或磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。

前述光纤激光器的工作包括以下步骤：

步骤S1、根据光纤激光器需要的脉冲光的能量，确定泵浦源7的泵浦功率大于光纤激光器的振荡阈值，将泵浦源7的泵浦光耦合到激光谐振腔内，使激光器发生振荡形成随机的小脉冲光；

步骤S2、随机的小脉冲光以偏振分光棱镜10为起点产生线偏振态的两束正交脉冲光，两束正交脉冲光经过二分之一波片9分别投影到保偏增益光纤5的快轴和慢轴上。其中，两束正交脉冲光之间的强度比由入射脉冲与保偏增益光纤5的快轴之间夹角决定。

步骤S3、两束正交脉冲光分别沿着保偏增益光纤5的快轴和慢轴传输，经保偏增益光纤5放大后，到达第一准直器4后进入法拉第旋转器3。

步骤S4、由法拉第旋转器3将两束正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°，然后两束正交脉冲光依次经过双折射晶体2到达第一高反射镜1，经第一高反射镜1反射后，二次经过双折射晶体2及法拉第旋转器3，法拉第旋转器3再次将两束正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°，让两束正交脉冲光相互交换传输路径以使每束正交脉冲分别沿着对方的光路回传。

其中，两束正交脉冲光通过双折射晶体2时，两束正交脉冲光分别与双折射晶体2的快轴和慢轴平行。

步骤S5、两束正交脉冲光经过保偏增益光纤5返回至第二准直器9时，它们之间的群速度失配和线性相移可以得到完美的补偿，只剩下非线性相移；然后经过二分之一波片9、偏振分光棱镜10向第二高反射镜12传输，由第二高反射镜12将正交脉冲光反射回激光谐振腔内，在偏振分光棱镜10发生干涉，实现锁模以形成超短脉冲输出。

由于两束正交脉冲光正反两次通过了法拉第旋转器3和双折射晶体2，正交脉冲光产生了非互异性非线性相移，在保偏增益光纤5中产生的非线性相移和非互异性相移构成了相位偏置，使得反射率曲线发生变化，这使得第一高反镜1、双折射晶体2、法拉第旋转器3、第一准直器4、保偏增益光纤5、第二准直器8、二分之一波片9和偏振分光棱镜10一起充当此光纤激光器中快速可饱和吸收体的作用。另外，脉冲光的反射率与两束正交脉冲非线性相移量有关，反射率是两束正交脉冲的相移差的函数，引入相移偏置相移量是为了增大反射率的变化速率，使得等效可饱和吸收体的反射率随着光强的变化更快；脉冲的中心部分强，在激光器的激光谐振腔中产生的相移量大，所以反射率高，脉冲更加容易形成振荡，从而实现激光器锁模，形成超短脉冲输出。

由此可见，本发明公开的光纤激光器，采用二分之一波片9将两束正交脉冲光（偏振的光）投射到保偏增益光纤5的快慢轴上，分别沿着保偏增益光纤5的快轴和慢轴传输，采用法拉第旋转器3实现群速度失配和线形相移的补偿，法拉第旋转器3同时和双折射晶体2构成相移单元以使正交偏振状态下快轴的光与慢轴的光之间产生相位差，在激光器的输出端口设置偏振分光棱镜10产生干涉实现锁模，这大大降低了锁模启动的阈值，简化了激光器结构，同时提高了整体的稳定性和可靠性。

另外，采用薄膜磁光材料的法拉第旋转镜代替常规的光纤式隔离器或晶体磁光材料的自由空间隔离器，利用光纤准直器取代常规的光纤波分复用器和光纤准直器，大大缩短了光纤激光器中光纤的长度，简化了激光器系统，提高激光转化效率。

实施例二

如图2所示的光纤激光器，与图1相比，在偏振分光棱镜10与高反射镜12之间设有用于进行色散补偿的色散补偿元件11。其中，色散补偿元件采用光栅对或者棱镜对。

其中，泵浦源7为976nm的单模泵浦。法拉第旋转器3工作波长为 1030 nm，波分复用器6内置976nm高反1030高透的滤光片，第一准直器4和第二准直器8的表面镀1030nm增透膜，二分之一波片9前后表面均镀有1030nm增透膜，双折射晶体2的前后表面均镀有1030nm增透膜；偏振分光棱镜10的透射反射比为50:50。光栅对采用1600nm线透射式光栅。第一高反射镜1和第二高反射镜12均镀1030nm全反膜。

实施例三

如图3所示，与图2所示实施例相比，第二准直器8采用第二光纤准直器13来实现，第二光纤准直器13连接在保偏增益光纤5与二分之一波片9之间，且泵浦源7与第二光纤准直器13相连以由第二光纤准直器13耦合至激光谐振腔内。即，本实例采用第二光纤准直器13取代图1中的光纤波分复用器6和第二准直器8。这种实施方式大大缩短了光纤激光器中光纤的长度，有利于进一步简化了激光器的结构。

实施例四

如图4所示，本实施例公开的光纤激光器与图3相比，第一准直器4采用第一光纤准直器14实现，第一光纤准直器14通过保偏增益光纤5与第二准直器8或第二光纤准直器13相连，且泵浦源7与第一光纤准直器14相连，以由第一光纤准直器14耦合至激光谐振腔内。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器，其特征在于，包括泵浦源及依次排列在光路上构成激光谐振腔的第一高反射镜、双折射晶体、法拉第旋转器、第一准直器、第二准直器、二分之一波片、偏振分光棱镜和第二高反射镜，第一准直器与第二准直器通过保偏增益光纤相连；

所述泵浦源用于将泵浦光注入激光谐振腔内使光纤激光器发生振荡；

所述偏振分光棱镜偏振用于在光纤激光器发生振荡时形成随机的小脉冲光经偏振分光棱镜偏振处理为两束正交脉冲光；

所述二分之一波片用于将两束正交脉冲光入射到第二准直器后分别沿着保偏增益光纤的快轴和慢轴传播；

所述法拉第旋转器和所述双折射晶体构成相移单元；

所述第一高反射镜对经过所述相移单元的两束正交脉冲光进行反射，让两束正交脉冲光二次经过所述相移单元后相互交换传输路径以使每束正交脉冲分别沿着对方的光路回传；

所述第二高反射镜将正交脉冲光反射回激光谐振腔内；

两束正交脉冲光依次经过保偏增益光纤、二分之一波片、偏振分光棱镜向第二高反射镜回传，以在偏振分光棱镜发生干涉锁模以形成超短脉冲输出。

2.根据权利要求1所述基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器，其特征在于，还包括波分复用器，波分复用器的公共端通过保偏增益光纤与第一准直器连接，波分复用器的透射端与第二准直器连接，而泵浦源连接至波分复用器的尾部。

3.根据权利要求1所述基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器，其特征在于，第二准直器采用第二光纤准直器实现，第二光纤准直器连接在保偏增益光纤与二分之一波片之间，且泵浦源与第二光纤准直器相连。

4.根据权利要求1所述基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器，其特征在于，第一准直器采用第一光纤准直器实现，第一光纤准直器通过保偏增益光纤与第二准直器相连，且泵浦源与第一光纤准直器相连。

5.根据权利要求1所述基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器，其特征在于，保偏增益光纤采用大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤或保偏光子晶体光纤。

6.根据权利要求1所述基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器，其特征在于，所述法拉第旋转器采用薄片式法拉第旋转器，或磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。

7.根据权利要求1所述基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器，其特征在于，在偏振分光棱镜与高反射镜之间设有用于进行色散补偿的色散补偿元件。

8.根据权利要求7所述基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器，其特征在于，色散补偿元件为光栅对或者棱镜对。

9.根据权利要求1-8任何一项基于相位偏置非线性偏振旋转锁模光纤激光器的实现方法，其特征在于，包括：

步骤S1、将泵浦源的泵浦光耦合到激光谐振腔内，使激光器发生振荡形成随机的小脉冲光；

步骤S2、随机的小脉冲光以偏振分光棱镜为起点产生线偏振态的两束正交脉冲光，两束正交脉冲光经过二分之一波片分别投影到保偏增益光纤的快轴和慢轴上；

步骤S3、两束正交脉冲光分别沿着保偏增益光纤的快轴和慢轴传输，经保偏增益光纤放大后，到达第一准直器后进入法拉第旋转器；

步骤S4、由法拉第旋转器将两束正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°，然后两束正交脉冲光依次经过双折射晶体到达第一高反射镜，经第一高反射镜反射后，二次经过双折射晶体及法拉第旋转器，法拉第旋转器再次将两束正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°，让两束正交脉冲光相互交换传输路径以使每束正交脉冲分别沿着对方的光路回传；

步骤S5、两束正交脉冲光经过保偏增益光纤返回至第二准直器时只剩下非线性相移；然后经过二分之一波片、偏振分光棱镜向第二高反射镜传输，由第二高反射镜将正交脉冲光反射回激光谐振腔内，在偏振分光棱镜发生干涉锁模以形成超短脉冲输出。

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