CN113346341B - 一种全正色散的基于偏置nalm锁模的飞秒光纤激光器 - Google Patents

一种全正色散的基于偏置nalm锁模的飞秒光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一准直器和第二准直器，还包括掺镱增益光纤、第一组空间光学器件和第二组空间光学器件；本发明中采用的掺镱增益光纤具有宽发射带宽、大饱和通量以及很高的光光转化效率等特点，可以实现宽度窄、能量高的超短脉冲。本发明提供的全正色散光纤激光器产生的耗散孤子具有在单脉冲能量很高的条件下也能稳定输出不发生分裂的优势，可以容忍非常大的非线性相移，具有在脉冲能量上远远大于其他类型孤子，非常适合实现大功率输出的优势，解决了现有技术中基于NALM技术锁模的激光器中脉冲对功率的承受能力不高的技术问题。

Description

一种全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器
技术领域
本发明属于激光器技术领域，涉及飞秒光纤激光器，具体涉及一种全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器。
背景技术
1991年Iii I N等人第一次基于非线性放大环镜(NALM)结构实现了全光纤掺饵(Er3+)环形腔锁模，NALM的原理是利用光纤耦合器闭环的sagnac效应等效于快速可饱和吸收体进行锁模，同时在腔内一侧加入一段增益光纤以更容易积累相移差。2013年Haensel等提出通过在光腔中加入非互易性元件的方式可以明显降低激光器对于非线性积累的需求，提升自启动特性，并给出了可能的非互易性元件结构，该结构的提出使基于NALM的被动锁模光纤激光器突破瓶颈，利用其稳定性强，转化效率高以及转换时间短等优势在近些年来得到了激光领域研究者们越来越多的关注。
但通过控制波导介质的非线性实现高峰值功率输出，产生高能超短脉冲却是其亟待解决的问题，这成为了它实现在科学和工业领域广泛应用的绊脚石。因为一般基于NALM锁模的光纤激光器实现的是传统孤子或色散管理孤子脉冲输出，这两种类型脉冲不能忍受较大的非线性相移，受脉冲峰值功率限制效应的影响，脉冲易分裂，同时致使单脉冲能量降低，不仅不利于高功率锁模，也限制了对输出脉冲进行放大的研究。虽然Chong等人在2006年提出的基于非线性偏振旋转效应(NPR)锁模的全正色散光纤激光器产生的耗散孤子可以忍受大的非线性积累，在直接输出脉冲峰值功率上实现了数十纳焦的数量级，但其必需的单模结构易受环境干扰，难以实现工业化应用。
而基于材料类可饱和吸收体、半导体可饱和吸收镜和拓扑绝缘体等锁模的光纤激光器反应时间较慢且特性随时间会劣化，所以难以作为合适的长期替代品。在这一背景下该问题的解决将代表着激光器技术领域在环境稳定的高能短脉冲光纤源方向迈出了重要一步。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，解决现有技术中基于NALM技术锁模光纤激光器输出脉冲在功率较高时会分裂的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一准直器和第二准直器，还包括掺镱增益光纤、第一组空间光学器件和第二组空间光学器件；
所述的第一光纤耦合器和第二光纤耦合器通过掺镱增益光纤相连；
所述的泵浦源与波分复用器的泵浦端相连，所述的波分复用器的公共端与第一光纤耦合器的第一输入端相连，所述的第一光纤耦合器的第一输出端与第二光纤耦合器的输入端相连，第二光纤耦合器的70％输出端与第一光纤耦合器的第二输出端相连，形成NALM环路；
所述的第一光纤耦合器的第二输入端与第一准直器的一端相连，第一准直器的另一端设置有第一组空间光学器件；
所述的第二光纤耦合器的30％输出端与第二准直器的一端相连；第二准直器的另一端设置有第二组空间光学器件。
本发明还具有以下技术特征：
具体的，所述掺镱增益光纤为单模高掺增益光纤。
具体的，所述的第一组空间光学器件包括依次设置的相位偏置器、双折射滤波片、偏振分光棱镜和第一高反镜。
具体的，所述的相位偏置器包括法拉第旋转镜、λ/8波片。
具体的，所述的第二组空间光学器件包括依次设置的第二高反镜、透射衍射光栅对和第三高反镜。
具体的，所述的透射衍射光栅对与水平方向的夹角为为31.3°。
具体的，所述的波分复用器上有用于监测的信号光端。
具体的，所述波分复用器的工作波长范围是960～990nm/1010～1080nm。
具体的，所述第二光纤耦合器的分束比为70:30，其中，70％用于腔内振荡， 30％用于经腔外压缩后激光耦合输出。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明中采用的掺镱增益光纤具有宽发射带宽、大饱和通量以及很高的光光转化效率等特点，可以实现宽度窄、能量高的超短脉冲。本发明提供的全正色散光纤激光器产生的耗散孤子具有在单脉冲能量很高的条件下也能稳定输出不发生分裂的优势，可以容忍非常大的非线性相移，具有在脉冲能量上远远大于其他类型孤子，非常适合实现大功率输出的优势，解决了现有技术中基于NALM技术锁模的光纤激光器中脉冲对功率的承受能力不高的技术问题。
(Ⅱ)本发明中的激光器采用了非线性放大环形镜锁模机制，顺逆时针方向传输的脉冲在光纤内经历的不对称放大，以及非互易性相位偏置器提供的偏置相移，导致相向传输的脉冲在非线性放大环形镜内积累的非线性相移不同，使得在第一光纤耦合器处发生干涉时脉冲不同强度处透过率不同，所以非线性放大环形镜等效于快速可饱和吸收体，激光器可实现稳定锁模运转，使得本发明的光纤激光器具有高质量的输出脉冲序列，输出脉冲宽度窄，输出功率高且时间抖动小。
附图说明
图1为本发明的飞秒光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明中的第二光纤耦合器的30％输出端所输出耗散孤子脉冲的光谱图。
图3为本发明中的第二光纤耦合器的30％输出端所输出耗散孤子单脉冲宽度信号示意图。
图4为本发明中的第二光纤耦合器的30％输出端所输出耗散孤子单脉冲经腔外透射衍射光栅对压缩后的宽度信号示意图。
图中各个标号的含义为：1-泵浦源，2-波分复用器，3-第一光纤耦合器，4- 第二光纤耦合器，5-第一准直器，6-第二准直器，7-掺镱增益光纤，8-第一组空间光学器件，9-第二组空间光学器件；
201-泵浦端，202-公共端，203-信号光端；
301-第一输入端，302-第一输出端，303-第二输出端，304-第二输入端；
401-输入端，402-70％输出端，403-30％输出端；
801-相位偏置器，802双折射滤波片，803-偏振分光棱镜，804-第一高反镜；
80101-法拉第旋转镜，80102-λ/8波片；
901第二高反镜，902透射衍射光栅对，903第三高反镜。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，NALM的英文全称是nonlinear amplifying loop mirror，即表示非线性放大环形镜。
需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例：
本实施例给出了一种全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，如图1所示，包括泵浦源1、波分复用器2、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、第一准直器5和第二准直器6，还包括掺镱增益光纤7、第一组空间光学器件8和第二组空间光学器件9；
所述的第一光纤耦合器3和第二光纤耦合器4通过掺镱增益光纤7相连；
所述的泵浦源1与波分复用器2的泵浦端201相连，所述的波分复用器2 的公共端202与第一光纤耦合器3的第一输入端301相连，所述的第一光纤耦合器3的第一输出端302与第二光纤耦合器4的输入端401相连，第二光纤耦合器4的70％输出端402与第一光纤耦合器3的第二输出端303相连，形成 NALM环路；
所述的第一光纤耦合器3的第二输入端304与第一准直器5的一端相连，第一准直器5的另一端设置有第一组空间光学器件8；
所述的第二光纤耦合器4的30％输出端403与第二准直器6的一端相连；第二准直器6的另一端设置有第二组空间光学器件9。
(Ⅰ)本发明中采用的掺镱增益光纤具有宽发射带宽、大饱和通量以及很高的光光转化效率等特点，可以实现宽度窄、能量高的超短脉冲。本发明提供的全正色散光纤激光器产生的耗散孤子具有在单脉冲能量很高的条件下也能稳定输出不发生分裂的优势，可以容忍非常大的非线性相移，具有在脉冲能量上远远大于其他类型孤子，非常适合实现大功率输出的优势，解决了现有技术中基于NALM技术锁模的光纤激光器中脉冲对功率的承受能力不高的技术问题。
图1中左半部分线性臂中，光信号在第一光纤耦合器3处发生干涉后经过第一准直器5进入到第一组空间光学器件8的空间光路，法拉第旋转镜80101 和λ/8波片80102给腔提供了π/2的初始相位偏置，可以提高该激光器的锁模自启动性能。双折射滤波片802能够对高啁啾脉冲进行光谱滤波，实现腔内脉冲的整形，提高全正色散激光器的锁模能力。接着光信号通过偏振分光棱镜803 和第一高反镜804原路返回，形成稳定谐振腔。
上述方案中，第二耦合器4的30％输出端403与第二准直器6的一端相连，其输出脉冲经过光纤激光器腔外的第二组空间光学器件9进行压缩，首先经过透射衍射光栅对902后由第三高反镜903反射，然后经透射衍射光栅对902再次压缩后从第二高反镜901处反射输出，采用的第二反射镜以合适的角度放置，用来将从第三反射镜反射回的光反射输出，经准直器接收后进行结果的监测和数据的采集。对光纤激光器进行了腔外压缩，使其输出脉冲宽度达到了百飞秒量级。
顺逆时针两个方向传输的光在腔内经过不对称放大积累不同的非线性相移，脉冲中心功率高的部分相对于两翼信号弱的部分透过率更高，所以此NALM结构等效于快速可饱和吸收体锁模，相比于真实可饱和吸收体可以大大提高损伤阈值而不至于损坏锁模器件；腔内的相位偏置器可以提高谐振腔的锁模自启动特性；采用全正色散的光学器件在自启动锁模的同时输出耗散孤子，这种孤子具有能够容忍大的非线性效应，不易分裂，单脉冲能量大的优点；该激光器采用部分空间结构，可以有效缩短腔长以提高重复频率，从而实现了一种能够自启动的、具有良好锁模特性的、能承受高功率的耗散孤子脉冲输出的全正色散锁模光纤激光器。
在本实施例中，泵浦源选择波长为976nm的半导体二极管；选择型号为 LIEKKIYb1200-4/125的单模高掺增益光纤作为增益光纤；波分复用器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一准直器、第二准直器的尾纤均是型号为HI1060 的普通单模光纤。
作为本实施例的一种优选方案，所述掺镱增益光纤7为单模高掺增益光纤，采用的掺镱增益光纤，具有宽发射带宽、大饱和通量以及很高的光光转化效率等特点，可以实现宽度窄、能量高的超短脉冲。
作为本实施例的一种优选方案，所述的第一组空间光学器件8包括依次设置的相位偏置器801、双折射滤波片802、偏振分光棱镜803和第一高反镜804。
作为本实施例的一种优选方案，所述的相位偏置器801包括法拉第旋转镜 80101、λ/8波片80102，激光器空间光路中的相位偏置器由法拉第旋转镜和λ/8 波片组成，在相向传播的光之间引入附加相位差，可提高锁模的自启动性能。
在本实施例中，偏振分光棱镜的反射端用于监测。
作为本实施例的一种优选方案，所述的第二组空间光学器件9包括依次设置的第二高反镜901、透射衍射光栅对902和第三高反镜903。
在本实施例中，法拉第旋转镜、λ/8波片、偏振分光棱镜、第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜的中心波长均选取1030nm；双折射滤波片的厚度为7mm，滤波带宽约为10nm；透射衍射光栅的型号为LSFSG-1000-3212-94、线密度为 1000线/毫米、工作波长范围为1030±20nm、1级衍射利特罗角为31.3°、衍射效率的典型值为95％。
作为本实施例的一种优选方案，所述的透射衍射光栅对902与水平方向的夹角为31.3°，能够有效补偿腔内的正啁啾脉冲，实现接近傅里叶变换极限脉宽的脉冲输出。
作为本实施例的一种优选方案，所述的波分复用器2上有用于监测的信号光端203。
作为本实施例的一种优选方案，所述波分复用器2的工作波长范围是960～990nm/1010～1080nm。
在本实施例中，选取工作波长为980/1064nm的波分复用器。
作为本实施例的一种优选方案，所述第二光纤耦合器4的分束比为70:30，其中，70％用于腔内振荡，30％用于经腔外压缩后激光耦合输出。
实测例：
本实验中，泵浦光通过NALM环路和线性臂形成的稳定谐振腔后，用光谱仪和自相关仪在第二光纤耦合器4的30％输出端403测量其输出，得到如图2 所示的耗散孤子脉冲的光谱图和如图3所示的第二光纤耦合器的30％输出端所输出耗散孤子单脉冲宽度信号示意图，从图2可以看出该激光器输出光谱的半高全宽为12nm，从光谱的形状可以看出是典型的耗散孤子，与现有技术中基于 NALM锁模的光纤激光器得到的传统孤子或色散管理孤子相比，耗散孤子可以容忍非常大的非线性相移，在单脉冲能量很高时也不发生分裂，进而可以实现大功率输出。图3中的脉冲自相关迹较为平滑，可知本申请中的激光器工作情况较为稳定，输出的脉冲较平稳。图3所示为脉冲宽度为4.24ps的锁模激光输出(假设脉冲是双曲正割型)，经过腔外压缩，获得如图4所示的脉冲宽度为 178fs的锁模激光输出，达到了飞秒级别，飞秒级脉冲相对更快速，更高效，更精准的特性使得飞秒光纤激光器的应用更为广泛。综上，该激光器在受外界干扰影响较小的同时，可以实现较高功率和较窄脉宽的稳定脉冲输出。

Claims (6)

1.一种全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)、第一准直器(5)和第二准直器(6)，其特征在于，还包括掺镱增益光纤(7)、第一组空间光学器件(8)和第二组空间光学器件(9)；
所述的第一光纤耦合器(3)和第二光纤耦合器(4)通过掺镱增益光纤(7)相连；
所述的泵浦源(1)与波分复用器(2)的泵浦端(201)相连，所述的波分复用器(2)的公共端(202)与第一光纤耦合器(3)的第一输入端(301)相连，所述的第一光纤耦合器(3)的第一输出端(302)与第二光纤耦合器(4)的输入端(401)相连，第二光纤耦合器(4)的70％输出端(402)与第一光纤耦合器(3)的第二输出端(303)相连，形成NALM环路；
所述的第一光纤耦合器(3)的第二输入端(304)与第一准直器(5)的一端相连，第一准直器(5)的另一端设置有第一组空间光学器件(8)；所述的第一组空间光学器件(8)包括依次设置的相位偏置器(801)、双折射滤波片(802)、偏振分光棱镜(803)和第一高反镜(804)；所述的相位偏置器(801)包括法拉第旋转镜(80101)、λ/8波片(80102)；
所述的第二光纤耦合器(4)的30％输出端(403)与第二准直器(6)的一端相连；第二准直器(6)的另一端设置有第二组空间光学器件(9)；所述的第二组空间光学器件(9)包括依次设置的第二高反镜(901)、透射衍射光栅对(902)和第三高反镜(903)。
2.如权利要求1所述的全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述掺镱增益光纤(7)为单模高掺增益光纤。
3.如权利要求1所述的全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述的透射衍射光栅对(902)与水平方向的夹角为31.3°。
4.如权利要求1所述的全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述的波分复用器(2)上有用于监测的信号光端(203)。
5.如权利要求1所述的全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述波分复用器(2)的工作波长范围是960～990nm/1010～1080nm。
6.如权利要求1所述的全正色散的基于偏置NALM锁模的飞秒光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤耦合器(4)的分束比为70:30，其中，70％用于腔内振荡，30％用于经腔外压缩后激光耦合输出。
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