CN113488834B - 一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔及激光器，谐振腔包括：第一插芯、第二插芯、第三插芯、第四插芯、介质膜、锥形增益光纤和半导体可饱和吸收镜；所述介质膜设置在所述第一插芯的端面上；所述介质膜与所述第二插芯的端面对接；所述锥形增益光纤的第一端插接所述第二插芯的尾柄；所述锥形增益光纤的第二端插接所述第三插芯的尾柄；所述半导体可饱和吸收镜固定在所述第四插芯的端面上；所述第三插芯的端面与所述半导体可饱和吸收镜对接。本发明通过将多种锥形结构的增益光纤设置在激光谐振腔中，以实现GHz重频激光脉冲输出，同时实现脉冲宽度的可调控。

Description

一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔及激光器

技术领域

本发明涉及光电子器件技术领域，特别是涉及一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔及激光器。

背景技术

高重频飞秒激光光源在新一代材料加工、大频率间隔光学频率梳、任意波形产生以及多光子生物医学成像等领域有重要应用，使此类光源成为超快激光的一个重要研究方向。基础重复频率>1GHz的激光器谐振腔长度一般在cm量级，激光脉冲宽度会随着基础重复频率的提升而进一步变宽，脉冲宽度通常较宽，为皮秒或亚皮秒量级，这在一定程度上限制其应用和产业化。另一方面，厘米级腔长的高重频超快光纤激光的输出特性对系统参数尤为敏感，比如弱滤波效应引起脉冲重频加倍、温度扰动引起重复频率达kHz的漂移、耦合角度的轻微变化可实现孤子分子态与直流锁模切换以及不稳定机制的干扰等。针对此类光源的特点，如果将可以调控系统参数的多结构锥形光纤应用到此类光源中，那么将有可能解决高重频飞秒激光光源目前面临的脉冲宽度难以变窄的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔及激光器，通过将多种锥形结构的增益光纤设计在激光谐振腔中，以实现GHz重频激光脉冲输出，同时实现脉冲宽度的可调控。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，包括：第一插芯、第二插芯、第三插芯、第四插芯、介质膜、锥形增益光纤和半导体可饱和吸收镜；

所述介质膜设置在所述第一插芯的端面上；所述介质膜与所述第二插芯的端面对接；所述锥形增益光纤的第一端插接所述第二插芯的尾柄；所述锥形增益光纤的第二端插接所述第三插芯的尾柄；所述半导体可饱和吸收镜固定在所述第四插芯的端面上；所述第三插芯的端面与所述半导体可饱和吸收镜对接。

可选的，所述锥形增益光纤为单锥增益光纤；所述单锥增益光纤包括光纤单锥区；所述光纤单锥区的第一端与所述第二插芯的尾柄插接；所述光纤单锥区的第二端与所述第三插芯的尾柄插接；所述光纤单锥区的直径从第一端到第二端呈渐缩趋势。

可选的，所述单锥增益光纤还包括光纤未拉锥区；所述光纤未拉锥区的第一端与所述第二插芯的尾柄插接；所述光纤未拉锥区的第二端与所述光纤单锥区的第一端连接；所述光纤未拉锥区的光纤直径等于所述光纤单锥区的第一端的光纤直径。

可选的，所述锥形增益光纤为双锥增益光纤或者多锥增益光纤；所述双锥增益光纤包括一个双锥区；所述多锥增益光纤包括多个双锥区。

可选的，所述双锥区包括第一光纤未拉锥区、第二光纤未拉锥区、直径渐缩区和直径渐扩区；

所述第一光纤未拉锥区的第一端与所述第二插芯的尾柄插接；所述第一光纤未拉锥区的第二端与所述直径渐缩区的第一端连接；所述直径渐缩区的第二端与所述直径渐扩区的第一端连接；所述直径渐扩区的第二端与所述第二光纤未拉锥区的第一端连接；所述第二光纤未拉锥区的第二端与所述第三插芯的尾柄插接；

所述直径渐缩区从第一端到第二端光纤直径呈渐缩趋势；所述直径渐扩区从第一端到第二端光纤直径呈渐扩趋势；所述直径渐缩区的第二端光纤直径和所述直径渐扩区的第一端光纤直径相等。

可选的，所述双锥区还包括一个锥腰区；

所述第一光纤未拉锥区的第一端与所述第二插芯的尾柄插接；所述第一光纤未拉锥区的第二端与所述直径渐缩区的第一端连接；所述直径渐缩区的第二端与所述锥腰区的第一端连接；所述锥腰区的第二端与直径渐扩区的第一端连接；所述直径渐扩区的第二端与所述第二光纤未拉锥区的第一端连接；所述第二光纤未拉锥区的第二端与所述第三插芯的尾柄插接；

所述直径渐缩区的第二端光纤直径、所述直径渐扩区的第一端光纤直径和所述锥腰区的光纤直径相等。

可选的，多个所述双锥区以所述第二光纤未拉锥区的第二端为对称轴对称设置。

可选的，所述锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔还包括第一套管和第二套管；

所述第一套管套设在所述第一插芯、所述介质膜和所述第二插芯的外侧；

所述第二套管套设在所述锥形增益光纤的外侧；

所述第一套管还套设在所述第三插芯、半导体可饱和吸收镜和第四插芯的外侧。

可选的，所述锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔为法布里-珀罗腔。

可选的，所述介质膜对产生的激光的反射率大于50％；所述半导体可饱和吸收镜对激光的反射率大于50％。

一种锥形增益光纤高重频飞秒激光器，包括：泵浦源、波分复用器、光隔离器、偏振控制器和如上述任意一项所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其中泵浦源为单模半导体激光器；

所述波分复用器分别与所述锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔的第一插芯尾柄和所述单模半导体激光器连接；所述波分复用器用于将泵浦光耦合进谐振腔并将产生的飞秒激光脉冲输出谐振腔外；所述光隔离器与所述波分复用器连接；所述偏振控制器设置在所述泵浦光的输出端，所述偏振控制器用于调整输入谐振腔的泵浦光偏振态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔及激光器，通过在第二插芯和第三插芯之间设置锥形增益光纤，克服在厘米量级谐振腔内调控色散的困难，在GHz高重频激光中实现脉冲宽度可调控的激光输出。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的单锥增益光纤高重频飞秒激光谐振腔结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的带有未拉锥区的单锥增益光纤高重频飞秒激光谐振腔结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的带有未拉锥区的单锥增益光纤高重频飞秒激光谐振腔结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的双锥增益光纤高重频飞秒激光谐振腔结构示意图；

图5为本发明实施例四提供的带有锥腰区的双锥增益光纤高重频飞秒激光谐振腔结构示意图

图6为本发明实施例五提供的多锥增益光纤高重频飞秒激光谐振腔结构示意图；

图7为本发明实施例五提供的带有锥腰区的多锥增益光纤高重频飞秒激光谐振腔结构示意图；

图8为本发明提供的锥形增益光纤高重频飞秒激光器结构示意图。

符号说明：

1-第一插芯；2-第四插芯；3-介质膜；4-半导体可饱和吸收镜(SESAM)；5-第二插芯；6-单锥增益光纤；7-第二套管；8-第一套管；9-双锥增益光纤；10-多锥增益光纤；11-单模半导体激光器(LD)；12-偏振控制器(PC)；13-光隔离器(ISO)；14-波分复用器(WDM)；15-第三插芯。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔及激光器，通过将多种锥形结构的增益光纤设计在激光谐振腔中，以实现GHz重频激光脉冲输出，同时实现输出的脉冲宽度可调控。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

锥形增益光纤为激光谐振腔中的增益介质，具有单锥、双锥和多锥结构。在实验中通过改变圆柱形光纤长度L1即光纤未拉锥区长度、轴向锥区长度L2即光纤单锥区长度/直径渐缩区及直径渐扩区长度之和、锥区最小截面直径/锥腰直径L3和锥腰区长度L4，即改变锥形增益光纤的结构参数来灵活改变谐振腔系统参数，具体指谐振腔的色散、非线性以及增益分布等系统参数。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，包括：第一插芯1、第二插芯5、第三插芯15、第四插芯2、介质膜3、锥形增益光纤和半导体可饱和吸收镜(SESAM)4。

所述介质膜3设置在所述第一插芯1的端面上；所述介质膜3与所述第二插芯5的端面对接；所述锥形增益光纤的第一端插接所述第二插芯5的尾柄；所述锥形增益光纤的第二端插接所述第三插芯15的尾柄；所述SESAM 4固定在所述第四插芯2的端面上；所述第三插芯15的端面与所述SESAM 4对接。

在实际应用中，锥形增益光纤插接在第二插芯5和第三插芯15的内径中，用环氧树脂进行固定，并对第二插芯5和第三插芯15的两端面进行抛光处理，第二插芯5和第三插芯15的尾柄固定在第二套管7的两端。所述介质膜3通过第一套管8与所述第二插芯5的端面对接；介质膜3与第二插芯5存在一定的间隙；所述第三插芯15的端面通过第一套管8与所述SESAM 4对接，所述第三插芯15与所述SESAM 4之间设有一定间隙。

其中，所述锥形增益光纤为单锥增益光纤6；所述单锥增益光纤6包括光纤单锥区；所述光纤单锥区的第一端与所述第二插芯5的尾柄插接；所述光纤单锥区的第二端与所述第三插芯15的尾柄插接；所述光纤单锥区的直径从第一端到第二端呈渐缩趋势。渐缩趋势即光纤单锥区的直径从第一端到第二端逐渐减小，且纤芯和包层的半径比与光纤未拉锥区的纤芯和包层的半径比保持一致。

所述锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔还包括第一套管8和第二套管7。

所述第一套管8套设在所述第一插芯1、所述介质膜3和所述第二插芯5的外侧。

所述第二套管7套设在所述锥形增益光纤的外侧。

所述第一套管8还套设在所述第三插芯15、SESAM 4和第四插芯2的外侧。

在实际应用中，第一插芯1、第二插芯5、第三插芯15和第四插芯2均为陶瓷插芯且内径与锥形增益光纤匹配。第一套管8和第二套管7均为陶瓷套管。

在实际应用中，所述锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔为法布里-珀罗腔。

在实际应用中，所述介质膜3对泵浦光的透过率大于80％，所述介质膜3对产生的激光的反射率大于50％；所述SESAM 4对激光的反射率大于50％。介质膜3为二色介质膜，二色介质膜通过等离子体溅射方法镀制在装载无源光纤的陶瓷插芯(第一插芯1)端面，而后通过陶瓷套管与陶瓷插芯(第二插芯5)端面对接，进而与锥形增益光纤连接；二色介质膜对泵浦光有高的透过率(T>80％)，对产生的激光波长有高反射率(R>50％)；所述SESAM 4对激光波长的光有高反射率(保护范围>50％)。

半导体可饱和吸收镜(SESAM)4，其固定在陶瓷插芯(第四插芯2)端面，而后通过套管方式与装载锥形增益光纤的陶瓷插芯(第三插芯15)端面对接。锥形增益光纤，通过氢氧焰熔融拉锥方法获得，光纤锥区纤芯和包层直径保持原比例缩小，损耗较小且形状均匀，通过改变其结构参数可以实施对色散、非线性以及增益分布等系统参数的调控，以实现脉冲宽度的可调控。所述锥形增益光纤的种类，包括能提供激光增益的如掺Nd³⁺、掺Yb³⁺、掺Er³⁺、掺Tm³⁺、掺Pr³⁺等高增益系数的掺稀土离子光纤，谐振腔腔长保护范围<10cm。

谐振腔为法布里-珀罗腔结构。谐振腔结构紧凑，能实现>1GHz重复频率、可调控的窄脉宽激光脉冲输出。谐振腔结构整体长度小于10cm，第二套管7内径为2mm，装载锥形增益光纤的陶瓷插芯能恰好放置在套管两端不松动；第一套管8内径为4.5mm，镀制二色介质膜和固定SESAM的陶瓷插芯能恰好放置在第一套管8内并与装载锥形增益光纤的陶瓷插芯对接。

SESAM 4用于对信号光提供高反射率同时实现可饱和吸收作用，其面积为1.0×1.0mm，厚度为450μm，调制深度5％；二色介质膜厚度为11.2μm，对信号光反射率88％，对泵浦光的透过率>90％。陶瓷插芯和套管的结构参数都与锥形增益光纤结构参数匹配，保证增益光纤能紧凑稳固的放置在二色介质膜和SESAM 4之间，实现谐振腔全光纤结构和长期稳定工作。

图1为本实施例的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔结构图。对商用高掺Er³⁺离子石英光纤熔融拉锥获得的低损耗、单锥增益光纤6，该实施例中L1＝0cm，L2＝3.0cm，L3＝30μm；利用环氧树脂固定在内径匹配的第二插芯5和第三插芯15内部，插芯端面均做抛光处理。如图1所示，装载单锥增益光纤6的第二插芯5左侧通过第一套管8与光纤镀膜即介质膜3对接，该膜系厚度为16μm，反射中心波长为1550nm、反射带宽为1480-1700nm、反射率98％；透过中心波长：为976nm、透射率>90％。该对接方法可实现泵浦光高效耦合进入单锥增益光纤6，产生的GHz重频脉冲激光以2％的透过率通过该膜系输出腔外。第三插芯15右侧通过第一套管8与SESAM 4对接，用环氧树脂将厚度为450μm的SESAM 4固定在第四插芯2的端面，该SESAM 4的反射中心波长为1550nm，非饱和吸收7％，调制深度3％，非饱和损耗4％，饱和通量15μJ/cm²，恢复时间10ps，损伤阈值800μJ/cm²。利用此技术构成全光纤激光谐振腔。

将本实施例的谐振腔应用于激光器中时，单模半导体激光器11的波长为974nm，输出最高功率1W，通过波分复用器14来泵浦谐振腔中的单锥增益光纤6，通过锥形增益光纤的结构参数来调控色散、非线性以及增益分布的系统参数，实现窄脉冲输出，产生的3GHz高重频超短脉冲激光通过波分复用器14的信号端经光隔离器13输出腔外。

实施例二

如图2所示，本实施例提供的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔与实施例一不同的是，所述锥形增益光纤的光纤未拉锥区长度L1不为0。所述单锥增益光纤6还包括光纤未拉锥区；所述光纤未拉锥区的第一端与所述第二插芯5的尾柄插接；所述光纤未拉锥区的第二端与所述光纤单锥区的第一端连接；所述光纤未拉锥区的光纤直径等于所述光纤单锥区的第一端的光纤直径。

对商用高掺Yb³⁺离子石英光纤熔融拉锥获得的低损耗、单锥增益光纤6，单锥增益光纤6的结构参数L1、L2以及L3可以根据需要通过拉锥和装载插芯时调控，该实施例中L1＝1.4cm，L2＝3.0cm，L3＝30μm；利用环氧树脂固定在内径匹配的第二插芯5和第三插芯15内部，再将第二插芯5和第三插芯15及锥形增益光纤固定在第二套管7内，第二插芯5和第三插芯15两端面做抛光处理。在实际应用中，锥形增益光纤的光纤未拉锥区和锥区结构是通过一根光纤进行熔融拉锥得到的。

如图2所示，装载单锥增益光纤6的第二插芯5左侧通过第一套管8与介质膜3对接，该膜系厚度为11.2μm，反射中心波长为1030nm、反射带宽为1010-1050nm、反射率95％；透过中心波长：为976nm、透射率>90％。该对接方法可实现泵浦光高效耦合进入单锥增益光纤6，产生的GHz重频脉冲激光以5％的透过率通过该膜系输出腔外。第三插芯15端面通过第一套管8与SESAM4对接，用环氧树脂将厚度为450μm的SESAM 4固定在第四插芯2端面，该SESAM 4的反射中心波长为1040nm，非饱和吸收15％，调制深度8％，非饱和损耗7％，饱和通量50μJ/cm²，恢复时间500fs，损伤阈值1.8mJ/cm²。利用此技术构成全光纤激光谐振腔。

将本实施例的谐振腔应用于激光器中时，单模半导体激光器11的波长为974nm，输出最高功率1W，通过波分复用器14来泵浦谐振腔中的单锥增益光纤6，产生的2.27GHz高重频超短脉冲激光通过波分复用器14的信号端经光隔离器13输出腔外。其中，通过偏振控制器12调整泵浦光的偏振态来微调脉冲运转状态，通过锥形光纤结构参数来调控色散、非线性以及增益分布的系统参数，以实现窄脉冲输出。以上各个器件均通过单模光纤连接。

实施例三

如图3所示，对商用高掺Tm³⁺离子石英光纤熔融拉锥获得的低损耗、单锥增益光纤6，该实施例中L1＝1.4cm，L2＝3.0cm，L3＝50μm；利用环氧树脂固定在内径匹配的第二插芯5和第三插芯15内部，第二插芯5和第三插芯15两端面做抛光处理。如图3所示，装载单锥增益光纤6的第二插芯5左侧通过第一套管8与介质膜3对接，该膜系厚度为22.6μm，反射中心波长为1950nm、反射带宽为1800-2100nm、反射率95％；透过中心波长为1570nm、透射率>90％。该对接方法可实现泵浦光高效耦合进入单锥增益光纤6，产生的GHz重频脉冲激光以5％的透过率通过该膜系输出腔外。第三插芯15右侧通过第一套管8与SESAM 4对接，用环氧树脂将厚度为625μm的SESAM 4固定在第四插芯2的端面，该SESAM 4的反射中心波长为2000nm，非饱和吸收2％，调制深度1.2％，非饱和损耗0.8％，饱和通量70μJ/cm²，恢复时间10ps，损伤阈值4mJ/cm²。利用此技术构成全光纤激光谐振腔。

将本实施例的谐振腔应用于激光器中时，单模半导体激光器11的波长为1570nm，输出最高功率3W，通过波分复用器14来泵浦谐振腔中的单锥增益光纤6，通过锥形光纤结构参数来调控色散、非线性以及增益分布的系统参数，实现窄脉冲，产生的2.27GHz高重频超短脉冲激光通过波分复用器14的信号端经光隔离器13输出腔外。

实施例四

与前三个实施例不同的是，本实施例中所述锥形增益光纤为双锥增益光纤9或者多锥增益光纤10；所述双锥增益光纤9包括一个双锥区；所述多锥增益光纤10包括多个双锥区。如图4所示，所述双锥区包括第一光纤未拉锥区、第二光纤未拉锥区、直径渐缩区和直径渐扩区。

所述第一光纤未拉锥区的第一端与所述第二插芯5的尾柄插接；所述第一光纤未拉锥区的第二端与所述直径渐缩区的第一端连接；所述直径渐缩区的第二端与所述直径渐扩区的第一端连接；所述直径渐扩区的第二端与所述第二光纤未拉锥区的第一端连接；所述第二光纤未拉锥区的第二端与所述第三插芯15的尾柄插接。

所述直径渐缩区从第一端到第二端光纤直径呈渐缩趋势，即直径逐渐减小；所述直径渐扩区从第一端到第二端光纤直径呈渐扩趋势，即直径逐渐增大；所述直径渐缩区的第二端光纤直径和所述直径渐扩区的第一端光纤直径相等。直径渐缩区和直径渐扩区的纤芯和包层的半径比与光纤未拉锥区的纤芯和包层的半径比保持一致。

对商用高掺Yb³⁺离子石英光纤熔融拉锥获得的低损耗、双锥增益光纤9，双锥增益光纤9的锥腰处在谐振腔的中间，该实施例中L1＝1.5cm，L2＝6.5cm，L3＝30μm；利用环氧树脂固定在内径匹配的第二插芯5和第三插芯15内部，第二插芯5和第三插芯15两端面做抛光处理。如图4所示，装载双锥增益光纤9的第二插芯5左侧通过第一套管8与介质膜3对接，该膜系厚度为11.2μm，反射中心波长为1030nm、反射带宽为1010-1050nm、反射率95％；透过中心波长为976nm、透射率>90％。该对接方法可实现泵浦光高效耦合进入双锥增益光纤9，产生的GHz重频脉冲激光以5％的透过率通过该膜系输出腔外。第三插芯15右侧通过第一套管8与SESAM 4对接，用环氧树脂将厚度为450μm的SESAM 4固定在第四插芯2的端面，该SESAM4的反射中心波长为1040nm，非饱和吸收15％，调制深度8％，非饱和损耗7％，饱和通量50μJ/cm²，恢复时间500fs，损伤阈值1.8mJ/cm²。利用此技术构成全光纤激光谐振腔。

将本实施例的谐振腔应用于激光器中时，单模半导体激光器11的波长为974nm，输出最高功率1W，通过波分复用器14来泵浦谐振腔中的双锥增益光纤9，通过双锥增益光纤结构参数来调控色散、非线性以及增益分布的系统参数以实现窄脉冲，产生的1.05GHz高重频超短脉冲激光通过波分复用器14的信号端经光隔离器13输出腔外。

如图5所示，在实际应用中双锥增益光纤9的双锥区还包括一个锥腰区；所述第一光纤未拉锥区的第一端与所述第二插芯5的尾柄插接；所述第一光纤未拉锥区的第二端与所述直径渐缩区的第一端连接；所述直径渐缩区的第二端与所述锥腰区的第一端连接；所述锥腰区的第二端与直径渐扩区的第一端连接；所述直径渐扩区的第二端与所述第二光纤未拉锥区的第一端连接；所述第二光纤未拉锥区的第二端与所述第三插芯15的尾柄插接；所述直径渐缩区的第二端光纤直径、所述直径渐扩区的第一端光纤直径和所述锥腰区的光纤直径相等。所述锥腰区的光纤直径小于未拉锥区光纤直径并且保持不变，且纤芯和包层的半径比与光纤未拉锥区的纤芯和包层的半径比保持一致。

实施例五

如图6和图7所示，本实施例中所述锥形增益光纤为多锥增益光纤10，所述多锥增益光纤10包括多个所述双锥区，并以所述第二光纤未拉锥区的第二端为对称轴对称设置。

对商用高掺Yb³⁺离子石英光纤熔融拉锥获得的低损耗、多锥增益光纤10，引入3个周期性双锥结构，总长度约为9.6cm。单个周期性双锥结构长度为3.2cm，包括L1＝0.4cm，L2＝2.4cm以及锥腰直径L3＝30μm。利用环氧树脂固定在内径匹配的插芯5内部，两端做抛光处理。

装载多锥增益光纤10的第二插芯5左侧通过第一套管8与介质膜3对接，该膜系厚度为11.2μm，反射中心波长为1030nm、反射带宽为1010-1050nm、反射率95％；透过中心波长为976nm、透射率>90％。该对接方法可实现泵浦光高效耦合进入多锥增益光纤10，产生的GHz重频脉冲激光以5％的透过率通过该膜系输出腔外。第三插芯15端面通过第一套管8与SESAM 4连接，用环氧树脂将厚度为450μm的SESAM 4固定在第四插芯2的端面，该SESAM4的反射中心波长为1040nm，非饱和吸收15％，调制深度8％，非饱和损耗7％，饱和通量50μJ/cm²，恢复时间500fs，损伤阈值1.8mJ/cm²。

在9.6cm长度的掺Yb³⁺离子增益光纤上引入多个双锥结构，较单锥和双锥增益光纤，能够更大程度的调控谐振腔的系统参数，改变脉冲形成机理，实现脉冲宽度压缩。将本实施例中的谐振腔结构应用到激光器产生的1.04GHz高重频超短脉冲激光通过WDM 14的信号端经光隔离器13输出腔外。

如图8所示，本发明还提供一种锥形增益光纤高重频飞秒激光器，包括泵浦源，其中泵浦源为单模半导体激光器11、波分复用器14、光隔离器13、偏振控制器12和上述实施例所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔；所述波分复用器14分别与所述锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔的第一插芯1的尾柄和所述单模半导体激光器11连接；所述波分复用器14用于将泵浦光耦合进谐振腔并将产生的飞秒激光脉冲输出谐振腔外；所述光隔离器13与所述波分复用器14连接；所述偏振控制器12设置在所述单模半导体激光器11的输出端，所述偏振控制器用于调整输入谐振腔的泵浦光偏振态。以上连接均使用单模光纤低损耗熔接，构成激光器全光纤结构。

所述单模半导体激光器11，其发射波长与稀土离子的泵浦吸收波长匹配；所述波分复用器14(以下简称WDM)，其通过光纤与单模半导体激光器11(以下简称LD)、谐振腔连接，用于将泵浦光耦合进谐振腔和将产生的飞秒脉冲输出腔外。所述光隔离器13(以下简称ISO)，其通过单模光纤与WDM 14连接，用于抑制返回光带来的不稳定干扰。所述偏振控制器12(以下简称PC)，其放置在LD输出端后，用于调整输入谐振腔的泵浦光偏振态。激光器中的各部分均通过单模光纤连接，不包含空间光器件，整个激光器为全光纤结构。

相比于传统圆柱形光纤，调控锥形光纤结构将使其色散、损耗、非线性以及增益(针对有源光纤)等参数发生相应改变。利用其特点，本发明通过改变传统增益光纤结构来改变其色散、非线性以及增益分布等系统参数，利用多结构锥形增益光纤构建厘米级飞秒激光全光纤谐振腔，重塑脉冲形成机制来实现输出激光脉冲的精准调控，以实现高重频和窄脉宽的激光同步输出，开拓其应用范围。本发明可实现GHz基础重复频率、脉冲宽度可调控的激光脉冲输出，谐振腔总长度小于10cm。

本发明的有益效果在于：

(1)基于多结构锥形增益光纤厘米级激光谐振腔的结构创新：之前的锥形光纤通常作为无源功能器件应用在激光以及微纳光学等领域。针对高重频激光的厘米级腔长这一特点，本发明提出用锥形增益光纤来完全替换圆柱形光纤，锥形光纤的长度即为总腔长。通过锥形光纤结构参数来精准调控色散、非线性以及增益分布的系统参数，重塑脉冲形成机理。

(2)在GHz重复频率光纤激光中实现脉冲宽度可调控的创新：自2005年该类型激光首次被研究以来，GHz高重频光纤激光脉宽通常在ps或者亚ps量级，这一定程度上限制了此类光源的应用。该发明采用多结构锥形光纤来克服在厘米量级谐振腔内调控色散的困难，在GHz高重频激光中实现脉冲宽度可调控的激光输出，以提升此类光源的竞争力和实用化水平。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其特征在于，包括：第一插芯、第二插芯、第三插芯、第四插芯、介质膜、锥形增益光纤和半导体可饱和吸收镜；

所述介质膜设置在所述第一插芯的端面上；所述介质膜与所述第二插芯的端面对接；所述锥形增益光纤的第一端插接所述第二插芯的尾柄；所述锥形增益光纤的第二端插接所述第三插芯的尾柄；所述半导体可饱和吸收镜固定在所述第四插芯的端面上；所述第三插芯的端面与所述半导体可饱和吸收镜对接；

所述锥形增益光纤为单锥增益光纤、双锥增益光纤或者多锥增益光纤；所述双锥增益光纤包括一个双锥区；所述多锥增益光纤包括多个双锥区；

所述双锥区包括第一光纤未拉锥区、第二光纤未拉锥区、直径渐缩区和直径渐扩区；

所述第一光纤未拉锥区的第一端与所述第二插芯的尾柄插接；所述第一光纤未拉锥区的第二端与所述直径渐缩区的第一端连接；所述直径渐缩区的第二端与所述直径渐扩区的第一端连接；所述直径渐扩区的第二端与所述第二光纤未拉锥区的第一端连接；所述第二光纤未拉锥区的第二端与所述第三插芯的尾柄插接；

所述直径渐缩区从第一端到第二端光纤直径呈渐缩趋势；所述直径渐扩区从第一端到第二端光纤直径呈渐扩趋势；所述直径渐缩区的第二端光纤直径和所述直径渐扩区的第一端光纤直径相等。

2.根据权利要求1所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其特征在于，所述单锥增益光纤包括光纤单锥区；所述光纤单锥区的第一端与所述第二插芯的尾柄插接；所述光纤单锥区的第二端与所述第三插芯的尾柄插接；所述光纤单锥区的直径从第一端到第二端呈渐缩趋势。

3.根据权利要求2所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其特征在于，所述单锥增益光纤还包括光纤未拉锥区；所述光纤未拉锥区的第一端与所述第二插芯的尾柄插接；所述光纤未拉锥区的第二端与所述光纤单锥区的第一端连接；所述光纤未拉锥区的光纤直径等于所述光纤单锥区的第一端的光纤直径。

4.根据权利要求1所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其特征在于，所述双锥区还包括一个锥腰区；

所述第一光纤未拉锥区的第一端与所述第二插芯的尾柄插接；所述第一光纤未拉锥区的第二端与所述直径渐缩区的第一端连接；所述直径渐缩区的第二端与所述锥腰区的第一端连接；所述锥腰区的第二端与直径渐扩区的第一端连接；所述直径渐扩区的第二端与所述第二光纤未拉锥区的第一端连接；所述第二光纤未拉锥区的第二端与所述第三插芯的尾柄插接；

所述直径渐缩区的第二端光纤直径、所述直径渐扩区的第一端光纤直径和所述锥腰区的光纤直径相等。

5.根据权利要求1或4所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其特征在于，多个所述双锥区以所述第二光纤未拉锥区的第二端为对称轴对称设置。

6.根据权利要求1所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其特征在于，所述锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔还包括第一套管和第二套管；

所述第一套管套设在所述第一插芯、所述介质膜和所述第二插芯的外侧；

所述第二套管套设在所述锥形增益光纤的外侧；

所述第一套管还套设在所述第三插芯、半导体可饱和吸收镜和第四插芯的外侧。

7.根据权利要求1所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其特征在于，所述锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔为法布里-珀罗腔。

8.根据权利要求1所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其特征在于，所述介质膜对产生的激光的反射率大于50％；所述半导体可饱和吸收镜对激光的反射率大于50％。

9.一种锥形增益光纤高重频飞秒激光器，其特征在于，包括泵浦源、波分复用器、光隔离器、偏振控制器和如权利要求1-8任意一项所述的锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔，其中泵浦源为单模半导体激光器；

所述波分复用器分别与所述锥形增益光纤高重频飞秒激光谐振腔的第一插芯尾柄和所述单模半导体激光器连接；所述波分复用器用于将泵浦光耦合进谐振腔并将产生的飞秒激光脉冲输出谐振腔外；所述光隔离器与所述波分复用器连接；所述偏振控制器设置在所述泵浦光的输出端，所述偏振控制器用于调整输入谐振腔的泵浦光偏振态。

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