CN113540944A - 一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，它属于超快光纤激光器技术领域。解决现有2μm波段的9字腔锁模光纤激光器多脉冲碰撞导致易失锁，且单脉冲难以自启动的问题。一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，它包括泵浦源、2×2波分复用兼输出耦合器、增益光纤、色散补偿光纤、保偏双纤准直器、非互易相移器、偏振分束器和平面端镜。本发明用于2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器。

Description

一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激 光器
技术领域
本发明属于超快光纤激光器技术领域。
背景技术
处于大气透明窗口和多种分子的指纹光谱区的2.1μm波段的光纤超快激光器具有光束质量好、脉冲宽度窄、光谱带宽宽、质量体积小以及稳定性好等特点在阿秒科学、精密材料加工、临床医学、精密测量及国防安全等广泛应用领域具有得天独厚的优势。结合Ho:YAG啁啾脉冲放大技术和ZnGP2非线性频率变换技术，可以高效获得高能量的中红外飞秒光学频率梳。传统直接获得2.1μm光纤超快脉冲的主流技术途径主要有掺钬光纤被动锁模激光器和铥钬共掺光纤被动锁模激光器，且多以非保偏光纤结构为主，采用的被动锁模技术主要为可饱和吸收材料锁模(比如SESAM、石墨烯和黑磷等)、非线性偏振演化锁模、8字腔非线性环形镜锁模和Mamyshev振荡器，多数以非保偏光纤结构为主。
随着超快激光技术不断发展加快走向实用化的步伐，一些户外应用场景或者高精密应用领域对激光器提出了更好的性能要求，比如机载舰载应用场景的环境温度、湿度、振动和噪声错综复杂，对超快激光器的环境适应性、脉冲稳定性和自启动能力要求极高，而传统的非保偏非线性偏振演化锁模调制深度大、弛豫时间短，能产生极低噪声飞秒脉冲，但NPE锁模光纤激光器需采用非保偏光纤，对环境扰动非常敏感，偏振变化直接影响锁模状态，一旦失锁，锁模状态重复性差，在外界环境干扰下无法保证长期自启动运行。基于保偏光纤结构的新一代飞秒锁模振荡器已经被广泛证明具有优异的抗环境干扰性。非线性偏振演化锁模机制虽然可以基于保偏光纤构建，但调制深度不高，角度和长度熔接精度要求高，群速度失配控制调节自由太少，难以产生高质量飞秒脉冲，目前尚无关于2μm保偏非线性偏振演化锁模激光器的报道。同时，精密测量领域除要求激光器具有可靠的自启动能力和环境适应性外，在输出激光核心参数方面还要求超快脉冲激光重频高、脉宽窄、光谱宽和相位噪声低等综合性能。商用半导体可饱和吸收镜尽管与保偏光纤结构兼容，易于光纤器件集成化，但是受限于半导体可饱和吸收镜的低损伤阈值、有限的工作带宽、皮秒级响应时间，半导体可饱和吸收镜锁模2μm光纤激光器的输出脉宽和光谱带宽有限。且非线性吸收特性随时间推移退化明显，寿命无法保证。而8字腔非线性环形镜锁模2μm光纤激光器抗环境扰动能力强，但缺乏高掺杂保偏增益光纤和保偏三阶色散补偿光纤，另一方面，这些光纤在2μm波段处反常色散值较大，相关无源光纤器件发展相对滞后，器件的插入损耗等参数较1μm波段相差不少，在较低泵浦功率时，连续振荡光的透过率极低难以积累非线性相移量，需要较高的泵浦功率或者较长的腔长设计才能实现自启动锁模，长期以来面临自启动难的问题腔长无法缩短，因此普遍具有锁模阈值高、重频低和脉宽较宽的特点，在较高泵浦条件下由于峰值功率钳制效应进入耗散孤子共振和类噪声ns脉冲锁模机制。新型的基于自相位调制和偏移滤波技术的Mamyshev振荡器可直接输出μJ级少周期飞秒脉冲，且2μm的掺铥光纤Mamyshve振荡器已有报道，但其难以自启动问题依然未得到根本解决，离实用化仍有很长的距离要走。
而保偏9字腔非线性放大环形镜锁模机制通过简化设计和引入非互易相移器实现了腔长缩短和锁模阈值降低，设计灵活性和调节自由度多，不仅抗损伤阈值高、自启动功能强、长期稳定性好，已被验证可产生高重复率、窄脉宽和低噪声的飞秒脉冲，可满足极端环境下的精密测量应用，在高端超快激光器领域具有广阔的商业化前景。截至目前，关于9字腔锁模光纤激光器多基于掺镱和掺铒光纤组建，而关于2μm波段的9字腔锁模光纤激光器研究相当匮乏。由于非线性相移过度驱使，九字腔通常以多脉冲锁模启动，通过降低泵浦功率可以实现单脉冲锁模，也可能脉冲碰撞失锁，尤其在2μm波段，石英基光纤具有较大的反常色散，全负色散掺钬光纤9字腔激光器中脉冲分裂严重，难以实现单脉冲自启动，这极大削弱了激光器的实用性。
发明内容
本发明目的是为了解决现有2μm波段的9字腔锁模光纤激光器多脉冲碰撞导致易失锁，且单脉冲难以自启动的问题，提供了一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器。
一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，它包括泵浦源、2×2波分复用兼输出耦合器、增益光纤、色散补偿光纤、保偏双纤准直器、非互易相移器、偏振分束器和平面端镜；
所述的泵浦源、2×2波分复用兼输出耦合器、增益光纤、色散补偿光纤和保偏双纤准直器构成全保偏非线性放大光纤环路；
所述的非互易相移器、偏振分束器和平面端镜构成空间直线干涉臂；所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器、第一相位延迟片及第二相位延迟片依次设置构成；或所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器及第一相位延迟片依次设置构成；
所述的2×2波分复用兼输出耦合器包括反射端、公共端、信号输出端和信号通过端，限定为慢轴工作；
泵浦源与2×2波分复用兼输出耦合器的反射端相连，2×2波分复用兼输出耦合器的公共端通过增益光纤与保偏双纤准直器的p-port端口连接，2×2波分复用兼输出耦合器的信号通过端通过色散补偿光纤与保偏双纤准直器的s-port端口相连接，2×2波分复用兼输出耦合器的信号输出端用于输出锁模脉冲序列；
泵浦光经2×2波分复用兼输出耦合器耦合进增益光纤，激发产生沿光纤环路双向传输的振荡光，双向振荡光在保偏双纤准直器合束准直进入空间直线干涉臂，依次经过非互易相移器和偏振合束器，竖直偏振分量在偏振分束器反射输出，透射的水平偏振分量经平面端镜反射回原路，经保偏双纤准直器分束再次进入全保偏非线性放大光纤环路，沿增益光纤和色散补偿光纤进行双向放大和色散补偿，多次往复实现稳定锁模。
本发明的优点：
1、本发明通过采用双波片制作可调非互易相移器，连续可调的线性相移量和连续可调的锁模调制深度分别可以独立操控实现。特别是在光纤放大环路设置单向输出耦合器和改变平面端镜的反射率进行损耗管理，削弱双向传输脉冲在光纤非线性放大环路中的非线性相移积累量，同时保证双向传输脉冲之间相干相长的非线性相移偏差，抑制了多脉冲启动，解决了单脉冲自启动问题。特别是在优化好第一相位延迟片及第二相位延迟片角度后，无需再调节腔，仅需增加泵浦功率就可以实现单脉冲自启动锁模。光纤区域和空间区域的三个输出口便于比较激光器不同位置处的脉冲时频域特性，利于同时诊断振荡器和进行后续光纤功率放大。
2、本发明中基于T-型双纤准直器的9字腔锁模保偏掺钬光纤激光器，通过运用保偏混合器件和集成化的空间器件，使激光器兼顾紧凑稳定的结构和调节的灵活性，空间部分可以缩短到5cm以内，接近完全光纤化结构，轻拍光纤及敲击空间器件支柱，锁模状态保持，激光器抗振动干扰能力出色，具有长期稳定工作能力。空间光路方便维护，利于小型化集成化。
3、本发明中通过旋转波片可以对非线性放大环形镜的梳状滤波特性，对输出中心波长进行调谐。可以实现在多个中心波长附近调谐的锁模脉冲。本发明中波长为2090nm附近，便于进行高能量Ho:YAG啁啾脉冲放大。
4、本发明引入保偏正色散光纤进行色散管理，增加了腔内损耗，使脉冲在腔内经历周期性展宽压缩，获得了较高的平均功率输出。通过剪裁保偏正色散光纤长度，可以使振荡器实现稳定锁模的正色散、近零色散及负色散锁模状态。
5、本发明中的第二相位延迟片非必要，去掉以后，可以实现单一锁模状态，在给定合适泵浦功率下，激光器的锁模状态仅决定于波片角度。锁模状态重可复性，便于维护。
6、本发明中的非互易相位偏移器使用巴俾涅补偿片时，还提供了一种可编程优化9字腔锁模脉冲能量的简单技术方案。
综上，2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器具有稳定兼具灵活的设计、可靠的单脉冲自启动能力、高抗环境干扰能力、长期稳定运行水平，以及宽光谱窄脉宽和波长可调谐的输出特性，可为高能量Ho:YAG啁啾脉冲放大系统提供一种稳定可靠的2.1μm飞秒脉冲种子源。
附图说明
图1为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的结构示意图；
图2为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的单脉冲锁模脉冲序列；
图3为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的单脉冲锁模重复频率；
图4为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的单脉冲锁模光谱宽度；
图5为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的单脉冲锁模脉冲宽度，1为测量的强度自相关轨迹，2为双曲正割非线性拟合曲线；
图6为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器3小时自由运行时的输出功率稳定性；
图7为实施例二2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的结构示意图；
图8为实施例三2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、7及8说明，本实施方式一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，它包括泵浦源1、2×2波分复用兼输出耦合器2、增益光纤3、色散补偿光纤4、保偏双纤准直器5、非互易相移器、偏振分束器9和平面端镜10；
所述的泵浦源1、2×2波分复用兼输出耦合器2、增益光纤3、色散补偿光纤4和保偏双纤准直器5构成全保偏非线性放大光纤环路；
所述的非互易相移器、偏振分束器9和平面端镜10构成空间直线干涉臂；所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器6、第一相位延迟片7及第二相位延迟片8依次设置构成；或所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器6及第一相位延迟片7依次设置构成；
所述的2×2波分复用兼输出耦合器2包括反射端、公共端、信号输出端和信号通过端，限定为慢轴工作；
泵浦源1与2×2波分复用兼输出耦合器2的反射端相连，2×2波分复用兼输出耦合器2的公共端通过增益光纤3与保偏双纤准直器5的p-port端口连接，2×2波分复用兼输出耦合器2的信号通过端通过色散补偿光纤4与保偏双纤准直器5的s-port端口相连接，2×2波分复用兼输出耦合器2的信号输出端用于输出锁模脉冲序列；
泵浦光经2×2波分复用兼输出耦合器2耦合进增益光纤3，激发产生沿光纤环路双向传输的振荡光，双向振荡光在保偏双纤准直器5合束准直进入空间直线干涉臂，依次经过非互易相移器和偏振合束器9，竖直偏振分量在偏振分束器9反射输出，透射的水平偏振分量经平面端镜10反射回原路，经保偏双纤准直器5分束再次进入全保偏非线性放大光纤环路，沿增益光纤3和色散补偿光纤4进行双向放大和色散补偿，多次往复实现稳定锁模。
具体实施方式基于非线性放大环形镜锁模机制，非互易相移器提供线性相移量，使得激光器初始反射率不再为零，随机脉冲在腔内轻松振荡，经保偏双纤准直器5分束进入光纤非线性放大环路的随机脉冲沿光纤慢轴双向传输，经过光纤放大环路的不对称放大和不对称色散管理，双向的脉冲积累不同的非线性相移量，在偏振分束器9处合束进行相干叠加和偏振滤波进行幅度调制和脉冲窄化，脉冲中心透过率高，而脉冲前后沿透过率低，发挥可饱和吸收效应，透过光再经平面端镜10反射，反射回光纤环路，经过多次往返运转实现稳定的锁模。
具体实施方式所述的非互易相移器为两偏振分量振荡光提供可调谐的相位偏移量，可促进自启动锁模。
本具体实施方式通过设置多处输出和色散补偿光纤4进行腔内损耗和色散管理，有效抑制了多脉冲周期倍增现象，实现较高平均功率的稳定单脉冲自启动锁模。
本具体实施方式色散补偿光纤4可以实现孤子脉冲、色散展宽脉冲、自相似子、耗散孤子、耗散孤子共振或者类噪声脉冲等各种锁模机制，可以输出纳秒～飞秒脉宽范围内的锁模脉冲。
本具体实施方式所述的非互易相移器通过旋转双波片组合，光纤环路相向传输的脉冲间的相位偏移量和非线性放大环形镜的调制深度可以实现独立调控，改变相移量调节范围可利用三分之一波片、四分之一波片、六分之一波片或八分之一波片等波片，还可以引入一个巴俾涅补偿器，二分之一波片在这里非必要，可去掉进一步精简空间部分。
本具体实施方式平面端镜10还可以替换为可用于腔内色散补偿的啁啾体布拉格光栅或者啁啾镜。
本具体实施方式采用保偏掺钬增益光纤，基于可调谐相位偏置的9字腔非线性放大环镜锁模技术，通过多口输出的损耗管理和保偏光纤色散管理技术，抑制了多孤子周期倍乘锁模自启动，实现了高平均功率、单脉冲自启动、长期稳定运行的2090nm锁模脉冲输出。可为高能量Ho:YAG啁啾脉冲放大器提供稳定可靠的飞秒脉冲振荡器。
非线性放大环路内2×2波分复用兼输出耦合器和双纤准直器，限定慢轴工作，缩短了腔长，提升了重频，削弱了低重频下脉冲严重分裂问题。
本具体实施方式的有益效果是：
1、本具体实施方式通过采用双波片制作可调非互易相移器，连续可调的线性相移量和连续可调的锁模调制深度分别可以独立操控实现。特别是在光纤放大环路设置单向输出耦合器和改变平面端镜的反射率进行损耗管理，削弱双向传输脉冲在光纤非线性放大环路中的非线性相移积累量，同时保证双向传输脉冲之间相干相长的非线性相移偏差，抑制了多脉冲启动，解决了单脉冲自启动问题。特别是在优化好第一相位延迟片7及第二相位延迟片8角度后，无需再调节腔，仅需增加泵浦功率就可以实现单脉冲自启动锁模。光纤区域和空间区域的三个输出口便于比较激光器不同位置处的脉冲时频域特性，利于同时诊断振荡器和进行后续光纤功率放大。
2、本具体实施方式中基于T-型双纤准直器的9字腔锁模保偏掺钬光纤激光器，通过运用保偏混合器件和集成化的空间器件，使激光器兼顾紧凑稳定的结构和调节的灵活性，空间部分可以缩短到5cm以内，接近完全光纤化结构，轻拍光纤及敲击空间器件支柱，锁模状态保持，激光器抗振动干扰能力出色，具有长期稳定工作能力。空间光路方便维护，利于小型化集成化。
3、本具体实施方式中通过旋转波片可以对非线性放大环形镜的梳状滤波特性，对输出中心波长进行调谐。可以实现在多个中心波长附近调谐的锁模脉冲。本具体实施方式中波长为2090nm附近，便于进行高能量Ho:YAG啁啾脉冲放大。
4、本具体实施方式引入保偏正色散光纤进行色散管理，增加了腔内损耗，使脉冲在腔内经历周期性展宽压缩，获得了较高的平均功率输出。通过剪裁保偏正色散光纤长度，可以使振荡器实现稳定锁模的正色散、近零色散及负色散锁模状态。
5、本具体实施方式中的第二相位延迟片非必要，去掉以后，可以实现单一锁模状态，在给定合适泵浦功率下，激光器的锁模状态仅决定于波片角度。锁模状态重可复性，便于维护。
6、本具体实施方式中的非互易相位偏移器使用巴俾涅补偿片时，还提供了一种可编程优化9字腔锁模脉冲能量的简单技术方案。
综上，2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器具有稳定兼具灵活的设计、可靠的单脉冲自启动能力、高抗环境干扰能力、长期稳定运行水平，以及宽光谱窄脉宽和波长可调谐的输出特性，可为高能量Ho:YAG啁啾脉冲放大系统提供一种稳定可靠的2.1μm飞秒脉冲种子源。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的全保偏非线性放大光纤环路内光纤器件均基于保偏光纤制作，限定为慢轴工作。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的泵浦源1为中心波长为1150nm、1940nm或1950nm的5W单模光纤激光器，或中心波长为1150nm、1940nm或1950nm的5W单模光纤耦合半导体激光器。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的2×2波分复用兼输出耦合器2为混合器件，四端尾纤均采用PM1950、PM1550、PM2000或PM-GDF-10-130保偏单模光纤，且信号输出端的功率输出耦合比范围为5％～50％。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的增益光纤3为保偏掺钬石英光纤或者保偏铥钬共掺光纤。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的增益光纤3为保偏掺钬石英光纤或者保偏铥钬共掺光纤。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的保偏双纤准直器5为T-型偏振合束准直器或T-型双纤准直器。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的T-型偏振合束准直器由双尾纤、准直透镜、沃拉斯顿棱镜构成，工作距离为80mm，光斑直径为450μm，插损为1.6dB；T-型偏振合束准直器的s-port端口和p-port端口尾纤的慢轴以90°T-型对准，经准直透镜准直后分别与内置沃拉斯顿棱镜的s偏振和p偏振方向对准，即完成偏振合束准直。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的第一相位延迟片7为固定相位延迟的波片或相位延迟连续可调的巴俾涅补偿器；所述的固定相位延迟的波片为三分之一波片、四分之一波片、六分之一波片或八分之一波片；所述的第二相位延迟片8为二分之一波片或四分之一波片。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的平面端镜10的镀膜对泵浦光透过率≥95％，对信号光的反射率范围为60％～100％。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一，结合图1具体说明本实施例：
一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，它包括泵浦源1、2×2波分复用兼输出耦合器2、增益光纤3、色散补偿光纤4、保偏双纤准直器5、非互易相移器、偏振分束器9和平面端镜10；
所述的泵浦源1、2×2波分复用兼输出耦合器2、增益光纤3、色散补偿光纤4和保偏双纤准直器5构成全保偏非线性放大光纤环路；
所述的非互易相移器、偏振分束器9和平面端镜10构成空间直线干涉臂；所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器6、第一相位延迟片7及第二相位延迟片8依次设置构成；或所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器6及第一相位延迟片7依次设置构成；
所述的2×2波分复用兼输出耦合器2包括反射端、公共端、信号输出端和信号通过端，限定为慢轴工作；
泵浦源1与2×2波分复用兼输出耦合器2的反射端相连，2×2波分复用兼输出耦合器2的公共端通过增益光纤3与保偏双纤准直器5的p-port端口连接，2×2波分复用兼输出耦合器2的信号通过端通过色散补偿光纤4与保偏双纤准直器5的s-port端口相连接，2×2波分复用兼输出耦合器2的信号输出端用于输出锁模脉冲序列；
泵浦光经2×2波分复用兼输出耦合器2耦合进增益光纤3，激发产生沿光纤环路双向传输的振荡光，双向振荡光在保偏双纤准直器5合束准直进入空间直线干涉臂，依次经过非互易相移器和偏振合束器9，竖直偏振分量在偏振分束器9反射输出，透射的水平偏振分量经平面端镜10反射回原路，经保偏双纤准直器5分束再次进入全保偏非线性放大光纤环路，沿增益光纤3和色散补偿光纤4进行双向放大和色散补偿，多次往复实现稳定锁模。
所述的全保偏非线性放大光纤环路内光纤器件均基于保偏光纤制作，限定为慢轴工作。
所述的泵浦源1为中心波长为1950nm的5W掺铥光纤激光器。
所述的2×2波分复用兼输出耦合器2为混合器件，四端尾纤均采用PM1950光纤，且信号输出端的功率输出耦合比范围为30％。
所述的增益光纤3为保偏掺钬石英光纤IXF-HDF-PM-8-125，纤芯吸收系数为55dB/m@1950nm。
所述的色散补偿光纤4为PM2000D光纤。
所述的保偏双纤准直器5为T-型偏振合束准直器。
所述的T-型偏振合束准直器由双尾纤、准直透镜、沃拉斯顿棱镜构成，工作距离为80mm，光斑直径为450μm，插损为1.6dB；T-型偏振合束准直器的s-port端口和p-port端口尾纤的慢轴以90°T-型对准，经准直透镜准直后分别与内置沃拉斯顿棱镜的s偏振和p偏振方向对准，即完成偏振合束准直。
所述的第一相位延迟片7为四分之一波片；所述的第二相位延迟片8为二分之一波片。
所述的平面端镜10的镀膜对泵浦光透过率为95％，对信号光的反射率范围为95％。
分别使用示波器、频谱仪、光谱仪、自相关仪和灵敏功率计记录光纤耦合输出端的脉冲序列、重复频率、输出光谱、脉冲宽度和功率稳定性。
图2为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的单脉冲锁模脉冲序列；图3为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的单脉冲锁模重复频率；由图可知，本实施例实现了稳定的基频锁模孤子脉冲，双脉冲周期倍增锁模自启动被抑制，脉冲重复频率为46.7MHz，RBW设置为1kHz，信噪比优于55dB。
图4为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的单脉冲锁模光谱宽度；图5为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器的单脉冲锁模脉冲宽度，1为测量的强度自相关轨迹，2为双曲正割非线性拟合曲线；图6为实施例一2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器3小时自由运行时的输出功率稳定性。由图4-6可知，锁模脉冲的中心波长为2092.5nm。3-dB带宽约为7nm，测得的脉冲时间宽度约为650fs，连续锁模3小时内平均功率为20.50mW，标准偏差为0.43％。
本实施例轻拍光纤及敲击空间器件支柱，锁模状态保持，激光器抗振动干扰能力出色，且锁模稳定性非常好。
实施例二：本实施例与实施例一不同的是：保偏双纤准直器5为T-型双纤准直器；所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器6及第一相位延迟片7依次设置构成。其它与实施例一相同。
本实施例中进一步使用成本更低的T-型双纤准直器，略去了二分之一波片8，使得腔内空间光路长度可以进一步缩短到4cm，锁模调整的自由度更少，激光器锁模状态唯一，重复性好，利于激光器的实际应用和维护。
实施例三：本实施例与实施例一不同的是：保偏双纤准直器5为T-型双纤准直器；所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器6及第一相位延迟片7依次设置构成；所述的第一相位延迟片7为相位延迟连续可调的巴俾涅补偿器。其它与实施例一相同。
本实施例中使用相位延迟连续可调的巴俾涅补偿器替换波片的优势体现在保持实施例二空间器件少，抗振动性能好的同时，弥补了实施例二中相位偏移量不可调谐而对输出脉冲峰值功率限制的缺陷，在保证非线性环形镜大的调制深度一定的前提下，通过一维移动巴俾涅补偿器可以改变非互易相移器的相移量，从而进一步从结构上解决以往九字腔锁模方案脉冲分裂和脉冲能量较低的问题。

Claims (10)

1.一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于它包括泵浦源(1)、2×2波分复用兼输出耦合器(2)、增益光纤(3)、色散补偿光纤(4)、保偏双纤准直器(5)、非互易相移器、偏振分束器(9)和平面端镜(10)；
所述的泵浦源(1)、2×2波分复用兼输出耦合器(2)、增益光纤(3)、色散补偿光纤(4)和保偏双纤准直器(5)构成全保偏非线性放大光纤环路；
所述的非互易相移器、偏振分束器(9)和平面端镜(10)构成空间直线干涉臂；所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器(6)、第一相位延迟片(7)及第二相位延迟片(8)依次设置构成；或所述的非互易相移器由45°法拉第旋转器(6)及第一相位延迟片(7)依次设置构成；
所述的2×2波分复用兼输出耦合器(2)包括反射端、公共端、信号输出端和信号通过端，限定为慢轴工作；
泵浦源(1)与2×2波分复用兼输出耦合器(2)的反射端相连，2×2波分复用兼输出耦合器(2)的公共端通过增益光纤(3)与保偏双纤准直器(5)的p-port端口连接，2×2波分复用兼输出耦合器(2)的信号通过端通过色散补偿光纤(4)与保偏双纤准直器(5)的s-port端口相连接，2×2波分复用兼输出耦合器(2)的信号输出端用于输出锁模脉冲序列；
泵浦光经2×2波分复用兼输出耦合器(2)耦合进增益光纤(3)，激发产生沿光纤环路双向传输的振荡光，双向振荡光在保偏双纤准直器(5)合束准直进入空间直线干涉臂，依次经过非互易相移器和偏振合束器(9)，竖直偏振分量在偏振分束器(9)反射输出，透射的水平偏振分量经平面端镜(10)反射回原路，经保偏双纤准直器(5)分束再次进入全保偏非线性放大光纤环路，沿增益光纤(3)和色散补偿光纤(4)进行双向放大和色散补偿，多次往复实现稳定锁模。
2.根据权利要求1所述的一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于所述的全保偏非线性放大光纤环路内光纤器件均基于保偏光纤制作，限定为慢轴工作。
3.根据权利要求1所述的一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于所述的泵浦源(1)为中心波长为1150nm、1940nm或1950nm的5W单模光纤激光器，或中心波长为1150nm、1940nm或1950nm的5W单模光纤耦合半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于所述的2×2波分复用兼输出耦合器(2)为混合器件，四端尾纤均采用PM1950、PM1550、PM2000或PM-GDF-10-130保偏单模光纤，且信号输出端的功率输出耦合比范围为5％～50％。
5.根据权利要求1所述的一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于所述的增益光纤(3)为保偏掺钬石英光纤或者保偏铥钬共掺光纤。
6.根据权利要求1所述的一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于所述的色散补偿光纤(4)为PM2000D光纤、保偏HNLF光纤或UHNA光纤。
7.根据权利要求1所述的一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于所述的保偏双纤准直器(5)为T-型偏振合束准直器或T-型双纤准直器。
8.根据权利要求7所述的一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于所述的T-型偏振合束准直器由双尾纤、准直透镜、沃拉斯顿棱镜构成，工作距离为80mm，光斑直径为450μm，插损为1.6dB；T-型偏振合束准直器的s-port端口和p-port端口尾纤的慢轴以90°T-型对准，经准直透镜准直后分别与内置沃拉斯顿棱镜的s偏振和p偏振方向对准，即完成偏振合束准直。
9.根据权利要求1所述的一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于所述的第一相位延迟片(7)为固定相位延迟的波片或相位延迟连续可调的巴俾涅补偿器；所述的固定相位延迟的波片为三分之一波片、四分之一波片、六分之一波片或八分之一波片；所述的第二相位延迟片(8)为二分之一波片或四分之一波片。
10.根据权利要求1所述的一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，其特征在于所述的平面端镜(10)的镀膜对泵浦光透过率≥95％，对信号光的反射率范围为60％～100％。
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