CN114583537A - 一种8字形飞秒光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞秒光纤激光器领域，公开了一种8字形飞秒光纤激光器，包括主光纤环路和非线性光纤环路，二者通过四端口光纤耦合器连接；主光纤环路包括顺次设置的第一光纤准直器、第一透射光栅、第二透射光栅、第二光纤准直器、输出光纤耦合器、第一波分复用器、第一掺镱光纤和隔离器，第一泵浦半导体激光器通过第一泵浦保护器与第一波分复用器相连；非线性光纤环路包括顺次设置的第二增益光纤、第二波分复用器，第二泵浦半导体激光器通过第二泵浦保护器与第二波分复用器相连；本发明在激光器主光纤环路中增加单程光栅对与准直器组合，起到调节色散、限制光谱带宽和调节中心波长的作用，实现输出飞秒激光具有更短的脉宽，以及中心波长的可调谐。

Description

一种8字形飞秒光纤激光器
技术领域
本发明涉及飞秒光纤激光器领域，特别涉及一种8字形飞秒光纤激光器。
背景技术
飞秒激光是指脉冲宽度在飞秒（10-15 s）量级的脉冲激光。相对于传统的连续激光以及长脉冲激光，飞秒激光具有脉宽极短、峰值功率高、相干光谱宽等特点，因此在医学成像、生物化学探测、极端物理环境产生、精密光学计量等前沿科学研究领域，以及材料精密加工等国民生产领域正得到广泛的应用。
飞秒激光主要通过锁模激光器产生，锁模激光器主要分为锁模固体激光器和锁模光纤激光器两类。相较于飞秒锁模固体激光器，飞秒锁模光纤激光器因具有体积紧凑、稳定性高、光束质量易控制、几乎无需调试维护等优点，已成为实现飞秒激光大规模应用的有力途径。飞秒锁模光纤激光器按锁模启动方式可分为真实可饱和吸收体锁模、非线性偏振旋转锁模和非线性环路反射镜锁模等。其中，非线性环路反射镜锁模光纤激光器完全利用光纤本身的克尔效应实现锁模启动，克服了另外两种锁模启动方式中的锁模核心器件易损伤、锁模状态不稳定等缺点，近年来成为科学研究和工业应用的焦点。
8字形飞秒光纤激光器即为一种常见的非线性环路反射镜锁模光纤激光器。结构上来看，8字形飞秒光纤激光器由主环路和非线性环路两个光纤环路组成，主环路主要用来实现激光振荡，非线性环路用来实现锁模启动，两环路通过光纤耦合器相连。通过调整耦合器分束比或在环路一侧增加增益光纤产生的非线性环路的非对称性，结合光纤中的克尔效应，非线性环路的透射率会产生与环路入射激光光强之间的依赖关系，8字形飞秒光纤激光器即利用这种可饱和吸收效应实现锁模启动，产生飞秒激光。
从飞秒激光波长角度来看，中心波长1 µm附近的飞秒掺镱光纤激光器在工业精密加工领域应用最为广泛。在1 µm波段，8字形飞秒光纤激光器中的增益光纤采用掺镱光纤，构成激光器主体结构的掺镱光纤和无源光纤都提供正色散，因此，目前1 µm波段8字形飞秒光纤激光器的脉冲成型机制都为全正色散型。在这种脉冲成形机制下，脉冲宽度由于正色散累积而不断展宽，脉冲光谱由于自相位调制效应而不断加宽，利用激光器腔内的带通滤波器对脉宽和光谱进行截短，可以达到平衡，产生飞秒激光。受到全正色散型脉冲成形机制的限制，激光器腔内色散量无法调节，目前1 µm波段的8字形飞秒光纤激光器产生的飞秒激光的脉冲宽度大多在100 fs以上，难以实现更窄的脉冲宽度，且较难实现中心波长调谐，激光器主要性能指标有待进一步提升。
飞秒激光的脉冲宽度是一个重要的性能参数。例如，在超快探测应用领域，更短的脉宽会带来更高的探测时间分辨率，这意味着可以探测、操控更加短暂的物理和化学过程。在精密加工应用领域，具备更短脉宽的飞秒激光，往往会带来更高的材料加工精度和加工质量。另外，生物医学探测等应用领域面对各类材料和细胞组织，往往需要不同中心波长的飞秒激光，因此，飞秒光纤激光器的波长可调谐特性也非常重要。
另一方面，从飞秒锁模光纤激光器腔内色散调节方法来看，传统的光栅对色散调节方法都是采用双程光栅对，即激光通过一遍光栅对后，在光栅对的后面放置反射屋脊镜，使激光返回，再通过一遍光栅对。双程光栅对可以起到调节色散的作用，但其在激光器腔内的作用略显单一，没有使其功能实现最大化。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种8字形飞秒光纤激光器，通过在激光器腔内调节色散和限制光谱带宽，可以影响飞秒激光脉冲成形机制，从而实现输出飞秒激光具有更短的脉冲宽度；通过在激光器腔内调节中心波长，可以实现输出飞秒激光中心波长的可调谐。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种8字形飞秒光纤激光器，包括主光纤环路和非线性光纤环路，所述主光纤环路和非线性光纤环路通过四端口光纤耦合器连接；所述主光纤环路包括顺次设置的第一光纤准直器、第一透射光栅、第二透射光栅、第二光纤准直器、输出光纤耦合器、第一波分复用器、第一掺镱光纤和隔离器，第一泵浦半导体激光器通过第一泵浦保护器与第一波分复用器相连，所述隔离器和第一光纤准直器分别通过光纤与四端口光纤耦合器的端口a和端口d相连；所述非线性光纤环路包括顺次设置的第二增益光纤、第二波分复用器，第二泵浦半导体激光器通过第二泵浦保护器与第二波分复用器相连，所述第二增益光纤和第二波分复用器分别通过光纤与四端口光纤耦合器的端口b和端口c相连。
上述方案中，所述第二光纤准直器、输出光纤耦合器、第一波分复用器、第一掺镱光纤和隔离器之间均通过光纤连接，所述第一泵浦半导体激光器、第一泵浦保护器和第一波分复用器之间均通过光纤连接，所述第二增益光纤和第二波分复用器之间通过光纤连接，所述第二泵浦半导体激光器、第二泵浦保护器和第二波分复用器之间通过光纤连接。
进一步的技术方案中，所述光纤均为芯径6 µm、包层125 µm的单模保偏光纤。
上述方案中，所述四端口光纤耦合器的分束比为6:4，即60%的飞秒激光通过四端口光纤耦合器的端口b进入非线性光纤环路，40%的飞秒激光通过四端口光纤耦合器的端口c进入非线性光纤环路。
上述方案中，所述输出光纤耦合器的分束比为8:2，其中20%一端作为输出端。
上述方案中，所述第一掺镱光纤为单模保偏掺镱光纤，纤芯在975 nm波长处的吸收率为250 dB/m，长度为1.2 m。
上述方案中，所述第二增益光纤为单模保偏掺镱光纤，纤芯在975 nm波长处的吸收率为250 dB/m，长度为1 m。
上述方案中，所述第一光纤准直器和第二光纤准直器参数相同且成对使用。
上述方案中，所述第一透射光栅和第二透射光栅参数相同，光栅刻线数为1600线/mm，在1030 nm波长附近光栅衍射效率94%。
通过上述技术方案，本发明提供的一种8字形飞秒光纤激光器具有如下有益效果：
本发明在8字形飞秒光纤激光器中在主光纤环路中增加由第一光纤准直器、第一透射光栅、第二透射光栅和第二光纤准直器组成的单程光栅对与准直器组合。
单程光栅对是指激光只通过一遍光栅对，光栅对的后面不再设置反射屋脊镜使激光返回。飞秒激光通过单程光栅对后带有空间啁啾，可以利用空间啁啾实现更多功能。单程光栅对可以为飞秒激光提供负色散，改变单程光栅对中两个光栅的间距可以调节该色散量。准直器在单程光栅对后面的空间啁啾区域收集部分光谱分量的飞秒激光进入光纤，可以起到限制飞秒激光光谱带宽的作用。在空间啁啾区域内平移准直器，可以起到连续调节飞秒激光中心波长的作用。
综上，该组合可以起到调节色散、限制光谱带宽和调节中心波长3个作用。通过调节色散和限制光谱带宽，可以影响飞秒激光脉冲成形机制，从而实现输出飞秒激光具有更短的脉冲宽度；通过调节中心波长，可以实现输出飞秒激光中心波长的可调谐。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种8字形飞秒光纤激光器示意图；
图2为8字形飞秒光纤激光器输出的飞秒激光的光谱图。
图3为8字形飞秒光纤激光器输出的飞秒激光经压缩后的自相关测量脉冲宽度图。
图中，1、主光纤环路；2、非线性光纤环路；3、四端口光纤耦合器；10、隔离器；11、第一光纤准直器；12、第一透射光栅；13、第二透射光栅；14、第二光纤准直器；15、输出光纤耦合器；16、第一波分复用器；17、第一泵浦半导体激光器；18、第一泵浦保护器；19、第一掺镱光纤；21、第二增益光纤；22、第二波分复用器；23、第二泵浦半导体激光器；24、第二泵浦保护器。
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。
本发明提供了一种8字形飞秒光纤激光器，如图1所示，包括主光纤环路1和非线性光纤环路2，主光纤环路1和非线性光纤环路2通过四端口光纤耦合器3连接。
主光纤环路1包括顺次设置的第一光纤准直器11、第一透射光栅12、第二透射光栅13、第二光纤准直器14、输出光纤耦合器15、第一波分复用器16、第一掺镱光纤19和隔离器10，第一泵浦半导体激光器17通过第一泵浦保护器18与第一波分复用器16相连，隔离器10和第一光纤准直器11分别通过光纤与四端口光纤耦合器3的端口a和端口d相连。第一光纤准直器11、第一透射光栅12、第二透射光栅13和第二光纤准直器14组成单程光栅对与准直器组合。输出光纤耦合器15的作用为输出飞秒激光。隔离器10的作用为保证飞秒激光在主光纤环路1中沿顺时针方向传输。
非线性光纤环路2包括顺次设置的第二增益光纤21、第二波分复用器22，第二泵浦半导体激光器23通过第二泵浦保护器24与第二波分复用器22相连，第二增益光纤21和第二波分复用器22分别通过光纤与四端口光纤耦合器3的端口b和端口c相连。
第二光纤准直器14、输出光纤耦合器15、第一波分复用器16、第一掺镱光纤19和隔离器10之间均通过光纤连接，第一泵浦半导体激光器17、第一泵浦保护器18和第一波分复用器16之间均通过光纤连接，第二增益光纤21和第二波分复用器22之间通过光纤连接，第二泵浦半导体激光器23、第二泵浦保护器24和第二波分复用器22之间通过光纤连接。
本实施例中，激光器中所有光纤均为芯径6 µm、包层125 µm的单模保偏光纤。激光器总腔长约11.5 m，飞秒激光的重复频率约17 MHz。
四端口光纤耦合器3的分束比为6:4，即60%的飞秒激光通过四端口光纤耦合器3的端口b进入非线性光纤环路2，40%的飞秒激光通过四端口光纤耦合器3的端口c进入非线性光纤环路2。
输出光纤耦合器15的分束比为8:2，其中20%一端作为输出端。
第一掺镱光纤19为单模保偏掺镱光纤，纤芯在975 nm波长处的吸收率为250 dB/m，长度为1.2 m。第二增益光纤21为单模保偏掺镱光纤，纤芯在975 nm波长处的吸收率为250 dB/m，长度为1 m。
第一光纤准直器11和第二光纤准直器14参数相同且成对使用，输出光斑直径约1mm。
第一透射光栅12和第二透射光栅13参数相同，光栅刻线数为1600线/mm，在1030nm波长附近光栅衍射效率94%。
8字形飞秒锁模激光器可以通过开启第一泵浦半导体激光器17和第二泵浦半导体激光器23实现锁模启动，产生稳定的飞秒激光。飞秒激光在主光纤环路1中，受到隔离器10对传输方向的限制，沿顺时针方向传输。飞秒激光顺时针传输到四端口光纤耦合器3的端口a时，通过四端口光纤耦合器3分光，60%的飞秒激光通过四端口光纤耦合器3的端口b进入非线性光纤环路2，在非线性光纤环路2中沿顺时针方向传输；40%的飞秒激光通过四端口光纤耦合器3的端口c进入非线性光纤环路2，在非线性光纤环路2中沿逆时针方向传输。这两路飞秒激光在非线性光纤环路2中各自沿顺时针和逆时针方向传输一圈后，在四端口光纤耦合器3处发生干涉，并从四端口光纤耦合器3的端口d进入主光纤环路1，在主光纤环路1中沿顺时针方向传输，经过单程光栅对与准直器组合后，通过输出光纤耦合器15输出飞秒激光。
将第一透射光栅12和第二透射光栅13的间距设置为11mm，此时光栅对提供的负色散量为-0.299 ps2，腔内光纤提供的正色散量为0.288 ps2，因此腔内净色散量为-0.011ps2。此时，开启第一泵浦半导体激光器17并将其输出功率调至139 mW，开启第二泵浦半导体激光器23并将其输出功率调至140 mW，再逐渐降低第二泵浦半导体激光器23的输出功率，当其功率降至60 mW时，可以产生稳定的飞秒激光。
在第二透射光栅13后的空间啁啾区域移动第二光纤准直器14位置，可以连续调节飞秒激光的中心波长。如图2所示，在泵浦功率不变且一直保持锁模状态的情况下，飞秒激光的中心波长的可调谐范围为1020.8 nm~1059.5 nm。
将第一透射光栅12和第二透射光栅13的间距调节至6.5 mm，即调节腔内色散量，此时将第一泵浦半导体激光器17的输出功率调至43mW，将第二泵浦半导体激光器23的输出功率调至269 mW，此时，8字形飞秒光纤激光器输出的飞秒激光的带宽为24.9 nm。如图3所示，飞秒激光经腔外压缩后的脉冲宽度可短至88.7 fs。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种8字形飞秒光纤激光器，其特征在于，包括主光纤环路和非线性光纤环路，所述主光纤环路和非线性光纤环路通过四端口光纤耦合器连接；所述主光纤环路包括顺次设置的第一光纤准直器、第一透射光栅、第二透射光栅、第二光纤准直器、输出光纤耦合器、第一波分复用器、第一掺镱光纤和隔离器，第一泵浦半导体激光器通过第一泵浦保护器与第一波分复用器相连，所述隔离器和第一光纤准直器分别通过光纤与四端口光纤耦合器的端口a和端口d相连；所述非线性光纤环路包括顺次设置的第二增益光纤、第二波分复用器，第二泵浦半导体激光器通过第二泵浦保护器与第二波分复用器相连，所述第二增益光纤和第二波分复用器分别通过光纤与四端口光纤耦合器的端口b和端口c相连。
2.根据权利要求1所述的一种8字形飞秒光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤准直器、输出光纤耦合器、第一波分复用器、第一掺镱光纤和隔离器之间均通过光纤连接，所述第一泵浦半导体激光器、第一泵浦保护器和第一波分复用器之间均通过光纤连接，所述第二增益光纤和第二波分复用器之间通过光纤连接，所述第二泵浦半导体激光器、第二泵浦保护器和第二波分复用器之间通过光纤连接。
3.根据权利要求2所述的一种8字形飞秒光纤激光器，其特征在于，所述光纤均为芯径6µm、包层125 µm的单模保偏光纤。
4.根据权利要求1所述的一种8字形飞秒光纤激光器，其特征在于，所述四端口光纤耦合器的分束比为6:4，即60%的飞秒激光通过四端口光纤耦合器的端口b进入非线性光纤环路，40%的飞秒激光通过四端口光纤耦合器的端口c进入非线性光纤环路。
5.根据权利要求1所述的一种8字形飞秒光纤激光器，其特征在于，所述输出光纤耦合器的分束比为8:2，其中20%一端作为输出端。
6.根据权利要求1所述的一种8字形飞秒光纤激光器，其特征在于，所述第一掺镱光纤为单模保偏掺镱光纤，纤芯在975 nm波长处的吸收率为250 dB/m，长度为1.2 m。
7.根据权利要求1所述的一种8字形飞秒光纤激光器，其特征在于，所述第二增益光纤为单模保偏掺镱光纤，纤芯在975 nm波长处的吸收率为250 dB/m，长度为1 m。
8.根据权利要求1所述的一种8字形飞秒光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤准直器和第二光纤准直器参数相同且成对使用。
9.根据权利要求1所述的一种8字形飞秒光纤激光器，其特征在于，所述第一透射光栅和第二透射光栅参数相同，光栅刻线数为1600线/mm，在1030 nm波长附近光栅衍射效率94%。
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