CN114927925A - 在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法 - Google Patents
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Abstract
在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法，涉及超快激光。针对非线性放大环形镜被动锁模光纤激光中脉冲宽度较宽的问题，利用啁啾镜代替传统回返镜，构建保偏全光纤激光谐振器。针对零色散锁模高峰值功率特点，调控腔外压缩光纤长度，实现种子源小于50飞秒脉冲宽度直接输出。啁啾镜在波长为1450～1670nm范围，其反射率R>70％；在波长为974nm其透射率T>90％；在波长为1560nm±30nm，色散>1000fs2。将激光谐振腔的净色散调整到零色散附近，不仅减缓短尾纤器件的熔接难度，且全保偏结构提升激光器可靠性和稳定性，实现窄脉冲和宽光谱的特色，可应用在增材制造和光通信系统领域。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，尤其是涉及在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法。
背景技术
在超快激光用于增材制造的应用中，脉冲宽度越窄，实现的加工精度越高。比如飞秒激光比皮秒激光能实现更大的加工精度。在超快激光的研究中，窄脉冲宽度和高功率一直是两个重要的研究方向。在20世纪八十年代之前，基于染料和晶体作为增益介质的超快激光已经实现最窄十几飞秒的脉冲宽度。光纤激光具有结构紧凑、良好的散热特性以及高质量横模的特点。但是有些光纤激光仍然面临脉冲宽度比较宽的问题。虽然基于非线性偏振旋转技术可以实现小于50fs的脉冲宽度，但是由于非保偏的谐振腔结构，抗外界环境稳定性不如保偏结构。相比而言，基于保偏结构的非线性放大环形镜的方法可以实现高稳定性的激光输出，但是目前特别对于全光纤结构而言，实现小于50fs脉冲宽度还比较难。
将腔内净色散调整到零色散附近有助于获得更窄脉冲宽度。在1550nm波段，光纤色散通常为负，所以需要用正色散的增益光纤实施色散补偿。如果增益光纤太长，重吸收效应会导致中心波长红移以至于锁模不稳定。如果增益光纤长度太短，又很难补偿腔内负色散。为了实施全光纤结构，器件都具有各自能够熔接的尾纤，即便把器件长度都剪到最短，其腔内净负色散仍然较大。以尾纤为Nufern公司的PM 1500光纤为例，即便是所有器件尾纤长度都剪到能熔接的极限，腔内的负色散为～-30000fs2。如果采用正色散增益光纤，需满足上述增益条件，腔内的净色散依然还有～-2000fs2。
发明内容
本发明的第一目的是针对非线性放大环形镜被动锁模光纤激光中脉冲宽度较宽的问题,提供一种非线性放大环形镜锁模的保偏全光纤激光谐振器。
本发明的第二目的是提供一种在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法，针对零色散锁模高峰值功率特点，基于所述保偏全光纤激光谐振器，利用非线性放大环形镜锁模技术直接实现小于50fs脉冲宽度。
本发明提供一种保偏全光纤激光谐振器，包括泵浦源、保偏波分复用器、增益光纤、保偏光纤相移器、保偏耦合器、啁啾镜和压缩光纤；所述泵浦源为保偏光纤输出的半导体激光器，所述保偏波分复用器包括有泵浦端、公共端和信号端；保偏波分复用器的泵浦端与激光器的尾纤相连，保偏波分复用器的公共端熔接增益光纤的一端，增益光纤的另一端与保偏光纤相移器熔接，保偏光纤相移器的另一端与保偏耦合器的一臂熔接，保偏耦合器的另一臂与保偏波分复用器的信号端熔接；保偏耦合器的公共端与保偏光纤的啁啾镜熔接，保偏耦合器的非公共端与压缩光纤熔接；产生的激光通过压缩光纤输出腔外。
所述泵浦源可采用波长为974nm的单模半导体激光器，最大输出功率为500mW，用于给飞秒激光提供能量。
保偏波分复用器采用保偏光纤尾纤，光纤类型为PM1550光纤，用于将泵浦光耦合进增益光纤。
所述益光纤为保偏增益光纤，掺杂Er3+离子，用于产生1.5μm波段的增益。
所述保偏光纤相移器的相移值为π/2或π/4，且采用保偏光纤型尾纤，用于引入相移。
所述保偏耦合器采用分光比45︰55的保偏耦合器，用于发生干涉以构成锁模机制。
所述啁啾镜的参数指标为在波长为1450～1670nm范围，其反射率R>70％；在波长为～974nm其透射率T>90％；在波长为1560nm±30nm，色散>1000fs2，不仅用于返回信号光，而且补偿腔内色散。
所述压缩光纤为普通单模光纤，为正色散光纤，可采用OFS980光纤。压缩光纤的长度可为1～3m，用于压缩脉冲宽度。
激光谐振腔腔内所有器件的尾纤都是保偏光纤，具有高的抗外界环境稳定性。
本发明提供一种在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法，先构建非线性放大环形镜锁模的所述保偏全光纤激光谐振器，在激光谐振器的谐振腔内利用啁啾镜将净色散调至零色散，谐振腔外利用正色散光纤作为压缩光纤展宽光谱，通过调控压缩光纤的类型和长度实现光谱展宽和脉冲压缩，实现脉冲宽度小于50fs的脉冲输出。
所述利用啁啾镜将腔内净色散调至零色散，具体步骤可为：利用啁啾镜替代传统的回返镜，啁啾镜在波长为1450～1670nm范围，反射率R>70％；在波长为974nm透射率T>90％；在波长为1560nm±30nm，色散>1000fs2；啁啾镜的尾纤为保偏光纤，利用其构建激光谐振腔，激光谐振腔的净色散靠近零色散，腔内净色散范围为-2000fs2至0；
所述谐振腔外利用正色散光纤作为压缩光纤展宽光谱，具体步骤可为：利用腔外熔接一端的压缩光纤来展宽光谱，对于零色散附近锁模，激发非线性效应，从而引起光谱的展宽，高峰值功率的脉冲在不需放大的情况下可以直接激发自相位调制来展宽光谱以压缩脉冲宽度；
时域内高斯型脉冲的折射率分布表示为：
其中，n0为材料自身折射率，n2为材料非线性折射率系数，I(t)为脉冲的光场强度，I0为脉冲的光场强度最大值，τp为脉冲宽度；
脉冲在压缩光纤中传输距离l所累积的相移Φ(t)表示为：
其中l为压缩光纤长度，c为光速，Φ0为脉冲累积的线性相移，ΦNL为脉冲累积的非线性相移。
将Φ(t)对时间t求导数得到瞬时频率为ω(t)：
则频率展宽量为：
其中，Δω(t)为频率展宽量，ω0为中心频率。由时域和频域傅里叶变换二元性可知在时域内振幅或相位的周期性调制都会引起频域内新频率成分产生。
由时域和频率傅里叶变换二元性可知，在时域内振幅或相位的周期性调制会引起频域内新的频率成分产生，即激光光谱展宽。
调控压缩光纤利用在波长1550nm为正色散的Nufern公司的OFS980光纤作为压缩光纤，长度为1～3m，将对应脉冲宽度调控到50fs以下，此时光谱宽度展宽至50nm以上。
本发明利用非线性放大环形镜技术的锁模激光，当泵浦功率达到锁模阈值可实现锁模自启动，但为多脉冲状态，此时降低泵浦功率可观测到从多脉冲向单脉冲状态的切换，实现基础重复频率锁模。相比于多脉冲，这是一种稳定的锁模状态。最终产生的激光直接从耦合器的非公共端输出腔外。
本发明基于腔内外共同调谐机制下，以在保偏全光纤结构中实现小于50fs脉冲宽度的方法，与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)由于系统工作在零色散附近，种子源腔外的被动光纤引入的非线性效应也成为实现窄脉冲的主导引入，可以通过调控该压缩光纤实现种子源输出脉冲宽度的大范围调谐，比如从170fs调制到50fs；使用的啁啾镜在波长为1560nm±30nm，色散值>1000fs2，改色散值弥补了腔内的正色散，从而将腔内净色散靠近0，从而共同实现脉冲宽度<50fs的脉冲输出；
(2)该激光器还是全保偏结构，抗外界环境稳定性能强，系统的可靠性和稳定性提升；
(3)本发明采用的工艺简单，装置小巧，有利于规模化生产和应用。
(4)本发明不仅减缓短尾纤器件的熔接难度，而且全保偏结构提升激光器的可靠性和稳定性。最终实现的窄脉冲和宽光谱的特色使其应用在增材制造和光通信系统领域。
附图说明
图1为实现小于50fs脉冲宽度的保偏全光纤激光谐振腔结构。
图2为实施例1中啁啾镜的群延迟色散和透过率曲线图。
图3为实施例1中利用该发明获得的49fs脉冲的自相关曲线图。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地说明，但是本发明要求保护地范围并不局限于实施例表示的范围。
本发明实施例提供一种保偏全光纤激光谐振器，包括泵浦源1、保偏波分复用器2、增益光纤3、保偏光纤相移器4、保偏耦合器5、啁啾镜6和压缩光纤7；所述泵浦源1为保偏光纤输出的半导体激光器，所述保偏波分复用器2包括有泵浦端、公共端和信号端；保偏波分复用器2的泵浦端与激光器的尾纤相连，保偏波分复用器2的公共端熔接增益光纤的一端，增益光纤3的另一端与保偏光纤相移器4熔接，保偏光纤相移器4的另一端与保偏耦合器5的一臂熔接，保偏耦合器5的另一臂与保偏波分复用器2的信号端熔接；保偏耦合器5的公共端与保偏光纤的啁啾镜6熔接，保偏耦合器5的非公共端与压缩光纤熔接；产生的激光8通过压缩光纤输出腔外。
所述泵浦源1可采用波长为974nm的单模半导体激光器，最大输出功率为500mW，用于给飞秒激光提供能量。
保偏波分复用器2采用保偏光纤尾纤，光纤类型为PM1550光纤，用于将泵浦光耦合进增益光纤。
所述益光纤3为保偏增益光纤，掺杂Er3+离子，用于产生1.5μm波段的增益。
所述保偏光纤相移器4的相移值为π/2或π/4，且采用保偏光纤型尾纤，用于引入相移。
所述保偏耦合器5采用分光比45︰55的保偏耦合器，用于发生干涉以构成锁模机制。
所述啁啾镜6的参数指标为在波长为1450～1670nm范围，其反射率R>70％；在波长为～974nm其透射率T>90％；在波长为1560nm±30nm，色散>1000fs2，不仅用于返回信号光，而且补偿腔内色散。
所述压缩光纤7为普通单模光纤，为正色散光纤，可采用OFS980光纤。压缩光纤7的长度可为1～3m，用于压缩脉冲宽度。
激光谐振腔腔内所有器件的尾纤都是保偏光纤，具有高的抗外界环境稳定性。
实施例1
本实施例在保偏的全光纤超快激光中实现脉冲宽度为49fs的超短脉冲激光输出。激光谐振腔腔内利用啁啾镜将净色散调至零，腔外利用正色散光纤展宽光谱，共同作用实现脉冲宽度为49fs的脉冲输出。
首先构建非线性放大环形镜锁模的保偏全光纤激光谐振器，如图1所示，泵浦源由用波长为974nm的保偏光纤输出的半导体激光器1构成，最大输出功率为500mW，将其熔接到保偏波分复用器2的泵浦端，激发与保偏波分复用器公共端熔接的保偏掺铒增益光纤3。保偏掺铒增益光纤3另一端与保偏光纤相移器4熔接，保偏光纤相移器4可提供π/2相移，保偏光纤相移器4的另一端与45:55的保偏耦合器5的45％臂熔接，保偏耦合器5的55％臂与保偏波分复用器2的信号端熔接。保偏耦合器5的公共端与保偏光纤的啁啾镜6熔接，啁啾镜6在波长为1525～1600nm范围色散值约为+1000fs2，在波长为1500～1600nm范围内，反射率为80％，膜层总厚度为17.76μm。产生的激光8通过压缩光纤输出腔外。测试的透过率曲线与群速度色散如图2所示。
腔外熔接一端无源压缩光纤7，来展宽光谱；保偏耦合器5的非公共端与压缩光纤7熔接。利用啁啾镜6替代传统的回返镜，啁啾镜的尾纤为保偏光纤，利用其构建激光谐振腔，激光谐振腔的净色散靠近零色散，腔内净色散范围为-2000fs2至0。
对于零色散附近锁模，由于脉冲宽度很窄，所以即便是只有几个mW的种子源输出功率，足够高的峰值功率也会激发起非线性效应，从而引起光谱的展宽。时域内高斯型脉冲的折射率分布表示为：
其中，n0为材料自身折射率，n2为材料非线性折射率系数，I(t)为脉冲的光场强度，I0为脉冲的光场强度最大值，τp为脉冲宽度；
脉冲在压缩光纤中传输距离l所累积的相移Φ(t)表示为：
其中l为压缩光纤长度，c为光速，Φ0为脉冲累积的线性相移，ΦNL为脉冲累积的非线性相移。
将Φ(t)对时间t求导数得到瞬时频率为ω(t)：
则频率展宽量为：
其中，Δω(t)为频率展宽量，ω0为中心频率。由时域和频域傅里叶变换二元性可知在时域内振幅或相位的周期性调制都会引起频域内新频率成分产生。
由于系统工作在零色散附近，种子源腔外的压缩光纤7(被动光纤)引入的非线性效应成为实现窄脉冲的主导因素，通过调控该压缩光纤7实现种子源输出脉冲宽度的大范围调谐。实施例使用的压缩光纤7采用Nufern公司的OFS980光纤，在1550nm提供的色散为1.8fs2/mm，使用的长度为170～200cm。
当974nm激光泵浦源的功率直接开至300mW时，系统可实现锁模自启动，用示波器监测为多脉冲状态，降低泵浦功率至235mW，激光器切换回单脉冲运转。由于腔外的压缩光纤，可以获得49fs脉冲宽度，图3是测试的自相关曲线，可以看出脉冲无底座，对应的锁模光谱有明显的孤子边带，3dB光谱宽度约为57nm。
由于腔内的使用的光纤和无源器件尾纤都是保偏光纤，所以本发明的激光系统不仅可以实现超短的脉冲宽度，而且系统抗外界环境的稳定性和可靠性大大提升，使其可以应用在极端的环境中。
实施例2
与实施例1类似，其区别在于增加啁啾镜的正色散值，并调控腔外压缩光纤的长度，以在保偏全光纤超快激光中实现更窄的脉冲宽度：
对于啁啾镜的参数，在波长为1560nm±30nm，色散提升至+1500fs2，在波长为1500～1600nm范围，其反射率R＝90％。此外，腔外实施光谱展宽的压缩光纤使用Nufern公司的OFS980光纤，长度增加到为200～300cm，脉冲可以进一步被压缩至～40fs。
利用上述改进，该保偏激光谐振腔的净色散进一步靠近0，增加自相位调制对光谱展宽效果，可进一步实现脉冲压缩。因此，本发明可以灵活控制系统参数，从而实现稳定超短脉冲锁模激光输出。此外，这种抗环境稳定性的激光设计，将拓展其在极端条件下使用。
本发明利用啁啾镜代替传统回返镜，构建全保偏激光谐振腔。针对零色散锁模高峰值功率特点，调控腔外的压缩光纤长度，即实现种子源的小于50飞秒脉冲宽度的直接输出。啁啾镜波长为1450～1670nm范围，其反射率R>70％；在波长为974nm其透射率T>90％；在波长为1560nm±30nm，色散>1000fs2。在非线性放大环形镜锁模中，其通过色散补偿实现腔内净色散在零色散附近。对于零色散附近锁模激光，由于窄脉冲的峰值功率足够高，可以不需放大情况下激发腔外被动光纤的非线性效应。因此，调控压缩光纤的类型和长度可以进一步实现光谱展宽和脉冲压缩。本发明结合腔内外共同的调节技术，在保偏激光种子源中直接获得小于50fs的脉冲宽度的方案，将推进该激光光源应用在增材制造和光通信系统中。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种保偏全光纤激光谐振器，其特征在于包括泵浦源、保偏波分复用器、增益光纤、保偏光纤相移器、保偏耦合器、啁啾镜和压缩光纤；所述泵浦源为保偏光纤输出的半导体激光器，所述保偏波分复用器包括有泵浦端、公共端和信号端；保偏波分复用器的泵浦端与激光器的尾纤相连，保偏波分复用器的公共端熔接增益光纤的一端，增益光纤的另一端与保偏光纤相移器熔接，保偏光纤相移器的另一端与保偏耦合器的一臂熔接，保偏耦合器的另一臂与保偏波分复用器的信号端熔接；保偏耦合器的公共端与保偏光纤的啁啾镜熔接，保偏耦合器的非公共端与压缩光纤熔接；产生的激光通过压缩光纤输出腔外。
2.如权利要求1所述一种保偏全光纤激光谐振器，其特征在于所述保偏光纤相移器的相移值为π/2或π/4，且采用保偏光纤型尾纤。
3.如权利要求1所述一种保偏全光纤激光谐振器，其特征在于所述啁啾镜的尾纤为保偏光纤，啁啾镜的参数指标为在波长为1450～1670nm范围，其反射率R>70％；在波长为～974nm其透射率T>90％；在波长为1560nm±30nm，色散>1000fs2。
4.如权利要求1所述一种保偏全光纤激光谐振器，其特征在于所述压缩光纤采用正色散光纤，压缩光纤的长度为1～3m。
5.一种在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法，其特征在于先构建非线性放大环形镜锁模的如权利要求1所述一种保偏全光纤激光谐振器，在激光谐振器的谐振腔内利用啁啾镜将净色散调至零色散，谐振腔外利用正色散光纤作为压缩光纤展宽光谱，通过调控压缩光纤的类型和长度实现光谱展宽和脉冲压缩，实现脉冲宽度小于50fs的脉冲输出。
6.如权利要求5所述一种在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法，其特征在于所述利用啁啾镜将净色散调至零色散的具体步骤为：利用啁啾镜替代传统的回返镜，啁啾镜在波长为1450～1670nm范围，反射率R>70％；在波长为974nm透射率T>90％；在波长为1560nm±30nm，色散>1000fs2；利用其构建激光谐振腔，激光谐振腔的净色散靠近零色散，腔内净色散范围为-2000fs2至0。
7.如权利要求5所述一种在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法，其特征在于所述谐振腔外利用正色散光纤作为压缩光纤展宽光谱的具体步骤为：利用腔外熔接一端的压缩光纤来展宽光谱，对于零色散附近锁模，激发非线性效应，从而引起光谱的展宽，高峰值功率的脉冲在不需放大的情况下直接激发自相位调制来展宽光谱以压缩脉冲宽度；
时域内高斯型脉冲的折射率分布表示为：
其中，n0为材料自身折射率，n2为材料非线性折射率系数，I(t)为脉冲的光场强度，I0为脉冲的光场强度最大值，τp为脉冲宽度；
脉冲在压缩光纤中传输距离l所累积的相移Φ(t)表示为：
其中l为压缩光纤长度，c为光速，Φ0为脉冲累积的线性相移，ΦNL为脉冲累积的非线性相移；
将Φ(t)对时间t求导数得到瞬时频率为ω(t)：
则频率展宽量为：
其中，Δω(t)为频率展宽量，ω0为中心频率；由时域和频域傅里叶变换二元性可知在时域内振幅或相位的周期性调制都会引起频域内新频率成分产生。
8.如权利要求6所述一种在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法，其特征在于所述激光谐振腔的腔内所有器件的尾纤都是保偏光纤，具有高的抗外界环境稳定性。
9.根据权利要求1所述一种在保偏全光纤激光中实现小于50飞秒脉冲宽度的方法，其特征在于，在保偏全光纤结构中实现小于50fs的脉冲宽度，大于50nm的3dB光谱带宽。
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- 2022-05-30 CN CN202210601325.XA patent/CN114927925A/zh active Pending
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