CN115051229A - 一种高功率保偏全光纤锁模振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种超短脉冲激光锁模振荡器，为解决目前全光纤全保偏NPR锁模振荡器如何实现高功率锁模输出的问题，目前这方面的研究成果还未见报道，要实现高功率锁模输出受限于非线性积累和泵浦功率的技术问题。本发明提出一种高功率保偏全光纤锁模振荡器，包括光纤反射镜、偏振分束器、合束器、泵浦激光器、光纤滤波器和法拉第反射镜，光纤反射镜出射端与偏振分束器入射端相连，偏振分束器的透射端与合束器的输入端相连；偏振分束器与合束器之间的保偏光轴夹角大于0°小于45°，合束器的泵浦端与泵浦激光器相连，输出端通过增益光纤与光纤滤波器的输入端相连，光纤滤波器的输出端与法拉第反射镜的入射端相连。

Description

一种高功率保偏全光纤锁模振荡器

技术领域

本发明属于一种超短脉冲锁模振荡器，具体涉及一种高功率保偏全光纤锁模振荡器。

背景技术

光纤锁模振荡器是高功率飞秒激光器的种子源，性能优良的种子源是进行超短脉冲激光放大和研制高性能超短脉冲激光器的基础。在光纤锁模振荡器中，传统的锁模方式为：固有的可饱和吸收性材料锁模和人工可饱和吸收体锁模(非线性光纤环镜、非线性放大环镜、非线性偏振旋转(NPR))。相比使用固有的可饱和吸收性材料锁模，人工可饱和吸收体锁模中的NPR锁模具有更高的损伤阈值和更快的响应时间。然而，传统的NPR锁模因不能做到保偏全光纤结构，因此，易受环境温度波动、振动、应力等影响而不稳定。由此衍生了全光纤全保偏NPR(PM-NPR)锁模振荡器，这种振荡器避免使用空间器件，最大化发挥了光纤激光器的优势，具有良好的环境稳定性，因此，该类锁模振荡器具有广泛的应用前景。

全光纤全保偏NPR锁模从机理上具备固有的稳定性，只须使用成熟稳定的常用光纤器件就可完成光路搭建。J.Szczepanek等人于2018年5月在《Optics Express》上发表的“Nonlinear polarization evolution of ultrashort pulses in polarizationmaintaining fibers”，于2017年5月在《Conference on Lasers and Electro-Optics》上发表的“Ultrafast laser mode-locked using Nonlinear Polarization Evolution inPolarization Maintaining fibers”，于2019年在《Optics Express》上发表的“Fiberoscillator mode-locked using a novel scheme for Nonlinear PolarizationEvolution in Polarization Maintaining fibers”，以及J.Zhou等人于2018年2月在《Optics Express》上发表的“Dissipative-soliton generation with nonlinear-polarization-evolution in a polarization maintaining fiber”，都是基于全光纤全保偏NPR锁模的研究成果，分别从各个方面对该锁模机理进行了理论分析和实验验证，提出了多种改进锁模状态的方法。因全光纤全保偏NPR锁模使用的器件损伤阈值高，因此，有望实现高功率锁模输出，但这方面的研究成果还未见报道。另外，除器件损伤阈值之外，实现高功率输出的主要限制因素是非线性积累和泵浦功率，非线性积累是因为高功率输出时光纤谐振腔中会积累过多的非线性相移，导致脉冲分裂，泵浦功率是因为目前光纤耦合输出的单模泵浦最大功率仅几百毫瓦。

发明内容

本发明为解决目前全光纤全保偏NPR锁模的高功率锁模输出受限于非线性积累和泵浦功率的技术问题，提供一种高功率保偏全光纤锁模振荡器。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高功率保偏全光纤锁模振荡器，其特殊之处在于，包括光纤反射镜、偏振分束器、合束器、泵浦激光器、光纤滤波器和法拉第反射镜；

所述光纤反射镜出射端与偏振分束器入射端相连，偏振分束器的反射端用于锁模输出；

所述偏振分束器的透射端与合束器的输入端相连；偏振分束器与合束器之间的保偏光轴夹角大于0°小于45°；

所述合束器的泵浦端与泵浦激光器相连，输出端通过增益光纤与光纤滤波器的输入端相连；

所述光纤滤波器的输出端与法拉第反射镜的入射端相连；

增益光纤产生随机荧光发射，经偏振分束器检偏后，再通过光纤反射镜返回，成为线偏振光，由于偏振分束器透射尾纤与合束器输入尾纤之间的角度熔接形成正交分解的两个偏振分量，分别通过合束器尾纤的快轴和慢轴进入合束器，并在增益光纤中进行功率放大，经光纤滤波器滤波，然后再经过法拉第反射镜反射，再依次经过光纤滤波器滤波和增益光纤放大，再次进入偏振分束器，峰值功率高的激光脉冲部分穿过偏振分束器，并被光纤反射镜再次返回，经多次循环之后，直至达到稳定的锁模状态，实现锁模输出。

进一步地，所述合束器的尾纤和增益光纤均为双包层光纤。

进一步地，所述泵浦激光器为多模泵浦激光器。

进一步地，所述光纤滤波器为双轴工作的光纤滤波器。

进一步地，所述光纤反射镜、偏振分束器、合束器、光纤滤波器、法拉第反射镜和增益光纤的尾纤均为保偏的光纤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明高功率保偏全光纤锁模振荡器，实现了一种全光纤、稳定可靠的大功率锁模振荡器，使得全光纤全保偏NPR锁模振荡器的输出功率大幅提高，同时，还可通过调节偏振分束器和合束器之间保偏光轴的夹角，实现输出功率的调节。结合泵浦功率、腔长、滤波带宽等参数的调节，还可获得宽光谱的输出，实现更窄的压缩脉冲，并且该腔型结构可用于多种波段。

2.本发明中构成锁模谐振腔的所有器件的尾纤都是保偏的光纤，增益光纤和合束器尾纤均为双包层光纤，从而可以使用大功率的多模泵浦激光器进行泵浦。

附图说明

图1为本发明高功率保偏全光纤锁模振荡器结构示意图。

其中：1-光纤反射镜、2-偏振分束器、3-合束器、4-泵浦激光器、5-光纤滤波器、6-法拉第反射镜、7-增益光纤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

本发明为克服现有全光纤全保偏NPR锁模振荡器输出功率低的问题，充分发挥全光纤全保偏NPR锁模技术的优势，提供一种低非线性、高功率泵浦的锁模种子源腔型结构，最终实现了高功率锁模激光的输出。

如图1所示，一种高功率保偏全光纤锁模振荡器，包括光纤反射镜1、偏振分束器2、合束器3、泵浦激光器4、光纤滤波器5和法拉第反射镜6。光纤反射镜1尾纤与偏振分束器2尾纤熔接，偏振分束器2透射尾纤与合束器3的信号输入尾纤熔接，熔接时两者的保偏光轴要成一定的夹角，该夹角的角度并不受限，可以根据需要进行调整，偏振分束器2的反射尾纤用于激光输出，合束器3的泵浦端熔接泵浦激光器4，合束器3的输出端熔接大模场双包层的增益光纤7，增益光纤7的另外一端尾纤熔接一个双轴工作的光纤滤波器，光纤滤波器5的另外一端尾纤熔接一个法拉第反射镜6。

上述光路中，所有器件的尾纤都是保偏的大模场光纤，其中合束器3的尾纤和增益光纤7均为双包层光纤，以实现包层泵浦的泵浦方式，从而可以使用大功率的多模泵浦激光器进行泵浦。

本发明高功率保偏全光纤锁模激光器的锁模原理为：光纤反射镜1和法拉第反射镜6作为谐振腔的两个腔镜，偏振分束器2与合束器3尾纤的角度熔接，并配合法拉第反射镜6的偏振旋转，构成一个等效的快的可饱和吸收体实现锁模，并可通过控制快慢轴夹角熔接的角度，来控制腔损耗和输出功率。

具体的工作过程为，加入泵浦激光器4后，增益光纤7产生随机荧光发射，经偏振分束器2检偏后，再通过光纤反射镜1返回，成为线偏振光，由于偏振分束器2透射尾纤与合束器3输入尾纤之间的角度熔接，形成正交分解的两个偏振分量，分别通过合束器3尾纤的快轴和慢轴进入合束器3，并在增益光纤7中进行功率放大，经光纤滤波器5滤波，然后再经过法拉第反射镜6反射，返回的激光快轴和慢轴的偏振分量分别旋转90°，再依次经过光纤滤波器5滤波和增益光纤7放大，最后，再次进入偏振分束器2。对于峰值功率比较低的激光，由于返回的光相比原入射光偏振旋转了90°，因此，不能按原路径穿过偏振分束器2再次反射回腔内，而会从偏振分束器2的另一个端口输出，不能形成激光震荡，但对于峰值功率比较高的激光，由于NPR效应，脉冲在光纤中传输时会发生偏振旋转，因此，会有一部分激光穿过偏振分束器2，并被光纤反射1再次返回，当腔内增益、非线性、以及色散满足一定条件时，这样多次循环之后，就会达到稳定的锁模状态，实现锁模输出。

如下是本发明的一个具体实施例：

将光纤反射镜1尾纤与10μm芯径的保偏偏振分束器2尾纤熔接，将偏振分束器2的透射尾纤与合束器3信号尾纤以35°偏振轴夹角熔接，合束器3的输入输出尾纤芯经均为10μm，包层直径均为125μm。合束器3的泵浦端熔接尾纤芯经为105μm、包层直径为125μm，最大功率为9W、中心波长为976nm的多模泵浦激光器4。合束器3的输出端熔接0.8米、芯径为10μm、包层直径为125微米的大模场双包层Yb掺杂增益光纤7，增益光纤7的另外一头熔接一个双轴工作的光纤滤波器5，光纤滤波器5的带宽为4nm，中心波长为1030nm。光纤滤波器5的另外一端尾纤熔接一个保偏光纤法拉第反射镜6，光纤芯经为10μm，中心波长为1030nm。当泵浦功率为1.5W时，获得功率102mW，重复频率11.36MHz，脉冲宽度2.8ps的稳定锁模激光输出。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高功率保偏全光纤锁模振荡器，其特征在于：包括光纤反射镜(1)、偏振分束器(2)、合束器(3)、泵浦激光器(4)、光纤滤波器(5)和法拉第反射镜(6)；

所述光纤反射镜(1)出射端与偏振分束器(2)入射端相连，偏振分束器(2)的反射端用于锁模输出；

所述偏振分束器(2)的透射端与合束器(3)的输入端相连；偏振分束器(2)与合束器(3)之间的保偏光轴夹角大于0°小于45°；

所述合束器(3)的泵浦端与泵浦激光器(4)相连，输出端通过增益光纤(7)与光纤滤波器(5)的输入端相连；

所述光纤滤波器(5)的输出端与法拉第反射镜(6)的入射端相连；

增益光纤(7)产生随机荧光发射，经偏振分束器(2)检偏后，再通过光纤反射镜(1)返回成为线偏振光，线偏振光经偏振分束器(2)与合束器(3)之间的保偏光轴形成正交分解的两个偏振分量，两个偏振分量分别通过合束器(3)尾纤的快轴和慢轴进入合束器(3)，并在增益光纤(7)中进行功率放大，经光纤滤波器(5)滤波，然后再经过法拉第反射镜(6)反射并将偏振方向旋转90°，再依次经过光纤滤波器(5)滤波和增益光纤(7)放大，再次进入偏振分束器(2)，部分穿过偏振分束器(2)，并被光纤反射镜(1)再次返回，经多次循环之后，直至达到稳定的锁模状态，实现锁模输出。

2.如权利要求1所述一种高功率保偏全光纤锁模振荡器，其特征在于：所述合束器(3)和增益光纤(7)均为双包层光纤。

3.如权利要求1所述一种高功率保偏全光纤锁模振荡器，其特征在于：所述泵浦激光器为多模泵浦激光器。

4.如权利要求3所述一种高功率保偏全光纤锁模振荡器，其特征在于：所述光纤反射镜(1)、偏振分束器(2)、合束器(3)、光纤滤波器(5)、法拉第反射镜(6)和增益光纤(7)的尾纤均为保偏的光纤。

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