CN115296131A - 一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器，包括依次光路连接的反射元件、偏振旋转器、光纤放大器和半导体可饱和吸收镜。本发明利用了保偏光纤的双折射效应，结合偏振旋转器件，使超短脉冲传输过程不再保持线偏振光，而是表现出线偏振光到圆偏振光再到线偏振光的演化过程，能够等效构造出线偏振光的环形传输光路，抑制寄生振荡的产生，在不增加过多光学元件的同时，提高产生超短脉冲的稳定性，提高可饱和吸收镜的损伤阈值，实现结构简单、易于集成、无寄生振荡的超短脉冲产生方式。

Description

一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器。

背景技术

超短脉冲光纤激光器具有体积小、效率高、高可靠性的特点，是当前发展超快激光加工设备、生物医疗、计量学等领域的重要光源。同时超短脉冲光纤激光器结合当前成熟的掺杂光纤技术，能够在多个波段提供超短脉冲激光，仍然表现出强大的应用潜力。同时，当前的超短脉冲光纤激光器相较于固体激光，可以采用集成度高、稳定性好、低插入损耗的光纤器件组建激光谐振腔，并且这类器件成本低，具有良好的可替代性。因此超短脉冲光纤激光成为工业激光加工和生物医疗领域的研究热点。

现有的基于半导体可饱和吸收镜的光纤锁模激光器大多采用环形腔和驻波腔结构。其中，环形腔结构的超短脉冲光纤激光器虽然具有噪声低、不易形成寄生振荡，产生超短脉冲的光谱较宽等优点。但是，该结构需要在腔内采用多个器件，如波分复用器、光纤耦合器、环形器和隔离器等，使用器件种类多且结构复杂，不利于集成设计，成为缩减腔长提高重复频率制造的障碍，同时还增加了超短脉冲激光器的制造成本。基于驻波腔机构的超短脉冲光纤激光器，结构更为简单，只需要借助反射元件和可饱和吸收镜形成驻波腔即可获得稳定的锁模脉冲，不仅有利于系统集成、获得更高重复频率的锁模脉冲，而且激光器体积小，易于大规模制造。然而，由于驻波腔难以避免的寄生振荡，打打降低了锁模脉冲的稳定性，使用该结构更容易形成调Q锁模，损伤半导体可饱和吸收镜，不利于长期稳定运行。同时，驻波腔结构更容易受到环境干扰，从而造成强度噪声和相位噪声增加，限制了这种结构在光频梳、精密计量领域的应用。因此，发展一种兼具驻波腔结构简单、易于集成特点和环形腔噪声性能优异、无寄生振荡特性的产生超短脉的新方法，对于促进超短脉冲光纤激光技术的发展，扩展其应用范围具有在重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器，包括依次光路连接的反射元件、偏振旋转器、光纤放大器和半导体可饱和吸收镜；

具有线性偏振态的超短脉冲经过反射元件，耦合进入光纤的慢轴，再经过偏振旋转器；

在偏振旋转器中，线偏振光脉冲的偏振态被旋转45°，经过光纤耦合形成圆偏振光脉冲进行传播；

圆偏振光脉冲随后在光纤放大器中被放大，放大后的圆偏振光脉冲耦合在半导体可饱和吸收镜上，以圆偏振光的状态反射回到光纤放大器中，再次被放大；

放大后的圆偏振光脉冲通过偏振旋转器后，偏振态从圆偏振光变换为线偏振光，并沿光纤慢轴传输，经过反射元件后，一部分反射回到腔内进行一下次循环，另一部分则耦合输出。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

可选的，所述反射元件为单一线偏振工作元件，其只允许慢轴或快轴光经过光纤耦合输出或反射。

可选的，所述反射元件为单一光纤器件或多个光纤器件组合，所述反射元件包括光纤光栅、偏振分光棱镜、光纤耦合布拉格部分反射镜和光纤耦合检偏器中的一种或多种组合。

可选的，所述光纤放大器为掺杂光纤的光放大器，所述掺杂光纤包括但不限于掺钕光纤、掺铒光纤、掺镱光纤或掺铥光纤。

可选的，所述光纤放大器为单包层光纤或双包层光纤。

可选的，所述反射元件包括光纤光栅和光纤耦合偏振分光棱镜，所述光纤耦合偏振分光棱镜和第一保偏光纤波分复用器的信号端尾纤以45°熔接，构成偏振旋转器；所述第一保偏光纤波分复用器、第二半导体激光器和保偏掺铒光纤组成光纤放大器，保偏掺铒光纤的一端与第一保偏光纤波分复用器的公共端连接，第一半导体激光器和第一保偏光纤波分复用器的泵浦端连接；保偏掺铒光纤的另一端和第一光纤耦合半导体可饱和吸收镜连接，形成保偏掺铒光纤虚拟环形腔激光器；

形成稳定锁模的线偏振超短光脉冲30%的能量通过光纤光栅耦合输出，反射回腔内的70%的能量，经过光纤耦合偏振分光棱镜后沿光纤慢轴方向经过偏振旋转器，变换为圆偏振光脉冲；

进入第一保偏光纤波分复用器的公共端后由公共端进入保偏掺铒光纤和第一半导体激光器，经过第一光纤耦合半导体可饱和吸收镜的反射仍然以圆偏振光状态返回腔内，再次经过所有器件，经过偏振旋转器后变换为线偏振光，经过光纤耦合偏振分光棱镜检偏后沿光纤慢轴由光纤光栅耦合输出。

可选的，所述光纤光栅的中心波长为1550nm，反射率为70%，反射带宽为20nm。

可选的，所述反射元件为光纤耦合布拉格部分反射镜，所述偏振旋转器为法拉第旋转器，所述光纤放大器包括第二保偏光纤波分复用器、第二半导体激光器和保偏掺镱光纤，所述光纤耦合布拉格部分反射镜与法拉第旋转器连接，所述保偏掺镱光纤的一端与第二保偏光纤波分复用器的公共端连接，第二半导体激光器和第二保偏光纤波分复用器的泵浦端连接；保偏掺镱光纤的另外一端和第二光纤耦合半导体可饱和吸收镜连接，形成保偏掺铒光纤虚拟环形腔激光器；

形成稳定锁模的线偏振超短光脉冲20%的能量通过光纤耦合布拉格部分反射镜耦合输出，反射回腔内的80%的能量，经过法拉第旋转器，变换为圆偏振光脉冲；进入第二保偏光纤波分复用器的公共端后由公共端进入保偏掺镱光纤和第二半导体激光器，经过第二光纤耦合半导体可饱和吸收镜的反射仍然以圆偏振光状态返回腔内，再次经过所有器件，经过法拉第旋转器后变换为线偏振光，光纤耦合布拉格部分反射镜耦合输出检偏后沿光纤慢轴输出。

可选的，所述光纤耦合布拉格部分反射镜的中心波长为1064nm，反射率为80%，反射带宽为1nm，透射率为20%。

本发明提供的一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器，利用了保偏光纤的双折射效应，结合偏振旋转器件，使超短脉冲传输过程不再保持线偏振光，而是表现出线偏振光到圆偏振光再到线偏振光的演化过程，能够等效构造出线偏振光的环形传输光路，抑制寄生振荡的产生，在不增加过多光学元件的同时，提高产生超短脉冲的稳定性，提高可饱和吸收镜的损伤阈值，实现结构简单、易于集成、无寄生振荡的超短脉冲产生方式。

附图说明

图1为本发明提供的一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器的结构示意图；

图2为本发明的虚拟环形腔保偏掺铒光纤超短脉冲激光器的结构示图；

图3为本发明的虚拟环形腔保偏掺镱光纤超短脉冲激光器的结构示图。

附图中，各标号所代表的名称如下：

1、反射元件，2、偏振旋转器，3、光纤放大器，4、半导体可饱和吸收镜；

101、光纤光栅，102、光纤耦合偏振分光棱镜，301、第一保偏光纤波分复用器，201、熔接熔点，302，第一半导体激光器，303、保偏掺铒光纤，401、第一光纤耦合半导体可饱和吸收镜；

103、光纤耦合布拉格部分反射镜，202、法拉第旋转器，304、第二保偏光纤波分复用器，305、第二半导体激光器，306、保偏掺镱光纤，402、第二光纤耦合半导体可饱和吸收镜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、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。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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种基于产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器，其利用保偏光纤的双折射效应，结合偏振旋转器件，使超短脉冲传输过程不再保持线偏振光，而是表现出线偏振光到圆偏振光再到线偏振光的演化过程。为实现基于偏振旋转效应的虚拟环形腔激光器，主要包括提供构成驻波腔的反射元件和可饱和吸收镜，掺杂光纤放大器和偏振旋转器。

图1为本发明提供的一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器，包括依次光路连接的反射元件1、偏振旋转器2、光纤放大器3和半导体可饱和吸收镜4。

其产生超短脉冲的原理为：具有线性偏振态的超短脉冲经过反射元件1，耦合进入光纤的慢轴，再经过偏振旋转器2；在偏振旋转器2中，线偏振光脉冲的偏振态被旋转45°，经过光纤耦合形成圆偏振光脉冲进行传播；圆偏振光脉冲随后在光纤放大器3中被放大，放大后的圆偏振光脉冲耦合在半导体可饱和吸收镜4上，以圆偏振光的状态反射回到光纤放大器3中，再次被放大；放大后的圆偏振光脉冲通过偏振旋转器2后，偏振态从圆偏振光变换为线偏振光，并沿光纤慢轴传输，经过反射元件1后，一部分反射回到腔内进行一下次循环，另一部分则耦合输出。

其中，反射元件1为单一线偏振工作元件；只允许慢轴或快轴光经过光纤耦合输出或反射。反射元件1可以是单一光纤器件或多个光纤器件组合，包括但不限于光纤光栅、偏振分光棱镜、光纤耦合布拉格部分反射镜、光纤耦合检偏器等。反射元件1用于结合半导体可饱和吸收镜组成驻波腔，反射元件1具有偏振选择特性，只允许线偏振光反射或透射，且与光纤的慢轴对准，其他方向的偏振光被阻隔，该反射元件1可以具有透射或耦合输出特性，能够将形成的超短脉冲耦合输出。

光纤放大器3是一种系统掺杂光纤的光放大器，光纤放大器3可以采用不同的稀土掺杂光纤，产生多个波段的超短脉冲；包括但不限于掺钕光纤、掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤等。光纤放大器3可以采用单包层光纤，也可以采用双包层光纤。

偏振旋转器2可以将入射的线偏振光转换为圆偏振光，或将入射的圆偏振光转换为线偏振光，且偏振旋转器为互易器件，即偏振旋转效果与入射方向无关。输出的脉冲偏振特性与耦合输出端的位置有关，处于线偏光传输部分，耦合输出的脉冲为线偏振光；处于圆偏振光传输部分，耦合输出的脉冲为圆偏振光。

半导体可饱和吸收镜4是一种基于半导体可饱和吸收效应的反射镜，为光纤耦合器件，可以是通过微透镜组耦合，也可以是直接贴合在光纤表面。

其中，可参见图2，为虚拟环形腔保偏掺铒光纤超短脉冲激光器的实施方案示意图，本发明涉及的所有光纤元件均为保偏光纤构成。虚拟环形腔保偏掺铒光纤超短脉冲激光器包括：中心波长1550nm，反射率70%，反射带宽20nm的的光纤光栅101和光纤耦合偏振分光棱镜102作为反射元件1；光纤耦合偏振分光棱镜102和第一保偏光纤波分复用器301的信号端尾纤以45°角熔接，该熔接熔点201构成偏振旋转器2；第一保偏光纤波分复用器301、第一半导体激光器302、保偏掺铒光纤303组成光纤放大器3，保偏掺铒光纤303的一端与第一保偏光纤波分复用器301的公共端连接，第一半导体激光器302和第一保偏光纤波分复用器301的泵浦端连接；保偏掺铒光纤303的另外一端和第一光纤耦合半导体可饱和吸收镜401连接，形成保偏掺铒光纤虚拟环形腔激光器。

其工作原理为：形成稳定锁模的线偏振超短光脉冲有30%的能量通过光纤光栅101耦合输出，反射回腔内的70%的能量，经过光纤耦合偏振分光棱镜102后沿光纤慢轴方向经过偏振旋转器2，变换为圆偏振光脉冲；进入第一保偏光纤波分复用器301的公共端后由公共端进入保偏掺铒光纤303内，在第一半导体激光器302的泵浦下，补偿传输、耦合输出、第一光纤耦合半导体可饱和吸收镜401引起的损耗，此时光脉冲保持圆偏振光状态；经过第一光纤耦合半导体可饱和吸收镜401的反射仍然以圆偏振光状态返回腔内，再次经过所有器件，经过偏振旋转器2后变换为线偏振光，经过光纤耦合偏振分光棱镜102检偏后沿光纤慢轴由光纤光栅101耦合输出。

参见图3，为虚拟环形腔保偏掺镱光纤超短脉冲激光器的结构示图，本发明涉及的所有光纤元件均为保偏光纤构成。虚拟环形腔保偏掺镱光纤超短脉冲激光器包括：中心波长1064nm，反射率80%，反射带宽1nm的光纤耦合布拉格部分反射镜103，其透射率为20%作为反射元件；光纤耦合布拉格部分反射镜103与法拉第旋转器202连接；第二保偏光纤波分复用器304、第二半导体激光器305、保偏掺镱光纤306组成光纤放大器3，掺镱光纤306与第二保偏光纤波分复用器304的公共端连接，第二半导体激光器305和第二保偏光纤波分复用器304的泵浦端连接；掺镱光纤306的另外一端和第二光纤耦合半导体可饱和吸收镜402连接，形成保偏掺铒光纤虚拟环形腔激光器。

其工作原理为：形成稳定锁模的线偏振超短光脉冲有20%的能量通过光纤耦合布拉格部分反射镜103耦合输出，反射回腔内的80%的能量，经过法拉第旋转器202，变换为圆偏振光脉冲；进入第二保偏光纤波分复用器304的公共端后由公共端进入掺镱光纤306内，在第二半导体激光器305的泵浦下，补偿传输、耦合输出、第二光纤耦合半导体可饱和吸收镜402引起的损耗，此时光脉冲保持圆偏振光状态；经过第二光纤耦合半导体可饱和吸收镜402的反射仍然以圆偏振光状态返回腔内，再次经过所有器件，经过法拉第旋转器202后变换为线偏振光，光纤耦合布拉格部分反射镜103耦合输出检偏后沿光纤慢轴输出。

本发明提供的一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器，利用保偏光纤本身的双折射效应，结合偏振旋转器件，在驻波腔结构内构造虚拟的环形光路，使脉冲传输过程经历线偏振光到圆偏振光再到线偏振光的演化过程，等效产生线偏振光的环形传输光路，抑制寄生振荡的产生，在不增加过多光学元件的同时，提高产生超短脉冲的稳定性，提高可饱和吸收镜的损伤阈值，从而，实现结构简单、易于集成、无寄生振荡的超短脉冲产生方式。

其具有以下有益效果：

（1）本发明所提出的方法适用性强，可以结合不同的增益光纤提供多个波段的超短脉冲；基于该方法能够提供结构简单、紧凑易于集成的超短脉冲激光器。

（2）本发明所提出的方法采用全保偏光纤的设计方案，能够提高基于该方法设计激光器的抗环境干扰能力。

（3）本发明所提出的方法结合环形腔和驻波腔的优点，能够有效抑制寄生振荡的产生，提高超短脉冲的稳定性。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器，其特征在于，包括依次光路连接的反射元件、偏振旋转器、光纤放大器和半导体可饱和吸收镜；

具有线性偏振态的超短脉冲经过反射元件，耦合进入光纤的慢轴，再经过偏振旋转器；

在偏振旋转器中，线偏振光脉冲的偏振态被旋转45°，经过光纤耦合形成圆偏振光脉冲进行传播；

圆偏振光脉冲随后在光纤放大器中被放大，放大后的圆偏振光脉冲耦合在半导体可饱和吸收镜上，以圆偏振光的状态反射回到光纤放大器中，再次被放大；

放大后的圆偏振光脉冲通过偏振旋转器后，偏振态从圆偏振光变换为线偏振光，并沿光纤慢轴传输，经过反射元件后，一部分反射回到腔内进行一下次循环，另一部分则耦合输出。

2.根据权利要求1所述的虚拟环形腔激光器，其特征在于，所述反射元件为单一线偏振工作元件，其只允许慢轴或快轴光经过光纤耦合输出或反射。

3.根据权利要求1所述的虚拟环形腔激光器，其特征在于，所述反射元件为单一光纤器件或多个光纤器件组合，所述反射元件包括光纤光栅、偏振分光棱镜、光纤耦合布拉格部分反射镜和光纤耦合检偏器中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的虚拟环形腔激光器，其特征在于，所述光纤放大器为掺杂光纤的光放大器，所述掺杂光纤包括但不限于掺钕光纤、掺铒光纤、掺镱光纤或掺铥光纤。

5.根据权利要求1或4所述的虚拟环形腔激光器，其特征在于，所述光纤放大器为单包层光纤或双包层光纤。

6.根据权利要求1所述的虚拟环形腔激光器，其特征在于，所述反射元件包括光纤光栅和光纤耦合偏振分光棱镜，所述光纤耦合偏振分光棱镜和第一保偏光纤波分复用器的信号端尾纤以45°熔接，构成偏振旋转器；所述第一保偏光纤波分复用器、第二半导体激光器和保偏掺铒光纤组成光纤放大器，保偏掺铒光纤的一端与第一保偏光纤波分复用器的公共端连接，第一半导体激光器和第一保偏光纤波分复用器的泵浦端连接；保偏掺铒光纤的另一端和第一光纤耦合半导体可饱和吸收镜连接，形成保偏掺铒光纤虚拟环形腔激光器；

形成稳定锁模的线偏振超短光脉冲30%的能量通过光纤光栅耦合输出，反射回腔内的70%的能量，经过光纤耦合偏振分光棱镜后沿光纤慢轴方向经过偏振旋转器，变换为圆偏振光脉冲；

进入第一保偏光纤波分复用器的公共端后由公共端进入保偏掺铒光纤和第一半导体激光器，经过第一光纤耦合半导体可饱和吸收镜的反射仍然以圆偏振光状态返回腔内，再次经过所有器件，经过偏振旋转器后变换为线偏振光，经过光纤耦合偏振分光棱镜检偏后沿光纤慢轴由光纤光栅耦合输出。

7.根据权利要求6所述的虚拟环形腔激光器，其特征在于，所述光纤光栅的中心波长为1550nm，反射率为70%，反射带宽为20nm。

8.根据权利要求1所述的虚拟环形腔激光器，其特征在于，所述反射元件为光纤耦合布拉格部分反射镜，所述偏振旋转器为法拉第旋转器，所述光纤放大器包括第二保偏光纤波分复用器、第二半导体激光器和保偏掺镱光纤，所述光纤耦合布拉格部分反射镜与法拉第旋转器连接，所述保偏掺镱光纤的一端与第二保偏光纤波分复用器的公共端连接，第二半导体激光器和第二保偏光纤波分复用器的泵浦端连接；保偏掺镱光纤的另外一端和第二光纤耦合半导体可饱和吸收镜连接，形成保偏掺铒光纤虚拟环形腔激光器；

形成稳定锁模的线偏振超短光脉冲20%的能量通过光纤耦合布拉格部分反射镜耦合输出，反射回腔内的80%的能量，经过法拉第旋转器，变换为圆偏振光脉冲；进入第二保偏光纤波分复用器的公共端后由公共端进入保偏掺镱光纤和第二半导体激光器，经过第二光纤耦合半导体可饱和吸收镜的反射仍然以圆偏振光状态返回腔内，再次经过所有器件，经过法拉第旋转器后变换为线偏振光，光纤耦合布拉格部分反射镜耦合输出检偏后沿光纤慢轴输出。

9.根据权利要求8所述的虚拟环形腔激光器，其特征在于，所述光纤耦合布拉格部分反射镜的中心波长为1064nm，反射率为80%，反射带宽为1nm，透射率为20%。

Images