CN115548846A - 基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，其泵浦激光器用于输出谐振腔泵浦光；波分复用器用于泵浦光和信号光的合束；掺杂光纤为谐振腔的增益介质用于辐射宽带初始信号光；第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器用于顺时针谐振腔和逆时针谐振腔的光路耦合；第一保偏色散补偿光纤和第二保偏色散补偿光纤用于色散管理谐振腔内的色散匹配；第一固定光纤移相器盒第二固定光纤移相器用于在谐振腔内设置固定相位偏移；第一带通光纤滤波器和带通光纤滤波器分别用于CCW谐振腔和CW谐振腔的波长选择。基于混合锁模机制，集合了非线性放大环形镜锁模和可饱和吸收体锁模的优势，即能提高系统的锁模稳定性，又兼具自启动能力。

Description

基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器
技术领域：
本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器。
背景技术：
飞秒光纤激光器是以光纤为基础，包括掺杂光纤做成的增益介质，光纤做成的锁模谐振腔等，制造的飞秒脉冲激光器。飞秒光纤激光器以其小型化、便携化、无需水冷、低成本和高温定性等优势被认为是新一代的飞秒激光器。飞秒光纤激光器可用于各种超快物理现象研究，可用于超快光电子学方法产生太赫兹波的泵浦光源，同时也是光纤频率梳的核心种子光源。
众所周知，以飞秒光纤激光器作为泵浦光源的太赫兹时域光谱系统已经是目前最为成熟的太赫兹产品之一。但是当前基于飞秒光纤激光技术和机械延迟线技术的太赫兹时域光谱系统在采样速率上受制于机械惯性等问题，通常采样速率仅能达到不足1KHz，严重制约太赫兹光谱和成像技术的应用推广。基于此，基于双飞秒光纤激光器的异步采样原理太赫兹时域光谱系统被提出并逐渐发展为成熟产品，一定程度上解决了系统的效率问题。但是，基于双飞秒光纤激光器的太赫兹系统存在高成本、复杂锁相控制、环境适应性差等问题，无法实现行业推广。
发明内容：
本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，通过方案的实施，仅采用一台激光器，就可实现异步采样功能，同时可以实现更高的采样速率，从而解决了当前异步采样技术存在的痛点问题。
为了实现上述目的，本发明涉及的一种基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，包括泵浦激光器、逆时针谐振腔和顺时针谐振腔；其中，逆时针谐振腔包括波分复用器、掺杂光纤、第二保偏光纤耦合器、第一带通光纤滤波器、第三保偏光纤耦合器、第一固定光纤移相器、第一保偏色散补偿光纤和第一保偏光纤耦合器依次连接形成的第一光纤环路，以及第一光纤耦合可饱和吸收体，第三保偏光纤耦合器分别与逆时针谐振腔输出端和第一光纤耦合可饱和吸收体连接；顺时针谐振腔包括波分复用器、掺杂光纤、第二保偏光纤耦合器、第二带通光纤滤波器、第四保偏光纤耦合器、第二固定光纤移相器、第二保偏色散补偿光纤和第一保偏光纤耦合器依次连接形成的第二光纤环路，以及第二光纤耦合可饱和吸收体，第四保偏光纤耦合器分别与顺时针谐振腔输出端和第二光纤耦合可饱和吸收体连接；泵浦激光器连接在波分复用器的一端口，用于输出谐振腔泵浦光。
本发明涉及的波分复用器用于泵浦光和信号光的合束；掺杂光纤为谐振腔的增益介质，用于辐射宽带初始信号光；第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器用于顺时针谐振腔和逆时针谐振腔的光路耦合；第一保偏色散补偿光纤和第二保偏色散补偿光纤用于色散管理谐振腔内的色散匹配，实现信号光脉冲展宽；第一固定光纤移相器盒第二固定光纤移相器用于在谐振腔内设置固定相位偏移；第一带通光纤滤波器和带通光纤滤波器分别用于CCW谐振腔和CW谐振腔的波长选择。
本发明涉及的掺杂光纤采用铒鐿共掺光纤。
本发明涉及的第一带通滤波器的中心波长在1560nm。
本发明涉及的第二带通滤波器的中心波长设置为1490nm或1310nm。
本发明涉及的第三保偏光纤耦合器和第四保偏光纤耦合器的分光比为90:10。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)通过对谐振腔结构的创新设计，创造了不同波长信号光同时在腔内运转并锁模输出的新路径。同时，基于混合锁模机制，集合了非线性放大环形镜(NALM)锁模和可饱和吸收体(SAM)锁模的优势，即能提高系统的锁模稳定性，又兼具自启动能力。进一步，方案采用全保偏光纤器件，进一步保证了激光器的环境适应性和可靠性。进一步，采用九字腔结构的激光振荡器具有更短的谐振腔长度，有利于实现高重复频率的光脉冲输出。
具有大的中心波长差异的双波长激光有着较大的群色散参数差值，这将直接导致在形成稳定激光振荡时双波长脉冲序列具有较大的重复频率差异，这对构建高速异步采样太赫兹时域光谱系统是极具价值的。同时，由于谐振腔的共用，双波长脉冲序列的重频波动对环境变化具有一致的响应，这对异步采样系统的环境适应性提高是非常有利的。同时，仅采用一套激光器就可实现异步光学采样的目的，这同样极具经济性价值。进一步，具有较大重频差异的双波长激光器在构建双光学射频频率梳以及通过外差方法产生中低频光频梳应用方面具有很大的发展潜力。。
附图说明：
图1是实施例1涉及的基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器结构示意图。
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，显然，所描述的实施例仅仅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。本发明中“第一”、“第二”等为区分相同结构的部件，不构成对发明的限制。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及的基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，包括泵浦激光器1、逆时针(CCW)谐振腔和顺时针(CW)谐振腔；
其中，逆时针谐振腔包括波分复用器2、掺杂光纤3、第二保偏光纤耦合器5、第一带通光纤滤波器10、第三保偏光纤耦合器12、第一固定光纤移相器8、第一保偏色散补偿光纤6和第一保偏光纤耦合器4依次连接形成的第一光纤环路，以及第一光纤耦合可饱和吸收体14，第三保偏光纤耦合器12分别与逆时针谐振腔输出端和第一光纤耦合可饱和吸收体14连接；
顺时针谐振腔包括波分复用器2、掺杂光纤3、第二保偏光纤耦合器5、第二带通光纤滤波器11、第四保偏光纤耦合器13、第二固定光纤移相器9、第二保偏色散补偿光纤7和第一保偏光纤耦合器4依次连接形成的第二光纤环路，以及第二光纤耦合可饱和吸收体15，第四保偏光纤耦合器13分别与顺时针谐振腔输出端和第二光纤耦合可饱和吸收体15连接；
泵浦激光器1连接在波分复用器2的一端口，用于输出谐振腔泵浦光，中心波长一般为980nm。
波分复用器2用于泵浦光和信号光的合束；
掺杂光纤3为谐振腔的增益介质，一般采用高掺杂光纤，用于辐射宽带初始信号光；
第一保偏光纤耦合器4和第二保偏光纤耦合器5用于顺时针谐振腔和逆时针谐振腔的光路耦合；
第一保偏色散补偿光纤6和第二保偏色散补偿光纤7用于色散管理谐振腔内的色散匹配，实现信号光脉冲展宽；
第一固定光纤移相器8盒第二固定光纤移相器9用于在谐振腔内设置固定相位偏移；
第一带通光纤滤波器10和带通光纤滤波器11分别用于CCW谐振腔和CW谐振腔的波长选择。
本实施例涉及的掺杂光纤3采用铒鐿共掺(Er3+/Yb3+)光纤，原因在于Er3+/Yb3+共掺后，可以提高Er3+离子的掺杂浓度，同时由于Yb3+的敏化作用，以及Er3+/Yb3+离子的交叉弛豫能量转换过程，可以得到更宽的增益光谱以及更高的泵浦效率。
本实施例涉及的第一带通滤波器10的中心波长在1560nm。
为了与CCW方向谐振腔产生具有不同中心波长的激光震荡，本实施例涉及的第二带通滤波器11的中心波长设置为1490nm或1310nm。
本实施例涉及的第三保偏光纤耦合器12和第四保偏光纤耦合器13的分光比为90:10。
本实施例涉及的第一光纤耦合可饱和吸收体14以及第二光纤耦合可饱和吸收体15为辅助相位锁定，并不作为锁模的主要手段。通常境况下，照射到可饱和吸收体上的光脉冲宽度相对较大，这有利于延长可饱和吸收体的使用寿命。
本实施例涉及的第一保偏光纤耦合器4、第二保偏光纤耦合器5以及波分复用器2的信号光通道及com端口均采用大带宽配置，以确保双波长信号光的高通过率。
本发明为搭建共享泵浦光源和掺杂光纤的双九字环形腔飞秒光纤激光振荡器结构，锁模方式为基于非线性放大环形镜和可饱和吸收体(CSAM)混合锁模机制，腔内色散类型为正常和反常交替，目标为实现色散管理孤子的产生和输出。
本实施例涉及的基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器的工作原理为：
如图1，泵浦激光器1输出980nm连续光通过波分复用器2的980nm端口耦合进入铒鐿共掺光纤3。泵浦光在铒鐿共掺光纤3中引发掺杂光纤的受激跃迁，上能级离子通过自发跃迁至下能级并辐射宽带初始信号光。信号光从铒鐿共掺光纤3输出后，通过第一保偏光纤耦合器5分为两束，分别进入CW谐振腔和CCW谐振腔。
其中，进入CCW谐振腔的信号光先通过一个中心波长在1560nm的第一带通滤波器10，进而经过一个分光比为90:10的第三保偏光纤耦合器12，90％的分光将进入第一光纤耦合可饱和吸收体14，并在第一光纤耦合可饱和吸收体14经历可饱和吸收过程并被反射回来，反射光重新回到谐振腔并沿着CCW谐振腔逆时针和顺时针传播。随后经过第一固定光纤移相器8产生一定的额外相移，这将有助于非线性放大环形镜的非线性积累。经过相移的信号光继续传播，经过第一保偏色散补偿光纤6将产生与前置光纤相反的色散，从而对信号光脉冲实现展宽。展宽后的信号光在后续传播中因反常色散存在而产生一定压缩，最后继续经由第一保偏光纤耦合器4和波分复用器2回到铒镱共掺光纤中作为信号光被放大。第三保偏光纤耦合器12的10％的分光将直接作为激光的输出。
类似的，进入顺时针CW谐振腔的信号光也会经历相同的过程，第四保偏光纤耦合器13的10％的分光直接作为激光输出。

Claims (6)

1.一种基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，其特征在于，包括泵浦激光器、逆时针谐振腔和顺时针谐振腔；其中，逆时针谐振腔包括波分复用器、掺杂光纤、第二保偏光纤耦合器、第一带通光纤滤波器、第三保偏光纤耦合器、第一固定光纤移相器、第一保偏色散补偿光纤和第一保偏光纤耦合器依次连接形成的第一光纤环路，以及第一光纤耦合可饱和吸收体，第三保偏光纤耦合器分别与逆时针谐振腔输出端和第一光纤耦合可饱和吸收体连接；顺时针谐振腔包括波分复用器、掺杂光纤、第二保偏光纤耦合器、第二带通光纤滤波器、第四保偏光纤耦合器、第二固定光纤移相器、第二保偏色散补偿光纤和第一保偏光纤耦合器依次连接形成的第二光纤环路，以及第二光纤耦合可饱和吸收体，第四保偏光纤耦合器分别与顺时针谐振腔输出端和第二光纤耦合可饱和吸收体连接；泵浦激光器连接在波分复用器的一端口，用于输出谐振腔泵浦光。
2.根据权利要求1所述的基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，其特征在于，波分复用器用于泵浦光和信号光的合束；掺杂光纤为谐振腔的增益介质，用于辐射宽带初始信号光；第一保偏光纤耦合器和第二保偏光纤耦合器用于顺时针谐振腔和逆时针谐振腔的光路耦合；第一保偏色散补偿光纤和第二保偏色散补偿光纤用于色散管理谐振腔内的色散匹配，实现信号光脉冲展宽；第一固定光纤移相器盒第二固定光纤移相器用于在谐振腔内设置固定相位偏移；第一带通光纤滤波器和带通光纤滤波器分别用于CCW谐振腔和CW谐振腔的波长选择。
3.根据权利要求1所述的基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，其特征在于，掺杂光纤采用铒鐿共掺光纤。
4.根据权利要求1所述的基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，其特征在于，第一带通滤波器的中心波长在1560nm。
5.根据权利要求1所述的基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，其特征在于，第二带通滤波器的中心波长设置为1490nm或1310nm。
6.根据权利要求1所述的基于双九字腔结构的飞秒光纤激光器，其特征在于，第三保偏光纤耦合器和第四保偏光纤耦合器的分光比为90:10。
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