CN116487984A - 非互易性相移器及激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非互易性相移器及激光器,涉及激光器技术领域。该非互易性相移器包括相移器本体和驱动组件,相移器本体包括罩壳和若干个光学元件,罩壳内形成容置腔,若干个光学元件的局部或全部容置于容置腔内,光学元件包括调制波片,调制波片仅存在绕自身几何轴线的周向转动自由度,且调制波片的局部裸露于容置腔之外;驱动组件的驱动端与调制波片裸露于容置腔之外的部位连接,用于驱动调制波片进行周向转动。该激光器包括上述非互易性相移器。该非互易性相移器组装、调试便捷度高、精度高,且耦合损耗低、稳定性高,能够确保激光器的组装效率及正常运行,从而确保激光器的广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域,具体而言,涉及一种非互易性相移器及激光器。
背景技术
全保偏飞秒光纤激光具有环境稳定性好、抗干扰能力强、体积小和可靠性高等一系列优点,是一种理想的飞秒激光源,已广泛应用于精密计量、眼科手术、医疗成像、微纳加工等领域,故开展高性能全保偏飞秒激光研发具有十分重要的意义。
锁模是产生超短脉冲的主要手段,实现方式包括主动锁模和被动锁模。与主动锁模相比,被动锁模技术可以产生更短的脉冲,这主要是因为由已经非常短的脉冲驱动的可饱和吸收体可以比任何电子调制器更快地调制谐振腔的损耗:循环脉冲越短,所获得的损耗调制越快。目前激光器中的被动锁模技术包括可饱和吸收体(saturable absorber,SA)、非线性偏振旋转(nonlinear polarization rotation,NPR)和非线性放大环形镜(NALM),其中,受可饱和材料本身损伤阈值低输出能量随时间衰减等缺点限制,SA锁模激光的可靠性需进一步提高;对于NPR锁模激光来说,锁模机理决定其不能实现全保偏结构输出;NALM光纤锁模激光器具有“8”字形和“9”字形两种腔结构,能够实现全保偏结构输出,但锁模脉冲的实现需要在腔内相向传输的两路光积累一定的非线性相移差,受限于腔形结构,NALM光纤锁模激光器一般都存在自启动难和重复频率较低的应用瓶颈,而非互易性移相器的出现和应用解决了这一难题。在光腔中加入非互易性相移器,为环路中相向传输的两路光引入初始相移差,使初始状态下的透射曲线数值和斜率均不为零,且相移差在(0,π/2)区间单调递增,将更容易实现稳定锁模;同时,非互易性相移器引入的初始相移差使得锁模不完全依赖谐振腔内循环传输所积累的非线性相移差,从而有效提高了激光器重复频率的设计上限,实现结构更加紧凑的飞秒脉冲激光输出。
然而现有非互易性相移器中的各光学元件均为分立元件,组装时,需要将这些分立元件一一安装于激光腔体内,组装、调试难度高、精度低,耦合损耗较高且稳定性较差,从而影响激光器的组装效率及正常运行,限制了飞秒光纤激光的应用。
发明内容
本发明的目的包括提供一种非互易性相移器及激光器,以解决现有非互易性相移器组装、调试难度高、精度低,耦合损耗较高且稳定性较差,从而影响激光器的组装效率及正常运行的技术问题。
为解决上述问题,本发明提供一种非互易性相移器,包括相移器本体和驱动组件,所述相移器本体包括罩壳和若干个光学元件,所述罩壳内形成容置腔,所述若干个光学元件的局部或全部容置于所述容置腔内,所述光学元件包括调制波片,所述调制波片仅存在绕自身几何轴线的周向转动自由度,且所述调制波片的局部裸露于所述容置腔之外;所述驱动组件的驱动端与所述调制波片裸露于所述容置腔之外的部位连接,用于驱动所述调制波片进行周向转动。
可选地,所述调制波片包括转动套筒和共轴固设于所述转动套筒内的镜片,所述转动套筒周向转动连接于所述容置腔内,且所述转动套筒的局部周向外缘裸露于所述容置腔之外;所述驱动组件的驱动端与所述转动套筒裸露于所述容置腔之外的部位连接,用于驱动所述转动套筒进行周向转动。
可选地,所述罩壳设有调节口,所述转动套筒的局部周向外缘经所述调节口裸露并向外凸出,且所述转动套筒与所述调节口相应筒段的外壁设有传动齿;所述驱动组件包括步进电机和设于所述步进电机的输出轴的主动齿轮,所述主动齿轮的主动齿与所述传动齿啮合配合。
可选地,所述步进电机的控制精度配置为小于1°,所述主动齿轮与所述转动套筒的传动齿的传动比配置为1:1-1:5,所述转动套筒的传动齿的齿顶圆直径配置为5mm-15mm。
可选地,所述罩壳的外壁设有调节槽,所述调节口位于所述调节槽的槽底,且所述转动套筒凸出所述调节口的部位位于所述调节槽内。
可选地,所述容置腔内设有限制所述转动套筒的轴向活动自由度和径向活动自由度的波片限位结构。
可选地,所述容置腔包括内容置腔和外容置腔,其中,所述外容置腔被配置为由所述罩壳的第一区域向内凹陷形成,所述外容置腔的周向轮廓呈优弧形且所述外容置腔的开口处作为所述调节口,所述调制波片同轴嵌设于所述外容置腔内,且所述外容置腔轴向两端的腔壁均设有与所述镜片的入射面及出射面相对应的通光孔;所述罩壳的第一区域以外的区域为第二区域,所述第二区域与所述第一区域之间围成所述内容置腔,且所述内容置腔与所述外容置腔通过所述通光孔连通。
可选地,所述非互易性相移器还包括与驱动组件连接的控制器,所述控制器包括感应模块、执行模块和存储模块,所述感应模块被配置为采集所述相移器本体所处的环境温度参数,所述执行模块被配置为根据所述感应模块采集的环境温度参数设置驱动组件的旋转角度,所述存储模块被配置为记载所述调制波片的初始角度和当前角度。
可选地,所述若干个光学元件包括依次沿所述容置腔的轴向布置的第一保偏光纤、第一准直器、第一偏光分束器、第一旋光器、调制波片、第二旋光器、第二偏光分束器、第二准直器和第二保偏光纤,所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤分别自所述容置腔内伸出所述罩壳的两端。
可选地,所述第一准直器与所述第二准直器的轴向距离小于等于80mm,所述调制波片与所述第一旋光器及所述第二旋光器的轴向距离范围为3mm-5mm。
本发明还提供了一种激光器,还包括波分复用器、增益光纤和光纤耦合器,所述非互易性相移器中的相移器本体、所述波分复用器、所述增益光纤和所述光纤耦合器依次序首尾连接形成环形腔,且所述波分复用器的输入端口连接泵浦源,所述光纤耦合器包括异于闭环连接的两个端口,所述两个端口的其中一者连接隔离器、另一者连接全反镜。
本发明提供的非互易性相移器,其各光学元件按照设定顺序及间隔沿光路传播方向依次排布,其中,调制波片以外的光学元件固定安装于容置腔,调制波片的轴向位置也固定不变,从而确保各光学元件之间的相对位置精确度,相应确保各光学元件之间的光路传播稳定性,并有效降低耦合损耗,并且还可以对相移器本体进行批量生产。此外,罩壳作为载体承载各光学元件以形成一个整体部件,在能够保护隔离各光学元件以减少外界因素对光学元件运行造成的不良影响,从而确保非互易性相移器的使用精确度及稳定性的基础上,还可以对该整体部件进行整体搬运,且搬运过程中各光学元件的相对位置不变,能够确保相移器本体的正常运行,组装时仅需对位于两端的光学元件进行连接,无需确定各光学元件的相对位置,从而有效提高非互易性相移器及激光器的使用便捷度及其组装效率,相应确保激光器的广泛应用。
另外,调制波片中镜片的快轴与入射镜片的偏振光偏振方向的夹角角度直接决定两束偏振光的非互易相移差,本申请中将调制波片转动安装于容置腔并设置用于驱动调制波片周向转动的驱动组件,在确保调制波片轴向位置固定不变的基础上,驱动组件能够于罩壳外对调制波片裸露于容置腔外的部位施力,且通过设置驱动组件的驱动量,可以精确控制对转动套筒及镜片转动角度的调节量,从而便捷、精确地调节镜片的快轴角度,本申请的非互易性相移器应用于激光器时,通过调节镜片对入射偏振光的相位延迟效果,使得两束入射偏振光获得不同的非互易相移差Δφ,从而在不同实验条件下灵活寻找激光器的最佳自启动设置点或最佳输出运转状态,相应提高非互易相移器及激光器的功能性。
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,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的非互易性相移器中相移器本体的第一形式示意图;
图2为图1中罩壳围成容置腔且调制波片安装于容置腔内时,于罩壳调节口处的径向截面示意图;
图3为图1中罩壳围成外容置腔和内容置腔时,于其调节口处的径向剖视图。
图4为本发明提供的非互易性相移器的轴测图,其中,相移器本体为第二形式;
图5为图4中非互易性相移器的正视图;
图6为本发明提供的非互易性相移器中个光学元件的轴向排布示意图;
图7为本发明提供的激光器的连接示意图;
图8为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的输出锁模光谱;
图9为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的基频时域脉冲序列;
图10为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的锁模脉冲频谱图;
图11为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的强度自相关测试曲线;
图12为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的光谱长期稳定性曲线图。
附图标记说明:
10-非互易性相移器;11-相移器本体;12-连接座;20-波分复用器;30-增益光纤;40-光纤耦合器;50-泵浦源;60-隔离器;70-全反镜;80-环形腔;100-罩壳;110-调节口;120-调节槽;130-锥形保护套;140-锁止件;150-容置腔;151-内容置腔;152-外容置腔;153-通光孔;210-第一保偏光纤;220-第一准直器;230-第一偏光分束器;240-第一旋光器;250-调制波片;251-转动套筒;251a-基筒体;251b-传动齿轮;252-镜片;260-第二旋光器;270-第二偏光分束器;280-第二准直器;290-第二保偏光纤;300-驱动组件;310-步进电机;311-输出轴;320-主动齿轮;410-底座体;420-第一支撑座体;421-安装孔;422-穿线孔;423-锁紧口;424-锁紧孔。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本实施例提供一种非互易性相移器10,如图4和图5所示,包括相移器本体11和驱动组件300,相移器本体11包括罩壳100和若干个光学元件,罩壳100内形成容置腔150,若干个光学元件的局部或全部容置于容置腔150内,光学元件包括调制波片250,调制波片250仅存在绕自身几何轴线的周向转动自由度,且调制波片250的局部裸露于容置腔150之外;驱动组件300的驱动端与调制波片250裸露于容置腔150之外的部位连接,用于驱动调制波片250进行周向转动。
本实施例提供的非互易性相移器10,包括通过若干个光学元件作用以使入射的两束偏振光获得非互易相移差的相移器本体11,具体地,其中一个光学元件为用于对偏振光进行相位延迟的调制波片250,各光学元件按照设定顺序及间隔沿光路传播方向依次排布;其中,调制波片250以外的光学元件固定安装于容置腔150,调制波片250的轴向位置也固定不变,从而确保各光学元件之间的相对位置精确度,相应确保各光学元件之间的光路传播稳定性,并有效降低耦合损耗,并且还可以对相移器本体11进行批量生产。此外,罩壳100作为载体承载各光学元件以形成一个整体部件,在能够保护隔离各光学元件以减少外界因素对光学元件运行造成的不良影响,从而确保非互易性相移器10的使用精确度及稳定性的基础上,还可以对该整体部件进行整体搬运,且搬运过程中各光学元件的相对位置不变,能够确保相移器本体11的正常运行,组装时仅需对位于两端的光学元件进行连接,无需确定各光学元件的相对位置,从而有效提高非互易性相移器10及激光器的使用便捷度及其组装效率,相应确保激光器的广泛应用。
另外,调制波片250中镜片252的快轴与入射镜片252的偏振光偏振方向的夹角角度直接决定两束偏振光的非互易相移差,本申请中将调制波片250转动安装于容置腔150并设置用于驱动调制波片250周向转动的驱动组件300,在确保调制波片250轴向位置固定不变的基础上,驱动组件300能够于罩壳100外对调制波片250裸露于容置腔外的部位施力,且通过设置驱动组件300的驱动量,可以精确控制对转动套筒251及镜片252转动角度的调节量,从而便捷、精确地调节镜片252的快轴角度,本申请的非互易性相移器10应用于激光器时,通过调节镜片252对入射偏振光的相位延迟效果,使得两束入射偏振光获得不同的非互易相移差Δφ,从而在不同实验条件下灵活寻找激光器的最佳自启动设置点或最佳输出运转状态,相应提高非互易相移器及激光器的功能性。本实施例的非互易性相移器10在实现整体模块化配置的同时,还能实现局部元件调制波片250的精确可调,兼具此两种设置的优势。
可选地,本实施例中,如图2所示,调制波片250包括转动套筒251和共轴固设于转动套筒251内的镜片252,转动套筒251周向转动连接于容置腔内,且转动套筒251的局部周向外缘裸露于容置腔之外;如图4和图5所示,驱动组件300的驱动端与转动套筒251裸露于容置腔之外的部位连接,用于驱动转动套筒251进行周向转动。这里是调制波片250转动设置于容置腔内以及驱动组件300与转动套筒251连接的其中一种具体形式,需要对镜片252进行转动调节时,可以启动驱动组件300对转动套筒251裸露于容置腔外的部位施力,从而驱动转动套筒251带动镜片252周向转动,在实现对镜片252周向转动调节的基础上,减少直接对镜片252施力对其造成的污染及损坏,相应确保镜片252的使用精确度并延长其使用寿命;此外,镜片252位于转动套筒251内,转动套筒251能够对镜片252起到保护作用,且转动套筒251的轴向宽度大于镜片252的厚度,转动套筒251与容置腔腔壁的套接配合面积较大,两者的配合稳定性较高,从而确保镜片252的位置精确度,减少镜片252转动过程发生偏移而影响相移效果情况的发生,相应确保非互易性相移器10及激光器的正常运行。具体地,晶片直径可以为3-10mm。
具体地,本实施例中,如图1-图5所示,罩壳100设有调节口110,转动套筒251的局部周向外缘经调节口110裸露并向外凸出,且转动套筒251与调节口110相应筒段的外壁设有传动齿;驱动组件300包括步进电机310和设于步进电机310的输出轴311的主动齿轮320,主动齿轮320的主动齿与传动齿啮合配合。转动套筒251周向外缘的传动齿经调节口110裸露并向外凸出,驱动组件300的主动齿轮320与裸露于调节口110外部的传动齿啮合传动;需要对镜片252快轴的周向角度进行调节时,可以启动步进电机310,步进电机310的输出轴311驱动主动齿轮320转动,从而通过传动齿带动转动套筒251及其内的镜片252周向转动,进而实现对镜片252快轴角度的调节,其中,主动齿轮320与传动齿的高精度传动啮合能够有效确保驱动组件300对转动套筒251及其内部镜片252周转角度的驱动精确性,相应提高对镜片252快轴角度的调节精确度,使其能够在不同实验条件下灵活寻找激光器的最佳自启动设置点或最佳输出运转状态;并且调节完成后,角度固定的主动齿轮320还能够对传动齿进行啮合定位,相应对转动套筒251及其内的镜片252起到定位作用,从而提高镜片252角度调节后的位置稳定性。此外,转动套筒251凸出调节口110的部位在实现与驱动组件300连接的同时,还能够对调节口110起到一定的封堵作用,可以确保罩壳100内部的密封程度,从而确保罩壳100对光学元件的封装保护。
具体地,步进电机310的控制精度配置为小于1°,例如可设置配置步进电机310步进角为7.5°,步进精度则为0.75°;调制波片250的传动齿的齿顶圆直径配置为5mm-15mm,为了满足步进电机310控制调制波片250调制的精准度,主动齿轮320与传动齿的传动比配置可以为1:1-1:5,上述设置能够有效确保驱动组件300对调制波片250周转角度的调节精确度,相应确保调制波片250对光路的相移精确度。较佳地,转动套筒251的端面可以设有360°周角标识,不仅能够用于对步进电机310驱动转动套筒251的周转角度的确认,还能够用于手动调节转动套筒251的周转角度识别。
具体地,本实施例中,如图2所示,转动套筒251包括基筒体251a和沿周向围设于基筒体251a外壁的传动齿轮251b,传动齿轮251b为两个且沿基筒的轴向间隔排布;调节口110为两个,两个传动齿轮251b与两个调节口110一一对应;主动齿轮320为一个,且一个主动齿轮320与其中一个传动齿轮251b啮合配合。步进电机310的输出轴311安装有一个主动齿轮320,该主动齿轮320可以与其中一个传动齿轮251b啮合传动,步进电机310启动即可通过输出轴311带动主动齿轮320、传动齿轮251b、基筒体251a及其内的镜片252周向转动,另一传动齿轮251b作为备用齿轮随基筒体251a同步转动;当使用中的传动齿轮251b破损时,可以调节主动齿轮320于输出轴311的位置,使其与备用齿轮啮合,无需更换转动套筒251即可保证调制波片250的继续使用,从而延长调制波片250的使用寿命,提高其实用性。
当然,驱动组件300的主动齿轮320除采用单个外,也可以为两个,两个主动齿轮320与两个传动齿轮251b一一对应啮合配合。对调制波片250的周向角度进行调节时,步进电机310启动,输出轴311带动两个主动齿轮320同步转动,两个主动齿轮320通过啮合传动同时带动相应的传动齿轮251b转动,两个传动齿轮251b从而于不同位置带动基筒体251a转动,进而带动基筒体251a内部的镜片252转动。则两个主动齿轮320和两个传动齿轮251b同步啮合传动以带动基筒体251a和镜片252转动,能够有效降低单个主动齿轮320和传动齿轮251b对基筒体251a和镜片252的驱动负荷,相应减少主动齿轮320和传动齿轮251b损坏情况的发生,并且两个传动齿轮251b对基筒体251a轴向的不同位置施力,能够提高基筒体251a及其内镜片252周转运行的稳定性,减少单侧受力导致基筒体251a偏移情况的发生。
可选地,本实施例中,非互易性相移器10还可以包括与驱动组件300连接的控制器,控制器包括感应模块、执行模块和存储模块,感应模块被配置为采集相移器本体所处的环境温度参数,执行模块被配置为根据感应模块采集的环境温度参数设置驱动组件的旋转角度,存储模块被配置为记载调制波片的初始角度和当前角度。具体地,控制器通信连接于步进电机310,存储模块记载步进电机310的初始位置对应调制波片250的初始角度及步进电机310的当前旋转角度(包括旋转方向和度数),一方面,执行模块根据上层指令控制步进电机310的运行或者停止运行,控制步进电机310按照设定的旋转速度,旋转角度等参数运行;通过控制器对步进电机310的控制,以提高步进电机310对调制波片250周转角度的驱动精确度;另一方面,非互易性相移器10运行过程中,感应模块能够实时采集相移器本体所处的环境温度参数,并将采集到的环境温度参数信息反馈至执行模块,执行模块根据环境温度对调制波片250相移性能的影响计算步进电机310对调制波片250的旋转驱动角度,并控制步进电机310驱动调制波片250旋转相应角度,以补偿调制波片250相移性能受到环境温度的影响,从而提高调制波片250运行过程中的相移精确度,减少其受环境温度的不良影响。
可选地,本实施例中,还可以在容置腔内设有限制转动套筒251的轴向活动自由度和径向活动自由度的波片限位结构。波片限位结构能够对转动套筒251的轴向和径向位置进行限定,在实现转动套筒251周向转动的基础上,提高转动套筒251的轴向和径向位置稳定性,相应确保调制波片250与其他光学元件的配合位置精确度,确保非互易性相移器10及激光器的正常运行。具体地,可以在转动套筒251的筒内壁设置两组第一轴向限位凸台,镜片252与转动套筒251间隙配合且夹设于两组第一轴向限位凸台之间,从而实现镜片252的固定。类似地,波片限位结构可以包括设置于容置腔内的圆柱段,基筒体251a套设于圆柱段,圆柱段的圆柱腔壁能够对基筒体251a进行径向限位,圆柱段的两端面或设于圆柱段的两组第二轴向限位凸台与基筒体251a相应的端面抵接,从而对基筒体251a进行轴向限位,使基筒体251a及其上的传动齿轮251b仅存在沿轴向的周向转动自由度。当然,镜片252连接于转动套筒251的具体形式以及转动套筒251连接于容置腔内腔壁的具体形式并不限定于上述形式,其他能够实现对镜片252的径向及轴向限位,以及转动套筒251的径向及轴向限位的结构均可以。
具体地,本实施例中,如图1-图5所示,罩壳100的外壁设有调节槽120,调节口110位于调节槽120的槽底,且转动套筒251凸出调节口110的部位位于调节槽120内。转动套筒251凸出调节口110的部位并未凸出调节槽120,相应也未凸出罩壳100的外形轮廓,一方面,调节槽120的槽壁能够对转动套筒251凸出的部位起到保护作用,以减少外界因素对其造成的磕碰损坏;另一方面,罩壳100的整体外形整齐度较高,在确保调制波片250调节便捷度的基础上,提高非互易性相移器10的整体整齐度。
具体地,如图2所示,可以于罩壳100的第一区域沿垂直于罩壳100轴向的方向对罩壳100进行贯通切除以得到调节槽120,且调节槽120中部区域的槽深大于罩壳100相应区域的厚度,从而切穿该区域以得到调节口110,罩壳100内部则围成容置腔,相应便捷地加工得到调节槽120和调节口110。
罩壳100和容置腔150除采用上述形式外,如图3所示,容置腔150还可以包括内容置腔151和外容置腔152,其中,外容置腔152被配置为由罩壳100的第一区域向内凹陷形成,外容置腔152的周向轮廓呈优弧形且外容置腔152的开口处作为调节口110,调制波片250同轴嵌设于外容置腔152内,且外容置腔150轴向两端的腔壁均设有与镜片252的入射面及出射面相对应的通光孔153;罩壳100的第一区域以外的区域为第二区域,第二区域与第一区域之间围成内容置腔151,且内容置腔151与外容置腔152通过通光孔153连通。罩壳100的第一区域向内凹陷围成优弧形、圆柱轮廓的外容置腔152,调制波片250配合嵌设于外容置腔内,且调制波片250的局部周向外缘经外容置腔152的开口即调节口110外露,其中,外容置腔152的周向腔壁能够对调制波片250进行径向限位,外容置腔152轴向两端的腔壁能够对调制波片250进行轴向限位,从而通过便捷的加工方法得到结构简单、能够容置调制波片250并对其进行轴向和径向限位的外容置腔152,相应确保调制波片250的周向旋转运动的稳定性;罩壳100的第一区域与其余的第二区域之间围成内容置腔150,其他光学元件安装于内容置腔151,且内容置腔151内的光学元件能够通过外容置腔152轴向两端腔壁上设置的通光孔153进行光路传输,相对地封闭隔离内容置腔151内的光学元件以减少外界因素对光学元件运行造成的不良影响。
本实施例中,如图1所示,非互易相移器还可以包括锁止件140,调节槽120的槽底位于两个调节口110之间的区域形成平面锁止区,锁止件140连接于平面锁止区且包括锁止位和脱离位,其中,锁止件140处于锁止位时,锁止件140锁止基筒体251a;锁止件140处于脱离位时,锁止件140脱离基筒体251a。需要对镜片252的快轴周向角度进行调节时,可以调节锁止件140处于脱离位,锁止件140不再干涉基筒体251a,驱动组件300对调制波片250进行驱动调节;调节完成后,可以将锁止件140调节至锁止位,锁止件140能够对基筒体251a进行二次锁止,从而进一步提高镜片252角度调节后的位置精确度,减少镜片252调节后或激光器运行过程中基筒体251a受振动或受外力发生转动,导致镜片252角度偏移而影响其使用效果情况的发生,相应确保非互易性相移器10及激光器的稳定运行。此外,相较安装于罩壳100的弧形外壁,锁止件140设置于该安装锁止区的便捷度及稳定性更高,相应对基筒体251a及镜片252的锁止稳定性更高。
可选地,本实施例中,如图4和图5所示,非互易性相移器10还包括连接座12,连接座12包括底座体410和连接于底座体410的第一支撑座体420,第一支撑座体420设有安装孔421和穿线孔422,罩壳100固设于底座体410的顶面,且罩壳100轴向的一端朝向穿线孔422;步进电机310安装于安装孔421。相移器本体11的罩壳100固设于连接座12中底座体410的顶面,步进电机310的壳体插装于安装孔421内,第一支撑座体420对步进电机310的位置进行支撑驱动,从而实现对相移器本体11和步进电机310相对位置的固定,使得安装于步进电机310输出轴311的主动齿轮320能够与相移器本体11的传动齿轮251b稳定、精确的啮合传动,相应确保驱动组件300对调制波片250周转角度的驱动精确度。其中,相移器本体11安装于底座体410时,其轴向的一端与设于第一支撑座体420的穿线孔422相对应,则相移器本体11该轴端的光纤能够经穿线孔422穿出以用于与其他部件连接。具体地,第一支撑座体420与底座体410垂直设置,以确保第一支撑座体420对步进电机310的支撑稳定性。
具体地,本实施例中,如图4和图5所示,安装孔421的一侧设有贯通第一支撑座体420的锁紧口423,且安装孔421与步进电机310的壳体过盈配合;非互易性相移器10还包括锁紧件,锁紧件连接于第一支撑座体420且包括锁紧位和放松位,锁紧件处于锁紧位时,锁紧件锁紧第一支撑座体420位于锁紧口423两侧的部位;锁紧件处于放松位时,锁紧件松开第一支撑座体420位于锁紧口423两侧的部位。在安装孔421的一侧设置开口状的锁紧口423,则非封闭状的安装孔421能够于锁紧口423处发生一定程度的形变,安装步进电机310时,将锁紧件调至放松位,将步进电机310的壳体插入安装孔421内,安装孔421受到壳体的挤压于锁紧口423处发生形变,以提高壳体的安装便捷度;壳体装入安装孔421后,将锁紧件调至锁紧位,锁紧件相向锁紧锁紧口423两侧的部位,从而使安装孔421的孔壁锁紧壳体,确保步进电机310安装于第一支撑座体420的稳定性和牢固度,进而确保步进电机310上主动齿轮320与传动齿的啮合传动。
具体地,锁紧件可以为螺杆或螺栓,第一支撑座体420设有贯穿锁紧口423两侧的锁紧孔424,其中,将螺杆或螺栓插接于锁紧孔424,并在螺杆或螺栓的自由端旋紧螺母以对锁紧口423两侧的部位产生锁紧力时,锁紧件位于锁紧位;旋松螺母,螺杆不再拉紧锁紧口423两侧的部位时,锁紧件位于放松位。当然,锁紧件除采用上述螺杆或螺栓外,还可以为其他锁扣等形式,这里并不作为限定。
本实施例中,如图4和图5所示,穿线孔422的一侧可以贯通第一支撑座体420。穿线孔422的一侧贯通第一支撑座体420形成开口状的通道孔,向底座体410安装相移器本体11时,相移器本体11轴向朝向第一支撑座体420一端的光纤可以自穿线孔422的开口进入其内,从而提高相移器本体11安装于连接座12的便捷度。
较佳地,底座体410与第一支撑座体420相对的一侧还可以设有第二支撑座体,第二支撑座体设有枢接孔,步进电机310的输出轴311的轴端枢接于枢接孔内,则枢接孔能够对输出轴311进行支撑,以确保输出轴311承载主动齿轮320的稳定性,减少输出轴311呈悬臂梁形式受主动齿轮320重力作用容易弯曲形变,而影响主动齿轮320与传动齿啮合精确度甚至卡死情况的发生。
可选地,本实施例中,如图1所示,罩壳100轴向的两端设有锥形保护套130,第一保偏光纤210和第二保偏光纤290穿过相应一端的锥形保护套130并向外伸出。锥形保护套130封堵于罩壳100轴向的两端,不仅能够对保偏光纤进行导向保护,以确保保偏光纤与相应光学元件的连接稳定性,还能够对罩壳100的两端进行封堵,以提高罩壳100的密封性,相应提高罩壳100对光学元件的封装保护。
具体地,本实施例中,如图6所示,若干个光学元件包括依次沿容置腔的轴向布置的第一保偏光纤210、第一准直器220、第一偏光分束器230、第一旋光器240、调制波片250、第二旋光器260、第二偏光分束器270、第二准直器280和第二保偏光纤290,第一保偏光纤210和第二保偏光纤290分别自容置腔内伸出罩壳100的两端。使用时,该非互易性相移器10通过第一保偏光纤210和第二保偏光纤290与相邻的元器件连接,连接便捷度较高且能够确保光路的保偏传输,运行时,第一路信号光经第一保偏光纤210传输至第一准直器220,第一准直器220将信号光准直处理为平行光,平行光经过第一偏光分束器230的过程中,其s偏振光被滤除,p偏振光透过并入射至第一旋光器240,p偏振光经过第一旋光器240后沿逆时针或顺时针方向旋转45°,旋转后的p偏振光通过调制波片250的镜片252后产生相位延迟量φ1,旋转且相位延迟后的p偏振光经过第二旋光器260后再次沿逆时针或顺时针方向旋转45°,形成与p偏振光正交的s偏振光,s偏振光通过第二偏光分束器270后耦合至第二准直器280内,并通过第二保偏光纤290输出;第二路信号光经第二保偏光纤290传输至第二准直器280被准直为平行光,平行光经过第二偏光分束器270的过程中,其p偏振光被滤除,s偏振光透过并入射至第二旋光器260,s偏振光经过第二旋光器260后沿顺时针或逆时针方向旋转45°,旋转后的s偏振光通过调制波片250的镜片252后产生相位延迟量φ2,且φ2≠φ1,旋转且相位延迟后的s偏振光经过第一旋光器240后再次沿逆时针或顺时针方向旋转45°,形成与s偏振光正交的p偏振光,p偏振光通过第一偏光分束器230后耦合至第一准直器220内,并通过第一保偏光纤210输出。相向传播的两束偏振光获得了初始相移差Δφ=φ1-φ2,初始相移差的引入不仅能够解决激光器自启动困难的问题,还大大降低了对激光器型腔腔长的要求。
具体地,第一准直器220与第二准直器280的轴向距离小于等于80mm,调制波片250与第一旋光器240及第二旋光器260的轴向距离范围为3mm-5mm。上述距离的限定,能够保证腔内耦合效率达到90%-95%,且实现系统的最大耦合功率,在确保非互易性相仪器能够精确实现其相移效果的基础上,能够确保光路紧凑,相应缩小非互易性相仪器的体积,减少其占用空间。其中,第一准直器220和第二准直器280可以采用小光斑高耦合效率准直设计,扩束光斑直径约为0.2mm-0.4mm;偏振光通过第一准直器220和第二准直器280准直后,入射第一偏光分束器230和第二偏光分束器270的光斑直径≤1mm,相应地,入射第一旋光器240和第二旋光器260的光斑直径也≤1mm。本申请的非互易性相移器10采用罩壳100封装及保偏光纤时,其插入损耗可以低至0.5dB,并且能够宽带宽输出。
具体地,本申请的非互易性移相器对于入射激光的参数限制可以为平均功率≤800mW,ps脉冲作用下峰值功率≤3kW,工作波长范围2000±40nm。
具体地,罩壳100可以采用散热效果较佳的铝材质,罩壳100与第一准直器220、第一偏光分束器230、第一旋光器240、第二旋光器260、第二偏光分束器270和第二准直器280相应区域的内腔轮廓与相应的光学元件相匹配,上述光学元件可以嵌设于相应区域的内腔并通过胶粘剂固化、过盈配合或焊接至内腔壁。
本实施例还提供一种激光器,如图7所示,包括上述非互易性相移器10,还包括波分复用器20、增益光纤30和光纤耦合器40,非互易性相移器中的相移器本体11、波分复用器20、增益光纤30和光纤耦合器40依次序首尾形成环形腔8,且波分复用器20的输入端口连接泵浦源50,光纤耦合器40包括异于闭环连接的两个端口,两个端口的其中一者连接隔离器60、另一者连接全反镜70。激光器运行时,泵浦源50输出泵浦光,泵浦光通过波分复用器20耦合进入增益光纤30,增益光纤30吸收泵浦光后受激辐射从而产生大量光子,这些光子形成在环形腔80内沿相反方向传播的两路光波,其中一路光波沿顺时针方向直接传播至光纤耦合器40,另一路光波沿逆时针方向依次经过非互易性相移器的相移附加后,也到达光纤耦合器40,由于两路光波从发射到抵达光纤耦合器40的过程中所传播的光程不同,两路光波携带的相移量存在较大的差异,二者将在光纤耦合器40内发生干涉从而形成干涉光,当两路光波累计的相移量差等于π时,干涉光在光纤耦合器40处的透过率为1,其他相移量光的透过率介于0到1之间,透射出的干涉光的一部分传播至全反镜70后反射回环形腔80内继续循环往返,且反射回环形腔80的干涉光不断被放大最终形成稳定的锁模脉冲输出,透射出的干涉光的另一部分则到达隔离器60处并向外输出。
其中,该激光器采用上述非互易性相仪器,该非互易性相仪器中各光学元件固定安装于容置腔,调制波片250的轴向位置也固定不变,从而确保各光学元件之间的相对位置精确度,相应确保各光学元件之间的光路传播稳定性,并有效降低耦合损耗,并且还可以对相移器本体11进行批量生产。此外,该非互易性相仪器中设置用于驱动调制波片250周向转动的驱动组件300,驱动组件300能够于罩壳100外对调制波片250裸露于容置腔外的部位施力,且通过设置驱动组件300的驱动量,可以精确控制对转动套筒251及镜片252转动角度的调节量,从而便捷、精确地调节镜片252的快轴角度,本申请的非互易性相移器10应用于激光器时,通过调节镜片252对入射偏振光的相位延迟效果,使得两束入射偏振光获得不同的非互易相移差Δφ,从而在不同实验条件下灵活寻找激光器的最佳自启动设置点或最佳输出运转状态,相应提高非互易相移器及激光器的功能性。
具体地,激光器可以为1μm、1.55μm、2μm或可见光波段飞秒脉冲激光器。
利用本申请提供的激光器进行激光输出,分别使用光谱分析仪、高速示波器、频谱分析仪、自相关仪和灵敏功率计记录光纤耦合器以50%耦合率输出的锁模输出光谱、时序脉冲序列、脉冲重复频率、飞秒脉冲宽度和光谱长期稳定性。
其中,图8为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的输出锁模光谱;图9为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的基频时域脉冲序列;图10为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的锁模脉冲频谱图。由图8-图10可知,锁模脉冲的中心波长为1980.25nm,相应的3-dB光谱带宽约为6.85nm;基频时序脉冲运行稳定,连续工作2.5小时内未见失锁发生;自启动锁模脉冲基频重复频率f0为52.45MHz,信噪比SNR优于70dB,进一步表明该型自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光高度稳定性及运行可靠性。
图11为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的强度自相关测试轨迹,其中,中部的曲线是为双曲正割非线性拟合曲线,黑色为实验测量的强度自相关轨迹,测量超短脉冲的半高宽度约为520fs;图12为本发明提供的激光器输出2μm波段自启动的非线性相移的全保偏掺铥飞秒光纤激光的光谱长期稳定性曲线图。由图11和图12可知,本发明提供的激光器实现了一种2μm波段自启动全保偏的飞秒光纤脉冲激光,该型飞秒脉冲激光运行稳定可靠,抗干扰能力强,具有较大的应用价值和较强的扩展性。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (11)
1.一种非互易性相移器,其特征在于,包括相移器本体和驱动组件,所述相移器本体包括罩壳和若干个光学元件,所述罩壳内形成容置腔,所述若干个光学元件的局部或全部容置于所述容置腔内,所述光学元件包括调制波片,所述调制波片仅存在绕自身几何轴线的周向转动自由度,且所述调制波片的局部裸露于所述容置腔之外;所述驱动组件的驱动端与所述调制波片裸露于所述容置腔之外的部位连接,用于驱动所述调制波片进行周向转动。
2.根据权利要求1所述的非互易性相移器,其特征在于,所述调制波片包括转动套筒和共轴固设于所述转动套筒内的镜片,所述转动套筒周向转动连接于所述容置腔内,且所述转动套筒的局部周向外缘裸露于所述容置腔之外;所述驱动组件的驱动端与所述转动套筒裸露于所述容置腔之外的部位连接,用于驱动所述转动套筒进行周向转动。
3.根据权利要求2所述的非互易性相移器,其特征在于,所述罩壳设有调节口,所述转动套筒的局部周向外缘经所述调节口裸露并向外凸出,且所述转动套筒与所述调节口相应筒段的外壁设有传动齿;所述驱动组件包括步进电机和设于所述步进电机的输出轴的主动齿轮,所述主动齿轮的主动齿与所述传动齿啮合配合。
4.根据权利要求3所述的非互易性相移器,其特征在于,所述步进电机的控制精度配置为小于1°,所述主动齿轮与所述转动套筒的传动齿的传动比配置为1:1-1:5,所述转动套筒的传动齿的齿顶圆直径配置为5mm-15mm。
5.根据权利要求3所述的非互易性相移器,其特征在于,所述罩壳的外壁设有调节槽,所述调节口位于所述调节槽的槽底,且所述转动套筒凸出所述调节口的部位位于所述调节槽内。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的非互易性相移器,其特征在于,所述容置腔内设有限制所述转动套筒的轴向活动自由度和径向活动自由度的波片限位结构。
7.根据权利要求3-5中任一项所述的非互易性相移器,其特征在于,所述容置腔包括内容置腔和外容置腔,其中,所述外容置腔被配置为由所述罩壳的第一区域向内凹陷形成,所述外容置腔的周向轮廓呈优弧形且所述外容置腔的开口处作为所述调节口,所述调制波片同轴嵌设于所述外容置腔内,且所述外容置腔轴向两端的腔壁均设有与所述镜片的入射面及出射面相对应的通光孔;所述罩壳的第一区域以外的区域为第二区域,所述第二区域与所述第一区域之间围成所述内容置腔,且所述内容置腔与所述外容置腔通过所述通光孔连通。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的非互易性相移器,其特征在于,所述非互易性相移器还包括与驱动组件连接的控制器,所述控制器包括感应模块、执行模块和存储模块,所述感应模块被配置为采集所述相移器本体所处的环境温度参数,所述执行模块被配置为根据所述感应模块采集的环境温度参数设置驱动组件的旋转角度,所述存储模块被配置为记载所述调制波片的初始角度和当前角度。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的非互易性相移器,其特征在于,所述若干个光学元件包括依次沿所述容置腔的轴向布置的第一保偏光纤、第一准直器、第一偏光分束器、第一旋光器、调制波片、第二旋光器、第二偏光分束器、第二准直器和第二保偏光纤,所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤分别自所述容置腔内伸出所述罩壳的两端。
10.根据权利要求9所述的非互易性相移器,其特征在于,所述第一准直器与所述第二准直器的轴向距离小于等于80mm,所述调制波片与所述第一旋光器及所述第二旋光器的轴向距离范围为3mm-5mm。
11.一种激光器,其特征在于,包括权利要求1-10中任一项所述的非互易性相移器,还包括波分复用器、增益光纤和光纤耦合器,所述非互易性相移器中的相移器本体、所述波分复用器、所述增益光纤和所述光纤耦合器依次序首尾连接形成环形腔,且所述波分复用器的输入端口连接泵浦源,所述光纤耦合器包括异于闭环连接的两个端口,所述两个端口的其中一者连接隔离器、另一者连接全反镜。
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