CN117154525A - 一种全保偏nalm锁模铒镱共掺大模场光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学显示技术领域，具体涉及一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，由泵浦源和激光振荡腔两部分构成，其中反射镜可以替换成马丁内兹展宽器。以反射镜为端镜的激光振荡腔和泵浦源构成基于NALM锁模的保偏光纤激光器输出脉冲为孤子状态；而以马丁内兹展宽器替换反射镜的NALM锁模保偏光纤激光器输出脉冲为耗散孤子状态。本发明中带相位偏置的NALM模块与全PM光纤结构的组合确保了模式锁定的可靠启动和高脉冲稳定性。本发明的激光器在平均功率和脉冲能量方面取得了显著改进，对比相同锁模方式的保偏单模光纤激光振荡器,输出单脉冲能量提升13倍，平均输出功率提升17倍，耗散孤子与大模场面积光纤结合实现了更大的功率输出。

Description

一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器

技术领域

本发明涉及光学显示技术领域，具体涉及一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器。

背景技术

锁模技术是现有的实现超短激光脉冲输出最常用的方法之一，包括主动锁模和被动锁模。主动锁模是通过在腔内加入人工调制器来实现锁模，往往受限于调制器的响应时间，其输出的脉冲宽度只能达到纳秒(ns)、皮秒(ps)的量级，很难获得超短脉冲；而被动锁模使用的是可饱和吸收体效应，利用谐振腔本身的自身结构而不是外部调制来实锁模，其响应速度快，输出的脉冲宽度一般能够实现皮秒，甚至飞秒量级脉冲的输出。此外被动锁模具有结构相对简单，成本较低，并且自身的稳定性好等诸多优点被更广泛的应用于诸多锁模振荡器中。

被动锁模机制常采用可饱和吸收体来实现锁模。现有的较为成熟的被动锁模机制包括真实可饱和吸收体锁模和人工可饱和吸收体锁模。其中，真实可饱和吸收体恢复时间在百飞秒到纳秒之间，限制了超短脉冲的产生；而人工可饱和吸收体只需几飞秒，属于快饱和类吸收体，更容易产生高峰值超短脉冲。其两种常见形式是非线性偏振旋转演化(NPE)锁模技术及非线性环路反射镜(NALM)锁模技术。

基于锁模技术的光纤激光器很容易获得纳秒、飞秒脉冲的输出，常见的光纤激光器使用非保偏光纤作为光纤组件，在激光器长期运行的情况下，受环境影响会导致锁模不稳定而影响激光器的输出稳定性，这也成为了锁模光纤激光器实现商业化的绊脚石。保偏光纤对外界环境不敏感，将非保偏光纤替换为保偏光纤，可以规避非保偏光纤弱双折射效应引起的调制不稳定性，进而提升激光腔的整体环境稳定性，是实现光纤激光器商用化不可或缺的要素。

真实可饱和吸收体锁模技术是实现保偏光纤激光器锁模较常见的方法，但由于真实可饱和吸收体经过长时间运转后可能面临性能退化等问题，需要定期更换以维持激光器性能，因此单纯用真实可饱和吸收体构建保偏光纤激光激光器器存在着后期维护困难等问题。人工可饱和吸收体锁模技术则可以保证长期稳定性，同时避免后期维护的问题。NPE技术因其高损伤阈值、超快恢复时间和腔设计的灵活性而被广泛应用于超快光纤振荡器。然而，其最成功的实现是在非保偏(PM)光纤中，这使得NPE对环境变化敏感。相比之下，NALM不仅具有与NPE类似的优点，而且与全保偏光纤高度兼容，可抵抗环境扰动并提供长期稳定性。然而，由于其不良的自启动能力，NALM经常被忽视。通过引入非互易相位偏置，自启动能力大大增强的反射式NALM装置已被证明。这种9字形光纤激光器不仅具有高环境稳定性的全PM结构，而且还具有优异的低噪声特性。超快激光应用的快速发展，除了要求光纤振荡器具有高环境稳定性和低噪声特性外，还需要不断提高其输出性能，如可实现的脉冲能量和输出功率。然而，锁模脉冲的特性从根本上受到非线性相位积累的限制。常规孤子锁模光纤激光器中的脉冲能量通常限制在0.1nJ。增加能量的一种常见方法是在大的正常色散中操作光纤激光器以产生啁啾脉冲，通常称为耗散孤子。理论上已经证明，对于给定的模场面积，耗散孤子的能量极限比孤子的能量极限高两个数量级。然而，即使使用色散管理，由于传统单模光纤的小芯尺寸(<10μm)，相对较大的非线性也阻碍了脉冲能量的进一步提升。用大模场面积光纤扩大纤芯尺寸是打破这一障碍的一种很有前途的方法。需要注意，抑制这些大模场面积光纤中的高阶模式以启动和维持模式锁定是至关重要的。到目前为止，已经开发了几种抑制高阶模式的技术，包括卷绕光纤，设计基于单模光纤的模式滤波器，以及制造真正的单模大模场面积光纤、光子晶体光纤和线性耦合芯光纤。

到目前为止，大多数关于锁模大模场光纤振荡器的研究都集中在工作在1μm区域的掺镱光纤上。尽管已经对工作在1.55μm左右的传统掺铒超快光纤振荡器进行了广泛的研究，但掺铒大模场光纤振荡器的发展落后于基于掺镱光纤的同类振荡器。掺铒大模场光纤通常与Yb离子共掺杂以增加泵浦吸收并降低上转换，并与大量磷共掺杂以增强泵浦传输。然而，磷增加了纤芯折射率，使得制造具有低数值孔径的铒镱共掺大模场光纤具有挑战性。因此，Er/Yb掺杂的大模场阶跃折射率光纤通常包含一些高阶模，这对模式锁定是有害的。到目前为止，即使有高阶模抑制，也只有少量的Er/Yb掺杂高阶模光纤的锁模报导。据报道，锁模Er/Yb掺杂大模场光纤振荡器的最高脉冲能量为20nJ，但相应的脉冲持续时间(20ps)相对较长。若使用定制的多丝芯铒镱共掺大模场单模光纤作为增益介质，光纤振荡器直接产生持续时间为1.6ps、能量为9.1nJ的孤子脉冲。然而，这些掺Er/Yb的大模场光纤振荡器是由材料可保和吸收体锁模的，并且基于非保偏大模场光纤，这不利于长期稳定性。更不用说高阶模的扰动可能进一步恶化模式锁定稳定性。就技术可扩展性和大规模再现性而言，克服这些限制并寻求适应性广泛的解决方案是必要的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，将腔内反射端镜替换为马丁内兹展宽器将腔内色散变为正色散实现耗散孤子的输出，耗散孤子与大模场面积光纤结合实现了更大的功率输出，可以解决因受孤子状态限制脉冲能量无法进一步提升的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：

第一方面，在本发明提供了一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，包括：

一个激光振荡腔；

一个非互易相位偏置器，位于激光振荡腔内，由法拉第旋转器和四分之一波片构成，用于增强锁模自启动能力；

一个孔型光阑，插入于激光振荡腔中，通过空间滤波抑制高阶模式；

一个马丁内兹展宽器，位于激光振荡腔内，替换腔内反射端镜，用于实现腔内色散的正化，从而输出耗散孤子；

一个大模场面积增益光纤，用于实现高功率的激光输出。

作为本发明的进一步方案，所述非互易相位偏置器由两个法拉第旋转器和一个四分之一波片组成，所述两个法拉第旋转器分别为第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器，所述四分之一波片为设置在第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器之间的第一四分之一波片。

作为本发明的进一步方案，所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器的NALM环路中引入非互易相位偏置器，用于提高锁模激光振荡腔的锁模自启动能力。

作为本发明的进一步方案，所述非互易相位偏置器的法拉第旋转器和四分之一波片之间的相对角度为π/2。

作为本发明的进一步方案，所述增益光纤的直径为15cm并进行弯曲盘绕，实现高阶模式的抑制。

作为本发明的进一步方案，所述增益光纤为2.07米长的双包层保偏Er/Yb掺杂光纤，纤芯直径为25μm，数值孔径为0.09。

作为本发明的进一步方案，所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中还设有第一光纤连接头和第二光纤连接头，所述增益光纤连接在第一光纤连接头和第二光纤连接头之间，所述第一光纤连接头位于第一准直透镜一侧，所述第二光纤连接头位于第二准直透镜一侧。

作为本发明的进一步方案，所述第一准直透镜与激光振荡腔之间设有第一二向色镜，所述泵浦源朝向第一二向色镜设置，所述激光振荡腔位于第一偏振分束器内，所述第一偏振分束器与孔型光阑之间设有第二四分之一波片、第二偏振分束器以及第三二分之一波片，所述孔型光阑另一侧设有端镜。

作为本发明的进一步方案，所述非互易相位偏置器设置在第一偏振分束器底侧，所述非互易相位偏置器至所述第二光纤连接头之间依次设置有第一二分之一波片、第二二向色镜以及第二准直透镜。

作为本发明的进一步方案，所述端镜为第一反射镜，以第一反射镜为端镜的激光振荡腔和泵浦源构成基于NALM锁模的保偏光纤激光器输出脉冲为孤子状态。

作为本发明的进一步方案，所述端镜为马丁内兹展宽器，以马丁内兹展宽器替换第一反射镜的NALM锁模保偏光纤激光器输出脉冲为耗散孤子状态。

作为本发明的进一步方案，所述马丁内兹展宽器包括D型反射镜、光栅、聚焦透镜以及第二反射镜。

作为本发明的进一步方案，所述的非互易相位偏置器用于提高激光振荡腔的锁模自启动能力；所述的孔型光阑是为了抑制高阶模式而在激光振荡腔中插入的，利用高阶模式光斑与基模光斑半径不同的特性；所述的马丁内兹展宽器用于实现腔内色散的正化，从而输出耗散孤子；在锁模状态下的输出脉冲具有高功率、高稳定性和抑制高阶模式的特点。

与现有技术相比，本发明提供的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，具有如下有益效果：

1.锁模自启动能力增强：本发明中引入的非互易相位偏置器，由法拉第旋转器和四分之一波片构成，有效地增强了激光振荡腔的锁模自启动能力。这使得激光器能够更可靠地从自启动状态进入稳定的锁模状态，降低了启动过程中的不稳定性。

2.高阶模式抑制：插入激光振荡腔的孔型光阑具有空间滤波功能，能够抑制高阶模式的产生。通过利用不同模式光斑半径的特性，成功地减少了高阶模式对激光输出的影响，提高了激光的模式纯度和质量。

3.耗散孤子输出：马丁内兹展宽器的引入使得腔内色散变为正色散，从而实现了耗散孤子的输出。耗散孤子的存在使得激光脉冲能量得到进一步提升，从而实现更高功率的激光输出，同时不受孤子状态限制。

4.高功率输出：通过使用大模场面积增益光纤并对其进行弯曲盘绕，有效地控制了高阶模式的产生。这使得激光器能够输出更高功率的激光，满足一系列应用的需求，包括超快光学领域等。

5.应用前景广泛：本发明的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器具有出色的性能，适用于超快光学、激光加工、医疗设备和科学研究等多个领域。其高稳定性、高脉冲质量和高功率输出为各种应用提供了可靠的激光源。

综上所述，本发明的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器通过锁模自启动能力的增强、高阶模式的抑制、耗散孤子输出和高功率输出等特点，为激光器领域带来了显著的有益效果和创新性。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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一些实施例。在附图中：

图1为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器的结构图。

图2为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中泵浦功率为2.85W时孤子输出光谱示意图。

图3为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中2.85W泵孤子输出对应脉冲宽度和光束质量中强度和延迟时间的示意图。

图4为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中2.85W泵孤子输出对应脉冲宽度和光束质量中光束直径与位置示意图。

图5为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中2.85W泵孤子输出对应脉冲宽度和光束质量M²示意图。

图6为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中耗散孤子输出时两种腔内色散的光谱图。

图7为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中耗散孤子输出时两种腔内色散的脉宽图。

图8为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中孤子脉冲和耗散孤子脉冲的相对强度噪声图。

图9为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中最大泵浦功率下孤子脉冲的平均输出功率示意图。

图10为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中最大泵浦功率下耗散孤子脉冲的平均输出功率示意图。

图11为本发明实施例的一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中耗散孤子输出时两种腔内色散的脉宽图。

附图标记：

1-泵浦源、2-第一二向色镜、3-第一准直透镜、4-第一光纤连接头、5-增益光纤、6-第二光纤连接头、7-第二准直透镜、8-第二二向色镜、9-第一二分之一波片、10-第一法拉第旋转器、11-第一四分之一波片、12-第二法拉第旋转器、13-第二二分之一波片、14-第一偏振分束器、15-第三二分之一波片、16-第二偏振分束器、17-第二四分之一波片、18-孔型光阑、19-第一反射镜、20-D型反射镜、21-光栅、22-聚焦透镜、23-第二反射镜、24-马丁内兹展宽器、25-非互易相位偏置器、26-激光振荡腔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于锁模Er/Yb掺杂大模场光纤振荡器的最高脉冲能量为20nJ，但相应的脉冲持续时间(20ps)相对较长。若使用定制的多丝芯铒镱共掺大模场单模光纤作为增益介质，光纤振荡器直接产生持续时间为1.6ps、能量为9.1nJ的孤子脉冲。然而，这些掺Er/Yb的大模场光纤振荡器是由材料可保和吸收体锁模的，并且基于非保偏大模场光纤，这不利于长期稳定性。更不用说高阶模的扰动可能进一步恶化模式锁定稳定性。

有鉴于此，本发明提供了一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，将腔内反射端镜替换为马丁内兹展宽器24将腔内色散变为正色散实现耗散孤子的输出，耗散孤子与大模场面积光纤结合实现了更大的功率输出，可以解决因受孤子状态限制脉冲能量无法进一步提升的问题。

在本发明中，首先，为了解决NALM常见的锁模自启动能力较差的问题。本发明通过在NALM环路中引入由两个法拉第旋转器和一个四分之一波片组成的非互易相位偏置器25来提高锁模激光振荡腔26的锁模自启动能力。

其次，为了解决使用大模场面积增益光纤5引入的高阶模式影响激光模式锁定的问题。本发明在激光振荡腔26中插入一个孔型光阑18进行空间滤波，利用高阶模式光斑与基模光斑半径不同的特性实现高阶模式的抑制。此外，本发明还将大模式面积增益光纤以直径大约15cm进行弯曲盘绕，利用不同模式弯曲损耗半径不同的特性实现高阶模式的抑制。

最后，为了解决因受孤子状态限制脉冲能量无法进一步提升的问题。本发明将腔内反射端镜替换为马丁内兹展宽器24将腔内色散变为正色散实现耗散孤子的输出，耗散孤子与大模场面积光纤结合实现了更大的功率输出。

具体地，下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。

如图1所示，本发明的一个实施例提供一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，包括：

一个激光振荡腔26；

一个非互易相位偏置器25，位于激光振荡腔26内，由法拉第旋转器和四分之一波片构成，用于增强锁模自启动能力；

一个孔型光阑18，插入于激光振荡腔26中，通过空间滤波抑制高阶模式；

一个马丁内兹展宽器24，位于激光振荡腔26内，替换腔内反射端镜，用于实现腔内色散的正化，从而输出耗散孤子；

一个大模场面积增益光纤5，用于实现高功率的激光输出。

参见图1所示，在本实施例中，所述非互易相位偏置器25由两个法拉第旋转器和一个四分之一波片组成，所述两个法拉第旋转器分别为第一法拉第旋转器10和第二法拉第旋转器12，所述四分之一波片为设置在第一法拉第旋转器10和第二法拉第旋转器12之间的第一四分之一波片11。

本发明中引入的非互易相位偏置器25，由法拉第旋转器和四分之一波片构成，有效地增强了激光振荡腔26的锁模自启动能力。这使得激光器能够更可靠地从自启动状态进入稳定的锁模状态，降低了启动过程中的不稳定性。

本发明的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器的NALM环路中引入非互易相位偏置器25，用于提高锁模激光振荡腔26的锁模自启动能力。插入激光振荡腔26的孔型光阑18具有空间滤波功能，能够抑制高阶模式的产生。通过利用不同模式光斑半径的特性，成功地减少了高阶模式对激光输出的影响，提高了激光的模式纯度和质量。

参见图1所述，在本实施例中，所述非互易相位偏置器25的法拉第旋转器和四分之一波片之间的相对角度为π/2。在本实施例中，所述增益光纤5的直径为15cm并进行弯曲盘绕，实现高阶模式的抑制。

在本实施例中，所述增益光纤5为2.07米长的双包层保偏Er/Yb掺杂光纤，纤芯直径为25μm，数值孔径为0.09。通过使用大模场面积增益光纤5并对其进行弯曲盘绕，有效地控制了高阶模式的产生。这使得激光器能够输出更高功率的激光，满足一系列应用的需求，包括超快光学领域等。

参见图1所示，在本实施例中，所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中还设有第一光纤连接头4和第二光纤连接头6，所述增益光纤5连接在第一光纤连接头4和第二光纤连接头6之间，所述第一光纤连接头4位于第一准直透镜3一侧，所述第二光纤连接头6位于第二准直透镜7一侧。

其中，所述第一准直透镜3与激光振荡腔26之间设有第一二向色镜2，所述泵浦源1朝向第一二向色镜2设置，所述激光振荡腔26位于第一偏振分束器14内，所述第一偏振分束器14与孔型光阑18之间设有第二四分之一波片17、第二偏振分束器16以及第三二分之一波片15，所述孔型光阑18另一侧设有端镜。

在本实施例中，所述马丁内兹展宽器24包括D型反射镜20、光栅21、聚焦透镜22以及第二反射镜23。

在本实施例中，所述端镜为第一反射镜19，以第一反射镜19为端镜的激光振荡腔26和泵浦源1构成基于NALM锁模的保偏光纤激光器输出脉冲为孤子状态。

在本实施例中，所述端镜为马丁内兹展宽器24，以马丁内兹展宽器24替换第一反射镜19的NALM锁模保偏光纤激光器输出脉冲为耗散孤子状态。马丁内兹展宽器24的引入使得腔内色散变为正色散，从而实现了耗散孤子的输出。耗散孤子的存在使得激光脉冲能量得到进一步提升，从而实现更高功率的激光输出，同时不受孤子状态限制。

参见图1所示，在本实施例中，所述非互易相位偏置器25设置在第一偏振分束器14底侧，所述非互易相位偏置器25至所述第二光纤连接头6之间依次设置有第一二分之一波片9、第二二向色镜8以及第二准直透镜7。

不论哪种形态的激光器，激光振荡腔26内光纤种类和长度都是一致的。增益光纤5是2.07米长的双包层保偏Er/Yb掺杂光纤(Nufern，PLMA-EYDF-25P/300-HE)，其纤芯直径为25μm，数值孔径为0.09。将两条匹配的无源保偏大模场面积光纤(Nufern PLMA-GDF-25/300，总长约0.83m)拼接到增益光纤的两端，同时以8°的角度抛光其剩余的自由端，以消除寄生振荡。

本发明将整个增益光纤放入冷却水池中，以防止光纤在高泵功率下过热而损坏。这些LMA纤维的群速度色散(GVD)预计为-28.6ps^2/km。基于940线/mm的传输光栅21(Lightsmyth，T-940C)、焦距为100mm的消色差透镜和两个金镜的折叠马丁内兹型展宽器24可替换到腔中，用于调谐色散。在环路中插入了由两个法拉第旋转器和四分之一波片组成的π/2非互易相位偏置器25，以增强自启动锁模能力。

所述的非互易相位偏置器25用于提高激光振荡腔26的锁模自启动能力；所述的孔型光阑18是为了抑制高阶模式而在激光振荡腔26中插入的，利用高阶模式光斑与基模光斑半径不同的特性；所述的马丁内兹展宽器24用于实现腔内色散的正化，从而输出耗散孤子；在锁模状态下的输出脉冲具有高功率、高稳定性和抑制高阶模式的特点。

参见图1所示，本发明的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器的整体光路走向为：976nm泵浦光通过第一二向色镜2导入到大模场面积增益光纤5中，产生的1.5um信号光在光纤中双向传播并进入空间光路，第一和第二二向色镜8会导出残余泵浦光防止器件受损，双向传输的信号光最终在第一偏振分束器14汇合向第二偏振分束器16传播并一部分被反射出来作为输出端，经过第一反射镜19或马丁内兹展宽器24后返回第二偏振分束器16一部分作为检测端输出，之后继续向第一偏振分束器14传播并被分为两束光进入光纤部分实现循环。其中第二四分之一波片17用于调整第二偏振分束器16输出端和检测端的输出功率比例，所有二分之一波片用于耦合光进入第一偏振分束器14。孔型光阑18用于抑制高阶模式激光。第一法拉第旋转器10、第一四分之一波片11、第二法拉第旋转器12构成非互易相位偏置器25。

在2.85W的泵浦功率下获得了脉冲重复率为61.93MHz的模式锁定的启动。在这种情况下，输出端口和诊断端口的平均功率分别为67.4mW和3.85mW，分别对应于1.1nJ和60pJ的脉冲能量。光谱如图2所示，两个端口光谱差异源于NALM两方向光累积非线性效应不同，中心波长在1566nm，-10dB带宽输出端口为30nm，监测端为14nm。光谱上Kelly边带的存在表明振荡器输出了类孤子脉冲。根据这些边带的位置，估计腔的群延迟色散(GDD)为-0.083ps2。忽略自由空间光学器件的小色散，LMA光纤(总长度2.9m)的平均GVD为-28.62ps2/km。

如图3至图5是孤子脉冲的自相关轨迹图和光束质量M²图。两个端口输出脉冲自相关图符合双曲正割型，真实脉宽分别为213.6fs和409.1fs。输出端口的平均M²值(1.45)大于检测端口的值(1.25)。这可能是因为用于高阶模式抑制的孔型光阑18仅作用于偏振分束器的透射部分，导致高阶模式对输出端口的贡献大于检测端口。尽管如此，这些M²值表明光束质量相对较高。

将反射端镜替换为马丁内兹展宽器24可以得到色散可调谐的耗散孤子激光腔。当腔内色散为从0.112ps²调谐到0.704ps²时，振荡器可以实现可靠的锁模，重复频率从49.4MHz增加到49.86MHz。超过这个色散范围，很难开始或保持稳定的锁模操作。在0.704ps²和0.112ps²的代表性净GDD下优化输出功率后的输出频谱和压缩脉冲自相关轨迹如图6和图7所示。对于腔内色散为0.704ps²(0.112ps²)的腔，假设脉冲为高斯分布，平均输出功率为690mW(540mW)，相应的脉冲能量为13.84nJ(10.93nJ)，脉冲持续时间为2ps(1.32ps)，接近1.53ps(0.99ps)的傅里叶变换极限值。

图7至和图11分别显示了孤子脉冲状态和耗散孤子脉冲脉冲的宽带频谱，而相应的插图显示了以100kHz跨度的基频谱。没有可见包络调制证明激光器运行在单脉冲状态下，而高信噪比(≥85dB)表明了高振幅稳定性。为了进一步测试激光器的稳定性，孤子脉冲和耗散孤子脉冲的相对强度噪声和相位噪声功率谱密度(PSD)分别如图8和9所示。孤子脉冲在整个频率范围[1Hz，10MHz]上的积分RIN为0.023％，耗散孤子脉冲为0.035％。本发明还在8中展示了泵浦激光器的噪声。显然，激光腔的相对强度噪声继承了泵浦激光器噪声中偏移频率＜4kHz的部分。通过对间隔[1kHz，10MHz]中的相位噪声PSD进行积分，两种情况下的定时抖动估计为～41fs。然而，积分值仅代表一个上限，因为相位噪声测量受到频率>10kHz时系统本底噪声的限制[图8的C段]。通过使用高度敏感的测量技术，可以预期较低的值。最后，检查长期稳定性，本发明分别记录了在允许稳定锁模操作的最大泵浦功率下孤子脉冲和耗散孤子脉冲在3小时内的平均输出功率，如图10和11。相应的最高平均功率分别为71mW和627mW，均方根功率波动<0.3％，表明具有良好的稳定性，这都得益于全保偏光纤的结构设计。

在一些实施例中，上述技术方案中的可以替换为其他大模场面积的高浓度掺稀土元素的增益光纤，实现不同工作波段的超短激光脉冲输出。例如，使用大模场保偏掺铥光纤(PM-LMA-TDF)或者大模场保偏铥钬共掺光纤(PM-LMA-THDF)实现2μm波段激光输出；使用大模场保偏掺镱光纤(PM-LMA-YDF)实现1μm波段激光输出。

在一些实施例中，上述方案中由二分之一波片和法拉第旋转器构成的移相器是实现激光器锁模自启动的非互易相位偏置器25，可以替换为其他可实现锁模自启动、实现非互易相位偏置的任何商用器件或光学器件。

本发明的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中，带相位偏置的NALM模块与全PM光纤结构的组合确保了模式锁定的可靠启动和高脉冲稳定性。这种配置对于锁模大模场面积光纤振荡器的设计是非常有益的，有效解决高阶模式的扰动常常导致自启动性能差的问题。与之前关于相位偏置NALM锁模掺铒光纤激光器的报道相比，本发明提出的激光器在平均功率和脉冲能量方面取得了显著改进，对比相同锁模方式的保偏单模光纤激光振荡器,输出单脉冲能量提升13倍，平均输出功率提升17倍。这种高功率激光器的一个潜在的有吸引力的应用是使用倍频来产生大约800nm的输出，这是超快光学的许多当前应用的优选波长。

本发明的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器具有出色的性能，适用于超快光学、激光加工、医疗设备和科学研究等多个领域。其高稳定性、高脉冲质量和高功率输出为各种应用提供了可靠的激光源。

本发明的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器在应用时的原因在于，从第一台固体激光器的出现到如今光纤激光器的发展，激光脉冲宽度实现了从纳秒量级到飞秒量级的突破，激光器的输出性能也朝着更高更好的方向发展。超快光纤激光器与固体激光器相比，因为具有光束质量好、热管理效率高、结构灵活紧凑和维护成本低等优势，所以在军事、科研、工业以及医疗等领域均具有重要应用。通过改变激光振荡腔26内增益光纤的掺杂离子种类可以输出不同波段的超短脉冲，将光纤激光器的工作波段从可见光波段覆盖到中远红外波段，以满足不同领域的不同需求。例如，掺镱光纤激光器可产生1.0μm波段激光，在工业领域(如切割和焊接等)具有重要应用；掺铒光纤激光器可产生1.5μm波段激光，此波段是光通信波段的低损耗通信窗口，在光纤中传输的损耗通常只有0.2dB/km，研究1.5μm波段稳定光源在光纤通信中起到很重要的作用；同时，1.5μm波段的光位于人眼安全波段，该波段对许多目标(如车辆，舰船，水泥建筑等)与背景的反差较大，在激光雷达，目标识别等军事领域应用中很具吸引力。又如，掺铥或者掺钬光纤激光器可产生位于分子“指纹”区的2μm波段超短激光脉冲，此波段涵盖了CO₂，H₂O及NO₂等分子吸收谱，可以构成高灵敏度的气体传感器，用于实现大气远程遥感，又因为人体组织75％以上是水分组成的，2μm波段超短激光脉冲也广泛应用在医疗事业方面(如激光手术刀、组织切除等)等；同时，以2μm波段超短脉冲作为激光器的种子源，利用光学非线性转换效应(如差频，超连续谱产生等技术)可以轻易地将激光波长扩展到10μm以上的中远红外波段。随着光纤制备技术以及相关领域的发展，性能更好更优的光纤激光器不断的被挖掘，高稳定、易锁模的保偏光纤激光器提高了激光器在应用中的整体环境稳定性，为光纤激光器的发展作出了重要的贡献，推动了光纤激光器的发展。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，包括：

一个激光振荡腔(26)；

一个非互易相位偏置器(25)，位于所述激光振荡腔(26)内，由法拉第旋转器和四分之一波片构成，用于增强锁模自启动能力；

一个孔型光阑(18)，插入于激光振荡腔(26)中，通过空间滤波抑制高阶模式；

一个马丁内兹展宽器(24)，位于激光振荡腔(26)内，替换腔内反射端镜，用于实现腔内色散的正化，从而输出耗散孤子；

一个大模场面积增益光纤(5)，用于实现高功率的激光输出。

2.如权利要求1所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，所述非互易相位偏置器(25)由两个法拉第旋转器和一个四分之一波片组成，所述两个法拉第旋转器分别为第一法拉第旋转器(10)和第二法拉第旋转器(12)，所述四分之一波片为设置在第一法拉第旋转器(10)和第二法拉第旋转器(12)之间的第一四分之一波片(11)。

3.如权利要求2所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器的NALM环路中引入非互易相位偏置器(25)，用于提高锁模激光振荡腔(26)的锁模自启动能力。

4.如权利要求3所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，所述非互易相位偏置器(25)的法拉第旋转器和四分之一波片之间的相对角度为π/2。

5.如权利要求1所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器中还设有第一光纤连接头(4)和第二光纤连接头(6)，所述增益光纤(5)连接在第一光纤连接头(4)和第二光纤连接头(6)之间，所述第一光纤连接头(4)位于第一准直透镜(3)一侧，所述第二光纤连接头(6)位于第二准直透镜(7)一侧。

6.如权利要求5所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，所述第一准直透镜(3)与激光振荡腔(26)之间设有第一二向色镜(2)，泵浦源(1)朝向第一二向色镜(2)设置，所述激光振荡腔(26)位于第一偏振分束器(14)内，所述第一偏振分束器(14)与孔型光阑(18)之间设有第二四分之一波片(17)、第二偏振分束器(16)以及第三二分之一波片(15)，所述孔型光阑(18)另一侧设有端镜。

7.如权利要求6所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，所述非互易相位偏置器(25)设置在第一偏振分束器(14)底侧，所述非互易相位偏置器(25)至所述第二光纤连接头(6)之间依次设置有第一二分之一波片(9)、第二二向色镜(8)以及第二准直透镜(7)。

8.如权利要求6所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，所述端镜为第一反射镜(19)，以第一反射镜(19)为端镜的激光振荡腔(26)和泵浦源(1)构成基于NALM锁模的保偏光纤激光器输出脉冲为孤子状态。

9.如权利要求8所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，所述端镜为马丁内兹展宽器(24)，以马丁内兹展宽器(24)替换第一反射镜(19)的NALM锁模保偏光纤激光器输出脉冲为耗散孤子状态。

10.如权利要求9所述的全保偏NALM锁模铒镱共掺大模场光纤激光器，其特征在于，所述马丁内兹展宽器(24)包括D型反射镜(20)、光栅(21)、聚焦透镜(22)以及第二反射镜(23)。