CN205657308U - 基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于8字形腔结构的全保偏光纤锁模激光源，该激光源主要利用非线性保偏光纤环形镜实现激光的锁模，通过环路内增益引入的非线性相移、环路的延时及温度等参数的调节和优化，实现锁模的自启动及长期免维护运转；同时利用二阶色散控制元件实现内腔色散的优化和补偿，获得宽光谱、窄脉宽的锁模激光脉冲输出。本实用新型所采用的全保偏光纤结构极大的提升了激光源的长期稳定性、可靠性和环境适应能力，可广泛应用于超快激光放大、测量学、光谱学、激光精密加工及微加工等应用研究领域。

Description

基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源

技术领域

本发明提出一种基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源方案，特别涉及光纤激光的锁模技术研究，属于超快激光研究领域。

背景技术

随着光纤激光技术的发展，超短脉冲光纤技术取得飞速进步，由于具有结构紧凑、性价比高、转化效率高和长期运行稳定等优势，超短脉冲光纤激光广泛应用于超快激光放大、测量学、光谱学、激光精密加工及微加工等领域。超短脉冲激光的研究受益于锁模技术的发展，目前光纤激光中常用的锁模技术主要包括非线性偏振旋转锁模、半导体可饱和吸收镜锁模和新材料(如石墨烯、碳纳米管、拓扑绝缘体等)可饱和吸收体锁模等，但在上述多种锁模技术中，基于非线性偏振旋转锁模的结构主要为非保偏光纤，锁模启动依赖偏振态的调节，实际应用的可靠性和长期稳定性较差；半导体可饱和吸收镜锁模技术具有较好的实用性，但是其研制专业、复杂，价格较为昂贵；新材料可饱和吸收体的制作也较为复杂，良品率低，而且较低的损伤阈值也较难承受高功率锁模的运转。因此，研究高可靠性、高稳定性和实用化的锁模技术对超短脉冲光纤激光的应用研究具有实际的意义。

上世纪90年代，非线性光纤环形镜技术被提出并获得较多关注，全光纤8字形腔结构为该技术的典型结构，它包括激光主振荡环路和非线性光纤环形镜两个环路，其中激光主振荡环路单向传输，可提供环路增益和激光输出等；非线性光纤环形镜为双向传输，通过光的干涉作用实现等效的可饱和吸收效应，以启动和维持激光锁模。其原理大致如下：在非线性光纤环形镜中对向传输的两束激光，由于脉冲的各部分经历了不同的相位变化，造成脉冲再次合束后，光场各部分发生干涉作用的效果不同，当脉冲光场的中间部分相位相同而发生干涉相涨且两翼部分相位不同而发生干涉相消时，该非线性光纤环形镜会将脉冲中间部分的激光模式滤出而在激光谐振腔内形成振荡，两翼部分的模式被抑制，多次往复最终实现激光的锁模。然而，这种传统类型的8字形腔结构是由非保偏光纤构成，锁模调节主要依靠环路中偏振状态的改变而实现，因此锁模的调节和优化需要专业技术人员参与，系统也比较容易受到环境的影响而降低可靠性和长期稳定性，这些不足都限制了传统类型的8字形腔锁模激光的应用。

因此，提出新技术、新方法以实现激光锁模的运转，使其锁模可实现自启动并长期稳定保持，这将极大的满足实用化应用研究领域的需求，同时，也丰富了超短脉冲光纤激光的技术手段，开拓更深入的技术研究。

发明内容

本发明专利针对以上技术的不足及应用研究的需求，提出一种基于8字形腔结构的全保偏光纤锁模激光源，该激光源主要利用非线性保偏光纤环形镜实现激光的锁模，通过环路内增益引入的非线性相移、环路的延时及系统温度等参数的调节和优化，实现锁模的自启动及免维护的长期运转。同时，腔内利用二阶色散控制元件进行色散的优化和补偿，以获得宽光谱、窄脉宽的锁模激光脉冲输出。本发明所采用的全保偏光纤结构极大的提升了系统的长期稳定性、可靠性和环境适应能力，可广泛应用于超快激光放大、测量学、光谱学、激光精密加工及微加工等应用研究领域。

基于此目的，本发明采用以下技术方案：

基于8字形腔结构的全保偏光纤锁模激光源主要分为两个环路结构——非线性光纤环形镜环路和主振荡环路，两环路通过四端口保偏光纤分束器相互连接，其中非线性光纤环形镜环路包括四端口保偏光纤分束器的两个输出端、增益保偏光纤、保偏光纤波分复用器、半导体泵浦激光和光路延时器；主振荡环路包括增益保偏光纤、保偏光纤波分复用器、半导体泵浦激光、偏振相关光纤隔离器、二阶色散控制元件、保偏光纤分束器和四端口保偏光纤分束器的另两个输出端；整个8字形腔结构的全保偏光纤环路置于温度控制盒中密封保存，以长期控制和调节整个激光源的温度。

所述的基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源中，非线性光纤环形镜主要是用于锁模的启动和维持，通过调节和优化环路内增益引入的非线性相移、环路的延时及温度等参数，改变环路内双向传输激光的相位，而具有不同相移的双向传输激光通过干涉效应来筛选所需的模式，实现激光的锁模。主振荡环路则提供整个激光系统所需的能量，并将部分激光能量导出作为激光系统的输出，同时利用二阶色散控制元件实现内腔色散的优化和补偿，获得宽光谱、窄脉宽的锁模脉冲输出。

作为上述基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源的一种优选方案，所述的非线性光纤环形镜环路包含半导体泵浦激光、保偏光纤波分复用器和增益保偏光纤等元件，该配置不直接用于提供系统的能量，而是通过改变泵浦激光功率使得传输信号光的非线性相位发生变化，影响对向传输激光在四端口保偏光纤分束器合束后的光干涉效应，从而改变非线性光纤环形镜的滤波特性和可饱和吸收特性，实现激光的锁模。该方案是激光锁模实现的主要方式，在系统封装情况下，仅通过参数的改变即可实现锁模的调节，并且锁模参数具有记忆特性，可实现自启动、长期稳定的运转。

作为上述基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源的一种优选方案，所述的非线性光纤环形镜环路中包含的光路延时器可以为环形压电陶瓷片，通过压电陶瓷片的膨胀拉伸缠绕上的光纤长度，微调非线性光纤环形镜的滤波特性和可饱和吸收特性，该方式可用于锁模状态的优化，实现方便快捷。

作为上述基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源的一种优选方案，所述的主振荡环路中包含有偏振相关光纤隔离器，以保证激光在环路内的单向传输。

作为上述基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源的一种优选方案，所述的主振荡环路中也包含半导体泵浦激光、保偏光纤波分复用器和增益保偏光纤等元件，用于提供整个激光系统所需的能量。

作为上述基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源的一种优选方案，所述的主振荡环路中包含的二阶色散控制元件，可以是宽带光纤布拉格光栅或封装模块化的体光栅，其提供的二阶色散量与整个环形腔内光纤及其他元件色散总量相同、符号相反，最终保证系统的净二阶色散量接近于零。

作为上述基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源的一种优选方案，所述的8字形腔的整体结构全部置于温度控制盒中密封保存，以长期控制和调节整个激光源的温度，该方式可以长期调节及优化激光的锁模状态。

相比于现有的8字形腔结构全光纤锁模激光源，本发明提出一种结构简单、性能稳定的新型8字形腔全保偏光纤锁模激光源，其优势如下：首先，锁模的调节通过环路增益引入的非线性相移改变来实现，可实现锁模的自启动和免维护运转；其次，利用环路延时和温度等参数的调节实现锁模的长期优化，提升锁模运转的长期稳定性；再次，利用二阶色散补偿元件控制内腔净色散，通过腔内色散平衡和脉冲压缩机制实现宽光谱、窄脉宽的锁模脉冲输出；最后，该8字形腔的环路结构全部由保偏光纤和保偏光纤元器件构成，进一步增加了激光源的可靠性和环境适应能力。

综上所述，本发明所提出的一种基于8字形腔结构的全保偏光纤锁模激光源，具有优良的长期运转稳定性、可靠性和环境适应能力，可广泛应用于超快激光放大、测量学、光谱学、激光精密加工及微加工等实用化应用研究领域。

附图说明：

图1为本发明实施例的基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源。

其中：1：增益保偏光纤；2：保偏光纤波分复用器；3：半导体泵浦激光；4：偏振相关光纤隔离器；5：二阶色散控制元件；6：保偏光纤分束器；7：四端口保偏光纤分束器；8：光路延时器；9：温度控制盒；

图2为本发明实施例中二阶色散补偿元件5的结构示意图1。其中，51：透射式啁啾光纤布拉格光栅；

图3为本发明实施例中二阶色散补偿元件5的结构示意图2。其中，52：保偏光纤环形器；53：反射式啁啾光纤布拉格光栅；

图4为本发明实施例中二阶色散补偿元件5的结构示意图3。54：保偏光纤准直器；55：体光栅对；

具体实施方式：

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源的整体结构如下图1所示，该结构主要由两个环路构成——非线性光纤环形镜环路和主振荡环路，两个环路通过四端口保偏光纤分束器7相互连接，其中非线性光纤环形镜环路(图1右侧部分)包括四端口保偏光纤分束器7的两个输出端、增益保偏光纤1、保偏光纤波分复用器2、半导体泵浦激光3和光路延时器8；主振荡环路(图1左侧部分)包括增益保偏光纤1、保偏光纤波分复用器2、半导体泵浦激光3、偏振相关光纤隔离器4、二阶色散控制元件5、保偏光纤分束器6和四端口保偏光纤分束器7的另两个输出端；整个8字形腔结构的全保偏光纤环路置于温度控制盒9中密封保存，以长期控制和调节整个激光源的温度。

在主振荡环路中，由增益保偏光纤1产生的激光经过偏振相关光纤隔离器4单向传输，并经过二阶色散控制元件5传输至保偏光纤分束器6，其中少部分激光输出，剩余大部分激光经四端口保偏光纤分束器7进入非线性光纤环形镜环路中。其中，保偏光纤分束器6的输出激光比例可以为20%。

主振荡环路中所使用的二阶色散控制元件5，主要分为三种结构，首先利用透射式啁啾光纤布拉格光栅51实现二阶色散的控制(如图2所示)，透射式啁啾光纤布拉格光栅51可直接与环路连接使用；其次利用反射式啁啾光纤布拉格光栅53控制内腔二阶色散，它需要配合保偏光纤环形器52使用(如图3所示)；上述两种结构全部为光纤光路，实现简单、灵活，集成化较高。最终一种结构为空间光路，如图4所示，该结构利用保偏光纤准直器54入射至体光栅对55，其返回光再利用保偏光纤准直器54接收，继续沿主振荡环路继续传输；该结构为空间光路，通过改变体光栅对55的间距可以实现二阶色散的调节，但为满足全光纤器件化的应用需求，该空间体光栅对需模块化封装后才可长期使用。上述三种结构的二阶色散控制元件5都可以补偿环路内的光纤和其它元件(不包括二阶色散控制元件5)引入的二阶色散量，最终达到脉冲压缩的目的。

在非线性光纤环形镜环路中，由四端口保偏光纤分束器7输入的激光分为两路，两路分束比为非等比例较好，如40:60分束比，分束后的激光分别沿环路的顺时针和逆时针方向传输，经过增益保偏光纤1、保偏光纤波分复用器2和光路延时器8等元件，再传输至四端口保偏光纤分束器7合束，最终传输回主振荡环路中，合束脉冲通过光干涉作用产生滤波特性和可饱和吸收特性。其中，增益保偏光纤1可以与主振荡环路使用相同，也可以使用不同，但首选纤芯细，非线性折射率系数高、掺杂浓度高的光纤；光路延时器8可以使用环形压电陶瓷片，并将一定长度的光纤缠绕在压电陶瓷片上，通过压电陶瓷片的膨胀拉伸光纤长度，以调节非线性光纤环形镜的滤波特性和可饱和吸收特性，该方式调节范围较小，主要用于锁模状态的优化。

该8字形腔的光路结构整体置于温度控制盒9中，通过控制温度来改变环路光纤的折射率，实现对向传输激光干涉效应的间接调节，该方法可作为锁模的反馈控制端，长期调节和优化激光源的锁模状态。

本申请针对实用化应用研究需求，提供的基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源具有以下优势：首先，锁模的调节通过环路增益引入非线性效应的改变来实现，可实现锁模的自启动和免维护；其次，利用光路延时和温度等参数的调节实现锁模的长期优化和检测，提升锁模运转的长期稳定性；再次，利用二阶色散补偿元件控制内腔净色散，通过腔内色散平衡和脉冲压缩机制实现宽光谱、窄脉宽的锁模脉冲输出；最后，该8字形腔的环路结构全部由保偏光纤和保偏光纤元器件构成，进一步增加了系统的可靠性和环境适应能力。综上所述，本发明所提出的一种基于8字形腔结构的全保偏光纤锁模激光源，具有优良的长期运转稳定性、可靠性和环境适应能力，可广泛应用于超快激光放大、测量学、光谱学、激光精密加工及微加工等实用化应用研究领域。

以上结合具体实施例描述的本发明技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源，其特征在于：光路结构主要包括非线性光纤环形镜环路和主振荡环路，两环路通过四端口保偏光纤分束器相互连接，其中非线性光纤环形镜环路包括四端口保偏光纤分束器的两个输出端、增益保偏光纤、保偏光纤波分复用器、半导体泵浦激光和光路延时器；主振荡环路包括增益保偏光纤、保偏光纤波分复用器、半导体泵浦激光、偏振相关光纤隔离器、二阶色散控制元件、保偏光纤分束器和四端口保偏光纤分束器的另两个输出端；整个8字形腔结构置于温度控制盒中密封保存，长期控制和调节激光源的温度。

2.根据权利要求1所述的基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源，其特征在于，所述的主振荡环路中，由增益保偏光纤产生的激光经过偏振相关光纤隔离器单向传输，并经过二阶色散控制元件传输至保偏光纤分束器，其中少部分激光输出，剩余大部分激光经四端口保偏光纤分束器分束，分别沿顺时针和逆时针方向进入非线性光纤环形镜环路，经过非线性光纤环形镜环路内的增益保偏光纤、保偏光纤波分复用器和光路延时器后，再传输至四端口保偏光纤分束器合束而返回主振荡环路。

3.根据权利要求1所述的基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源，其特征在于，所述的8字形腔结构全部由保偏光纤和保偏光纤元器件构成，腔内传输激光的偏振状态由保偏光纤的快慢轴结构决定。

4.根据权利要求1所述的基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源，其特征在于，所述的光路延时器主要用于改变激光在非线性光纤环形镜内传输的延时量，从而微调和优化激光源的锁模状态。

5.根据权利要求4所述的基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源，其特征在于，所述光路延时器的结构为光纤光路或空间光路两种结构，其中光纤光路结构为通过拉伸光纤的物理长度来改变光纤光路的延时；空间光路结构为通过移动光学元件的位置来改变光路的延时，或者在光路中插入电光晶体，通过改变晶体加载的电压来改变晶体折射率，实现光路延时的变化，其中所述的电光晶体包括铌酸锂、钒酸钇、钽酸锂或砷化镓。

6.根据权利要求1所述的基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源，其特征在于，所述的主振荡环路中，二阶色散控制元件的结构包括透射式啁啾光纤布拉格光栅、反射式啁啾光纤布拉格光栅或者空间体光栅对，该元件用于补偿环路内的光纤和其它元件引入的二阶色散量，实现腔内色散补偿和脉冲压缩。

7.根据权利要求1所述的基于8字形腔结构全保偏光纤锁模激光源，其特征在于，所述的温度控制盒可以高精度地控制整个激光源的温度，用于长期调节及优化激光源的锁模状态。