CN207518049U

CN207518049U - 光纤激光器

Info

Publication number: CN207518049U
Application number: CN201721201600.XU
Authority: CN
Inventors: 李程; 郑渚; 杨彬; 徐飞; 丁庆
Original assignee: Shenzhen Institute of Terahertz Technology and Innovation
Current assignee: Shenzhen Institute of Terahertz Technology and Innovation
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2018-06-19
Anticipated expiration: 2027-09-19

Abstract

本实用新型涉及激光器技术领域，特别是涉及一种光纤激光器，该光纤激光器可包括泵浦源和环形光路，以及设置在所述环形光路上的掺杂光纤、偏振控制元件及可饱和吸收体；所述泵浦源出射的泵浦光激发所述掺杂光纤辐射光子形成自发辐射光；所述可饱和吸收体具有偏振特性，用于将接收的所述连续激光转换为脉冲激光；以及所述偏振控制元件用于控制所述环形光路的光的偏振状态，以调整所述环形光路所输出脉冲激光的状态；其中，处于不同状态的脉冲激光之间所具有的脉宽不相同。基于设置在环形光路上的具有偏振特征的可饱和吸收体，通过偏振控制元件来调整环形光路的反馈状态，以使得光纤激光器能够输出不同状态的脉冲激光，进而满足诸如微细加工等工艺中对于多种脉宽脉冲激光的需求。

Description

光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，特别是涉及一种光纤激光器。

背景技术

目前光纤激光器在制造完成后，其所输出的脉冲激光也随之确定，而在进行诸如一些微细加工等工艺时，由于需要不同脉宽的激光脉冲进行诸如切割等操作，进而就使得当前的光纤激光器无法满足相应工艺的需求。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种光纤激光器，能够输出不同脉宽的脉冲激光，以满足诸如微细加工等工艺中对于多种脉宽脉冲激光的需求。

一种光纤激光器，包括泵浦源和环形光路，可进一步包括设置在所述环形光路上的掺杂光纤、偏振控制元件及可饱和吸收体；

所述泵浦源出射的泵浦光激发所述掺杂光纤辐射光子形成自发辐射光；

所述可饱和吸收体具有偏振特性，用于将接收的所述连续激光转换为脉冲激光；以及

所述偏振控制元件用于控制所述环形光路的光的偏振状态，以调整所述环形光路所输出脉冲激光的状态；

其中，处于不同状态的脉冲激光之间所具有的脉宽不相同。

上述的光纤激光器中，基于设置在环形光路上的具有偏振特征的可饱和吸收体，通过偏振控制元件来调整环形光路的反馈状态，以使得光纤激光器能够输出不同状态的脉冲激光，进而满足诸如微细加工等工艺中对于多种脉宽脉冲激光的需求。

在其中的一个实施例中，上述的光纤激光器可进一步包括设置在所述环形光路上的第一耦合元件；

所述第一耦合元件用于将接收的脉冲激光分束为反馈激光束和出射激光束，所述反馈激光束用于反馈至所述掺杂光纤，所述出射激光束用于作为所述光纤激光器的输出。

在其中的一个实施例中，上述的光纤激光器可进一步包括设置在所述环形光路上的第二耦合元件；

所述第二耦合元件用于将接收的所述泵浦光与所述反馈激光束合束形成合束光信号，并将所述合束光信号发射至所述掺杂光纤。

在其中的一个实施例中，上述的光纤激光器可进一步包括设置在所述环形光路上的隔离元件：

所述隔离元件设置在所述掺杂光纤与所述可饱和吸收体之间的光路上，以使所述掺杂光纤出射的所述自发辐射光向所述可饱和吸收体单向传输。

在其中的一个实施例中，所述第一耦合元件为耦合器，所述第二耦合元件为波分复用器，所述隔离元件为偏振无关型光纤隔离器。

在其中的一个实施例中，上述的光纤激光器可进一步包括设置在所述环形光路上的单模光纤，所述单模光纤用于增强所述环形光路的非线性偏振旋转效应。

在其中的一个实施例中，所述掺杂光纤为掺铒的增益光纤。

在其中的一个实施例中，所述偏振控制元件包括第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述可饱和吸收体设置在所述第一偏振控制器与所述第二偏振控制器之间的光路上。

在其中的一个实施例中，上述任意一项所述的光纤激光器中的所述可饱和吸收体可包括：

支撑棒，所述支撑棒的外表面覆盖有石墨烯薄膜；

微纳光纤，非重叠的环绕在所述石墨烯薄膜的表面上。

在其中的一个实施例中，上述任意一项所述的光纤激光器中的所述环形光路输出的脉冲激光可包括调Q脉冲激光和矩形波锁模脉冲激光。

附图说明

图1为一个实施例中光纤激光器的模块结构图；

图2为另一个实施例中光纤激光器的结构示意图；

图3为图2中可饱和吸收体的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方法及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1为一个实施例中光纤激光器的模块结构图。如图1所示，一种光纤激光器，可包括环形光路10和泵浦源11，以及设置在环形光路10上的掺杂光纤13、具有偏振特性的可饱和吸收体15及偏振控制元件16等部件。泵浦源11可用于向环形光路10中发射泵浦光，掺杂光纤13受泵浦源11发射的泵浦光激发辐射光子进而形成自发辐射光，即在上述泵浦光的作用下，掺杂光纤13中的稀土离子的能级升高，而当高能级稀土离子向低能级状态跃迁时会向外辐射出光子，并进而可形成自发辐射光，经过谐振腔的作用可形成连续激光；可饱和吸收体15将上述掺杂光纤13所出射的连续激光经过锁模操作以形成脉冲激光，偏振控制元件16可控制环形光路10的反馈状态，而处于正反馈状态或者负反馈状态的环形光路10其所输出的脉冲激光的状态是不同的；即通过调节偏振控制元件16使得作为谐振腔的环形光路处于不同的反馈状态，进而可实现对环形光路10所出射脉冲激光的状态的调整。例如，可通过调节偏振控制元件16使得环形光路10处于不同的反馈状态，进而实现光纤激光器所输出的脉冲激光在调Q脉冲激光与矩形波锁模脉冲激光之间进行切换。

在本实施例中，由于环形光路10上具有偏振特性的可饱和吸收体15能够同时实现两种激光脉冲状态操作，通过调节偏振控制元件16使得环形光路10处于不同的反馈状态，以使得光纤激光器能够输出不同状态的脉冲激光，而由于处于不同状态的脉冲激光其相互之间的脉宽不同，即通过光纤激光器输出具有不同脉宽的脉冲激光，以满足诸如微细加工等工艺中对于不同脉宽脉冲激光的需求。

优选的，上述的泵浦源11可为半导体泵浦源，例如980nm半导体泵浦源或1480nm半导体泵浦源等；掺杂光纤13可以是诸如OFS EDF80等掺铒的增益光纤，相应的该掺杂光纤13中铒原子发生跃迁可辐射光子形成波长为1550nm的激光。

在其中的一个实施例中，如图1所示，上述的光纤激光器还可进一步包括用于对接收的脉冲激光进行分束的第一耦合元件18，该第一耦合元件18可以是诸如光纤耦合器等具有光信号分束功能的器件。第一耦合元件18可将经偏振控制元件16调节过的脉冲激光分束为出射激光束和反馈激光束；出射激光束经第一耦合元件18的第一输出端口181输出，以作为光纤激光器的输出激光；反馈激光束经第一耦合元件18的第二输出端口182出射至掺杂光纤13，以作为该掺杂光纤13的激励光源，进而提升光纤激光器输出激光的稳定性。

在其中的一个实施例中，如图1所示，上述的光纤激光器还可进一步包括用于对接收的光信号进行合束的第二耦合元件12，该第二耦合元件12可以是诸如波分复用器等具有光信号合束功能的器件。第二耦合元件12可将泵浦源11出射的泵浦光与第一耦合元件18所出射的反馈激光束进行合束操作，以形成合束光信号，并将该合束光信号发送至掺杂光纤13，进而更加高效的激发该掺杂光纤辐射光子形成更为稳定的激光束。

在其中的一个实施例中，如图1所示，上述的光纤激光器还可进一步包括用于使得光信号在环形光路10中进行单向传输的隔离元件14，该隔离元件14可以是诸如偏振无关型隔离器等具有使得光信号单向传输功能的器件。隔离元件14可设置在掺杂光纤13与可饱和吸收体15之间的光路上，由于掺杂光纤13受激发会产生向各个方向传播的激光，而通过该隔离元件14对返回的光进行隔离，继而可确保脉冲激光的单向传播，即隔离元件14可使得掺杂光纤13出射的脉冲激光沿环形光路10向可饱和吸收体15的方向传播，以提升光纤激光器的光学性能。

在其中的一个实施例中，如图1所示，上述的光纤激光器还可进一步包括用于增强环形光路10的非线性偏振旋转效应的单模光纤17。偏振控制元件14可包括第一偏振控制器(图中未标示)和第二偏振控制器(图中未标示)，可饱和吸收体15设置在上述第一偏振控制器与第二偏振控制器之间的环形光路10上，以提升偏振控制器对于光纤激光器输出脉冲激光的脉宽的调整精度。

在其中的一个实施例中，如图1所示，上述的可饱和吸收体15可包括外表面覆盖有石墨烯薄膜的支撑棒(图中未标示)及非重叠的绕制在石墨烯薄膜表面上的微纳光纤(图中未标示)，由于石墨烯具有宽谱吸收特性，而微纳光纤又具有较大倏逝场，故可使得微纳光纤绕制而成的三维器件可作为具有偏振特性的可饱和吸收体。

参见图1所示，基于可作为谐振腔的环形光路10，上述的泵浦源11出射的泵浦光经第二耦合元件12传送至掺杂光纤13，掺杂光纤13受上述泵浦光的激发辐射光子形成自发辐射光，该自发辐射光经谐振腔作用后可形成各向传播的连续激光；隔离元件14对环形光路10上反方向传播的激光进行隔离后，在环形光路10中形成沿掺杂光纤13向可饱和吸收体15传播的单向连续激光；可饱和吸收体15将入射的单向连续激光转换为脉冲激光，且由于该可饱和吸收体15具有偏振特性，进而可同时在两种锁模模式下形成脉冲激光；可通过调整偏振控制元件16使得环形光路(即谐振腔)10处于正反馈状态或负反馈状态，以对应的将上述掺杂光纤出射的脉冲激光转换为调Q脉冲或矩形波锁模脉冲；第一耦合元件18将上述的脉冲激光转换为调Q脉冲和矩形波锁模脉冲进行分束形成出射激光和反馈激光，出射激光通过第一输出端口181发射至外部，以作为光纤激光器的输出，而反馈激光则经第二输出端口182发送至第二耦合元件12；该第二耦合元件12将泵浦源11出射的泵浦光与上述的反馈激光进行合束并出射至掺杂光纤13中，可有效提升掺杂光纤13受激产生自发辐射光的质量及效率。其中，在环形光路10上还可通过设置单模光纤17来提升环形光路的非线性偏振旋转效应，以进一步的提升光纤激光器所输出脉冲激光的稳定性。

下面就以采用石墨烯-微纳米光纤三维结构作为可饱和吸收体进行详细的说明。图2为另一个实施例中光纤激光器的结构示意图；如图2所示，一种光纤激光器，包括依次连接半导体泵浦源21、波分复用器22、掺铒增益光纤23、隔离器24、第一偏振控制器25、三维结构的石墨烯-微纳光纤集成器件26、第二偏振控制器27、单模光纤28和耦合器29；该耦合器29的输出端d与波分复用器22连接，以使得波分复用器22、掺铒增益光纤23、隔离器24、第一偏振控制器25、作为可饱和吸收体的三维结构的石墨烯-微纳光纤集成器件26、第二偏振控制器27、单模光纤28及耦合器29共同构成一环形的谐振腔。其中，耦合器29的输出端c作为光纤激光器的脉冲激光输出端口。

需要注意的是，本实用新型实施例的光纤激光器中的各个部件之间的连接可通过端口直接连接或通过单模光纤进行连接，以实现全光纤结构进行光信号的传递。同时，光纤激光器中的各部件之间可通过熔接光纤的方式进行连接，来有效避免环形光路中产生反射光，以进一步提升光纤激光器的光学性能。

图3为图2中可饱和吸收体的结构示意图。如图2所示，三维结构的石墨烯-微纳光纤集成器件26可包括支撑棒216、特氟龙聚合物膜262、石墨烯薄膜263和微纳光纤264；特氟龙聚合物膜262覆盖支撑棒261的外表面，通过转移的方式在特氟龙聚合物膜262暴露的表面上形成石墨烯薄膜263，维纳光纤264绕制在上述石墨烯薄膜263的表面上；其中，支撑棒的材可质为聚甲基丙烯酸甲酯的支撑棒261。由于将微光纤264绕制在转移有石墨烯薄膜263的支撑棒261上，可有效的增大石墨烯与光场之间的相互作用距离，进而提升光纤激光器的光学性能。

另外，由于微纳光纤264具有很强的倏逝场，且微纳光纤264中的两个电场中的一个电场的方向平行于石墨烯薄膜263的延展方向，另一个电场的方向垂直于石墨烯的传输及作用方向，进而会使得微纳光纤264的激光在两个电场方向的传输损耗不同，从而产生鲜明的消光比。同时，由于石墨烯薄膜263具有较佳的宽谱吸收特性以及优良的可饱和吸收特性，所以该三维结构的石墨烯-微纳光纤集成器件26可以视为具有偏振特性的可饱和吸收器件。

在一个可选的实施例中，参见图2～3所示，掺铒增益光纤23的长度可以是7m左右，而了确保光纤激光器具有较佳的稳定性，该掺铒增益光纤23的长度取值范围的两个极值之间的差值不超过2m；例如，掺铒增益光纤23的长度取值范围可以是6.5～7.5m，即该掺铒增益光纤23的长度具体的可以是6.5m、6.8m、7m、7.3m或7.5m等。单模光纤28的长度可以是220m左右，同样为了确保光纤激光器具有较佳的稳定性，该单模光纤28的长度取值范围的两个极值之间的差值也不要超过2m；例如，单模光纤28的长度取值范围可以是219.5m～220.5m，即该单模光纤28的长度具体的可以是219.5m、219.8m、220m、220.3m或220.5m等。耦合器29可以是输出比为10％的光纤耦合器，即耦合器29的输出端c所输出的脉冲激光功率与耦合器29的输出端d所输出的脉冲激光功率之间的比值为1:9，也可理解为该耦合器29所分束形成的出射激光束的功率与反馈激光束的功率之间的比值为1:9。在另一个可选的实施例中，耦合器29可以是输出比为30％的光纤耦合器，即耦合器29的输出端c所输出的脉冲激光功率与耦合器29的输出端d所输出的脉冲激光功率之间的比值为3:7，也可理解为该耦合器29所分束形成的出射激光束的功率与反馈激光束的功率之间的比值为3:7。

具体的，在光纤激光器中，非线性偏振旋转的透射系数公式可以表示为：

其中，△φ＝△φ_PC+△φ_LB+△φ_NL是光纤快轴与慢轴之间总的相位延迟，△φ_PC是偏振控制器引入的延迟，△φ_NL＝-2γLPcos(2θ)/3是由于光纤非线性引入的非线性相位改变，△φ_LB＝2πLB_m/λ是由于光纤双折射引入的线性相移，θ和则是起偏器和检偏器分别与光纤快轴之间的夹角。

当光纤激光器的光路搭建完成时，θ和可以视为一个常数。因此，上述的非线性偏振旋转的透射系数公式可以化简为：

|T|²～cos(△φ_PC+△φ_LB+△φ_NL)

即当光信号在基于非线性偏振旋转结构的激光腔中传输时，腔的损耗和相位延迟有着非常大关系。

同时，由于三维结构的石墨烯-微纳光纤集成器件26同时具有可饱和吸收特性和偏振特性，即如图2所示的光纤激光器中可同时产生两种锁模方式。

所以，通过调节图2中所示的第一偏振控制器25和/或第二偏振器27，便可以实现激光谐振腔(即环形光路)工作在正反馈或者负反馈区域中，即可以通过调制偏振控制器改变光纤激光器中反馈状态，进而在基于三维结构的石墨烯-微光纤器件26的基础上，可以实现光纤激光器输出的脉冲激光在调Q脉冲激光与矩形波锁模脉冲激光之间进行切换。

另外，由于光纤激光器中的石墨烯-微纳光纤之间具有一定的实际偏振对比度，可通过增加单模光纤的长度来增强激光器中的非线性偏振旋转的效应。例如，当图2中所示的三维结构的石墨烯-微纳光纤集成器件26存在约2dB左右的实际偏振对比度时，可采用诸如长度为约220m左右的单模光纤28来进一步的增强光纤激光器中的非线性偏振旋转的效应，进而提升光纤激光器的稳定性。

综上所述，本实用新型实施例中的光纤激光器，通过设置在环形光路中的具有偏振特性的可饱和吸收体及偏振控制元件等，使得光纤激光器出射的激光脉冲宽度可调，进而满足诸如生物医药、通信、微加工、遥感及军事等各种领域中对于不同脉宽脉冲激光的需求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种光纤激光器，包括泵浦源和环形光路，其特征在于，所述光纤激光器进一步包括设置在所述环形光路上的掺杂光纤、偏振控制元件及可饱和吸收体；

其中，处于不同状态的脉冲激光之间所具有的脉宽不相同。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，进一步包括设置在所述环形光路上的第一耦合元件；

3.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，进一步包括设置在所述环形光路上的第二耦合元件；

4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，进一步包括设置在所述环形光路上的隔离元件：

5.根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一耦合元件为耦合器，所述第二耦合元件为波分复用器，所述隔离元件为偏振无关型光纤隔离器。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，进一步包括设置在所述环形光路上的单模光纤，所述单模光纤用于增强所述环形光路的非线性偏振旋转效应。

7.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述掺杂光纤为掺铒的增益光纤。

8.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述偏振控制元件包括第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述可饱和吸收体设置在所述第一偏振控制器与所述第二偏振控制器之间的光路上。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体包括：

支撑棒，所述支撑棒的外表面覆盖有石墨烯薄膜；

微纳光纤，非重叠的环绕在所述石墨烯薄膜的表面上。

10.根据权利要求1～8中任意一项所述的光纤激光器，其特征在于，所述环形光路输出的脉冲激光包括调Q脉冲激光和矩形波锁模脉冲激光。