CN208986364U - 基于空分复用sesam模块的锁模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其是由保偏光纤隔离器、保偏布拉格光纤光栅、稀土掺杂保偏增益光纤、泵浦激光器、保偏波分复用器、n级级联式1x2n空分复用模块、2n个聚焦式在线空分复用SESAM反射端子和无源保偏光纤构成全保偏光纤的线型谐振腔；所述保偏波分复用器包括有泵浦端、泵浦信号通用端和信号端；所述聚焦式在线空分复用SESAM反射端子包括偏振可变的聚焦器、Savart棱镜和SESAM；本实用新型的基于空分复用SESAM模块的长工作寿命锁模光纤激光器，性能可靠、可实现自启动锁模及方便调控，通过改变级联空分复用模块的输出路径切换不同的在线空分复用SESAM反射端子，极大的提升整个系统的稳定工作寿命。
Description
技术领域：
本实用新型属于激光器技术领域，具体涉及一种基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器。
背景技术：
1992年，美国Bell实验室科学家Keller等人首次利用一种新的可饱和吸收体SESAM (semiconductor saturable absorber mirror)实现了Nd:YLF晶体稳定的连续锁模激光产生。这种新型可饱和吸收体SESAM的各项参数，包括工作波长、饱和通量、调制深度、非饱和损耗和恢复时间等可以实现灵活设计，满足不同激光器锁模要求；而且对激光腔型没有严格要求，进而大大简化了谐振腔的结构。SESAM的出现使超快激光器进入了飞速发展的阶段。以其为基础的被动锁模技术由于具有设计灵活、系统稳定、自启动等诸多优点，同时，SESAM在制备过程中可灵活控制调制深度、恢复时间、饱和通量等关键参数，并且根据需要可加工集成在光纤端头上，便于全光纤化，因此，该类型被动锁模光纤激光器在实际应用领域被广泛关注。
SESAM的两个核心参数是饱和通量和光损伤阈值。激光锁模的原理是利用了SESAM的饱和吸收特性，这就要求入射SESAM片的信号光通量密度超过其饱和通量。另一方面，如果入射信号光能量密度太大，超过其损伤阈值，SESAM片光照区域会受到不可逆的光学损伤，从而导致该区域永久丧失饱和吸收特性。综合考虑上述两点，需要将入射信号光能量密度控制在合理的范围内，即介于SESAM片的饱和通量以及损伤阈值之间。通常的做法是实现低泵浦阈值锁模，并且尽可能减小入射SESAM的信号光聚焦光斑大小。这就导致整个种子源激光器输出的脉冲信号平均功率较低，不利于后续功率放大。为了适当提高种子源输出功率，最直接的做法是提升泵浦功率，这又容易导致SESAM片受到光学损伤。同时，种子源长时间工作时，输出脉冲信号重复频率很高，SESAM片吸收光能后转换的热能逐渐累积，会影响SESAM片的饱和吸收特性，甚至使其永久失效。如上所述，SESAM片的光学损伤和热损伤引起的饱和吸收失效极大的限制了脉冲种子激光器的长期使用寿命。
通常锁模聚焦光斑直径为10-20 um，因此损伤失效后的SESAM面积也是一个直径为10-20 um的圆，而常规SESAM片入射面为边长为1mm的正方形，所以失效面积仅占总面积的极小部分。单一SESAM片可以重复利用很多次。目前所用的单SESAM、单聚焦点锁模系统失效后，唯一的解决办法是将光纤集成化的SESAM反射端子拆分，重新调试，将聚焦光斑移出失效位置。这种做法虽然可以重复利用SESAM，但是会造成其他物料的浪费，而且器件拆分不方便，容易对SESAM造成机械划伤。因此，寻求一种操作简单、稳定可靠、容易实现的可提升SESAM利用率以及种子源激光器使用寿命的设计方案是SESAM锁模超快激光器中亟待解决的问题之一。
实用新型内容：
本实用新型针对上述现有技术存在的缺陷或不足，提供一种基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器。该锁模光纤激光器通过级联空分复用模块集成多个SESAM片，工作时有且仅有一片SESAM片处于工作状态，使每个SESAM反射片有两倍寿命，n级级联式空分复用器可挂载2n个SESAM反射端子，系统的总工作寿命较单聚焦点、单SESAM端子锁模光纤激光器可提升2(n+1)倍；极大的提升了SESAM片在锁模激光器中的的使用周期。
本实用新型公开一种基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其是由保偏光纤隔离器、保偏布拉格光纤光栅、稀土掺杂保偏增益光纤、泵浦激光器、保偏波分复用器、n级级联式1x2n空分复用模块、2n个聚焦式在线空分复用SESAM反射端子和无源保偏光纤构成全保偏光纤的线型谐振腔；所述保偏波分复用器包括有泵浦端、泵浦信号通用端和信号端；所述聚焦式在线空分复用SESAM反射端子包括偏振可变的聚焦器、Savart棱镜和SESAM；
所述保偏光纤隔离器的入射端与保偏布拉格光纤光栅的出射端连接，作为整个激光器系统的脉冲序列输出端；保偏布拉格光纤光栅的入射端经过稀土掺杂保偏增益光纤与保偏波分复用器的泵浦信号通用端连接；保偏波分复用器的泵浦端与泵浦激光器的尾纤连接；保偏波分复用器的信号端与空分复用模块的入射端连接；所述空分复用模块为n级级联式1x2n空分复用模块；所述n级级联式1x2n空分复用模块的2n个输出端连接2n个聚焦式在线空分复用SESAM反射端子。
所述的保偏光纤隔离器为单模保偏光纤耦合输入、输出的高隔离度、低插损的偏振相关隔离器，工作波长为1030nm、1064nm、1550nm的任意一波长。
所述的保偏布拉格光纤光栅的反射中心波长为与保偏光纤隔离器的工作波长相匹配一致，为1030nm、1064nm、1550nm任意一波长；所述保偏布拉格光纤光栅的类型为均匀光纤光栅或有补偿色散能力的啁啾光纤光栅。
所述的稀土掺杂保偏增益光纤为掺镱保偏增益光纤用于产生1030nm或1064nm激光输出；或掺铒保偏增益光纤用于产生1550nm激光输出。
所述的泵浦激光器为单模光纤耦合输出的半导体激光器，其中心波长根据稀土掺杂保偏增益光纤的掺杂元素不同而相对应的不同。
所述的保偏波分复用器将泵浦端波长的光波与泵浦信号通用端波长的光波低插损耦合至保偏波分复用器的公用端，保偏波分复用器根据掺杂光纤的类型，对泵浦端波长的光波与泵浦信号通用端波长进行相应的波长匹配。
所述的n级级联式1x2n空分复用模块(6)由(2n-1)个1x2偏振光开关级联构成，1x2偏振光开关的两个输出端对应偏振方向相互垂直的信号光输出，采用机械式或电磁式偏振转换器件对入射信号的偏振态进行控制并选择相应的输出路径；所述的n级级联式1x2n空分复用模块通过一串n位二进制数字编码进行控制，从2n个输出端选择一路输出，将光信号导入与其连接的聚焦式在线空分复用SESAM反射端子。
所述的聚焦式在线空分复用SESAM反射端子包含一个偏振可变的聚焦器、Savart棱镜)以及SESAM；其中聚焦器的工作波长与增益光纤类型相匹配，工作距离为4-6mm，聚焦光斑直径为18-22μm；Savart棱镜)的厚度，以保证偏振方向相互垂直的两束光在SESAM表面的聚焦光斑分离距离相匹配；所述的SESAM的工作波长与增益光纤类型匹配。
所述保偏光纤隔离器、保偏布拉格光纤光栅、保偏波分复用器、n级级联式1x2n空分复用模块以及聚焦式在线空分复用SESAM反射端子的尾纤均采用普通无源保偏光纤。
所述保偏波分复用器内设有偏振方向对准无源保偏光纤慢轴的、针对信号光波的偏振片。
本实用新型的一种基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，采用上述技术方案所带来的有益技术效果是：
1、采用n级级联式空分复用模块连接2n个在线式空分复用SESAM反射端子，每次锁模工作时，有且仅有一个在线式空分复用SESAM反射端子处于工作状态。当该在线式空分复用SESAM反射端子失效后，可以切换至其他备用反射端子，保证系统的正常工作。通过这种方式将SESAM锁模激光器的工作寿命提升2n倍。
2、采用在线式空分复用SESAM反射端子，入射该反射端子的信号光利用偏振可变聚焦器在一对偏振方向正交的线偏振光之间切换，这一对偏振方向正交的线偏光通过Savart棱镜后，聚焦在SESAM表面的不同位置处。锁模工作时，腔内各处只存在单一偏振方向的线偏光，不同器件处的信号光偏振方向可以不同。外部控制偏振可变聚焦器输出线偏光的偏振方向，可以选择信号光斑在SESAM表面的聚焦位置。通过这种方式，在不拆分SESAM反射端子的前提下，将单个SESAM片的利用率提升一倍，工作寿命是单聚焦点SESAM反射端子的2倍。
3、结合上述两种空分复用方式，可以将SESAM锁模系统的总工作寿命相对单聚焦点、单SESAM片锁模系统提升2(n+1)倍，为提升SESAM锁模激光器的工作寿命提供了一种简单，有效的实现方案。
4、模块化布局、尺寸小、稳定性高，可实现自启动，工作寿命超长，可以广泛应用于商用超快激光器作为种子激光器，具有较好的应用前景和商业价值。
附图说明：
图1为本实用新型的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器结构示意图。
图中，1、保偏光纤隔离器，2、保偏布拉格光纤光栅，3、稀土掺杂保偏增益光纤，4、泵浦激光器，5、保偏波分复用器，5a、泵浦信号通用端，5b、信号端，5c、泵浦端，6、n级级联式1x2n空分复用模块，7、聚焦式在线空分复用SESAM反射端子，7a、偏振可变的聚焦器，7b、Savart棱镜，7c、SESAM。
具体实施方式：
本实施例给出一种基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，是由保偏光纤隔离器、保偏布拉格光纤光栅、稀土掺杂保偏增益光纤、泵浦激光器、保偏波分复用器、n级级联式1x2n空分复用模块、2n个聚焦式在线空分复用SESAM反射端子和无源保偏光纤构成全光纤的线型谐振腔；其中，n级级联式空分复用模块的2n个输出端分别与2n个聚焦式在线空分复用SESAM反射端子连接。
所述保偏光纤隔离器的入射端与保偏布拉格光纤光栅的出射端连接，作为整个激光器系统的脉冲序列输出端；保偏布拉格光纤光栅的入射端经过稀土掺杂保偏增益光纤与保偏波分复用器的泵浦和信号通用端连接；保偏波分复用器的泵浦端与泵浦激光器的尾纤连接；保偏波分复用器的信号端与n级级联式1x2n空分复用模块的入射端连接；n级级联式1x2n空分复用模块的2n个输出端连接2n个聚焦式在线空分复用SESAM反射端子。其中，锁模运转时，腔内信号光只通过n级级联式空分复用模块的一个输出端入射至与其对应的在线式空分复用SESAM反射端子；并且信号光仅聚焦在该SESAM上的一个工作光斑处。
所述的保偏光纤隔离器的工作波长与增益光纤类型以及光纤光栅反射波长匹配，正向插损小于1.5dB，反向隔离度大于35dB，可承受最大平均光功率300mW。
所述的保偏布拉格光纤光栅的反射中心波长与增益光纤的类型相匹配，根据需求可选择光栅类型是均匀光纤光栅或啁啾光纤光栅。
所述的稀土掺杂保偏增益光纤根据要求信号光波波长进行选择，尽可能选择高掺杂浓度，降低对泵浦光功率的要求。
所述的泵浦激光器是单模光纤耦合输出的，工作波长根据稀土掺杂保偏增益光纤的类型进行选择，最大输出功率不低于400mW，中心波长采用自锁定装置锁定。
所述的保偏波分复用器的泵浦波长和信号波长需要根据掺杂光纤的类型进行匹配选择，器件内含偏振方向对准无源保偏光纤慢轴、针对信号波长的偏振片，以保证腔内单一偏振态起振。
所述的n级级联式1x2n空分复用模块由(2n -1)个1x2偏振光开关级联构成，1x2偏振光开关的两个输出端允许偏振方向相互垂直的信号光输出，采用机械式或电磁式偏振转换器件，可以对入射信号的偏振态进行控制，从而选择输出路径。整个空分复用模块通过一串n位二进制数字编码进行控制，从2n个输出端选择一路输出，将光信号导入与其连接的聚焦式在线空分复用SESAM反射端子。
所述的聚焦式在线空分复用SESAM反射端子包含一个偏振可变的聚焦器、Savart棱镜以及SESAM。其中偏振可变的聚焦器的工作波长与系统所用增益光纤匹配，工作距离为5mm，聚焦光斑直径小于20μm；Savart棱镜的厚度根据计算结果进行精确加工，以保证偏振方向相互垂直的两束光在SESAM表面的聚焦光斑分离距离足够大；所述的SESAM的工作波长与增益光纤类型匹配，其他参数如调制深度、饱和能流密度、非饱和吸收损耗以及弛豫时间长度根据锁模效果进行选择。
所述保偏光纤隔离器、保偏布拉格光纤光栅、保偏波分复用器、n级级联式1x2n空分复用模块以及聚焦式在线空分复用SESAM反射端子的尾纤均为普通无源保偏光纤。
本实用新型的基于空分复用SESAM模块的长工作寿命锁模光纤激光器，性能可靠、可实现自启动锁模及方便调控，通过改变级联空分复用模块的输出路径切换不同的在线空分复用SESAM反射端子，极大的提升整个系统的稳定工作寿命。同时控制单个在线空分复用SESAM反射端子的入射偏振方向，切换信号光斑在SESAM上的聚焦光斑位置，可以很便捷的将单个SESAM的工作寿命提升一倍。为提升SESAM锁模激光器的工作寿命提供了一种简单，有效的实现方案。
参见图1所示，本实施例给出一种基于空分复用SESAM模块的长工作寿命锁模光纤激光器，由保偏光纤隔离器1、保偏布拉格光纤光栅2、稀土掺杂保偏增益光纤3、泵浦激光器4、保偏波分复用器5、n级级联式1x2n空分复用模块6、2n个聚焦式在线空分复用SESAM反射端子7和无源保偏光纤构成全光纤的线型谐振腔；其中保偏波分复用器5有泵浦端5c、泵浦信号通用端5a和信号端5b；其中聚焦式在线空分复用SESAM反射端子7有偏振可变的聚焦器7a、Savart棱镜7b和SESAM7c；
保偏光纤隔离器的入射端光纤与保偏布拉格光纤光栅2的出射光纤相连接，保偏布拉格光纤光栅2的入射光纤依次经稀土掺杂保偏增益光纤3、保偏波分复用器5、n级级联式空分复用模块6，最后入射到在线空分复用SESAM反射端子7。其中，保偏波分复用器5的泵浦端5c与泵浦激光器4相连；n级级联式空分复用模块6根据人为设定的n位二进制编码选择信号输出端口，并将信号光入射至与之相连的在线式空分复用SESAM反射端子7；在线式空分复用SESAM反射端子7中的偏振可变聚焦器7a可将输出线偏振信号光在一对互相垂直的方向上切换，并穿过Savart棱镜7b后聚焦在SESAM7c上的不同位置。
本实施例中，保偏光纤隔离器1的工作波长根据增益光纤的类型进行匹配选择，正向插损小于1.5dB，反向隔离度大于35dB，可承受最大平均光功率300mW。
保偏布拉格光纤光栅2的反射中心波长根据增益光纤的类型进行匹配设计，根据需要可以选择均匀光栅或者啁啾光栅。
稀土掺杂保偏增益光纤的掺杂元素根据所需工作波长的不同进行选择，选择尽可能大的掺杂浓度。
泵浦激光器4选择单模光纤耦合输出的半导体激光器，其中心波长根据增益光纤不同的掺杂元素进行选择，中心波长采用自锁定装置锁定，最大输出功率不低于400mW。
保偏波分复用器5的泵浦波长和信号波长与增益光纤的类型匹配选择，器件内含偏振方向对准无源保偏光纤慢轴的、针对信号光波的偏振片，保证腔内单一偏振态起振。
n级级联式1x2n空分复用模块6由(2n-1)个1x2偏振光开关级联构成，1x2偏振光开关的两个输出端允许偏振方向相互垂直的信号光输出，采用机械式或电磁式偏振转换器件，可以对入射信号的偏振态进行控制，从而选择输出路径。整个空分复用模块通过一串n位二进制数字编码进行控制，从2n个输出端选择一路输出，将光信号导入与其连接的聚焦式在线空分复用SESAM反射端子。
在线式空分复用SESAM反射端子7包含一个偏振可变的聚焦器7a、Savart棱镜7b以及SESAM7c。其中偏振可变的聚焦器7a的工作波长与增益光纤的类型匹配选择，工作距离为5mm，聚焦光斑直径小于20 um；Savart棱镜7b的厚度根据计算结果进行精确加工，以保证偏振方向相互垂直的两束光在SESAM7c表面的聚焦光斑分离距离足够大；所述的SESAM 7c的工作波长与增益光纤类型匹配，其他参数如调制深度、饱和能流密度、非饱和吸收损耗以及弛豫时间长度根据锁模效果进行选择。
保偏光纤隔离器1、保偏布拉格光纤光栅2、反射式保偏波分复用器5、n级级联式1x2n空分复用模块6以及聚焦式在线空分复用SESAM反射端子7的尾纤均为普通无源保偏光纤。
本实施例给出的基于空分复用长工作寿命SESAM锁模光纤激光器，采用n级级联式空分复用模块连接2n个在线空分复用SESAM反射端子，保证了在单一聚焦点失效后，调节在线空分复用SESAM反射端子的入射信号光偏振方向切换聚焦位置；当某一SESAM上的两个聚焦位置都失效后，对应该在线空分复用SESAM反射端子失效，通过控制级联空分复用模块的信号输出端口选择其他备用在线空分复用SESAM反射端子。这样就可以将SESAM锁模光纤激光器的工作寿命相对单聚焦点、单SESAM片锁模系统提升2(n+1)倍,为提升SESAM锁模激光器的工作寿命提供了一种简单，有效的实现方案。
需要说明的是：以上本实用新型所公开的技术方案，非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。，都应属于本实用新型技术方案保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是由保偏光纤隔离器(1)、保偏布拉格光纤光栅(2)、稀土掺杂保偏增益光纤(3)、泵浦激光器(4)、保偏波分复用器(5)、n级级联式1x2n空分复用模块(6)、2n个聚焦式在线空分复用SESAM反射端子(7)和无源保偏光纤构成全保偏光纤的线型谐振腔；所述保偏波分复用器(5)包括有泵浦端(5c)、泵浦信号通用端(5a)和信号端(5b)；所述聚焦式在线空分复用SESAM反射端子(7)包括偏振可变的聚焦器(7a)、Savart棱镜(7b)和SESAM(7c)；
所述保偏光纤隔离器(1)的入射端与保偏布拉格光纤光栅(2)的出射端连接，作为整个激光器系统的脉冲序列输出端；保偏布拉格光纤光栅(2)的入射端经过稀土掺杂保偏增益光纤(3)与保偏波分复用器(5)的泵浦信号通用端(5a)连接；保偏波分复用器(5)的泵浦端(5c)与泵浦激光器(4)的;l尾纤连接；保偏波分复用器(5)的信号端(5b)与空分复用模块的入射端连接；所述空分复用模块为n级级联式1x2n空分复用模块(6)；所述n级级联式1x2n空分复用模块(6)的2n个输出端连接2n个聚焦式在线空分复用SESAM反射端子(7)。
2.根据权利要求1所述的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是，所述的保偏光纤隔离器(1)为单模保偏光纤耦合输入、输出的高隔离度、低插损的偏振相关隔离器，工作波长为1030nm、1064nm、1550nm的任意一波长。
3.根据权利要求1所述的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是，所述的保偏布拉格光纤光栅(2)的反射中心波长为与保偏光纤隔离器(1)的工作波长相匹配一致，为1030nm、1064nm、1550nm任意一波长；所述保偏布拉格光纤光栅（2）的类型为均匀光纤光栅或有补偿色散能力的啁啾光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是，所述的稀土掺杂保偏增益光纤(3)为掺镱保偏增益光纤用于产生1030nm或1064nm激光输出；或掺铒保偏增益光纤用于产生1550nm激光输出。
5.根据权利要求1所述的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是，所述的泵浦激光器(4)为单模光纤耦合输出的半导体激光器，其中心波长根据稀土掺杂保偏增益光纤(3)的掺杂元素不同而相对应的不同。
6.根据权利要求1所述的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是，所述的保偏波分复用器(5)将泵浦端(5c)波长的光波与泵浦信号通用端(5a)波长的光波低插损耦合至保偏波分复用器(5)的公用端，保偏波分复用器(5)根据掺杂光纤的类型，对泵浦端(5c)波长的光波与泵浦信号通用端(5a)波长进行相应的波长匹配。
7.根据权利要求1所述的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是，所述的n级级联式1x2n空分复用模块(6)由(2n -1)个1x2偏振光开关级联构成，1x2偏振光开关的两个输出端对应偏振方向相互垂直的信号光输出，采用机械式或电磁式偏振转换器件对入射信号的偏振态进行控制并选择相应的输出路径；所述的n级级联式1x2n空分复用模块(6)通过一串n位二进制数字编码进行控制，从2n个输出端选择一路输出，将光信号导入与其连接的聚焦式在线空分复用SESAM反射端子（7）。
8.根据权利要求1所述的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是，所述的聚焦式在线空分复用SESAM反射端子(7)包含一个偏振可变的聚焦器(7a)、Savart棱镜(7b)以及SESAM(7c)；其中聚焦器(7a)的工作波长与增益光纤类型相匹配，工作距离为4-6mm，聚焦光斑直径为18-22μm；Savart棱镜(7b)的厚度，以保证偏振方向相互垂直的两束光在SESAM(7c)表面的聚焦光斑分离距离相匹配；所述的SESAM(7c)的工作波长与增益光纤类型匹配。
9.根据权利要求1所述的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是，所述保偏光纤隔离器(1)、保偏布拉格光纤光栅(2)、保偏波分复用器(5)、n级级联式1x2n空分复用模块(6)以及聚焦式在线空分复用SESAM反射端子(7)的尾纤均采用普通无源保偏光纤。
10.根据权利要求1或6所述的基于空分复用SESAM模块的锁模光纤激光器，其特征是，所述保偏波分复用器（5）内设有偏振方向对准无源保偏光纤慢轴的、针对信号光波的偏振片。
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