CN215343337U - 2μm高功率高性能的锁模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，包括激光振荡腔和泵浦源。激光振荡腔包括第一光纤连接头、第一准直透镜、二向色镜、第一四分之一波片、第一二分之一波片、偏振分束器、光隔离器、第二四分之一波片、第二准直透镜和第二光纤连接头，还包括光纤，光纤的相对的两端分别连接于第一光纤连接头和第二光纤连接头，光纤包括增益光纤和匹配光纤，增益光纤为高掺杂浓度掺铥光纤，匹配光纤为标准单模光纤；泵浦源与二向色镜对应设置，泵浦源可发出激光，并经二向色镜反射，通过准直透镜空间耦合泵入光纤。本实用新型技术方案能够缩短激光器腔长而达到提高脉冲重复频率的效果，以便锁模光纤激光器可输出高平均功率。

Description

2μm高功率高性能的锁模光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，特别涉及一种2μm高功率高性能的锁模光纤激光器。

背景技术

相关2μm激光在许多领域有着广泛的应用，例如：利用水分子对2μm波段激光的强烈吸收特性，该波段激光可应用于生物医疗和气体传感等领域；利用2μm激光具有较低的双光子吸收效率特性，该波段激光可作为非线性转换应用的光源；由于2μm激光位于人眼安全波段，该波段激光可用作激光雷达光源。锁模光纤激光器在能量效率、系统稳定性、小型化和成本方面远优于固体激光器，发展基于光纤激光器的高功率超短脉冲激光光源是大势所趋。

在实际应用中，用较高平均功率激光作为光源是提高数据采集速率和信噪比的必要手段，因此获得更高平均功率的输出是目前锁模光纤激光器设计的一个重点。想要获得高功率高性能的输出，主要需要克服以下难点：

一是激光器内锁模器件的损伤阈值。目前锁模光纤激光器的锁模方式可分为采用真实可饱和吸收体锁模和采用人工可饱和吸收体锁模两种方式。常见真实可饱和吸收体包括半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管、石墨烯等光强依赖材料，利用其光强越大透过率越大的特性，可轻易实现激光器锁模，但由于材料固有的损伤阈值限制，采用该种方式搭建的激光器无法获得很高的平均功率。目前采用SESAM锁模掺铥光纤激光器的重复频率已可以轻松达到GHz量级，然而由于SESAM的损伤阈值限制，使得这些高重频激光器的输出功率一般在50mW以下。而人工可饱和吸收体锁模方式，包括非线性偏振旋转(NPE)和非线性光纤环路反射镜，是通过利用光学元件与非线性光学克尔效应结合实现锁模，损伤阈值极高(几十瓦到上百瓦不等)，因此采用人工可饱和吸收体锁模方式更有利于实现锁模光纤激光器的高功率高性能输出。

二是光纤激光器锁模脉冲的建立是基于光学自相位调制效应与光纤色散之间的相互平衡，该物理机制导致锁模脉冲的能量受限(一般为1nJ量级)，而激光器平均功率是脉冲能量与脉冲在腔内往返时间的比值，故激光器有效光学长度亦会影响其输出平均功率。缩短激光器腔长以达到提高脉冲重复频率(即缩短脉冲腔内往返时间)是得到高功率输出的简单手段。然而，在光纤激光器中，为了满足激光起振阈值，通常采用较长的增益光纤，导致腔长达到数米(对应重复频率约为数十MHz)，因此输出功率受限(一般小于200mW)。

Biao Sun等人于2016年在光学快报(Optics Letters)上发表名为《无色散补偿的248MHz飞秒掺铥全光纤激光器》(Dispersion-compensation-free femtosecond Tm-dopedall-fiber laser with a 248MHz repetition rate)的文章中基于NPE锁模方法搭建锁模光纤激光器，采用输出耦合器-光隔离器-波分复用器集成器件缩短腔长，将振荡器的脉冲重复频率提高到248MHz，但由于全光纤结构累积非线性相位大以及耦合器输出耦合比低等限制，输出功率仅达到36.3mW，使NPE耐高功率的特点并未被充分开发。

Yuxing Tang等人于2015年在光学快报(Optics Letters)上发表名为《从正色散掺铥光纤激光器中产生8nJ的脉冲》(Generation of 8nJ pulses from a normal-dispersion thulium fiber laser)的文章中，通过加入正色散光纤补偿腔内负色散，以达到腔内非线性与色散对脉冲作用的新平衡，并结合NPE锁模技术从而大大提高单个脉冲能量(～8nJ)，但由于腔长过长，输出功率仅达到约200mW。

J.Jiang等人于2012年在激光与光电子学会议(Conference on Laser andElectro-optics(CLEO))发表的名为《500MHz，58fs的高相干掺铥光纤孤子激光器》(500MHz,58fs highly coherent Tm fiber soliton laser)的文章中，采用NPE与SESAM相结合的混合锁模方式搭建激光振荡腔，波片与偏振分光器结合提高输出耦合比从而大大降低腔内激光功率密度，使可饱和吸收体可工作在高功率下，并采用线形腔大大缩短腔长，输出功率达到了当时报道的最大值～500mW。但是，该激光器采用混合锁模方式，要求对耦出耦合比进行精细控制，增加了可操作难度，同时采用SESAM可饱和吸收体降低了激光器的稳定性，因此，为了稳定激光器运转，还需要额外采用复杂反馈电路构建基于石墨烯材料的主动调制器，大大增加系统的复杂度，限制了其后续的实际应用。

综上所述，上述技术方案均不能研制出实现高功率特征的高性能2μm锁模光纤激光器。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，旨在缩短激光器腔长而达到提高脉冲重复频率的效果，以便锁模光纤激光器可输出高平均功率。

为实现上述目的，本实用新型提出的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器包括：

激光振荡腔，所述激光振荡腔包括依次分布的第一光纤连接头、第一准直透镜、二向色镜、第一四分之一波片、第一二分之一波片、偏振分束器、光隔离器、第二四分之一波片、第二准直透镜和第二光纤连接头，所述激光振荡腔还包括光纤，所述光纤的相对的两端分别连接于所述第一光纤连接头和所述第二光纤连接头，所述光纤包括增益光纤和匹配光纤，所述增益光纤为高掺杂浓度掺铥光纤，所述匹配光纤为标准单模光纤；和

泵浦源，所述泵浦源与所述二向色镜呈对应设置，所述泵浦源可发出激光，并经二向色镜反射，通过准直透镜空间耦合泵入光纤。

在本实用新型的一实施例中，所述增益光纤的数量为一个，所述匹配光纤的数量为两个；

两个所述匹配光纤分别连接于所述增益光纤的相对两端，两个所述匹配光纤远离所述增益光纤的一端分别连接于所述第一光纤连接头和所述第二光纤连接头。

在本实用新型的一实施例中，所述光纤还包括有小芯径正色散光纤，所述小芯径正色散光纤的相对两端分别连接于所述增益光纤和与所述第二光纤连接头相连接的所述匹配光纤。

在本实用新型的一实施例中，所述第一光纤连接头和所述第二光纤连接头均包括：

陶瓷插芯，所述匹配光纤远离所述增益光纤的一端插入所述陶瓷插芯；和

金属套件，所述陶瓷插芯固定在该金属套件中，组成典型光纤连接头，所述陶瓷插芯的端面和所述陶瓷插芯的径向截面之间夹角为8度，以消除光纤端面的菲涅尔反射光，提高激光稳定性。

在本实用新型的一实施例中，所述光纤为硅基光纤。

在本实用新型的一实施例中，所述2μm高功率高性能的锁模光纤激光器还包括冷却装置，所述冷却装置可对所述增益光纤进行冷却。

在本实用新型的一实施例中，所述冷却装置包括：

水冷板，所述冷水板内形成有用于容置冷却液的容置空间，所述增益光纤贴设于所述水冷板的外壁面；和

冷水机，所述冷水机与所述容置空间连通，并可对位于所述容置空间内的冷却液进行冷却降温。

在本实用新型的一实施例中，所述冷却装置还包括：

储水容器；和

水泵，所述水泵设于所述储水容器内，并连通于所述容置空间和所述冷水机。

在本实用新型的一实施例中，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜均为波长匹配的非球面透镜；

和/或，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜的焦距均相等；

和/或，所述二向色镜对所述泵浦源的波长的反射率大于95％，对所述激光工作波长的透射率大于98％；

和/或，所述光隔离器为一个磁致旋光晶体和一个线性偏振器组成。

在本实用新型的一实施例中，所述泵浦源为波长与所述增益光纤吸收波长匹配的高功率单模激光器。

本实用新型的技术方案的锁模光纤激光器中的光纤包括增益光纤和匹配光纤，且增益光纤为高掺杂浓度掺铥光纤。如此使得可以较大幅度的缩短光纤的整体长度，进而能够缩短激光器腔长以达到提高脉冲重复频率的效果，从而实现了锁模光纤激光器可输出高平均功率。

另外，本方案中匹配光纤为标准单模光纤，而标准单模光纤制作工艺成熟，具有优良的单模特性以及及其稳定的物理结构。因此，可以保证自由空间光稳定并高效耦合进单模光纤，降低激光器耦合损耗，从而提升激光运转稳定性；同时，如此设置，还可以便于对增益光纤进行有效散热。并且，使用的匹配光纤也相对较短(例如可以<3cm)，对腔长的变化影响较小，故此时仍保证了锁模光纤激光器具有高重复频率及高平均输出功率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为将本实用新型2μm高功率高性能的锁模光纤激光器一实施例的结构示意图；

图2为图1中2μm高功率高性能的锁模光纤激光器的光纤一实施例的结构示意图；

图3为图1中2μm高功率高性能的锁模光纤激光器的光纤另一实施例的结构示意图；

图4为图1中2μm高功率高性能的锁模光纤激光器的第一光纤连接头和第二光纤连接头一实施例的结构示意图；

图5为图1中2μm高功率高性能的锁模光纤激光器的冷却装置一实施例的结构示意图；

图6为本实用新型2μm高功率高性能锁模光纤激光器的输出功率斜效率图；

图7为本实用新型2μm高功率高性能锁模光纤激光器输出的锁模脉冲长时间功率稳定性监测图；

图8为本实用新型2μm高功率高性能锁模光纤激光器的输出光谱图；

图9为本实用新型2μm高功率高性能锁模光纤激光器输出的激光脉冲的自相关曲线以及线性压缩后的输出脉冲自相关图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	激光振荡腔	20	第二光纤连接头
11	第一光纤连接头	21	光纤
				111	陶瓷插芯	211	增益光纤
113	金属套件	215	小芯径正色散光纤
				12	第一准直透镜	217	匹配光纤
13	二向色镜	30	泵浦源
				14	第一四分之一波片	50	冷却装置
15	第一二分之一波片	51	水冷板
				16	偏振分束器	511	容置空间
17	光隔离器	53	冷水机
				18	第二四分之一波片	55	储水容器
19	第二准直透镜	57	水泵

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

本实用新型提出一种2μm高功率高性能的锁模光纤激光器。

请参考图1，在本实用新型的一实施例中，该2μm高功率高性能的锁模光纤激光器包括激光振荡腔10和泵浦源30。其中，激光振荡腔10包括依次分布的第一光纤连接头11、第一准直透镜12、二向色镜13、第一四分之一波片14、第一二分之一波片15、偏振分束器16、光隔离器17、第二四分之一波片18、第二准直透镜19和第二光纤连接头20，激光振荡腔10还包括光纤21，光纤21的相对的两端分别连接于第一光纤连接头11和第二光纤连接头20，光纤21包括增益光纤211和匹配光纤217，增益光纤211为高掺杂浓度掺铥光纤，匹配光纤217为标准单模光纤；泵浦源30与二向色镜13呈对应设置，并通过二向色镜13经空间耦合泵入光纤。

在本实用新型的一实施例中，第一光纤连接头11、第一准直透镜12、二向色镜13、第一四分之一波片14、第一二分之一波片15、偏振分束器16、光隔离器17、第二四分之一波片18、第二准直透镜19和第二光纤连接头20，以及连接第一光纤连接头11和第二光纤连接头20用于形成一个环形状的激光振荡腔10。其中，第一光纤连接头11、第一准直透镜12、二向色镜13、第一四分之一波片14、第一二分之一波片15、偏振分束器16也可以是在第一方向上依次分布；而光隔离器17、第二四分之一波片18、第二准直透镜19在第二方向上依次方向，该第一方向和第二方向呈夹角分布。在一实施例中，第一方向和第二方向可以是呈垂直分布。另外，二向色镜13、第一四分之一波片14、第一二分之一波片15、偏振分束器16、光隔离器17、第二四分之一波片18的光学元件支架均为小型化、薄型设计。也即可以由薄板或者细杆等结构作为支架，此时可以大幅度的减小空间距离，从而进一步地缩短了激光器腔长，以更好的达到提高脉冲重复频率的效果。泵浦源30可以发出高功率单横模激光，其波长与增益光纤211吸收波长相匹配，一个典型波长为1560nm，其他处于增益光纤211吸收峰的激光波长亦可满足要求，并经由二向色镜13反射，经准直透镜空间耦合泵入光纤中。另外，二向色镜13对泵浦源30的波长的具有高反射率(如大于95％)，对激光工作波长的具有高透射率(如大于98％)。例如，二向色镜13可以对短于1800nm的波段激光具有高反性能，对长于1800nm的波段激光具有高透性能，从而提高光的利用效率。另外，锁模光纤激光器的输出光可以直接设计在第一偏振分束器16的透射端，但不限定于投射端，领域内的普通技术人员也可利用反射端实现同等目的。

本实用新型的技术方案的锁模光纤激光器中的光纤21包括增益光纤211和匹配光纤217，且该增益光纤211为高掺杂浓度掺铥光纤。如此使得可以较大幅度的缩短光纤21的整体长度(具体地，可以缩短至<20cm)，进而能够缩短激光器腔长以达到提高脉冲重复频率，从而实现了锁模光纤激光器可输出高平均功率。

另外，本方案中匹配光纤217为标准单模光纤，而标准单模光纤制作工艺成熟，具有优良的单模特性以及极其稳定的物理结构。因此，可以保证自由空间光稳定并高效地耦合进单模光纤，降低激光器耦合损耗，从而提升激光运转稳定性；同时，如此设置，还可以便于对增益光纤211进行有效散热。并且，使用的匹配光纤217也相对较短(例如可以<3cm)，对腔长的变化影响较小，故此时仍可保证锁模光纤激光器具有很高的重复频率及高平均输出功率。

请结合参考图1和图2，在本实用新型的一实施例中，增益光纤211的数量为一个，匹配光纤217的数量为两个；两个匹配光纤217分别连接于增益光纤211的相对两端，两个匹配光纤217远离增益光纤211的一端分别连接于第一光纤连接头11和第二光纤连接头20。

可以理解，匹配光纤217的数量为两个，并分别连接于增益光纤211的相对两端，使得第一光纤连接头11和第二光纤连接头20均可以与匹配光纤217相连接。而标准单模光纤制作工艺成熟，具有优良的单模特性以及极其稳定的物理结构，因此，可以保证第一光纤连接头11和第二光纤连接头20处的自由空间光稳定并高效地耦合进单模光纤，降低激光器耦合损耗，从而更好的提升激光运转稳定性。

请参考图3，在本实用新型的一实施例中，光纤21还包括有小芯径正色散光纤215，小芯径正色散光纤215的相对两端分别连接于增益光纤211和与第二光纤连接头20相连接的匹配光纤217。

可以理解，小芯径正色散光纤215在2μm波段具备极高正色散(如>90ps²/km)，其可以只需一小段(实际长度一般短于增益光纤211)即可补偿增益光纤211和匹配光纤217引入的负色散。因此加入该小芯径光纤不仅不会破坏激光器重复频率高的特性，还能实现色散管理的目的，双重特点可保证激光器能输出高平均功率，且输出的脉冲具有典型色散管理孤子特征，如光谱超宽，脉冲具有线性啁啾(去啁啾后具有超窄脉宽)，脉冲内在相对强度噪声/相位噪声达到最小等。而且，小芯径光纤通常具有较高的光学非线性系数(在2μm波段吸收系数大于3kW^-1m^-1),使得高峰值功率的锁模脉冲在其中传输时引入显著的非线性光谱展宽，从而支持输出比利用其他传统色散补偿方法(如光栅对、空芯光纤、啁啾光纤光栅等)更窄的脉冲。

也就是说，请参考图2，本申请的光纤21可以是仅包括有增益光纤211和匹配光纤217，此时，激光振荡腔10工作在负色散，输出具有典型孤子特征，且得到的脉冲无啁啾，不需要进一步压缩。该实施例中可将腔长控制在0.3m以下，即该实施例实现高重复频率从而能保证高平均功率输出。而在另一实施例中，请参考图3，本申请的光纤21可以是包括有增益光纤211、匹配光纤217以及小芯径正色散光纤215。此时，激光振荡腔10内净色散接近零。值得一提的是，由于加入了额外的小芯径正色散光纤215(其长度通常小于增益光纤211或与之相当)，使得整个激光腔长增加了近一倍，脉冲重复频率降低，导致激光平均功率可能有所下降，但是由于激光工作在零色散附近，输出色散管理孤子可支持更大能量，因此输出脉冲能量通常是孤子脉冲的2倍以上，故激光平均功率水平不仅不会下降，还会有所提升；同时，该色散管理孤子还具备更宽的光谱及可支持更窄的脉冲，在气体传感探测中具有重要应用。

请结合参考图1和图4，在本实用新型的一实施例中，第一光纤连接头11和第二光纤连接头20均包括陶瓷插芯111和金属套件113，匹配光纤217远离增益光纤211的一端插入陶瓷插芯111；金属套件113套设于陶瓷插芯111，并与已限位固定于陶瓷插芯111内的匹配光纤217形成可插拔的自制光纤连接头。其中，匹配光纤217可以是通过胶水粘接固定于陶瓷插芯111内，之后金属套件113可以套设于该陶瓷插芯111的外侧，并进一步地可以是通过卡扣进行连接，从而形成了可插拔的光纤连接头，陶瓷插芯111的端面和陶瓷插芯111的径向截面(其中，该径向截面为垂直于陶瓷插芯111轴向的一截面)之间夹角为8度，该斜8度角的端面可以利用光纤研磨机磨成，以消除光纤端面的菲涅尔反射光，从而提高激光稳定性。

在本实用新型的一实施例中，光纤21均为硅基光纤。

可以理解，硅基光纤具有相对稳定物理结构，如此使得该光纤21可以免维护、成本较低且环境不敏感。从而有利于保证该2μm高功率光纤激光器具有长期稳定、高性能以及低成本的优点。

请结合参考图1和图5，在本实用新型的一实施例中，2μm高功率高性能的锁模光纤激光器还包括冷却装置50，冷却装置50可对增益光纤211进行冷却。

可以理解，通过冷却装置50可以对增益光纤211进行冷却，大大减小了增益光纤211热效应带来的量子亏损大(即光-光转换效率低)的影响，同时提高了激光器的环境稳定性，从而实现高功率2μm超短脉冲激光的长时间稳定输出。

请参考图5，在本实用新型的一实施例中，冷却装置50包括水冷板51和冷水机53，冷水板内形成有用于容置冷却液的容置空间511，增益光纤211贴设于水冷板51的外壁面；冷水机53与容置空间511连通，并可对位于容置空间511内的冷却液进行冷却降温。

可以理解，由于容置空间511内流动有冷却液，而增益光纤211贴设于水冷板51的外壁面。使得该增益光纤211可以持续的位于容置空间511内的冷却液发生热交换，从而有利于保证对增益光纤211的散热效果。同时，由于该增益光纤211是直接贴设于冷水板的外壁面上的，可以提高两者安置时的便利性。其中，冷水机53对冷却液的温度控制范围在可以在大于等于15℃、且小于等于30℃，以便保证该冷却液对增益光纤211的散热效果。而增益光纤211在水冷板51上的限位固定可以是通过设置在水冷板51上的夹持板与该水冷板51相配合实现对光纤的夹持固定。此时，该夹持板的一端可以是可转动连接于水冷板51上，另一端可以是可拆卸地连接(例如：可以是通过螺钉连接、卡扣连接或者磁吸固定等)于水冷板51上。当然，该增益光纤211在水冷板51上的限位固定也可以是在水冷板51上开设有与增益光纤211相适配的安装槽，此时增益光纤211可以直接嵌设于该安装槽内。也即，本申请对增益光纤211在水冷板51上的限位固定方式不作具体限定，能够保证该增益光纤211可以在水冷板51贴设抵接而保证制冷效果即可。而在匹配光纤217的数量为两个时，增益光纤211的靠近连接于第一光纤连接头11的匹配光纤217的一端贴设于水冷板51上，以便在激光进入时即可进行降温冷却而利于提高冷却装置50对增益光纤211的降温效果。当然，增益光纤211不需要全部贴设于水冷板51上，只要保证靠近第一光纤连接头11方向上的部分(不少于3cm)增益光纤211贴设于水冷板51上即可。另外，需要说明的是，本申请不限于此，于其他实施例中，冷却装置50也可以是为一风机，通过该风机可以吹出冷风而实现对增益光纤211进行降温冷却。

请参考图5，在本实用新型的一实施例中，冷却装置50还包括储水容器55和水泵57；水泵57设于储水容器55内，并连通于容置空间511和冷水机53。

可以理解，通过该储水容器55可以对水泵57进行容置，以便水泵57在置于水中进行正常、稳定的工作。而水泵57连通于容置空间511和冷水机53，使得通过该水泵57可以提供动力，驱使冷水板的容置空间511内的冷却液在对增益光纤211进行冷却后，可以及时的回到冷却机内被冷却，之后经过水泵57并再次进入到水冷板51的容置空间511内而可以再次对增益光纤211进行冷却。也即，如此设置实现了冷却液的循环流动使用，从而有利于提高冷却装置50使用的环保性能。其中，冷却机与水泵57、水泵57与水冷板51的容置空间511、以及水冷板51的容置空间511与冷水机53每两者之间均可以是通过连接管进行连接，以使得几者可以设置的具有一定的距离，从而提高各自安置的便利性。另外，需要说明的是，本申请不限于此，于其他实施例中，在将冷水机53内所冷却后的冷却液通入水冷板51内进行一次性使用也是可以的。

在本实用新型的一实施例中，第一准直透镜12和第二准直透镜19均为波长匹配的非球面透镜。

可以理解，第一准直透镜12可以将光纤出射光准直为平行空间光束，第二准直透镜19可以将平行光束再次耦合进光纤，进而形成环形激光腔。

在本实用新型的一实施例中，第一准直透镜12和第二准直透镜19的焦距均相等。

可以理解，两个透镜焦距相同可以达到最佳耦合效率，从而进一步地降低腔损耗。

在本实用新型的一实施例中，光隔离器17为一个磁致旋光器旋光晶体与一个线性偏振器组成。

可以理解，通过该光隔离器17可以限定腔内激光单方向传输，防止寄生振荡破坏锁模稳定运转，从而保证了锁模运转的稳定。

在一实验中发现，当光纤211包括有增益光纤211、匹配光纤217以及小芯径正色散光纤215时，由于在开启泵浦前，环形状的激光振荡腔10已经优化获得最优耦合效率，因此当泵浦达到阈值之上时，腔内很容易便形成了激光振荡，产生连续光。随后，通过调节腔内偏振控制元件(即玻片)使激光器达到锁模状态，在偏振分束器16的透射端可得到输出的超短脉冲激光，一旦获得稳定锁模脉冲，则每次开机时无需重新调整玻片位置即可获得稳定锁模自启动。当激光器达到锁模状态时，改变泵浦，可维持在锁模状态并得到不同的输出平均功率，该激光器的功率斜效率图如图6所示，斜效率～16.4％。用功率计对输出脉冲的最大平均功率(648mW)进行长时间稳定性监测，得到功率波动曲线如图7所示，在4小时内功率波动<0.27％，该平均功率已经超越当前同类型的激光功率(大部分仅为几mW到几十mW之间)。图8展示了典型的输出光谱图，其全宽半高宽度达到103nm，而30dB光谱带宽达到了450nm，均比同类型的激光光谱宽，可支持超窄脉冲宽度。输出的脉冲具有负线性啁啾，可利用正色散光纤进行压缩，线性压缩前后的自相关曲线如图9所示，线性压缩后的脉冲宽度约75飞秒(假设脉冲具有高斯形状，则脉冲宽度为106*0.441飞秒)。综上，本实施例中的锁模光纤激光器可以直接输出高功率(>600mW)、高稳定性(功率波动<0.27％)、超窄脉冲宽度(压缩后小于100飞秒)的2μm波段脉冲激光。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，其特征在于，包括：

激光振荡腔，所述激光振荡腔包括依次分布的第一光纤连接头、第一准直透镜、二向色镜、第一四分之一波片、第一二分之一波片、偏振分束器、光隔离器、第二四分之一波片、第二准直透镜和第二光纤连接头，所述激光振荡腔还包括光纤，所述光纤的相对的两端分别连接于所述第一光纤连接头和所述第二光纤连接头，所述光纤包括增益光纤和匹配光纤，所述增益光纤为高掺杂浓度掺铥光纤，所述匹配光纤为标准单模光纤；和

泵浦源，所述泵浦源与所述二向色镜呈对应设置，所述泵浦源可发出激光，并经二向色镜反射，通过准直透镜空间耦合泵入光纤。

2.如权利要求1所述的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，特征在于，所述增益光纤的数量为一个，所述匹配光纤的数量为两个；

两个所述匹配光纤分别连接于所述增益光纤的相对两端，两个所述匹配光纤远离所述增益光纤的一端分别连接于所述第一光纤连接头和所述第二光纤连接头。

3.如权利要求2所述的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，其特征在于，所述光纤还包括有小芯径正色散光纤，所述小芯径正色散光纤的相对两端分别连接于所述增益光纤和与所述第二光纤连接头相连接的所述匹配光纤。

4.如权利要求3所述的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，特征在于，所述第一光纤连接头和所述第二光纤连接头均包括：

陶瓷插芯，所述匹配光纤远离所述增益光纤的一端插入所述陶瓷插芯；和

金属套件，所述陶瓷插芯固定在该金属套件中，组成典型光纤连接头，所述陶瓷插芯的端面和所述陶瓷插芯的径向截面之间夹角为8度，以消除光纤端面的菲涅尔反射光，提高激光稳定性。

5.如权利要求1所述的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，特征在于，所述光纤为硅基光纤。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，特征在于，所述2μm高功率高性能的锁模光纤激光器还包括冷却装置，所述冷却装置可对所述增益光纤进行冷却。

7.如权利要求6所述的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，特征在于，所述冷却装置包括：

水冷板，所述水冷板内形成有用于容置冷却液的容置空间，所述增益光纤贴设于所述水冷板的外壁面；和

冷水机，所述冷水机与所述容置空间连通，并可对位于所述容置空间内的冷却液进行冷却降温。

8.如权利要求7所述的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，特征在于，所述冷却装置还包括：

储水容器；和

水泵，所述水泵设于所述储水容器内，并连通于所述容置空间和所述冷水机。

9.如权利要求1至5中任意一项所述的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，特征在于，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜均为波长匹配的非球面透镜；

和/或，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜的焦距均相等；

和/或，所述二向色镜对所述泵浦源的波长的反射率大于95％，对所述激光工作波长的透射率大于98％；

和/或，所述光隔离器为一个磁致旋光晶体与一个线性偏振器组成。

10.如权利要求1至5中任意一项所述的2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，特征在于，所述泵浦源为波长与所述增益光纤吸收波长匹配的高功率单横模激光器。

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