CN217427316U - 一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器，包括依次排列的泵浦源、波分复用器、增益光纤、相位偏置器、2x2光纤耦合器以及啁啾光纤布拉格光栅。所述波分复用器、增益光纤以及相位偏置器位于光纤耦合器左侧，构成非线性放大环形镜；啁啾光纤布拉格光栅位于光纤耦合器右侧，为激光器线形臂。激光器谐振腔内仅包含5个光纤熔接点，具有结构紧凑、调试简便等优点。采用本实用新型的技术方案，由于激光器内不包含损伤阈值低的SESAM，不仅使用寿命长，可以实现更高功率、更窄脉冲输出，而且脉冲自启动特性好，激光器稳定性强，更有利于工业应用及集成化。

Description

一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，尤其涉及一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器。

背景技术

近年来，超快激光器在医疗、科研以及材料加工领域的应用驱动下，其需求愈发扩大，成为激光器领域的研究热点。特别是近两年迅猛增长的3C市场以及高端工业精密微加工市场对超快皮秒、飞秒激光器的需求强劲。然而对于工业应用领域来讲，其对超快激光器在不同应用环境下的稳定性及可靠性要求更高。以钛宝石激光器以及Kerr透镜锁模技术为代表的超快固体激光器在脉冲能量以及输出脉冲宽度方面一直具有很强的竞争力，但该系统存在价格昂贵，晶体热效应严重，环境稳定性低，锁模脉冲自启动困难等问题，这限制了其在工业医疗等领域的实际应用。与之相比，光纤激光器具有结构简单紧凑，成本较低，光束质量好，热管理性能优良等特点，作为第三代激光器的代表，近年来发展势头迅猛。结合保偏光纤技术，脉冲能够在光纤内沿单一轴向传输，光纤激光器能够输出线偏振激光，其稳定性和可靠性可进一步增强。正因为如此，目前越来越多的超快光纤激光器取代了部分固体激光器产品被用于各类应用中。

锁模振荡器作为产生超短脉冲的重要装置，其稳定性和可靠性直接决定了激光放大系统的性能。产生超短脉冲最主要的手段为锁模技术，锁模脉冲各纵模之间间隔固定并且初始相位保持固定的相位差，腔内纵模进行相干叠加，实现高相干度的超短脉冲输出。目前最常用的锁模方式包括非线性偏振旋转(NPR)锁模、可饱和吸收体(SA)锁模以及非线性放大环镜(NALM)锁模。非线性偏振旋转锁模是基于克尔效应的可饱和吸收体，其锁模的物理机制是利用了光纤的非线性双折射效应。因此，这类激光器不能采用全保偏结构，其环境稳定性以及可靠性较差，不适合用于工业应用中。可饱和吸收体锁模是目前最成熟的被动锁模技术，其原理是基于材料在不同光强下其损耗特性的不同。可饱和吸收体锁模材料包括半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、拓扑绝缘体以及黑磷等。其中SESAM具有制备工艺成熟，稳定性强，插入损耗小，工作参数可控等优点，结合全保偏光纤结构，其长期工作稳定性和可靠性强，该种被动锁模技术是目前应用最广泛的锁模技术之一。但由于SESAM损伤阈值低，恢复时间较长，因此这类锁模光纤激光器具有输出脉冲能量低，使用寿命较短、工作温度敏感等缺点。非线性放大环镜锁模是将非线性放大环形镜等效为可饱和吸收体来实现锁模，通过在谐振腔内引入非互异性偏置器件(PS)改变振荡器内反射率，使其工作在可饱和吸收区间(即随着光强增大，非线性相移变大，反射率增大)，形成正反馈，实现锁模。这类锁模激光器本质上也是基于光克尔效应的，因此这类快饱和吸收体可以充分利用光纤介质带宽，产生超短脉冲。同时这种基于NALM结构的锁模光纤激光器具有输出脉冲能量高，稳定性强等特点，是目前锁模激光器研究的重点方向。但是这种激光器也存在空间结构复杂、脉冲自启动困难、成本高昂等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出了一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器，结构简单紧凑，激光器采用全保偏光纤设计，谐振腔内仅包含5个光纤熔接点，输出脉冲具有偏振消光比高，光谱形状好等优点，有利于后续脉冲放大。该激光器基于NALM可饱和吸收体实现锁模，不包含损伤阈值低的SESAM，不仅使用寿命长，可以实现更高功率、更窄脉冲输出，而且该方案脉冲自启动特性好，激光器稳定性强，更有利于工业应用及集成化。

本实用新型提供了一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器，包括：依次排列的泵浦源、波分复用器、增益光纤、相位偏置器、2x2光纤耦合器以及啁啾光纤布拉格光栅。

进一步地，波分复用器、增益光纤以及相位偏置器位于光纤耦合器左侧，构成非线性放大环形镜；啁啾光纤布拉格光栅位于光纤耦合器右侧，为激光器线形臂。

进一步地，相位偏置器包含光纤准直器、偏振分束器、法拉第旋光器、波片以及宽带反射镜；其中所述波片为1/6波片或1/8波片。

进一步地，2x2光纤耦合器的分光比为55∶45、60∶40、65∶35或70∶30。

进一步地，啁啾光纤布拉格光栅用于定义工作波长以及实现激光器腔内色散补偿，并作为反射镜与所述非线性放大环镜构成谐振腔实现激光脉冲振荡。

本实用新型提供的技术方案带来的作用与效果：

本实用新型通过将相位偏置器内光学元件器预固定封装，实现光纤耦合输出，为激光器的全光纤化奠定了基础。相比于之前报道的空间光输出的NALM结构，更加方便紧凑。

本实用新型中采用啁啾光纤光栅实现腔内色散补偿，相比于使用传统空间光栅对，极大的提高了系统的稳定性、大大减小了激光器的体积。

本实用新型中激光器采用全保偏光纤设计，谐振腔内仅包含5个光纤熔接点，结构简单免维护，稳定性极好。

本实用新型不包含SESAM锁模器件，突破了传统基于SESAM的锁模激光器损伤阈值低的限制，实现了高峰值功率脉冲输出。

附图说明：

图1为本实用新型一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器的结构示意图；

101-泵浦源，102-波分复用器，103-增益光纤，104-相位偏置器，105-2x2光纤耦合器，106-啁啾光纤布拉格光栅，107-输出端口1，108-输出端口2。

图2为本实用新型一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器中相位偏置器的结构示意图；

201-光纤准直器，202-光纤准直器，203-偏振分束器，204-法拉第旋光器，205-波片，206-宽带反射镜。

图3为本实用新型一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器中端口107输出光谱图；

图4为本实用新型一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器中端口107输出脉冲经光栅对压缩后的自相关迹；

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段及效果易于理解，以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

本实施例中将以1040nm中心波长为例，对本实用新型的技术手段及效果进行描述，如无特殊说明，本实施例中所用光纤均为保偏光纤。

请参考图1，图1是本实用新型一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器实施例的结构示意图，包括依次排列的泵浦源101、波分复用器102、增益光纤103、相位偏置器104、2x2光纤耦合器105以及啁啾光纤布拉格光栅106，所述波分复用器102、增益光纤103以及相位偏置器104位于光纤耦合器105左侧且依次熔接，构成非线性放大环形镜；啁啾光纤布拉格光栅106位于光纤耦合器105右侧，为激光器线形臂。

所述增益光纤103为高掺杂掺镱光纤。

所述相位偏置器104提供π/2的初始相位差。

所述2x2光纤耦合器105的分光比为60∶40。

所述增益光纤103与2x2光纤耦合器105左侧60％端熔接，增益光纤103在非线性放大环镜中非对称放置，其放置位置靠近2x2光纤耦合器105左侧60％的一端。

所述啁啾光纤布拉格光栅106刻写在保偏光纤的慢轴方向，其刻写的光谱带宽为15nm，中心波长为1040nm。所述啁啾光纤布拉格光栅106与2x2光纤耦合器105右侧60％的一端连接，用于提供激光反馈以及谐振腔内色散补偿。

由于激光器内并无光隔离器，因此脉冲将在振荡器内正反向传输。增益光纤103为非对称放置(靠近60％端)，因此放大过程产生的高增益相对于正反方向的光来说，其获得的非线性相移是不一样的。这样有助于增加NALM顺时针与逆时针光积累的非线性相位差，优化激光透过率曲线，实现锁模激光输出。

图2为本实用新型一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器中相位偏置器的结构示意图。所述相位偏置器104中的光纤准直器201、202均为慢轴方向传输，且二者相差90°(以慢轴为基准)。光纤准直器201、202入射至偏振合束器203后经过法拉第旋光器204实现入射光45°的偏转，之后再经过1/8波片205后由宽带反射镜206沿原路返回。入射光正反两次经过1/8波片205将产生π/2相位差，而法拉第旋光器为非互易器件，入射光与反射光传输方向将发生90°偏转，再分别入射回光纤准直器201、202中。因此，该集成器件将引入π/2的初始相移差，保证激光器自启动。激光器中去除该器件将无法实现锁模。

图1中端口107为激光器反射输出口，端口108为激光器透射输出口。本实施例中激光器工作重复频率为45MHz，端口107输出光谱如图3所示，激光器输出光谱中心波长为1038nm，光谱宽度半高全宽约18nm。

端口107输出脉冲经过光栅对压缩后的自相关迹如图4所示，压缩后脉冲宽度为135fs。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种高稳定性全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，包括：依次排列的泵浦源(101)、波分复用器(102)、增益光纤(103)、相位偏置器(104)、2x2光纤耦合器(105)以及啁啾光纤布拉格光栅(106)。

2.根据权利要求1所述的高稳定性全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述波分复用器(102)、增益光纤(103)以及相位偏置器(104)位于光纤耦合器(105)左侧，构成非线性放大环形镜；啁啾光纤布拉格光栅(106)位于光纤耦合器(105)右侧，为激光器线形臂。

3.根据权利要求1所述的高稳定性全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述相位偏置器包含光纤准直器(201、202)、偏振分束器(203)、法拉第旋光器(204)、波片(205)以及宽带反射镜(206)；其中所述波片(205)为1/6波片或1/8波片。

4.根据权利要求1所述的高稳定性全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述2x2光纤耦合器(105)的分光比为55∶45、60∶40、65∶35或70∶30。

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