CN108598856B - 飞秒激光器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及激光器领域，提供了一种飞秒激光器，其特征在于，包括：光纤环路，用于传输第一激光信号和第二激光信号；光纤分束器，与所述光纤环路连接，用于接收所述第一激光信号和所述第二激光信号，并改变所述第一激光信号和所述第二激光信号之间的相位差，以使所述飞秒激光器自锁模；自由空间光路，与所述光纤分束器连接，用于将接收到的激光信号反射至所述光纤分束器。本公开实现了飞秒激光器的自锁模，提高了输出的激光脉冲的重复频率，降低了***噪声，并提高了***的鲁棒性。

Description

飞秒激光器
技术领域
本公开涉及激光器技术领域，特别涉及一种飞秒激光器。
背景技术
飞秒激光器是光学频率梳的核心组成器件，其时域输出是具有一定时间间隔的超窄激光脉冲序列，其频域是具有一定频率间隔的频率梳齿。锁模飞秒激光器作为飞秒光学频率梳中的核心组件，它有两个受控频率量，分别是重复频率和载波相位频率。由于两个频率受控量均处于微波波段，因此飞秒光学频率梳能够将光波波段和微波波段直接连接起来，实现光学频率的直接测量。飞秒光学频率梳的出现，为精密光谱学、光学频率标准和光钟等领域带来了突破性的进展。
飞秒激光器的性能与光学频率梳的性能指标及可靠性直接相关：一方面，飞秒激光器的强度和相位噪声水平决定了光学频率梳的***稳定度；另一方面，飞秒激光器的环境敏感度决定了光学频率梳的可靠性(环境适应性)。针对光学频率梳在精密物理测量及相关领域的应用研究需求，增大飞秒激光器的纵模间隔、降低飞秒激光器的***噪声水平以及提高飞秒激光器的***鲁棒性是研究人员所关注的重要研究内容。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种飞秒激光器，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的一方面，提供一种飞秒激光器，其特征在于，包括：
光纤环路，用于传输第一激光信号和第二激光信号；
光纤分束器，与所述光纤环路连接，用于接收所述第一激光信号和所述第二激光信号，并改变所述第一激光信号和所述第二激光信号之间的相位差，以使所述飞秒激光器自锁模；
自由空间光路，与所述光纤分束器连接，用于将接收到的激光信号反射至所述光纤分束器。
在本公开的示例性实施例中，所述光纤环路包括保偏掺铒增益光纤、单模保偏光纤和波分复用器。
在本公开的示例性实施例中，所述保偏掺铒增益光纤位于所述光纤环路的非对称位置，用于使所述第一激光信号和所述第二激光信号产生非线性相位差。
在本公开的示例性实施例中，所述光纤分束器包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和非互异相移器。
在本公开的示例性实施例中，所述非互异相移器位于所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间。
在本公开的示例性实施例中，所述非互异相移器包括法拉第旋光器和八分之一波片。
在本公开的示例性实施例中，所述自由空间光路反射的激光信号经过所述八分之一波片形成第三激光信号和第四激光信号，所述第三激光信号和所述第四激光信号的相位差为
Figure BDA0001590631550000021
所述第三激光信号和所述第四激光信号经所述光纤环路后再次经过所述八分之一波片形成第五激光信号和第六激光信号，且所述第五激光信号和所述第六激光信号的相位差为
Figure BDA0001590631550000022
在本公开的示例性实施例中，所述第五激光信号和所述第六激光信号在所述第二偏振分光棱镜中干涉形成第七激光信号，所述第七激光信号部分经所述第二偏振分光棱镜反射形成输出激光，部分经所述偏振分光棱镜透射进入所述自由空间光路。
在本公开的示例性实施例中，所述自由空间光路包括激光反射镜。
在本公开的示例性实施例中，所述自由空间光路包括电光调制晶体、激光反射镜和压电陶瓷驱动器。
由上述技术方案可知，本公开示例性实施例中的飞秒激光器至少具备以下优点和积极效果：
本公开中的飞秒激光器包括光纤环路、光纤分束器和自由空间光路，光纤分束器接收从光纤环路两个输出端输出的激光信号，并改变两个激光信号之间的相位差；同时光纤分束器接收自由空间光路反射的激光信号。本公开一方面改变了激光信号之间的相位差，使飞秒激光器实现了自锁模；另一方面通过光纤环路和光纤分束器形成的非线性光纤放大环形镜，提高了飞秒激光器***的鲁棒性，实现了高重复频率脉冲激光的输出；另外，本公开中的飞秒激光器结构紧凑、封装简易、运行稳定。
本公开应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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获得其他的附图。
图1示出本公开示例性实施例中飞秒激光器的结构示意图；
图2示出本公开示例性实施例中飞秒激光器的结构示意图；
图3示出本公开示例性实施例中非互异相移器的结构示意图；
图4示出本公开示例性实施例中非线性放大光纤环形镜的反射率曲线；
图5示出本公开示例性实施例中飞秒激光器的锁模光谱图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
本说明书中使用用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
本领域最初的光学频率梳是基于钛宝石固态飞秒激光器的***，钛宝石飞秒激光器具有噪声低和能够产生高重复频率梳齿等优点，但是其***庞大、维护费用高，并且***环境适应能力差，不能满足各种应用领域的需求。近年来，随着光纤激光技术的进步，基于超短脉冲光纤激光器构建的光学频率梳***由于具有紧凑化结构、较高的转化效率以及长期稳定运转等特性，被广泛应用于众多应用研究领域，其中以掺铒光纤飞秒激光器的应用研究最为典型。
掺铒光纤飞秒激光器中通常使用的锁模技术包括可饱和吸收体锁模、非线性偏振旋转锁模和非线性光纤放大环形镜锁模等，这些锁模技术对输出锁模脉冲特性和激光器***参数具有极大的影响。
基于可饱和吸收体锁模的飞秒激光器中，可饱和吸收体有半导体饱和吸收镜(SESAM)、石墨烯和碳纳米管等几种不同的材料。由于上述可饱和吸收体都具有慢饱和吸收特性，使这类激光器的输出脉冲往往在皮秒量级，并且基于可饱和吸收体锁模机制的激光器噪声水平较高。另外，过高的泵浦功率会击穿并损坏可饱和吸收体材料，限制了基于可饱和吸收体锁模的飞秒激光器的输出功率和脉冲能量。
基于非线性偏振旋转锁模机制的飞秒激光器是通过在光纤中产生与光强度相关的非线性相移，并通过偏振态的选择实现锁模，通过对光学腔进行色散管理，可以实现几十飞秒量级的脉冲输出，基于非线性偏振旋转锁模机制的飞秒激光器具有低噪声。但是，由于基于非线性偏振旋转锁模机制的飞秒激光器的锁模状态与激光偏振态密切，环境温度改变、振动和光纤弯曲改变等都会造成锁模状态的变化甚至失锁。另外，基于非线性偏振旋转锁模机制的飞秒激光器需要通过偏振器件的调节寻找锁模状态，没有自启锁功能。
基于非线性放大环形镜锁模的飞秒激光器一般采用全保偏光纤设计，具有可靠性高，小型化和易实用化的优点。通过在光学腔内加入相位调制器，使得该类激光器具有自启锁功能。基于非线性放大环形镜锁模的飞秒激光器通常采用“8”字形结构，“8”字形结构由干涉环路和光传输环路组成，为全光纤结构。但在“8”字形激光器制作过程中，需要各种光纤器件熔接，一般脉冲的重复频率比较低，并且采用全光纤结构，很难在激光腔内加入频率控制元件。
针对本领域中飞秒激光器存在的问题，本公开提供了一种飞秒激光器，图1示出了飞秒激光器的结构示意图，如图1所示，飞秒激光器100包括光纤环路101、光纤分束器102和自由空间光路103，光纤环路101用于传输第一激光信号和第二激光信号；光纤分束器102与光纤环路101连接，用于接收第一激光信号和第二激光信号，并改变第一激光信号和第二激光信号之间的相位差，以使飞秒激光器100自锁模；自由空间光路103与光纤分束器102连接，用于将接收到的激光信号反射至光纤分束器102。
本公开的飞秒激光器中的光纤分束器能够改变光纤环路输出的第一激光信号和第二激光信号之间的相位差，同时自由空间光路能够将光纤分束器透射的激光信号反射至光纤分束器内形成激光振荡。本公开一方面使飞秒激光器实现了自锁模，另一方面光纤环路和光纤分束器构成非线性光纤放大环形镜光路，提高了输出的激光脉冲的重复频率，进一步提高了飞秒激光器的性能。
在本公开的示例性实施例中，图2示出了飞秒激光器的结构示意图，如图2所示，光纤环路101包括保偏掺铒增益光纤201、单模保偏光纤202、波分复用器203。其中保偏掺铒增益光纤201和波分复用器203之间均通过单模保偏光纤202连接；保偏掺铒增益光纤201位于光纤环路101中的非对称位置处，用以产生非线性相位差，维持激光锁模状态；波分复用器203用于连接泵浦源204，将泵浦激光传输至保偏掺铒增益光纤201产生激光，具体地，泵浦源204可以发射波长为980nm的泵浦激光，保偏掺铒增益光纤201中的饵离子吸收该泵浦激光的能量实现能级跃迁，自发辐射出波长为1550nm的激光，并沿着单模保偏光纤202传输。本公开通过采用全保偏光纤结构形成飞秒激光器，能够进一步提高飞秒激光器***的鲁棒性。
进一步的，通过保偏掺铒增益光纤201和单模保偏光纤202可以对光学腔中的色散进行管理。保偏掺铒增益光纤201不仅可以为飞秒激光器100提供所需的能量，还能够在通信波段(如：1550nm波段)提供正常色散，同时单模保偏光纤202在通信波段能够提供反常色散。根据保偏掺铒增益光纤201和单模保偏光纤202的色散系数，通过调节保偏掺铒增益光纤201与单模保偏光纤202之间的长度比例，可以使飞秒激光器100的激光激光振荡腔内的色散为0，实现飞秒激光器100的内腔色散管理。
在本公开的示例性实施例中，如图2所示，光纤分束器102包括第一光纤准直器205、第二光纤准直器206、第一半波片207、第二半波片208、第一偏振分光棱镜209、第二偏振分光棱镜210和非互异相移器211，其中第一光纤准直器205与光纤环路101的输出端O1连接，第二光纤准直器206与光纤环路101的输出端O2连接；第一半波片207位于第一光纤准直器205和第一偏振分光棱镜209之间，第二半波片208位于第二光纤准直器206和第一偏振分光棱镜209之间；非互异相移器211位于第一偏振分光棱镜209和第二偏振分光棱镜210之间。光纤分束器102具有两个输出端O3和O4，其中输出端O3与自由空间光路103连接，输出端O4用于输出激光脉冲。
在本公开的示例性实施例中，自由空间光路103包括激光反射镜，自由空间光路103与光纤分束器102的输出端O3连接，用于将从光纤分束器102透射出的激光信号反射至光纤分束器102中，形成激光振荡。
在本公开的示例性实施例中，如图2所示，自由空间光路103包括电光调制晶体212、激光反射镜213和压电陶瓷驱动器214，且自由空间光路103与光纤分束器102的输出端O3连接。电光调制晶体212位于第二偏振分光棱镜210的透射端，其折射率的大小可以随着加载电压的变化而变化，能够快速的在小范围内改变自由空间光路中的光程长度；压电陶瓷驱动器214的长度的伸缩由驱动电压控制，用于低速的在大范围改变自由空间光路103的光程长度；电光调制晶体212和压电陶瓷驱动器214同时作为激光重复频率锁定的反馈元件，能够使飞秒激光器100输出的激光脉冲保持恒定频率，提高了飞秒激光器的性能。
在本公开的示例性实施例中，图3示出了非互异相移器的结构示意图，如图3所示，非互异相移器211包括法拉第旋光器301和八分之一波片302，其中法拉第旋光器301靠近第一偏振分光棱镜209设置，八分之一波片302靠近第二偏振分光棱镜210设置。
在本公开的示例性实施例中，激光信号为线偏振光。进入自由空间光路103的线偏振光被激光反射镜213反射，从输出端O3入射到光纤分束器102中的第二偏振分光棱镜210，经第二偏振分光棱镜210透射的光为竖直偏振光；将八分之一波片302旋转，使八分之一波片302的快轴与竖直偏振光的夹角为45°，经过八分之一波片302的竖直偏振光分解为沿八分之一波片的快轴传输的第三线偏振光和沿慢轴传输的第四线偏振光，第三线偏振光与第四线偏振光的相位差为
Figure BDA0001590631550000071
然后经过法拉第旋光器301后传输至第一偏振分光棱镜209，第一偏振分光棱镜209使水平偏振光反射进入第一准直器205，竖直偏振光透射进入第二准直器206；调节第一半波片207使水平偏振光与第一光纤准直器205的慢轴/快轴平行，调节第二半波片208使竖直偏振光与第二光纤准直器206的慢轴/快轴平行；水平偏振光由第一光纤准直器205进入光纤环路101，绕行一周后传输到第二光纤准直器206，其偏振态变为竖直偏振，使得再次入射到第一偏振分光棱镜209上的线偏振光能够全部透射；同理，竖直偏振光由第二光纤准直器206进入光纤环路101，绕行一周后传输到第一光纤准直器205，其偏振态变为水平偏振，使得再次入射到第一偏振分光棱镜209上的线偏振光能够全部反射；在光纤环路101中相向传输的两束线偏振光由第一光纤准直器205和第二光纤准直器206输出后，经第一偏振分光棱镜209后再次共线传输，由于法拉第旋光器301的非互易性，两束线偏振光再次经八分之一波片302后相位差增加
Figure BDA0001590631550000081
总相位差为
Figure BDA0001590631550000082
两束线偏振光在第二偏振分光棱镜210中发生干涉形成第三激光，部分第三激光经第二偏振分光棱镜210反射，从输出端O4输出；部分第三激光经第二偏振分光棱镜210透射，从输出端O3进入自由空间光路103。
在本公开的示例性实施例中，光纤环路101和光纤分束器102共同构成飞秒激光器100的干涉环路，同时也是一个非线性光纤放大环形镜光路。当非线性相位差为零时，反射率不为零且反射率曲线斜率不为零是实现锁模的必要条件。图4示出了非线性光纤环形镜的反射率曲线，如图4所示，在非线性相位差为零时，反射率为1，即在第二偏振分光棱镜210处没有激光脉冲输出，反射率曲线在该处的斜率为零，不能实现飞秒激光器自启锁。而本公开在干涉环路中引入了非互异相移器，相应地，非线性光纤放大环形镜的反射率曲线向右移动了
Figure BDA0001590631550000083
当非线性相位差为零时，反射率为0.5，反射率曲线的斜率最大，使得飞秒激光器能够自启锁。
在本公开的示例性实施例中，飞秒激光器在降低泵浦能量使激光器失锁后，可以通过增加泵浦能量至启锁阈值，使飞秒激光器实现自锁模；当遮挡自由空间光路使飞秒激光器失锁时，可以通过去除遮挡，使飞秒激光器实现自锁模。
如图2所示，本公开的飞秒激光器可以是由全保偏光纤构成的“9”字腔全保偏光纤锁模掺铒飞秒激光器，其能够将脉冲激光的脉冲重复频率提升至185MHz，单脉冲能量提升至0.03nJ，直接输出脉冲宽度小于100fs，输出3dB光谱宽度为60nm，如图5所示，远远大于相关技术中全保偏光纤锁模掺铒飞秒激光器的输出3dB光谱宽度(小于40nm)。同时，与本领域常用的“8”字腔全保偏光纤锁模掺铒飞秒激光器相比，本公开的“9”字腔全保偏光纤锁模掺铒飞秒激光器使用的光纤器件少，能够大大提高输出的激光脉冲的重复频率；并且在自由空间光路中可以很容易的加入电光调制晶体和压电陶瓷驱动器等频率控制元件，降低了***噪声，提高了***的鲁棒性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (6)

1.一种飞秒激光器，其特征在于，包括：
光纤环路，用于传输第一激光信号和第二激光信号；
光纤分束器，包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜和非互异相移器，与所述光纤环路连接，用于接收所述第一激光信号和所述第二激光信号，并改变所述第一激光信号和所述第二激光信号之间的相位差，以使所述飞秒激光器自锁模；
自由空间光路，包括电光调制晶体、激光反射镜和压电陶瓷驱动器，与所述光纤分束器连接，用于将接收到的激光信号反射至所述光纤分束器；
其中，所述非互异相移器包括法拉第旋光器和八分之一波片；所述自由空间光路反射的激光信号经过所述八分之一波片形成第三激光信号和第四激光信号，所述第三激光信号和所述第四激光信号的相位差为
Figure FDA0003109083770000011
所述第三激光信号和所述第四激光信号经所述光纤环路后再次经过所述八分之一波片形成第五激光信号和第六激光信号，且所述第五激光信号和所述第六激光信号的相位差为
Figure FDA0003109083770000012
2.根据权利要求1所述的飞秒激光器，其特征在于，所述光纤环路包括保偏掺铒增益光纤、单模保偏光纤和波分复用器。
3.根据权利要求2所述的飞秒激光器，其特征在于，所述保偏掺铒增益光纤位于所述光纤环路的非对称位置，用于使所述第一激光信号和所述第二激光信号产生非线性相位差。
4.根据权利要求1所述的飞秒激光器，其特征在于，所述非互异相移器位于所述第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜之间。
5.根据权利要求1所述的飞秒激光器，其特征在于，所述第五激光信号和所述第六激光信号在所述第二偏振分光棱镜中干涉形成第七激光信号，所述第七激光信号部分经所述第二偏振分光棱镜反射形成输出激光，部分经所述偏振分光棱镜透射进入所述自由空间光路。
6.根据权利要求1所述的飞秒激光器，其特征在于，所述自由空间光路包括激光反射镜。
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