CN110364923A - 一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器。本发明的全保偏光纤锁模激光器中第一保偏光纤准直器、波分复用器、保偏增益光纤、第二保偏光纤准直器、第一偏振分光棱镜、法拉第旋转器、双折射晶体、第二偏振分光棱镜构成非线性放大环形镜，非线性放大环形镜在锁模光纤激光器中起到快可饱和吸收体作用；在环形镜中偏振分光棱镜将脉冲分成两束光，分别逆时针旋转和顺时针旋转，法拉第旋转和双折射晶体构成相移单元，第一束光与第二束光产生一定的相位差，两束光合束后发生干涉实现非线性相移锁模，这大大降低了锁模启动的阈值，同时提高了整体的稳定性和可靠性，简化了激光器***，提高了耦合功率以及效率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光技术，尤其涉及一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器。
背景技术
锁模光纤激光器凭借着成本低，稳定性高，结构紧凑，峰值功率高，脉冲超短的优势，在科学研究和工业加工中发挥着不可替代的作用。但是对比普通的激光器，锁模激光器难于自启动、易受外界干扰，价格高，妨碍了其应用。近年来，超快激光的需求愈发扩大。尤其是近些年迅猛增长的工业高端微加工市场对高端皮秒和飞秒激光器的需求持续增长。然而以工业为代表的这些领域对超快激光器在不同环境下，运转的稳定性提出了更高的要求，而工业级超快激光器尤其是种子源的稳定性和可靠性始终没有得到很好的解决。利用光纤技术取代固体的种子源技术本身就有诸多的优点，在光纤技术中利用全保偏光纤的激光器更是被认为是能够抵抗环境变换的有效方法。
非线性环路反射镜、可饱和吸收体、非线性偏振旋转是锁模光纤激光器中三种主要的锁模机制。非线性环路反射镜构成的8字型锁模光纤激光器因为是非保偏光纤结构，锁模启动困难，常需要外部推动；可饱和吸收体中半导体可饱和吸收体有寿命，容易损坏；其他碳基可饱和吸收体，例如碳纳米管、石墨烯等，在自然环境下很容易劣化、失去锁模启动功能。非线性偏振旋转可以提供稳定可靠的锁模启动机制，提供非常高的平均功率，而且可利用几乎所有的脉冲形成机制，获得高重复频率或低重复频率、皮秒或飞秒脉冲列。但这种锁模机制决定了腔内只能采用非保偏光纤，多以其对环境非常敏感，一旦丢失锁模后，锁模状态不容易恢复。
非线性环路反射镜曾经是最早的锁模器件，用其制成的双环路光纤激光器（8字型光纤激光器）可以提供锁模脉冲。但是其基本上不是自启动的。原因在于其环路是零偏置。而在零偏置情况下，环路反射镜对非线性相移的敏感度很小。因此需要一个相位偏置。所谓相位偏置，是指同一光路中相对传播的光经历不同的相移。
Jungwon Kim（金正元）等人在Optics Letters上发表的论文《Subfemtosecondsynchronization of microwave oscillators with mode-locked Er-fiber lasers 》中的光波-微波鉴相器，利用了非对称相移器，并用其作为光纤环中的相位偏置器。
Menlo Systems公司的专利申请《Laser with non-linear optical loopmirror》。(US201500711322) 利用了Jungwon Kim等的相移器和相位偏置法，构成了一种锁模激光器。
Honzatko等人于2013年在Optics Letters 上发表的《A mode-locked thulium-doped fiber laser based on a nonlinear loop mirror》论文，以及Huang等人于2015年在Optics Letters 上发表的《Direct generation of 2W average-power and 232nJpicosecond pulses from an ultra-simple Yb-doped double-clad fiber laser》论文，均无相位偏置光学元件，因此锁模阈值高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
为了获得锁模光纤激光器自启动和长期稳定的锁模，克服由于温度、振动等环境参数的变化造成的锁模劣化，本发明提出了一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
提供一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器，所述全保偏光纤激光器包括：泵浦源、第一保偏光纤准直器、第二保偏光纤准直器、波分复用器、保偏增益光纤、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、法拉第旋转器、双折射晶体、反射镜；
其中，所述波分复用器的泵浦端口连接泵浦源；所述波分复用器的输入端口连接第一保偏光纤准直器，所述波分复用器的公共端口连接保偏增益光纤，所述保偏增益光纤的另一端连接第二保偏光纤准直器；第一保偏光纤准直器和第二保偏光纤准直器的两根保偏光纤的快轴互相垂直，以及两根保偏光纤的慢轴互相垂直；经第一保偏光纤准直器和第二保偏光纤准直器输出的激光经第一偏振分光棱镜合成一束，合束激光依次经过法拉第旋转器、双折射晶体、第二偏振分光棱镜和反射镜；所述法拉第旋转器将入射光偏振方向旋转45度；部分激光经第二偏振分光棱镜反射后输出；透过第二偏振分光棱镜的激光经所述反射镜反射后原路返回。
如前所述的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，还包括带宽控制元件或者色散元件。
如前所述的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，所述带宽控制元件采用滤光片，设置在第二偏振分光棱镜与反射镜之间，用以限制光谱。
如前所述的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，所述色散元件采用光栅对，设置在第二偏振分光棱镜与反射镜之间，用以色散补偿。
如前所述的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，所述光栅的密度范围为150条/毫米~2000条/毫米。
如前所述的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，还包括二分之一波片，设置在第一保偏光纤准直器与第一偏振分光棱镜之间，用以调节顺时针传输光束和逆时针传输光束的光强比。
如前所述的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，所述双折射晶体的快轴和慢轴引入非对称相移，导致顺时针传播和逆时针传播光束的相移差，所述相移差由双折射晶体的性质和厚度决定，即，其中，为e光的折射率，为o光的折射率，l为双折射晶体的厚度，λ为波长。
如前所述的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，所用的保偏光纤采用保偏单模光纤、大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤和保偏光子晶体光纤中的一种或多种。
如前所述的全保偏光纤锁模激光器，进一步地，所述法拉第旋转器采用薄片式法拉第旋转器，或磁光晶体***永磁体中构成的法拉第旋转器。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器，脉冲在腔内振荡分别有逆时针旋转和顺时针传播两束光，法拉第旋转器和双折射晶体构成相移单元，顺时针与和逆时针传播两束光产生一定的相位差，顺时针光束和逆时针光束合束干涉后实现非线性相移锁模，这大大降低了锁模启动的阈值；采用全保偏光纤结构同时提高了整体的稳定性和可靠性；采用薄膜磁光材料的法拉第旋转器或磁光晶体***永磁体中构成的法拉第旋转器代替常规的光纤式隔离器或晶体磁光材料的自由空间隔离器，简化了激光器***。
附图说明
图1是本发明实施例一的示意图；
图2是本发明实施例二的示意图；
图3是本发明实施例三的示意图；
图4是本发明实施例四的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中，将泵浦源连接至波分复用器的泵浦端；将第一保偏光纤准直器和波分复用输入端通过保偏光纤连接，波分复用器公共端与保偏增益光纤连接，保偏增益光纤与第二保偏光纤准直器通过保偏光纤连接；
根据需要的脉冲的能量，确定泵浦源的泵浦功率；
通过波分复用器将泵浦源激光耦合到腔内，将泵浦功率提高到光纤激光器阈值之上，通过对准相对的第一保偏光纤准直器和第二保偏光纤准直器，使激光器发生振荡；
激光器中的振荡形成随机小脉冲；
逆时针传播脉冲从第一保偏光纤准直器出射，脉冲透过第一偏振分光棱镜，入射至法拉第旋转器；法拉第旋转器将入射光的偏振方向旋转45度，使偏振方向与双折射晶体的一个轴平行；然后入射至双折射晶体，发生相移后，然后经过第二偏振分光棱镜，s偏振分量经第二偏振分光棱镜反射输出，p偏振分量与顺时针传播光束的p偏振分量在此处干涉后透过第二偏振分光棱镜；
顺时针传播脉冲从第二保偏光纤准直器出射，经过第一偏振分光棱镜与逆时针传播光束合成一束，入射至法拉第旋转器；法拉第旋转器将入射光的偏振方向旋转45度，使偏振方向与双折射晶体的另一个轴平行；然后入射至双折射晶体，发生相移后，然后经过第二偏振分光棱镜，s偏振分量经第二偏振分光棱镜反射输出，p偏振分量与逆时针传播光束p偏振分量在此处干涉后透过第二偏振分光棱镜；
透过第二偏振分光棱镜的激光光束，入射至色散补偿装置或者带宽控制元件，最后垂直入射到反射镜上；经反射镜反射后原路返回，再次依次经过色散补偿装置或者带宽控制元件、第二偏振分光棱镜，双折射晶体；激光再次经过双折射晶体发生相移后变成椭圆偏振光，再次经过法拉第旋转器后偏振方向再旋转45度；椭圆偏振脉冲经过第一偏振分光棱镜后，s偏振分量经过第一偏振分光棱镜反射进入到第二保偏光纤准直器中，再经过保偏增益光纤和泵浦光的放大，进入波分复用器，从第一保偏光纤准直器出射形成一个逆时针传播循环；p偏振分量透过第一偏振分光棱镜进入到第一保偏光纤准直器中，再进入波分复用器，经过泵浦光和保偏增益光纤的放大，从第二保偏光纤准直器出射形成一个顺时针传播循环；顺时针和逆时针传播的脉冲均形成回路，激光形成振荡。
第一保偏光纤准直器、波分复用器、保偏增益光纤、第二保偏光纤准直器、第一偏振分光棱镜、法拉第旋转器、双折射晶体、第二偏振分光棱镜构成非线性放大环形镜，非线性放大环形镜在锁模光纤激光器中起到快可饱和吸收体作用，法拉第旋转、双折射晶体使得顺时针和逆时针传播激光产生一定的相位差，构成相位偏置，脉冲的反射率与非线性放大环形镜中两束光非线性相移量有关，反射率是两束光的相移差的函数，引入相移偏置相移量越大反射率越高，相移量越低反射率越低，脉冲的中心部分强，在非线性放大环形镜中产生的相移量大，所以反射率高，脉冲更加容易形成振荡，从而使得非线性放大环形镜实现快可饱和吸收体的作用，实现激光器锁模，形成超短脉冲输出。
实施例一
如图1所示，本发明的基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器包括：泵浦源2、第一保偏光纤准直器3、第二保偏光纤准直器10、波分复用器1、保偏增益光纤11、第一偏振分光棱镜9、第二偏振分光棱镜6、法拉第旋转器8、双折射晶体7、光栅对5、反射镜4；其中，波分复用器1有泵浦端口、输入端口、公共端口；泵浦源2通过保偏光纤与波分复用器1泵浦端口连接；第一保偏光纤准直器3与波分复用器1输入端口连接；保偏增益光纤11与波分复用器1公共端口连接。第一保偏光纤准直器3和第二保偏光纤准直器10的两根保偏光纤的快轴互相垂直，以及两根保偏光纤的慢轴互相垂直；其中，脉冲在第一保偏光纤准直器3输出的脉冲偏振方向为水平方向，即p方向。在激光器中振荡形成随机小脉冲，随机小脉冲在光纤环内分为顺时针传播和逆时针传播两个分量；逆时针传播脉冲从第一保偏光纤准直器3出射，脉冲透过第一偏振分光棱镜9，入射至法拉第旋转器8；法拉第旋转器8将入射光的偏振方向旋转45度，使偏振方向与双折射晶体7的快（或慢轴）轴平行；然后入射至双折射晶体7，发生相移后，入射至第二偏振分光棱镜6，s偏振分量经第二偏振分光棱镜6反射输出，p偏振分量与顺时针传播光束的p偏振分量在此处干涉后透过第二偏振分光棱镜6；顺时针传播脉冲从第二保偏光纤准直器10出射，经过第一偏振分光棱镜9与逆时针传播光束合成一束，入射至法拉第旋转器8；法拉第旋转器8将入射光的偏振方向旋转45度，使偏振方向与双折射晶体7的慢轴（或快轴）平行发生相移后，入射至第二偏振分光棱镜6，s偏振分量经第二偏振分光棱镜6反射输出，p偏振分量与逆时针传播光束的p偏振分量在此处干涉后透过第二偏振分光棱镜6；透过第二偏振分光棱镜6的激光入射至光栅对5，最后垂直入射到反射镜4上；经反射镜4反射后原路返回，再次依次经过光栅对5、第二偏振分光棱镜6，双折射晶体7；激光再次经过双折射晶体7发生相移后变成椭圆偏振光，再次经过法拉第旋转器8后偏振方向再旋转45度；椭圆偏振脉冲经过第一偏振分光棱镜9后，s偏振分量经过第一偏振分光棱镜9反射进入到第二保偏光纤准直器10中，再经过保偏增益光纤11和泵浦光的放大，进入波分复用器1，从第一保偏光纤准直器3出射形成一个逆时针传播循环；p偏振分量透过第一偏振分光棱镜9进入到第一保偏光纤准直器3中，进入波分复用器1，再经过保偏增益光纤11和泵浦光的放大，从第二保偏光纤准直器10出射形成一个顺时针传播循环；顺时针和逆时针传播的脉冲均形成回路，激光形成振荡。第一保偏光纤准直器3、波分复用器1、保偏增益光纤11、第二保偏光纤准直器10、第一偏振分光棱镜9、法拉第旋转器8、双折射晶体7、第二偏振分光棱镜6构成非线性放大环形镜，非线性放大环形镜在锁模光纤激光器中起到快可饱和吸收体作用，法拉第旋转8、双折射晶体7使得顺时针和逆时针传播激光产生一定的相位差，构成相位偏置，脉冲的反射率与非线性放大环形镜中两束光非线性相移量有关，反射率是两束光的相移差的函数，引入相移偏置相移量越大反射率越高，相移量越低反射率越低，脉冲的中心部分强，在非线性放大环形镜中产生的相移量大，所以反射率高，脉冲更加容易形成振荡，从而使得非线性放大环形镜实现快可饱和吸收体的作用，实现激光器锁模，形成超短脉冲输出。
实施例二
如图2所示，如图1所示，本发明的基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器包括：泵浦源2、第一保偏光纤准直器3、第二保偏光纤准直器10、波分复用器1、保偏增益光纤11、第一偏振分光棱镜9、第二偏振分光棱镜6、法拉第旋转器8、双折射晶体7、反射镜4和带宽控制元件12；其中，波分复用器1有泵浦端口、输入端口、公共端口。本实施例中采用带宽控制元件替换光栅对，带宽控制元件采用滤光片12，设置在双折射晶体与反射镜之间，用以限制光谱，其他同实施例一。
实施例三
如图3所示，如图1所示，本发明的基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器包括：泵浦源2、第一保偏光纤准直器3、第二保偏光纤准直器10、波分复用器1、保偏增益光纤11、第一偏振分光棱镜9、第二偏振分光棱镜6、法拉第旋转器8、双折射晶体7、光栅对5、反射镜4和二分之一波片13；其中，波分复用器1有泵浦端口、输入端口、公共端口。本实施例中采用二分之一波片，用以调节顺时针和逆时针传输光束的光强比，设置在第一保偏光纤准直器和第一偏振分光棱镜之间，其他同实施例一。
实施例四
如图4所示，如图1所示，本发明的基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器包括：泵浦源2、第一保偏光纤准直器3、第二保偏光纤准直器10、波分复用器1、保偏增益光纤11、第一偏振分光棱镜9、第二偏振分光棱镜6、法拉第旋转器8、双折射晶体7、反射镜4、带宽控制元件12和二分之一波片13；其中，波分复用器1有泵浦端口、输入端口、公共端口。本实施例中采用带宽控制元件替换光栅对，带宽控制元件采用滤光片12，设置在双折射晶体与反射镜之间，用以限制光谱；二分之一波片用以调节顺时针和逆时针传输光束的光强比，设置在第一保偏光纤准直器和第一偏振分光棱镜之间，其他同实施例一。
最后需要注意的是，公布实施方式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 (8)
1.一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所述全保偏光纤激光器包括：泵浦源、第一保偏光纤准直器、第二保偏光纤准直器、波分复用器、保偏增益光纤、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、法拉第旋转器、双折射晶体、反射镜；其中，所述波分复用器的泵浦端口连接泵浦源；所述波分复用器的输入端口连接第一保偏光纤准直器，所述波分复用器的公共端口连接保偏增益光纤，所述保偏增益光纤的另一端连接第二保偏光纤准直器；第一保偏光纤准直器和第二保偏光纤准直器的两根保偏光纤的快轴互相垂直，以及两根保偏光纤的慢轴互相垂直；经第一保偏光纤准直器和第二保偏光纤准直器输出的激光经过第一偏振分光棱镜后合成一束，合束激光依次经过法拉第旋转器、双折射晶体、第二偏振分光棱镜和反射镜；所述法拉第旋转器将入射光偏振方向旋转45度；部分激光经第二偏振分光棱镜反射后输出；透过第二偏振分光棱镜的激光经所述反射镜反射后原路返回。
2.如权利要求1所述的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，还包括带宽控制元件或者色散元件。
3.如权利要求2所述的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所述带宽控制元件采用滤光片，设置在第二偏振分光棱镜与反射镜之间，用以限制光谱。
4.如权利要求2所述的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所述色散元件采用光栅对，设置在第二偏振分光棱镜与反射镜之间，用以色散补偿。
5.如权利要求2所述的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，还包括二分之一波片，设置在第一保偏光纤准直器与第一偏振分光棱镜之间，用以调节顺时针传输光束和逆时针传输光束的光强比。
6. 如权利要求1所述的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所述双折射晶体的快轴和慢轴引入非对称相移导致相移差。
7.如权利要求1所述的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所用的保偏光纤采用保偏单模光纤、大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤和保偏光子晶体光纤中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的全保偏光纤锁模激光器，其特征在于，所述法拉第旋转器采用薄片式法拉第旋转器，或磁光晶体***永磁体中构成的法拉第旋转器。
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