CN117335252A - 基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***与设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于保偏光纤激光设备技术领域，提供了一种基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***与设备。其中，基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***包括锁模光纤振荡器、光纤隔离器、半导体泵浦激光器、光纤波分复用器、光纤熔接点、保偏光纤、光纤合束器和光纤准直器；所述光纤熔接点的数量为2n个；第(2n‑1)个光纤熔接点采用0度熔接；第2n个光纤熔接点采用90度交叉熔接；其中，n为大于或等于1的正整数；任意第(2n‑1)段光纤和第2n段光纤引入的偏振模色散大小相等，符号相反。
Description
技术领域
本发明属于保偏光纤激光设备技术领域，尤其涉及一种基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***与设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
超短脉冲激光通常是指脉冲宽度在皮秒(10-12s)和飞秒(10-15s)量级的脉冲光源，其具有极窄脉冲宽度、极宽光谱、极高峰值功率等特点。目前，超短脉冲激光在材料超精细、基础科学研究、医学美容、航空航天、光伏能源等领域均得到了广泛应用。
脉冲质量是评估超短脉冲激光***性能的一个重要指标。通常，在时域上脉冲对比度作为脉冲质量的一个重要指标，而在频域上则表现为光谱平滑程度。保偏光纤作为一种重要的激光增益介质，被广泛用于超短脉冲激光***当中。然而，基于保偏光纤的超短脉冲激光***(包括“全保偏光纤”和“保偏光纤+激光晶体”混合***)普遍存在光谱调制问题。
采用保偏光纤作为预放大级或主放大级的超短脉冲激光***，均出现了不同程度的光谱调制现象。目前，研究人员主要将这种现象归咎于光纤中的自相位调制效应或光纤器件的表面干涉等因素。然而，该解释存在两点明显不足：首先，从光谱调制的形状和周期来看，其与自相位调制所形成的光谱特征有明显区别；其次，基于激光晶体的全固态放大器包含大量的空间光学器件，理论上元件的表面干涉现象应更加严重，但已知报道的全固态超短脉冲激光器中均未出现类似密集的光谱调制现象。
发明人发现，针对保偏光纤超短脉冲激光***中的光谱调制现象，目前该领域技术人员仅给出了部分原因解释，但并未提出合理有效的技术解决方案。尤其是针对不同的保偏光纤种类、多级的保偏光纤放大器、以及混合保偏光纤激光***，若要实现光谱调制的抑制，则需要复杂的光谱调制技术和设备，从而为抑制光谱调制带来极大困难，且显著提高了***的成本和复杂程度。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***与设备，其无需额外复杂的光谱调制技术和设备，可以适用于不同的保偏光纤种类、多级的保偏光纤放大器，以及混合保偏光纤激光***。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***。
一种基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，包括锁模光纤振荡器、光纤隔离器、半导体泵浦激光器、光纤波分复用器、光纤熔接点、保偏光纤、光纤合束器和光纤准直器；所述光纤熔接点的数量为2n个；第(2n-1)个光纤熔接点采用0度熔接；第2n个光纤熔接点采用90度交叉熔接；其中，n为大于或等于1的正整数；任意第(2n-1)段光纤和第2n段光纤引入的偏振模色散大小相等，符号相反。
其中，偏振模色散是基模的两个正交偏振模的时延差。
偏振模色散系数为单位长度光纤上两个正交偏振模的传播时延差。
也就是说，偏振模色散大小为偏振模色散系数与光纤长度的乘积。
特别的，所述保偏光纤的偏振模色散系数β和光纤长度L具有以下特征关系：
β1×L1-β2×L2+β3×L3-...+β2n-1×L2n-1-β2n×L2n＝0
其中，β2n-1为第(2n-1)段光纤的偏振模色散系数，L2n-1为第(2n-1)段光纤的长度；β2n为第2n段光纤的偏振模色散系数，L2n为第2n段光纤的长度。
作为一种实施方式，紧邻所述锁模光纤振荡器的光纤隔离器允许信号光正向通过而隔离反向传输激光，从而达到保护锁模光纤振荡器的目的。
作为一种实施方式，所述光纤波分复用器，用于耦合锁模光纤振荡器输出的信号光和第一个半导体泵浦激光器输出的泵浦光。
作为一种实施方式，所述光纤合束器用于耦合信号光和第二个半导体泵浦激光器输出的泵浦光。
作为一种实施方式，所述保偏光纤为无源保偏光纤。
作为一种实施方式，所述保偏光纤为稀土离子掺杂的有源保偏光纤。
作为一种实施方式，有源保偏光纤的稀土离子为铒(Er)、镱(Yb)、铥(Tm)或钬(Ho)。
作为一种实施方式，所述保偏光纤的“纤芯/包层”直径大小为4/125μm，6/125μm，10/125μm，25/250μm，或20/400μm。
作为一种实施方式，所述基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***中的两个脉冲分别为主脉冲和次脉冲，这两个脉冲的干涉光谱强度IM(ω)表示为：
其中，参数A表示调制深度，主要与主脉冲和次脉冲的功率大小相关；参数B表示调制频率，与主脉冲和次脉冲之间的时延相关；参数代表主脉冲和次脉冲之间的相位差；ω表示角频率。
本发明的第二个方面提供一种激光设备。
一种激光设备，其包括如上所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种针对保偏光纤超短脉冲激光放大***的光谱调制抑制技术，该技术基于保偏光纤90度交叉熔接，且关键在于根据***中不同类型光纤的色散值大小来严格控制各级光纤的长度以实现偏振模色散的精确补偿，进而实现光谱调制现象的有效缓解和抑制。
本发明的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，无需额外复杂的光谱调制技术，具有优异的灵活性和广泛的适用性，其通过合理的设计和优化，可以适用于不同的保偏光纤种类、多级的保偏光纤放大器、以及混合保偏光纤激光***。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例中的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***原理图。
图2为本发明基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***的理论技术分析的原理和结果图。
图3为本发明实施例中的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
从保偏光纤的结构特征分析，首先，保偏光纤的偏振消光比是有限的，信号光在保偏光纤中传输时会产生一定程度的退偏，从而产生交叉偏振的次脉冲。其次，相较于非保偏光纤，保偏光纤具有更大的偏振模色散系数(通常非保偏光纤的模双折射在10-7量级，保偏光纤的模双折射在10-4量级)。偏振模色散会导致主脉冲和次脉冲在时域上分离，且分离的主脉冲和次脉冲会发生干涉，反映到频域上则表现为明显的光谱调制现象。此外，光谱调制深度和周期会随信号光功率和光纤长度的变化而改变。因此，偏振模色散在很大程度上主导了保偏光纤激光***中的光谱调制现象。
相较于全固态超短脉冲激光***，虽然保偏光纤激光放大器存在光谱调制现象的不足，但是其具有结构紧凑、集成度高、稳定性好等诸多优势，在许多领域的应用中仍然发挥着不可替代的作用。因此，解决保偏光纤激光***中的光谱调制问题，对于提升脉冲对比度和材料加工质量等方面具有重要的科学意义和实用价值。
本发明的一种基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，包括锁模光纤振荡器、光纤隔离器、半导体泵浦激光器、光纤波分复用器、光纤熔接点、保偏光纤、光纤合束器和光纤准直器；所述光纤熔接点的数量为2n个；第(2n-1)个光纤熔接点采用0度熔接；第2n个光纤熔接点采用90度交叉熔接；其中，n为大于或等于1的正整数；任意第(2n-1)段光纤和第2n段光纤引入的偏振模色散大小相等，符号相反。
本发明的激光***是基于偏振模色散补偿抑制光谱调制技术来实现的，该光谱调制抑制技术的工作原理如图1所示。
保偏光纤通常具有两个应力区以维持激光脉冲的偏振特性。其中，平行于应力区的方向规定为慢轴方向，垂直于应力区的方向规定为快轴方向。对于正常的光纤熔接，待熔接的两根光纤的快轴和慢轴要分别对应，即称为0度熔接，如图1中的(a)所示。对于90度交叉熔接，是指待熔接光纤交叉旋转90度，即其中一根保偏光纤的慢轴和另一根保偏光纤的快轴熔接在一起，如图1中的(b)所示。
当激光脉冲进入保偏光纤中并沿着慢轴传输时，退偏效应会导致其在快轴方向上产生一个次脉冲。随着激光脉冲在光纤中传播距离的增加，偏振模色散会进一步导致慢轴上的主脉冲和快轴上的次脉冲之间产生一定的时延。如果此时在后面继续采用0度熔接一根相同长度的保偏光纤，则主次脉冲的时延会进一步加大，如图1中的(a)所示。相比之下，如果此时在保偏光纤后面采用90度交叉熔接一根相同长度的保偏光纤，则两根保偏光纤的偏振模色散会得到相应补偿，主次脉冲的时延会逐渐缩小并消失。反映在频域上，则光谱调制的强度和周期也在不断减弱。
此处需要说明的是，本发明中的所述保偏光纤包括无源保偏光纤和稀土离子掺杂的有源保偏光纤；
所述保偏光纤的“纤芯/包层”直径大小包括但不限于4/125μm，6/125μm，10/125μm，25/250μm，20/400μm等；
所述稀土离子包括但不限于铒(Er)、镱(Yb)、铥(Tm)、钬(Ho)等；
本发明所述90度交叉熔接的两根保偏光纤的长度，主要根据对应光纤偏振模色散系数的大小进行合理选择。
在理论上分析并验证偏振模色散补偿对于光谱调制的抑制作用过程如下：
对于两个脉冲的干涉，光谱调制强度IM(ω)可以表示为：
其中，参数A表示调制深度，主要与主脉冲和次脉冲的功率大小相关；参数B表示调制频率，主要与主脉冲和次脉冲之间的时延相关；参数代表主次脉冲的相位差；ω表示角频率。
在该计算当中，选择高斯光谱作为初始脉冲光谱，对应光谱的中心波长为1030nm，光谱的半高全宽为20nm，如图2中的(a)所示。对应傅里叶变换的时域脉冲如图2中的(b)所示。参数A设置为0.1。参数B分别设置为5，15，25，对应主脉冲和次脉冲之间的时延分别为650fs，1950fs，3250fs。
图2中的(d)表示不同参数B对应时域的脉冲分布，图2中的(c)则对应不同脉冲时延下的光谱特征。通过对比可以看出，随着时域上主脉冲和次脉冲之间时延的减小，频域上的光谱调制频率显著降低。因此证明，通过偏振模色散补偿来调控时域上主次脉冲的特征分布，进而改善保偏光纤激光***的光谱调制现象在理论上是切实可行的。该部分既作为本发明的重要理论支撑，又作为本发明在实践应用中的理论指导。
下面结合图3，给出了本发明实施例的一种基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，该实施例中，n等于2。
此处需要说明的是，本领域技术人员可根据实际情况需求，来具体设置n的取值。
在图3中，本实施例的一种基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，沿光路依次设置：锁模光纤振荡器1，第一光纤熔接点2，第一光纤隔离器3，第一半导体泵浦激光器4，光纤波分复用器5，第二光纤熔接点6，第一掺镱光纤7，第三光纤熔接点8，第二光纤隔离器9，第二半导体泵浦激光器10，光纤合束器11，第四光纤熔接点12，第二掺镱光纤13，光纤准直器14。
具体的，所述锁模振荡器1，其输出信号光的中心波长为1030nm，光谱半高全宽为15nm，脉冲重复频率为56MHz，平均功率为10mW。
所述第一光纤熔接点2，其采用0度熔接。
所述第一光隔离器3，其允许信号光正向通过而隔离反向传输激光，从而达到保护锁模光纤振荡器1的目的；光纤的芯径为6/125μm，光纤的总长度为1m。
所述第一半导体泵浦激光器4，其输出激光的中心波长为976nm，最大输出功率为400mW。
所述光纤波分复用器5，其主要用于耦合锁模光纤振荡器1输出的信号光和第一半导体泵浦激光器4输出的泵浦光；光纤的芯径为6/125μm，光纤的总长度为1m。
所述第二光纤熔接点6，其采用90度交叉熔接。
所述第一掺镱光纤7，其芯径为6/125μm，光纤长度为2m。
所述第三光纤熔接点8，其采用0度熔接。
所述第二光纤隔离器9，其允许信号光正向通过而隔离反向传输激光；光纤芯径为10/125μm，光纤的总长度为1m。
所述第二半导体泵浦激光器10，其输出激光的中心波长为976nm，最大输出功率为9W。
所述光纤合束器11，其主要用于耦合信号光和第二半导体泵浦激光器10输出的泵浦光；光纤的芯径为10/125μm，光纤的总长度为1m。
所述第四光纤熔接点12，其采用90度交叉熔接。
所述第二掺镱光纤13，其芯径为10/125μm，光纤长度为2m。
所述光纤准直器14，其用于信号光的准直输出。
在本实施例中，所述第一光纤熔接点2和第二光纤熔接点6之间的光纤长度为L1，对应光纤的偏振模色散系数为β1；第二光纤熔接点6和第三光纤熔接点8之间的光纤长度为L2，对应光纤的偏振模色散系数为β2；第三光纤熔接点8和第四光纤熔接点12之间的光纤长度为L3，对应光纤的偏振模色散系数为β3；四光纤熔接点12和光纤准直器14之间的光纤长度为L4，对应光纤的偏振模色散系数为β4；特别的，上述参数具有如下关系：
β1×L1-β2×L2+β3×L3-β4×L4＝0
在一个或多个实施例中，还提供了一种激光设备，其包括如上所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***。
此处可以理解的是，本实施中的激光设备，除了基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***之外，其他结构均可采用现有结构来实现，此处不再详述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，包括锁模光纤振荡器、光纤隔离器、半导体泵浦激光器、光纤波分复用器、光纤熔接点、保偏光纤、光纤合束器和光纤准直器；其特征在于，所述光纤熔接点的数量为2n个；第(2n-1)个光纤熔接点采用0度熔接；第2n个光纤熔接点采用90度交叉熔接；其中，n为大于或等于1的正整数；任意第(2n-1)段光纤和第2n段光纤引入的偏振模色散大小相等，符号相反。
2.如权利要求1所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，其特征在于，所述保偏光纤的偏振模色散大小为偏振模色散系数β和光纤长度L的乘积，具有以下特征关系：
β1×L1-β2×L2+β3×L3-…+β2n-1×L2n-1-β2n×L2n＝0
其中，β2n-1为第(2n-1)段光纤的偏振模色散系数，L2n-1为第(2n-1)段光纤的长度；β2n为第2n段光纤的偏振模色散系数，L2n为第2n段光纤的长度。
3.如权利要求1所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，其特征在于，紧邻所述锁模光纤振荡器的光纤隔离器允许信号光正向通过而隔离反向传输激光，从而达到保护锁模光纤振荡器的目的。
4.如权利要求1所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，其特征在于，所述光纤波分复用器用于耦合锁模光纤振荡器输出的信号光和第一个半导体泵浦激光器输出的泵浦光。
5.如权利要求1所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，其特征在于，所述光纤合束器用于耦合信号光和第二个半导体泵浦激光器输出的泵浦光。
6.如权利要求1所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，其特征在于，所述保偏光纤为无源保偏光纤。
7.如权利要求1所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，其特征在于，所述保偏光纤为稀土离子掺杂的有源保偏光纤。
8.如权利要求7所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，其特征在于，所述有源保偏光纤的稀土离子包括铒(Er)、镱(Yb)、铥(Tm)或钬(Ho)。
9.如权利要求1所述的基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***，其特征在于，所述基于偏振模色散补偿抑制光谱调制的激光***中的两个脉冲分别为主脉冲和次脉冲，且两个脉冲的干涉光谱强度IM(ω)表示为：
其中，参数A表示调制深度；参数B表示调制频率，与主脉冲和次脉冲之间的时延相关；参数代表主脉冲和次脉冲之间的相位差；ω表示角频率。
10.一种激光设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的基于偏振模色散补偿拟制光谱调制抑制的激光***。
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