一种全保偏光纤色散管理环形腔锁模飞秒掺镱光纤激光器的制作方法

1.本实用新型属于激光领域，特别涉及一种基于半导体可饱和吸收镜的被动锁模全保偏光纤激光器技术。


背景技术：

2.超短光脉冲在超快光学诊断、光学精密测量、精密机械加工、激光医疗和生物工程等领域有广泛应用，同时也是非线性光学、超快光学等研究方向的前沿课题。其中，百飞秒级超短脉冲具有极窄的脉宽、超宽的光谱、极高的峰值功率等特点，被广泛应用干光频梳、分子瞬态动力学、以及非线性光学等研究领域。相比于固体激光器、半导体激光器、气体激光器、染料激光器等超短脉冲激光光源，超短脉冲光纤激光器具有制造成本低、结构简单紧凑、无需水冷、高稳定性、高泵浦转换效率，低激光起振阈值以及接近衍射极限的光束质量等独特优越性，在科学研究和工业产业应用中倍受青睐。锁模是产生百飞秒级超短脉冲的主要手段，锁模又主要分为主动锁模和被动锁模两种方式。主动锁模需要在腔内加入如声光和电光调制器等主动调制元件，主动调制器件一般为偏振敏感器件，外界环境温度，震动等引起的变化会影响偏振态的稳定，导致调制脉冲不稳定，且一般主动锁模激光器输出锁模脉冲的脉宽为ps到ns量级，很难做到ps以下。被动锁模不需要外加调制器件，可实现全光纤结构，体积小，抗干扰能力强，输出脉宽可达到ps、fs量级。
3.半导体可饱和吸收镜(简称sesam)具有超快的时间响应特性与锁模自启动特性，因而基于半导体可饱和吸收镜的全保偏光纤锁模技术被广泛用于工业级高性能光纤锁模激光振荡器的研发。半导体可饱和吸收镜的基本结构就是把反射镜与半导体可饱和吸收体结合在一起。底层一般为半导体反射镜，其上生长一层半导体可饱和吸收体薄膜，最上层可能生长一层反射镜或直接利用半导体与空气的界面作为反射镜，这样上下两个反射镜就形成了一个法布里-珀罗腔，通过改变吸收体的厚度以及两反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽。半导体可饱和吸收镜的缺点是抗损伤阈值较低，存在不可逆损耗，寿命相对而言较短。常见的半导体可饱和吸收镜激光腔通常采用线性腔结构，但这种结构构成的激光谐振腔在稳定性上存在一定的问题，线腔是驻波腔，由于光纤熔接点背向反射以及输出端口的端面反射问题，容易导致部分信号光在腔内形成寄生振荡，严重影响原本谐振腔的锁模稳定性，使得半导体可饱和吸收镜抗损伤阈值大大降低，极易受到损坏。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本实用新型提出一种全保偏光纤色散管理环形腔锁模飞秒掺镱光纤激光器，本实用新型的激光器自启动性能良好，稳定性高；并且本实用新型采用保偏光纤结构的啁啾光纤光栅(cfbg)，对谐振腔内进行色散管理，使得激光器工作在近零色散区，通过腔外去啁啾压缩可获得宽光谱的百飞秒级超短光脉冲输出。
5.本实用新型采用的技术方案为：一种全保偏光纤色散管理环形腔锁模飞秒掺镱光纤激光器，包括以下器件：
6.双尾纤光纤准直半导体可饱和吸收镜、三端口环形器、增益光纤、啁啾光纤光栅、波分复用器以及泵浦源；
7.各个器件之间通过单模保偏光纤熔接在一起；
8.所述三端口环形器、增益光纤设置于双尾纤光纤准直半导体可饱和吸收镜与啁啾光纤光栅之间，双尾纤光纤准直半导体可饱和吸收镜与啁啾光纤光栅间形成激光谐振腔，泵浦源产生的泵浦光进入增益光纤，增益光纤吸收泵浦光后自发辐射产生信号光，信号光经三端口环形器进入双尾纤光纤准直半导体可饱和吸收镜，双尾纤光纤准直半导体可饱和吸收镜将高脉冲峰值功率部分的信号光反射回激光谐振腔，高脉冲峰值功率部分的信号光在啁啾光纤光栅处一部分反射回激光谐振腔，另一部分透射作为锁模激光输出。
9.当波分复用器与泵浦源设置于激光谐振腔外时：
10.半导体可饱和吸收镜的输入端通过单模保偏光纤与三端口环形器的第三端口连接，半导体可饱和吸收镜的输出端通过单模保偏光纤与三端口环形器的第一端口连接，三端口环形器的第二端口与增益光纤的一端连接，增益光纤的另一端连接啁啾光纤光栅的输入端，泵浦源的输出端连接波分复用器的一个泵浦端，波分复用器的公共端通过单模保偏光纤与啁啾光纤光栅的透射输出端连接，波分复用器的信号光端作为锁模激光输出端。
11.当波分复用器与泵浦源设置于激光谐振腔内时：
12.半导体可饱和吸收镜的输入端通过单模保偏光纤与三端口环形器的第三端口连接，半导体可饱和吸收镜的输出端通过单模保偏光纤与波分复用器的信号光端相连，波分复用器的泵浦端与泵浦源的输出端连接，波分复用器的公共端通过单模保偏光纤与增益光纤的第一端连接，增益光纤的第二端通过单模保偏光纤与三端口环形器的第一端口连接，三端口环形器的第二端口与啁啾光纤光栅的输入端连接，啁啾光纤光栅的输出端作为锁模激光输出端。
13.增益光纤为掺镱光纤，长度为0.4m。
14.啁啾光纤光栅的色散值为0.2～0.42ps/nm，反射率为10％～25％，带宽为10～25nm。
15.泵浦源采用半导体激光二极管。
16.泵浦源的波长范围为增益光纤的吸收波长。
17.本实用新型的有益效果：本实用新型的光纤激光器的自启动性能良好，稳定性高；与此同时，采用保偏光纤结构的啁啾光纤光栅(cfbg)对谐振腔内进行色散管理，使得激光器工作在近零色散区，通过腔外去啁啾压缩可获得宽光谱的百飞秒级激光脉冲输出；解决了锁模激光器中由于光纤熔接点背向反射以及输出光纤端面反射形成的寄生振荡导致锁模不稳定的问题；
18.本实用新型与现有的基于sesam的线性腔结构锁模激光器相比的技术优势为：本实用新型锁模激光器锁模稳定，采用环形腔结构形成行波腔，可很大程度的减少端面损耗问题，腔内不易形成寄生振荡，并且阈值特性也更好。
附图说明
19.图1为全保偏光纤色散管理环形腔锁模飞秒光纤激光器结构示意图一；
20.图2为全保偏光纤色散管理环形腔锁模飞秒光纤激光器结构示意图二；
21.图3为双尾纤光纤准直半导体可饱和吸收镜的结构示意图；
22.图4为本实用新型的实验结果图，图4中，(a)为锁模输出脉冲的光谱图，(b)为脉冲序列，(c)为输出脉冲射频谱，(d)为直接输出脉冲自相关曲线，(e)为输出脉冲压缩后自相关曲线；
23.附图标记：1-双尾纤光纤准直sesam，2-三端口环形器，3-增益光纤，4-啁啾光纤光栅，5-波分复用器，6-半导体激光泵浦源，11-sesam，12-准直透镜，13-输入保偏单模光纤，14-输出保偏单模光纤，2-1、2-2、2-3分别为三端口环形器的三个端口。
具体实施方式
24.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
25.图1为全保偏光纤色散管理环形腔锁模飞秒光纤激光器结构示意图一，本实用新型提供的一种全保偏光纤色散管理环形腔锁模飞秒光纤激光器，包括：双尾纤光纤准直sesam 1、三端口环形器2、增益光纤3、啁啾光纤光栅4、波分复用器5以及泵浦源6；各个器件之间通过单模保偏光纤熔接在一起。
26.其中，双尾纤光纤准直sesam 1的输入端口与三端口环形器2的端口2-3连接；双尾纤光纤准直sesam 1的输出端口与三端口环形器2的端口2-1连接；三端口环形器2的端口2-2与增益光纤3的一端连接；增益光纤3的另一端与啁啾光纤光栅4的输入端连接；波分复用器5的泵浦端与泵浦源6的输出端连接；波分复用器的公共端与啁啾光纤光栅4的输出端连接；双尾纤光纤准直sesam 1与啁啾光纤光栅4之间形成激光器谐振腔，波分复用器5的信号光端作为锁模激光输出端。
27.本实用新型利用双尾纤光纤准直sesam 1与啁啾光纤光栅4形成光学谐振腔，增加泵浦源输出能量，当腔内增益大于损耗时，满足锁模条件，实现锁模激光输出；利用啁啾光纤光栅进行腔内色散补偿，通过腔外去啁啾压缩可获得宽光谱的百飞秒级激光脉冲输出。
28.本实用新型的工作原理是：泵浦源6通电后产生泵浦光，泵浦光经过波分复用器5和啁啾光纤光栅4进入到增益光纤3中，增益光纤3吸收泵浦光后自发辐射产生信号光，信号光通过三端口环形器2的端口2-2传到端口2-3后进入双尾纤光纤准直sesam 1，低脉冲峰值功率部分被sesam 11吸收，高脉冲峰值功率部分被sesam 11反射回腔内，对于本实用新型中所用的sesam 11，其饱和光功率密度为32.8mw/cm2，低脉冲峰值功率部分是指小于32.8mw/cm2部分，而高脉冲峰值功率部分是指大于32.8mw/cm2的部分。由sesam反射的信号光经过三端口环形器2端口2-1到达端口2-2，然后经过增益光纤3，再通过啁啾光纤光栅4进行部分反射和透射，部分符合设定波长范围内(中心波长为1030nm，带宽为10～25nm)的信号光被啁啾光纤光栅4反射回腔内形成激光谐振腔。其中三端口环形器2的尾纤采用保偏单模光纤，光从环形器的端口2-1到端口2-2，端口2-2到端口2-3输出，保证了光在环内的单向传输。当泵浦光的输出能量较弱时，激光腔内损耗大于增益，无法产生脉冲激光，当增大电流使泵浦光的能量增大到一定数值时，激光腔内增益大于损耗，满足激光器锁模条件，产生脉冲激光。产生的脉冲激光从啁啾光纤光栅4一端透射出去经过波分复用器5的信号光端传
输作为锁模激光输出。
29.作为该激光器谐振腔的另一种结构形式，图2给出了全保偏光纤色散管理环形腔锁模飞秒光纤激光器结构示意图，将图1中波分复用器5，泵浦源6以及增益光纤3放置在光纤环中，通过在腔内增加泵浦能量，也能实现激光器锁模。具体工作原理为：泵浦源6通电后产生泵浦光，泵浦光经过波分复用器5进入到增益光纤3中，增益光纤3吸收泵浦光后自发辐射产生信号光，信号光从三端口环形器2的端口2-1传到端口2-2，从端口2-2出射的信号光又通过光纤传到啁啾光纤光栅4进行部分反射和透射，部分符合设定波长范围内(中心波长为1030nm，带宽为10～25nm)的信号光被啁啾光纤光栅4反射回腔内，反射信号光从三端口环形器2的端口2-2传到端口2-3随后进入双尾纤光纤准直sesam 1，脉冲峰值功率较低部分被sesam 11吸收，而脉冲峰值功率较高的部分被sesam 11反射回腔内形成激光谐振腔，对于本实用新型中所用的sesam 11，其饱和光功率密度为32.8mw/cm2，低脉冲峰值功率部分是指小于32.8mw/cm2部分，而高脉冲峰值功率部分是指大于32.8mw/cm2的部分。
30.其中三端口环形器2的尾纤采用保偏单模光纤，光从环形器的端口2-1到端口2-2，端口2-2到端口2-3输出，保证了光在环内的单向传输。当泵浦光的输出能量较弱时，激光腔内损耗大于增益，无法产生脉冲激光，当增大电流使泵浦光的能量增大到一定数值时，激光腔内增益大于损耗，满足激光器锁模条件，产生脉冲激光。产生的脉冲激光从啁啾光纤光栅4一端透射出去作为锁模激光输出。
31.增益光纤3为稀土掺杂光纤，选自掺镱光纤、掺钕光纤、掺铒光纤或者掺铥光纤等，本实用新型优选掺镱光纤，其吸收波长为915-976nm，长度为0.2～1m。本实施例的增益光纤为掺镱光纤，长度为0.4m。本领域技术人员应注意当增益光纤3为其他稀土掺杂光纤时，增益光纤3的长度可根据具体稀土掺杂光纤的参数确定。
32.啁啾光纤光栅4的尾纤为保偏单模光纤，色散值为0.2～0.42ps/nm，反射率为10％～25％，带宽为10～25nm。例如本实用新型的啁啾光纤光栅的色散值为0.21ps/nm，反射率为10％，带宽为25nm。
33.泵浦源6采用半导体激光二极管，其波长范围为增益光纤3的吸收波长，常见的泵浦波长为976nm，功率一般小于1w，输出形式为单模光纤。
34.波分复用器5与泵浦源6既可以放在激光器谐振腔的腔内也可以放在激光器谐振腔的腔外。在本实例中，可饱和吸收镜1与三端口环形器2连接的光纤环长度为1.91m，三端口环形器2与啁啾光纤光栅4之间的线性反射臂光纤长度为1.40m，此时锁模激光器的腔长对应的输出脉冲重复频率为43.62mhz。
35.图3为双尾纤光纤准直半导体可饱和吸收镜的结构示意图，sesam为反射式可饱和吸收体，选自半导体、纳米管或者石墨烯，采用双尾纤准直器耦合的方式实现全光纤结构。主要包括sesam 11、准直透镜12、保偏单模光纤13以及保偏单模光纤14、散热铜块15；sesam 11嵌在散热铜块15上。信号光通过输入保偏单模光纤13入射，通过准直透镜12进入到sesam 11中，低脉冲峰值功率部分被sesam吸收，高脉冲峰值功率部分被sesam反射，反射出来的信号光经过准直透镜12，再经输出保偏单模光纤14出射。
36.本实用新型的实验结果如下：
37.当泵浦功率为50mw时，该激光器可稳定自启动锁模，平均输出功率4.3mw。此时脉冲具体输出特性如图4所示：图4(a)为输出脉冲光谱图，光谱近似高斯谱形，中心波长为
1032.81nm，3db带宽为15.09nm。图4(b)为输出脉冲序列图，脉冲间隔约为22.93ns。图4(c)为输出脉冲射频谱，脉冲重复频率为43.62mhz，信噪比为74db。图4(d)为直接输出脉冲自相关曲线，测得脉冲宽度为1.346ps。图4(e)为输出脉冲经光栅对腔外去啁啾压缩后的自相关曲线，测得压缩脉宽为135fs。
38.图4(a)中横坐标wavelength为波长，纵坐标intensity(dbm)为光谱强度；图4(b)中横坐标time(ns)为时间，纵坐标intensity(a.u.)是脉冲序列的归一化强度；图4(c)中横坐标frequency(mhz)为频率，纵坐标power(db)为射频信号强度；图4(d)和(e)中横坐标time(ps)为时间，纵坐标intensity(a.u.)为脉冲自相关归一化强度。
39.综上所述，本实用新型提供了一种全保偏光纤色散管理环形腔锁模飞秒光纤激光器，其具有全光纤结构，可紧凑化封装，基于双尾纤光纤准直半导体可饱和吸收镜实现锁模的一种新型结构。利用该结构实用新型的光纤激光器自启动性能良好，抗干扰能力强，可获得百飞秒级激光超短脉冲输出，可作为放大系统的良好种子源。
40.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。