基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源的制作方法
【專利摘要】本實用新型提出一種基于8字形腔結構的全保偏光纖鎖模激光源，該激光源主要利用非線性保偏光纖環形鏡實現激光的鎖模，通過環路內增益引入的非線性相移、環路的延時及溫度等參數的調節和優化，實現鎖模的自啟動及長期免維護運轉；同時利用二階色散控制元件實現內腔色散的優化和補償，獲得寬光譜、窄脈寬的鎖模激光脈沖輸出。本實用新型所采用的全保偏光纖結構極大的提升了激光源的長期穩定性、可靠性和環境適應能力，可廣泛應用于超快激光放大、測量學、光譜學、激光精密加工及微加工等應用研究領域。
【專利說明】
基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源
技術領域
[0001]本發明提出一種基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源方案，特別涉及光纖激光的鎖模技術研究，屬于超快激光研究領域。
【背景技術】
[0002]隨著光纖激光技術的發展，超短脈沖光纖技術取得飛速進步，由于具有結構緊湊、性價比高、轉化效率高和長期運行穩定等優勢，超短脈沖光纖激光廣泛應用于超快激光放大、測量學、光譜學、激光精密加工及微加工等領域。超短脈沖激光的研究受益于鎖模技術的發展，目前光纖激光中常用的鎖模技術主要包括非線性偏振旋轉鎖模、半導體可飽和吸收鏡鎖模和新材料(如石墨烯、碳納米管、拓撲絕緣體等)可飽和吸收體鎖模等，但在上述多種鎖模技術中，基于非線性偏振旋轉鎖模的結構主要為非保偏光纖，鎖模啟動依賴偏振態的調節，實際應用的可靠性和長期穩定性較差;半導體可飽和吸收鏡鎖模技術具有較好的實用性，但是其研制專業、復雜，價格較為昂貴;新材料可飽和吸收體的制作也較為復雜，良品率低，而且較低的損傷閾值也較難承受高功率鎖模的運轉。因此，研究高可靠性、高穩定性和實用化的鎖模技術對超短脈沖光纖激光的應用研究具有實際的意義。
[0003]上世紀90年代，非線性光纖環形鏡技術被提出并獲得較多關注，全光纖8字形腔結構為該技術的典型結構，它包括激光主振蕩環路和非線性光纖環形鏡兩個環路，其中激光主振蕩環路單向傳輸，可提供環路增益和激光輸出等;非線性光纖環形鏡為雙向傳輸，通過光的干涉作用實現等效的可飽和吸收效應，以啟動和維持激光鎖模。其原理大致如下:在非線性光纖環形鏡中對向傳輸的兩束激光，由于脈沖的各部分經歷了不同的相位變化，造成脈沖再次合束后，光場各部分發生干涉作用的效果不同，當脈沖光場的中間部分相位相同而發生干涉相漲且兩翼部分相位不同而發生干涉相消時，該非線性光纖環形鏡會將脈沖中間部分的激光模式濾出而在激光諧振腔內形成振蕩，兩翼部分的模式被抑制，多次往復最終實現激光的鎖模。然而，這種傳統類型的8字形腔結構是由非保偏光纖構成，鎖模調節主要依靠環路中偏振狀態的改變而實現，因此鎖模的調節和優化需要專業技術人員參與，系統也比較容易受到環境的影響而降低可靠性和長期穩定性，這些不足都限制了傳統類型的8字形腔鎖模激光的應用。
[0004]因此，提出新技術、新方法以實現激光鎖模的運轉，使其鎖模可實現自啟動并長期穩定保持，這將極大的滿足實用化應用研究領域的需求，同時，也豐富了超短脈沖光纖激光的技術手段，開拓更深入的技術研究。
【發明內容】
[0005]本發明專利針對以上技術的不足及應用研究的需求，提出一種基于8字形腔結構的全保偏光纖鎖模激光源，該激光源主要利用非線性保偏光纖環形鏡實現激光的鎖模，通過環路內增益引入的非線性相移、環路的延時及系統溫度等參數的調節和優化，實現鎖模的自啟動及免維護的長期運轉。同時，腔內利用二階色散控制元件進行色散的優化和補償，以獲得寬光譜、窄脈寬的鎖模激光脈沖輸出。本發明所采用的全保偏光纖結構極大的提升了系統的長期穩定性、可靠性和環境適應能力，可廣泛應用于超快激光放大、測量學、光譜學、激光精密加工及微加工等應用研究領域。
[0006]基于此目的，本發明采用以下技術方案:
[0007]基于8字形腔結構的全保偏光纖鎖模激光源主要分為兩個環路結構一一非線性光纖環形鏡環路和主振蕩環路，兩環路通過四端口保偏光纖分束器相互連接，其中非線性光纖環形鏡環路包括四端口保偏光纖分束器的兩個輸出端、增益保偏光纖、保偏光纖波分復用器、半導體栗浦激光和光路延時器；主振蕩環路包括增益保偏光纖、保偏光纖波分復用器、半導體栗浦激光、偏振相關光纖隔離器、二階色散控制元件、保偏光纖分束器和四端口保偏光纖分束器的另兩個輸出端;整個8字形腔結構的全保偏光纖環路置于溫度控制盒中密封保存，以長期控制和調節整個激光源的溫度。
[0008]所述的基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源中，非線性光纖環形鏡主要是用于鎖模的啟動和維持，通過調節和優化環路內增益引入的非線性相移、環路的延時及溫度等參數，改變環路內雙向傳輸激光的相位，而具有不同相移的雙向傳輸激光通過干涉效應來篩選所需的模式，實現激光的鎖模。主振蕩環路則提供整個激光系統所需的能量，并將部分激光能量導出作為激光系統的輸出，同時利用二階色散控制元件實現內腔色散的優化和補償，獲得寬光譜、窄脈寬的鎖模脈沖輸出。
[0009]作為上述基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源的一種優選方案，所述的非線性光纖環形鏡環路包含半導體栗浦激光、保偏光纖波分復用器和增益保偏光纖等元件，該配置不直接用于提供系統的能量，而是通過改變栗浦激光功率使得傳輸信號光的非線性相位發生變化，影響對向傳輸激光在四端口保偏光纖分束器合束后的光干涉效應，從而改變非線性光纖環形鏡的濾波特性和可飽和吸收特性，實現激光的鎖模。該方案是激光鎖模實現的主要方式，在系統封裝情況下，僅通過參數的改變即可實現鎖模的調節，并且鎖模參數具有記憶特性，可實現自啟動、長期穩定的運轉。
[0010]作為上述基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源的一種優選方案，所述的非線性光纖環形鏡環路中包含的光路延時器可以為環形壓電陶瓷片，通過壓電陶瓷片的膨脹拉伸纏繞上的光纖長度，微調非線性光纖環形鏡的濾波特性和可飽和吸收特性，該方式可用于鎖模狀態的優化，實現方便快捷。
[0011]作為上述基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源的一種優選方案，所述的主振蕩環路中包含有偏振相關光纖隔離器，以保證激光在環路內的單向傳輸。
[0012]作為上述基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源的一種優選方案，所述的主振蕩環路中也包含半導體栗浦激光、保偏光纖波分復用器和增益保偏光纖等元件，用于提供整個激光系統所需的能量。
[0013]作為上述基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源的一種優選方案，所述的主振蕩環路中包含的二階色散控制元件，可以是寬帶光纖布拉格光柵或封裝模塊化的體光柵，其提供的二階色散量與整個環形腔內光纖及其他元件色散總量相同、符號相反，最終保證系統的凈二階色散量接近于零。
[0014]作為上述基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源的一種優選方案，所述的8字形腔的整體結構全部置于溫度控制盒中密封保存，以長期控制和調節整個激光源的溫度，該方式可以長期調節及優化激光的鎖模狀態。
[0015]相比于現有的8字形腔結構全光纖鎖模激光源，本發明提出一種結構簡單、性能穩定的新型8字形腔全保偏光纖鎖模激光源，其優勢如下:首先，鎖模的調節通過環路增益引入的非線性相移改變來實現，可實現鎖模的自啟動和免維護運轉;其次，利用環路延時和溫度等參數的調節實現鎖模的長期優化，提升鎖模運轉的長期穩定性;再次，利用二階色散補償元件控制內腔凈色散，通過腔內色散平衡和脈沖壓縮機制實現寬光譜、窄脈寬的鎖模脈沖輸出；最后，該8字形腔的環路結構全部由保偏光纖和保偏光纖元器件構成，進一步增加了激光源的可靠性和環境適應能力。
[0016]綜上所述，本發明所提出的一種基于8字形腔結構的全保偏光纖鎖模激光源，具有優良的長期運轉穩定性、可靠性和環境適應能力，可廣泛應用于超快激光放大、測量學、光譜學、激光精密加工及微加工等實用化應用研究領域。
[0017]【附圖說明】:
[0018]圖1為本發明實施例的基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源。
[0019]其中:1:增益保偏光纖;2:保偏光纖波分復用器;3:半導體栗浦激光;4:偏振相關光纖隔離器;5: 二階色散控制元件;6:保偏光纖分束器;7:四端口保偏光纖分束器;8:光路延時器;9:溫度控制盒；
[0020]圖2為本發明實施例中二階色散補償元件5的結構示意圖1。其中，51:透射式啁啾光纖布拉格光柵；
[0021]圖3為本發明實施例中二階色散補償元件5的結構示意圖2。其中，52:保偏光纖環形器;53:反射式啁啾光纖布拉格光柵；
[0022]圖4為本發明實施例中二階色散補償元件5的結構示意圖3。54:保偏光纖準直器；55:體光柵對；
[0023]【具體實施方式】:
[0024]下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0025]—種基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源的整體結構如下圖1所示，該結構主要由兩個環路構成一一非線性光纖環形鏡環路和主振蕩環路，兩個環路通過四端口保偏光纖分束器7相互連接，其中非線性光纖環形鏡環路(圖1右側部分)包括四端口保偏光纖分束器7的兩個輸出端、增益保偏光纖1、保偏光纖波分復用器2、半導體栗浦激光3和光路延時器8;主振蕩環路(圖1左側部分)包括增益保偏光纖1、保偏光纖波分復用器2、半導體栗浦激光
3、偏振相關光纖隔離器4、二階色散控制元件5、保偏光纖分束器6和四端口保偏光纖分束器7的另兩個輸出端;整個8字形腔結構的全保偏光纖環路置于溫度控制盒9中密封保存，以長期控制和調節整個激光源的溫度。
[0026]在主振蕩環路中，由增益保偏光纖I產生的激光經過偏振相關光纖隔離器4單向傳輸，并經過二階色散控制元件5傳輸至保偏光纖分束器6，其中少部分激光輸出，剩余大部分激光經四端口保偏光纖分束器7進入非線性光纖環形鏡環路中。其中，保偏光纖分束器6的輸出激光比例可以為20%。
[0027]主振蕩環路中所使用的二階色散控制元件5，主要分為三種結構，首先利用透射式啁啾光纖布拉格光柵51實現二階色散的控制(如圖2所示)，透射式啁啾光纖布拉格光柵51可直接與環路連接使用；其次利用反射式啁啾光纖布拉格光柵53控制內腔二階色散，它需要配合保偏光纖環形器52使用(如圖3所示)；上述兩種結構全部為光纖光路，實現簡單、靈活，集成化較高。最終一種結構為空間光路，如圖4所示，該結構利用保偏光纖準直器54入射至體光柵對55，其返回光再利用保偏光纖準直器54接收，繼續沿主振蕩環路繼續傳輸;該結構為空間光路，通過改變體光柵對55的間距可以實現二階色散的調節，但為滿足全光纖器件化的應用需求，該空間體光柵對需模塊化封裝后才可長期使用。上述三種結構的二階色散控制元件5都可以補償環路內的光纖和其它元件(不包括二階色散控制元件5)引入的二階色散量，最終達到脈沖壓縮的目的。
[0028]在非線性光纖環形鏡環路中，由四端口保偏光纖分束器7輸入的激光分為兩路，兩路分束比為非等比例較好，如40:60分束比，分束后的激光分別沿環路的順時針和逆時針方向傳輸，經過增益保偏光纖1、保偏光纖波分復用器2和光路延時器8等元件，再傳輸至四端口保偏光纖分束器7合束，最終傳輸回主振蕩環路中，合束脈沖通過光干涉作用產生濾波特性和可飽和吸收特性。其中，增益保偏光纖I可以與主振蕩環路使用相同，也可以使用不同，但首選纖芯細，非線性折射率系數高、摻雜濃度高的光纖;光路延時器8可以使用環形壓電陶瓷片，并將一定長度的光纖纏繞在壓電陶瓷片上，通過壓電陶瓷片的膨脹拉伸光纖長度，以調節非線性光纖環形鏡的濾波特性和可飽和吸收特性，該方式調節范圍較小，主要用于鎖模狀態的優化。
[0029]該8字形腔的光路結構整體置于溫度控制盒9中，通過控制溫度來改變環路光纖的折射率，實現對向傳輸激光干涉效應的間接調節，該方法可作為鎖模的反饋控制端，長期調節和優化激光源的鎖模狀態。
[0030]本申請針對實用化應用研究需求，提供的基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源具有以下優勢:首先，鎖模的調節通過環路增益引入非線性效應的改變來實現，可實現鎖模的自啟動和免維護;其次，利用光路延時和溫度等參數的調節實現鎖模的長期優化和檢測，提升鎖模運轉的長期穩定性;再次，利用二階色散補償元件控制內腔凈色散，通過腔內色散平衡和脈沖壓縮機制實現寬光譜、窄脈寬的鎖模脈沖輸出；最后，該8字形腔的環路結構全部由保偏光纖和保偏光纖元器件構成，進一步增加了系統的可靠性和環境適應能力。綜上所述，本發明所提出的一種基于8字形腔結構的全保偏光纖鎖模激光源，具有優良的長期運轉穩定性、可靠性和環境適應能力，可廣泛應用于超快激光放大、測量學、光譜學、激光精密加工及微加工等實用化應用研究領域。
[0031]以上結合具體實施例描述的本發明技術原理。這些描述只是為了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發明保護范圍的限制。基于此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它【具體實施方式】，這些方式都將落入本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源，其特征在于:光路結構主要包括非線性光纖環形鏡環路和主振蕩環路，兩環路通過四端口保偏光纖分束器相互連接，其中非線性光纖環形鏡環路包括四端口保偏光纖分束器的兩個輸出端、增益保偏光纖、保偏光纖波分復用器、半導體栗浦激光和光路延時器；主振蕩環路包括增益保偏光纖、保偏光纖波分復用器、半導體栗浦激光、偏振相關光纖隔離器、二階色散控制元件、保偏光纖分束器和四端口保偏光纖分束器的另兩個輸出端;整個8字形腔結構置于溫度控制盒中密封保存，長期控制和調節激光源的溫度。2.根據權利要求1所述的基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源，其特征在于，所述的主振蕩環路中，由增益保偏光纖產生的激光經過偏振相關光纖隔離器單向傳輸，并經過二階色散控制元件傳輸至保偏光纖分束器，其中少部分激光輸出，剩余大部分激光經四端口保偏光纖分束器分束，分別沿順時針和逆時針方向進入非線性光纖環形鏡環路，經過非線性光纖環形鏡環路內的增益保偏光纖、保偏光纖波分復用器和光路延時器后，再傳輸至四端口保偏光纖分束器合束而返回主振蕩環路。3.根據權利要求1所述的基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源，其特征在于，所述的8字形腔結構全部由保偏光纖和保偏光纖元器件構成，腔內傳輸激光的偏振狀態由保偏光纖的快慢軸結構決定。4.根據權利要求1所述的基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源，其特征在于，所述的光路延時器主要用于改變激光在非線性光纖環形鏡內傳輸的延時量，從而微調和優化激光源的鎖模狀態。5.根據權利要求4所述的基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源，其特征在于，所述光路延時器的結構為光纖光路或空間光路兩種結構，其中光纖光路結構為通過拉伸光纖的物理長度來改變光纖光路的延時;空間光路結構為通過移動光學元件的位置來改變光路的延時，或者在光路中插入電光晶體，通過改變晶體加載的電壓來改變晶體折射率，實現光路延時的變化，其中所述的電光晶體包括鈮酸鋰、釩酸釔、鉭酸鋰或砷化鎵。6.根據權利要求1所述的基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源，其特征在于，所述的主振蕩環路中，二階色散控制元件的結構包括透射式啁啾光纖布拉格光柵、反射式啁啾光纖布拉格光柵或者空間體光柵對，該元件用于補償環路內的光纖和其它元件引入的二階色散量，實現腔內色散補償和脈沖壓縮。7.根據權利要求1所述的基于8字形腔結構全保偏光纖鎖模激光源，其特征在于，所述的溫度控制盒可以高精度地控制整個激光源的溫度，用于長期調節及優化激光源的鎖模狀??τ O
【文檔編號】H01S3/067GK205657308SQ201620131343
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年2月22日 公開號201620131343.6, CN 201620131343, CN 205657308 U, CN 205657308U, CN-U-205657308, CN201620131343, CN201620131343.6, CN205657308 U, CN205657308U
【發明人】張龍
【申請人】光越科技(深圳)有限公司