专利名称：环形腔锁模光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及锁模光纤激光器及频率梳测量技术领域，尤其涉及一种能够产生高重复频率激光的环形腔锁模光纤激光器。
背景技术：
光学频率梳用于实现对光学频率极其精密的测量，由锁模激光器产生，是一种超短脉冲激光。锁模激光器发射的光脉冲的两个特征为产生优良光学频率梳的关键。第一个特征是重复频率(频率间隔)。锁模激光器以重复频率发射脉冲序列，这种脉冲序列光的频谱不是以载波频率为中心向两边连续延展，而是形成许多离散的频率，这 个频率分布很像梳齿，频率间隔与激光器的重复频率相等。这个频率间隔可以通过锁相电路控制腔长实现稳定。光学频率梳的频率间隔根据应用需求应该在250MHz以上，甚至达数百 GHz。第二个特征是脉冲相位。脉冲包络相对于载波发生微小位移，导致脉冲发生细微变化，脉冲包络的峰值可以和对应的载波波峰同时出现，也可以偏移到载波的其他波峰同时出现，该偏移量称为脉冲的载波-包络相位偏移。这个漂移反映在频率域就是梳齿对应的频率偏移，即零点漂移。这个零点漂移可以通过控制激光器内的群速色散来确定和稳定。对激光载波包络相位漂移已可通过基频-倍频拍频法探测和锁定，基于固体激光器特别是钛宝石激光器的频率梳的频率间隔已经达到IGHz以上。光纤激光器在能量效率、长期稳定性、构成成本等方面优于固体激光器。因此发展基于光纤激光器的频率梳是大势所趋。光纤激光器按腔型可分为两大类线形腔和环形腔。线形腔光纤激光器容易获得IGHz以上频率间隔的锁模激光脉冲，但其锁模机制导致其输出脉冲的宽度宽，不利于光频梳后续的扩谱要求。环形腔光纤激光器由于其快饱和机制，脉冲短，能量高，更适合作为频率梳的光源。但其频率间隔的提高受限于光纤激光器中各种元器件的长度，难于进一步提高。T. Wilken, P. Vilar-Welter 等人于 2010 年在激光与光电子学会议(Conferenceon Laser and Electro-optics (CLEO))发表的名为《高重复频率飞秒光纤激光器》(HighRepetition Rate, Tunable Femtosecond Yb-fiber Laser)的论文中介绍的光纤激光器，无论用单个光栅，还是光栅对，都可将光纤激光振荡器的重复频率提高到570MHz。但是，其泵浦功率是由空间耦合，泵浦激光功率为1. 4W，输出功率最高可达500mW ;光纤与准直透镜的耦合也是空间耦合，增加了耦合的难度和稳定性，也增加了元件的体积和重量。J. L. Morse, J. W. Sickler 等人于 2009 年在激光与光电子学会议(Conference onLaser and Electro-optics (CLEO))发表的名为《高重复频率、高平均功率、飞秒掺铒环形光纤激光器》(High repetition rate, high average power, femtosecond erbium fiberring laser)的文章中提出的环形腔光纤激光器，通过空间耦合去掉光纤波分复用准直器，可将光纤激光振荡器的重复频率提高到301MHz，但空间耦合将带来损耗和不稳定，该激光器的泵浦功率是1. 2W，输出功率只有61mW。
上述技术方案均不能研制出光学频率梳技术所需要的理想的重复频率。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何在避免空间耦合带来的损耗和不稳定的同时，减少光纤激光器的光纤长度，提高其重复频率，以提高其作为光源的频率梳的分辨率。(二)技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种能够产生高重复频率激光的环形腔锁模光纤激光器，所述环形腔锁模光纤激光器包括光隔离器、偏振控制元件、第一波分复用准直器和第二波分复用准直器。优选地，每个波分复用准直器均包括尾纤，所述尾纤为掺杂增益光纤或者普通单模光纤，其色散可以为正色散或负色散。优选地，每个波分复用准直器均包括双尾纤光纤准直透镜，所述双尾纤光纤准直透镜一端面上固定有波分复用膜片，或镀有可实现波分复用的膜。优选地，所述双尾纤光纤准直透镜进一步包括置于双芯玻璃管中并固定的两根光纤，所述双芯玻璃管一端面倾斜；聚焦透镜，置于所述双芯玻璃管的倾斜端面之后，并与所述双芯玻璃管置入同一根玻璃管中，或置于一根玻璃管中，并与置于另一根玻璃管中的所述双芯玻璃管的倾斜端面粘接固定。优选地，所述双芯玻璃管的倾斜端面倾斜角度为8°，抛光并镀有增透膜。其中，每个波分复用准直器的输出光斑直径均小于1mm，最佳工作距离均为5cm_20cmo优选地，所述光隔离器为片状、块状或管状旋光器，由薄膜磁光材料或者块状晶体材料制成。优选地，所述环形腔锁模光纤激光器还包括色散元件，所述色散元件为单向通过的光栅对。更为优选的是，所述光栅密度范围为150条/毫米-2000条/毫米。优选地，所述环形腔锁模光纤激光器的输出光直接设计在光栅对之后，使得输出脉冲可能是负啁啾或者是无啁啾，使得色散补偿可以采用常用玻璃材料进行补偿，或者甚至不用色散补偿实现接近傅立叶变换受限脉宽输出。优选地，所述偏振控制元件包括波片和偏振分束器。作为上述技术方案的优选，所述环形腔锁模光纤激光器包括第一四分之一波片2、第一偏振分束器3、旋光器4、第一二分之一波片5、第二偏振分束器6、第二二分之一波片8、第二四分之一波片9和增益光纤13，第一泵浦源11与第二波分复用准直器10的尾部相连，第二泵浦源12与第一波分复用准直器I的尾部相连。优选地，所述环形腔锁模光纤激光器还包括光栅对7。优选地，所述第一波分复用准直器I和第二波分复用准直器10的尾纤直接做成增益光纤，并直接进行焊接构成增益光纤13。优选地，所述环形腔锁模光纤激光器的第一波分复用准直器1、第一四分之一波片
2、第一偏振分束器3、旋光器4、第一二分之一波片5、第二偏振分束器6、第二二分之一波片8、第二四分之一波片9、第二波分复用准直器10、增益光纤13依次光学连接构成光学环形腔，第一泵浦源11与第二波分复用准直器10的尾部相连，第二泵浦源12与第一波分复用准直器I的尾部相连。优选地，所述环形腔锁模光纤激光器的光学环形腔在第二偏振分束器6与第二二分之一波片8之间还连接有光栅对7。本发明另一方面提出了一种利用上述环形腔锁模光纤激光器的产生激光的方法，包括以下步骤根据需要的脉冲能量，确定第一泵浦源11和第二泵浦源12的泵浦功率；将泵浦功率提高，并通过第一波分复用准直器I和第二波分复用准直器10耦合到腔内，将泵浦功率提高到环形腔锁模光纤激光器阈值之上，通过对准相对的第一波分复用准直器I和第二波分复用准直器10，使激光器发生振荡；通过调节第一二分之一波片5结合旋光器4和第一偏振分束器3及第二偏振分束器6，实 现隔离器功能，保证激光的单方向腔内运行；通过调节第一四分之一波片2、第二二分之一波片8、第二四分之一波片9使激光器达到锁模状态，从第二偏振分束器6输出超短脉冲激光。(三)有益效果本发明提出环形腔锁模光纤激光器，由于采用集成化的光纤波分复用准直器，利用此集成两种功能的光纤波分复用准直器取代了常规的光纤波分复用器和光纤准直器，大大缩短了环形腔锁模光纤激光器中光纤的长度，简化了激光器系统，提高了耦合功率以及效率，提高了重复频率即频率间隔，可提高其作为光源的频率梳的分辨率。同时，采用薄膜磁光材料的光隔离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，也缩短了光纤长度或自由空间。并且，采用光单向通过光栅对的结构，不仅能够实现光栅对的色散调节，同时能够避免采用双次通过光栅对的方案带来的不可避免的长工作距离，从而缩短腔长。光纤长度缩短，有利于脉冲光谱的展宽或脉冲的缩短。上述集成化设计能够大大缩短腔长在20-40厘米以内，实现重复频率在O. 5-lGHz的重复频率。由于光纤长度缩短，有利于脉冲光谱的展宽或脉冲的缩短。同时，由于激光脉冲在光纤放大器中不断缩短和峰值功率的迅速提高，增益与非线性之间的相互作用增强，有助于补偿光栅对以及放大器光纤中的三阶色散，使输出脉冲更加窄化和旁瓣减少。最后，本发明所述腔型可以使输出脉冲为负啁啾或无啁啾，因此输出脉冲可以用正色散材料，例如块状玻璃或可调谐材料色散的并列棱镜对补偿脉冲的啁啾。此种方式补偿啁啾，可以大大减少损耗，增加有效脉冲能量和峰值功率。
图1为本发明实施例的环形腔锁模光纤激光器的光学环形腔的连接结构示意图；图2为本发明实施例的环形腔锁模光纤激光器的光学环形腔的另一种连接结构示意图；图3为本发明实施例的环形腔锁模光纤激光器产生的高重复频率激光的频谱测试图；图4为本发明实施例的环形腔锁模光纤激光器产生的高重复频率激光的光谱形状和宽度光谱图形；图5为本发明实施例的环形腔锁模光纤激光器产生的高重复频率激光脉冲的自相关曲线以及经过玻璃体材料压缩后的输出脉冲自相关图6为本发明实施例的环形腔锁模光纤激光器产生激光的方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。本发明一个实施例的能够产生高重复频率激光的环形腔锁模光纤激光器，该环形腔锁模光纤激光器包括光隔离器、偏振控制元件、第一波分复用准直器I和第二波分复用准直器10。每个波分复用准直器的尾纤均为掺杂增益光纤或者普通单模光纤，掺杂增益光纤可以高掺杂或低掺杂铒、镱、钦、铥等稀土元素。其色散可以为正色散或负色散。每个波分复用准直器均包括双尾纤光纤准直透镜，所述双尾纤光纤准直透镜一端面上固定有波分复用膜片，或镀有可实现波分复用的膜，该双尾纤光纤准直透镜的尾纤即可作为波分复用准直器的尾纤。 所述双尾纤光纤准直透镜可进一步包括置于双芯玻璃管中并固定的两根光纤，所述双芯玻璃管一端面倾斜；聚焦透镜，置于所述双芯玻璃管的倾斜端面之后，并与所述双芯玻璃管置入同一根玻璃管中，或置于一根玻璃管中，并与置于另一根玻璃管中的所述双芯玻璃管的倾斜端面粘接固定。所述双芯玻璃管的倾斜端面倾斜角度为8°，抛光并镀有增透膜。所述偏振控制元件包括波片和偏振分束器。在本发明的一个实施例中，每个波分复用准直器的输出光斑直径均小于1mm，工作距离均为5cm。在本发明的一个实施例中，每个波分复用准直器的输出光斑直径均小于1mm，工作距离均为20cm。在本发明的一个实施例中，所述光隔离器为片状旋光器，由薄膜磁光材料制成。利用薄膜磁光材料相比利用磁光晶体/玻璃类体材料制成的空间隔离器或者光纤空间隔离器，可减小腔长，提高重复频率。此外，同样可以选择块状晶体材料制成的块状或管状旋光器。在本发明的一个实施例中，所述环形腔锁模光纤激光器还包括色散元件，所述色散元件为单向通过的光栅对。在本发明的一个实施例中，所述光栅密度为150条/毫米。在本发明的一个实施例中，所述光栅密度2000条/毫米。在本发明的一个实施例中，所述环形腔锁模光纤激光器的输出光直接设计在光栅对之后，使得输出脉冲可能是负啁啾或者是无啁啾，使得色散补偿可以采用常用玻璃材料进行增加正色散的补偿，或者甚至不用色散补偿实现傅立叶变换受限脉宽输出。在本发明的一个实施例中，所述环形腔锁模光纤激光器包括第一波分复用准直器1、第一四分之一波片2、第一偏振分束器3、旋光器4、第一二分之一波片5、第二偏振分束器6、第二二分之一波片8、第二四分之一波片9、第二波分复用准直器10和增益光纤13，第一泵浦源11与第二波分复用准直器10的尾部相连，第二泵浦源12与第一波分复用准直器I的尾部相连。在本发明的一个实施例中，所述环形腔锁模光纤激光器还包括光栅对7。
在本发明的一个实施例中，所述环形腔锁模光纤激光器以两个波分复用准直器构成环形腔，锁模机制为非线性偏振旋转，具体地，如图1或图2所示，该光学环形腔由第一波分复用准直器1、第一四分之一波片2、第一偏振分束器3、旋光器4、第一二分之一波片5、第二偏振分束器6、光栅对7、第二二分之一波片8、第二四分之一波片9、第二波分复用准直器
10、增益光纤13依次光学连接构成光学环形腔，第一泵浦源11与第二波分复用准直器10的尾部相连，第二泵浦源12与第一波分复用准直器I的尾部相连。在本发明的一个实施例中，所述环形腔锁模光纤激光器省略了光栅对7,第二偏振分束器6与第二二分之一波片8直接相连。由于环形腔锁模光纤激光器的腔内可以有色散补偿，也可以无色散补偿。因此，有色散补偿时，色散元件可以为透射式光栅对7，由于腔长总体很短，所需补偿的色散较小，故而光栅对的实际距离很小(在3-5mm以内)，带来的空间色散也很小，从而可以采用单向通过光栅对的方案，来进一步保证色散补偿的同时压缩空间尺寸。对于I微米波长的光纤放大器，光栅对作为负色散元件是较好的选择，因为其光栅
对间隔可以调节以达到最佳带宽。光栅密度可根据三阶色散的要求选择，通常的选择范围为150条/毫米-2000条/毫米，光栅对之间的距离可以根据依照输出脉冲光谱和脉宽要求调谐。而对于长于1. 3微米波长的环形腔锁模光纤激光器，如果腔内只有增益光纤，可选择正和负色散的增益光纤，色散的平衡靠加减光纤长度实现。无色散补偿时，激光器可工作在孤子锁模方式，或全正色散工作方式；在本发明的一个实施例中，所述第一波分复用准直器I和第二波分复用准直器10的尾纤直接做成增益光纤，并直接进行焊接构成增益光纤13。该增益光纤13的总长度根据需要的重复频率(频率间隔)以及增益光纤的增益特性来确定。该掺杂增益光纤13可以是正色散的，也可以是负色散的，掺杂稀土元素(铒、镱、钦、铥)，高掺杂或低掺杂均可。在本发明的一个实施例中，所述第一四分之一波片2、第二四分之一波片9、第一二分之一波片5、第二二分之一波片8、第一偏振分束器3和第二偏振分束器6的机器支架均为小型化和薄型设计。下面说明上述环形腔锁模光纤激光器的操作过程，如图6所示，包括以下步骤S1:根据需要的脉冲能量，确定第一泵浦源11和第二泵浦源12的泵浦功率；S2 :将泵浦功率提高，并通过第一波分复用准直器I和第二波分复用准直器10耦合到腔内，将泵浦功率提高到环形腔锁模光纤激光器阈值之上，通过对准相对的第一波分复用准直器I和第二波分复用准直器10，使激光器发生振荡；S3 :通过调节第一二分之一波片5结合旋光器4和第一偏振分束器3及第二偏振分束器6，实现隔离器功能，保证激光的单方向腔内运行；S4 :通过调节第一四分之一波片2、第二二分之一波片8、第二四分之一波片9使激光器达到锁模状态，从第二偏振分束器6输出超短脉冲激光。可以通过调节光栅对7的距离或其它色散元件，使脉冲的光谱达到最宽；观察到的脉冲重复频率如图3所示，光谱形状和宽度光谱图形如图4所示。观察到的脉冲的自相关曲线及经过玻璃体材料压缩后的输出脉冲自相关图如图5中的a和b所示。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述环形腔锁模光纤激光器包括光隔离器、偏振控制元件、第一波分复用准直器(I)和第二波分复用准直器(10)。
2.如权利要求1所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，每个波分复用准直器均包括尾纤，所述尾纤为掺杂增益光纤或者普通单模光纤。
3.如权利要求1所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，每个波分复用准直器均包括双尾纤光纤准直透镜，所述双尾纤光纤准直透镜一端面上固定有波分复用膜片，或镀有可实现波分复用的膜。
4.如权利要求3所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述双尾纤光纤准直透镜包括置于双芯玻璃管中并固定的两根光纤，所述双芯玻璃管一端面倾斜；聚焦透镜，置于所述双芯玻璃管的倾斜端面之后，并与所述双芯玻璃管置入同一根玻璃管中，或置于一根玻璃管中，并与置于另一根玻璃管中的所述双芯玻璃管的倾斜端面粘接固定。
5.如权利要求4所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述双芯玻璃管的倾斜端面倾斜角度为8° ,抛光并镀有增透膜。
6.如权利要求1所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，每个波分复用准直器的输出光斑直径均小于Imm,工作距离均为5cm_20cm。
7.如权利要求1所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述光隔离器为片状、块状或管状旋光器，由薄膜磁光材料或者块状晶体材料制成。
8.如权利要求1所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述环形腔锁模光纤激光器还包括色散元件，所述色散元件为单向通过光栅对。
9.如权利要求8所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述光栅密度范围为150条/毫米-2000条/毫米。
10.如权利要求8所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述环形腔锁模光纤激光器的输出光直接设置在光栅对之后。
11.如权利要求1所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述偏振控制元件包括波片和偏振分束器。
12.如权利要求3所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述环形腔锁模光纤激光器包括第一四分之一波片(2)、第一偏振分束器(3)、旋光器(4)、第一二分之一波片(5)、第二偏振分束器(6)、第二二分之一波片(8)、第二四分之一波片(9)和增益光纤(13),第一泵浦源(11)与第二波分复用准直器(10)的尾部相连，第二泵浦源(12)与第一波分复用准直器(I)的尾部相连。
13.如权利要求12所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述环形腔锁模光纤激光器还包括光栅对(7)。
14.如权利要求12所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一波分复用准直器(I)和第二波分复用准直器(10)的尾纤直接做成增益光纤，并直接进行焊接构成增益光纤(13)。
15.如权利要求12所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述第一波分复用准直器(I)、第一四分之一波片(2)、第一偏振分束器(3)、旋光器(4)、第一二分之一波片(5)、第二偏振分束器(6)、第二二分之一波片(8)、第二四分之一波片(9)、第二波分复用准直器(10)和增益光纤(13)依次光学连接构成光学环形腔。
16.如权利要求15所述的环形腔锁模光纤激光器，其特征在于，所述环形腔锁模光纤激光器的光学环形腔在第二偏振分束器(6)与第二二分之一波片(8)之间还连接有光栅对 (7)。
17.一种利用权利要求12-16中所述的任一环形腔锁模光纤激光器产生激光的方法， 其特征在于，包括以下步骤51:根据需要的脉冲能量，确定第一泵浦源(11)和第二泵浦源(12)的泵浦功率；52:将泵浦功率提高，并通过第一波分复用准直器(I)和第二波分复用准直器(10)耦合到腔内，将泵浦功率提高到环形腔锁模光纤激光器阈值之上，通过对准相对的第一波分复用准直器(I)和第二波分复用准直器(10 )，使激光器发生振荡；53:通过调节第一二分之一波片(5)结合旋光器(4)和第一偏振分束器(3)及第二偏振分束器(6)，实现隔离器功能，保证激光的单方向腔内运行；54:通过调节第一四分之一波片(2)、第二二分之一波片(8)、第二四分之一波片(9)使激光器达到锁模状态，从第二偏振分束器(6)输出超短脉冲激光。
全文摘要
本发明公开了一种能够产生高重复频率激光的环形腔锁模光纤激光器，所述环形腔锁模光纤激光器包括光隔离器、偏振控制元件、第一波分复用准直器(1)和第二波分复用准直器(10)。同时采用薄膜磁光材料的光隔离器和光单向通过光栅对的结构，大大缩短了光纤的长度，简化了激光器系统，提高了耦合功率及效率，提高了重复频率即频率间隔，可提高其作为光源的频率梳的分辨率。
文档编号H01S3/067GK103022863SQ201210533738
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者王爱民, 李辰, 王贵重, 姜通晓, 张志刚 申请人:北京大学