高重复频率全光纤锁模激光器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了高重复频率全光纤锁模激光器，包括激光泵浦源、集成光器件、高增益光纤和偏振旋转光纤，激光泵浦源与集成光器件的泵浦输入端连接，集成光器件的公共端、高增益光纤、偏振旋转光纤和集成光器件的信号输入端顺次连接，形成环路构成光学谐振腔；集成光器件的输出端作为激光的信号输出；所述高增益光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，光纤单位长度增益大于1dB/cm，长度小于10cm。本发明大大缩短了激光器的腔长，可实现激光重复频率大于500MHz的超短激光脉冲输出。本发明所述激光器具有全光纤结构，结构简单紧凑。
【专利说明】高重复频率全光纤锁模激光器【技术领域】
[0001] 本发明涉及超短脉冲激光领域，具体涉及高重复频率全光纤锁模激光器。
【背景技术】
[0002]高重复频率超短脉冲激光器在高速光采样、生物医学、精确距离测量和光学频率梳等领域有十分重要的应用，是目前激光领域研究的热点。高重复频率锁模光纤激光器的实现方式有很多种。通过主动或被动谐波锁模可以很容易的实现高重复频率脉冲输出，但是一般稳定性较差，而且输出的脉冲序列具有较大的时间抖动，不利于实际应用。利用半导体可饱和吸收体、石墨烯或碳纳米管等作为锁模器件也可以实现重复频率的脉冲输出，但是这种激光器受限于锁模机制，一般输出的光谱较窄，脉宽比较宽，不能满足应用的要求。基于非线性偏振旋转锁模机制可以得到更短的脉冲输出，而且结构相对简单。
[0003]高的重复频率对应于短的谐振腔长度，环形腔光纤激光器中谐振腔内含有波分复用器，光隔离器和光分束器等多种器件，各器件本身有一定的封装长度，对于光纤型器件还要保留一定长度的尾纤来进行熔接，而且腔内需要一定长度的增益光纤提供足够的增益。这些因素限制了激光器的重复频率，一般不大于300 MHz0
[0004]用体元件代替光纤型器件可以减少谐振腔内器件的长度，有利于提高激光器的重复频率。但体元件的引入，破坏了光纤激光器的全光纤结构，而且需要精密的准直，使激光器的结构变得复杂，同时空间耦合增大了系统的不稳定性。
[0005]基于非线性偏振旋转的锁模机制，Michal Nikodem等人于2010年报道了一种全光纤被动锁模激光器，重复频率169 MHz (参见Opt.Commun., 2010，283:109_112)，腔内
使用了普通的光纤型器件和较长的商用石英增益光纤，很难进一步缩短腔长，提高重复频率。
[0006]因此，高重复频率全光纤环形腔锁模激光器的实现需要新的技术方案。
【发明内容】
[0007]本发明提供高重复频率全光纤锁模激光器，所要要解决的技术问题是:在保持全光纤结构的基础上，有效地缩短环形腔光纤激光器的腔长，获得重复频率大于500 MHz的超短脉冲激光输出，具体技术方案如下。
[0008]高重复频率全光纤锁模激光器，包括激光泵浦源、集成光器件、高增益光纤和偏振旋转光纤，激光泵浦源与集成光器件的泵浦输入端连接，集成光器件的公共端、高增益光纤、偏振旋转光纤和集成光器件的信号输入端顺次连接，形成环路构成光学谐振腔；集成光器件的输出端作为激光的信号输出；所述高增益光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，光纤单位长度增益大于I dB/cm，长度小于10 cm ;所述高重复频率大于500 MHz0
[0009]进一步地，所述集成光器件集成了波分复用器、光隔离器和光分束器，长度小于10cm。[0010]进一步地，所述偏振旋转光纤用于调制光学谐振腔内信号光的偏振态，是将光纤加热沿光纤轴线扭转至设定角度，冷却固化保持扭转角度的光纤，长度小于10 cm。
[0011 ]进一步地，所述镧系离子为 Er3+、Yb3+、Tm3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+ 或 Lu3+ 中一种或者多种的组合体。
[0012]进一步地，所述过渡金属离子为Cu2+、Co2+、Cr3+、Fe2+或Mn2+中一种或多种的组合体。
[0013]本发明能够产生重复频率大于500 MHz的超短脉冲，本激光器产生超短脉冲的过程是:泵浦光通过集成光器件的泵浦输入端耦合进入谐振腔内，增大泵浦功率，在谐振腔内形成激光振荡，继续增大泵浦功率至阈值，通过调整偏振旋转光纤的扭转角度至合适的值，使得激光器达到锁模状态，在腔内形成超短脉冲，信号光进入集成光器件的信号输入端后被分光，一部分输出到腔外。
[0014]与现有技术相比，本发明的技术效果是:
本发明提出的全光纤环形腔锁模激光器，采用高浓度掺杂的单模光纤作为增益光纤，光纤增益系数大于I dB/cm，与普通增益光纤相比，提供相同增益所使用的光纤长度更短。利用集成了波分复用器、光隔离器和光分束器的集成光器件取代了常规光器件，减少了激光腔的长度。采用偏振旋转光纤取代了常规的偏振控制器件，进一步简化了激光器的结构。该技术方案简化了锁模激光器的腔结构，大大缩短了激光器的腔长，提高了重复频率，可实现重复频率大于500 MHz。
[0015]本发明所述激光器具有全光纤结构，能更好的抵抗外界环境扰动，系统稳定性较强。与其它环形腔锁模激光器相比，结构更加简单紧凑。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明全光纤锁模激光器的结构示意图，图中:1_激光泵浦源、2-集成光器件、3-高增益光纤和4-偏振旋转光纤；
图2为本发明全光纤锁模激光器产生的输出光的频谱图；
图3为本发明全光纤锁模激光器产生的输出光的光谱图；
图4为本发明全光纤锁模激光器输出激光脉冲的自相关曲线。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
[0018]如图1，高重复频率全光纤环形腔锁模激光器包括激光泵浦源1、集成光器件2、高增益光纤3和偏振旋转光纤4。泵浦源I与集成光器件2的泵浦输入端连接，集成光器件2的公共端与高增益光纤3的一端连接，高增益光纤3的另一端与偏振旋转光纤4连接，再与集成光器件2的信号端连接，构成了光学谐振腔。集成光器件2的输出端作为激光的信号输出。
[0019]在本实施例中980 nm的单模半导体激光器作为激光泵浦源I。
[0020]集成光器件2中集成了波分复用器，光隔离器和光分束器(内部连接关系可参照已有技术)，其中光隔离器为偏振相关型光隔离器，光分束器的输出比为2 %。集成光器件2为管状封装，封装长度5.5 cm。
[0021]高增益光纤3是稀土掺杂磷酸盐玻璃单模光纤，其作为光纤激光器的增益介质，本例中选用长度为4.5 cm。高增益光纤3的纤芯中掺杂高浓度的发光离子是铒和镱，铒、镱稀土离子的掺杂浓度分别是2.5 X 102° ions/cm3>5.0X IO20 ions/cm3。纤芯基质成分为磷酸盐玻璃，光纤增益系数大于5dB/cm。
[0022]偏振旋转光纤4为一段普通单模光纤(SMF-28)，通过加热后沿光纤轴线扭转至设定角度，然后冷却固化后保持扭转角度。偏振旋转光纤4的作用是调制腔内信号光的偏振态，位于集成光器件2与高增益光纤3之间。偏振旋转光纤4和集成光器件2中集成的偏振相关型光隔离器构成了非线性偏振旋转锁模装置。
[0023]上述激光器产生超短脉冲的过程是:
泵浦光入射到集成光器件的泵浦输入端，经过集成光器件的公共端入射到增益光纤中，增大泵浦功率，在谐振腔内形成激光振荡，继续增大泵浦功率至阈值，通过调整偏振旋转光纤的扭转角度至合适的值，使激光器达到锁模状态，在腔内形成超短脉冲，信号光进入集成光器件的信号输入端后被分光，一部分输出到腔外。观测到的输出脉冲频谱与图2所示，光谱如图3所示，脉冲自相关曲线如图4所示。
【权利要求】
1.高重复频率全光纤锁模激光器，包括激光泵浦源(I)，其特征在于还包括集成光器件(2 )、高增益光纤(3 )和偏振旋转光纤(4 )，激光泵浦源(I)与集成光器件(2 )的泵浦输入端连接，集成光器件(2)的公共端、高增益光纤(3)、偏振旋转光纤(4)和集成光器件(2)的信号输入端顺次连接，形成环路构成光学谐振腔；集成光器件(2)的输出端作为激光的信号输出；所述高增益光纤(3)的纤芯掺杂高浓度的发光离子，发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，光纤单位长度增益大于I dB/cm，长度小于10 cm;所述高重复频率大于500 MHz。
2.根据权利要求1所述的高重复频率全光纤锁模激光器，其特征在于:所述集成光器件(2)集成了波分复用器、光隔离器和光分束器，长度小于10 cm。
3.根据权利要求1所述的高重复频率全光纤锁模激光器，其特征在于:所述偏振旋转光纤(4)用于调制光学谐振腔内信号光的偏振态，是将光纤加热沿光纤轴线扭转至设定角度，冷却固化保持扭转角度的光纤，长度小于10 cm。
4.根据权利要求1所述的高重复频率全光纤锁模激光器，其特征在于:所述镧系离子为 Er3+、Yb3+、Tm3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+ 或 Lu3+ 中一种或者多种的组合体。
5.根据权利要求f4任一项所述的高重复频率全光纤锁模激光器，其特征在于:所述过渡金属离子为Cu2+、Co2+、Cr3+、Fe2+或Mn2+中一种或多种的组合体。
【文档编号】H01S3/067GK103647206SQ201310550441
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】杨中民, 杨通, 韦小明, 徐善辉, 张勤远, 姜中宏 申请人:华南理工大学