本申请涉及激光技术和非线性光学领域，尤指一种基于Herriott池的锁模光纤激光器。
背景技术：
随着科学技术的发展，高功率高能量超短脉冲锁模光纤激光器由于具有结构紧凑、成本低廉以及易于维护等优势，相较于基于光纤激光放大器作为驱动源的高功率超快紫外激光源、光学参量振荡器和宽带超连续激光器等领域被密切关注。通常的锁模光纤激光器大多数是采用反常色散区的孤子锁模、零色散区的展宽-压缩脉冲锁模以及大净正色散区的相似子锁模原理来实现，当锁模输出能量达到几十nJ时，过剩的非线性相位累积导致的脉冲分裂成为限制此类锁模光纤激光器输出功率和能量的瓶颈之一。
北京工业大学的CN201110101110.3号专利申请公开了一种石墨烯被动锁模光纤激光器，包括泵浦源、波分复用光纤耦合器、增益光纤、输出耦合器、单模光纤、环形器、石墨烯可饱和吸收体和偏振控制器等。该锁模光纤激光器利用石墨烯可饱和吸收体作为被动锁模器件，实现超短脉冲激光输出。该锁模光纤激光器的不足之处在于：采用低损伤阈值的石墨烯作为锁模器件，限制了腔内能量密度；采用单模光纤作为增益介质，限制了输出功率的进一步提高。
Bülend等人在论文“Approaching microjoule-level pulse energy with mode-locked femtosecond fiber lasers”(OPTICS LETTERS,VOLUME34,NUMER 10,MAY 15,2010)中提出了一种利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为锁模元器件和平面高反镜阵列作为光路延时器的高能量超短脉冲锁模光纤激光器。该锁模光纤激光器由泵浦源、棒状光子晶体增益光纤、半导体可饱和吸收镜(SESAM)、平面高反镜阵列、光学隔离器、波片以及单模光纤模式过滤器组成。上述技术采用了锁模光纤激光器工作在正色散区，棒状光纤晶体光纤作为增益介质和半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为锁模器件实现高能量超短脉冲激光输出。该锁模光纤激光器的不足之处在于：一是振荡腔内采用了半导体可饱和吸收镜(SESAM)和小芯径单模光纤作为锁模元件和模式过滤器，由于半导体可饱和吸收镜(SESAM)和小芯径单模光纤具有低的能量损伤阈值以及半导体可饱和吸收镜(SESAM)低的热导率限制了锁模光纤激光器的输出功率和能量进一步提高，使得具有高能量损伤阈值和高平均功率承受能力的棒状光子晶体增益光纤的优势没有完全体现出来；二是采用平面高反镜阵列作为光路延时器降低重复频率，使谐振腔内振荡光和谐振腔输出光的光束质量变差，从而影响了其锁模稳定性和应用范围。
技术实现要素：
鉴于此，有必要提供一种工作在全正色散区，无饱和吸收元件和单模光纤模式过滤器的基于Herriott池的锁模光纤激光器，以输出高功率高能量超短激光脉冲。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于Herriott池的锁模光纤激光器，包括泵浦源、光子晶体增益光纤、Herriott池、偏振相关隔离器、带通滤波器、偏振器、熔融石英块、及若干镜子，所述泵浦源通过若干镜子将泵浦光输入所述光子晶体增益光纤的第一端，所述光子晶体增益光纤的第一端发射出谐振腔内振荡光在所述若干镜子的协助下依次经由所述Herriott池延时、偏振相关隔离器、带通滤波器、偏振器及熔融石英块后进入所述光子晶体增益光纤的第二端，所述偏振相关隔离器产生输出光输出。
优选地，所述泵浦源与所述光子晶体增益光纤之间依次设有第一透镜、双色镜、及第二透镜，所述泵浦源置于所述第一透镜的焦点处，所述泵浦源发出的泵浦光依次透射通过所述第一透镜和所述双色镜的中心后由所述第二透镜聚焦耦合进入所述光子晶体增益光纤的第一端。
优选地，所述光子晶体增益光纤与所述Herriott池之间依次设有第二透镜、双色镜、第一平面高反镜、及第二平面高反镜，从所述光子晶体增益光纤的第一端发射的谐振腔内振荡光经所述第二透镜准直输出后，再由所述双色镜、第一平面高反镜和第二平面高反镜依次反射后，水平入射到所述Herriott池中，所述双色镜、所述第一平面高反镜的入射光与反射光之间的夹角均为90°，所述第二平面高反镜的入射光与反射光之间的夹角介于0°-90°之间。
优选地，所述Herriott池包括第三平面高反镜、凹面反射镜、第四平面高反镜、及第五平面高反镜；所述谐振腔内振荡光经所述第二平面高反镜反射后射入所述Herriott池中的第三平面高反镜，再经所述第三平面高反镜反射后，在所述凹面反射镜与第四平面高反镜之间多次反射，最后，由所述第五平面高反镜将谐振腔内振荡光从Herriott池中反射出去，所述第三平面高反镜的入射光与反射光之间的夹角范围90°～180°；所述第五平面高反镜的入射光与反射光之间的夹角范围0°～90°。
优选地，所述Herriott池与所述偏振相关隔离器之间依次设有第六平面高反镜、第一1/4波片、半波片，经由所述Herriott池输出的谐振腔内振荡光经所述第六平面高反镜水平反射后，依次透射通过所述第一1/4波片与所述半波片，并射入所述偏振相关隔离器内，所述第六平面高反镜的入射光与反射光之间的夹角范围90°～180°。
优选地，所述偏振相关隔离器与所述偏振器之间依次设有所述带通滤波器、第七平面高反镜，透过所述偏振相关隔离器的谐振腔内振荡光透射通过所述带通滤波器后再由所述第七平面高反镜反射进入所述偏振器。
优选地，所述偏振器与所述光子晶体增益光纤的第二端依次设有第八平面高反镜、所述熔融石英块、第二1/4波片、及第三透镜，透过所述偏振器的谐振腔内振荡光通过所述第八平面高反镜反射后进入所述熔融石英块，透过所述熔融石英块的谐振腔内振荡光透射所述第二1/4波片后再由所述第三透镜聚焦耦合进入所述光子晶体增益光纤的第二端以构成谐振腔，所述第七平面高反镜与所述第八平面高反镜的入射光与反射光之间的夹角为90°。
优选地，所述Herriott池内的凹面反射镜与第四平面高反镜之间的距离为L、所述凹面反射镜的曲率半径为R，光线在Herriott池内的往返次数为n，谐振腔内振荡光绕光轴旋转角度为m，其中，n、m均为整数；为使所述Herriott池的q值为1，使输入Herriott池的光斑直径与输出Herriott池的光斑直径相等，须符合以下条件：
优选地，所述光子晶体增益光纤采用掺镱棒状光子晶体增益光纤，或采用掺镱大模场面积光子晶体增益光纤，并置于一铝块V型槽上；所述光子晶体增益光纤的两端分别熔融拼接直径为6mm、长度为5mm和倾角为3-8°的石英端冒，且石英端冒镀膜满足对泵浦光和谐振腔内振荡光的高透效果。
优选地，所述偏振器采用偏振棱镜，或采用偏振片，且两端镀有对谐振腔内振荡光Ⅰ的宽带增透膜；所述带通滤波器12采用干涉滤波片，或采用双折射滤波片；所述熔融石英块以布儒斯特角切割且两端镀有对谐振腔内振荡光的宽带增透膜，其长度为0～1m，通光口径满足大于5mm
相较于现有技术，本申请具有以下优点：
1、本申请采用非线性偏振旋转被动锁模技术产生高功率高能量超短脉冲锁模激光输出，克服了现有技术采用石墨烯可饱和吸收体和半导体可饱和吸收镜(SESAM)等作为锁模器件的缺点，使得本申请具有高峰值功率输出的优点。
2、本申请采用掺镱棒状光子晶体增益光纤，或采用掺镱大模场面积光子晶体增益光纤作为增益介质，克服了单模光纤作为增益介质和单模光纤作为模式过滤器的缺点，使得本申请具有高输出功率和高输出能量的优点。
3、本申请采用基于Herriott池的光路延时技术来扩展振荡器腔长，提高输出能量，克服了现有技术采用平面高反镜阵列作为光路延时器的缺点，使得本发明具有高输出光束质量的优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请基于Herriott池的锁模光纤激光器的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
请参阅图1所示，本申请基于Herriott池的锁模光纤激光器包括泵浦源1、光子晶体增益光纤5、Herriott池11、偏振相关隔离器8、带通滤波器7、偏振器9、熔融石英块10、及若干镜子。所述光子晶体增益光纤5、Herriott池11、偏振相关隔离器8、带通滤波器7、偏振器9、熔融石英块10及所述若干镜子构成一环形腔。
所述镜子包括若干透镜、双色镜、若干平面高反镜、波片等。所述泵浦源1与所述光子晶体增益光纤5之间依次设有第一透镜21、双色镜3、及第二透镜22。所述泵浦源1置于所述第一透镜21的焦点处，所述泵浦源1发出的泵浦光依次透射通过所述第一透镜21和所述双色镜3的中心后由第二透镜22聚焦耦合进入所述光子晶体增益光纤5的一侧。
所述光子晶体增益光纤5与所述Herriott池之间依次设有所述第二透镜22、双色镜3、第一平面高反镜41、及第二平面高反镜42。从所述光子晶体增益光纤5发射的谐振腔内振荡光I经所述第二透镜22准直输出后，再由所述双色镜3、第一平面高反镜41和第二平面高反镜42依次反射后，水平入射到所述Herriott池11中。所述光子晶体增益光纤5的一侧置于所述第二透镜22的焦点处，所述双色镜3、所述第一平面高反镜41的入射光与反射光之间的夹角均为90°，所述第二平面高反镜42的入射光与反射光之间的夹角介于0°-90°之间。
所述Herriott池11置于所述第二平面高反镜42的另一侧，所述第二平面高反镜42置于光路经所述第一平面高反镜41反射的水平线上，经所述第二平面高反镜42反射的谐振腔内振荡光Ⅰ水平入射到Herriott池11中。所述Herriott池11包括第三平面高反镜43、凹面反射镜4、第四平面高反镜44、及第五平面高反镜45；所述谐振腔内振荡光Ⅰ经所述第二平面高反镜42反射后射入所述Herriott池11中的第三平面高反镜43，所述谐振腔内振荡光Ⅰ经所述第三平面高反镜43反射后，在所述凹面反射镜4与第四平面高反镜44之间多次反射，使得谐振腔内振荡光Ⅰ在Herriott池11中往返n(n为整数)次后由所述第五平面高反镜45将谐振腔内振荡光Ⅰ从Herriott池11中反射出去。所述第三平面高反镜43的入射光与反射光之间的夹角范围90°～180°；所述第五平面高反镜45的入射光与反射光之间的夹角范围0°～90°。
所述Herriott池11与所述偏振相关隔离器8之间依次设有第六平面高反镜46、第一1/4波片61、半波片7。经由所述Herriott池11输出的谐振腔内振荡光Ⅰ经所述第六平面高反镜46水平反射后，依次透射通过所述第一1/4波片61与所述半波片7，并射入所述偏振相关隔离器8内，所述偏振相关隔离器8产生输出光II。所述第六平面高反镜46的入射光与反射光之间的夹角范围90°～180°。
所述偏振相关隔离器8与所述偏振器9之间依次设有所述带通滤波器12、第七平面高反镜47。透过所述偏振相关隔离器8的谐振腔内振荡光Ⅰ透射通过所述带通滤波器12后再由所述第七平面高反镜47反射进入所述偏振器9。透过所述偏振器9的谐振腔内振荡光Ⅰ通过第八平面高反镜48反射后进入所述熔融石英块10。
透过所述熔融石英块10的谐振腔内振荡光Ⅰ透射一第二1/4波片62后再由一第三透镜23聚焦耦合进入所述光子晶体增益光纤5的另一侧，由此形成环形振荡腔。所述第七平面高反镜47与所述第八平面高反镜48的入射光与反射光之间的夹角为90°。
所述光子晶体增益光纤5采用掺镱棒状光子晶体增益光纤，或采用掺镱大模场面积光子晶体增益光纤，并置于一铝块V型槽上；所述光子晶体增益光纤5的两端分别熔融拼接直径为6mm、长度为5mm和倾角为3-8°的石英端冒，且石英端冒镀膜满足对泵浦光和谐振腔内振荡光Ⅰ的高透效果。
所述偏振器9采用偏振棱镜，或采用偏振片，且两端镀有对谐振腔内振荡光Ⅰ的宽带增透膜。
所述Herriott池8通过合理设置所述凹面反射镜4与第四平面高反镜44之间的距离L、以及所述凹面反射镜4的曲率半径R使得所述Herriott池的q值为1(q＝1),使输入Herriott池11的光斑直径与输出Herriott池11的光斑直径相等；所述凹面反射镜4及第四平面高反镜44之间的距离L以及所述凹面反射镜4的曲率半径R符合以下公式条件：
其中,R代表所述凹面反射镜4的曲率半径，L代表所述凹面反射镜4与所述第四平面高反镜44之间的距离，n代表光线在Herriott池11内的往返次数(即所述凹面反射镜4与所述第四平面高反镜44的镜片上光斑的个数)，m代表谐振腔内振荡光Ⅰ绕光轴旋转角度，n、m均为整数。
所述带通滤波器12采用干涉滤波片，或采用双折射滤波片。
所述熔融石英块10以布儒斯特角切割且两端镀有对谐振腔内振荡光Ⅰ的宽带增透膜，其长度为0～1m，通光口径满足大于5mm。
所述第二透镜22与第三透镜23的焦距相等，且两端镀有泵浦光和谐振腔内振荡光Ⅰ的增透膜；所述双色镜3镀膜满足对谐振腔内振荡光Ⅰ全反，对泵浦光增透；所述第一至第八平面高反镜41-48和所述凹面反射镜4表面镀谐振腔内振荡光Ⅰ全反膜；所述第一、第二1/4波片61,62和半波片7采用空气隙零级波片且镀有谐振腔内振荡光Ⅰ宽带增透膜。
在一实施例中，所述泵浦源1选用100W,976nm窄线宽半导体激光器；所述第一透镜21采用焦距为40mm精密抛光非球面透镜，镀膜满足976nm泵浦光增透；所述双色镜3靠近泵浦光的一面(泵浦面)表面镀膜满足976nm增透，朝向谐振腔内振荡光Ⅰ的表面镀膜满足对宽带(1000-1100nm)高反，976nm增透；所述第二透镜22和第三透镜23可选用焦距为50mm精密抛光非球面透镜，且两端均镀976nm和谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)增透膜；所述光子晶体增益光纤5采用丹麦NKT公司生产的长度为1.2m，泵浦吸收率为22dB的掺镱棒状光子晶体增益光纤，其纤芯直径为85m，包层直径为260m，固定在一铝块V型槽热沉上，两端分别熔融拼接直径为6mm、长度为5mm和倾角为3°的石英端冒(防止标准具效应影响锁模稳定性)，且石英端冒镀膜满足对泵浦光和谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)增透；所述熔融石英块10选用长度为50cm，通光口径10mm，布儒斯特角切割且两端镀谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)增透膜；所述第一平面高反镜41与第二平面高反镜42是直径为25.4mm的熔融石英镜片，表面镀谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)的高反膜；所述第三平面高反镜43和第五平面高反镜45是口径为12.5mm×12.5mm方形熔融石英镜片，表面镀谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)的高反膜；所述凹面反射镜4和第四平面高反镜44选用直径75mm，厚度15mm的熔融石英镜片，反射面镀膜满足谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)高反，所述凹面反射镜4的曲率半径为R＝8.5m，所述凹面反射镜4与第四平面高反镜44之间的距离为L＝1.25m，其中n＝8，m＝2；所述第六平面高反镜46、第七平面高反镜47和第八平面高反镜48是直径为25.4mm的熔融石英镜片，表面镀谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)高反膜；所述第一1/4波片61、半波片7和第二1/4波片62选用空气隙高损伤阈值零级波片，表面镀膜满足谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)高反；所述偏振相关隔离器8选用通光口径为25.4mm，表面镀膜满足谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)高反的单向偏振相关隔离器，以确保激光器单向运转；所述带通滤波器12选用通光口径25.4mm，厚度5mm且布儒斯特角放置的双折射型滤波片；所述偏振器9选用通光口径为25.4mm空气隙格兰激光棱镜，表面镀膜满足谐振腔内振荡光Ⅰ宽带(1000-1100nm)高反。
所述泵浦源1发出的泵浦光经过第一透镜21准直，后通过所述双色镜3由第二透镜22聚焦耦合进入所述光子晶体增益光纤5，所述谐振腔内振荡光Ⅰ与所述泵浦源1发出的泵浦光传输方向相反，所述光子晶体增益光纤5发出的谐振腔内振荡光Ⅰ首先经第二透镜22准直，后依次经双色镜3、第一平面高反镜41和第二平面高反镜42反射到Herriott池11内的第三平面高反镜43。在所述Herriott池11内，谐振腔内振荡光Ⅰ经由第三平面高反镜43反射到所述凹面反射镜4，调节所述凹面反射镜4的角度，使得谐振腔内振荡光Ⅰ反射到所述第四平面高反镜44，调节第四平面高反镜44的角度使得谐振腔内振荡光Ⅰ再次反射到凹面反射镜4上，如此反复调节，直到所述凹面反射镜4和第四平面高反镜44上的光斑呈圆周对称均匀分布，实现n(本实施中n为8)通运转，之后，谐振腔内振荡光Ⅰ依次经过所述第五平面高反镜45反射后离开所述Herriott池11。经由所述第五平面高反镜45反射后的谐振腔内振荡光Ⅰ再经由所述第六平面高反镜46反射后，依次透射所述第一1/4波片61、半波片7、偏振相关隔离器8和所述带通滤波器12后，又经由所述第七平面高反镜47反射后透过所述偏振器9，最后经第八平面高反镜48反射并依次透过熔融石英块10、第二1/4波片62和第三透镜23，由第三透镜23将其耦合进入光子晶体增益光纤5的另一侧，构成环形振荡。通过调节所述第一1/4波片61、半波片7、带通滤波器12、以及第二1/4波片62可实现稳定锁模运转，该环形振荡器总腔长为15m。
相较于现有技术，本申请具有以下优点：
1、本申请采用非线性偏振旋转被动锁模技术产生高功率高能量超短脉冲锁模激光输出，克服了现有技术采用石墨烯可饱和吸收体和半导体可饱和吸收镜(SESAM)等作为锁模器件的缺点，使得本申请具有高峰值功率输出的优点。
2、本申请采用掺镱棒状光子晶体增益光纤，或采用掺镱大模场面积光子晶体增益光纤作为增益介质，克服了单模光纤作为增益介质和单模光纤作为模式过滤器的缺点，使得本申请具有高输出功率和高输出能量的优点。
3、本申请采用基于Herriott池的光路延时技术来扩展振荡器腔长，提高输出能量，克服了现有技术采用平面高反镜阵列作为光路延时器的缺点，使得本发明具有高输出光束质量的优点。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。