光纤激光器及光学系统的制作方法

本发明涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种光纤激光器及光学系统。

背景技术：

锁模激光技术是产生超短脉冲的一种重要技术。现有的非线性偏振旋转锁模技术可产生fs量级超短脉冲，是目前产生fs激光的最重要的方法。对于激光器而言，锁模脉冲重复频率由谐振腔长度决定，确定的谐振腔长度产生确定的重复频率锁模脉冲。

然而，在现有的光纤激光器中，由于难以依靠精确切割技术实现确定的谐振腔长度，因此一般难以获得所要求的确定的重复频率的锁模脉冲，对于百mhz量级的锁模激光器，一般谐振腔长度在亚mm量级，而造成的重复频率的误差在百khz量级。而同时由于温度对光纤造成热胀冷缩的影响，一般锁模脉冲重复频率还会产生抖动，使得重复频率难以稳定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光纤激光器及光学系统，其重复频率可调，且具有良好的频率稳定性，可实现高重频高稳定的超短脉冲输出。

本发明的实施例是这样实现的：

一方面，本发明实施例提供了一种光纤激光器，其包括泵浦光源、多功能光纤器件、腔长调节模块、偏振控制器，所述泵浦光源和所述偏振控制器分别与所述多功能光纤器件耦合，所述多功能光纤器件和所述腔长调节模块耦合，所述腔长调节模块和所述偏振控制器耦合，所述多功能光纤器件和所述腔长调节模块之间设有增益光纤，所述腔长调节模块用于根据输入的腔长调节信号改变所述腔长调节模块内光通过的光程，由所述泵浦光源输出的泵浦光经过所述多功能光纤器件耦合进入所述增益光纤内产生信号光；所述信号光依次经过所述腔长调节模块和所述偏振控制器，耦合进入所述多功能光纤器件中；所述信号光的一部分通过所述多功能光纤器件输出，其他部分在激光器内继续振荡。

在本发明较佳的实施例中，所述泵浦光源和所述多功能光纤器件之间、所述多功能光纤器件和所述增益光纤之间、所述增益光纤和所述腔长调节模块之间、所述腔长调节模块和所述偏振控制器之间、所述偏振控制器和所述多功能光纤器件之间均通过单模光纤耦合。

在本发明较佳的实施例中，所述腔长调节模块包括第一准直透镜、第二准直透镜、拔高镜和压电转换装置，所述第一准直透镜和所述第二准直透镜设置在所述拔高镜的同一侧，所述压电转换装置设有外接信号输入端口，用于根据输入的腔长调节信号改变所述压电转换装置到所述第一准直透镜的距离，由所述增益光纤输出的信号光依次经过所述第一准直透镜、所述拔高镜、所述压电转换装置和所述第二准直透镜，输出至所述偏振控制器。

在本发明较佳的实施例中，所述压电转换装置包括压电陶瓷和纳米平移台，所述拔高镜远离所述第一准直透镜的一面贴合在所述压电陶瓷上，所述压电陶瓷设置在所述纳米平移台上，所述压电陶瓷和所述纳米平移台分别设有外接信号输入端口，用于根据分别独立输入的腔长调节信号改变所述压电陶瓷及所述纳米平移台到所述第一准直透镜的距离，由所述第一准直透镜出射的信号光入射到所述拔高镜靠近所述第一准直透镜的一侧表面发生折射，再经过所述拔高镜和所述压电陶瓷的贴合面反射，再次入射到所述拔高镜靠近所述第一准直透镜的一侧表面发生折射，最后经过所述第二准直透镜出射。

在本发明较佳的实施例中，所述纳米平移台设置有手动粗调旋钮，用于调节所述纳米平移台的位置。

在本发明较佳的实施例中，所述光纤激光器还包括光分束器和反馈电路，所述光分束器分别和所述多功能光纤器件、所述反馈电路耦合，所述反馈电路和所述腔长调节模块电耦合，由所述多功能光纤器件输出的部分信号光经过所述光分束器分为两路信号，其中一路信号输出，另一路信号经过所述反馈电路转换为反馈调节信号输入所述腔长调节模块，用于改变所述腔长调节模块内光通过的光程。

在本发明较佳的实施例中，所述反馈电路包括光电探测器和电动稳频反馈装置，所述光电探测器和所述电动稳频反馈装置电耦合，所述电动稳频反馈装置和所述腔长调节模块电耦合，由所述光分束器输出的一路信号进入所述光电探测器转换为电信号，再经过所述电动反馈装置输出至所述腔长调节模块，以改变所述腔长调节模块内光通过的光程。

在本发明较佳的实施例中，所述多功能光纤器件的信号光输出比例为10％。

在本发明较佳的实施例中，所述偏振控制器为手动偏振控制器或电动偏振控制器。

另一方面，本发明实施例提供了一种光学系统，其包括振荡检测器和如上所述的光纤激光器，所述振荡检测器和所述光纤激光器中的多功能光纤器件耦合，由所述多功能光纤器件输出的信号光进入所述振荡检测器转换为振荡检测信号输出，以检测所述光纤激光器的重复频率。

本发明实施例提供的光纤激光器及光学系统，通过多功能光纤器件的耦合、偏振隔离等功能实现环形锁模谐振腔，使得从泵浦光源输出的泵浦光能够在增益光纤内产生信号光并在环形谐振腔中重复振荡放大，产生的超短脉冲通过所述多功能光纤器件部分输出；另外，在环形谐振腔中设置具有外接信号输入端口的腔长调节模块，可以通过从外部输入腔长调节信号来改变所述腔长调节模块内光通过的光程，即改变了环形谐振腔内光传播的几何路径长度，实现了谐振腔长度的调节，进而实现锁模脉冲重复频率的调节和控制。相对于现有技术，本发明实施例提供的光纤激光器设计了腔长调节结构，可实现重复频率的微调以及低频率抖动的脉冲输出，其结构简单、稳定性高、可工程化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的光纤激光器中腔长调节模块的结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的光学系统的结构示意图；

图4为本发明第二实施例提供的光纤激光器的结构示意图。

图标：100-泵浦光源；200-多功能光纤器件；300-增益光纤；400-腔长调节模块；410-第一准直透镜；420-第二准直透镜；430-拔高镜；440-压电陶瓷；450-纳米平移台；460-封装外壳；500-偏振控制器；600-振荡检测器；700-光分束器；800-光电探测器；900-电动稳频反馈装置；1000-光纤激光器；2000-光学系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对于描述光束前进过程的术语，例如“射入”、“经过”、“通过”、“透射”等并不表示要求光束完全穿透或是分束，而是描述一种光学变化或光学处理。如“通过”仅仅是指光束经过该光学元件之后发生了光学上的变化，使光束受到处理而获得解决技术问题所需要的光束，根据具体实施方案中光学元件的不同，可能是反射也可能是透射。另外，“透射”是指光束入射到某一物质分界面发生折射并穿透该分界面的现象，与“反射”相对。

此外，“输入”、“输出”、“反馈”、“形成”等术语应理解为是描述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“形成”仅仅是指光信号或电信号通过该元件、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述光纤激光器及光学系统中各元件的工作原理，表现其中各部分之间的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的光路方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供了一种光纤激光器1000，其包括泵浦光源100、多功能光纤器件200、腔长调节模块400、偏振控制器500。所述泵浦光源100和所述偏振控制器500分别与所述多功能光纤器件200耦合，所述多功能光纤器件200和所述腔长调节模块400耦合，所述腔长调节模块400和所述偏振控制器500耦合，所述多功能光纤器件200和所述腔长调节模块400之间设有增益光纤300。

本实施例中，所述泵浦光源100和所述多功能光纤器件200之间、所述多功能光纤器件200和所述增益光纤300之间、所述增益光纤300和所述腔长调节模块400之间、所述腔长调节模块400和所述偏振控制器500之间、所述偏振控制器500和所述多功能光纤器件200之间均可以通过单模光纤耦合。特别的，所述腔长调节模块400可直接与所述增益光纤300的一端耦合，即所述增益光纤300直接作为所述腔长调节模块400的一端尾纤，所述增益光纤300的另一端再与所述多功能光纤器件200的一端尾纤耦合，这样可以实现更高的重复频率要求。本实施例中，各光纤之间可以通过熔接的方式进行耦合。

本实施例中，所述泵浦光源100可以是为光纤激光器1000提供激励的激光光源，例如可以是输出稳定的半导体激光器。泵浦光源100的输出波长可以根据增益光纤300中掺杂的类型进行选择，本实施例中，所采用的泵浦光源100的输出波长可以是976nm。

所述多功能光纤器件200是一种同时具有光波分复用、偏振隔离、分光等功能的多功能组合器件。本实施例中，所述多功能光纤器件200有四个信号输入输出端口与光纤耦合，分别为a端口、b端口、c端口和d端口。从所述泵浦光源100输出的泵浦光，由所述多功能光纤器件200的a端口输入，再由所述多功能光纤器件200的b端口输出至所述增益光纤300内产生信号光。由于泵浦光和信号光的偏振态及频率不同，泵浦光只能由所述多功能光纤器件200的b端口输出，而其他的端口对泵浦光具有隔离的效果。

所述多功能光纤器件200的a端口一般只用于泵浦光的输入，而c端口用于锁模脉冲输入，b端口和d端口用于部分信号光的输出。可以理解的是，本实施例中，所述多功能光纤器件200的b端口和c端口可以看作是光纤激光器1000中锁模谐振腔的两端，信号光在c端口到b端口之间通过环形的锁模谐振腔振荡并实现锁模。

本实施例中，信号光的功率在b端口到c端口之间的光纤中环形振荡被不断放大，其中可以设定有10％的信号光由所述多功能光纤器件200的d端口输出，而剩余的90％继续在环形的谐振腔中振荡放大。可以理解的是，在本实施例中，由于信号光和泵浦光的偏振态及频率不同，而多功能光纤器件200具有偏振隔离作用，从c端口输入的信号光由所述多功能光纤器件200的b端口或d端口输出。

所述增益光纤300可以吸收进入其中的泵浦光，并激发出和泵浦光频率不同的信号光。本实施例中，增益光纤300可以是保偏增益光纤。对应于976nm的泵浦光和1064nm的信号光输出，所述增益光纤300可以是掺有稀土元素的光纤，例如掺镱光纤。

请参照图2，本实施例中，所述腔长调节模块400包括第一准直透镜410、第二准直透镜420、拔高镜430、压电转换装置。所述第一准直透镜410和所述第二准直透镜420设置在所述拔高镜430的同一侧，所述压电转换装置设有外接信号输入端口，用于根据输入的腔长调节信号改变所述压电转换装置到所述第一准直透镜410以及所述第二准直透镜420的距离。

本实施例中，所述腔长调节模块400还可以包括封装外壳460，所述第一准直透镜410、第二准直透镜420、拔高镜430和压电转换装置可以均设置在所述封装外壳460中。

本实施例中，所述第一准直透镜410和第二准直透镜420的光轴方向平行。所述封装外壳460有两个输入输出端口，分别为e端口和f端口，这两个端口均耦合有单模光纤，这两根光纤的光传播方向分别对应第一准直透镜410的光轴和第二准直透镜420的光轴。可以理解的是，由所述增益光纤300输出的信号光，经所述封装外壳460上e端口耦合的尾纤输入所述腔长调节模块400，直接沿所述第一准直透镜410的光轴方向透射并入射到所述拔高镜430靠近所述第一准直透镜410的表面上，发生折射方向改变；再经所述拔高镜430远离所述第一准直透镜410的表面发生全反射，再次入射到所述拔高镜430靠近所述第一准直透镜410的表面上，发生折射方向改变，此时的信号光方向与从所述第一准直透镜410入射到所述拔高镜430上的光束方向平行且刚好相反；从所述拔高镜430靠近所述第一准直透镜410的表面出射的信号光经所述第二准直透镜420汇聚，最终由所述封装外壳460上f端口耦合的尾纤输出至所述偏振控制器500。由光的可逆性可知，从所述封装外壳460上e端口输入并从f端口输出的光路，和从f端口输入并从e端口输出的光路完全相同，其信号光的传输方向相反。

本实施例中，所述压电转换装置又包括压电陶瓷440和纳米平移台450。所述拔高镜430远离所述第一准直透镜410的一面贴合在所述压电陶瓷440上，所述压电陶瓷440设置在所述纳米平移台450上。所述压电陶瓷440和所述纳米平移台450设有外接信号输入端口，分别为a端口和b端口，用于根据输入的腔长调节信号改变所述压电陶瓷440或所述纳米平移台450到所述第一准直透镜410以及所述第二准直透镜420的距离。

本实施例中，压电陶瓷440和纳米平移台450的工作是相互独立的。所述压电陶瓷440和所述纳米平移台450可以在a端口和b端口分别接有一根外接电线来输入不同的电压，用于分开控制所述压电陶瓷440和纳米平移台450的位置。可以理解的是，所述压电陶瓷440和纳米平移台450的位置的改变，都能够使所述拔高镜430的位置发生相应改变，即改变所述拔高镜430到所述第一准直透镜410和第二准直透镜420的距离，进而使所述腔长调节模块400中光通过的光程(几何路径)改变，最终实现光纤激光器1000中锁模谐振腔的腔长改变，即实现了由所述多功能光纤器件200输出的信号光(锁模脉冲)的重复频率的改变。

本实施例中，纳米平移台450可以实现纳米级精度的位置调节。所述纳米平移台450还设置有手动粗调旋钮，能够在重频误差较大时采用手动粗调的方式快速调节纳米平移台450的位置，进而调节所述腔长调节模块400中光通过的几何路径长度，以改善腔长误差。同样的，压电陶瓷440也可以设置手动调节旋钮以对腔长误差进行手动粗调。

本实施例中，所述偏振控制器500可以是手动偏振控制器或电动偏振控制器，即可以通过手动或输入电压的方式对偏振控制器500的偏振状态进行调整。由所述腔长调节模块400的f端口尾纤输出的锁模脉冲经所述偏振控制器500进入所述多功能光纤器件200的c端口，其中部分由所述多功能光纤器件200的d端口输出，剩余部分由b端口输出，继续在环形的谐振腔内震荡，依次经过增益光纤300、腔长调节模块400、偏振控制器500，再从所述多功能光纤器件200的c端口输入，如此循环。。

请参照图3，本实施例还提供了一种光学系统2000，其包括振荡检测器600和如上所述的光纤激光器1000，所述振荡检测器600和所述光纤激光器1000中的多功能光纤器件200的d端口光纤耦合。

由所述多功能光纤器件200d端口光纤输出的信号光进入所述振荡检测器600内发生光电转换，转换为振荡检测信号输出。

本实施例中，输出的振荡检测信号可以连接至显示设备如示波器，以实时检测所述光纤激光器1000中环形谐振腔的重复频率。如果检测到输出的脉冲信号的重复频率和所需要的重复频率误差较大，此时可以选择给压电陶瓷440或纳米平移台450输入相应电压，或是直接粗调压电陶瓷440或纳米平移台450来对所述环形谐振腔的腔长进行调节，直至输出的脉冲信号频率与所需的重复频率误差在可接受范围内，即完成了对光纤激光器1000的腔长调节。

本实施例提供的光纤激光器1000，可通过从外部输入腔长调节信号来改变所述腔长调节模块400内压电陶瓷440和纳米平移台450的位置，利用压电陶瓷440和纳米平移台450位置的改变来调节环形谐振腔内光传播的几何路径长度，实现了谐振腔长度的调节，进而实现光纤激光器1000输出的锁模脉冲重复频率的调节和控制。相对于现有技术，本发明实施例提供的光纤激光器1000优化了腔长结构，实现了重复频率的可微调以及低频率抖动的脉冲输出，其结构简单、稳定性高、可工程化。

第二实施例

请参照图4，本实施例提供了一种光纤激光器1000，和本发明第一实施例最大的不同在于，所述光纤激光器1000还包括光分束器700和反馈电路。所述光分束器700g端口、h端口分别和所述多功能光纤器件200的d端口、所述反馈电路的输入端耦合，所述光分束器700的i端口输出信号光，所述反馈电路的输出端和所述腔长调节模块400电耦合。

本实施例中，所述反馈电路又包括光电探测器800和电动稳频反馈装置900，所述光分束器700的h端和所述光电探测器800耦合，所述光电探测器800和所述电动稳频反馈装置900耦合，所述电动稳频反馈装置900和所述腔长调节模块400中的压电陶瓷440a端口耦合。

本实施例中，所述电动稳频反馈装置900可以将从光电探测器800传输过来的脉冲信号频率与参考频率作比较，当实际脉冲信号的振荡频率偏离所述参考频率时，所述电动稳频反馈装置900会依据所述参考频率对接收到的脉冲信号作调制，由电动稳频反馈装置900调制后输出的反馈调节信号能够对所述压电陶瓷440施加相应的修正电压，相应改变拔高镜430的位置，进而调节光纤激光器1000中环形谐振腔的腔长，直至实际由光分束器700i端口输出的脉冲激光信号的频率和参考频率的差值在可接受范围内，从而可以自动修正输出脉冲激光重复频率的偏差。

本实施例提供的光纤激光器1000，能够通过电动稳频反馈装置900中预设的参考频率对实际输出的脉冲激光的重复频率进行自动修正，简化了人为操作，实现了低抖动频率、可自启动、小型轻量化的激光器。

综上所述，本发明实施例提供的光纤激光器及光学系统，通过多功能光纤器件的耦合、偏振隔离等功能实现环形锁模谐振腔，使得从泵浦光源输出的泵浦光能够在增益光纤内产生信号光并在环形谐振腔中重复振荡放大，产生的超短脉冲通过所述多功能光纤器件部分输出；另外，在环形谐振腔中设置具有外接信号输入端口的腔长调节模块，可以通过从外部输入腔长调节信号来改变所述腔长调节模块内光通过的光程，即改变了环形谐振腔内光传播的几何路径长度，实现了谐振腔长度的调节，进而实现锁模脉冲重复频率的调节和控制。相对于现有技术，本发明实施例提供的光纤激光器设计了腔长调节结构，可实现重复频率的微调以及低频率抖动的脉冲输出，其结构简单、稳定性高、可工程化。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。