一种高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器

1.本技术涉及工业自动化领域，尤其涉及一种高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器。


背景技术：

2.锁模技术是现有的实现超短激光脉冲输出最常用的方法之一，主要包括主动锁模和被动锁模。其中，主动锁模是通过在腔内加入人工调制器来实现锁模，往往受限于调制器的响应时间，其输出的脉冲宽度能达到纳秒(ns)、皮秒(ps)的量级，很难获得飞秒(fs)量级的超短脉冲；而被动锁模使用的是可饱和吸收体效应，利用谐振腔本身的自身结构而不是外部调制来实锁模，其响应速度快，输出的脉冲宽度能轻易实现几皮秒，甚至飞秒量级脉冲的输出。此外被动锁模具有结构相对简单，成本较低，并且自身的稳定性好等诸多优点被更广泛的应用于诸多锁模振荡器中。
3.被动锁模机制常采用可饱和吸收体来实现锁模。现有的较为成熟的被动锁模机制包括基于材料的真实可饱和吸收体锁模和基于光学克尔效应的人工可饱和吸收体锁模。其中，真实可饱和吸收体锁模技术表现出了可靠的自启动锁模能力，但存在着恢复时间长、制备复杂且困难、损伤阈值低以及长时间运转后面临性能退化等问题，需要定期更换以维持激光器性能，因此单纯用真实可饱和吸收体构建锁模光纤激光器存在着后期维护困难等问题。相比之下，人工可饱和吸收体具有极快恢复时间(几飞秒)、极高损伤阈值以及灵活方便的结构设计等优点，因此在产生高功率、高能量及超短脉冲输出方面成为了锁模光纤激光器的优选方案。
4.当前人工可饱和吸收体主要存在两种常见形式，即非线性偏振旋转演化(npe)锁模技术及非线性环路反射镜(nalm)锁模技术。过去数十年，npe技术在超快光纤激光器领域里获得了广泛研究，但是它最成功的实施方案是在非保偏光纤中，这使它极易受到外界环境变化(如温度变化、声波振动、机械振动等)的影响，从而导致锁模不稳定而影响激光器的长期稳定性，这也成为了npe锁模光纤激光器实现商业化的绊脚石。相比之下，nalm锁模技术不依赖于偏振演化，甚至不能出现偏振演化，因此天然适用于保偏光纤激光器，但基于nalm技术的成熟“8”字形振荡腔需要累积一定的非线性相移实现锁模，因此腔长不能过短，无法实现高重复频率的脉冲输出，输出能量也受到限制。
5.综上，就输出性能方面而言，npe技术表现出了更大的优势。但它在长期稳定性方面又不如nalm技术，想要拥有这一优势，则需要将npe技术应用到保偏光纤中，保偏光纤对外界环境不敏感，可以规避非保偏光纤弱双折射效应引起的调制不稳定性，进而提升激光腔的整体环境稳定性，是实现光纤激光器商用化不可或缺的要素。想在保偏光纤中成功实现npe，需要克服的一个关键科学问题是如何解决快慢轴不同群速度引入的时延导致偏振演化失败，这成为了近年来的研究热点。2017年szczepanek课题组在光学快报(optics letters)上发表名为《ultrafast laser mode-locked using nonlinear polarization evolution polarization maintaining fibers》的文章中将保偏光纤与npe锁模技术结
合，利用多段保偏光纤角度熔接形成人工可饱和吸收体，搭建基于npe锁模的全保偏环形腔光纤激光器，获得脉宽为150fs脉冲输出，重复频率为20.54mhz,输出能量为0.85nj。2019年华东师范大学相关课题组在应用物理期刊《applied physics express》的《generation of stretched pulses from an allpolarization-maintaining er-doped mode-locked fiber laser using nonlinear polarization evolution》搭建的环形腔保偏光纤激光器，采用三段保偏掺铒光纤角度熔接实现npe锁模，获得重复频率为90.5mhz，脉宽为90fs的拉伸脉冲。2021年中国科技大学相关课题组在《applied physics express》发表的《all polarization-maintain fiber mode-locked laser based on nonlinear polarization evolution》中搭建的基于npe锁模的环形腔保偏光纤激光器，将两个偏振分束镜(pbs)置于两段保偏增益光纤之间代替了光纤与光纤之间的角度熔接，获得了重复频率为2.36mhz，脉冲能量为21.2nj的耗散孤子脉冲，但其结构十分繁琐复杂。
6.以上装置均为环形腔结构的保偏光纤激光器，前两项研究为了补偿了脉冲走离、群速度失配的问题，需要将多段光纤对多段光纤进行角度熔接，并且每段光纤长度需要按比例精确控制，这在技术层面是个难题，从而出现了输出的光谱不规则的现象，当轻微拍打熔接点附近的光纤时还会面临锁模失锁问题，无法实现脉冲的长期稳定输出。而后一种方案需要特殊定制两种光纤结构pbs器件，使结构复杂，成本高昂。以上方案由于技术等问题均无法实现大规模量产，不利于光纤激光器的商业化发展。


技术实现要素：

7.为了解决上述现有技术中存在的技术问题,本技术的主要目的在于提供一种高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器，本技术所提供的高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器采用拼装式结构，产品形式灵活多样，可根据客户需求灵活变换不同的拼装方式，组合成不同的产品。
8.第一方面，本技术提供了一种高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器，由泵浦源和激光振荡腔两部分构成，所述泵浦源通过二向色镜将泵浦光依次照射经过第一准直透镜、第一光纤连接头、保偏光纤、第二光纤连接头、第二准直透镜以及第二法拉第旋光器到达第二反射镜，所述第二反射镜用于将信号光折返并经二向色镜反射至第一法拉第旋光器、第一二分之一波片、第一四分之一波片以及偏振分束器后到达第一反射镜。
9.作为本发明的进一步方案，以第一反射镜为端镜的激光振荡腔和泵浦源构成基于npe锁模的线形腔保偏光纤激光器；以半导体可饱和吸收镜和透镜组合替换第一反射镜部分的激光振荡腔和泵浦源则构成混合锁模的线形腔保偏光纤激光器。
10.作为本发明的进一步方案，所述保偏光纤为保偏增益光纤两端各熔接一段无源光纤的组合。
11.作为本发明的进一步方案，还包括空间光路，所述空间光路包括法拉第旋光器和反射镜，用以对光路进行自适应补偿。
12.作为本发明的进一步方案，所述空间光路中，泵浦光通过二向色镜泵入增益光纤中。
13.作为本发明的进一步方案，还包括移相器，用于辅助锁模自启动。
14.作为本发明的进一步方案，所述移相器的组合可为第一法拉第旋光器、第一二分
之一波片和第一四分之一波片构成的非互易的相位偏置装置。
15.作为本发明的进一步方案，所述偏振分束器位于两个偏振态发生干涉的位置，所述偏振分束器为激光器提供输出端口，所述偏振分束器位于激光振荡腔内，其中，所述偏振分束器的反射端作为输出端口监测从光纤往回射后透过偏振分束器的水平偏振光。
16.作为本发明的进一步方案，所述辅助锁模部分由半导体可饱和吸收镜与非球面透镜的组合，并在偏振分束器与透镜间插入第二四分之一波片，其中，所述非球面透镜为第三准直透镜。
17.相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：
18.本技术提供一种高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器，在线形腔的一端加上法拉第旋光器和全反射镜，通过交换往返过程的光学路径实现群速度延迟和线性相位偏置的完美补偿，用自适应补偿的方法解决在保偏光纤中实现npe技术的问题；直接加入真实可饱和吸收体辅助锁模，以降低锁模阈值。
19.本发明提出的高环境稳定性的线形腔保偏光纤激光器利用法拉第旋光器和反射镜的组合方案补偿脉冲时延，不仅避免了角度熔接和长度控制的困难，而且线形结构腔相对简单，空间光的耦合难度低，后期也不需要太大的维护成本，有利于实现商业化发展。另外，本发明还通过引入半导体可饱和吸收镜、非互易相位偏置器等器件来辅助锁模，进一步提高锁模自启动能力。
20.本技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
21.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例。在附图中：
22.图1为本技术实施例中一种高环境稳定性的npe锁模线形腔保偏光纤激光器的结构示意图；
23.图2为本技术实施例中一种高环境稳定性的混合锁模线形腔保偏光纤激光器中半导体可饱和吸收镜作为端镜的替换结构示意图。
24.图3为图1中高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器的保偏光纤的实施例的结构示意图；
25.图4为本技术实施例中一种高环境稳定性的npe锁模线形腔保偏光纤激光器稳定锁模时的光谱图。
26.图5为本技术实施例中一种高环境稳定性的混合锁模线形腔保偏光纤激光器实现稳定锁模时的光谱图。
27.图6为本技术实施例中一种高环境稳定性的混合锁模线形腔保偏光纤激光器中输出脉冲自相关轨迹图。
28.图7为本技术实施例中一种高环境稳定性的混合锁模线形腔保偏光纤激光器中激光器在4小时内的稳定性测量的功率监测图。
29.图8为本技术实施例中一种高环境稳定性的混合锁模线形腔保偏光纤激光器中以
30分钟为间隔测量的八组光谱条件下激光器在4小时内的稳定性测量的示意图。
30.图中附图标记：
31.1-泵浦源、2-二向色镜、3-第一法拉第旋光器、4-第一二分之一波片、5-第一四分之一波片、6-偏振分束器、7-第一反射镜、8-第一准直透镜、9-第一光纤连接头、10-保偏光纤、101-保偏增益光纤、103-无源光纤、11-第二光纤连接头、12-第二准直透镜、13-第二法拉第旋光器、14-第二反射镜、15-移相器、16-第二四分之一波片、17-第三准直透镜、18-半导体可饱和吸收镜、19-真实可饱和吸收体锁模、20-激光振荡腔。
32.本技术目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
33.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
34.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
35.在本发明的描述中，对方法步骤的连续标号是为了方便审查和理解，结合本发明的整体技术方案以及各个步骤之间的逻辑关系，调整步骤之间的实施顺序并不会影响本发明技术方案所达到的技术效果。
36.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
37.从第一台固体激光器的出现到如今光纤激光器的发展，激光脉冲宽度实现了从纳秒量级到飞秒量级的突破，激光器的输出性能也朝着更高更好的方向发展。超快光纤激光器与固体激光器相比，因为具有光束质量好、热管理效率高、结构灵活紧凑和维护成本低等优势，所以在军事、科研、工业以及医疗等领域均具有重要应用。通过改变激光振荡腔内增益光纤的掺杂离子种类可以输出不同波段的超短脉冲，将光纤激光器的工作波段从可见光波段覆盖到中远红外波段，以满足不同领域的不同需求。例如，掺镱光纤激光器可产生1.0μm波段激光，在工业领域(如切割和焊接等)具有重要应用；掺铒光纤激光器可产生1.5μm波段激光，此波段是光通信波段的低损耗通信窗口，在光纤中传输的损耗通常只有0.2db/km，研究1.5μm波段稳定光源在光纤通信中起到很重要的作用；同时，1.5μm波段的光位于人眼安全波段，该波段对许多目标(如车辆，舰船，水泥建筑等)与背景的反差较大，在激光雷达，目标识别等军事领域应用中很具吸引力。又如，掺铥或者掺钬光纤激光器可产生位于分子“指纹”区的2μm波段超短激光脉冲，此波段涵盖了co2，h2o及no2等分子吸收谱，可以构成高灵敏度的气体传感器，用于实现大气远程遥感，又因为人体组织75％以上是水分组成的，2μm波段超短激光脉冲也广泛应用在医疗事业方面(如激光手术刀、组织切除等)等；同时，以2μm波段超短脉冲作为激光器的种子源，利用光学非线性转换效应(如差频，超连续谱产生等技术)可以轻易地将激光波长扩展到10μm以上的中远红外波段。随着光纤制备技术以及相关领域的发展，性能更好更优的光纤激光器不断的被挖掘，高稳定、易锁模的保偏光纤激光器提高了激光器在应用中的整体环境稳定性，为光纤激光器的发展作出了重要的贡献，推动了光纤激光器的发展。
38.传统的基于npe锁模的光纤激光器通常使用非保偏光纤作为光纤组件，由于npe基于干涉原理的锁模机制，锁模状态很容易受到外界环境的影响而无法长时间稳定运行。使用对环境影响不敏感的保偏光纤代替非保偏光纤，在光纤中传输的两个偏振态互相不影响，非线性相位变化只与功率有关，也不受环境影响，可以大大提高激光器的整体环境稳定性。因此，基于保偏光纤的光纤激光器具备天然的高稳定性，有利于实现商业化应用。随着光纤制备技术的不断发展，保偏掺稀土元素光纤已逐渐商用化，由于保偏光纤快慢轴群速度不同会导致快慢轴的光脉冲出现时延的问题无法实现偏振演化，因此npe锁模技术较难应用于保偏光纤中，全保偏npe锁模飞秒光纤激光器的相关报道还比较少。目前已有报道的环形腔结构，利用了光纤与光纤之间的角度熔接，解决了脉冲的时延问题，但这种技术一方面需要精确控制熔接角度，降低了制备的效率，另一方面需要精确控制光纤长度，同样是一项具有挑战的任务。其次，单纯利用npe技术实现全保偏锁模飞秒光纤激光器通常还存在锁模阈值高的问题，往往需要较大泵浦功率才能以多脉冲的状态启动，随后进一步降低泵浦功率才能实现稳定可靠的单脉冲运转。此外，锁模阈值高限制了光纤激光器的应用，提高了对泵浦源的要求，增大了使用成本。因此，解决锁模阈值高的问题也是至关重要的一项关键科学问题。
39.为此，本技术提供了一种高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器，在线形腔的一端加上法拉第旋光器和全反射镜，通过交换往返过程的光学路径实现群速度延迟和线性相位偏置的完美补偿，用自适应补偿的方法解决该技术问题，直接加入真实可饱和吸收体辅助锁模，以显著降低锁模阈值。
40.而本发明提出的高环境稳定性的线形腔保偏光纤激光器利用法拉第旋光器(fr，faraday rotator)和反射镜(m，gold mirror)的组合补偿脉冲时延，不仅避免了角度熔接和长度控制的困难，而且线形结构腔相对简单，空间光的耦合难度低，后期也不需要太大的维护成本，有利于实现商业化发展。另外，本发明还通过引入半导体可饱和吸收镜、非互易相位偏置器等器件来辅助锁模，进一步提高锁模自启动能力。
41.参见图1所示，本发明的一个实施例提供了一种高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器，所述高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器由泵浦源1和激光振荡腔20两部分构成，其中，所述泵浦源1通过二向色镜2将泵浦光依次照射经过第一准直透镜8、第一光纤连接头9、保偏光纤10、第二光纤连接头11、第二准直透镜12以及第二法拉第旋光器13到达第二反射镜14，所述第二反射镜14用于将泵浦光折返并经二向色镜2反射至第一法拉第旋光器3、第一二分之一波片4、第一四分之一波片5以及偏振分束器6后到达第一反射镜7。
42.在本技术的一些实施例中，以第一反射镜7为端镜的激光振荡腔20和泵浦源1构成基于npe锁模的线形腔保偏光纤激光器。
43.在本技术的实施例中，所述第一反射镜7为端镜的振荡器总腔长3.95m，其中光纤10部分长度3.55m，空间光路部分长0.4m。
44.为有效减小空间光路的光斑半径，保证光斑不被空间光学器件通光孔径限制，所述保偏光纤10为保偏增益光纤101与无源光纤103的组合，保偏增益光纤101为2.9m的保偏掺钬光纤(pm-hdf，ixf-hdf-pm-8-125)，数值孔径为0.16，两端各熔接有一段用于对2μm波段低弯曲损耗的无源光纤103，型号为thorlabssm2000，所述无源光纤的数值孔径为0.12。
45.其中，所述空间光路包括法拉第旋光器和反射镜，用以将保偏光纤快慢轴的光旋转90
°
，再返回线形腔中。
46.在本技术的实施例中，采用法拉第旋光器和反射镜的组合设置一方面解决了全光纤结构中角度熔接以及光纤长度精确控制的困难，另一方面可以完全抵消线性相位延迟，使得非线性相移不断积累，从而消除了腔内空间烧孔效应，降低了锁模自启动阈值，同时也解决了群速度失配的问题。
47.在本技术的一些实施例中，在空间光路的另一部分，泵浦光通过二向色镜2(dm，layertec separator 103086)泵入保偏光纤中，泵浦光由自制的掺铥光纤激光器(tdfl，thulium doped fiber laser)提供，可最高提供1.34w的1948nm连续光。
48.在本技术的一些实施例中，所述第一法拉第旋光器3、第一二分之一波片4(hwp，half-wave plate)和第一四分之一波片5(qwp，quarter-wave plate)构成非互易的相位偏置(nonreciprocal phase bias)装置，即移相器15，用于辅助锁模自启动。
49.在本技术的一些实施例中，所述偏振分束器6位于两个偏振态发生干涉的位置，所述偏振分束器6为激光器提供输出端口，位于激光振荡腔20内，其中，所述偏振分束器6的反射端作为输出端口监测从光纤往回射后透过偏振分束器6的水平偏振光。
50.参见图3所示，当泵浦功率加到1.07w时，可获得多脉冲锁模，随后将泵浦功率降低到303mw时，可获得稳定单脉冲孤子锁模状态，此时端口输出平均功率为0.1mw，锁模脉冲的光谱如图3所示，中心波长为2128nm，3-db半高全宽约为6.5nm。由于功率较小，监测到的光谱略微不对称。输出光谱有着明显的凯利边带，是孤子锁模的典型特性，通过计算凯利边带与中心波长的关系，计算出腔体净色散为-0.827ps2。
51.在本技术的一些实施例中，参见图2所示，所述高环境稳定性的锁模保偏线形光纤激光中，第一反射镜7可替换为可饱和吸收镜18与第三准直透镜17的组合，以可饱和吸收镜18与第三准直透镜17的组合替换第一反射镜7部分的激光振荡腔20和泵浦源1则构成混合锁模线形腔保偏光纤激光器。
52.在本技术的实施例中，所述真实可饱和吸收体锁模19部分由半导体可饱和吸收镜18(sesam，batopsam-2150-8-10ps-4.0-25.0s-c)与非球面透镜的组合，并在偏振分束器6与透镜间插入第二四分之一波片16，其中，所述非球面透镜为第三准直透镜17。
53.将本技术中的第一反射镜7替换为半导体可饱和吸收镜18和第三准直透镜17后，激光器的锁模自启动所需泵浦阈值大大降低，此外，还可以加入第二四分之一波片16并在较大范围旋转波片控制端口输出功率，证明了锁模自启动能力得到提升。
54.当泵浦功率达到420mw时，激光器锁模自启动，获得多脉冲锁模，随后将泵浦功率降至365mw，即可实现稳定单脉冲孤子锁模输出。相比未加入sesam时，锁模自启动所需的泵浦功率由1.07w降低到了420mw(降低约60％)，锁模阈值显著降低。锁模激光器锁模输出光谱图如图4所示，此时端口输出平均功率为4.86mw。通过图4与图3的对比，可见光谱形状没有太大变化，这意味着即使加入了真实可饱和吸收体，该保偏锁模光纤振荡器中仍然是非线性偏振演化锁模机制起主导作用。
55.将第一反射镜7替换成了真实可饱和吸收体锁模19的过程导致光路微小变化，光谱中心波长发生偏移，变为2110nm。半导体可饱和吸收镜18的加入不仅将锁模自启动阈值的泵浦功率降低了60％，还大大提升了锁模的自启动能力，这个优势使得本技术可以从端
口提取出更高质量的锁模脉冲。
56.同时，半导体可饱和吸收镜18还对腔内的杂散光起到了滤波作用，因为杂散光大多功率不高，经过真实可饱和吸收体时被吸收，由此锁模光谱变得更加平滑，3-db半高全宽也相对更大，为7nm左右。
57.图5是孤子脉冲的自相关轨迹图。端口输出脉冲自相关图可用双曲正割曲线完好拟合，证明了激光器输出了孤子脉冲，经估算得到真实脉宽为1.13ps。
58.此外，为了表征激光器稳定性，本技术还对激光器的长时间功率稳定性进行了测量。利用实验室的电探头功率计(thorlabs pm1000&s148c)对输出端口的输出功率进行了长时间监测。图6显示了激光器4个小时连续运转的功率稳定性，在测量功率稳定性前，激光器已开启五个小时，即便如此，监测得到的激光器4小时稳定性良好，输出功率的均方根抖动为0.14％，小于非保偏光纤激光振荡器。此外，以30分钟为间隔，本技术还记录了4小时以内脉冲光谱的变化情况，如图7所示，共计8组光谱，重合度极高，说明了该振荡器的稳定性。此外，图8和图5的光谱形状不同是因为我们在实验中有意调整了第二四分之一波片16角度，改变输出状态以进一步证明我们设计的激光器具有灵活多变得输出，并且不同输出状态下都能保持极好的稳定性。
59.本技术的上述实施例中的保偏掺钬光纤可以替换为其他保偏的高浓度掺稀土元素的增益光纤，实现不同工作波段的超短激光脉冲输出。例如，使用保偏掺铥光纤(pm-tdf)或者保偏铥钬共掺光纤(pm-thdf)实现2μm波段激光输出；使用保偏掺镱光纤(pm-ydf)实现1μm波段激光输出；使用保偏掺铒光纤(pm-edf)和保偏铒镱共掺光纤(eydf)实现1.5μm波段激光输出。
60.本技术中的真实可饱和吸收体可以替换为其他二维材料，例如石墨烯、碳纳米管、磷烯、拓扑绝缘体等。与半导体可饱和吸收镜18作用相同，具有易于自启动、结构简单、性能稳定、锁模阈值低、响应时间短等优点。在激光器中构成混合锁模机制，有利于降低锁模自启动阈值，提高自启动能力，同时还可以起到平滑光谱的作用。
61.本技术中由二分之一波片、四分之一波片和法拉第旋光器构成的移相器是实现激光器锁模自启动的非互易相位偏置器，可以替换为其他可实现锁模自启动、实现非互易相位偏置的任何商用器件或光学器件。
62.本技术中的光纤部分采用的是全负色散光纤，在腔内负群速度色散(gvd)和非线性效应的共同作用下会演变为孤子脉冲，受限于孤子面积定理其单脉冲能量在0.1nj量级。整个光纤部分可替换为正色散光纤或负色散和正色散光纤的组合，构建输出锁模脉冲能量更高的高环境稳定性的线形腔锁模保偏光纤激光器。
63.以上仅为本技术的优选实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。