一种锁模器件及应用锁模器件的光纤激光器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种锁模器件及应用锁模器件的光纤激光器，将法拉第旋转技术及半导体可饱和吸收技术相结合，设计一种新型锁模器件，并应用这种锁模器件搭建新型光纤激光器。设计的锁模器件简化振荡器的结构，同时也有着自启动、锁模稳定等优点；将波分复用技术、法拉第旋转技术、半导体可饱和吸收体技术集成为单一器件，对于偏振相关的激光振荡器来说可以有效减少腔内器件，使腔形结构更为简单，而且能够实现高重复频率的激光输出；相较于保偏结构，非保偏结构具有生产成本较低、熔接更为简单的优点，而利用两次法拉第旋转反射作为偏振态变化的振荡回路结构，可以减少环境扰动对激光器的影响，使激光器锁模更稳定，达到与保偏光纤相同的效果。
【专利说明】
一种锁模器件及应用锁模器件的光纤激光器
技术领域
[0001]本发明涉及一种激光技术，特别涉及一种锁模器件及应用锁模器件的光纤激光器。
【背景技术】
[0002]作为激光领域的一种新型技术，光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、输出功率高、稳定性好、结构简单、超短脉冲输出等优点，近年来逐渐成为激光器行业的研究热点。
[0003]高功率超短脉冲激光器在生物技术、超快光学技术、精细加工等领域有着重要的作用，而锁模激光器作为产生超短脉冲的主要方法之一，一直以来备受关注。
[0004]目前，基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)的被动锁模技术以其锁模自启动、输出稳定、不易受外界因素干扰、结构简单等特点广泛的应用于各种超短脉冲激光振荡器的构建。SESAM作为激光振荡器的调制器件，通过其饱和通量、调制深度、弛豫时间的控制，可以实现不同结构的锁模自启动产生超短激光脉冲。对腔长变化低敏感性又使SESAM在实现高重复频率的简单腔型结构方面有着独特的优势。
[0005]半导体可饱和吸收体作为调制锁模的主要器件实现被动锁模，具有稳定自启动，低阈值锁模等优点。半导体可饱和吸收体具有透射率与入射能量相关的特性，当入射能量较高，达到或超过可饱和吸收体的饱和阈值时，可以完全透射，而当入射能量较低时，会被可饱和吸收体吸收，吸收程度取决于入射能量，能量越高，吸收率越小。可饱和吸收体的这种特性在被动锁模的激光器里有着广泛的应用。
[0006]—般认为光波在光纤中的传输时存在两个相互正交的偏振模式，实际上光纤本身及外界环境因素的影响会导致这两种偏振模式的传播常数不相等而产生双折射现象，从而引起光传输时偏振状态的不稳定。在非保偏激光振荡器结构中，锁模的不稳定性一般主要是双折射效应所导致的。
【发明内容】
[0007]本发明是针对在非保偏激光振荡器结构中，激光器中双折射效应导致锁模的不稳定的问题，提出了一种锁模器件及应用锁模器件的光纤激光器，利用法拉第旋转技术减小非保偏结构的中偏振不稳定所带来的影响，将法拉第旋转技术及半导体可饱和吸收技术相结合，设计一种新器件型锁模器件，并应用这种锁模器件搭建出一种新型光纤激光器。
[0008]本发明的技术方案为:一种锁模器件，包括沿着第一准直器中心轴依次放置的第一准直器、第一透镜、法拉第旋转器、半导体可饱和吸收体及凹面反射镜或反射膜，以及固定在第一准直器中心轴处的第一光纤，所有元件除了第一光纤露出，其他元件在一密闭的暗盒中；光由第一光纤输入，经过第一准直器对传输光准直，使准直光延第一透镜中心轴传输，之后入射到第一透镜，出射光通过法拉第旋转器，打在半导体可饱和吸收体上，透过半导体可饱和吸收体的光通过凹面反射镜或半导体可饱和吸收体反射膜镀层返回，再次通过半导体可饱和吸收体，第二次透射进入法拉第旋转器，入射到第一透镜，再通过第一准直器由第一光纤输出。
[0009]所述半导体可饱和吸收体为透射式可饱和吸收体，位置位于凹面反射镜的焦点处。
[0010]所述半导体可饱和吸收体为反射式可饱和吸收体，反射式可饱和吸收体一边镀反射膜作为反射端。
[0011]所述法拉第旋转片对传输光波偏振态旋转45度后经过反射镜返回后再次旋转45度，总旋转角度为90度，使双向传输的光波在偏振方向上相互垂直。
[0012]所述锁模器件，还包括波分复用滤波片和第二光纤，在所述第一透镜和法拉第旋转器之间插入波分复用滤波片，第一透镜焦点位于波分复用滤波片入射点处，同时在准直器上加入第二光纤作为栗浦光输入端；栗浦光经过第二光纤输入，经过第一准直器准直，之后经过第一透镜聚焦，打在波分复用滤波片上并反射栗浦光透射种子光，波分复用滤波片以一定角度放置，使反射的栗浦光沿第一透镜中心轴线传输，经过第一透镜与准直器后由第一光纤出射。
[0013]应用所述锁模器件的光纤激光器，包括同轴依次放置的锁模器件、非保偏增益光纤、波分复用器、耦合器和法拉第旋转镜，以及波分复用器上接的半导体栗浦源；半导体栗浦源提供的栗浦光由波分复用器的栗浦一个输入端输入，经反射后通过非保偏增益光纤由第一光纤输入进入锁模器件，经过锁模器件内部反射后再次经过非保偏增益光纤，传输的种子光透过波分复用器传输进入親合器，一部分作为输出由親合器第二输出端输出，另一部分通过第一输出端进入法拉第旋转镜，经过法拉第旋转镜反射的光再通过第一输出端回到耦合器，依次经过耦合器、波分复用器和非保偏增益光纤返回到锁模器件形成振荡回路。
[0014]应用带波分复用滤波片所述锁模器件的激光器，半导体栗浦源与锁模器件栗浦输入端第二光纤相连，经过反射由第一光纤输出，经过非保偏增益光纤及耦合器，由耦合器的第一输出端进入法拉第旋转镜，反射光再次经过耦合器和非保偏增益光纤回到锁模器件。
[0015]本发明的有益效果在于:本发明锁模器件及应用锁模器件的光纤激光器，半导体可饱和吸收镜结合半导体可饱和吸收体及反射镜减少腔内器件数量，简化振荡器的结构，同时也有着自启动、锁模稳定等优点；将波分复用技术、法拉第旋转技术、半导体可饱和吸收体技术集成为单一器件，对于偏振相关的激光振荡器来说可以有效减少腔内器件，使腔形结构更为简单，而且能够实现高重复频率的激光输出；相较于保偏结构，非保偏结构具有生产成本较低、熔接更为简单的优点，而利用两次法拉第旋转反射作为偏振态变化的振荡回路结构，可以减少环境扰动对激光器的影响，使激光器锁模更稳定，达到与保偏光纤相同的效果。
【附图说明】
[0016]图1为本发明锁模器件结构示意图；
图2为本发明锁模器件另一实施例结构示意图；
图3为本发明集成波分复用功能的锁模器件结构示意图；
图4为本发明应用锁模器件的光纤激光器结构示意图；
图5为本发明应用集成波分复用功能的锁模器件的光纤激光器结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示锁模器件结构示意图。锁模器件包括沿着第一准直器中心轴依次放置的第一准直器1、第一透镜2、法拉第旋转器3、半导体可饱和吸收体4、凹面反射镜5，以及固定在第一准直器I中心轴处的第一光纤6，所有元件除了第一光纤6露出，其他元件在一密闭的暗盒中。
[0018]第一光纤6固定在第一准直器I中心轴处，光由第一光纤6输入，经过第一准直器I对传输光准直，使准直光延第一透镜2中心轴传输，之后入射到第一透镜2，出射光通过法拉第旋转器3，打在半导体可饱和吸收体4上，透过半导体可饱和吸收体4的光通过凹面反射镜5返回，再次通过半导体可饱和吸收体4，第二次透射进入法拉第旋转器3，入射到第一透镜2，再通过第一准直器I由第一光纤6输出。
[0019]图2为对图1所示锁模器件的改进，将半导体可饱和吸收体4和凹面反射镜5功能合并，在半导体可饱和吸收体的一端镀一层反射膜，制成如图2所示半导体可饱和吸收镜7，出射光通过法拉第旋转器3后先通过半导体可饱和吸收体，再打在反射膜后返回，可以使器件更为简化。
[0020]所述半导体可饱和吸收体作为调制锁模的主要器件实现被动锁模，半导体可饱和吸收体具有反射式和透射式两种结构，因此本发明在结构上可以有微小的变动。透射式可饱和吸收体置于凹面反射镜的焦点处，保证返回传输光的有效利用。反射式可饱和吸收体在一边镀有反射膜作为反射端，能更好的减少元件，简化结构。
[0021]所述法拉第旋转片对传输光波偏振态旋转45度后经过反射镜返回再次旋转45度，总旋转角度为90度，使双向传输的光波在偏振方向上相互垂直。
[0022]图3为集成波分复用功能的锁模器件15结构示意图，在图2所示锁模器件的基础上，在第一透镜2和法拉第旋转器3之间插入波分复用滤波片8，第一透镜2焦点位于波分复用滤波片8入射点处，同时在准直器I上加入第二光纤6 ’作为栗浦光输入端。
[0023]栗浦光经过第二光纤6 ’输入，经过第一准直器I准直，之后经过第一透镜2聚焦，打在波分复用滤波片8上并反射栗浦光透射种子光，波分复用滤波片8以一定角度放置，使反射的栗浦光沿第一透镜2中心轴线传输，经过第一透镜2与准直器I后由第一光纤6出射。
[0024]波分复用技术分为合波技术和分波技术，能够实现不同波长光波耦合和分离。光合波器一般有光纤耦合型、介质膜滤波型和集成光波导型等，本发明采用在所述透镜焦点处插入所述WDM滤波片作为栗浦光与种子光耦合的元件，通过对栗浦光反射以及种子光透射可以实现栗浦光的耦合。
[0025]图4为应用锁模器件的光纤激光器结构示意图，结构包括同轴依次放置的锁模器件9，非保偏增益光纤10，波分复用器12，耦合器13和法拉第旋转镜14，以及波分复用器12上接的半导体栗浦源11。锁模器件9可选图1或图2所示结构。
[0026]如图4所示，半导体栗浦源11提供的栗浦光由波分复用器12的栗浦输入端③输入，经反射后通过非保偏增益光纤1后由第一光纤6输入进入锁模器件9，经过锁模器件9内部反射后再次经过非保偏增益光纤10，传输的种子光透过波分复用器12传输进入耦合器13，一部分作为输出由親合器13输出端②输出，另一部分通过输出端①进入法拉第旋转镜14，经过法拉第旋转镜14反射的光再通过输出端①回到耦合器13，依次经过耦合器13、波分复用器12和非保偏增益光纤10返回到锁模器件9形成振荡回路。
[0027]该锁模谐振腔呈一字形结构分布，以所述锁模器件9为起始，半导体栗浦源11与其相连的保偏光纤，作为栗浦输入端;所述第一光纤6与非保偏增益光纤10—端相连，进行增益放大;非保偏增益光纤10另一端与所述耦合器13输入端相连，耦合器13输出端①作为振荡腔内部脉冲功率输出和锁模检测，耦合器13输出端②与法拉第旋转镜14相连，进行偏振旋转，并作为反射端反射回；返回光经过耦合器13传输进入所述非保偏增益光纤，再次实现光放大后经由所述第一光纤进入锁模器件中，经过锁模器件反射，形成一个振荡回路。
[0028]激光振荡器内的偏振传输以栗浦入射光为初始偏振，经过所述第一光纤6和透镜2进入法拉第旋转器3，偏振态与初始偏振相差45度，经过反射镜5返回再次通过法拉第旋转器3，此时传输光偏振状态与初始偏振垂直;通过非保偏增益光纤10和親合器13传输，入射到法拉第旋转镜14反射，两次旋转45度后传输光变为与初始偏振方向一致，返回传输光经过所述耦合器13及非保偏增益光纤10再回到锁模器件9，且偏振与初始方向相同，重复上述过程即为偏振传输回路。
[0029]非保偏光纤传输光波时会存在偏振变化，而将振荡过程中双向传输的光偏振态旋转90度，使两者相互垂直，能够减小非保偏传输时的偏振不稳定，改善激光器锁模稳定性。
[0030]图5为基于图4的进一步改善，应用图3所示集成波分复用技术的锁模器件15设计的激光器结构示意图。如图5所示，半导体栗浦源11与锁模器件15栗浦输入端第二光纤6’相连，经过反射由第一光纤6输出，经过非保偏增益光纤10及親合器13，由親合器13的输出端①进入法拉第旋转镜14，反射光再次经过耦合器13和非保偏增益光纤10回到锁模器件15。
【主权项】
1.一种锁模器件，其特征在于，包括沿着第一准直器中心轴依次放置的第一准直器、第一透镜、法拉第旋转器、半导体可饱和吸收体及凹面反射镜或反射膜，以及固定在第一准直器中心轴处的第一光纤，所有元件除了第一光纤露出，其他元件在一密闭的暗盒中； 光由第一光纤输入，经过第一准直器对传输光准直，使准直光延第一透镜中心轴传输，之后入射到第一透镜，出射光通过法拉第旋转器，打在半导体可饱和吸收体上，透过半导体可饱和吸收体的光通过凹面反射镜或半导体可饱和吸收体反射膜镀层返回，再次通过半导体可饱和吸收体，第二次透射进入法拉第旋转器，入射到第一透镜，再通过第一准直器由第一光纤输出。2.根据权利要求1所述锁模器件，其特征在于，所述半导体可饱和吸收体为透射式可饱和吸收体，位置位于凹面反射镜的焦点处。3.根据权利要求1所述锁模器件，其特征在于，所述半导体可饱和吸收体为反射式可饱和吸收体，反射式可饱和吸收体一边镀反射膜作为反射端。4.根据权利要求1、2或3中任意一项所述锁模器件，其特征在于，所述法拉第旋转片对传输光波偏振态旋转45度后经过反射镜返回后再次旋转45度，总旋转角度为90度，使双向传输的光波在偏振方向上相互垂直。5.根据权利要求1、2或3中任意一项所述锁模器件，其特征在于，还包括波分复用滤波片和第二光纤，在所述第一透镜和法拉第旋转器之间插入波分复用滤波片，第一透镜焦点位于波分复用滤波片入射点处，同时在准直器上加入第二光纤作为栗浦光输入端；栗浦光经过第二光纤输入，经过第一准直器准直，之后经过第一透镜聚焦，打在波分复用滤波片上并反射栗浦光透射种子光，波分复用滤波片以一定角度放置，使反射的栗浦光沿第一透镜中心轴线传输，经过第一透镜与准直器后由第一光纤出射。6.应用权利要求1、2或3中任意一项所述锁模器件的光纤激光器，其特征在于，包括同轴依次放置的锁模器件、非保偏增益光纤、波分复用器、耦合器和法拉第旋转镜，以及波分复用器上接的半导体栗浦源； 半导体栗浦源提供的栗浦光由波分复用器的栗浦一个输入端输入，经反射后通过非保偏增益光纤由第一光纤输入进入锁模器件，经过锁模器件内部反射后再次经过非保偏增益光纤，传输的种子光透过波分复用器传输进入親合器，一部分作为输出由親合器第二输出端输出，另一部分通过第一输出端进入法拉第旋转镜，经过法拉第旋转镜反射的光再通过第一输出端回到耦合器，依次经过耦合器、波分复用器和非保偏增益光纤返回到锁模器件形成振荡回路。7.应用权利要求5所述锁模器件的激光器，其特征在于，半导体栗浦源与锁模器件栗浦输入端第二光纤相连，经过反射由第一光纤输出，经过非保偏增益光纤及耦合器，由耦合器的第一输出端进入法拉第旋转镜，反射光再次经过耦合器和非保偏增益光纤回到锁模器件。
【文档编号】H01S3/067GK105958307SQ201610451562
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】郝强, 陈飞鸿, 曾和平
【申请人】上海理工大学