本实用新型涉及锁模光纤激光器,特别是一种基于全保偏光纤器件的高稳定性的锁模光纤激光器。
背景技术：
：：在最近的二十年里，锁模光纤激光器作为光纤激光器领域的一个研究热点，其发展势头异常迅猛。皮秒、飞秒光纤激光器具有脉冲宽度短、峰值功率高、鲁棒性强，体积小等优势特点，使得其在基础科学研究、生物医疗和工业加工等领域有着巨大的应用空间。目前，锁模光纤激光器实用化面临的最大问题之一是如何提升稳定性。高稳定性的锁模光纤激光器方案主要有如下几种：一、通过非线性偏振旋转(NPR)作为等效可饱和吸收体来实现锁模。NPR作为一种成熟的锁模机制可以实现高脉冲能量的输出。但是受到它自身机制原理所限，NPR结构的锁模光纤激光器一般无法采用全保偏结构的设计，这极大影响了此类激光器的稳定性。最近报道的一个全保偏NPR结构的锁模光纤激光器采用法拉第旋光镜与角度熔接配合的方法，实现了两小时高稳定的耗散孤子输出。[参见文献：J.Zhou,W.Pan,X.Gu,L.ZhangandY.Feng,"Dissipative-solitongenerationwithnonlinear-polarization-evolutioninapolarizationmaintainingfiber,"Opt.Express26,4166-4171(2018)]。但是这种激光器结构复杂，成本高昂，长期稳定性也有待观察。总体而言基于NPR的锁模光纤激光器大部分还只适用于实验室环境中，要想实现长期高稳定的NPR锁模，尚需期待此类技术的进一步发展。二、通过半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为可饱和吸收体来实现锁模。基于SESAM材料的锁模光纤激光器具有系统结构简单，自启动特性好以及系统稳定等优点，所以此类锁模光纤激光器是目前工业级超快光纤激光器的主流解决方案之一。[参见文献：L.Zhang,J.Zhou,Z.Wang,X.Gu,andY.Feng,“SESAMMode-Locked,EnvironmentallyStable,andCompactDissipativeSolitonFiberLaser,”IEEEPhotonicsTechnol.Lett.26(13),1314–1316(2014).]。但是，此类锁模光纤激光器受限于SESAM的一些特性，具有输出脉冲能量较低(由于SESAM的损伤阈值低)，使用寿命短，工作温度范围小等缺点。三、通过非线性放大环路镜(NALM)作为等效可饱和吸收体来实现锁模。基于NALM结构的锁模光纤激光器具有输出脉冲能量高，极高的脉冲稳定性等优点，正在成为另一种主流的工业级超快光纤激光器方案。[参见文献：J.ZhouandX.Gu,“32-nJ615-fsStableDissipativeSolitonRingCavityFiberLaserWithRamanScattering,”IEEEPhotonicsTechnol.Lett.28(4),453–456(2016).]。但是，此类锁模光纤激光器受限于NALM的一些特性，具有结构较为复杂，成本高昂，脉冲自启动困难等缺点。技术实现要素：本实用新型的目的在于提出了一种高稳定锁模光纤激光器。该实用新型创新性地将NALM与SESAM两种可饱和吸收体相结合，通过精妙的结构设计，使得这两种结构互相扬长避短，最终实现结构简单的、脉冲自启动特性好、系统稳定度极高的锁模光纤激光器方案。本实用新型的技术解决方案如下：一种高稳定锁模光纤激光器，其特点在于包括泵浦源、非线性放大环形镜、半导体可饱和吸收镜和波分复用器，所述的非线性放大环形镜由一增益光纤将一相位偏置器和一光纤耦合器串联构成，所述的非线性放大环形镜的光纤耦合器的两外臂分别与所述的半导体可饱和吸收镜和所述的波分复用器相连，所述的光纤耦合器的两内端与所述的增益光纤的两端相连，所述的泵浦源产生的泵浦光经所述的波分复用器导入所述的非线性放大环形镜的增益光纤的产生受激波长激光，同时所述的波分复用器将腔内产生的受激激光脉冲输出。所述的增益光纤为稀土增益光纤，包括掺镱、掺铒以及掺铥增益光纤。所述的相位偏置器和所述的光纤耦合器在所述的非线性放大环形镜环内的位置偏于一侧，便于增加NALM顺时针光与逆时针光积累的非线性相移差，用于调节NALM结构的锁模调制性能，优化脉冲光与连续光的透过率曲线。所述的光纤耦合器的分光比为4:6或3:7。传统的基于NALM结构的八字腔锁模光纤激光器具有系统结构复杂，脉冲自启动困难的特点。本实用新型创新性地采用九字腔NALM方案，并在九字腔的单臂链路的终端加入了SESAM。SESAM的反射结构设计很好地契合了九字腔的单臂特性。相比于传统的八字腔方案，本实用新型极大简化了此类锁模光纤激光器的结构复杂度。同时，为了解决九字腔NALM脉冲自启动困难的问题，在NALM环路中设计加入一个相位偏置器，优化脉冲光与连续光的透过率曲线，实现自启动的特性。但是，加入相位偏置器以后，输出的脉冲光通常会伴有连续光分量，在此结构中加入SESAM可以保证脉冲自启动特性的同时，消除不必要的连续光分量，实现高稳定的锁模脉冲输出。本实用新型的另一个创新点在于突破了传统基于SESAM的锁模光纤激光器损伤阈值的限制，实现了高峰值功率的脉冲输出。本实用新型所述的高稳定锁模光纤激光器，其特征在于所述的非线性放大环形镜将提供主要锁模可饱和吸收体机制，为光脉冲的建立与稳定输出的必要条件；所述的半导体可饱和吸收镜则提供次要锁模可饱和吸收体机制，为降低脉冲自启动难度与提高输出脉冲时域稳定性提供帮助。通过在腔内不同区域安置正、负色散光纤，由色散来调节腔内脉冲宽度，使得脉冲的峰值功率在腔内不断动态变化，达到一个动态平衡。峰值功率高的光程集中在NALM区域，峰值功率低的光程集中在SESAM区域。如此便可保证SESAM得以在损伤阈值以下工作的同时，实现较高的峰值功率输出。这种腔内脉冲的动态平衡可以通过将腔内总色散调节至零色散附近来完成，该条件下形成的脉冲为色散管理孤子。这种色散管理孤子只是一个例示性实施例，由本实用新型提出的结构得到启示的变形方案还有很多。比如，通过在腔内的线性臂上引入特定滤波带宽的滤波器，同时将腔内光纤设定为全正色散的状态，即可产生耗散孤子输出；又如，通过在腔内的线性臂上引入特定滤波带宽的滤波器，同时将腔内总色散设定为略微偏移正色散的状态，即可产生自相似孤子输出；再如，通过将腔内总色散设定为大的负色散状态，即可产生传统孤子输出。本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：一、相比于单纯基于SESAM的锁模光纤激光器，本实用新型通过在腔内不同区域安置正、负色散光纤，由色散来调节腔内脉冲宽度，使得脉冲的峰值功率在腔内不断动态变化，达到一个动态平衡。峰值功率高的光程集中在NALM区域，峰值功率低的光程集中在SESAM区域。如此便可保证SESAM得以在损伤阈值以下工作的同时，实现较高的峰值功率输出。二、相比于单纯基于NALM的锁模光纤激光器，本实用新型通过精巧的九字腔设计，将SESAM集成在NALM系统单臂上，简化了此类锁模光纤激光器的结构复杂度。同时，在此结构中加入SESAM可以保证脉冲自启动特性的同时，消除不必要的连续光分量，实现高稳定的锁模脉冲输出。附图说明图1为基于本实用新型设计的高稳定锁模光纤激光器实施例的结构示意图。图2为基于本实用新型设计的NALM结构实施的示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。请参阅图1。图1是本实用新型高稳定锁模光纤激光器实施例的结构示意图。由图可见，本实用新型高稳定锁模光纤激光器，包括泵浦源1、非线性放大环形镜2、半导体可饱和吸收镜3和波分复用器4，所述的非线性放大环形镜2由一增益光纤5将一相位偏置器6和一光纤耦合器7串联构成，所述的非线性放大环形镜2的光纤耦合器7的两外臂分别与所述的半导体可饱和吸收镜3和所述的波分复用器4相连，所述的光纤耦合器7的两内端与所述的增益光纤5的两端相连，所述的泵浦源1产生的泵浦光经所述的波分复用器4导入所述的非线性放大环形镜2的增益光纤5的产生受激波长激光，同时所述的波分复用器4将腔内产生的受激激光脉冲输出到腔外。所述的增益光纤5为稀土增益光纤，包括掺镱(1μm)、掺铒(1.5μm)以及掺铥(2μm)增益光纤。所述的相位偏置器6和所述的光纤耦合器7在所述的非线性放大环形镜2环内的位置偏于一侧，便于增加NALM顺时针光与逆时针光积累的非线性相移差，用于调节NALM结构的锁模调制性能，优化脉冲光与连续光的透过率曲线。本实施例的光纤耦合器7的分光比为4:6，另一实施例的光纤耦合器7的分光比为3:7。该锁模光纤激光器主要包括泵浦源1，NALM2，SESAM3和波分复用器4。NALM2在这一侧有两个光纤臂，一个光纤臂连接SESAM3作为腔内九字腔单臂部分；另一个光纤臂连接波分复用器4，将泵浦源1提供的泵浦光注入进腔内，同时将腔内产生的受激脉冲输出到腔外。将泵浦源1和波分复用器4置于腔外的主要原因是为了达到简化腔内结构的目的，SESAM3起到的作用有三个：其一是为了为九字腔结构提供单臂反射，其二是为了便于腔内脉冲自启动，其三是为了提高输出脉冲稳定度。请参阅图2。图2是NALM实施例的结构示意框图。该结构主要包括增益光纤5，相位偏置器6和光纤耦合器7。增益光纤5通过吸收泵浦源1注入到腔内的泵浦光，产生受激脉冲光，为锁模系统提供增益。增益光纤5在NALM环内的位置通常偏于一侧，便于增加NALM顺时针光与逆时针光积累的非线性相移差。相位偏置器6用于调节NALM结构的锁模调制性能，优化脉冲光与连续光的透过率曲线，实现自启动的特性。光纤耦合器7是NALM的中心部分，通过光纤耦合器7连接NALM环内侧和NALM环外侧的器件。它的分光比会影响NALM结构的锁模特性，通常采用4:6或3:7的分光比来增加NALM顺时针光与逆时针光积累的非线性相移差。当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3