一种高功率高稳定性全保偏九字型锁模光纤激光器

本技术涉及光学显示，具体涉及一种高功率高稳定性全保偏九字型锁模光纤激光器。

背景技术：

1、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，包括主动锁模和被动锁模。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，其输出的脉冲宽度只能达到纳秒(ns)、皮秒(ps)的量级，很难获得超短脉冲；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，输出的脉冲宽度一般能够实现皮秒，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。

2、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真实可饱和吸收体锁模和人工可饱和吸收体锁模。其中，真实可饱和吸收体恢复时间在百飞秒到纳秒之间，限制了超短脉冲的产生；而人工可饱和吸收体只需几飞秒，属于快饱和类吸收体，更容易产生高峰值超短脉冲。其两种常见形式是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。

3、基于锁模技术的光纤激光器很容易获得纳秒、飞秒脉冲的输出，常见的光纤激光器使用非保偏光纤作为光纤组件，在激光器长期运行的情况下，受环境影响会导致锁模不稳定而影响激光器的输出稳定性，这也成为了锁模光纤激光器实现商业化的绊脚石。保偏光纤对外界环境不敏感，将非保偏光纤替换为保偏光纤，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。

4、真实可饱和吸收体锁模技术是实现保偏光纤激光器锁模较常见的方法，但由于真实可饱和吸收体经过长时间运转后可能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保偏光纤激光器存在着后期维护困难等问题。人工可饱和吸收体锁模技术则可以保证长期稳定性，同时避免后期维护的问题。npe技术因其高损伤阈值、超快恢复时间和腔设计的灵活性而被广泛应用于超快光纤振荡器。然而，其最成功的实现是在非保偏(pm)光纤中，这使得npe对环境变化敏感。相比之下，nalm不仅具有与npe类似的优点，而且与全保偏光纤高度兼容，可抵抗环境扰动并提供长期稳定性。然而，由于其不良的自启动能力，nalm经常被忽视。通过引入非互易相位偏置，自启动能力大大增强的反射式nalm装置已被证明。这种9字形光纤激光器不仅具有高环境稳定性的全pm结构，而且还具有优异的低噪声特性。超快激光应用的快速发展，除了要求光纤振荡器具有高环境稳定性和低噪声特性外，还需要不断提高其输出性能，如可实现的脉冲能量和输出功率。然而，锁模脉冲的特性从根本上受到非线性相位积累的限制。常规孤子锁模光纤激光器中的脉冲能量通常限制在0.1nj。增加能量的一种常见方法是在大的正常色散中操作光纤激光器以产生啁啾脉冲，通常称为耗散孤子。理论上已经证明，对于给定的模场面积，耗散孤子的能量极限比孤子的能量极限高两个数量级。然而，即使使用色散管理，由于传统单模光纤的小芯尺寸(<10μm)，相对较大的非线性也阻碍了脉冲能量的进一步提升。用大模场面积光纤扩大纤芯尺寸是打破这一障碍的一种很有前途的方法。需要注意，抑制这些大模场面积光纤中的高阶模式以启动和维持模式锁定是至关重要的。到目前为止，已经开发了几种抑制高阶模式的技术，包括卷绕光纤，设计基于单模光纤的模式滤波器，以及制造真正的单模大模场面积光纤、光子晶体光纤和线性耦合芯光纤。

5、到目前为止，大多数关于锁模大模场光纤振荡器的研究都集中在工作在1μm区域的掺镱光纤上。尽管已经对工作在1.55μm左右的传统掺铒超快光纤振荡器进行了广泛的研究，但掺铒大模场光纤振荡器的发展落后于基于掺镱光纤的同类振荡器。掺铒大模场光纤通常与yb离子共掺杂以增加泵浦吸收并降低上转换，并与大量磷共掺杂以增强泵浦传输。然而，磷增加了纤芯折射率，使得制造具有低数值孔径的铒镱共掺大模场光纤具有挑战性。因此，er/yb掺杂的大模场阶跃折射率光纤通常包含一些高阶模，这对模式锁定是有害的。到目前为止，即使有高阶模抑制，也只有少量的er/yb掺杂高阶模光纤的锁模报导。据报道，锁模er/yb掺杂大模场光纤振荡器的最高脉冲能量为20nj，但相应的脉冲持续时间(20ps)相对较长。若使用定制的多丝芯铒镱共掺大模场单模光纤作为增益介质，光纤振荡器直接产生持续时间为1.6ps、能量为9.1nj的孤子脉冲。然而，这些掺er/yb的大模场光纤振荡器是由材料可保和吸收体锁模的，并且基于非保偏大模场光纤，这不利于长期稳定性。更不用说高阶模的扰动可能进一步恶化模式锁定稳定性。就技术可扩展性和大规模再现性而言，克服这些限制并寻求适应性广泛的解决方案是必要的。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本实用新型提供了一种高功率高稳定性全保偏九字型锁模光纤激光器，将腔内反射端镜替换为马丁内兹展宽器将腔内色散变为正色散实现耗散孤子的输出，耗散孤子与大模场面积光纤结合实现了更大的功率输出，可以解决因受孤子状态限制脉冲能量无法进一步提升的问题。

2、为实现上述目的，本实用新型实施例提供了如下的技术方案：

3、第一方面，在本实用新型提供了一种高功率高稳定性全保偏九字型锁模光纤激光器，包括：

4、一个激光振荡腔；

5、一个非互易相位偏置器，位于激光振荡腔内，由法拉第旋转器和四分之一波片构成，用于增强锁模自启动能力；

6、一个孔型光阑，插入于激光振荡腔中，通过空间滤波抑制高阶模式；

7、一个马丁内兹展宽器，位于激光振荡腔内，替换腔内反射端镜，用于实现腔内色散的正化，从而输出耗散孤子；

8、一个大模场面积增益光纤，用于实现高功率的激光输出。

9、作为本实用新型的进一步方案，所述非互易相位偏置器由两个法拉第旋转器和一个四分之一波片组成，所述两个法拉第旋转器分别为第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器，所述四分之一波片为设置在第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器之间的第一四分之一波片。

10、作为本实用新型的进一步方案，所述非互易相位偏置器的法拉第旋转器和四分之一波片之间的相对角度为π/2。

11、作为本实用新型的进一步方案，所述增益光纤的直径为15cm并进行弯曲盘绕，实现高阶模式的抑制。

12、作为本实用新型的进一步方案，所述增益光纤为2.07米长的双包层保偏er/yb掺杂光纤，纤芯直径为25μm，数值孔径为0.09。

13、作为本实用新型的进一步方案，所述的高功率高稳定性全保偏九字型锁模光纤激光器中还设有第一光纤连接头和第二光纤连接头，所述增益光纤连接在第一光纤连接头和第二光纤连接头之间，所述第一光纤连接头位于第一准直透镜一侧，所述第二光纤连接头位于第二准直透镜一侧。

14、作为本实用新型的进一步方案，所述第一准直透镜与激光振荡腔之间设有第一二向色镜，所述泵浦源朝向第一二向色镜设置，所述激光振荡腔位于第一偏振分束器内，所述第一偏振分束器与孔型光阑之间设有第二四分之一波片、第二偏振分束器以及第三二分之一波片，所述孔型光阑另一侧设有端镜。

15、作为本实用新型的进一步方案，所述非互易相位偏置器设置在第一偏振分束器底侧，所述非互易相位偏置器至所述第二光纤连接头之间依次设置有第一二分之一波片、第二二向色镜以及第二准直透镜。

16、作为本实用新型的进一步方案，所述端镜为第一反射镜，以第一反射镜为端镜的激光振荡腔和泵浦源构成基于nalm锁模的保偏光纤激光器输出脉冲为孤子状态。

17、作为本实用新型的进一步方案，所述端镜为马丁内兹展宽器，以马丁内兹展宽器替换第一反射镜的nalm锁模保偏光纤激光器输出脉冲为耗散孤子状态。

18、作为本实用新型的进一步方案，所述马丁内兹展宽器包括d型反射镜、光栅、聚焦透镜以及第二反射镜。

19、与现有技术相比，本实用新型提供的高功率高稳定性全保偏九字型锁模光纤激光器，具有如下有益效果：

20、1.锁模自启动能力增强：本实用新型中引入的非互易相位偏置器，由法拉第旋转器和四分之一波片构成，有效地增强了激光振荡腔的锁模自启动能力。这使得激光器能够更可靠地从自启动状态进入稳定的锁模状态，降低了启动过程中的不稳定性。

21、2.高阶模式抑制：插入激光振荡腔的孔型光阑具有空间滤波功能，能够抑制高阶模式的产生。通过利用不同模式光斑半径的特性，成功地减少了高阶模式对激光输出的影响，提高了激光的模式纯度和质量。

22、3.耗散孤子输出：马丁内兹展宽器的引入使得腔内色散变为正色散，从而实现了耗散孤子的输出。耗散孤子的存在使得激光脉冲能量得到进一步提升，从而实现更高功率的激光输出，同时不受孤子状态限制。

23、4.高功率输出：通过使用大模场面积增益光纤并对其进行弯曲盘绕，有效地控制了高阶模式的产生。这使得激光器能够输出更高功率的激光，满足一系列应用的需求，包括超快光学领域等。

24、5.应用前景广泛：本实用新型的高功率高稳定性全保偏九字型锁模光纤激光器具有出色的性能，适用于超快光学、激光加工、医疗设备和科学研究等多个领域。其高稳定性、高脉冲质量和高功率输出为各种应用提供了可靠的激光源。

25、综上所述，本实用新型的高功率高稳定性全保偏九字型锁模光纤激光器通过锁模自启动能力的增强、高阶模式的抑制、耗散孤子输出和高功率输出等特点，为激光器领域带来了显著的有益效果和创新性。

26、本实用新型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，并不能限制本实用新型。