专利名称：可调谐掺镱双包层光纤锁模激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可调谐掺镱双包层光纤锁模激光器，可输出高功率、大单脉冲能量、中心波长可调的超短脉冲，属于激光技术领域。
背景技术：
半导体泵浦的锁模光纤激光器由于具有结构紧凑、成本低廉、散热效果好以及输出光束质量高等诸多优良特性，近年来引起了研究者的极大关注并成为当前超短脉冲激光技术领域的一个热点方向。其中掺镱石英光纤具有高达80%的光-光转换效率，较大的增益带宽支持小于30fs的傅里叶变换极限脉冲，并且日益成熟的双包层技术允许光纤利用大功率多模半导体激光器直接泵浦，使得掺镱光纤尤其适合开发高功率、大能量的超短脉冲激光系统。大量实验和研究表明，全正色散结构的光纤激光器更有利于获得高功率、大能量的超短脉冲输出。
中心波长可调谐的超短脉冲光源在生物技术、光学测量、超快光谱学等方面都有着重要的应用。文献[I] (Chong A. , Buckley J. , Renninger ff. and Wise F., All-normal-dispersion femtosecond fiber laser, Opt. Express,2006,14 (21) 10095-10100)报道了一种工作在全正色散区的锁模光纤激光器，这种激光器采用非线性偏振旋转效应作为等效可饱和吸收体，实现锁模自启动，并在腔内插入光谱滤波器提供附加的振幅调制，起到压缩脉冲宽度与稳定锁模的作用。全正色散锁模光纤激光器输出具有高啁啾特性的宽脉冲，且经腔外色散补偿可以压缩成近傅里叶变换极限脉冲。腔内高啁啾脉冲有效地降低了峰值功率以及光纤的非线性效应，使得全正色散光纤激光器可支持更大的功率和单脉冲 能量。文献[I]中增益介质为普通单模掺镱光纤，模场面积较小，限制了其平均功率和单脉冲能量的进一步提闻。
双包层光纤技术的应用，使得光纤激光器的输出功率有了大幅的提高，文献[2] (Kieu K. ,Renninger ff. , Chong A. and Wise F. ,Sub-1OOfs pulses at watt-level powers from a dissipative-soliton fiber laser, Opt. Lett. , 2009, 34 (5) :593-595)、文献[3] (Lefrancois S. ,Kieu K. , Deng Y. , Kafka J.D. and Wise F. ff. , Scaling of dissipative soliton fiber lasers to megawatt peak powers by use of large—area photonic crystal fiber, Opt. Lett.，2010，35 (10) : 1569-1571)采用双包层掺镱光纤作为增益介质， 借助环形腔非线性偏振旋转效应，并在腔内分别插入15nm和12nm的光谱滤光片实现了稳定的全正色散耗散孤子锁模。其中文献[2]中的双包层光纤芯径为ΙΟμπι，纤芯较小，无法支持太大的功率。文献[3]中的增益光纤为大芯径的双包层光子晶体光纤，单模芯径达 40 μ m，支持输出平均功率可超过10W。这两种结构全正色散锁模光纤激光器均插入滤波片提供光谱滤波功能，不方便调节滤波带宽，且输出波长单一，没有调谐功能。
文献[4] (Kong L. , Xiao X. and Yang C. , Tunable all-normal-dispersion Yb-doped mode-locked fiber lasers, Laser Phys. ,2010,20(4) :834-837),文献[5] (Lou J. ff. , Currie M. and Fatemi F. K. , Experimental measurements of solitarypulse characteristics from an all-normal-dispersion Yb-doped fiber laser， Opt. Express, 2007,15(8) :4960-4965)报道了工作在全正色散区的可调谐锁模光纤激光器，两种结构均采用可调谐的滤波片作为光谱滤波器并实现调谐功能，但增益光纤为普通单模光纤也使得这两种激光器锁模功率限制在IOOmW以下。中国发明专利“一种可调谐全光纤锁模激光器”(CN101969174A)提出了利用单模可调谐带通型长周期光纤光栅系统进行输出波长的调谐，调谐范围为0-12nm，但光纤光栅必须依靠外界环境温度或应力改变来实现调谐功能，实施较为复杂且调谐范围较窄。发明内容
为克服现有技术上的不足，本发明提供一种可调谐掺镱双包层光纤锁模激光器， 该激光器为环形腔结构，以大芯径双包层掺镱光纤为增益介质，工作在全正色散区，借助非线性偏振旋转技术和光谱滤波器实现锁模自启动并稳定锁模，光谱滤波器由光栅和一个可调宽度的狭缝构成，滤波带宽可调，且具有调谐功能。该激光器可输出高平均功率、大单脉冲能量的超短脉冲激光，且输出中心波长连续可调谐，调谐功能易于实现，操作方便。
本发明是通过以下技术方案实现的。一种可调谐掺镱双包层光纤锁模激光器，为工作在全正色散区的环形腔锁模脉冲激光器，它包括一个半导体激光器泵浦源、三个非球面透镜、两个双色镜、增益光纤、等效可饱和吸收体、光隔离器和光谱滤波器。其中光谱滤波器由光栅(8)和狭缝(9)构成，狭缝的宽度可调，放置在光栅衍射能量最大级次的光路上。 光栅(8)为闪耀光栅，闪耀波长为lOOOnm，固定在二维角度调整架上。通过改变狭缝(9)的宽度，可以调节滤波带宽的大小，同时调节光栅的角度，可以实现该光谱滤波器的波长调谐功能。
增益光纤(14)为掺镱大芯径双包层光纤，或为掺镱双包层光子晶体光纤，纤芯直径为20-40 μ m,对1020-1080nm波长范围内的激光为单模，包层直径为250-400 μ m,对泵浦光为多模。较大的纤芯直径有利于降低非线性效应，支持更大的功率和单脉冲能量。
该激光器实现锁模的等效可饱和吸收体采用非线性偏振旋转结构，由空间光路上按次序放置的第一半波片(4)、第一 1/4波片(5)、偏振分束器兼激光输出端口(6)、第二 1/4波片(10)、第二半波片(11)构成，通过光纤内部非线性效应产生的脉冲自振幅调制实现锁模自启动与脉冲成型。
与以往报道的同类锁模激光器相比，本发明具有以下优点
1.小孔与狭缝组合作为光谱滤波器，滤波带宽可调且不受外界条件限制，易于实现，同时输出激光中心波长可连续调谐，且波长调谐范围大。该发明使得激光器输出波长可在1025nm-1075nm范围内调谐。
2.大芯径掺镱双包层光纤或双包层光子晶体光纤结合非线性偏振旋转技术以及光谱滤波技术实现耗散孤子锁模，有效地降低了非线性效应、并且避免了半导体可饱和吸收镜损伤阈值低的缺点，极大地提高了锁模激光器的承受功率和能量，最大输出平均功率可达10W以上，单脉冲能量达IOOnJ以上。
3.激光器工作在全正色散区，无需色散补偿，结构简单紧凑，造价低廉。
图1是本发明的可调谐掺镱双包层光纤锁模激光器结构示意图
图中1为半导体激光器泵浦源；2为第一非球面透镜；3为第一双色镜；4为第一半波片；5为第一 1/4波片；6为偏振分束器；7为光隔离器；8为光栅；9为狭缝；10为第二 1/4波片；11为第二半波片；12为第二双色镜；13为第三非球面透镜；14为增益光纤；15为第二非球面透镜。
图2是滤波带宽调节与激光中心波长调谐示意图。
图3是激光器输出可调谐光谱。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述
在图1所示的实施例中，半导体激光器泵浦源(I)输出976nm直流激光作为泵浦光，由第一非球面透镜(2)准直后透过第一双色镜(3),第一双色镜(3)对泵浦光透过率大于95%，透过的泵浦光再经第二非球面透镜(15)耦合注入增益光纤(14)，增益光纤(14) 为掺镱大芯径双包层光纤，芯径为30 μ m,包层直径为250 μ m,长度取1. 5m。调节泵浦光耦合效率至最大并增大泵浦光功率，增益光纤(14)在泵浦光激励下辐射出荧光，荧光透过第二非球面透镜(15)耦合到自由空间，第一双色镜(3)对产生的荧光高反，在其反射光路上，依次放置第一半波片(4)、第一 1/4波片(5)、偏振分束器兼激光输出端口(6)、光隔离器(7)和光栅(8)，其中光隔离器(7)保证激光振荡的单向循环。在光栅(8)衍射能量最大级次 的光路上依次放置狭缝(9)、第二 1/4波片(10)、第二半波片(11)、第二双色镜(12)， 荧光经第二双色镜(12)反射后，再由第三非球面透镜(13)注入增益光纤(14)，构成一个完整的单向环形光纤激光器腔体。增益光纤(14)对产生的激光为正色散，腔内没有负色散补偿元件，因此本实施例中激光器工作在全正色散区。将泵浦功率增加至阈值以上，调节光路使激光腔形成闭合回路，激光器即可工作在直流状态，在偏振分束器兼激光输出端口(6) 处可接收并监测输出激光。
在本实施例中，如图1所不，第一半波片(4)、第一 1/4波片(5)、偏振分束器兼激光输出端口(6)、第二 1/4波片(10)、第二半波片(11)共同组成非线性偏振旋转结构作为光纤激光器锁模的等效可饱和吸收体，利用光纤中的非线性偏振旋转效应产生的自振幅调制实现锁模自启动。光栅(8)与狭缝(9)构成一个光谱滤波器，通过对高啁啾脉冲前后沿的滤波作用平衡脉冲在正色散光纤中的展宽效应，光谱滤波器对于脉冲成型以及稳定锁模起重要作用。通过旋转1/4波片和半波片角度调节腔内激光功率和偏振状态，同时改变狭缝(9)宽度调节光谱滤波带宽，当泵浦功率在锁模阈值以上时，可获得稳定的锁模运转。由于采用了光谱滤波器这种耗散元件，这种锁模方式又被称为全正色散耗散孤子锁模。逐步增大泵浦光功率，并适当调节波片角度，锁模功率最大可达IOW以上。如图2所示，光栅⑶与狭缝(9)组成的光谱滤波器除了能调节滤波带宽，还具有波长调谐的功能，通过调节光栅(8)的角度，可改变通过狭缝(9)的波长，从而使激光器的锁模中心波长在1025nm-1075nm 范围内连续可调谐，调谐带宽可达50nm。
权利要求
1.一种可调谐掺镱双包层光纤锁模激光器，为工作在全正色散区的环形腔锁模脉冲激光器，它包括一个半导体激光器泵浦源、三个非球面透镜、两个双色镜、增益光纤、等效可饱和吸收体、光隔离器和光谱滤波器，其特征在于所述的光谱滤波器由光栅和狭缝构成，其中狭缝宽度可调，放置在光栅衍射能量最大级次的光路上，光栅为闪耀光栅，闪耀波长为lOOOnm，光栅固定在二维角度调整架上。
2.根据权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤锁模激光器，其特征在于所述增益光纤为掺镱大芯径双包层光纤，或为掺镱双包层光子晶体光纤，纤芯直径为20-40 μ m,对于1020-1080nm波长范围内的激光为单模。
3.根据权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤锁模激光器，其特征在于所述的等效可饱和吸收体采用非线性偏振旋转结构，由空间光路上依次放置的第一半波片、第一 1/4波片、偏振分束器兼激光输出端口、第二 1/4波片、第二半波片构成。
全文摘要
本发明公开了一种可调谐掺镱双包层光纤锁模激光器，属于激光技术领域。该激光器为环形腔结构，以大芯径双包层掺镱光纤为增益介质，工作在全正色散区。该激光器借助非线性偏振旋转技术和光谱滤波器实现锁模自启动并稳定锁模，光谱滤波器由光栅和一个可调宽度的狭缝构成，滤波带宽可调，且具有调谐功能，可在增益带宽范围内连续调谐输出脉冲中心波长。本发明的优点在于采用非线性偏振旋转以及光谱滤波技术实现大芯径双包层光纤的全正色散锁模，获得支持高功率、大单脉冲能量的超短脉冲激光输出，且中心波长连续可调谐，采用光栅与狭缝组成光谱滤波器，操作方便、调谐范围大。
文档编号H01S3/067GK103022860SQ201110283728
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月21日 优先权日2011年9月21日
发明者刘华刚, 黄见洪, 李锦辉, 郑晖, 翁文, 史斐, 戴殊韬, 葛燕, 邓晶, 阮开明, 林文雄 申请人:中国科学院福建物质结构研究所