一种基于混合型8字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器的制作方法

本发明属于超快光纤激光技术领域，涉及一种飞秒激光器。

背景技术：

上世纪90年代末，光学频率梳的出现成为最具革命性的科学研究进展之一，其高分辨率、高精确度的梳齿频率和高稳定度的频率传递特性为光频测量、光学频率传递、精密光谱研究等相关研究领域带来了重大变革。飞秒激光器是光学频率梳的核心组成器件，其时域输出是具有一定时间间隔的超窄激光脉冲序列，其频域上是具有一定频率间隔的频率梳齿。飞秒激光器的性能与光学频率梳的性能指标、可靠性直接相关：一方面，飞秒激光器的强度和相位噪声水平决定了光学频率梳的系统稳定度；另一方面，光学频率梳的可靠性(环境适应性)主要受限于飞秒激光器的环境敏感度。针对光学频率梳在精密物理测量及相关领域的应用研究需求，增大飞秒激光器的纵模间隔、降低飞秒激光器的系统噪声水平以及提高飞秒激光器的系统可靠性是研究人员所关注的重要研究内容。

光学频率梳最初主要是基于钛宝石固态飞秒激光器的系统，钛宝石飞秒激光器具有噪声低和能够产生高重复频率梳齿等优点，但是其系统庞大、维护费用高，并且系统环境适应能力差，不能满足各种应用领域的需求。近年来，随着光纤激光技术的进步，光纤激光器的研究取得了飞速发展，基于超短脉冲光纤激光器构建的光学频率梳系统由于具有紧凑化结构、较高的转化效率以及长期稳定运转等特性，已广泛应用于众多应用研究领域，其中以掺铒光纤飞秒激光器的应用研究最为典型。

掺铒光纤飞秒激光器中使用较多的锁模技术包括可饱和吸收体锁模、非线性偏振旋转锁模和非线性光纤放大环形镜锁模等，这些锁模技术对输出锁模脉冲特性和激光器系统参数具有极大的影响。在基于可饱和吸收体锁模的飞秒激光器中，可饱和吸收体有半导体饱和吸收镜(sesam)、石墨烯和碳纳米管等几种不同的材料。由于上述这些可饱和吸收体都具有慢饱和吸收特性，使这类激光器的输出脉冲往往在皮秒量级，并且基于可饱和吸收体锁模机制的激光器噪声水平较高。另外，过高的泵浦功率会击穿并损坏可饱和吸收体材料，限制了这类激光器的输出功率和脉冲能量。基于非线性偏振旋转锁模机制的飞秒激光器是通过在光纤中产生与光强度相关的非线性相移，并通过偏振态的选择实现锁模，通过对光学腔进行色散管理，可以实现几十飞秒量级的脉冲输出，该类激光器一般系统噪声低噪声。但是，由于该类激光器的锁模状态与激光偏振态密切，环境温度改变、振动和光纤弯曲改变等都会造成锁模状态的变化甚至失锁。另外，该类激光器需要通过偏振器件的调节，寻找锁模状态，没有自启锁功能。基于非线性放大环形镜锁模的飞秒激光器一般采用全保偏光纤设计，具有可靠性高，小型化和易实用化的优点。并且通过在光学腔内加入相位调制器，使得该类激光器具有自启锁功能，但由于腔内色散管理的困难，使得系统的噪声水平较高。另外，由于该类激光器本身结构的特点，难以获得高重复频率的飞秒激光器。

因此，针对光学频率梳在精密物理测量及相关领域的应用需求，增大飞秒激光器的纵模间隔、降低飞秒激光器的系统噪声水平以及提高飞秒激光器系统可靠性是研究人员所关注的重要研究内容。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于混合型“8”字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器装置，适用于飞秒频率梳的激光源。本发明所设计的掺铒光纤飞秒激光器，使用光纤和空间耦合式锁模结构，联合利用非线性偏振旋转和非线性光纤放大环形镜两种锁模机制，可以实现高重复频率、色散管理机制的锁模激光脉冲输出，降低掺铒光纤飞秒激光器系统噪声的同时，使其具有自动启锁功能，并且提高了飞秒激光器的环境适应性和纵模间隔。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于混合型8字腔锁模掺铒光纤飞秒激光器装置，包括四端口分束器、主振荡环路和干涉环路；四端口分束器作为主振荡环路和干涉环路的连接器件，两个端口与主振荡环路相连，另两个端口与干涉环路两端相连，作为干涉环路的输入和输出端口，保证由主振荡环路的激光沿干涉环路双向传递；所述的干涉环路为非线性放大环形腔镜光路，该光路为全光纤光路；所述的主振荡环路包括两个偏振控制模块、电光调制晶体、激光反射镜、压电陶瓷驱动器、空间光隔离器和两个光纤准直器，干涉环路的输出通过四端口分束器进入光纤准直器一，光纤准直器一的出射光线依次经由偏振控制模块一、电光调制晶体、空间光隔离器和偏振控制模块二，入射光纤准直器二；激光反射镜在压电陶瓷驱动器的驱动下调整位置，电光调制晶体出射的激光由激光反射镜反射后入射空间光隔离器，或偏振控制模块一出射的激光由激光反射镜反射后再次经过偏振控制模块一入射空间光隔离器；所述的空间光隔离器保证激光在主振荡环路中单向传输；所述的电光调制晶体作为快速光调制元件，其折射率大小随着加载电压的变化而改变，进而快速改变主振荡环路的光程长度；所述的压电陶瓷驱动器由驱动电压控制其长度伸缩，用于大范围改变主振荡环路的光程长度。

所述的干涉环路包括偏振控制器、掺铒增益光纤和波分复用器，依次串接在四端口分束器的两个端口之间；所述的偏振控制器通过夹持干涉环路的增益光纤或普通光纤，改变干涉环路内激光的偏振，与主振荡环路内的偏振控制元件同时实现掺铒光纤飞秒激光器的启动和维持；所述的波分复用器将入射的泵浦激光传输至掺铒增益光纤产生激光；所述的偏振控制器、掺铒增益光纤和波分复用器之间均通过单模光纤连接。

所述的主振荡环路中，偏振控制模块一包括偏振元件和偏振分光棱镜；激光经过偏振元件调节后，传输至偏振分光棱镜进行偏振分束，垂直偏振的激光作为本发明的激光输出，水平偏振激光传输至电光调制晶体；所述的偏振元件为四分之一波片、半波片、电光偏振调制器和磁光偏振旋转器中的一种或串接的若干种。

所述的主振荡环路中，偏振控制模块一包括偏振元件和偏振分光棱镜；激光经过偏振元件调节后，传输至偏振分光棱镜进行偏振分束，水平偏振的激光作为本发明的激光输出，垂直偏振激光经过偏振元件传输至电光调制晶体；所述的偏振元件为四分之一波片、半波片、电光偏振调制器和磁光偏振旋转器中的一种或串接的两种。

所述的主振荡环路中，偏振控制模块二为四分之一波片、半波片、电光偏振调制器和磁光偏振旋转器中的一种或串接的两种。

本发明的有益效果是：由于采用光纤和空间耦合式的“8”字腔锁模结构，该结构结合非线性偏振旋转锁模和非线性放大环形镜两个锁模原理的特点，实现高重复频率、色散管理机制的锁模激光脉冲输出，提高了光学频域的纵模间隔；同时在掺铒光纤飞秒激光器光学腔内加入电光调制晶体和压电陶瓷驱动器等调制器件，为掺铒光纤飞秒光学频率梳重复频率高带宽、大范围的反馈控制提供条件，使光梳具备超高精度(秒稳达到e-16)频率控制能力；同时，整个掺铒光纤飞秒激光器装置具有结构紧凑、调节及封装简易和长期运行稳定等特点。

附图说明

图1为本发明实施例的的结构示意图，其中，(a)为结构a，(b)为结构b；

图2为本发明实施例的内偏振控制器一结构示意图；

图3为本发明实施例的内偏振控制器二结构示意图；

图中，1-光纤分束器；2-光纤准直器；3-偏振控制模块1；4-电光调制晶体；5-激光反射镜；6-压电陶瓷驱动器；7-空间光隔离器；8-偏振控制模块2；9-波分复用器；10-掺铒增益光纤；11-偏振控制器；12-泵浦激光源；13-1/2波片或1/4波片；14-偏振分光棱镜；15-1/4波片-电光偏振调制器或磁光偏振旋转器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种作为光学频率梳激光源的飞秒激光器，该激光器是一种基于非线性偏振旋转和非线性放大环形镜两种锁模机制的混合型“8”字腔飞秒激光器。

基于混合型“8”字腔锁模掺铒光纤飞秒激光器装置，包括四端口分束器、主振荡环路和干涉环路。四端口分束器作为主振荡环路和干涉环路的连接器件；干涉环路是一个典型的非线性放大环形腔镜光路，该光路为全光纤光路；主振荡环路由光纤光路和空间光路两部分组成，其中空间光路包括激光偏振调节元件、激光输出元件、重复频率控制元件、保证光路单方向通过的隔离元件和空间与光纤之间的耦合元件等组成。

作为上述基于混合型“8”字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器的一种优选方案，所述的8字形腔结构锁模掺铒光纤飞秒激光器的主振荡环路中，其光纤光路中包含有空间光隔离器或由起偏器、法拉第旋光器和检偏器组成的隔离元件，以保证激光在主振荡环路中单向传输。

作为上述基于混合型“8”字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器装置的一种优选方案，所述的掺铒光纤飞秒激光器的主振荡环路中，空间光路部分包含有半波片、四分之一波片及偏振分光棱镜等偏振控制元件若干。所述的偏振控制元件偏振分光棱镜同时作为掺铒光纤飞秒激光器的输出元件，由半波片和四分之一波片组成的一组偏振控制元件组合置于光纤耦合器和偏振分光棱镜入射端，另一组半波片和四分之一波片组成的偏振控制元件组合置于偏振分光棱镜的透射端与另一个光纤耦合器之间。偏振控制元件的目的是启动并维持掺铒飞秒激光器的锁模状态。

作为上述基于混合型“8”字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器装置的一种优选方案，所述的掺铒光纤飞秒激光器的主振荡环路中，空间光路中还包含有电光调制晶体和压电陶瓷驱动器，其中电光调制晶体置于空间光路中偏振分光棱镜的透射端，作为快速光调制元件，其折射率大小随着加载电压的变化而改变，进而快速改变主振荡环路的光程长度；压电陶瓷驱动器置于主振荡环路的反射臂上，作为慢速、长程补偿元件，其长度的伸缩由驱动电压控制，用于大范围改变主振荡环路的光程长度；电光调制晶体和压电陶瓷驱动器同时作为激光重复频率锁定的反馈元件。

作为上述基于混合型“8”字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器装置的一种优选方案，所述的光纤飞秒激光器的干涉环路，主要由光纤分束器、波分复用器、普通单模光纤和掺铒增益光纤构成。其中光纤分束器作为主振荡环路和干涉环路的连接器件，其中两个端口与主振荡环路相连，另两个端口与干涉环路两端相连，作为干涉环路的输入和输出端口，保证由主振荡环路的激光沿干涉环路的双向传递。

作为上述基于混合型“8”字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器装置的一种优选方案，所述的掺铒光纤飞秒激光器的干涉环路中，还包含机械式或电调节式的偏振控制器，通过夹持干涉环路的增益光纤或普通光纤，改变干涉环路内激光的偏振，其目的是与主振荡环路内的偏振控制元件同时实现掺铒光纤飞秒激光器的启动和维持。

作为上述基于混合型“8”字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器装置的一种优选方案，所述的掺铒光纤飞秒激光器的干涉环路还具有色散管理的特点，所选的掺铒增益光纤不仅为激光系统提供所需的能量，还要求其在通信波段提供正常色散，而普通单模光纤在通信波段提供反常色散；通过掺铒增益光纤与普通单模光纤间长度的匹配，实现掺铒光纤飞秒激光器的内腔色散管理。

本发明实施例的整体结构如图1所示，分为结构a和结构b两种结构，这两种结构大致相同，主要分成主振荡环路和干涉环路，其中主振荡环路是由光纤部分和空间部分组成，光纤部分为光纤分束器1和光纤准直器2构成，光纤分束器1的分束比例典型值为50:50。光纤准直器2的输出光直接入射至偏振控制模块一3，经偏振控制模块一3的激光传输至电光调制晶体4后，通过激光反射镜5反射，该激光反射镜5胶贴在压电陶瓷驱动器6上。反射后的激光直接或再次经过偏振控制模块一3进入空间光隔离器7，确保激光在主振荡环路内单向传输，并进入到偏振控制模块二8中。经过偏振控制模块二8的激光传输至光纤准直器2并回到光纤分束器1处，以此构成基于混合型“8”字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器的主振荡环路。

在主振荡环路中，偏振控制模块一3的典型结构可以有如下两种形式，分别如图2的结构c和d所示，其中结构c主要应用于基于混合型“8”字腔锁模的掺铒光纤飞秒激光器的结构a中，而结构d则应用在基于混合型“8”字腔锁模掺铒光纤飞秒激光器的结构b中；首先以结构c为例，激光经过半波片或四分之一波片13或四分之一波片、半波片、电光偏振调制器或磁光偏振旋转器15等偏振元件调节后，传输至偏振分光棱镜14进行偏振分束，垂直偏振的激光作为基于混合型“8”字腔锁模掺铒光纤飞秒激光器的激光输出，水平偏振激光传输至后续元件；而结构d中，偏振分光棱镜14的水平偏振激光作为基于混合型“8”字腔锁模掺铒光纤飞秒激光器的激光输出，垂直偏振的激光传输至后续元件。偏振控制模块二8也可以分为两种典型结构，既可以包括单片半波片或四分之一波片13的结构，也可以再次使用四分之一波片、半波片、电光偏振调制器或磁光偏振旋转器等偏振调节元件15对激光进行两次偏振调节

基于混合型“8”字腔锁模掺铒光纤飞秒激光器的干涉环路为光纤光路(如图1所示)，该环路依次由光纤分束器1、波分复用器9、掺铒增益光纤10和偏振控制器11首尾顺次连接而成，波分复用器9的作用是将泵浦飞秒激光器12输出的泵浦激光传输至掺铒增益光纤10，实现粒子数反转而产生激光，为整个基于混合型“8”字腔锁模掺铒光纤飞秒激光器提供能量。偏振控制器11的作用是与主振荡环路内的偏振控制模块一3和偏振控制模块二8同时控制激光偏振态，实现并维持8字形腔结构的锁模。以上元件的连接光纤全部为提供负色散的普通单模光纤，而掺铒增益光纤10则提供正色散，通过匹配普通单模光纤和掺铒增益光纤10的长度来优化基于混合型“8”字腔锁模掺铒光纤飞秒激光器的内腔净色散，使内腔净色散尽量接近于零，这种色散管理的机制可以有效地抑制光学频率梳的相位噪声。

根据实验可得，由基于混合型“8”字腔锁模掺铒光纤飞秒激光器的偏振控制模块一3输出的激光，一般具有0.3nj的单脉冲能量，直接输出脉冲宽度小于100fs，输出光谱宽度大于40nm，输出激光传输至激光分束器1中分束，实现激光多路输出。其中激光分束器1可以使用激光部分反射镜搭建空间光路实现，也可以使用光纤结构的激光分束器；一般分束光路大于等于两路，分束比例按所需比例调节。