一种能提高飞秒脉冲重频的环形主副腔结构锁模激光器的制作方法

本发明涉及超快激光领域，具体涉及一种能提高飞秒脉冲重复频率的环形主副腔结构锁模激光器。

背景技术：

不同种类的光纤激光器具有不同的输出特性。近年来，随着科技的不断发展，各种各样的新型光纤脉冲激光器不断涌现。如调q光纤激光器、增益开关式光纤激光器、锁模光纤激光器、类锁模光纤激光器等。这些光纤激光器根据其独特的输出性能，在各种领域发挥着各种的作用。以掺铥锁模光纤激光器为例，由于铥离子在1.8-2.1µm的宽带增益覆盖了大量大气分子的“指纹区”，掺铥锁模光纤激光器被应用于高敏感度气体检测。此外，高基频重复率的锁模光纤激光器产生的飞秒超短脉冲、增益开关光纤激光器产生的高峰值功率纳秒脉冲等，在光纤通讯、材料加工、医学治疗等方面，也有着广泛的应用。

各种激光器中，锁模激光器因为其输出脉冲各纵模间具有锁定的相位关系，在光频标定、超快测量等方向有先天优势，一直是研究的热点之一。锁模激光器根据锁模的方式不同，可粗略分为主动锁模激光器和被动锁模激光器。主动锁模激光器是通过外加主动调制的设备（如声光调制器）保持相位关系的锁定；被动锁模激光器则是利用了可饱和吸收效应，通过在激光腔内加入可饱和吸收体或等效可饱和吸收体，让光在激光腔内振荡的过程中自发地形成相位锁定。与成本高、激光器结构复杂的主动锁模激光器不同，被动锁模激光器不需要外加调制，可以实现简单紧凑的结构，更容易实现高重复率的脉冲输出。

本发明在原有的被动线性腔锁模激光器的基础上，基于高浓度掺杂发光离子光纤，提出了一种能提高飞秒脉冲重复频率的环形主副腔结构锁模激光器。该副腔由一个弱调制的f-p腔构成。在弱调制的作用下，锁模脉冲受到控制，在时域上呈现出独特的梳状。梳齿间的间隔恒定，适当减小f-p腔的长度，可以让重复频率轻松达到ghz量级，在高重复率领域及脉冲理论研究方面，有着广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提出了一种能提高飞秒脉冲重复频率的环形主副腔结构锁模激光器。该副腔由一个弱调制的f-p腔构成。在弱调制f-p腔的作用下，锁模脉冲受到控制，呈现出独特的使其输出脉冲在时域上呈现出独特的梳状。

本发明的目的之二在于提出了一种能提高飞秒脉冲重复频率的环形主副腔结构锁模激光器的设计思路和设计方案。

本发明的目的之三在于提供上述能提高飞秒脉冲重复频率的环形主副腔结构锁模激光器的应用。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种能提高飞秒脉冲重频的环形主副腔结构锁模激光器，包括增益光纤、波分复用器（wdm）、耦合器、隔离器、可饱和吸收装置；其中，可饱和吸收装置由跳线头和可饱和吸收体构成或由可饱和吸收镜和三端口光纤环形器构成；

可饱和吸收装置分别连接波分复用器以及隔离器输入端；耦合器连接隔离器输出端，耦合器的大端连接增益光纤一端；增益光纤另一端连接波分复用器公共端，使得增益光纤、波分复用器、可饱和吸收装置、隔离器、耦合器连接成环，构成锁模谐振腔；增益光纤在锁模谐振腔内构成了一个弱调制f-p腔，弱调制f-p腔的调制效应让脉冲在时域上呈现出独特的梳状，达到了输出脉冲重复频率加倍的效果，脉冲泵浦光从波分复用器的泵浦端输入，脉冲信号光从耦合器的输出端输出，最终实现能提高飞秒脉冲重复频率的环形主副腔结构锁模激光器。

进一步地，所述增益光纤两端进行镜面抛光处理后，镀上对信号光有弱反射的二色膜，采用胶水粘接或套管连接的方式接入光路中，由于二色膜对信号光有弱反射，增益光纤两端存在对信号光的弱反射，接入锁模谐振腔中时构成了f-p副腔，f-p副腔为弱调制f-p腔；弱调制f-p腔两端对信号光的反射率小于30%；锁模脉冲的基频重复率大于50mhz，单个梳状脉冲梳齿的重复频率大于500mhz。

进一步地，所述增益光纤为高浓度掺杂发光离子光纤，其发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，增益光纤的单位长度增益大于0.5db/cm。

进一步地，当可饱和吸收装置由跳线头和可饱和吸收体构成时，跳线头设置在可饱和吸收体两端，再分别连接波分复用器（wdm）以及隔离器输入端。

进一步地，当可饱和吸收装置由可饱和吸收镜和三端口光纤环形器构成时，可饱和吸收镜通过等离子溅射的方式镀膜在三端口光纤环形器的端面，三端口光纤环形器分别连接波分复用器（wdm）以及隔离器输入端。

进一步地，连接好所有部件之后，需要调节增益光纤的位置直到锁模谐振腔内损耗最小；增益光纤放置在玻璃管或陶瓷管中；在确定增益光纤的位置后，使用胶水粘接或套管连接的方式，将玻璃管或陶瓷管的连接处固定。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出了一种能提高飞秒脉冲重复频率的环形主副腔结构锁模激光器。与普通的环形腔锁模激光器不同，本发明使用了镀弱反射二色膜的高掺杂特殊增益光纤，构成了弱调制f-p腔，具有独特的输出特性。

本发明使用可饱和吸收体进行被动锁模，与现有的主动锁模激光器相比，激光器结构简单，短小精悍，容易实现重复频率高于1ghz的脉冲输出，在高重复率领域有着广泛的应用。

本发明可采用等离子溅射镀膜等形式，将可饱和吸收体及二色镜镀膜在光纤端面，结合套管粘接等技术，可实现激光器的全光纤化，具有较高的环境稳定性，受外界干扰较小。

本发明整体结构小巧轻便，封装后方便携带，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的环形主副腔结构锁模激光器结构图；

图2为本发明实施例2的环形主副腔结构锁模激光器结构图；

图3为本发明测试例1的输出脉冲序列模拟结果图；

图4为本发明测试例1的单个脉冲模拟结果图；

图5为本发明测试例1的射频谱模拟结果图；

图6为本发明测试例1的光谱模拟结果图；

图7为本发明测试例2的输出脉冲序列模拟结果图；

图8为本发明测试例2的单个脉冲模拟结果图；

图9为本发明测试例2的光谱模拟结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明的具体实施做进一步的详细说明。但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例中，增益光纤采用高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6，耦合器采用90：10耦合器4；图1为本实施例中的环形主副腔结构锁模激光器的结构图，按顺序依次是波分复用器（wdm）1、跳线头7、可饱和吸收体2、隔离器3、90：10耦合器4、第四玻璃管5-4、第三玻璃管5-3、高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6、第二玻璃管5-2第一玻璃管5-1。可饱和吸收体2被尾纤上的跳线头7通过法兰盘夹持在中间。第一玻璃管5-1、第二玻璃管5-2、第三玻璃管5-3和第四玻璃管5-4的内径与增益铒镱共掺磷酸盐光纤6的外径相同，波分复用器（wdm）1的公共端尾纤穿于第一玻璃管5-1内，增益光纤的两端分别穿于第三玻璃管5-3和第二玻璃管5-2内，90：10耦合器4的大端穿第四玻璃管5-4内。第一玻璃管5-1、第二玻璃管5-2、第三玻璃管5-3和第四玻璃管5-4的端面磨平后进行镜面抛光处理。抛光后，在增益铒镱共掺磷酸盐光纤6纤两端的第三玻璃管5-3和第二玻璃管5-2端面上镀上二色膜。调节第一玻璃管5-1、第二玻璃管5-2、第三玻璃管5-3和第四玻璃管5-4的位置直到对接损耗最小，使用紫外固化胶将第一玻璃管5-1和第二玻璃管5-2的连接处以及第三玻璃管5-3和第四玻璃管5-4的连接处固定。

本实施例中，所有器件的尾纤均为普通单模光纤。增益铒镱共掺磷酸盐光纤6的长度为8cm，总腔长为3m。二色膜对1550nm的信号光反射率为5%。

实施例2：

本实施例中，增益光纤采用高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6，耦合器采用90：10耦合器4；图2为本实施例中的环形主副腔结构锁模激光器的结构图，按顺序依次是波分复用器（wdm）1、三端口光纤环形器10、隔离器3、90：10耦合器4、第四陶瓷管8-4、第三陶瓷管8-3、高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6、第二陶瓷管8-2和第一陶瓷管8-1。可饱和吸收镜11通过等离子溅射的方式镀膜在三端口光纤环形器10的端面。波分复用器（wdm）1的公共端尾纤穿于第一陶瓷管8-1内，增益光纤的两端分别穿于第三陶瓷管8-3和第二陶瓷管8-2内，90：10耦合器4的大端穿于第四陶瓷管8-4内。第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的内径与高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6的外径相同，第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的端面磨平后进行镜面抛光处理。抛光后，在增益光纤两端的第二陶瓷管8-2和第三陶瓷管8-3端面上镀上二色膜。调节第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的位置直到对接损耗最小，使用第一陶瓷套管9-1以及第二陶瓷管套9-2分别将第一陶瓷管8-1和第二陶瓷管8-2的连接处以及第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的连接处固定住。

本实施例中，所有器件的尾纤均为普通单模光纤。高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6的长度为5cm，总腔长为2m。二色膜对1550nm的信号光反射率为10%。

测试例1：

图2为本测试例中的环形主副腔结构锁模激光器的结构图，按顺序依次是波分复用器（wdm）1、三端口光纤环形器10、隔离器3、90：10耦合器4、第四陶瓷管8-4、第三陶瓷管8-3、高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6、第二陶瓷管8-2和第一陶瓷管8-1。可饱和吸收镜11通过等离子溅射的方式镀膜在三端口光纤环形器10的端面。波分复用器（wdm）1的公共端尾纤穿于第一陶瓷管8-1内，增益光纤的两端分别穿于第三陶瓷管8-3和第二陶瓷管8-2内，90：10耦合器4的大端穿于第四陶瓷管8-4内。第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的内径与高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6的外径相同，第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的端面磨平后进行镜面抛光处理。抛光后，在增益光纤两端的第二陶瓷管8-2和第三陶瓷管8-3端面上镀上二色膜。调节第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的位置直到对接损耗最小，使用第一陶瓷套管9-1以及第二陶瓷管套9-2分别将第一陶瓷管8-1和第二陶瓷管8-2的连接处以及第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的连接处固定住。

本测试例中，所有器件的尾纤均为普通单模光纤。高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6的长度为5cm，总腔长为2m。二色膜对1550nm的信号光反射率为4%。可饱和吸收镜11的调制深度为10%，饱和吸收为10%。

测试结果如图3～6所示。

图3、图4、图5、图6分别为腔内脉冲序列、单个脉冲、射频谱和光谱的模拟结果图。从图中可以看出，脉冲中心波长在1560nm附近，脉冲周期约为10ns，计算出的等效腔长约为2m，与激光器的实际腔长吻合。在f-p腔弱调制的作用下，单个脉冲被等间距地分成了多份（图4），形成了非常有规则的梳状。每个小脉冲的脉冲间隔只与f-p腔有关，从频谱图中可以看出，重复频率为1.95ghz,，对应于f-p腔的腔长5cm。

测试例2：

图2为本实施例的环形主副腔结构锁模激光器的结构图，按顺序依次是波分复用器（wdm）1、三端口光纤环形器10、隔离器3、90：10耦合器4、第四陶瓷管8-4、第三陶瓷管8-3、高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6、第二陶瓷管8-2和第一陶瓷管8-1。可饱和吸收镜11通过等离子溅射的方式镀膜在三端口光纤环形器10的端面。波分复用器（wdm）1的公共端尾纤穿于第一陶瓷管8-1内，增益光纤的两端分别穿于第三陶瓷管8-3和第二陶瓷管8-2内，90：10耦合器4的大端穿于第四陶瓷管8-4内。第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的内径与高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6的外径相同，第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的端面磨平后进行镜面抛光处理。抛光后，在增益光纤两端的第二陶瓷管8-2和第三陶瓷管8-3端面上镀上二色膜。调节第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的位置直到对接损耗最小，使用第一陶瓷套管9-1以及第二陶瓷管套9-2分别将第一陶瓷管8-1和第二陶瓷管8-2的连接处以及第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的连接处固定住。

本测试例中，所有器件的尾纤均为普通单模光纤。高增益铒镱共掺磷酸盐光纤6的长度为5cm，总腔长为2m。二色膜对1550nm的信号光反射率为20%。可饱和吸收镜11的调制深度为10%，饱和吸收为10%。

测试结果如图7～图9所示。

图7、图8、图9分别为腔内脉冲序列、单个脉冲和光谱的模拟结果图。从图中可以看出，脉冲中心波长在1560nm附近，脉冲周期约为10ns，计算出的等效腔长约为2m，与激光器的实际腔长吻合。在f-p腔弱调制的作用下，单个脉冲被等间距地分成了多份（图8），形成了非常有规则的梳状。每个小脉冲的脉冲间隔只与f-p腔有关，从频谱图中可以看出，重复频率为1.95ghz,，对应于f-p腔的腔长5cm。

可以看到，由于弱调制f-p腔的存在，相比起对应腔长为米量级的普通百兆赫兹的环形锁模激光器，此发明的重复频率出现了明显的加倍效果，获得了吉赫兹量级的锁模脉冲输出。

上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。