双包层大模场面积掺镱光子晶体光纤飞秒激光器

摘要

本发明公开了一种直接获得微焦耳量级单脉冲能量的双包层大模场面积光子晶体光纤飞秒激光器，属于激光技术和非线性光学领域。激光器的主体基于保偏结构的双包层大模场面积光子晶体光纤，并采用大功率LD激光器直接泵浦。激光器利用光栅对补偿色散，借助半导体可饱和吸收镜(SESAM)启动锁模，通过波片和偏振分束器控制激光器的偏振，实现调谐输出。激光器谐振腔内保持净的正色散，以自相似锁模方式运转，输出脉冲经腔外色散补偿，脉冲宽度为100～200fs。本发明优点在于：该激光器具有稳定性好，输出脉冲能量大，重复频率高。输出脉冲能量大，脉冲具有抛物线型脉冲形状、线性啁啾和抛物线型频谱形状，有效避免高脉冲能量运转时的脉冲分裂。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种双包层大模场面积掺镱光子晶体光纤飞秒激光器，属于激光技术和非线性光学领域。

背景技术

超短脉冲光纤激光器具有运转稳定，集成度高，价格低廉，维护方便等突出优势，目前已经广泛商用化，在光通信，生命科学及基础科学中超快现象的探索等领域有着广泛的应用。超短脉冲光纤激光器一般利用被动锁模获得飞秒量级的激光脉冲。超短脉冲光纤激光器的被动锁模方式有非线性偏振旋转锁模，非线性光纤环形镜锁模，半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模等几种方式。非线性偏振旋转锁模需要在光路中加入许多偏振控制元件，调整比较困难，而且这种锁模方式在高脉冲能量下容易饱和，因此仅适用于低脉冲能量超短脉冲光纤激光器。非线性光纤环形镜锁模的超短脉冲光纤激光器的重复频率很难控制，稳定性较差。半导体可饱和吸收镜基于一块集成在全反射镜上的半导体可饱和吸收体，结构紧凑，易于调整，能够实现锁模的自启动，同时使激光器获得飞秒量级的激光脉冲，非常适合于超短脉冲光纤激光器的锁模。单脉冲能量是衡量超短脉冲光纤激光器性能的重要指标。基于传统光纤的超短脉冲光纤激光器的单脉冲能量会受到以下两个方面因素制约。第一，这种光纤激光器必须使用低功率的单模二极管激光器(LD)泵浦，限制了能量的注入水平。第二，传统光纤的纤芯很小，使得高能量的超短脉冲在光纤中传输时的非线性效应较强，这会导致脉冲分裂，从而破坏超短脉冲光纤激光器运转的稳定性。基于这两方面的原因，传统的超短脉冲光纤激光器的单脉冲能量一般在皮焦耳(pJ)量级，最高也只有几个纳焦耳(nJ)。为了得到更高的脉冲能量，往往需要放大级对激光器输出的超短脉冲进行放大，而放大过程不仅增加了激光系统的成本，牺牲了其易用性，而且会对脉冲的形状及重复频率的稳定性造成一定的破坏，很大程度上限制了其应用范围。因此，直接从激光器获得高脉冲能量的超短激光脉冲输出有着突出的现实意义。双包层结构为提高超短脉冲光纤激光器的单脉冲能量提供了可能。这种光纤由纤芯，内包层和外包层构成。纤芯中掺杂增益离子，激光在单模纤芯中传输并放大，内包层作为纤芯包层，同时也是泵浦光的纤芯，允许多模的大功率LD泵浦光直接注入，外包层起到泵浦光包层的作用。为了进一步降低双包层光纤的非线性，需要大大提高纤芯的直径。在双包层光纤的内包层和外包层中引入周期排列的空气孔结构，即得到双包层光子晶体光纤。在一定的空气孔大小及孔间距情况下，这种光子晶体光纤可以提供比传统光纤大一个数量级的模场面积并保持单模运转，从而在不牺牲光束质量的同时，有效地降低光纤中的非线性，达到提高激光器单脉冲能量的目的。通过对超短脉冲光纤激光器运转机制深入的研究发现，光纤的非线性对脉冲能量提高的限制是由脉冲分裂引起的，而脉冲分裂与脉冲形状紧密相关。传统的超短脉冲光纤激光器以孤子锁模方式运转，脉冲形状为双曲正割形，其引入的非线性啁啾会导致脉冲分裂。如果使激光器工作在自相似锁模状态，会得到抛物线形的脉冲形状，而这种形状的脉冲支持线性啁啾，在很强的光纤非线性作用下，脉冲也不会分裂，从而能够使光纤激光器获得的单脉冲能量至少比传统的光纤激光器高一个数量级。光纤激光器的另一项重要指标就是其稳定性。传统超短脉冲光纤激光器的运转受周围的环境影响很大，而双包层大模场面积光子晶体光纤同时能提供的增强保偏特性使这种光纤激光器的运转能够获得极佳的稳定性。有关涉及到本发明技术的文献和报道如下：

[1]B.Ortac，A.Hideur，C.Chedot，et.al.，“Self-similar low-noise femtosecond ytterbium-dopeddouble-clad fiber laser”，Appl.Phys.B，vol.85，pp.63-67，2006；

[2]C.K.Nielsen，B.Ortac，T.Schreiber，et.al.，″Self-starting self-similar all-polarization maintainingYb-doped fiber laser″，Opt.Express.，vol.13，pp.9346-9351，2005；

[3]F..llday，J.R.Buckley，W.G.Clark，et.al.，″Self-Similar Evolution of Parabolic Pulses in aLaser″，Phys.Rev.Lett.，vol.92，pp.213902-1，2004；

[4]T.Schreiber，F.Rser，O.Schmidt，et.al，“Stress induced single-polarization single-transversemode photonic crystal fiber with low nonlinearity，”Opt.Express.，vol.13，pp.7621-7630，2005；

[5]Jens Limpert，Fabian Rser，Thomas Schreiber，et.al，″High-Power Ultrafast Fiber LaserSystems″，IEEE J.Sel.Top.Quantum.Electron.，vol.12，pp.233-244，2006；

发明内容

本发明的目的在于提供一种直接获得单脉冲能量为微焦耳(μJ)的双包层大模场面积掺镱(Yb³⁺)光子晶体光纤飞秒激光器。

本发明是通过下述技术方案加以实现的：一种双包层大模场面积掺镱光子晶体光纤飞秒激光器，该激光器由二极管激光器(LD)1作为泵浦源，在泵浦光路中，依次设置用于准直泵浦光的非球面透镜2，双色镜3，耦合聚焦非球面透镜4，非球面透镜4将泵浦光注入双包层大模场面积掺镱光子晶体光纤9。光子晶体光纤9的右侧作为输出光路，左侧作为色散补偿光路。输出光路中依次设置非球面透镜10，半波片11，偏振分束器12，四分之一波片13，非球面透镜14及半导体可饱和吸收镜(SESAM)15。色散补偿光路中依次设置半波片5，光栅6、7，全反射镜8，从而构成了以光子晶体光纤9，全反射镜8及SESEAM为主体的驻波型激光谐振腔。激光由偏振分束器12的输出端导出，输出光路中依次设置半波片16，光栅18、19，全反射镜20及全反射镜17，它们构成激光器的谐振腔外色散补偿系统。其特征在于：LD 1采用光纤输出，输出尾纤的纤芯直径为200～400μm，数值孔径NA为0.2～0.4，输出波长为976～980nm，输出功率为5～30W。双色镜3与泵浦光呈15度夹角，对于波长为976～980nm的泵浦光透过率大于98％，对于波长为1～1.1μm的激光反射率大于95％。双包层大模场面积掺镱(Yb³⁺)光子晶体光纤9长度为4～6米，纤芯数值孔径NA为0.03～0.06，单模场面积500～1000μm²，对976～980nm泵浦光吸收系数为8～15dB/m，内包层为4～6层正六边形周期排布的空气孔结构，内包层的数值孔径NA为0.45～0.8，光纤弯曲直径为20～40cm，光纤两个端面空气孔被塌陷，塌陷长度200～500μm，光纤端面与光纤轴垂直的平面呈8～15度夹角。半导体可饱和吸收镜15的工作波段为1～1.1μm，饱和能流为120～200μJ/cm²，调制深度为10％～40％。偏振分束器12对1～1.1μm激光的两个垂直偏振态的消光比达1000∶1。非球面透镜2焦距为10～20mm，数值孔径NA与LD尾纤的数值孔径相同。非球面透镜4，10焦距为8～15mm，非球面透镜4的数值孔径与光子晶体光纤的内包层数值孔径相同，而非球面透镜10的数值孔径与光子晶体光纤纤芯的数值孔径相同。非球面透镜14焦距为100～200mm，所有非球面透镜表面镀宽带增透膜，对976～1100nm激光透射率大于99.5％。光栅6、7平行放置，光栅18、19平行放置，所有光栅刻线密度为600/mm，闪耀波长为1μm，表面镀金，1级衍射效率大于90％，且以里特罗角(Littrow)插入光路。全反射镜17与光路呈45度放置，对波长为1～1.1μm的激光的反射率大于99％。全反射镜8、20垂直于光路放置，对波长为1～1.1μm的激光的反射率大于99％。

与以往报道的超短脉冲光纤激光器相比，本发明的技术方案具有如下优点：

1.激光器的主体基于保偏结构的双包层大模场面积掺镱(Yb³⁺)光子晶体光纤，具有良好的偏振保持特性，运转时具有很好的稳定性。光纤的单模场面积500～1000μm²，非线性系数比普通光纤低10倍以上，可以支持的单脉冲能量也相应的比传统光纤激光器高10倍以上。

2.保偏结构的双包层大模场面积掺镱(Yb³⁺)光子晶体光纤具有正常材料色散，会使脉冲展宽，对获得飞秒脉冲不利。因此在激光腔内引入光栅对作为色散补偿元件，通过调整光栅对的间距，可以得到可调的反常色散，得到飞秒脉冲。如果精确控制腔内光栅对的间隔，部分补偿光子晶体光纤的正常色散，把净色散量控制在0.015～0.03ps²之间，可以实现自相似(self-similar)锁模，与传统超短脉冲光纤激光器所获得的双曲正割型时域脉冲及频谱形状不同，本发明获得抛物线型脉冲形状、线性啁啾和抛物线型频谱形状，从而有效避免脉冲分裂，支持高达微焦耳的单脉冲能量。输出激光经过腔外光栅对，线性啁啾可以得到完全补偿，得到单脉冲能量微焦耳量级，脉冲宽度100～200fs，重复频率10～30MHz，频谱在1～1.1μm波段的超短激光脉冲。

附图说明

图1为本发明的双包层大模场面积掺镱(Yb³⁺)光子晶体光纤飞秒激光器结构示意图。

图中：1为LD泵浦源；2为准直非球面透镜；3为双色镜；4和10为耦合、聚焦非球面透镜；14为聚焦非球面透镜；5、11和16为半波片；13为四分之一波片；12为偏振分束器；6和7为光栅对；18和19也为光栅对；8和20为0度全反镜；17为45度全反镜；9为光子晶体光纤；15为半导体可饱和吸收镜(SESAM)。

图2为图1中光子晶体光纤9的端面扫描电镜显微照片。

图3为光子晶体光纤端面空气孔塌陷及角度抛光后的侧面显微照片。

图4为数值模拟的本发明激光器产生的抛物线型时域脉冲波形及相应的线性啁啾曲线。

图5为数值模拟的本发明激光器产生的抛物线型频谱。

图6为数值模拟的本发明激光器输出脉冲经光栅对压缩后的时域脉冲波型及相应的啁啾曲线。

具体实施方式

获得高脉冲能量的双包层大模场面积掺镱(Yb³⁺)光子晶体光纤飞秒激光器的具体实施方案如下：首先利用五维精密光纤调整架固定LD激光器1的尾纤，实现尾纤的上下，左右，前后及倾斜角度的精密调整。调节尾纤，使其出射端位于非球面透镜2的焦点，充分准直泵浦光。LD 1输出尾纤的纤芯直径为200～400μm，数值孔径NA为0.2～0.4，输出波长为976～980nm，输出功率为5～30W。使用非球面镜进行聚焦、准直可以有效避免球差，得到衍射极限的光斑。非球面透镜2、4、10、14均镀有对976～1100nm波段高透的宽带介质膜，透射率大于99.5％，且固定在精密一维微位移平台上，用于精确调节准直与聚焦。非球面透镜2的焦距为10～20mm，数值孔径NA与LD尾纤的数值孔径相同。把双色镜3置于非球面透镜2之后，且与泵浦光呈15度放置，依此角度放置，双色镜对于波长为976～1100nm的泵浦光透过率大于98％，对于波长为1～1.1μm的激光反射率大于95％。在双色镜之后插入非球面透镜4，把泵浦光聚焦至光子晶体光纤9，非球面透镜4焦距为8～15mm，数值孔径与光子晶体光纤的内包层数值孔径相同。双包层大模场面积掺镱(Yb³⁺)光子晶体光纤可分为纤芯，内保层，外包层三部分。纤芯掺杂增益介质Yb³⁺，数值孔径NA为0.03～0.06。内包层由4～6层正六边形周期排布的空气孔构成，通过控制空气孔的间距及空气孔大小来改变包层等效折射率，从而使得光纤在大模场面积的情况下保持单模，单模场面积500～1000μm²，同时，光纤弯曲直径为20～40cm，利用光纤高阶模式的弯曲损耗比基模大的特点，抑制高阶模。内包层也作为多模泵浦纤芯，数值孔径NA为0.45～0.8。内包层同时引入应力双折射结构，使光纤的偏振抑制比达到10dB。泵浦光受到外包层空气孔的束缚而仅在内包层中传输，以保证其能量充分被纤芯掺杂离子吸收，其对976～980nm泵浦光吸收系数为8～15dB/m。截取4～6米光子晶体光纤，两个端面的空气孔由光纤熔接机高压放电塌陷，之后利用光纤研磨机打磨抛光成8～15度角，从而起到抑制自激振荡及端面反馈的作用。利用五维精密光纤调整架把光纤两端固定，调节光纤，使其位于非球面透镜4的焦点，微调直至泵浦光的耦合效率最高。光纤的另一端插入非球面透镜10，焦距为8～15mm，其数值孔径与光子晶体光纤纤芯数值孔径相同。此时加大泵浦功率，从光纤两个端面会有自发辐射荧光出射，其中一路通过非球面透镜4准直然后被双色镜3反射，另一路通过非球面透镜10准直，在双色镜3与非球面透镜10后面分别插入全反射镜作为端镜，微调两面端镜，把荧光反射回光纤中，即得到简单的谐振腔，此时会实现连续波(CW)的激光运转。以光子晶体光纤为界，此时激光器谐振腔可分为两臂，在其中一臂的光路中依次插入半波片5，光栅6、7。另一臂的光路中依次插入半波片11，偏振分束器(PBS)12，四分之一波片13，非球面透镜14，并用SESAM代替另一个端镜。光栅6、7以里特罗角(Littrow)插入光路以减少损耗，其他原件皆以垂直于光轴的方向插入。平行放置的光栅对会引入反常色散，且光栅对间隔越大，所产生的负色散量越大，从而起到腔内色散补偿的作用。光栅固定在一维精密微位移平台上，用于微调距离。光栅6、7刻线密度为600/mm，闪耀波长为1μm，1级衍射效率大于90％，表面镀金以提高反射率。光栅的衍射效率对入射光偏振态极为敏感，旋转半波片5，可以激发使光栅获得最高衍射效率的偏振态。SESAM的工作波段为1～1.1μm，饱和能流为120～200μJ/cm²，调制深度为10％～40％，固定在铜制调整架上，以达到良好的散热效果。通过调节SESAM和在它前面的焦距为100～200mm的非球面聚焦透镜之间的距离，从而改变SESAM上的聚焦光斑大小，达到SESAM的饱和能流，从而使激光器实现自启动锁模，从CW运转过渡到锁模脉冲运转。所有波片和偏振分束器都镀有对1～1.1μm激光透过率大于99.5％的宽带增透膜，偏振分束器对1～1.1μm激光的两个垂直偏振态的消光比达1000∶1。波片固定在可旋转调整架上，偏振分束器固定在水平棱镜架上。半波片11与偏振分束器12结合起到控制激光器偏振状态的作用，使得激光器仅仅激发沿光纤慢轴线偏振的激光，并使得从光纤出射的激光完全透过偏振分束器。调节四分之一波片13可以控制激光器的耦合输出率。透过偏振分束器的激光通过四分之一波片，经SESAM反射，并再次通过四分之一波片，偏振状态被改变，从而使得一部分光透过PBS，重新耦合至光纤，继续在腔内振荡，而另一部分光则被反射出激光腔。偏振分束器输出的激光脉冲经由半波片16，腔外光栅对18、19补偿色散，并通过全反镜20沿低于入射光路的水平面且平行于入射光路返回，再次经光栅对18、19补偿色散，最后由45度反射镜17将激光导出。半波片16的作用与半波片5完全相同。光栅18、19的参数及作用与光栅6、7完全相同。一般情况下，激光器以孤子锁模方式运转，此时光栅对6、7过度补偿了光子晶体光纤的材料色散，腔内为净反常色散。从激光器输出端利用光谱分析仪观测到双曲正割形状的光谱，利用自相关器观测其输出脉冲，脉宽为100～200fs。但是脉冲的能量严重受限，加大泵浦功率，会使锁模变得不稳定。此时减小光栅对6、7之间的间隔，直到激光腔内达到净正常色散，净色散量为0.015～0.03ps²之间，此时光谱仪上会观察到抛物线型的光谱形状，即激光器以自相似锁模方式运转。加大泵浦功率，激光器仍可以稳定运转，单脉冲能量可达微焦耳。输出的脉冲会比孤子锁模时宽，在ps量级，且伴随线性啁啾。通过调整腔外光栅对的间距，可以完全补偿输出脉冲的线性正啁啾，获得傅立叶变换极限的脉冲宽度，脉冲宽度为100～200fs。