全固态光子带隙增益光纤的全光纤环形脉冲激光器

摘要

本发明公开了一种全固态光子带隙增益光纤的全光纤环形脉冲激光器。该激光器采用波长为980nm的光纤耦合LD泵浦。环形腔包括：全固态光子带隙增益光纤，增益光纤两端分别焊接引出单模光纤，一端直接与锁模输出单元相连，另一端经过泵浦用波分复用耦合器与变长度单模光纤集成单元相连，变长度单模光纤集成单元的另一端与锁模输出单元相连，该环形脉冲全光纤激光器的光脉冲运转路线为：由全固态光子带隙增益光纤及引出用的单模光纤→变长度单模光纤集成单元→锁模输出单元。本激光器具有体积小、稳定性高、操作简便、造价低特点，可以工作在三种脉冲运转状态之间切换，方便地作为不同类型的光纤放大器的种子源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种全固态光子带隙增益光纤的全光纤环形脉冲激光器，属于激光技术领域。

背景技术

光子晶体光纤(PCF)进展：1996年，英国巴斯大学Russell小组成功研制出世界上第一根光子晶体光纤(PCF)。1999年，英国、美国、丹麦的几个实验室和公司利用传统光纤拉制技术相继研制出多种不同结构的PCF；目前国内也有燕山大学、武汉烽火、长飞集团等单位开展了PCF的研制工作。从2000年开始，以产生超连续光谱为代表的PCF非线性研究在世界范围内形成热点，研究内容涉及到PCF的设计、制造、传输特性、非线性特性及其各种可能的应用。此后，国际上几个研究小组开始尝试利用PCF作为增益介质或色散补偿介质实现飞秒激光振荡器和放大器的实验。从2005年起，德国Limpert小组先后报道了利用掺镱的PCF做为增益介质实现高功率飞秒级的激光放大运转[1]。从此开始了研究PCF飞秒激光器新的应用热点。

光纤激光器进展：上世纪90年代初，开始了以传统光纤为增益介质的光纤激光器，主要是以孤子传输的形式运转[2]，脉冲能量较低。目前理论和实验研究都已经证明光纤激光器中能够存在三种脉冲运转方式，特别是自相似运转模式可以实现较高脉冲功率和积累较好的线性啁啾，便于进行压缩获得更窄的脉冲[3，4]。PCF以其大芯径的无截止单模，色散可控等优点已经成为新一代的激光增益介质的基质材料。目前以PCF为代表的第三代全光纤型飞秒激光器主要采用直腔型和环腔型结构[5，6]，特别是环腔全光纤结构具有低廉的成本，能抗击外部环境影响的封闭式结构，无需繁琐调试的集成化以及高功率高光束质量等等优点[7]。因此，在基础学科、高新技术、国防应用以及大科学工程中发挥其不可代替的重要的独特作用。

目前基于PCF的全光纤环形激光器的结构一般分为三部分：增益光纤+单模光纤、色散补偿光纤和偏振旋转锁模单元[2，6，8，9]。单向环绕顺序为：从色散补偿光纤、单模光纤、增益光纤、到偏振旋转锁模单元输出。

参考文献

[1]J.Limpert，F. Roser，T.Schreiber，A.Tunnermann，“High-power ultrafast fiber lasersystems”，IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.12(2006)：233-244.

[2]K.Tamura，E.P. Ippen，H.A.Haus，L.E.Nelson，“77-fs pulse generation from a stretched-pulsemode-locked all-fiber ring laser”，Opt.Lett.，18(1993)：1080-1082.

[3]A.Chong，J.Buckley，W.Renninger，F.Wise，“All-normal dispersion femtosecond fiber laser”，Opt.Expr.，.14(2006)：10095-10100.

[4]F..Ilday，J.R.Buckley，W.G.Clark，F.W.Wise，“Self-similar evolution of parabolic pulses in laser”，Phys.Rev.Lett.，92(2004)213902.

[5]J.Limpert，T. Schreiber，S.Nolte，H.Zellmer，A.Tunnermann，“All fiber chirped-pulseamplification system based on compression in air-guiding photonic bandgap fiber”，Opt.Expr.，.11(2003)：3332-3337.

[6]H.Lim，F.Wise，“Control of dispersion in a femtosecond ytterbium laser by use ofhollow-core photonic bandgap fiber”，Opt.Expr.，.12(2004)：2231-2235.

[7]J.Takayanagi，N.Nishizawa，H.Nagai，M.Yoshida，T.Goto，“Generation of high-powerfemtosecond pulse and octave-spanning ultrabroad supercontinuum using all-fiber system”，IEEE Photon Technol.Lett.，17(2005)：37-39.

[8]V.P.Kalosha，L.Chen，X.Bao，“Ultra-short pulse operation of all-optical fiber passivelymode-locked ytterbium laser”，Opt.Expr.，.14(2006)：4935-4945.

[9]Y. Logvin，V.P.Kalosha，H.Anis，“Third-order dispersion impact on mode-locking regimes ofYb-doped fiber laser with photonic bandgap fiber for dispersion compensation”，Opt.Expr.，.15(2007)：985-991.

发明内容

本发明旨在提出一种全固态光子带隙增益光纤的全光纤环形脉冲激光器。该激光器具有体积小、稳定性高、操作简便、造价低特点，可以工作在三种脉冲运转状态之间切换，方便地作为不同类型的光纤放大器的种子源。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种全固态光子带隙增益光纤的全光纤环形脉冲激光器，它的泵浦源为激光二极管，采用光纤耦合输出光波长为980nm，其特征在于，该激光器的环形腔包括：全固态光子带隙增益光纤7，全固态光子带隙增益光纤7的两端分别焊接引出单模光纤2，其中一端的引出单模光纤2直接与锁模输出单元5相连，而另外一端的引出单模光纤2经过泵浦用波分复用耦合器4与变长度单模光纤集成单元6相连，变长度单模光纤集成单元6的另一端与锁模输出单元5相连，所构成的环形脉冲全光纤激光器的光脉冲运转路线为：由全固态光子带隙增益光纤及引出用的单模光纤→变长度单模光纤集成单元→锁模输出单元。

上述的全固态光子带隙增益光纤7，它的支撑和芯区为石英材料，芯区掺入镱(Yb)，芯径为4-10微米，芯径在1微米波段的有效折射率为1.458；在包层区域中的孔直径为2.5微米，孔距为6.25微米，孔内为填充掺半导体材料锗(Ge)的石英材料，包层区的效折射率为1.487的，该全固态光子带隙增益光纤在1微米波段为负色散。该增益光纤的长度为0.1-1米。

上述的变长度单模光纤集成单元6，为封装在一个转接盒内的三根不同长度的单模光纤结构，三根单模光纤的长度分别按全固态光子带隙增益光纤的长度的1-2倍、4-5倍和7-8倍加以确定后，再分别减去引出单模光纤单元(2)所用的总长度值。

上述的锁模输出单元5为光纤耦合型的非线性偏振旋转器(NPE)与半导体可饱和吸收镜(SESAM)相结合的启动锁模和稳定锁模单元。

本发明的优点在于：(1)增益介质采用参镱的AS-PBGF，该光纤能够在1微米波段同时提供增益和负色散。与原有技术相比，就减少了另外的负色散补偿光纤单元(见图1)，从而缩短了激光器腔长，提高了重复频率；(2)AS-PBGF为全固态，芯径可以制成与传统SMF的芯径匹配，可以方便地进行连接和大大减小了接入损耗。这就克服了现有PCF增益光纤无法与SMF有效连接的缺点。(3)采用集成不同长度SMF构成的光纤单元(提供正色散)进行腔内色散控制，可以方便地调整激光器的运转状态，使该激光器能够分别工作在“传统孤子型”(腔内维持净负色散)、“色散管理型”(腔内维持少量净正色散)和“增益管理孤子型”(腔内维持较大净正色散)三种运转状态。从而用一台激光器的不同种子脉冲就可以适用于不同类型的光纤放大器，明显增加了该类激光器的功能和应用范围；(4)采取由全固态光子带隙增益光纤→变长度单模光纤集成单元→锁模(输出)单元的脉冲传输次序，是从色散补偿端输出。这与原技术的相反顺序(见图1)相比可以获得更短的脉冲。

附图说明

图1为现有的全光纤环形激光器的器件连接示意图。

图2为本发明的全光纤环形激光器的器件连接示意图。

图中：1为普通增益光纤单元；2为引出单模光纤单元；3为色散补偿光纤单元；4为泵浦用波分复用耦合器；5锁模输出单元；6为变长度单模光纤集成单元；7为全固态光子带隙增益光纤单元；箭头表示激光器的光脉冲运转路线。

图3为图2中6的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明。

图2为本发明的全光纤环形激光器的器件连接示意图。其中全固态光子带隙增益光纤7，它的支撑和芯区为石英材料，芯区掺入镱(Yb)，芯径为4-10微米，芯径在1微米波段的有效折射率为1.458，在包层区域中的孔直径为2.5微米，孔距为6.25微米，孔内为填充掺半导体材料锗(Ge)的石英材料，包层区的效折射率为1.487的，工作波长在1微米波段为负色散，其长度选取与掺杂浓度有关，本实施例选取长度为0.4m。本实施例的引出单模光纤单元2的长度为各个元件引出所用的单模光纤的总长度之和，该单元光纤的选取原则为“尽量短”，长度可选取为0.5m；这样变长度单模光纤集成单元6中的三根不同长度的单模光纤，依据激光器“传统孤子型”、“色散管理型”和“增益管理孤子型”三种运转方式分别取为为：0.26m、1.42m和2.5m。并依照长短次序封装在一个转接盒内，再由光纤匹配插接件在环形激光器中分别切换，从而在一台光纤激光器中实现三种脉冲状态之间的切换；泵浦源采用波长为980nm的光纤耦合输出的激光二极管；上述泵浦耦合器4为940-980nm/1030-1050nm的WDM光纤耦合器；上述的锁模(输出)单元5采用非线性偏振旋转器(NPE)和SESAM的结合形式。其中NPE和SASAM都采用光纤耦合形式，并利用NPE中的偏振分束器件的反射端接入SASAM，在透射输出激光；选择NPE中的单向器的运转方向为：从增益光纤、变长度单模光纤集成单元、到锁模单元输出的单向顺序方式。