一种降低光纤放大器中非线性效应并实现环境稳定的方法

摘要

本发明提供了一种降低光纤放大器中非线性效应并实现环境稳定的方法，通过简单的器件(1个1/4波片)实现了基于圆偏振光的脉冲放大，并有效降低了放大器中的非线性效应；该放大技术可与现有的脉冲放大技术(如啁啾脉冲放大技术及分离脉冲放大技术等)结合，进一步降低放大器中的非线性效应，且实现简单；由于采用了双通结构结合法拉第旋转镜的方案，该技术对于环境扰动具有鲁棒性，工作稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及非线性显微成像技术领域，特别是涉及一种降低光纤放大器 中非线性效应并实现环境稳定的方法。

背景技术

激光加工、非线性显微成像等领域需要采用高能量的光脉冲，为此需要 对激光器直接输出产生的低能量脉冲进行放大。但是在光纤放大器中，非线 性效应使得频谱展宽、畸变，影响着输出脉冲的质量，故需要采取措施降低 放大器中的非线性效应。

目前，广泛采用的光脉冲放大技术绝大部分是基于线偏振光，即增益光 纤中光的偏振态为线偏振，其对应的非线性折射率较高(为圆偏振光的1.5 倍)，非线性效应较强。为确保环境稳定性，增益光纤一般为保偏光纤，实 际处理难度大，系统成本高。

最近在啁啾脉冲放大器中采用基于圆偏振光的单通放大方案，利用圆偏 振光较低的非线性折射率，进一步有效的降低了放大器中的非线性效应 (Damian N.Schimpf，Tino Eidam，Enrico Seise，Steffen Jens Limpert， and Andreas Tünnermann，“Circular versus linear polarization in laser-amplifiers  with Kerr-nonlinearity”，Opt.Express 17，18774-18781(2009))。具体为将啁啾 脉冲放大技术中经展宽器展宽后的线偏振光经由1/4波片转换为圆偏振光， 在增益光纤中放大后再经过另一个1/4波片转换为圆偏振光，经压缩后得到 高能量脉冲输出。但是该方法中需要采用非保偏光纤。由于光纤受到环境扰 动的影响，增益光纤输出光的偏振态随机变化，需要采用复杂的电子设备实 时调整后续1/4波片的角度，以恢复为原线偏振，这使得系统结构复杂、成 本高昂。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何 能够创新地提出一种有效措施，以解决现有技术中存在的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低光纤放大器中非线性效应 并实现环境稳定的方法，通过将输入光转换为圆偏振光以降低光纤放大器中 非线性效应，并采用双通结构结合法拉第旋转镜使得结构简单、成本低廉、 环境稳定。

为了解决上述问题，本发明公开了一种降低光纤放大器中非线性效应并 实现环境稳定的方法，所述方法包括：

将入射脉冲的偏振态转换为线偏振；

调整1/4波片的光轴使其与线偏振光的偏振方向成45°角；

将经过1/4波片后的圆偏振光耦合到增益光纤的一输入端进行第一次放 大；

将放大后的光脉冲经过法拉第旋转镜；

将经过法拉第旋转镜后的光脉冲再次耦合到同一增益光纤的另一输入 端，进行第二次放大；

经第二次放大后的光脉冲经过1/4波片转换回线偏振光；

将转换回的线偏振光变换回原偏振态并输出。

优选的，所述入射脉冲为偏振光，将偏振光转换为线偏振光时采用的是 光环行器。

优选的，所述增益光纤包括非保偏的掺稀土离子单模、双包层和光子晶 体光纤。

优选的，所述增益光纤的泵浦方式(相对于输入光方向)包括同向泵浦、 反向泵浦及双向泵浦。

优选的，所述增益光纤的泵浦耦合采用端面泵浦或侧面泵浦方式。

优选的，进行第二次放大时使用的是同一增益光纤。

优选的，进行第二次放大时光由增益光纤的另一端输入。

优选的，所述输出的光的偏振方向与原偏振光的偏振方向旋转了90°。

优选的，所述非保偏的掺稀土离子包括掺铒、镱铒共掺、掺镱、掺钕、 掺铥、铥钬共掺、掺钬、掺镨、掺镝、掺铕、掺钐、铒铥共掺、铒镧共掺。

优选的，所述法拉第旋转镜包括光纤准直器、空间法拉第旋转器及反射 镜；或光纤集成式的法拉第旋转镜；或光纤式法拉第旋转器及光纤布拉格光 栅；或光纤式法拉第旋转器及萨格纳克干涉仪。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过简单的器件(1个1/4波片)实现了基于圆偏振光的脉冲放 大，并有效降低了放大器中的非线性效应；该放大技术可与现有的脉冲放大 技术(如啁啾脉冲放大技术及分离脉冲放大技术等)结合，进一步降低放大 器中的非线性效应，且实现简单；由于采用了双通结构结合法拉第旋转镜的 方案，该技术对于环境扰动具有鲁棒性，工作稳定。

附图说明

图1是本发明实施例所述的一种降低光纤放大器中非线性效应并实现环 境稳定的方法的流程图；

图2是本发明实施实例中线偏振光脉冲输入下，用空间准直器、空间法 拉第旋转器及反射镜实现法拉第旋转镜的结构示意图；

图3为本发明实施例中将基于圆偏振光的双通放大器得到的输出光谱图 及其与基于线偏振光的双通放大器的比较。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例：

参照图1，示出了本发明的所述的一种降低光纤放大器中非线性效应并 实现环境稳定的方法的流程图，所述方法具体包括：

步骤S101，将入射脉冲的偏振态转换为线偏振；

具体实现中入射脉冲可为任意偏振光，将任意偏振光转换为线偏振光可 使用任何形式的偏振无关光环行器。当入射光偏振态已为线偏振时，此部分 可由1/2波片及偏振分束器组成，其中应调整1/2波片的角度使出射光全部透 过偏振分束器。

步骤S102，调整1/4波片的光轴使其与线偏振光的偏振方向成45°角；

所述的1/4波片为对应工作波长的1/4波片；

步骤S103，将经过1/4波片后的圆偏振光耦合到增益光纤的一输入端进 行第一次放大；

在具体的应用中，增益光纤为非保偏的掺稀土离子(包括但不限于掺铒、 镱铒共掺、掺镱、掺钕、掺铥、铥钬共掺、掺钬、掺镨、掺镝、掺铕、掺钐、 铒铥共掺、铒镧共掺等)光纤。依照光纤结构分类，该增益光纤包括但不限 于普通单模增益光纤、双包层增益光纤、光子晶体增益光纤等。其中，增益 光纤的泵浦方式(相对于输入光方向)包含同向泵浦、反向泵浦及双向泵浦， 具体的，增益光纤的泵浦耦合可采用端面泵浦或侧面泵浦。

步骤S104，将放大后的光脉冲经过法拉第旋转镜；

实际中，法拉第旋转镜可由如下方式组成：光纤准直器、空间法拉第旋 转器及反射镜，光纤集成式的法拉第旋转镜，光纤式法拉第旋转器及光纤布 拉格光栅，光纤式法拉第旋转器及光纤萨格纳克(Sagnac)干涉仪。

步骤S105，将经过法拉第旋转镜后的光脉冲再次耦合到同一增益光纤 的另一输入端，进行第二次放大；

该步骤中进行第二次放大时使用的是同一增益光纤，且进行第二次放大 时光由增益光纤的另一端输入。

步骤S106，经第二次放大后的光脉冲经过1/4波片转换回线偏振光；

该步骤中的1/4波片的取向与步骤S102中相同。

步骤S107，将转换回的线偏振光变换回原偏振态并输出。

该步骤中将线偏振光转换为原偏振光所采用的装置与步骤S101相同， 最后输出的光的偏振方向与原偏振光的偏振方向旋转了90°。

下面参照图2，详细叙述本发明的一个具体实施基于圆偏振双通放大器 的实例。其中，1-反射镜；2-空间法拉第旋转器；3-光纤准直器；4-增 益光纤；5-合束器或波分复用器；6-1/4波片；7-偏振分束器；8-1/2波 片。本实例中具体采用的是图2所示的采用空间元件构成法拉第旋转镜的方 案。旋转1/4波片使其光轴与输入光的偏振方向成45°。

实例中的种子脉冲为线偏振光，具体参数为：重复频率19.9MHz，中心 波长1031nm，半高全宽5.6ps，-3dB频谱宽度0.3nm。所用增益光纤为 10/125μm双包层掺镱光纤(即纤芯直径为10μm，内包层直径为125μm)， 合束器将高功率多模泵浦光耦合进增益光纤。光纤准直器的输出光斑直径为 1mm，空间法拉第旋转器为1040nm处45°旋转器。

将由此方法得到的17.6nJ输出脉冲耦合进光谱仪检测其光谱，结果如 图3所示。黑线为本实例所得光谱，红线为基于线偏振光双通放大器时的输 出光谱，二者对应的脉冲能量、峰值功率相同。由光谱峰值的数目粗略估计 非线性相移，前者对应的非线性相移为～1.5π，后者则近似为～2.25π(Govind P. Agrawal，Nonlinear Fiber Optics(4^th edition)，Academic Press 2007)。可见，后 者将非线性相移降低了1.5倍，与理论预期一致。系统工作稳定。

综上，采用本发明的方法，可以有效地降低放大器中的非线性效应引起 的频谱展宽，输出脉冲具有相对较高的频谱质量，系统工作稳定。

以上对本发明所提供的一种降低光纤放大器中非线性效应并实现环境 稳定的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施 方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核 心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实 施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为 对本发明的限制。