一种集成化相位偏置器及应用集成化相位偏置器的光纤激光器

摘要

本发明公开了一种应用集成化相位偏置器的光纤激光器，光纤耦合器第一双向输出端连接有锁模脉冲发生器，光纤耦合器第二双向输出端连接有波分复用器、相位偏置器，相位偏置器另一端与光纤耦合器第三双向输出端连接，相位偏置器包括有封装管，封装管两端分别固定有第一保偏光纤、第二保偏光纤，第一保偏光纤和第二保偏光纤的光路之间顺次设有第一准直透镜、起偏器、第一法拉第旋转器、双折射波片、第二法拉第旋转器、第二准直透镜，波分复用器与第一保偏光纤或第二保偏光纤连接，光纤耦合器第三双向输出端与第一保偏光纤或第二保偏光纤连接，实现光纤激光器中自启动和长期稳定的锁模，降低锁模光纤激光器对环境稳定性的依赖性。

说明书

[技术领域]

本发明涉及光纤激光技术，尤其涉及一种集成化相位偏置器及应用该相位偏置器的光纤激光器。

[背景技术]

随着科技的进步，超短脉冲光纤激光器在科学研究和工业加工中的应用越来越广泛，起到了不可替代的作用。超短脉冲光纤激光器具有脉宽窄，峰值功率高的特点。但是对比传统调Q激光器，锁模激光器难于自启动、易受外界干扰，价格高，妨碍了其应用。

非线性环路反射镜、可饱和吸收体、非线性偏振旋转是光纤激光器的三种主流锁模方案：非线性环路反射镜构成的8字型锁模光纤激光器锁模难以自启动，需要借助外部调节，输出为非保偏脉冲；可饱和吸收体锁模激光器中半导体可饱和吸收体使用寿命短，在高功率下容易损坏，输出功率低；其他碳基可饱和吸收体在恶劣环境中容易质变并失去锁模启动功能。上述的非线性偏振旋转锁模光纤激光器，可以提供非常高的平均功率，而且采用不同的机制形成脉冲，获得大范围不同的重复频率、皮秒或飞秒脉冲列，但是这种锁模机制是采用非保偏光纤，所以外界对光纤的扰动会改变光纤中的双折射和非线性效应，从而引起激光器的失锁，因此对环境依赖性很强。

其中，非线性环路反射镜制成的8字型光纤激光器可以提供锁模脉冲，但是该方式产生的锁模激光器基本上不能实现自启动，原因在于其环路是零偏置。而在零偏置情况下，环路反射镜对非线性相移的敏感度很小，环路中需要很强的光功率才能实现锁模，因此需要一个相位偏置实现同一光纤中相向传播光的光程不同，使其产生相移。

[发明内容]

本发明克服了上述技术的不足，提供了一种集成化相位偏置器及应用集成化相位偏置器的光纤激光器，实现光纤激光器中自启动和长期稳定的锁模，降低锁模光纤激光器对环境稳定性的依赖性。

为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种集成化相位偏置器，包括有封装管1，所述封装管1两端分别固定有第一保偏光纤21、第二保偏光纤22，所述第一保偏光纤21和第二保偏光纤22之间的光路顺次设有第一准直透镜31、起偏器4、第一法拉第旋转器51、双折射波片6、第二法拉第旋转器52、第二准直透镜32。

所述第一保偏光纤21固定于第一光纤夹持器71上，所述第二保偏光纤22固定于第二光纤夹持器72上。

所述第一保偏光纤21和第二保偏光纤22均为保偏增益光纤、大模场面积保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤或保偏光子晶体光纤。

一种应用集成化相位偏置器的光纤激光器，包括有光纤耦合器8，所述光纤耦合器8第一双向输出端连接有锁模脉冲发生器9，所述光纤耦合器8第二双向输出端连接有波分复用器10、相位偏置器11，所述相位偏置器11另一端与光纤耦合器8第三双向输出端连接，所述相位偏置器11包括有封装管1，所述封装管1两端分别固定有第一保偏光纤21、第二保偏光纤22，所述第一保偏光纤21和第二保偏光纤22的光路之间顺次设有第一准直透镜31、起偏器4、第一法拉第旋转器51、双折射波片6、第二法拉第旋转器52、第二准直透镜32，所述波分复用器10与第一保偏光纤21或第二保偏光纤22连接，所述光纤耦合器8第三双向输出端与第一保偏光纤21或第二保偏光纤22连接。

所述锁模脉冲发生器9为光线发射装置、色散补偿装置或空间滤波装置。

所述光线发射装置包括有光线发射镜121，所述光纤发射镜121连接有带通滤波器122，所述带通滤波器122与光纤耦合器8连接。

所述锁模脉冲发生器9为光纤反射镜，所述波分复用器10与相位偏置器11之间连接有色散补偿装置13。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实现光纤激光器中自启动和长期稳定的锁模，降低锁模光纤激光器对环境稳定性的依赖性，同时可改变激光器的结构和器件组合改变激光器脉冲形成机制，包括孤子、自相似、全正色散和放大自相似等。

[附图说明]

图1为相位偏置器的结构示意图；

图2为应用相位偏置器的光纤激光器实施例一；

图3为应用相位偏置器的光纤激光器实施例二；

图4为应用相位偏置器的光纤激光器实施例三；

图5为应用相位偏置器的光纤激光器实施例四。

[具体实施方式]

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1所示，一种集成化相位偏置器，包括有封装管1，所述封装管1两端分别固定有第一保偏光纤21、第二保偏光纤22，所述第一保偏光纤21和第二保偏光纤22之间的光路顺次设有第一准直透镜31、起偏器4、第一法拉第旋转器51、双折射波片6、第二法拉第旋转器52、第二准直透镜32。

其中，所述第一保偏光纤21固定于第一光纤夹持器71上，所述第二保偏光纤22固定于第二光纤夹持器72上，第一保偏光纤21和第二保偏光纤22的快轴互相平行，及其慢轴也互相平行，并且互为输入输出；第一法拉第旋转器51和第二法拉第旋转器52对同一方向入射光偏振方向的旋转方向相反；经过第一保偏光纤21入射的光，经准第一直透镜31后再经过起偏器4，起偏器4的偏振方向与玻片的一个轴成45度角，再依次经过第一法拉第旋转器51和双折射波片6，偏振方向旋转45度与玻片的一个轴平行，再经过第二法拉第旋转器52，偏振方向反方向旋转45度后经过第二准直透镜32后进入第二保偏光纤22，相移为φ₁，偏振方向保持原来不变；同样，从第二保偏光纤22入射的光，沿着相反的路径往返一圈后，相移为φ₂，偏振方向依然保持不变，从第一保偏光纤21出射，其中，φ₁≠φ₂。

现在对光经过相移器进行举例说明工作原理：经过第一保偏光纤21的入射光经过第一准直透镜31准直，在形成振荡时，偏振方向与起偏器4的偏振方向一致，入射至第一法拉第旋转器51，其偏振方向被旋转45度，与波片晶体的慢轴或快轴平行，获得相移φ₁后，入射到第二法拉第旋转器52上；经过第二法拉第旋转器52后偏振方向反方向旋转45度，因为第一保偏光纤21和第二保偏光纤22的快轴相互平行，慢轴相互平行，所以光进入第二保偏光纤22的传播偏振状态与第一保偏光纤21中的传播方式相同。同样的方式，经过第二保偏光纤22的入射光的偏振方向沿快轴，经过第二准直透镜32，然后入射至第二法拉第旋转镜52，其偏振方向被旋转45度，与波片晶体的快轴或慢轴平行，获得相移φ₂后，入射到第一法拉第旋转器51；经过第一法拉第旋转器51后偏振方向沿与起偏器4旋转方向相反旋转45度，从而进入到第一保偏光纤21中，从第一保偏光纤21出射。

所述第一保偏光纤21和第二保偏光纤22可以采用不同类型的保偏光纤，例如保偏增益光纤，大模场面积保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤、保偏光子晶体光纤等。根据波长选择或设计保偏光纤，不受波长的限制。保偏光纤的端头进行角度或模场面积的处理。两根保偏光纤的保偏方向在空间上互相平行。当第一保偏光纤21和第二保偏光纤22的工作原理是只有单快轴或单慢轴传播的保偏光纤，相移器中的起偏器4可以去掉，直接保证保偏光纤的工作轴与波片的快轴或者慢轴成45度。

本相位偏置器中的波片晶体的快轴和慢轴引入非对称相移，相同偏振的脉冲光反向传播引起不同的光程，引起相位偏移不同，即相位偏置。从第一保偏光纤21入射，从第二保偏光纤22出射，发生相移为φ₁；从第二保偏光纤22入射，从第一保偏光纤21出射，发生相移为φ₂，二者的相移差的大小由波片性质和厚度决定，即其中，ne为e光的折射率，no为o光的折射率，l为波片的厚度，λ为波长。采用一块双折射波片6，通过设定系统或波片的厚度组合，构成特定的相位差，提供任意设置的相位偏置。

进一步，本相位偏置器，第一光纤夹持器71、第一准直透镜31、起偏器4、第一法拉第旋转器51、双折射波片6、第二法拉第旋转器52、第二准直透镜32、第二光纤夹持器72依次安装在封装钢管1中。

第一准直透镜31和第二准直透镜32将光纤输出的光准直，采用渐变折射率光纤或非球面透镜。

如图2所示，一种应用集成化相位偏置器的光纤激光器，其特征在于：包括有光纤耦合器8，所述光纤耦合器8第一双向输出端连接有锁模脉冲发生器9，所述光纤耦合器8第二双向输出端连接有波分复用器10、相位偏置器11，所述相位偏置器11另一端与光纤耦合器8第三双向输出端连接，所述相位偏置器11包括有封装管1，所述封装管1两端分别固定有第一保偏光纤21、第二保偏光纤22，所述第一保偏光纤21和第二保偏光纤22的光路之间顺次设有第一准直透镜31、起偏器4、第一法拉第旋转器51、双折射波片6、第二法拉第旋转器52、第二准直透镜32，所述波分复用器10与第一保偏光纤21或第二保偏光纤22连接，所述光纤耦合器8第三双向输出端与第一保偏光纤21或第二保偏光纤22连接。

实施例一：

所述锁模脉冲发生器9为光线发射装置，所述光线发射装置包括有光线发射镜121，所述光纤发射镜121连接有带通滤波器122，所述带通滤波器122与光纤耦合器8连接。

如图2所示，光纤耦合器8具有四个端口，分别为第一双向输出端端口①、第二双向输出端端口②、第三双向输出端端口③、输出端④，锁模激光脉冲输入至光纤耦合器8的第一双向输出端端口①，分别从第二双向输出端端口②和第三双向输出端端口③输出；从第二双向输出端端口②输出的锁模激光脉冲通过波分复用器10和增益光纤输入至相位偏置器11的第一保偏光纤21或第二保偏光纤22中；从第三双向输出端端口③输出的锁模激光脉冲输入至相位偏置器11的第一保偏光纤21或第二保偏光纤22中，然后再进入光纤放大器进行放大；从相位偏置器11输出的双向激光脉冲经过光纤耦合器8的第一双向输出端端口①和输出端④输出。在光纤耦合器8第二双向输出端端口②和第三双向输出端端口③相连接构成的环中，两路相向传播的光因为经过相位偏置器11获得相位差，在光纤耦合器8中产生干涉，影响第一双向输出端端口①和第二双向输出端端口②输出光强的变化。相位偏置器11的作用是提高了两个输出端的光强比，起可以设定输出端口输出光强比。

本发明的光纤激光器可得到锁模激光脉冲列，激光器工作状态不受外部环境的干扰；可改变激光器的结构和器件组合改变激光器脉冲形成机制，包括孤子、自相似、全正色散和放大自相似等。光纤耦合器8的输出端④作为光纤激光器的输出端口，也可利用部分反射镜设在第一双向输出端端口①，或通过光纤式耦合分束器。

实施例二：

所述锁模脉冲发生器9为色散补偿装置。

如图3所示，光纤激光器包括：光纤耦合器8、波分复用器10、相位偏置器11、色散补偿装置；色散补偿装置代替实施例一中带通滤波器和光线反射镜，其在激光器中能使脉冲在腔内振荡过程中实现脉冲宽度和光谱宽度的自洽。

实施例三：

所述锁模脉冲发生器9为空间滤波装置。

如图4所示，光纤激光器包括：光纤耦合器8、波分复用器10、相位偏置器11、空间滤波装置；空间滤波装置代替实施例一中带通滤波器和光线反射镜，其在激光器腔内同时起到反射和滤波的作用。

实施例四：

所述锁模脉冲发生器9为光纤反射镜，所述波分复用器10与相位偏置器11之间连接有色散补偿装置13。

如图5所示，光纤激光器包括：光纤耦合器8、波分复用器10、相位偏置器11、光纤反射镜11以及色散补偿装置12；该结构中色散补偿装置是在光纤耦合器7的环内，可以实现脉冲在腔内振荡时脉冲宽度和光谱宽度的自洽。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。