基于相位偏置的线型腔锁模光纤激光器及控制方法

摘要

本发明公开一种基于相位偏置的线型腔锁模光纤激光器及控制方法。其中，激光器包括：泵浦源、与泵浦源连接的波分复用器、与波分复用器的公共端相连的保偏增益光纤以及与波分复用器的透射端连接的准直器；双折射晶体；法拉第旋转器；二分之一波片；与保偏增益光纤相连的法拉第旋光镜；偏振分光棱镜，用于将经双折射晶体返回的正交脉冲光产生干涉实现锁模后分成两路；高反射镜，用于将偏振分光棱镜输出的一路透射光反射回线型腔内。本发明在偏振分光棱镜处产生干涉实现锁模，大大降低了锁模启动的阈值，提高了重频，同时提高了整体的稳定性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及光线激光器领域，尤其是涉及一种基于相位偏置的线型腔锁模光纤激光器及控制方法。

背景技术

本部分提供的仅仅是与本申请相关的背景信息以方便本领域的技术人员能够更透彻、准确的理解本申请，其并不必然是现有技术。

超快脉冲锁模光纤激光器相对于固体激光器具有价格低廉、结构紧凑、转化效率高、光束质量好等优势，被广泛应用于医疗手术，激光通信，光学频率梳，材料微加工等领域，这些领域对超快激光器在不同环境下的运转稳定性提出了较高的要求，而工业级超快激光器尤其是种子源的稳定性和可靠性始终没有得到很好的解决。利用光纤技术取代固体的种子源技术本身就有诸多的优点，在光纤技术中利用全保偏光纤的激光器更是被认为是能够抵抗环境变换的有效方法。

目前常用的技术是利用可饱和吸收体锁模技术来制作全保偏光纤激光器。然而诸如半导体可饱和吸收体(SESAM)，碳纳米管可饱和吸收体，石墨烯可饱和吸收体等可饱和吸收元件都存在低损伤阈值，且随着时间衰减的缺点。所以这些弱点限制了其走出实验室，走向更广阔的工业市场。传统的非线性偏振旋转(NPR)的光纤激光技术无法完全利用全保偏的系统。没有了保偏光纤的应用，NPR光纤激光技术很容易受到环境干扰。为了得到更高稳定性的NPR激光器，人们尝试将激光腔内的非保偏光纤替换成保偏的光纤，提高其稳定性。

在全保偏光纤中实现NPR锁模需要解决的关键问题是要补偿两个正交偏振分量之间的群速度失配(GVM)。GVM导致的正交偏振分量时域分离会造成脉冲质量变差。为了解决这一问题，所属领域的技术人员不断进行探索，提出了各自不同的解决途径：Nielsen等人在2007年提出使用法拉第旋光镜作为激光腔的端面镜，提出了一种基于非线性偏振旋转锁模的线性腔保偏光纤激光器，该激光器可以产生5.96 MHz重复频率的脉冲，脉冲宽度为5.6ps；Jiaqi Zhou等人在2008年提出一种基于非线性偏振旋转锁模的全保偏光纤激光器，使用法拉第旋光镜补偿激光器内的群速度失配和线性相移，该激光器可以产生耗散孤子，实现了2.9nJ的单脉冲能量和5.9ps的脉冲宽度；Szczepanek等人在2017年提出将三段保偏光纤以特殊的角度熔接，作为实现NPR锁模的人造可饱和吸收体，研制的全保偏光纤激光器可以实现150 fs脉宽的超短脉冲输出； Wenchao Zhang等人在2018年提出在环形腔激光器中将一些熔接点熔接一定的角度以实现NPR锁模，从而将该类激光器的重复频率提高到了111MHz。但是，这些方案都还没有彻底解决常规锁模光纤激光器不稳定、NPR锁模技术难以在保偏光纤中实现、激光器重复频率难提高等技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于相位偏置的线型腔锁模光纤激光器及控制方法，降低了锁模阈值并提高了重频。

本发明提出一种基于相位偏置的线型腔锁模光纤激光器，包括泵浦源、与泵浦源连接的波分复用器、与波分复用器的公共端相连的保偏增益光纤以及与波分复用器的透射端连接的准直器；该激光器还包括：

双折射晶体，用于将激光器振荡随机形成的小脉冲光投影到双折射晶体的快轴和慢轴上进行相位偏置，使小脉冲光转换成包括正交的第一偏振光和第二偏振光的正交脉冲光；

法拉第旋转器，用于正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°；

二分之一波片，用于对正交脉冲光进行偏振态调节，以将第一偏振光和第二偏振光分别投射到准直器的快轴和慢轴上；

与保偏增益光纤相连的法拉第旋光镜，用于将正交脉冲光旋转90°，使正交脉冲的第一偏振光和第二偏振光相互交换传输路径后，顺次经保偏增益光纤、波分复用器、准直器、二分之一波片、法拉第旋转器及双折射晶体传输；

偏振分光棱镜，用于将经双折射晶体返回的正交脉冲光产生干涉实现锁模后分成两路；

高反射镜，用于将偏振分光棱镜输出的一路透射光反射回线型腔内。

在一个优选实施例中，波分复用器和光纤准直器由光纤波分复用准直器代替，泵浦源与光纤波分复用准直器相连。

在一个优选实施例中，在偏振分光棱镜与高反射镜之间设置色散元件。

在一个优选实施例中，色散元件为光栅对。

在一个优选实施例中，光栅对的光栅密度范围为150条/毫米~2000条/毫米。

在一个优选实施例中，保偏增益光纤采用大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤或保偏光子晶体光纤。

在一个优选实施例中，法拉第旋转器采用薄片式法拉第旋转器，或磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。

在一个优选实施例中，双折射晶体产生的相位偏置大小

在一个优选实施例中，保偏增益光纤的长度可调以通过调节保偏增益光纤的长度来调节激光器的腔长。

本发明还公开一种基于相位偏置的线型腔锁模光纤激光器的控制方法，其包括步骤：

步骤S1、通过波分复用器将泵浦源的泵浦光耦合到激光器的线型腔内，将泵浦源的泵浦功率提高到激光器的阈值之上；

步骤S2、通过将光准直器与高反射镜对准设置，使激光器发生振荡随机形成小脉冲光；

步骤S3、将线偏振态的小脉冲光投影到双折射晶体的快轴和慢轴进行相位偏置调节，使小脉冲光转换成包括正交的第一偏振光和第二偏振光的正交脉冲光；

步骤S3、由法拉第旋转器将正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°；

步骤S4、由二分之一波片将正交脉冲光的偏振方向投射到准直器的快轴和慢轴上，并让正交脉冲进入保偏增益光纤内放大产生激光增益；

步骤S5、由法拉第旋光镜将正交脉冲光旋转90°，使正交脉冲光的第一偏振光和第二偏振光相互交换传输路径后，顺次经保偏增益光纤、波分复用器、准直器、二分之一波片、法拉第旋转器及双折射晶体传输；

步骤S6、正交脉冲光在返回至偏振分光棱镜时产生干涉实现锁模，由偏振分光棱镜将干涉光分成两路，一路透射光由高反射镜反射回线型腔内，而另一路反射光耦合为激光器的输出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用二分之一波片将正交的两束偏振光投射到保偏增益光纤的快慢轴上，分别沿着保偏增益光纤的快轴和慢轴传输，采用法拉第旋光镜实现群速度失配和线形相移的补偿；同时，由法拉第旋转器和双折射晶体构成相移单元，正交偏振状态下在快轴传输的光与慢轴传输的光之间产生π/2的相位差，在返回偏振分光棱镜处产生干涉实现锁模，通过相移单元让正交脉冲光发生相移后就大大降低了锁模启动的阈值，从而可以在这种结构中高重频下实现锁模，提高了重频，同时提高了整体的稳定性和可靠性。

2、利用光纤波分复用准直器取代常规的波分复用器和光纤准直器，大大缩短了光纤激光器中光纤的长度，简化了激光器系统，提高了耦合功率以及效率，提高了重复频率。

3、本发明解决了常规锁模光纤激光器不稳定，NPR锁模技术难以在保偏光纤中实现，激光器重复频率难提高等问题，以使其作为未来工业Burst mode型超快工业激光器的理想的种子光源。

4、本发明通过利用超薄空间元件从而可以将线型腔的长度进行极限压缩，线型腔的长度越短重复频率越高，通常锁模阈值较低时候都可以在短腔上实现锁模，就是在重复频率较高的时候实现锁模，因此本发明得到了比用分立光纤保偏元件更高的重频，可达到百兆赫兹量级以上，从而本发明的激光器作为高重频的种子源在未来飞秒放大，脉冲串模式选频都有非常重要的作用，具有极其广阔的运用前景。

附图说明

图1为本发明公开的线型腔锁模光纤激光器的实施例一的结构示意图。

图2为本发明公开的线型腔锁模光纤激光器的实施例二的结构示意图。

图3为本发明公开的线型腔锁模光纤激光器的实施例三的结构示意图。

图4为本发明公开的线型腔锁模光纤激光器的实施例四的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本申请为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例一

如图1所示，本实施例公开一种基于相位偏置的线型腔锁模光纤激光器（以下又简称“激光器”或“光线激光器”），包括：线型腔，分别设在线型腔内两相对端面的法拉第旋光镜2和高反射镜11；顺次设在法拉第旋光镜2与高反射镜11之间的波分复用器4、准直器5、二分之一波片6、法拉第旋转器7、双折射晶体8及偏振分光棱镜9，且波分复用器4通过保偏增益光纤3与法拉第旋光镜2相连，波分复用器4的透射端与准直器5连接；与偏振分光棱镜9相对设置的高反射镜11；与波分复用器4相连的泵浦源1，由泵浦源1为波分复用器4提供泵浦光，由波分复用器4用于将泵浦光耦合至保偏增益光纤3中产生激光增益。

双折射晶体8用于将激光器振荡随机形成的小脉冲光进行相位偏置调节，从而将线偏振态的小脉冲光投影到双折射晶体8的快轴和慢轴上，使小脉冲光被分成正交的第一偏振光和第二偏振光。其中，第一偏振光和第二偏振光之间的强度比由小脉冲光入射至双折射晶体8时与双折射晶体8的快轴之间的夹角决定。

其中，双折射晶体8的快轴和慢轴引入非对称相移，导致与不同轴平行的偏振传播 的光的相移差，即相位偏置，相移差的大小

法拉第旋转器7采用薄片式法拉第旋转器，或磁光晶体插入永磁体中构成的法拉第旋转器。法拉第旋转器7用于正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°。

二分之一波片6用于对正交脉冲光进行偏振态调节，将正交脉冲光的第一偏振光和第二偏振光分别投射到准直器5的快轴和慢轴上。

正交脉冲进入保偏增益光纤3并沿着保偏增益光纤3快轴和快慢轴传输；此时由泵浦源1通过波分复用器4将泵浦光注入线型腔内，使得正交脉冲进入保偏增益光纤3放大产生激光增益，最后到达线型腔一末端的法拉第旋光镜2。

保偏增益光纤3采用大模场面积保偏光纤、掺杂增益保偏光纤、大模场面积双包层保偏光纤和保偏光子晶体光纤中的一种。保偏增益光纤3的一端连接波分复用器4的公共端，保偏增益光纤3的另一端连接至法拉第旋转镜2。因此，通过调节保偏增益光纤3的长度可以对应调节线型腔的腔长，而线型腔的腔长越短时，激光器产生的激光的重复频率越高。

法拉第旋光镜2将正交脉冲光旋转90°，使正交脉冲的第一偏振光和第二偏振光相互交换传输路径后，顺次经保偏增益光纤3、波分复用器4、准直器5、二分之一波片6、法拉第旋转器7及双折射晶体8朝向偏振分光棱镜9传输。

当正交脉冲光传输回偏振分光棱镜9处时会发生干涉形成干涉光，由偏振分光棱镜9将干涉光分成两路，一路干涉光由高反射镜11反射回线型腔内，而另一路干涉光耦合为激光器的输出。

例如，在本实施例中泵浦源1采用976nm的单模泵浦。对应的，法拉第旋光镜2工作波长为 1550 nm，波分复用器4内置976nm高反1550高透的滤光片，准直器5镀有1550nm增透膜，二分之一波片6前后表面均镀有1550nm增透膜，双折射晶体8的前后表面均镀有1550nm增透膜，偏振分光棱镜9的透射反射比为50:50，高反射镜11镀有1550nm全反膜。

为了便于理解，本发明公开的激光器的控制过程如下：

步骤S1、通过波分复用器4将泵浦源1的泵浦光耦合到线型腔内，将泵浦源1的泵浦功率提高到激光器的阈值之上，以使激光器能够发生小脉冲随机振荡产生激光。

步骤S2、通过将光准直器5与高反射镜11对准设置，使激光器发生振荡随机形成小脉冲光。

激光器能够发生小脉冲随机振荡后，产生的随机小脉冲光在线型腔内振荡多次后，会形成稳定的超短脉冲光，即小脉冲光。

步骤S3、小脉冲光以偏振分光棱镜9为起点，经过双折射晶体8时，由双折射晶体8对脉冲光进行相位偏置调节，具体是将线偏振态的小脉冲光投影到双折射晶体8的快轴和慢轴上，使小脉冲光转换成正交脉冲光，正交脉冲光包括第一偏振光和与第一偏振光正交的第二偏振光。

步骤S3、正交脉冲光进入至法拉第旋转器7，由法拉第旋转器7将正交脉冲光的偏振方向顺时针旋转45°。

步骤S4、正交脉冲光通过二分之一波片6进行偏振态调节，二分之一波片6将正交脉冲光的偏振方向投射到准直器5的快轴和慢轴上；之后，正交脉冲进入保偏增益光纤3并沿着保偏增益光纤3快轴和快慢轴传输；此时由泵浦源1通过波分复用器4将泵浦光注入线型腔内，使得正交脉冲进入保偏增益光纤3放大产生激光增益，最后到达线型腔一末端的法拉第旋光镜2。

步骤S5、法拉第旋光镜2将正交脉冲光旋转90°，使正交脉冲光的第一偏振光和第二偏振光相互交换传输路径后，顺次经保偏增益光纤3、波分复用器4、准直器5、二分之一波片6、法拉第旋转器7及双折射晶体8朝向偏振分光棱镜9传输。

其中，正交脉冲光的第一偏振光和第二偏振光相互交换传输路径，是指：如果第一偏振光朝向法拉第旋光镜2的传输过程中是沿着传输路径上各个器件的快轴传输，则第二偏振光朝向法拉第旋光镜2的传输过程中是沿着传输路径上各个器件的慢轴传输；对应的，正交脉冲光经过法拉第旋光镜2旋转90°后，正交脉冲光从法拉第旋光镜2朝向偏振分光棱镜9传输，此时，第一偏振光沿着传输路径上各个器件的慢轴传输，而第二偏振光沿着传输路径上各个器件的快轴传输。

步骤S6、正交脉冲光再依次通过二分之一波片6、法拉第旋转器7、双折射晶体8，正交脉冲光在返回至偏振分光棱镜9时产生干涉实现锁模，由偏振分光棱镜9将干涉光分成两路，一路透射光由高反射镜11反射回线型腔内以作为下一次激光器振荡形成的小脉冲光，而另一路反射光耦合为激光器的输出激光。

正交脉冲光的第一偏振光和第二偏振光进入准直器5分别在快轴和慢轴传播时，由于快轴与慢轴的折射率不同，第一偏振光和第二偏振光之间会产生群速度失配和线性相移差；当法拉第旋转镜2将正交脉冲光旋转90°，第一偏振光和第二偏振光相互交换传输路径，使得这两个偏振分量光从进入准直器5到返回准直器5的传输路径完全相同，由于光纤材料色散引起的群速度失配和线性相移相等，从而在正交脉冲光返回准直器5时群速度失配和线性相移可以得到完美的补偿，使得正交脉冲光返回准直器5时只剩下非线性相移特性。

正交脉冲光是由小脉冲光经过偏振方向发生改变而来，故正交脉冲光跟小脉冲光一样，其光强分布不均匀的特点，中心的光强较强而两侧的光强较弱，所以其中心透射率大而两侧透射率小，当正交脉冲光透过偏振分光棱镜9后其脉冲更窄。正交脉冲光在偏振分光棱镜9处发生干涉，正交脉冲光的光强越强，两个偏振分量光之间的非线性相位差越大，偏振分光棱镜9的透射率越大；反之，正交脉冲光的光强越弱，偏振分光棱镜9相对其透射率越低而是让正交脉冲光主要通过反射光耦合作输出线型腔作为激光器的输出激光，从而达到可饱和吸收的作用以实现锁模。

由于正交脉冲光的两束偏振分量光正反两次通过了法拉第旋转器7和双折射晶体8，正交脉冲产生了非互异性非线性相移，在保偏增益光纤3中产生的非线性相移和非互异性相移构成了相位偏置，使得反射率曲线发生变化，这充当了激光器中快速可饱和吸收体的作用。正交脉冲光在偏振分光棱镜9的反射率与两束偏振分量光的非线性相移量有关，反射率是两束偏振分量光的相移差的函数，引入相移偏置相移量越大反射率越高，相移量越低反射率越低，正交脉冲光的中心部分强，在激光器的线型腔内中产生的相移量大，所以反射率高，脉冲更加容易形成振荡，从而实现激光器锁模，形成超短脉冲输出。

实施例二

如图2所示。与图1所示的实施例一相比，本实例采用光纤波分复用准直器5’取代波分复用器4和光纤准直器5，泵浦源1与光纤波分复用准直器5’相连。通过采用光纤波分复用准直器5’有利于大大缩短光纤激光器中光纤的长度，简化了激光器的系统，有利于提高激光器的耦合功率以及效率，提高了重复频率。

实施例三

如图3所示。与图1所示的实施例一相比，本实施例在偏振分光棱镜9与高反射镜11之间设置色散元件，利用色散元件进行色散补偿以使激光器可以获得更短的脉宽，从而提高激光器的性能。例如，色散元件为光栅对10，光栅对10的光栅密度范围为150条/毫米~2000条/毫米。

例如，在实施例三中泵浦源1采用976nm的单模泵浦，法拉第旋光镜2工作波长为1030 nm，波分复用器4内置976nm高反1030nm高透的滤光片，准直器5镀有1030nm的增透膜，二分之一波片6前后均镀有1030nm增透膜，双折射晶体8前后均镀有1550nm增透膜，偏振分光棱镜9的透射反射比为50:50，光栅对10采用1600线透射式光栅，高反射镜11镀有1030nm全反膜。

实施例四

如图4所示。与图3所示的实施例一相比，本实例采用光纤波分复用准直器5’取代波分复用器4和光纤准直器5。通过采用光纤波分复用准直器5’有利于大大缩短光纤激光器中光纤的长度，简化了激光器的系统。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。