一种基于光谱调节的光纤激光器及其实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光谱调节的光纤激光器及其实现方法。本发明的光纤激光器包括：种子源、掺铒光纤放大器、脉冲压缩系统和倍频滤波系统；在增益光纤的末端设置偏振控制器；脉冲压缩系统采用棱镜对，调节预啁啾光纤的长度，使得预啁啾光纤和棱镜对的负色散抵消增益光纤的正色散。本发明采用通过调节预啁啾光纤长度来调节飞秒脉冲在放大前的负啁啾的大小，控制飞秒脉冲在放大前的负啁啾的大小，来控制在放大过程中的非线性效应，从而优化倍频效率；采用在增益光纤中加入偏振控制器，调节放大器输出脉冲的偏振度，减少由于脉冲压缩系统的棱镜对对信号光的反射引起的损耗，从而获得更高的基频光功率。
【专利说明】一种基于光谱调节的光纤激光器及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光纤激光器，具体涉及一种基于光谱调节的光纤激光器及其实现方法。
【背景技术】
[0002]近红外的超短脉冲在太赫兹技术，双光子成像技术，相干反斯托克斯散射显微技术等领域具有重大的应用价值。对于以上的应用领域，固体激光器钛宝石锁模激光器是产生飞秒脉冲的主流设备。尽管钛宝石激光器在科研领域上具有很广泛的应用，但是它们也存在价格高，稳定性差，需要经常维修，对工作环境的稳定性要求苛刻等一系列无法克服的缺点。这也阻碍了钛宝石固体激光器的进一步发展。
[0003]近年来随着飞秒量级的光纤激光器的出现，也成为了飞秒固体激光器的有力竞争对手。它的最大优点是小型化、效率高、省能源、稳定性好。被动锁模掺铒光纤激光器在实验上和理论上都被陆续证明。但是由于光在光线中传播的时候的非线性效应以及色散会导致超短脉冲的形变，所以很提高1550nm波段的掺铒光纤激光器的平均功率，进而更难获得较高的倍频后的近红外波段的飞秒脉冲激光的平均功率。
[0004]目前，已经有人利用一个双臂重复频率为98MHz的掺铒光纤飞秒激光器倍频获得770nm波段，平均功率为120毫瓦的飞秒光纤激光器，这类光纤激光器通常使用啁啾型的周期性极化的铌酸锂倍频晶体，商用倍频晶体通常无法获得较高的倍频效率；通过多模铒镱共掺光纤放大器也可以获得了类似的近红外飞秒激光的输出功率。但是通过多模铒镱共掺光纤放大器的系统中，通常需要透镜耦合，对环境的稳定性要求苛刻，容易丢失耦合。另外，使用大模场面积的增益光纤，容易丧失了光纤原有的柔韧特性，反而使其体积大于同类估计激光放大器。
【发明内容】
[0005]针对以上现有技术中飞秒光纤激光器在利用掺铒光纤激光器信号倍频时利用透镜耦合不稳定、效率没有得到优化，利用特定啁啾型倍频晶体等缺点，本发明提出通过调节掺铒光纤放大器的预啁啾光纤长度来调节飞秒脉冲在放大前的啁啾，从而调节脉冲的输出光谱和输出脉宽的光纤激光器及其实现方法。
[0006]本发明的一个目的在于提供一种基于光谱调节的光纤激光器。
[0007]本发明的基于光谱调节的光纤激光器包括:种子源、掺铒光纤放大器、脉冲压缩系统和倍频滤波系统；种子源输出脉冲，通过预啁啾光纤连接至掺铒光纤放大器；脉冲经掺铒光纤放大器放大后输出至脉冲压缩系统；经脉冲压缩系统对脉冲压缩后传输至倍频滤波系统，得到高重频的飞秒激光脉冲；其中，掺铒光纤放大器包括泵浦源、耦合器和增益光纤，在增益光纤的两端分别设置耦合器，耦合器将泵浦源引入增益光纤；在增益光纤的末端设置偏振控制器，调节掺铒光纤放大器输出脉冲的偏振度；脉冲压缩系统采用棱镜对，调节预啁啾光纤的长度，使得预啁啾光纤和棱镜对的负色散抵消增益光纤的正色散。[0008]利用非线性偏振旋转锁模NPR原理获得掺铒光纤锁模激光器作为种子源，输出脉冲经过一段预啁啾光纤后注入掺铒光纤放大器中，掺铒光纤放大器采用双向泵浦的方式泵浦；然后经过棱镜对对脉冲进行压缩，最后经过聚焦到倍频滤波系统得到倍频的飞秒脉冲激光。预啁啾光纤采用单模光纤，提供负色散，增益光纤提供负色散。种子源的输出脉冲，在增益光纤的放大过程中，通过自相位调制引起光谱压缩效应和脉宽变化，本发明通过调节预啁啾光纤的长度，控制飞秒脉冲在放大前的负啁啾的大小，来控制在放大过程中的非线性效应，从而优化倍频效率。
[0009]本发明在掺铒光纤放大器的增益光纤的末端弓I入偏振控制器，调节掺铒光纤放大器输出脉冲的偏振度，使得棱镜对的输出脉冲的功率最大，减少由于脉冲压缩系统的棱镜对对信号光的反射引起的损耗，从而获得更高的基频光功率。
[0010]本发明的另一个目的在于提供一种基于光谱调节的光纤激光器的实现方法。
[0011]本发明的基于光谱调节的光纤激光器的实现方法，包括以下步骤:
[0012]I)根据实际需要，设计预啁啾光纤的长度范围和调节间距；
[0013]2)调整预啁啾光纤的长度，种子源输出脉冲，通过预啁啾光纤连接至掺铒光纤放大器放大，通过增益光纤中的偏振控制器调节输出脉冲的偏振度，以减少棱镜对对脉冲光反射引起的损耗，放大后输出至脉冲压缩系统；
[0014]3)测量光谱宽度，并且测量压缩后的脉冲宽度，调节棱镜对之间的距离，使得压缩后的脉冲宽度最小；
[0015]4)脉冲压缩后传输至倍频滤波系统，测量得到倍频效率；
[0016]5)按照调节间距增加预啁啾光纤的长度，重复步骤2)?4)，直到在预啁啾光纤的长度范围内的点都做完为止，进入步骤6)；
[0017]6)得到倍频效率随预啁啾光纤的长度变化的曲线图，找到倍频效率最高的点，以此点设置为预啁啾光纤的长度。
[0018]本发明的优点:
[0019](I)采用通过调节掺铒光纤放大器的预啁啾光纤长度来调节飞秒脉冲在放大前的负啁啾的大小，控制飞秒脉冲在放大前的负啁啾的大小，来控制在放大过程中的非线性效应，从而优化倍频效率；
[0020](2)采用在掺铒光纤放大器的增益光纤中加入偏振控制器，调节放大器输出脉冲的偏振度，减少由于脉冲压缩系统的棱镜对对信号光的反射引起的损耗，从而获得更高的基频光功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的基于光谱调节的光纤激光器的一个实施例的结构示意图；
[0022]图2为本发明的基于光谱调节的光纤激光器在不同预啁啾光纤的长度下的脉冲宽度、光谱宽度和倍频效率的曲线图，其中(a)为脉冲宽度和光谱宽度随预啁啾光纤的长度变化的曲线图，(b)为倍频效率随预啁啾光纤的长度变化的曲线图；
[0023]图3为本发明的基于光谱调节的光纤激光器输出的飞秒脉冲的自相关曲线图；
[0024]图4为本发明的基于光谱调节的光纤激光器输出的飞秒脉冲的光谱图。【具体实施方式】
[0025]下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
[0026]如图1所示，本实施例的基于光谱调节的光纤激光器包括:种子源1、掺铒光纤放大器2、脉冲压缩系统3和倍频滤波系统4 ;其中，掺铒光纤放大器包括泵浦源21、耦合器22和增益光纤23 ;在增益光纤23的末端设置偏振控制器6。
[0027]图1中，51为光纤隔离器，长度为30mm ;增益光纤23为220mm的掺铒光纤；从掺铒光纤放大器2输出的脉冲经单模光纤52、光纤隔离器51、准直器71 (直径为3.8mm)、l/4玻片72 (直径12.7mm)、1/2玻片73 (直径12.7mm)和方形反射镜74 (尺寸20*20*2mm)传播至棱镜对3 ；31为角镜；倍频滤波系统4依次包括1/2玻片41 (直径12.7mm)、凸透镜42(焦距f=35mm,直径=25.4mm)、倍频晶体43 (商用银酸锂倍频晶体)、凸透镜44 (焦距=40mm,直径=25.4mm)和滤波片45 (直径=25.4mm)。
[0028]种子源I为利用非线性偏振旋转锁模NPR原理获得重复频率为80MHz，平均功率为5mW掺铒光纤锁模激光器，输出脉冲经过一段预啁啾光纤5，采用单模光纤，提供负色散，后注入掺铒光纤放大器中，掺铒光纤放大器2采用四个974nm 二极管作为泵浦源21双向泵浦的方式泵浦，经过放大之后获得407mW的1550nm飞秒脉冲激光，通过掺铒光纤作为增益光纤23中的偏振控制器6调节输出脉冲的偏振度，使得输出棱镜对的脉冲的功率最大，即损耗最小；然后经过采用硅材料的棱镜对的脉冲压缩系统3对脉冲进行压缩，最后经过聚焦到商用铌酸锂倍频晶体获得SOOnm附近的飞秒脉冲激光。通过调节预啁啾光纤5的长度，可以获得不同的放大和压缩后基频光1550nm飞秒脉冲的光谱宽度和脉冲宽度，这两个指标也对于倍频效率产生巨大的影响。
[0029]脉冲宽度和光谱宽度随预啁啾光纤的长度变化如图2 (a)所示，其中，曲线a为脉冲宽度随预啁啾光纤的长度变化的曲线，曲线b为光谱宽度随预啁啾光纤的长度变化的曲线；倍频效率随预啁啾光纤的长度变化如图2 (b)所示。最后获得的SOOnm附近飞秒脉冲的自相关曲线如图3所示，飞秒脉冲的光谱如图4所示。
[0030]本实施例的基于光谱调节的光纤激光器的实现方法，包括以下步骤:
[0031]I)设计预啁啾光纤的长度范围在2?5米之间，调节间距为调节间距Im ；
[0032]2)调整预啁啾光纤的长度，种子源输出脉冲，通过预啁啾光纤连接至掺铒光纤放大器放大之后获得407mW的1550nm飞秒脉冲激光，通过增益光纤中的偏振控制器调节输出脉冲的偏振度，减少棱镜对对脉冲光反射引起的损耗，放大后输出至脉冲压缩系统；
[0033]3)测量光谱宽度，并且测量压缩后的脉冲宽度，调节棱镜对之间的距离，使得压缩后的脉冲宽度最小；
[0034]4)脉冲压缩后传输至倍频滤波系统，测量得到倍频效率；
[0035]5)按照调节间距增加预啁啾光纤的长度，重复步骤2)?4)，直到预啁啾光纤的长度范围内的点都做完为止，进入步骤6)
[0036]6)得到倍频效率随预啁啾光纤的长度变化的曲线图，如图2 (b)所示，找到倍频效率最高的点为3m，从而设置为预啁啾光纤的长度为3m，光纤激光器的倍频效率最高。
[0037]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。
【权利要求】
1.一种基于光谱调节的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器包括:种子源(I)、掺铒光纤放大器(2)、脉冲压缩系统(3)和倍频滤波系统(4);所述种子源(I)输出脉冲，通过预啁啾光纤(5)连接至掺铒光纤放大器(2);脉冲经掺铒光纤放大器(2)放大后输出至脉冲压缩系统(3);经脉冲压缩系统(3)对脉冲压缩后传输至倍频滤波系统；其中，掺铒光纤放大器(2)包括泵浦源(21)、耦合器(22)和增益光纤(23)，在所述增益光纤(23)的两端分别设置耦合器(22)，耦合器(22)将泵浦源(21)引入增益光纤(23);在所述增益光纤(23)的末端设置偏振控制器(6)，调节掺铒光纤放大器(2)输出脉冲的偏振度；所述脉冲压缩系统(3)采用棱镜对，调节所述预啁啾光纤(5)的长度，使得预啁啾光纤和棱镜对的负色散抵消增益光纤的正色散。
2.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述预啁啾光纤(5)采用单模光纤。
3.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(23)为掺铒光纤。
4.一种基于光谱调节的光纤激光器的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤: 1)根据实际需要，设计预啁啾光纤的长度范围和调节间距； 2)调整预啁啾光纤的长度，种子源输出脉冲，通过预啁啾光纤连接至掺铒光纤放大器放大，通过增益光纤中的偏振控制器调节输出脉冲的偏振度，以减少棱镜对对脉冲光反射引起的损耗，放大后输出至脉冲压缩系统； 3)测量光谱宽度，并且测量压缩后的脉冲宽度，调节棱镜对之间的距离，使得压缩后的脉冲宽度最小； 4)脉冲压缩后传输至倍频滤波系统，测量得到倍频效率； 5)按照调节间距增加预啁啾光纤的长度，重复步骤2)?4)，直到在预啁啾光纤的长度范围内的点都做完为止，进入步骤6)； 6)得到倍频效率随预啁啾光纤的长度变化的曲线图，找到倍频效率最高的点，以此点设置为预啁啾光纤的长度。
【文档编号】H01S3/101GK103715591SQ201410006142
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】施可彬, 刘关玉, 杨宏, 龚旗煌 申请人:北京大学