專利名稱：一種高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎖模光纖激光器和放大器領(lǐng)域，具體涉及一種高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器。

背景技術(shù)：
鎖模光纖激光器是指利用鎖模技術(shù)在光纖激光器中產(chǎn)生飛秒和皮秒超短脈沖的實(shí)驗(yàn)裝置。鎖模技術(shù)是一種對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制的方法，使光束中不同的振蕩縱模具有確定的相位關(guān)系，從而使各個(gè)模式相干疊加得到超短脈沖。一般來(lái)說(shuō)，超短脈沖是指飛秒和皮秒脈沖，其中1飛秒＝1×10-15秒，1皮秒＝1×10-12秒。一般的鎖模光纖激光器利用半導(dǎo)體激光器作為泵浦光源，利用摻雜稀土元素的特種光纖作為增益光纖，利用單模光纖作為激光器腔內(nèi)基礎(chǔ)元件，再利用可飽和吸收體的特性產(chǎn)生飛秒或皮秒脈沖。對(duì)于此種鎖模光纖激光器，產(chǎn)生的超短脈沖激光的重復(fù)頻率一般為20MHz-100MHz。在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中，為獲得更低的重復(fù)頻率，將鎖模光纖激光振蕩器產(chǎn)生的超短脈沖通過(guò)脈沖選擇器(具體為電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器)將高重復(fù)頻率20MHz-100MHz降低到低重復(fù)頻率1kHz-200kHz，并將此種低重復(fù)頻率的超短脈沖激光耦合入光纖放大器或固體激光放大器中，經(jīng)過(guò)一級(jí)或多級(jí)放大后，得到脈沖能量為1μJ-10mJ的高能量脈沖。
上述高能量脈沖在工業(yè)加工、醫(yī)療等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用。摻雜稀土元素鐿的鎖模光纖激光器由于其增益高、支持寬帶飛秒脈沖等特性而受到重視。將超短脈沖激光應(yīng)用在微細(xì)加工和醫(yī)療中，要求其脈沖能量穩(wěn)定在10μJ以上、脈沖寬度＜500fs、重復(fù)頻率為100kHz-1MHz。而傳統(tǒng)的采用電光調(diào)制器的脈沖選單方式很難使重復(fù)頻率降低到大于200kHz，一般在1kHz-100kHz范圍(典型值為10kHz，200kHz的電光調(diào)制器非常昂貴)。而且缺點(diǎn)很明顯體積龐大，能量消耗導(dǎo)致熱效應(yīng)，無(wú)法用空氣冷卻，工作電壓過(guò)高(4000V左右)等。若采用聲光調(diào)制器作為脈沖選單方式，效率較低，總會(huì)有20％以上的損耗。
發(fā)表在2005年的技術(shù)論文標(biāo)題是“High energy femtosecond Yb cubicon fiber amplifier，”(L.Shah，Z.Liu，I.Hartl，G.Imeshev，G.C.Cho，and M.E.Fermann，Opt.Lett.30，2754(2005))。該論文提到，通過(guò)3級(jí)放大，將脈沖能量提高到200μJ(重復(fù)頻率為100kHz)。脈沖的重復(fù)頻率是通過(guò)聲光調(diào)制器將振蕩器的45MHz降低到100kHz。放大壓縮后的脈寬是500fs。
發(fā)表在2007年的技術(shù)論文標(biāo)題是“90W average power 100μJ energy femtosecond fiber chirped-pulse amplification system，”(F.

D.Schimpf，O.Schmidt，B.

K.Rademaker，J.Limpert，and A.Tünnermann，Opt.Lett.32，2230-2232(2007))。該論文將放大后的脈沖能量提高到100μJ。仍然是將激光振蕩器脈沖(重復(fù)頻率為18MHz)通過(guò)聲光調(diào)制器降低到900kHz，而且放大壓縮后脈寬是500fs。
發(fā)表在2007年的技術(shù)論文標(biāo)題是“Scaling of femtosecond Yb-doped fiber amplifiers to tens of microjoule pulse energy via nonlinear chirped pulse amplification”(L.Kuznetsova and F.W.Wise，Opt.Lett.32，2671-2673(2007))，該論文將聲光調(diào)制器引入Yb光纖激光放大器系統(tǒng)內(nèi)。光纖激光振蕩器的重復(fù)頻率從60MHz(脈沖能量8nJ)，經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器和激光放大器后，脈沖的重復(fù)頻率減少到3MHz-0.15MHz，相應(yīng)的放大脈沖能量最大為1.5μJ-30μJ。此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是脈寬為240fs，比上述兩個(gè)文獻(xiàn)報(bào)道的要窄。
現(xiàn)有高能量3MHz-0.15MHz脈沖放大技術(shù)均采用電光或聲光調(diào)制技術(shù)，電光或聲光調(diào)制系統(tǒng)的價(jià)格昂貴，不利于推廣。
現(xiàn)有利用電光或聲光調(diào)制方法選擇單脈沖技術(shù)，所選出的脈沖能量很低(視重復(fù)頻率的降低倍率而定，選單之后的脈沖能量是初始脈沖能量的1/R(其中R為重復(fù)頻率的降低倍率)，一般在幾十pJ量級(jí))，脈沖能量嚴(yán)重浪費(fèi)，需要若干級(jí)前置放大器才能達(dá)到幾十nJ量級(jí)的脈沖(一般是一到兩級(jí))。
現(xiàn)有的電光或聲光調(diào)制方法選擇單脈沖技術(shù)的調(diào)制對(duì)比度較低，選單脈沖中經(jīng)常伴有微弱小原始脈沖信號(hào)，并隨著放大而變差。
在光纖激光器和固體激光器中，利用鎖模技術(shù)，可以獲得超短脈沖。具體在光纖激光器中，實(shí)現(xiàn)鎖模的方法主要有非線性偏振旋轉(zhuǎn)法、可飽和吸收體法(其中可飽和吸收體是指半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、碳納米管可飽和吸收體)等。非線性偏振旋轉(zhuǎn)法可以看成一種人工的可飽和吸收體法，將可飽和吸收體放置在激光器腔中，對(duì)腔內(nèi)激光的吸收是隨光場(chǎng)強(qiáng)度變化的，當(dāng)光場(chǎng)較弱時(shí)對(duì)光吸收很強(qiáng)，當(dāng)光場(chǎng)強(qiáng)時(shí)對(duì)光吸收減少，當(dāng)達(dá)到一特定值時(shí)，使強(qiáng)度最大的激光脈沖經(jīng)受最小的損耗，從而得到強(qiáng)的鎖模脈沖。
對(duì)于稀土摻雜光纖激光器，常用的有摻鉺和摻鐿兩種光纖激光器。其中對(duì)于摻鉺光纖激光器，工作波長(zhǎng)為1550nm附近，普通的單模光纖(如康寧公司的SMF28光纖)，色散值為負(fù)。由于此種光纖激光器的輸出波長(zhǎng)工作在通信波段，因此在光通信上有重要應(yīng)用且獲得廣泛關(guān)注。相應(yīng)的，在此波段，還存在色散補(bǔ)償光纖和色散位移光纖等。所以此種非普通單模光纖也有零色散和正色散類型，故通過(guò)這些光纖的組合可以對(duì)整個(gè)激光器的色散進(jìn)行管理和補(bǔ)償。
對(duì)于摻鐿光纖激光器，工作波長(zhǎng)為1030nm附近，普通單模光纖色散為正(如Nufern公司的xp-1060光纖)，不同于摻鉺光纖激光器，很難找到工作在1030nm附近的負(fù)色散單模光纖，除卻特殊的光子晶體光纖外。但是此種光子晶體光纖存在很大的缺點(diǎn)價(jià)格非常昂貴且被國(guó)外公司壟斷(比如丹麥的Crystal Fiber公司)，焊接非常困難(普通的熔接機(jī)無(wú)法焊接，需要原廠進(jìn)行焊接)等。因此如果要對(duì)腔內(nèi)正色散進(jìn)行補(bǔ)償，在激光器中只能放置諸如體光柵、棱鏡對(duì)等大型色散補(bǔ)償器件。這樣極大降低了光纖激光器的簡(jiǎn)易性。
在摻鐿光纖激光器中，如果沒(méi)有光柵對(duì)等負(fù)色散器件進(jìn)行補(bǔ)償，這種激光器稱為摻鐿全正色散光纖激光器。常用的鎖模方法有兩種，一是利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)機(jī)制結(jié)合光譜濾波效應(yīng)。一般情況下(重復(fù)頻率為MHz以上)，輸出脈寬在數(shù)百fs到幾ps級(jí)，壓縮后最短可達(dá)到200fs左右。另外一種是利用可飽和吸收體(如半導(dǎo)體可飽和吸收鏡)，類似的條件下，輸出脈沖寬度在1ps附近，壓縮后脈沖寬度也為200fs左右。
對(duì)于常規(guī)的光纖激光振蕩器，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)的方法獲得鎖模脈沖，重復(fù)頻率為20MHz-100MHz。在最新發(fā)表的文獻(xiàn)中，利用此種技術(shù)鎖模的光纖激光器也只降低到1MHz量級(jí)，對(duì)應(yīng)的激光振蕩器腔內(nèi)光纖長(zhǎng)度為200米(環(huán)形腔結(jié)構(gòu))。換言之，若加長(zhǎng)激光器的腔長(zhǎng)(即增加腔內(nèi)單模光纖的長(zhǎng)度)，非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)沒(méi)有利用可飽和吸收法的鎖模效果好。為了克服這個(gè)難點(diǎn)從而獲得低重復(fù)頻率脈沖，現(xiàn)在通用的方法是上述已經(jīng)介紹的在激光振蕩器中獲得20MHz-100MHz重復(fù)頻率的脈沖，在腔外或者激光放大器中放入脈沖選擇器使脈沖重復(fù)頻率降低到1kHz-200kHz量級(jí)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，提供合適放大和應(yīng)用的低重復(fù)頻率的脈沖種子源，以提高放大效率和簡(jiǎn)化放大器系統(tǒng)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 一種高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，包括用于提供產(chǎn)生激光所需能量的泵浦光源、用于提供增益的增益光纖、用于對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制從而產(chǎn)生超短脈沖的鎖模裝置及用于激光傳輸?shù)膯文鬏敼饫w，其中由增益光纖、單模傳輸光纖和鎖模裝置構(gòu)成光纖激光器的諧振腔，所產(chǎn)生的激光在諧振腔振蕩，在增益光纖、鎖模裝置長(zhǎng)度均不增加的情況下，單模傳輸光纖的長(zhǎng)度依據(jù)諧振腔長(zhǎng)L與重復(fù)頻率frep成反比的關(guān)系，根據(jù)所需重復(fù)頻率frep的降低而增加。
優(yōu)選地，所述諧振腔為環(huán)形腔，所述單模傳輸光纖的長(zhǎng)度按下式而增加 L0＝c/nfrep-L1 其中，L0為單模傳輸光纖長(zhǎng)度，c為真空光速，n為單模傳輸光纖的折射率，L1為增益光纖與鎖模裝置的腔內(nèi)長(zhǎng)度。
優(yōu)選地，所述諧振腔為線形腔，所述單模傳輸光纖的長(zhǎng)度按下式而增加 L0＝c/2nfrep-L1 其中，L0為單模傳輸光纖長(zhǎng)度，c為真空光速，n為單模傳輸光纖的折射率，L1為增益光纖與鎖模裝置的腔內(nèi)長(zhǎng)度。
優(yōu)選地，所述鎖模裝置為可飽和吸收體。
優(yōu)選地，所述可飽和吸收體為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡或碳納米管可飽和吸收體。
優(yōu)選地，增益光纖為摻雜稀土元素鉺、鐿、鈥或銩的增益光纖。
優(yōu)選地，所述鎖模裝置為非線性偏振旋轉(zhuǎn)控制器，所述光纖激光器中設(shè)置有光譜濾波器。
優(yōu)選地，所述非線性偏振旋轉(zhuǎn)控制器為用于偏振控制的半波長(zhǎng)片、四分之一波長(zhǎng)片組或光纖式偏振控制器。
優(yōu)選地，所述光譜濾波器為用于光譜濾波的雙折射濾光片、干涉濾光片或光纖式光譜濾波器。
優(yōu)選地，增益光纖為摻雜稀土元素鉺、鐿、鈥或銩的增益光纖。
優(yōu)選地，所述諧振腔內(nèi)設(shè)置有光纖式單向器或分體式空間隔離器，用于使產(chǎn)生的激光在所述諧振腔內(nèi)單向傳輸形成振蕩。
優(yōu)選地，所述光纖激光器作為光纖放大器的種子源使用。
優(yōu)選地，在所述光纖激光器或光纖放大器之后連接有反射式光柵對(duì)、透射式光柵對(duì)、體光柵或光纖式光柵的光柵壓縮裝置，用于對(duì)放大后的激光脈沖進(jìn)行壓縮。
利用本發(fā)明提供的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，具有以下有益效果 1)通過(guò)提高腔長(zhǎng)，降低了腔內(nèi)脈沖的重復(fù)頻率，相應(yīng)提高了單脈沖能量； 2)由于提高了單脈沖能量，增加了光纖激光器腔內(nèi)自相位調(diào)制效應(yīng)，有利于脈沖光譜的展寬； 3)在放大前不需要繼續(xù)用電光或者聲光調(diào)制器來(lái)選擇單個(gè)脈沖，因此大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有效降低了成本； 4)由于提高了單脈沖能量，相當(dāng)于增加了一級(jí)或者兩級(jí)光纖前置放大器，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了放大器效率，有效降低了成本。



圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中得到光譜圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中得到的鎖模脈沖序列； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器結(jié)構(gòu)圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例3中高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器結(jié)構(gòu)圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例4中高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器結(jié)構(gòu)圖； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例5中高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器結(jié)構(gòu)圖。
圖中1、泵浦光源；2、泵浦光傳輸光纖；3、波分復(fù)用器；4、單模傳輸光纖；5、增益光纖；6、光準(zhǔn)直器；7、1/4波長(zhǎng)片；8、1/2波長(zhǎng)片；9、分體式空間隔離器；10、偏振分光棱鏡；11、空間式法拉第旋轉(zhuǎn)器；12、聚焦透鏡；13、可飽和吸收體；14、增加的單模傳輸光纖；15、激光輸出端口；16、光纖式單向隔離器；17、光環(huán)形器；18、光纖式偏振控制器；19、光纖功率分束器；20、光纖式反射鏡；21、光纖式法拉第旋轉(zhuǎn)鏡。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明提出的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，結(jié)合附圖和實(shí)施例說(shuō)明如下。
本發(fā)明提出的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，同現(xiàn)有技術(shù)相同的是其包括用于提供產(chǎn)生激光所需能量的泵浦光源；用于提供增益的增益光纖；用于對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制從而產(chǎn)生超短脈沖的鎖模裝置；用于激光傳輸?shù)膯文鬏敼饫w，其中由增益光纖、單模傳輸光纖和鎖模裝置構(gòu)成光纖激光器的諧振腔，所產(chǎn)生的激光在諧振腔內(nèi)振蕩，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，在增益光纖、鎖模裝置長(zhǎng)度均不增加的情況下，單模傳輸光纖的長(zhǎng)度依據(jù)光纖激光器的諧振腔長(zhǎng)L與重復(fù)頻率frep成反比的關(guān)系，根據(jù)所需重復(fù)頻率frep的降低而增加。
本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)原理描述如下 在由泵浦光源產(chǎn)生的泵浦光注入到光纖激光器的諧振腔后，激光開(kāi)始在諧振腔內(nèi)進(jìn)行光振蕩。由于激光增益介質(zhì)是寬帶的，由于模式之間的拍，噪聲譜中總有一個(gè)最大的瞬時(shí)脈沖。脈沖之間的時(shí)間間隔反比于光纖激光器的諧振腔長(zhǎng)L，重復(fù)頻率frep為脈沖時(shí)間間隔的倒數(shù)。在環(huán)形腔式的光纖激光器中，重復(fù)頻率frep為 frep＝1/ΔT＝c/nL.(1) 在線形腔式的光纖激光器中，重復(fù)頻率frep為 frep＝1/ΔT＝c/2nL 其中ΔT為脈沖時(shí)間間隔，c為真空光速，L為光纖激光器的諧振腔長(zhǎng)，具體為增益光纖與鎖模裝置的腔內(nèi)長(zhǎng)度L1與單模傳輸光纖長(zhǎng)度L0之和，n為單模傳輸光纖的折射率。
可見(jiàn)，只要增加諧振腔長(zhǎng)L，脈沖的重復(fù)頻率就會(huì)降低。通常的光纖激光器的環(huán)形腔長(zhǎng)約為2m-10m，對(duì)應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率為100MHz～20MHz。若將脈沖重復(fù)頻率減小到1MHz～0.150MHz，腔長(zhǎng)需要增加到200m～1300m。
本發(fā)明通過(guò)增加單模傳輸光纖的長(zhǎng)度來(lái)降低重復(fù)頻率。本發(fā)明提出高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，諧振腔既可以采用環(huán)形腔也可以采用線形腔，諧振腔采用環(huán)形腔時(shí)，所述單模傳輸光纖的長(zhǎng)度按下式而增加 L0＝c/nfrep-L1 諧振腔采用線形腔時(shí)，單模傳輸光纖的長(zhǎng)度按下式而增加 L0＝c/2nfrep-L1 其中，L0為單模傳輸光纖長(zhǎng)度，c為真空光速，n為單模傳輸光纖的折射率，L1為增益光纖與鎖模裝置的腔內(nèi)長(zhǎng)度。
若將光纖激光器腔內(nèi)單模傳輸光纖的長(zhǎng)度提高到200m～4km，則可直接將脈沖重復(fù)頻率降低到50kHz-1MHz(指環(huán)形腔中，若是應(yīng)用在線形腔中，重復(fù)頻率為環(huán)形腔的一半)。并且理論上腔內(nèi)光纖可以更長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的重復(fù)頻率可以更低，到10kHz量級(jí)。在如此長(zhǎng)的光纖激光器中，若不進(jìn)行色散補(bǔ)償，很難自啟動(dòng)鎖模。本發(fā)明優(yōu)選利用可飽和吸收體作為鎖模裝置，可飽和吸收體為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡或碳納米管可飽和吸收體。高調(diào)制深度的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，作為自啟動(dòng)器件，可不依賴于非線性偏振旋轉(zhuǎn)機(jī)制而獨(dú)立在光纖激光器中實(shí)現(xiàn)鎖模。在放置半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的光纖激光器中腔內(nèi)，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡吸收激光腔內(nèi)的弱脈沖，而對(duì)腔內(nèi)強(qiáng)脈沖吸收很少，使得腔內(nèi)只有一個(gè)脈沖獲得較大增益而發(fā)展起來(lái)并最終穩(wěn)定。這種脈沖形成機(jī)制和激光器的諧振腔內(nèi)色散無(wú)關(guān)，無(wú)論對(duì)全正色散型還是色散管理型都適用。因此，若采用可飽和吸收體作為鎖模裝置，其增益光纖可為摻雜稀土元素鉺、鐿、鈥、銩的增益光纖中的任一種。
本發(fā)明所公開(kāi)的在光纖激光器中直接產(chǎn)生高能量低重復(fù)頻率脈沖的技術(shù)不同于上述公開(kāi)的利用電光和聲光調(diào)制器來(lái)降低重復(fù)頻率等現(xiàn)有方法，主要差別如下 本發(fā)明通過(guò)控制諧振腔內(nèi)單模傳輸光纖的長(zhǎng)度，可直接產(chǎn)生0.15MHz-3MHz重復(fù)頻率的種子脈沖，省掉了昂貴的電光或聲光調(diào)制系統(tǒng)； 在降低脈沖重復(fù)頻率的同時(shí)，平均功率卻幾乎不變，故可以直接產(chǎn)生高達(dá)100nJ量級(jí)的脈沖，而不需前置放大； 對(duì)比利用電光或者聲光調(diào)制器中出現(xiàn)的調(diào)制比不高的問(wèn)題，本發(fā)明直接產(chǎn)生高對(duì)比度的脈沖列，脈沖干凈，無(wú)漏過(guò)脈沖被放大。
實(shí)施例1 對(duì)環(huán)形腔式的光纖激光器，如圖1所示為本發(fā)明高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器的一種優(yōu)選實(shí)施方式，該光纖激光器中用于提供產(chǎn)生激光所需能量的泵浦光源1通過(guò)泵浦光傳輸光纖2接入波分復(fù)用器3，波分復(fù)用器3作為泵浦耦合器將泵浦光源1接入光纖激光器的諧振腔，提供能源入口。由單模傳輸光纖4、增益光纖5和鎖模裝置連接形成環(huán)形的諧振腔。本實(shí)施例中鎖模裝置采用可飽和吸收體13，可飽和吸收體13之前連接有聚焦透鏡12，用于將產(chǎn)生的激光聚焦在可飽和吸收體13上。由于本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于增加了單模傳輸光纖4的長(zhǎng)度，因此本文中用增加的單模傳輸光纖14區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)。優(yōu)選地，該光纖激光器中單模傳輸光纖的光纖端面可以連接有光準(zhǔn)直器6，諧振腔部分還可以連接1/4波長(zhǎng)片7和1/2波長(zhǎng)片8組，用于調(diào)整所產(chǎn)生的激光脈沖的偏振方向，并控制激光的耦合。在諧振腔內(nèi)連接有可飽和吸收體13的情況下，該1/4波長(zhǎng)片7和1/2波長(zhǎng)片8組不是必須的。諧振腔內(nèi)還連接有分體式單向隔離器9，由4個(gè)元件組成，分別為依次連接的偏振分光棱鏡10、1/2波長(zhǎng)片8、空間式法拉第旋轉(zhuǎn)器11和偏振分光鏡10，單向隔離器9用于使產(chǎn)生的激光在諧振腔內(nèi)單向傳輸形成振蕩。用其中一個(gè)偏振分光棱鏡10作為光纖激光器的激光輸出端口15，將諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的超短脈沖輸出，另一個(gè)偏振分光棱鏡10連接單模傳輸光纖4的兩端和可飽和吸收體13，形成T形結(jié)構(gòu)。該裝置中的增益光纖可為摻雜稀土元素鉺、鐿、鈥、銩的增益光纖中的任一種。聚焦透鏡12采用普通透鏡或者非球面透鏡?？娠柡臀阵w13采用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡或者碳納米管可飽和吸收體等。上述單模傳輸光纖14，對(duì)于摻鉺光纖激光器(即增益光纖為摻餌光纖)，可以是工作波長(zhǎng)為1.5μm的單模傳輸光纖、色散位移光纖等，對(duì)于摻鐿光纖激光器(即增益光纖為摻鐿光纖)，可以是工作波長(zhǎng)為1μm單模傳輸光纖，也可以是工作波長(zhǎng)為1.5μm單模傳輸光纖。分體式單向隔離器9可以設(shè)置在波分復(fù)用器3兩端中的任一端。
利用上述光纖激光器的工作過(guò)程如下打開(kāi)泵浦源1后，將其調(diào)節(jié)到一定功率，光纖激光器的諧振腔內(nèi)形成振蕩。增大泵浦源1的光功率，當(dāng)達(dá)到光纖激光器的鎖模閾值之后，會(huì)得到鎖模脈沖輸出。此時(shí)，檢測(cè)輸出光譜，可在光譜儀上看到鎖模光譜，典型的光譜形狀如圖2所示(摻鐿光纖激光器，利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模)。同時(shí)，用高速光電探測(cè)二極管探測(cè)輸出脈沖信號(hào)，可在示波器上看到鎖模脈沖序列，典型的鎖模脈沖序列如圖3所示(此時(shí)脈沖重復(fù)頻率381.3kHz)，上述鎖模調(diào)制過(guò)程為現(xiàn)有技術(shù)，這里不再詳述。
實(shí)施例2 對(duì)于環(huán)形腔式的光纖激光器，如圖4所示為本發(fā)明高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器的另一種優(yōu)選實(shí)施方式，本實(shí)施例中大部分器件及其連接關(guān)系與實(shí)施例1相同，不同的是本實(shí)施例采用光纖式單向隔離器16代替分體式單向空間隔離器9，單向隔離器16同樣用于使產(chǎn)生的激光在所述諧振腔內(nèi)單向傳輸形成振蕩，可以放置在圖4所示的位置，也可以任意放置在波分復(fù)用器3的另一端，如圖4虛線所示。諧振腔內(nèi)仍連接有兩個(gè)偏振分光棱鏡10，其中一個(gè)偏振分光棱鏡10作為激光輸出端口15輸出超短脈沖激光；另一個(gè)偏振分光棱鏡10連接單模傳輸光纖4的兩端與可飽和吸收體13，形成T形結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3 對(duì)于環(huán)形腔式的光纖激光器，如圖5所示為本發(fā)明高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器的再一種優(yōu)選實(shí)施方式，該光纖激光器中用于提供產(chǎn)生激光所需能量的泵浦光源1通過(guò)泵浦光傳輸光纖2接入波分復(fù)用器3，波分復(fù)用器3作為泵浦耦合器將泵浦光源1接入光纖激光器的諧振腔，提供能源入口。由單模傳輸光纖4、增益光纖5和鎖模裝置連接形成環(huán)形的諧振腔。本實(shí)施例中鎖模裝置采用可飽和吸收體13，本實(shí)施例中利用光環(huán)形器17代替實(shí)施例2中的偏振分光棱鏡10，光環(huán)形器17連接單模傳輸光纖4的兩端和可飽和吸收體13，形成T形結(jié)構(gòu)。同樣本實(shí)施例中包括增加的單模傳輸光纖14。本實(shí)施例中未采用1/4波長(zhǎng)片7和1/2波長(zhǎng)片8組來(lái)調(diào)整激光脈沖的偏振方向，而是采用光纖式偏振控制器18來(lái)調(diào)整激光脈沖的偏振方向。本實(shí)施例與實(shí)施例1、2的區(qū)別還在于利用光纖功率分束器19作為光纖激光器的激光輸出端口15。與實(shí)施例2相同，諧振腔內(nèi)連接有單向隔離器16，單向隔離器16使產(chǎn)生的激光在所述諧振腔內(nèi)單向傳輸形成振蕩，可以放置在圖5所示的位置，也可以任意放置在波分復(fù)用器3的另一端，如圖5虛線所示。該裝置中的增益光纖可為摻雜稀土元素鉺、鐿、鈥、銩的增益光纖中的任一種?？娠柡臀阵w13采用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡或者碳納米管可飽和吸收鏡等。
實(shí)施例4 本發(fā)明的核心思想是在光纖激光器的諧振腔中加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度，利用鎖模技術(shù)獲得穩(wěn)定的高能量低重復(fù)頻率脈沖。基于此核心思想，單獨(dú)利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)代替利用可飽和吸收體也可以獲得鎖模脈沖輸出。上述已經(jīng)指出，對(duì)于如此長(zhǎng)的光纖激光器的諧振腔，單獨(dú)利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)沒(méi)有利用可飽和吸收體更容易獲得鎖模脈沖，但是通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)波片組，還是可以獲得穩(wěn)定鎖模脈沖的。對(duì)于環(huán)形腔式的光纖激光器，如圖6所示，該光纖激光器中用于提供產(chǎn)生激光所需能量的泵浦光源1通過(guò)泵浦光傳輸光纖2接入波分復(fù)用器3，波分復(fù)用器3作為泵浦耦合器將泵浦光源1接入光纖激光器的諧振腔，提供能源入口。由單模傳輸光纖4、增益光纖5和鎖模裝置連接形成環(huán)形的諧振腔。同樣本實(shí)施例包括增加的單模傳輸光纖4。該光纖激光器中單模傳輸光纖4的光纖端面可以連接有準(zhǔn)直器6，諧振腔部分連接有1/4波長(zhǎng)片7和1/2波長(zhǎng)片8組，用于調(diào)整激光脈沖的偏振方向，并控制激光的耦合。諧振腔部分連接有偏振分光棱鏡10，偏振分光棱鏡10作為激光輸出端口15輸出超短脈沖。增益光纖可為摻雜稀土元素鉺、鐿、鈥、銩的增益光纖中的任一種。
實(shí)施例5 對(duì)于對(duì)線形腔式的光纖激光器，如圖7所示，本實(shí)施例該光纖激光器中用于提供產(chǎn)生激光所需能量的泵浦光源1通過(guò)泵浦光傳輸光纖2接入波分復(fù)用器3，波分復(fù)用器3作為泵浦耦合器將泵浦光源1接入光纖激光器的諧振腔，提供能源入口。由單模傳輸光纖4、增益光纖5和鎖模裝置連接形成線形的諧振腔。同樣本實(shí)施例中包括增加的單模傳輸光纖14。線形諧振腔的一端為可飽和吸收體13，另一端為光纖式反射鏡20或光纖式法拉第旋轉(zhuǎn)鏡21，保證所產(chǎn)生的激光在線形腔內(nèi)來(lái)回振蕩。利用光纖功率分束器19作為光纖激光器的激光輸出端口15。
本發(fā)明所提供的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，可以作為光纖放大器的種子源使用。在所述光纖激光器或光纖放大器之后連接有反射式光柵對(duì)、透射式光柵對(duì)、體光柵或光纖式光柵的光柵壓縮裝置，用于對(duì)放大后的激光脈沖進(jìn)行壓縮。
通過(guò)以上實(shí)施例可以總結(jié)出，本發(fā)明的關(guān)鍵之一是光纖種類和光纖長(zhǎng)度的選擇。對(duì)于摻鐿光纖激光器，工作波長(zhǎng)為1μm波段。而1μm增益光纖價(jià)格相對(duì)昂貴，1km以上長(zhǎng)度的光纖價(jià)格普通用戶比較難于承受。本發(fā)明提出，在摻鐿光纖激光器中，除去選用1μm增益光纖之外，改用普通的通信用單模傳輸光纖仍然可以達(dá)到鎖模要求，這樣極大節(jié)約了成本。對(duì)于摻鉺光纖激光器，工作波長(zhǎng)在1.5μm波段，選擇正色散單模傳輸光纖比選擇負(fù)色散單模傳輸光纖可產(chǎn)生更具有高能量和不分裂的脈沖。
本發(fā)明的關(guān)鍵之二是脈沖啟動(dòng)機(jī)制。本發(fā)明依靠高調(diào)制深度的可飽和吸收體(半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和碳納米管可飽和吸收體等，調(diào)制深度大于20％，優(yōu)選采用30％，使光纖激光器相對(duì)容易，而且可保證鎖模的自啟動(dòng)和自恢復(fù))來(lái)啟動(dòng)鎖模。
以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，包括用于提供產(chǎn)生激光所需能量的泵浦光源、用于提供增益的增益光纖、用于對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制從而產(chǎn)生超短脈沖的鎖模裝置及用于激光傳輸?shù)膯文鬏敼饫w，其中由增益光纖、單模傳輸光纖和鎖模裝置構(gòu)成光纖激光器的諧振腔，所產(chǎn)生的激光在諧振腔振蕩，其特征在于在增益光纖、鎖模裝置長(zhǎng)度均不增加的情況下，單模傳輸光纖的長(zhǎng)度依據(jù)諧振腔長(zhǎng)L與重復(fù)頻率frep成反比的關(guān)系，根據(jù)所需重復(fù)頻率frep的降低而增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述諧振腔為環(huán)形腔，單模傳輸光纖的長(zhǎng)度按下式而增加
L0＝c/nfrep-L1
其中，L0為單模傳輸光纖長(zhǎng)度，c為真空光速，n為單模傳輸光纖的折射率，L1為增益光纖與鎖模裝置的腔內(nèi)長(zhǎng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述諧振腔為線形腔，單模傳輸光纖的長(zhǎng)度按下式而增加
L0＝c/2nfrep-L1
其中，L0為單模傳輸光纖長(zhǎng)度，c為真空光速，n為單模傳輸光纖的折射率，L1為增益光纖與鎖模裝置的腔內(nèi)長(zhǎng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述鎖模裝置為可飽和吸收體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述可飽和吸收體為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡或碳納米管可飽和吸收體。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述增益光纖為摻雜稀土元素鉺、鐿、鈥或銩的增益光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述鎖模裝置為非線性偏振旋轉(zhuǎn)控制器，所述光纖激光器中設(shè)置有光譜濾波器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述非線性偏振旋轉(zhuǎn)控制器為用于偏振控制的半波長(zhǎng)片、四分之一波長(zhǎng)片組或光纖式偏振控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述光譜濾波器為用于光譜濾波的雙折射濾光片、干涉濾光片或光纖式光譜濾波器。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述增益光纖為摻雜稀土元素鉺、鐿、鈥或銩的增益光纖。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述諧振腔內(nèi)設(shè)置有光纖式單向器或分體式空間隔離器，用于使產(chǎn)生的激光在所述諧振腔內(nèi)單向傳輸形成振蕩。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，所述光纖激光器作為光纖放大器的種子源使用。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，其特征在于，在所述光纖激光器或光纖放大器之后連接有反射式光柵對(duì)、透射式光柵對(duì)、體光柵或光纖式光柵的光柵壓縮裝置，用于對(duì)放大后的激光脈沖進(jìn)行壓縮。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高能量低重復(fù)頻率的光纖激光器，包括用于提供產(chǎn)生激光所需能量的泵浦光源、用于提供增益的增益光纖、用于對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制從而產(chǎn)生超短脈沖的鎖模裝置及用于激光傳輸?shù)膯文鬏敼饫w，其中由增益光纖、單模傳輸光纖和鎖模裝置構(gòu)成光纖激光器的諧振腔，所產(chǎn)生的激光在諧振腔內(nèi)振蕩，在增益光纖、鎖模裝置長(zhǎng)度均不增加的情況下，單模傳輸光纖的長(zhǎng)度依據(jù)光纖激光器的諧振腔長(zhǎng)L與重復(fù)頻率frep成反比的關(guān)系，根據(jù)所需重復(fù)頻率frep的降低而增加。本發(fā)明通過(guò)提高諧振腔長(zhǎng)，降低了諧振腔內(nèi)脈沖的重復(fù)頻率，相應(yīng)提高了單脈沖能量，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了放大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了放大器效率，有效降低了成本。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101826696SQ20091007896
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者周春, 蔡岳, 張志剛 申請(qǐng)人:北京大學(xué)