專利名稱：摻鐿光子晶體光纖非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻鐿光子晶體光纖非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，具體涉及到高平均功率脈沖激光系統(tǒng)，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高功率、大能量的脈沖光纖激光器以其諸多優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是未來脈沖激光器的發(fā)展趨勢(shì)，但是傳統(tǒng)光纖纖芯模場(chǎng)面積較小，光纖激光器的功率提升受到非線性的嚴(yán)重限制。傳統(tǒng)的被動(dòng)鎖模技術(shù)廣泛被應(yīng)用于脈沖激光器的設(shè)計(jì)中，如半導(dǎo)體可飽和吸收鏡做為鎖模器件，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模激光。但是在鎖模激光器中由于使用的半導(dǎo)體飽和吸收體受自身材料的因素，有上限的損傷閾值，限制了鎖模激光器功率的進(jìn)一步提升，也是高功率被動(dòng)鎖模激光器實(shí)現(xiàn)的一個(gè)瓶頸。 鑒于以上的情況，本專利采用了非線性偏振旋轉(zhuǎn)(Nonlinear PolarizationRotation)技術(shù)鎖模,該技術(shù)首先是1991年M. Hofer等人最早于光纖激光器中實(shí)現(xiàn)的。其后MIT的K. Tamura等人利用NPR技術(shù)得到了脈寬453fs的穩(wěn)定序列輸出(參見Tamura K，HausHA, Ippen EP. Self-starting additive pulse mode-locked erbium fiber ring laser.Electronics Letters 1992; 28 (24) : 2226-8)。之后又進(jìn)行了一系列改進(jìn)工作通過于激光器中加入一段正色散補(bǔ)償光纖，得到了脈寬為77fs、單脈沖能量90pJ、峰值功率大于IkW的脈沖序列；又通過加入石英片和起偏器件構(gòu)成的空間濾波裝置，對(duì)孤子激光器頻譜中的邊帶進(jìn)行了較好的抑制。對(duì)基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)機(jī)理的激光器，研究學(xué)者對(duì)于不同色散條件作了許多研究。早期的光纖激光器的工作集中在負(fù)色散或近零色散條件下，從非線性薛定諤方程的理論角度看，為了獲得穩(wěn)定的孤子解，需要利用光纖中的反常色散與非線性效果相抵消。而其后人們認(rèn)識(shí)到，即使是在正色散條件下，光纖激光器也能運(yùn)轉(zhuǎn)。Cornell大學(xué)Frank Wise小組對(duì)于全正色散激光器從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了一系列研究，指出光纖激光器運(yùn)行在全正色散的關(guān)鍵因素在于有限增益帶寬，即在頻域上由自相位調(diào)制所產(chǎn)生的頻譜展寬僅有部分獲得增益，剩下隨著激光的運(yùn)轉(zhuǎn)逐漸損耗，為了激光器進(jìn)一步穩(wěn)定，往往會(huì)加入濾波裝置。另一方面，時(shí)域上由群速度色散引起的脈沖展寬由非線性偏振旋轉(zhuǎn)進(jìn)行壓縮，從而達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)，在該激光器的設(shè)計(jì)中增益介質(zhì)引入了光子晶體光纖，它自身獨(dú)有的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了優(yōu)異的特性，如它具有大的表面-體積比，散熱極好，大的模場(chǎng)面積并且基模運(yùn)轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光的高功率和高光束質(zhì)量輸出。綜上，提出了一種利用光子晶體光纖作為增益介質(zhì)的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的非線性高光束質(zhì)量、高平均功率的鎖模激光器有一定的科研意義和應(yīng)有價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提出一種摻鐿光子晶體光纖非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，其具有高平均功率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。
為了解決現(xiàn)有光纖激光器的振蕩器，脈沖激光輸出的功率較低和脈沖能量較低等問題，本發(fā)明提出一種簡(jiǎn)便行而有效的激光系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下?lián)借O光子晶體光纖非線性 偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，其利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光器鎖模的設(shè)計(jì)目的，包括有抽運(yùn)泵浦和主要由增益介質(zhì)、鎖模器件構(gòu)成的激光器環(huán)形諧振腔。976nm半導(dǎo)體激光器(LD) I為抽運(yùn)泵浦，光子晶體光纖5為增益介質(zhì)，鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器10和半波片11和四分之一波片12共同組成鎖模器件，依次由器件二色鏡13-四分之一波片1112-半波片11-鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器10-窄帶濾波片9-四分之一波片18- 二色鏡117-非球面鏡6-光子晶體光纖5-非球面聚焦鏡4- 二色鏡13構(gòu)成環(huán)形諧振腔；激光器I出射976nm半導(dǎo)體激光泵浦光從激光器I入射到非球面準(zhǔn)直鏡12，經(jīng)過二色鏡13 ;二色鏡13的透射光通過非球面聚焦鏡4入射進(jìn)光子晶體光纖5中，再由非球面鏡6準(zhǔn)直入射到二色鏡117上，二色鏡117的反射光入到四分之一波片18上再經(jīng)過窄帶濾波片9、鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器10，依次通過半波片11和四分之一波片1112，最后再次經(jīng)過二色鏡13，非球面聚焦鏡4打入光子晶體光纖5中，構(gòu)成激光器環(huán)形諧振腔。鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器10起到保證激光在諧振腔內(nèi)單向傳輸作用，易于激光器的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作 ’最后鎖模脈沖激光由隔離器10的逃逸窗口出射激光。所述的光子晶體光纖5采用摻鐿光纖，其使用的長(zhǎng)度為I. Sm。所述的二色鏡13和二色鏡117均對(duì)于1040nm激光高反和976nm激光高透光率。所述的窄帶濾波片9中心波長(zhǎng)在1047. Inm,半寬4nm峰值透過率為90%。所述的偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，其等效諧振腔長(zhǎng)度為3. 3m,相應(yīng)重復(fù)頻率為90. 7MHz，在30瓦的泵浦功率下獲得11. 7W的鎖模激光輸出。本專利采用非線性偏振選擇鎖模優(yōu)化結(jié)構(gòu)腔型實(shí)現(xiàn)了 10瓦以上級(jí)1043nm脈沖光子晶體光纖激光器。其優(yōu)點(diǎn)是激光器是基于大模場(chǎng)光子晶體光纖的，比普通雙包層光纖能夠有效抑制非線性作用，并且得到了高光束質(zhì)量、高功率的脈沖輸出。同時(shí)由光學(xué)隔離器逃逸窗棱鏡輸出，獲得了良好的偏振特性。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2為激光器的重復(fù)頻率示波器序列圖I為976nm半導(dǎo)體激光器；2為非球面準(zhǔn)直鏡I ;3為二色鏡I ;4為非球面聚焦鏡；5為光子晶體光纖；6為非球面準(zhǔn)直鏡II ；7為二色鏡II ;8為四分之一波片I ;9為窄帶濾波片；10為鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器；11.半波片；12為四分之一波片II。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明如圖I所示，激光振蕩級(jí)是光子晶體光纖激光器，增益光纖是摻Y(jié)b的大模場(chǎng)雙包層光子晶體光纖，長(zhǎng)度1.8m。其纖芯的單模場(chǎng)直徑為29 ii m(對(duì)應(yīng)的單模場(chǎng)面積為660 u m2),數(shù)值孔徑為0.03，內(nèi)包層直徑170 ym，數(shù)值孔徑0. 62，具有六角型周期性排布的空氣孔。光纖對(duì)于976nm的激光吸收系數(shù)是13dB/m，提供了足夠了增益。兩端經(jīng)過塌陷和打磨出8度傾角(防止自激振蕩激光的產(chǎn)生)直接通過帶有尾纖的976nm半導(dǎo)體激光I準(zhǔn)直聚焦進(jìn)入光子晶體光纖包層泵浦，圓偏振光經(jīng)過光纖增益放大后，經(jīng)過非球面準(zhǔn)直鏡6，入射到二色鏡117后反射入四分之一波片18，這里線橢圓偏光變成了線偏振光，然后經(jīng)過美國(guó)Semrock窄帶濾波片9，其中心波長(zhǎng)為1047. lnm，作用了對(duì)激光增益光譜在頻域上限制，引入損耗機(jī)制。再經(jīng)過光學(xué)隔離器10，其中隔離器確保光沿單一方向傳播。因?yàn)樵鲆娼橘|(zhì)中如果存在駐波則會(huì)產(chǎn)生空間燒孔效應(yīng)，影響激光的相干性，故而加入隔離器迫使激光運(yùn)行在行波狀態(tài)以避免燒孔效應(yīng)的產(chǎn)生。在通過半波片11，這個(gè)波片和光隔離器的配合能夠調(diào)節(jié)諧振腔內(nèi)激光功率密度，保證穩(wěn)定鎖模是的最后輸出。最后經(jīng)過四分之一波片1112轉(zhuǎn)換成橢圓偏振光重新回到光子晶體光纖中增益放大。激光器的運(yùn)行方向和光學(xué)隔離器一致，由于光纖中存在的對(duì)于光強(qiáng)敏感的非線性效應(yīng)(自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制)，將使得脈沖前后沿(光強(qiáng)較弱)與脈沖中心(光強(qiáng)較強(qiáng))的偏振態(tài)不一致，經(jīng)過調(diào)整波片組，使得激光輸出脈沖中心對(duì)應(yīng)偏振方向的透過率達(dá)到最大，這樣脈沖前后沿分量會(huì)損耗，于是脈沖壓縮，結(jié)果使脈沖在腔內(nèi)往返一次后有微小窄化，這種情況與使用快飽和吸收體相類似，經(jīng)過幾個(gè)周期的放大和壓縮循環(huán)，最終得到穩(wěn)定的超短脈沖。而且腔內(nèi)沒有負(fù)色散的器件，激光器運(yùn)行在全正色散狀態(tài)。泵浦功率30W時(shí)候，獲得了平均功率11. 7W、重復(fù)頻率90. 7MHz的鎖模激光輸出，從圖2中可以看出鎖模脈沖幅值強(qiáng)度一致，時(shí)間間隔均勻，證明了激光器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。在鎖模光纖激光器中，由于光纖本身所能承受的最大功率限制，當(dāng)泵浦功率超過一定閾值時(shí)，若脈沖之間在非線性和色散參量之間達(dá)到平衡，應(yīng)該出現(xiàn)穩(wěn)定的單脈沖模。在非線性偏轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)鎖模激光器中非線性效應(yīng)過高時(shí)會(huì)出現(xiàn)脈沖分裂，導(dǎo)致多脈沖束縛態(tài)的出現(xiàn)。本發(fā)明設(shè)計(jì)中，使用區(qū)別于傳統(tǒng)光纖的光子晶體光纖，其好處是可以提供高平均功率，高光束質(zhì)量的激光運(yùn)行。同時(shí)，該諧振腔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗小，易于調(diào)試，方便集成化封裝。可以直接用于激光非線性變換和精密加工等應(yīng)用。權(quán)利要求
1.摻鐿光子晶體光纖非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，其利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光器鎖模的設(shè)計(jì)目的，其特征在于包括有抽運(yùn)泵浦和主要由增益介質(zhì)、鎖模器件構(gòu)成的激光器環(huán)形諧振腔；976nm半導(dǎo)體激光器LD (I)為抽運(yùn)泵浦，光子晶體光纖(5)為增益介質(zhì)，鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器(10)、半波片(11)和四分之一波片(12)共同組成鎖模器件，依次由器件二色鏡I (3-四分之一波片II (12)-半波片(11)-鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器(10)-窄帶濾波片(9)-四分之一波片I (8)-二色鏡II (7)-非球面鏡(6)-光子晶體光纖(5)-非球面聚焦鏡(4) - 二色鏡I (3)構(gòu)成環(huán)形諧振腔；激光器(I)出射976nm半導(dǎo)體激光從激光器(I)入射到非球面準(zhǔn)直鏡I (2)，經(jīng)過二色鏡I (3);二色鏡I (3)的透射光通過非球面聚焦鏡(4)入射進(jìn)光子晶體光纖(5)中，再由非球面鏡(6)準(zhǔn)直入射到二色鏡II(7)上，二色鏡II (7)的反射光入到四分之一波片I (8)上再經(jīng)過窄帶濾波片(9)、鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器(10)，依次通過半波片(11)和四分之一波片II (12)，最后再次經(jīng)過二色鏡I (3)，非球面聚焦鏡(4)打入光子晶體光纖(5)中，構(gòu)成激光器環(huán)形諧振腔；鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器(10)起到保證激光在諧振腔單向傳輸?shù)淖饔?，易于激光器的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作；最后鎖模脈沖激光光學(xué)隔離器(10)的逃逸窗口出射激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻鐿光子晶體光纖非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，其特征在于所述的光子晶體光纖(5)米用摻鐿光纖,其使用的長(zhǎng)度為1.8m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻鐿光子晶體光纖非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，其特征在于所述的二色鏡I (3)和二色鏡II (7)均對(duì)于1040nm激光高反和976nm激光高透光率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻鐿光子晶體光纖非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，其特征在于所述的窄帶濾波片(9)中心波長(zhǎng)在1047. lnm，半寬4nm峰值透過率為90%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻鐿光子晶體光纖非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，其特征在于所述的偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，其等效諧振腔長(zhǎng)度為3. 3m，相應(yīng)重復(fù)頻率為90. 7MHz，在30瓦的泵浦功率下獲得11. 7W的鎖模激光輸出。
全文摘要
摻鐿光子晶體光纖非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模激光器，屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域，其能夠從激光震蕩器直接提供高平均功率、高脈沖能量激光輸出。激光器是基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)原理是實(shí)現(xiàn)鎖模的，結(jié)構(gòu)包括首先976nm半導(dǎo)體激光從激光器入射到非球面準(zhǔn)直鏡，經(jīng)過二色鏡，在通過非球面聚焦鏡入射進(jìn)光子晶體光纖中，再由非球面鏡準(zhǔn)時(shí)入射到二色鏡上，反射入到四分之一波片上再經(jīng)過窄帶濾波片，再通過光學(xué)隔離器，依次通過半波片和四分之一波片，最后再次經(jīng)過二色鏡，非球面聚焦鏡打入光子晶體光纖，構(gòu)成激光器諧振腔，該腔型激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試，而且能夠直接產(chǎn)生高平均功率，大脈沖能量激光，可以用于激光加工和非線性變換等應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01S3/098GK102751650SQ20121023740
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者劉志, 李平雪, 楊春, 池俊杰, 趙自強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)