非線性相位偏置環路鎖模器件及其雷射器的製作方法

2023-06-08 15:31:41

本發明涉及光纖雷射器技術領域，尤其涉及一種非線性相位偏置環路鎖模器件及其雷射器。

背景技術：

光纖飛秒雷射器是飛秒雷射技術的典型之一。飛秒雷射技術是近些年來在量子光學及非線性光學的基礎上迅速發展起來的應用技術，其定義為脈寬從幾個飛秒到幾百飛秒之間的超快雷射脈衝，其中1fs＝10～15s。新型的雙光子顯微鏡需要使用飛秒雷射作為激發光源，才能夠利用雙光子效應激發生物螢光蛋白進而成像。在這一分支領域，傳統的方法是使用鈦寶石雷射器作為光源，其優勢在於可靠的穩定性和寬帶可調諧性。然而，鈦寶石雷射器成本較高，系統龐大，便攜性較差；最近使用藍光泵浦的鈦寶石雷射器成本有較大幅度的降低，但其輸出功率偏低這一劣勢並未得到改善。這無疑限制了雙光子顯微鏡的研究發展。光纖飛秒雷射器的使用對雙光子顯微鏡的微型化也是十分必要的，由於雷射可以在光纖形成的腔內振蕩，不比像空間光路那樣考慮很多準直、聚焦、耦合以及晶體相位匹配等問題，這樣可以節省很多空間，便於集成。

鎖模技術是光纖飛秒雷射器的核心技術，其要點在於頻域內實現增益帶寬內的多個模式相位鎖定，使得時域內產生超短脈衝。當前較為流行的光纖飛秒雷射器的鎖模技術分為兩類，一類為主動鎖模，但需要額外添加主動鎖模元件，腔型結構複雜；另一類為被動鎖模，腔型結構簡單，可以充分利用增益介質的增益帶寬。

目前鎖模中心波長在900–950nm之間的光纖飛秒雷射器，其製作方法主要有兩大類，第一類線性腔輸出900–950nm的超短脈衝，從當前國際上發表的論文來看，腔內必須增加色散元件來平衡色散，這樣對單脈衝能量有一定的限制，難以超過0.5nJ；第二類是最新的研究採用W型雙包層摻釹光纖作為環形腔內的增益光纖，其橫截面折射率分布為W型，即纖芯>外包層>內包層，儘管這種結構的摻釹光纖在室溫下即可有效抑制1064nm處的四能級輻射，從而提高900–950nm之間的三能級輻射，然而其與普通單模光纖或者其他雙包層光纖的熔接損耗較大，導致光-光轉換效率較低，不到1％。

總之，現有的900-950nm波段的光纖飛秒雷射器存在成本高，結構複雜、難以集成，受環境及偏振狀態影響，難於鎖模、自啟動重複性差等缺陷。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是如何提供一種集成化的相位偏置環路鎖模器件。

為此目的，本發明提出了一種非線性相位偏置環路鎖模器件，包括：

封裝殼體，分別固定在所述封裝殼體的兩端的第一準直器和第二準直器，位於所述封裝殼體內部的第一反射角鏡和第二反射角鏡，

位於所述第一反射角鏡和第二反射角鏡之間的合束鏡；

所述合束鏡包括半透半反面；

位於所述合束鏡與所述第二準直器之間的相位偏置單元；

經過所述第一準直器的第一雷射射向所述第一反射角鏡，並經過所述第一反射角鏡反射後射向所述合束鏡的半透半反面；經過所述第二準直器的第二雷射射向所述相位偏置單元，利用所述相位偏置單元使所述第一雷射和第二雷射的相位差始終保持π/2；所述第二雷射經過所述相位偏置單元後射向所述合束鏡的半透半反面；

其中，經過所述半透半反面透射後的部分所述第一雷射和經過所述半透半反面反射後的部分所述第二雷射在所述合束鏡內發生幹涉，並經過所述第二反射角鏡反射後，從所述封裝殼體的雷射輸出口輸出。

優選的，所述合束鏡還包括反射面；所述第一雷射經過所述半透半反面的反射後射向所述反射面，經過所述反射面的反射後射向所述半透半反面，並在所述半透半反面發生透射和反射，其中，反射的部分光線再次經過所述第一反射角鏡到達所述第一準直器，透射的部分光線到達所述第二準直器。

優選的，所述相位偏置單元包括磁致旋光晶體和1/4波片，所述第二雷射從所述第二準直器出射後，在所述磁致旋光晶體內發生若干次反射和所述1/4波片的折射後射向所述合束鏡的半透半反面；

其中，所述第二雷射在所述磁致旋光晶體內發生若干次反射後，其偏振方向旋轉90度；所述1/4波片的快軸與所述第一雷射的偏振方向重合，慢軸與所述第二雷射的偏振方向重合；或者，所述1/4波片的慢軸與所述第一雷射的偏振方向重合，快軸與所述第二雷射的偏振方向重合。

優選的，所述磁致旋光晶體包括位於所述1/4波片兩側的第一磁致旋光晶體和第二磁致旋光晶體；

所述第二雷射從所述第二準直器出射後，在所述第一磁致旋光晶體內發生若干次反射，並經過所述1/4波片的折射後射向所述第二磁致旋光晶體，且在所述第二磁致旋光晶體內發生若干次反射後射向所述合束鏡的半透半反面。

優選的，所述相位偏置單元還包括：位於所述磁致旋光晶體兩側的磁體，所述磁體用於改變所述第二雷射的偏振方向。

優選的，該器件還包括：設置在所述封裝殼體的雷射輸出口的第三準直器，經過所述第二反射角鏡反射的部分第一雷射和部分第二雷射從所述第三準直器輸出。

另一方面，本發明實施例還提供了一種雷射器，包括上述任意一種所述的非線性相位偏置環路鎖模器件，還包括：第一光泵浦、第一波分復用器和增益光纖；所述第一光泵浦連接所述第一波分復用器的輸入端；所述第一波分復用器包括第一輸出端和第二輸出端；所述第一輸出端連接所述第一準直器；所述第二輸出端通過所述增益光纖連接所述第二準直器。

優選的，該雷射器還包括：第二光泵浦和第二波分復用器；所述第二泵浦連接所述第二波分復用器的輸入端；所述第二波分復用器包括第三輸出端和第四輸出端；所述第三輸出端通過所述增益光纖連接所述第一準直器；所述第四輸出端連接所述第二準直器。

優選的，該雷射器還包括：位於所述第一輸出端和所述第一準直器之間的第四準直器和第五準直器；所述第四準直器和所述第五準直器之間設有色散補償單元。

優選的，所述色散補償單元為：透射式光柵或反射式光柵。

本發明實施例提供的非線性相位偏置環路鎖模器件及其雷射器，通過相位偏置單元、包括半透半反面的合束鏡以及反射角鏡將相位偏置、非線性環路鎖模以及耦合輸出功能集成為一個三埠光纖器件，實現了相位偏置功能和鎖模功能的集成化，節省了很多空間，且結構簡單，成本低，易於集成，不受環境及偏振態影響，鎖模狀態重複性好。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特徵和優點，附圖是示意性的而不應理解為對本發明進行任何限制，在附圖中：

圖1為本發明實施例提供的非線性相位偏置環路鎖模器件的結構示意圖；

圖2為本發明另一實施例提供的非線性相位偏置環路鎖模器件的結構示意圖；

圖3為本發明又一實施例提供的非線性相位偏置環路鎖模器件的結構示意圖；

圖4為本發明再一實施例提供的非線性相位偏置環路鎖模器件的結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的雷射器的結構示意圖；

圖6為本發明另一實施例提供的雷射器的結構示意圖；

圖7為本發明又一實施例提供的雷射器的結構示意圖；

圖8為本發明再一實施例提供的雷射器的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的實施例進行詳細描述。

在被動鎖模光纖飛秒雷射器領域，基於非線性環路反射鏡鎖模原理的雷射器近些年發展較快，目前已在摻鉺及摻鐿光纖雷射器中得到應用。光纖環路反射鏡把環形光纖作為非線性反射鏡，光纖環路有一個接近50:50的分束器，把輸出分為兩個出口，由於分束器不是精確的50:50，分束器處的幹涉就不是100％。若定義輸出埠光強與輸入埠光強之比為反射率，該反射率受到正反向光的非線性折射率影響，較強的光沿一個方向迴路傳播會得到較高折射率，使兩個方向傳播的光之間產生相位差。當光脈衝強度接近透過率最大值，脈衝兩翼會更多地被反射，脈衝尖峰則更多地通過，因此出射脈衝會比入射脈衝更窄，這相當於一個可飽和吸收體，產生飛秒量級的超短光脈衝。

基於非線性環路反射鏡原理的雷射器成本低，結構簡單、易於集成，不受環境及偏振狀態影響，鎖模狀態重複性好。製作基於非線性環路反射鏡原理的雷射器的關鍵是在環路中正向、反向震蕩的偏振光產生固定的相位差，常用的方法是在腔內引入固定的相位偏置非線性器件以達到鎖模的目的。

基於此，本發明實施例提供了一種非線性相位偏置環路鎖模器件，如圖1所示，該器件包括：

封裝殼體1，分別固定在所述封裝殼體1的兩端的第一準直器2和第二準直器3，位於所述封裝殼體1內部的第一反射角鏡4和第二反射角鏡5，

位於所述第一反射角鏡4和第二反射角鏡5之間的合束鏡6；

所述合束鏡6包括半透半反面61；

位於所述合束鏡6與所述第二準直器3之間的相位偏置單元7；

其中，經過所述第一準直器2的第一雷射8射向所述第一反射角鏡4，並經過所述第一反射角鏡4反射後射向所述合束鏡6的半透半反面61；經過所述第二準直器3的第二雷射9射向所述相位偏置單元7，利用所述相位偏置單元7使所述第一雷射8和第二雷射9的相位差始終保持π/2；所述第二雷射9經過所述相位偏置單元7後射向所述合束鏡6的半透半反面61；

其中，經過所述半透半反面61透射後的部分所述第一雷射8和經過所述半透半反面61反射後的部分所述第二雷射9在所述合束鏡6內發生幹涉，並經過所述第二反射角鏡5反射後，從所述封裝殼體1的雷射輸出口10輸出。

需要說明的是，該第一準直器2和第二準直器3可以為920nm保偏光纖準直器，該合束鏡6可以為920nm合束鏡6，並且包括50％透射、50％反射的半透半反膜。該第一反射角鏡4和第二反射角鏡5可以是920nm的反射角鏡。其中，封裝殼體1可以為金屬封裝殼體1。

本發明實施例提供的非線性相位偏置環路鎖模器件，通過相位偏置單元、包括半透半反面的合束鏡以及反射角鏡將相位偏置、非線性環路鎖模以及耦合輸出功能集成為一個三埠光纖器件，實現了相位偏置功能和鎖模功能的集成化，節省了很多空間，且結構簡單，成本低，易於集成，不受環境及偏振態影響，鎖模狀態重複性好。

在上述實施例的基礎上，如圖1所示，本發明實施例提供的鎖模器件中的合束鏡6還包括反射面62；所述第一雷射8經過所述半透半反面61的反射後射向所述反射面62，經過所述反射面62的反射後射向所述半透半反面61，並在所述半透半反面61發生透射和反射，其中，反射的部分光線再次經過所述第一反射角鏡4到達所述第一準直器2，透射的部分光線到達所述第二準直器3。

其中，第二雷射9經過該半透半反面61的透射後射向該合束鏡6的反射面62，經過該反射面62的反射後再次射向該半透半反面61，並在該半透半反面61發送透射和反射，同樣的，反射的部分光線射向第一反射角鏡4後到達第一準直器2，透射的部分光線到達第二準直器3。

在上述實施例的基礎上，如圖2所示，所述相位偏置單元7包括磁致旋光晶體71和1/4波片72，所述第二雷射9從所述第二準直器3出射後，在所述磁致旋光晶體71內發生若干次反射和所述1/4波片72的折射後射向所述合束鏡6的半透半反面61；

其中，所述第二雷射9在所述磁致旋光晶體71內發生若干次反射後，其偏振方向旋轉90度；所述1/4波片72的快軸與所述第一雷射8的偏振方向重合，慢軸與所述第二雷射9的偏振方向重合；或者，所述1/4波片72的慢軸與所述第一雷射8的偏振方向重合，快軸與所述第二雷射9的偏振方向重合。

需要說明的是，根據需要，可以使第二雷射9在磁致旋光晶體71中折返多次，只需保證多種折返後，第二雷射9的偏振方向旋轉90度。舉例來說，可以折返5次，每次折返使第二雷射9的偏振方向旋轉18度。優選的，該磁致旋光晶體71入射斷面和出射斷面均貼有一塊楔角片，入射光經過楔角片後以微小角度入射至磁致旋光晶體71的端面。其中，該磁致旋光晶體71的雷射入射點和出射點鍍有920nm高透膜，增加雷射的透光率，在內部折返點鍍有920nm高反膜，從而提高雷射在磁致旋光晶體71內部發生反射時的反射率，減少能量損耗。其中，該1/4波片72可以為920nm1/4波片72，該1/4波片72的快軸、慢軸分別與正向入射、反向入射的雷射偏振方向重合，使正向、反向空間光經過器件後相位差始終保持π/2，以實現相位偏置的功能。

在上述實施例的基礎上，如圖3所示，所述磁致旋光晶體71包括位於所述1/4波片72兩側的第一磁致旋光晶體711和第二磁致旋光晶體712；

所述第二雷射9從所述第二準直器3出射後，在所述第一磁致旋光晶體711內發生若干次反射，並經過所述1/4波片72的折射後射向所述第二磁致旋光晶體712，且在所述第二磁致旋光晶體712內發生若干次反射後射向所述合束鏡6的半透半反面61。

其中，該相位偏置單元7還包括：位於所述磁致旋光晶體兩側的磁體73，所述磁體73用於改變所述第二雷射9的偏振方向。

需要說明的是，根據需要，磁致旋光晶體71可以為兩塊，即第一磁致旋光晶體711和第二磁致旋光晶體712，可以使第一雷射8和第二雷射9在每塊磁致旋光晶體內部發生兩次反射，即在每塊磁致旋光晶體內部折返3次，由於第一雷射8和第二雷射9在每塊磁致旋光晶體中受到磁體73的作用發生磁光效應，經過每次折返，偏振光的偏振方向旋轉15°，折返三次偏振光的偏振方向共計旋轉45°。與單次透射穿過磁致旋光晶體使偏振光偏振方向旋轉45°的設計相比，在磁致旋光晶體中折返三次，每次折返中偏振光的偏振方向只需旋轉15°，有效減小了單次通過磁致旋光晶體所需要的偏振方向旋轉角度，降低了對磁場強度的要求，進而可以使用較小體積的磁體73保證旋轉偏振方向的功能實現，利於集成化設計。

在上述實施例的基礎上，如圖4所示，該器件還包括：設置在所述封裝殼體1的雷射輸出口10的第三準直器11，經過所述第二反射角鏡5反射的部分第一雷射8和部分第二雷射9從所述第三準直器11輸出。

如圖5所示，本發明實施例還提供了一種雷射器，該雷射器包括上述任意一種非線性相位偏置環路鎖模器件外，還包括：第一光泵浦121、第一波分復用器131和增益光纖14；所述第一光泵浦121連接所述第一波分復用器131的輸入端；所述第一波分復用器131包括第一輸出端和第二輸出端；所述第一輸出端連接所述第一準直器2；所述第二輸出端通過所述增益光纖14連接所述第二準直器3。

其中，該雷射器為基於集成化的非線性相位偏置環路鎖模器件製成的非線性環路反射鏡鎖模原理的摻釹保偏飛秒光纖雷射器，該第一光泵浦121可以是808nm單模半導體光泵浦，該第一波分復用器131為808nm/920nm保偏波分復用器，該增益光纖14為單包層保偏摻釹增益光纖，該光泵浦與該波分復用器的輸入端焊接，該第一波分復用器131第一輸出端焊接到第一準直器2，第二輸出端焊接到該增益光纖14的一端，增益光纖14的另一端焊接到第一準直器2上，形成環形腔，第三準直器11則作為整個雷射器的雷射輸出端。

在上述實施例的基礎上，如圖6所示，該雷射器還可以包括：第二光泵浦122和第二波分復用器132；所述第二泵浦連接所述第二波分復用器132的輸入端；所述第二波分復用器132包括第三輸出端和第四輸出端；所述第三輸出端通過所述增益光纖14連接所述第一準直器2；所述第四輸出端連接所述第二準直器3。

其中，第二光泵浦122可以與第一光泵浦121相同，第二波分復用器132可以與第一波分復用131器相同，最終形成雙端泵浦。

在上述實施例的基礎上，如圖7、8所述，該雷射器還可以還包括：位於所述第一輸出端和所述第一準直器2之間的第四準直器15和第五準直器16；所述第四準直器15和所述第五準直器16之間設有色散補償單元17。

其中，該第四準直器15和第五準直器16可以是920nm保偏光纖準直器。需要解釋的是，如圖7所示，該色散補償單元17可以為：透射式光柵，如圖8所示，該色散補償單元17可以為反射式光柵，通過透射式光柵或反射式光柵可以進行腔內色散補償。

本發明實施例提供的雷射器為基於本發明實施例提供的非線性相位偏置環路鎖模器件設計的非線性環路反射鏡鎖模原理的摻釹保偏飛秒光纖雷射器。有助於解決非線性環路反射鏡鎖模原理雷射器的相位偏置功能和鎖模功能的器件集成化，實現摻釹非線性環路反射鏡鎖模原理的保偏飛秒光纖雷射器。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。術語「上」、「下」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

本發明的說明書中，說明了大量具體細節。然而能夠理解的是，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，並未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。類似地，應當理解，為了精簡本發明公開並幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在上面對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特徵有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，並不應將該公開的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特徵更多的特徵。更確切地說，如權利要求書所反映的那樣，發明方面在於少於前面公開的單個實施例的所有特徵。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地併入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。本發明並不局限於任何單一的方面，也不局限於任何單一的實施例，也不局限於這些方面和/或實施例的任意組合和/或置換。而且，可以單獨使用本發明的每個方面和/或實施例或者與一個或更多其他方面和/或其實施例結合使用。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的範圍當中。