一種隔離式的光纖偏振控制器的製作方法

2023-11-03 01:58:42

本發明涉及光纖光學頻率梳系統中的雷射偏振控制技術，尤其涉及一種帶有光束隔離功能的光纖偏振控制器。

二、

背景技術：

自從2005年的諾貝爾物理學獎頒發給光梳發明者以來，光梳技術得到了極大的發展和廣泛的應用，並已經成為很多光學前沿領域不可或缺的工具，特別是隨著光纖技術的不斷發展，新一代高精度的光學頻率梳系統大都採用先進的基於光纖的技術方案。在光纖光學頻率梳系統中，從雷射諧振腔耦合輸出的飛秒脈衝功率很小，無論是在後續的功率放大還是雷射擴譜的過程中，脈衝在光纖中的偏振狀態直接決定了倍頻和擴譜的效率，因此，系統中的偏振控制裝置對於光學頻率梳實現長期穩定輸出發揮至關重要的作用。

傳統的偏振控制器主要有以下類型：基於光纖微彎效應的光纖偏振控制器、基於光纖擠壓的偏振控制器、基于波片旋轉的偏振控制器以及基於電光調製的偏振控制器。其中，基于波片旋轉的偏振控制器，以其可以實現從任意輸入偏振態到任意的輸出偏振態的轉換，並且具有成本低廉、使用方便等優點，獲得了廣泛的應用。通過結合精密電機進行波片方位旋轉角度的控制，可以進一步提高偏振控制的精度並實現自動化控制。

然而，在現有的光纖光學頻率梳系統中，偏振控制器的後級必須附加一個自由空間隔離器，一方面防止系統中的反饋光耦合入雷射器的諧振腔造成線寬展寬、功率波動等負面影響；另一方面，光束的擴譜和倍頻都是基於偏振依賴的物理過程，不僅要求光束為線偏振態，還要求偏振態能夠與高非線性光纖及倍頻晶體所匹配。目前的偏振控制器沒有集成光隔離器的功能，在光纖光學頻 率梳的實際應用中存在以下不足：(1)光纖偏振控制器和光隔離器均工作在自由空間，光束需要多次在光纖和自由空間進行耦合，由於準直器對光束的吸收效率有限，造成了光功率的降低，不利於後續的倍頻和擴譜；(2)光束在自由空間與光纖中進行多次耦合的同時，必須要有多根導入光纖和多個光纖準直器，不僅增加了系統的成本和複雜度，而且佔用了更多的系統空間。

三、

技術實現要素：

(1)發明目的

本發明的目的是為了解決光學頻率梳系統中所急需的偏振控制器的問題，提出了一種隔離式的偏振控制器裝置。本發明所提供的光纖偏振控制器集成了偏振控制與光隔離兩種效果，有效地節省了器件的空間和成本，更利於實現光學頻率梳的一體化，為光學頻率梳的長期穩定運行提供了可靠的技術支持。

(2)技術方案：

本發明為解決其技術問題所採用的方案是：所述的隔離式光纖偏振控制器，如圖1至圖3所示，其特徵在於，包括：入射光纖(1)、入射光纖準直器(2)、入射光準直器俯仰調節臺(3)、四分之一波片(4)、二分之一波片(5)、光隔離器(6)、出射光準直器俯仰調節臺(7)、出射光纖準直器(8)及出射光纖(9)及底座支架(10)。

所述入射光纖(1)及出射光纖(9)均為單模光纖，所述入射光纖準直器(2)及出射光纖準直器(8)，其特徵在於採用梯度折射率透鏡，入射光纖準直器(2)使光束由光纖耦合入自由空間並準直輸出，出射光纖準直器(8)負責收集落在數值孔徑內的光束，並將光束耦合入光纖傳播。

所述偏振控制器的主要光學部分由四分之一波片(4)、二分之一波片(5)及 光隔離器(6)級聯而成，所有的波片均配備一個刻度指示盤，所述刻度指示盤為環狀結構，刻度單位為角度單位，能夠提供當前波片或隔離器的旋轉角度信息。通過調節兩種波片的旋轉角度，可以實現任意輸出偏振態的精確控制，迅速地獲得實驗所需的偏振光，具有很好的重複性。光隔離器(6)是一種只允許單向光通過的無源光器件，能夠避免後向反饋光對輸入光源的影響，其特徵在於光隔離器與兩個波片同軸放置於自由空間中，通過旋轉調節隔離器的方向角度，可以使所需的線偏振方向獲得最大光功率輸出，並使得光強的損耗降至最低。波片及隔離器的旋轉角度調整好之後可以通過螺絲進行鎖定，有效地降低了機械振動對光學系統的影響。

所述底座支架(10)可以提供對整個系統裝置的支撐，保證光束通過各波片及隔離器的光心，並固定各部件的位置關係，此外，該底座可以通過螺絲固定在標準的光學平臺上。

(3)技術效果

本發明的優點在於，將光隔離器與波片組進行了有效的結合，使一個光學器件同時具有偏振控制與光隔離的功能，特別適合於光學頻率梳系統中使用偏振控制器的場合，節省了系統空間的同時，具有控制精度高、插入損耗低、性能穩定、使用方便等優點。該器件預留了導入光纖和出射光纖，通過光纖焊接技術可以適用於不同的光纖類型。

四、附圖說明

圖1是本發明隔離式偏振控制器的整體結構圖；

圖2是本發明隔離式偏振控制器的爆炸圖；

圖3是本發明隔離式偏振控制器的剖視圖。

五、具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例對本發明作詳細說明。

本發明提出的隔離式偏振控制器的局部結構圖如圖1所示，包括順序連接的入射光纖(1)、入射光纖準直器(2)、入射光準直器俯仰調節臺(3)、四分之一波片(4)、二分之一波片(5)、光隔離器(6)、出射光準直器俯仰調節臺(7)、出射光纖準直器(8)、出射光纖(9)及底座(10)。

該器件在製作時，首先，將入射光纖1連接至入射光準直器2，接著將準直器固定於入射光準直器俯仰調節臺3上。同理，可將出射光纖9、出射光準直器8及出射光準直器俯仰調節臺7相連。為了保證入射光準直器的輸出能夠高效地耦合入出射光準直器，此時，可引入一束光纖雷射，並將其耦合進入射光纖，通過改變俯仰調節臺上螺釘的鬆緊進而調節準直器輸出光束的方向角，使兩個準直器同軸放置。將四分之一波片4、二分之一波片5及光隔離器6分別固定於各自支架上，依次在導軌上同心放置。考慮到環境變化對光路系統的影響，所有的光學元器件均固定在由銦鋼材料製成的底座上，至此，該發明專利實施完成。

本發明專利的工作原理是這樣的：一束任意偏振態成分的光信號進入射光纖中傳播，通過入射光準直器使光束由光纖耦合至自由空間並準直輸出，當光束正入射到波片時，將按照馬呂斯定律沿著波片的兩個主軸方向分解為正交偏振光：o光和e光，o光和e光的光強依賴於光束的偏振方向與波片主軸的夾角，當o光和e光經波片輸出時，將會產生附件的相位差，使入射光束的偏振態發生變化。例如：二分之一波片將引起o光和e光產生π的相位差；四分之一波片能夠產生π/2的相位差。值得說明的一點是，當波片的旋轉角度發生變化時，波片的主軸也將隨之變化，由于波片的邊緣標記有標準的刻度，通過連續地改變兩個波片的旋轉角度，可以使得出射光遍歷所有的偏振態。一旦光束的偏振態滿足所需要求，可以通過側向的螺釘對波片的旋轉角度進行鎖死，防止機械振動對光路的影響。

為了保證光束的單向通過特性，在波片組的透射光路上放置有光隔離器， 其利用磁光效應，可以有效地阻隔反向光束的傳輸，經隔離後的光束通過出射光準直器耦合入出射光纖，並實現偏振態可控的光束的輸出。

本發明相對目前市場上的光纖偏振控制器有如下優勢：

1)保持了光纖偏振控制器結構簡單的特點，新增加了光隔離的功能，有效地防止後向傳輸的反饋光引起光源性能的降低；

2)二分之一波片及四分之一波片的組和，可以實現輸出光束偏振態的連續可調，具有很高的靈活性，結合波片旋轉角鎖死裝置，可以大幅度提高系統的可靠性及重複性；

3)系統尺寸的大幅度縮小：傳統的光纖隔離器的長度已經有6cm，偏振控制器尺寸在9cm，本發明研製的集成化的器件整體尺寸僅長7.5cm，同時器件的成本也相應降低。

本發明製作的隔離式光纖偏振控制器，具有製作簡單、安裝方便、機械穩定性高、對生成工藝要求低等優點，可以廣泛地應用於光束偏振態調節同時需要隔離反饋光的場合，特別適用於光學頻率梳系統的使用，具有良好的發展前景。