帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器的製作方法

2023-05-14 05:54:01 1

專利名稱：帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器的製作方法
技術領域：
本發明具體涉及一種帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器，屬於雷射技術領域。
背景技術：
目前，超短雷射脈衝已經成為前沿科學研究的最活躍、最具有創造性的工具和手段，尤其是在探索微觀層次上的超快過程中，例如原子內電子的運動過程、不同能級之間的電子躍遷等，提供更高時間分辨的研究；在熱核反應快速點火機制、雷射與等離子體相互作用及強場物理等，需要脈寬極窄且峰值功率極高的超短雷射脈衝；在生物化學領域，需要時間解析度極高的探測光源，研究極快的化學反應過程，例如分子鍵的斷裂與重組，分子與原子的振動過程和基於飛秒光纖雷射器泵浦產生太赫茲波等，超短雷射脈衝正在發揮越來越重要的作用。獲得飛秒甚至亞飛秒脈衝主要集中在固態飛秒雷射器系統中，然而固態雷射器的結構非常複雜，使得系統的成本和維護難度大大提高。超短脈衝光纖雷射器由於結構緊湊、 高可靠性、高光轉換效率，越來越受到人們的關注。尤其是摻鐿鎖模光纖雷射器，具有增益帶寬大、摻雜粒子數密度高、吸收截面積大、雷射二極體泵浦效率高等特點，成為大功率超短脈衝雷射的主要實現技術之一。大功率摻鐿鎖模光纖雷射器已經從孤子脈衝鎖模、展寬脈衝鎖模、自相似脈衝鎖模發展到全正色散脈衝鎖模，可獲得的飛秒脈衝，據報導已經可以產生脈寬小於200fs、單脈衝能量大於20nJ的脈衝輸出。隨著進一步腔內色散管理機制的改進和光子晶體光纖雷射器的發展，輸出脈衝能量會進一步提高。然而，超短脈衝在光纖中的高階非線性效應會引起光脈衝分裂，極大地限制了輸出脈衝寬度。為了避免過多的非線性相移對脈衝的影響，目前大多採用色散管理機制來生成展寬脈衝，以降低峰值功率，然後通過色散補償實現飛秒脈衝輸出。

發明內容
針對以上獲取短脈衝方法中存在的不足，本發明的目的在於提供一種帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器，能減小脈衝寬度，顯著提高脈衝峰值功率，可用於軍事、醫療等領域。為達到上述目的，本發明採用如下技術方案
一種帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器，包括980nm泵浦光源、波分復用器、摻鐿光纖、第一光纖準直器、第一 1/4波片、半波片、偏振分束器、第一衍射光柵、第二衍射光柵、 第三衍射光柵、第四衍射光柵、光隔離器、第二 1/4波片、第二光纖準直器、單模光纖、第三光纖準直器、準相位匹配晶體和第四光纖準直器。其特徵在於所述偏振分束器有一個輸入埠 a，兩個輸出埠 b、c ；所述980nm泵浦光源與所述波分復用器的一個輸入端相連接， 為雷射器持續提供泵浦能量；所述波分復用器的輸出端通過所述摻鐿光纖與第一光纖準直器的輸入端連接，所述第一光纖準直器的輸出光束依次經第一 1/4波片、半波片、偏振分束器、第一衍射光柵、第二衍射光柵、第三衍射光柵、第四衍射光柵、光隔離器和第二 1/4波片，輸入到第二光纖準直器，所述第二光纖準直器的輸出埠通過單模光纖連接第三光纖準直器的輸入埠，所述第三光纖準直器的輸出光束經準相位匹配晶體輸入到第四光纖準直器，所述第四光纖準直器的輸出埠通過光纖連接所述波分復用器的另一個輸入端，從而首尾連接構成一個光環路。上述偏振分束器的輸出埠 c為雷射器輸出端
上述準相位匹配晶體通過改變其溫度來實現腔內非線性管理。本發明的工作原理
在超短脈衝光纖雷射器中，利用準相位匹配晶體的級聯二階非線性產生自散焦來補償三階克爾效應引起的非線性，實現大能量的超短脈衝輸出。雷射器採用環形腔結構，包括一段較長的正色散單模光纖，一段儘可能短但同時又能提供足夠增益的摻鐿光纖。波分復用器將泵浦光耦合進入摻鐿光纖；光脈衝在單模光纖中進行自相似演化；在摻鐿增益光纖中被放大，由於增益光纖足夠短，所以脈衝在放大期間可以忽略色散和非線性效應；兩個1/4 波片，一個半波片以及偏振分束器構成了一個飽和吸收體，它是完成被動鎖模的重要部件， 起到穩定脈衝的作用；在偏振分束器處，一部分能量進入衍射光柵對，與其正交偏振的光脈衝能量不允許在雷射腔內運行而輸出腔外，作為雷射器的輸出雷射；衍射光柵作為色散延遲線用來壓縮腔內脈衝同時引入了大部分的損耗；準相位匹配晶體為雷射腔內加入了額外的自散焦非線性，通過控制晶體溫度可以改變腔內的非線性強度，實現了可控的非線性補償。最後光脈衝通過波分復用器耦合到摻鐿光纖，開始下一圈的運行。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點
(1)在傳統的自相似鎖模摻鐿脈衝光纖雷射器中加入準相位匹配晶體，可在大的相位失配條件下引入非線性控制，實現了更短的脈衝寬度以及更高的峰值功率；
(2)通過改變準相位匹配晶體溫度即可實現腔內非線性管理，調諧手段簡單、結構緊湊、可靠性高。


圖1是本發明一個實施例的結構框圖。圖2是圖1示例一定溫度的輸出光脈衝與未經非線性補償的雷射器輸出光脈衝對比。圖3是圖1示例一定溫度的輸出光脈衝在腔內演化過程。圖4是未經非線性補償的雷射器輸出光脈衝在腔內演化過程。圖5是圖1示例一定溫度下輸出光脈衝的頻譜與未經非線性補償的雷射器輸出光脈衝頻譜的對比。
具體實施例方式本發明的優選實施例結合

如下 實施例一
參見圖1，本帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器，包括980nm泵浦光源(1)、波分復用器(2)、摻鐿光纖(3)、第一光纖準直器(4)、第一 1/4波片(5)、半波片(6)、偏振分束器(7)、第一衍射光柵(8)、第二衍射光柵(9)、第三衍射光柵(10)、第四衍射光柵(11)、光隔離器(12)、第二 1/4波片(13)、第二光纖準直器(14)、單模光纖(15)、第三光纖準直器(16)、 準相位匹配晶體(17)和第四光纖準直器(18)。所述偏振分束器(7)有一個輸入埠 a，兩個輸出埠 b、c ；所述980nm泵浦光源(1)與所述波分復用器(2)的一個輸入端相連接，為雷射器持續提供泵浦能量；所述波分復用器(2)的輸出端通過所述摻鐿光纖(3)與第一光纖準直器(4)的輸入埠連接，所述第一光纖準直器(4)的輸出光束依次經第一 1/4波片(5)、 半波片(6)、偏振分束器(7)、第一衍射光柵(8)、第二衍射光柵(9)、第三衍射光柵(10)、第四衍射光柵(11)、光隔離器(12)和第二 1/4波片(13)輸入到第二光纖準直器(14)，所述第二光纖準直器(14)的輸出埠通過單模光纖(15)連接第三光纖準直器(16)的輸入埠，所述第三光纖準直器(16)的輸出光束經準相位匹配晶體(17)輸入到第四光纖準直器 (18)，所述第四光纖準直器(18)的輸出埠通過光纖連接所述波分復用器(2)的另一個輸入端，從而首尾連接構成一個光環路。所述偏振分束器(7)的埠 c為雷射器輸出端。所述準相位匹配晶體(17)通過改變其溫度來實現腔內非線性管理。實施例二
本實施例結合附圖並以未經非線性補償的雷射器脈衝輸出作為對比，通過模擬計算進一步來描述本發明。參見圖2，將晶體溫度設定為36°C，曲線(19)為本發明的雷射脈衝輸出，曲線(20) 為相同條件下未經非線性補償的雷射器輸出脈衝。通過對比可知，本實施例由於引入了非線性補償，腔內具有較小的非線性積累，產生較小的瞬時頻移量和脈衝展寬，實現了更窄的脈衝輸出以及更高的脈衝峰值功率。參見圖3，圖3為本實施例穩定狀態的脈衝在腔內運行一周的演化過程，圖4為相同條件下未經非線性補償的雷射器輸出脈衝在腔內運行一周的演化過程。通過對比可知， 本實施例的輸出脈衝在腔內脈寬幅度變化相對較小，同時具有較大的峰值功率和單脈衝能量。參見圖5，曲線(21)本實施例穩定狀態下輸出脈衝的頻譜，曲線(22)為相同條件下未經非線性補償的雷射器輸出脈衝的頻譜。通過對比可知，本實施例和未經非線性補償的雷射器輸出同樣具有自相似脈衝的特性，具有抵禦光波分裂的能力。
權利要求
1.一種帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器，包括980nm泵浦光源(1)、波分復用器(2)、摻鐿光纖(3)、第一光纖準直器(4)、第一 1/4波片(5)、半波片(6)、偏振分束器(7)、 第一衍射光柵(8)、第二衍射光柵(9)、第三衍射光柵(10)、第四衍射光柵(11)、光隔離器 (12)、第二 1/4波片(13)、第二光纖準直器(14)、單模光纖(15)、第三光纖準直器(16)、準相位匹配晶體(17)和第四光纖準直器(18)；其特徵在於所述偏振分束器(7)有一個輸入埠 a，兩個輸出埠 b、c ；所述980nm泵浦光源(1)與所述波分復用器(2)的一個輸入端相連接，為雷射器持續提供泵浦能量；所述波分復用器(2)輸出埠通過所述摻鐿光纖(3) 與第一光纖準直器(4)的輸入埠相連接，所述第一光纖準直器(4)的輸出光束依次經第一 1/4波片(5)、半波片(6)、偏振分束器(7)、第一衍射光柵(8)、第二衍射光柵(9)、第三衍射光柵(10)、第四衍射光柵(11)、光隔離器(12)和第二 1/4波片(13)，輸入到第二光纖準直器(14)，所述第二光纖準直器(14)的輸出埠通過單模光纖(15)連接第三光纖準直器 (16)的輸入埠，所述第三光纖準直器(16)的輸出光束經準相位匹配晶體(17)輸入到第四光纖準直器(18)，所述第四光纖準直器(18)的輸出埠通過光纖連接所述波分復用器 (2)的另一個輸入埠，從而首尾連接構成一個光環路。
2.根據權利要求1所述的一種帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器，其特徵在於所述偏振分束器(7)的輸出埠 c為雷射器輸出端。
3.根據權利要求1所述的一種帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器，其特徵在於所述準相位匹配晶體(17)通過改變其溫度來實現腔內非線性管理。
全文摘要
本發明涉及一種帶有非線性補償的超短脈衝光纖雷射器。它包括980nm泵浦光源、波分復用器、摻鐿光纖、第一光纖準直器、第一1/4波片、半波片、偏振分束器、第一衍射光柵、第二衍射光柵、第三衍射光柵、第四衍射光柵、光隔離器、第二1/4波片、第二光纖準直器、單模光纖、第三光纖準直器、準相位匹配晶體和第四光纖準直器，偏振分束器有一個輸入埠a，兩個輸出埠b、c；980nm泵浦光源與波分復用器的一個輸入端相連接，為雷射器持續提供泵浦能量。本發明結構簡單，實現了雷射器腔內非線性管理，可以減小脈衝寬度，顯著提高脈衝峰值功率。可用於軍事、醫療等領域。
文檔編號H01S3/067GK102570254SQ20111041513
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者張倩武, 曾祥龍, 胡俊高, 詹祥 申請人:上海大學