阅读说明：本技术 一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器 (8-shaped main and auxiliary cavity structure laser capable of improving femtosecond pulse repetition rate ) 是由 杨中民 乔田 韦小明 林巍 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器。所述激光器包括了波分复用器、1×2耦合器、2×2耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、隔离器和增益光纤。本发明与普通的线性腔锁模激光器不同,使用了镀弱反射二色膜的高掺杂特殊增益光纤,构成了弱调制F-P腔,具有独特的输出特性。本发明使用被动锁模,与现有的主动锁模激光器相比,激光器结构简单,短小精悍,容易实现重复频率高于100 MHz的脉冲输出,在高重复率领域有着广泛的应用。(The invention discloses an 8-shaped main cavity structure laser and an 8-shaped auxiliary cavity structure laser capable of improving the repetition rate of femtosecond pulses. The laser comprises a wavelength division multiplexer, a 1 x 2 coupler, a 2 x 2 coupler, a first polarization controller, a second polarization controller, an isolator and a gain fiber. Different from a common linear cavity mode-locked laser, the invention uses the high-doped special gain optical fiber plated with the weak reflection bicolor film to form a weak modulation F-P cavity, and has unique output characteristic. Compared with the existing active mode-locked laser, the passive mode-locked laser has the advantages of simple structure, short and exquisite structure, easy realization of pulse output with the repetition frequency higher than 100 MHz, and wide application in the field of high repetition rate.)

一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器

技术领域

本发明涉及超快激光领域，具体涉及一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器。

背景技术

锁模激光器因为其输出脉冲各纵模间具有锁定的相位关系，在光频标定、超快测量等方向有先天优势，一直是研究的热点之一。以掺铥锁模光纤激光器为例，由于铥离子在1.8-2.1 µm的宽带增益覆盖了大量大气分子的“指纹区”，掺铥锁模光纤激光器被应用于高敏感度气体检测。此外，高基频重复率的锁模光纤激光器产生的飞秒超短脉冲，在光纤通讯、材料加工、医学治疗等方面，也有着广泛的应用。

根据锁模的方式不同，锁模激光器可粗略分为主动锁模激光器和被动锁模激光器。主动锁模激光器是通过外加主动调制的设备（如声光调制器）保持相位关系的锁定；被动锁模激光器则是利用了可饱和吸收效应，通过在激光腔内加入可饱和吸收体或等效可饱和吸收体，让光在激光腔内振荡的过程中自发地形成相位锁定。与成本高、激光器结构复杂的主动锁模激光器不同，被动锁模激光器不需要外加调制，可以实现简单紧凑的结构，更容易实现高重复率的脉冲输出。

本发明在原有的被动8字腔锁模激光器的基础上，基于高浓度掺杂发光离子光纤，提出了一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器。该副腔由一个弱调制的F-P腔构成。在弱调制的作用下，锁模脉冲受到控制，在时域上呈现出独特的梳状。梳齿间的间隔恒定，适当减小F-P腔的长度，可以让重复频率轻松达到GHz量级，在高重复率领域及脉冲理论研究方面，有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的之一在于提出了一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器。该副腔由一个弱调制的F-P腔构成。在弱调制F-P腔的作用下，锁模脉冲受到控制，呈现出独特的使其输出脉冲在时域上呈现出独特的梳状。

本发明的目的之二在于提出了一种构建能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器的设计思路和设计方案。

本发明的目的之三在于提供上述含有弱调制副腔的线性腔锁模光纤激光器的应用。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器，包括波分复用器（WDM）、1×2耦合器、2×2耦合器、第一偏振控制器（PC）、第二偏振控制器（PC）、隔离器和增益光纤；

波分复用器（WDM）两端分别连接2×2耦合器一端的两个接口；隔离器和1×2耦合器顺次连接在2×2耦合器的另一端；增益光纤接入波分复用器（WDM）2×2耦合器之间或隔离器和2×2耦合器之间；增益光纤接入光路中时构成弱调制F-P腔；第一偏振控制器（PC）和第二偏振控制器（PC）分别夹持在2×2耦合器两端的任意位置；增益光纤接入光路中时构成弱调制F-P腔，弱调制F-P腔的调制效应让锁模脉冲在时域上呈现出独特的梳状，达到了输出脉冲重复频率加倍的效果，脉冲泵浦光从波分复用器（WDM）的泵浦端输入，脉冲信号光从1×2耦合器的输出端输出，实现能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器。

进一步地，当增益光纤接入波分复用器（WDM）和2×2耦合器之间时，波分复用器（WDM）、增益光纤和2×2耦合器的一端形成非线性放大环形镜，而隔离器、1×2耦合器和2×2耦合器另一端形成非线性环镜。

进一步地，当增益光纤接入隔离器和2×2耦合器之间时，波分复用器（WDM）和2×2耦合器的一端形成非线性环形镜，而增益光纤、隔离器、1×2耦合器和2×2耦合器的另一端形成反射镜。

进一步地，所述增益光纤两端进行镜面抛光处理后，镀上对信号光有弱反射的二色膜，采用胶水粘接或套管连接的方式接入光路中，由于二色膜对信号光有弱反射，增益光纤在腔内构成了一个F-P副腔，F-P副腔为弱调制F-P腔；弱调制F-P腔两端对信号光的反射率小于30%；所述锁模脉冲的基频重复率大于50 MHz，经弱调制F-P腔加倍后输出端梳状脉冲梳齿的重复频率大于500 MHz。

进一步地，连接好所有部件之后，需要调节增益光纤的位置直到锁模谐振腔内损耗最小；增益光纤放置在玻璃管或陶瓷管中；在确定增益光纤的位置后，使用胶水粘接或套管连接的方式，将玻璃管或陶瓷管的连接处固定。

进一步地，所述增益光纤为高浓度掺杂发光离子光纤，其发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体，增益光纤的单位长度增益大于0.5 dB/cm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提出了一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器。与普通的线性腔锁模激光器不同，本发明使用了镀弱反射二色膜的高掺杂特殊增益光纤，构成了弱调制F-P腔，具有独特的输出特性。

本发明使用被动锁模，与现有的主动锁模激光器相比，激光器结构简单，短小精悍，容易实现重复频率高于100 MHz的脉冲输出，在高重复率领域有着广泛的应用。

本发明可采用等离子溅射镀膜等形式，将二色镜镀膜在光纤端面，结合套管粘接等技术，可实现激光器的全光纤化，具有较高的环境稳定性，受外界干扰较小。

本发明整体结构小巧轻便，封装后方便携带，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器结构图；

图2为本发明实施例2的8字腔主副腔结构锁模激光器结构图；

图3为本发明测试例1的输出脉冲序列模拟结果图；

图4为本发明测试例1的单个脉冲模拟结果图；

图5为本发明测试例1的射频谱模拟结果图；

图6为本发明测试例1的光谱模拟结果图；

图7为本发明测试例2的输出脉冲序列模拟结果图；

图8为本发明测试例2的单个脉冲模拟结果图；

图9为本发明测试例2的射频谱模拟结果图；

图10为本发明测试例2的光谱模拟结果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明的具体实施做进一步的详细说明。但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例中，一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器，如图1所示，包括波分复用器（WDM）1、1×2耦合器5、2×2耦合器4、第一偏振控制器（PC）2-1、第二偏振控制器（PC）2-2、隔离器6、增益光纤7、第一玻璃管3-1、第二玻璃管3-2、第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4；

将波分复用器（WDM）1和增益光纤7顺次连接在2×2耦合器4的一端，形成非线性放大环形镜；将隔离器6和1×2耦合器5顺次连接在2×2耦合器4的另一端，形成非线性环镜。第一偏振控制器（PC）2-1、第二偏振控制器（PC）2-2分别夹持如图1所示的WDM1和隔离器6的尾纤上。

本实施例中，所有器件的尾纤均为普通单模光纤，增益光纤长度为6 cm。2×2耦合器4的耦合比为50:50，1×2耦合器5的耦合比为10:90。

第一玻璃管3-1、第二玻璃管3-2、第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4的内径与增益光纤7的外径相同，增益光纤7两端分别穿于第二玻璃管3-2和第三玻璃管3-3内，波分复用器（WDM）1的尾纤穿于第一玻璃管3-1内， 2×2耦合器4与增益光纤7相连接的尾纤穿于第四玻璃管3-4内；第一玻璃管3-1和第二玻璃管3-2以及第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4相互接触的那一面做镜面抛光处理。增益光纤7两端的玻璃管3-2和第三玻璃管3-3上镀上二色膜。二色膜对1550 nm的信号光反射率为5%。增益光纤7采用对接的方式接入腔内，调节增益光纤7的位置直到对接损耗最小，将第一玻璃管3-1和第二玻璃管3-2以及第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4分别使用紫外固化胶粘接起来。

实施例2：

本实施例中，一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器，如图2所示，包括波分复用器（WDM）1、1×2耦合器5、2×2耦合器4、第一偏振控制器（PC）2-1、第二偏振控制器（PC）2-2、隔离器6、增益光纤7、第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3、第四陶瓷管8-4、第一陶瓷套管9-1、第二陶瓷套管9-2；

将波分复用器（WDM）1如图2所示连接在2×2耦合器4的一端，形成非线性环形镜；将增益光纤7、隔离器6、1×2耦合器5如图2所示连接在2×2耦合器4的另一端，形成反射镜。第一偏振控制器（PC）2-1、第二偏振控制器（PC）2-2分别夹持如图1所示的波分复用器（WDM）1和耦合器5的尾纤上。

本实施例中，所有器件的尾纤均为普通单模光纤，增益光纤长度为5 cm。2×2耦合器4的耦合比为40:60，1×2耦合器5的耦合比为10:90。

第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的内径与增益光纤7的外径相同，增益光纤7两端分别穿于第二陶瓷管8-2和第三陶瓷管8-3内，隔离器6与增益光纤7连接的一端的尾纤穿于第四陶瓷管8-4内， 2×2耦合器4与增益光纤7相连接的尾纤穿于第一陶瓷管8-1内；第一陶瓷管8-1和第二陶瓷管8-2以及第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4相互接触的那一面做镜面抛光处理。增益光纤7两端的第二陶瓷管8-2和第三陶瓷管8-3上镀上二色膜；二色膜对1550 nm的信号光反射率为3%。使用第一陶瓷套管9-1以及第二陶瓷套管9-2分别将第一陶瓷管8-1和第二陶瓷管8-2以及第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4连接起来。第一陶瓷套管9-1和第二陶瓷套管9-2的内径与第一陶瓷管8-1、第二陶瓷管8-2、第三陶瓷管8-3和第四陶瓷管8-4的外径相同。

测试例1：

本测试例中，一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器，如图1所示，包括波分复用器（WDM）1、1×2耦合器5、2×2耦合器4、第一偏振控制器（PC）2-1、第二偏振控制器（PC）2-2、隔离器6、增益光纤7、第一玻璃管3-1、第二玻璃管3-2、第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4；

将波分复用器（WDM）1、增益光纤7如图1所示连接在2×2耦合器4的一端，形成非线性环形镜；将隔离器6、1×2耦合器5如图1所示连接在2×2耦合器4的另一端，形成单向反射镜。第一偏振控制器（PC）2-1、第二偏振控制器（PC）2-2分别夹持如图1所示的波分复用器（WDM）1和耦合器5的尾纤上。

本测试例中，所有器件的尾纤均为普通单模光纤，腔长总长度为2 m，增益光纤长度为5 cm。2×2耦合器4的耦合比为50:50，1×2耦合器5的耦合比为10:90。

第一玻璃管3-1、第二玻璃管3-2、第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4的内径与增益光纤7的外径相同，增益光纤7两端分别穿于第二玻璃管3-2和第三玻璃管3-3内，波分复用器（WDM）1的尾纤穿于第一玻璃管3-1内， 2×2耦合器4与增益光纤7相连接的尾纤穿于第四玻璃管3-4内；第一玻璃管3-1和第二玻璃管3-2以及第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4相互接触的那一面做镜面抛光处理。增益光纤7两端的玻璃管3-2和第三玻璃管3-3上镀上二色膜。二色膜对1550 nm的信号光反射率为4%。增益光纤7采用对接的方式接入腔内，调节增益光纤7的位置直到对接损耗最小，将第一玻璃管3-1和第二玻璃管3-2以及第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4分别使用紫外固化胶粘接起来。

测试结果如图3～图6所示。

图3、图4、图5、图6分别为输出脉冲序列、单个脉冲、射频谱和光谱的模拟结果图。从图中可以看出，脉冲中心波长在1560 nm附近，脉冲周期约为20 ns，计算出的等效腔长约为2 m，与激光器的实际腔长吻合。在F-P腔弱调制的作用下，单个脉冲被等间距地分成了多份（图4），形成了非常有规则的梳状。每个小脉冲的脉冲间隔只与F-P腔有关，从频谱图中可以看出，重复频率为1.95 GHz,，对应于F-P腔的腔长5 cm。

测试例2：

本测试例中，一种能提高飞秒脉冲重复率的8字型主副腔结构激光器，如图1所示，包括波分复用器（WDM）1、1×2耦合器5、2×2耦合器4、第一偏振控制器（PC）2-1、第二偏振控制器（PC）2-2、隔离器6、增益光纤7、第一玻璃管3-1、第二玻璃管3-2、第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4；

将波分复用器（WDM）1、增益光纤7如图1所示连接在2×2耦合器4的一端，形成非线性环形镜；将隔离器6、1×2耦合器5如图1所示连接在2×2耦合器4的另一端，形成单向反射镜。第一偏振控制器（PC）2-1、第二偏振控制器（PC）2-2分别夹持如图1所示的WDM1和耦合器5的尾纤上。

本测试例中，所有器件的尾纤均为普通单模光纤，腔长总长度为2 m，增益光纤长度为5 cm。2×2耦合器4的耦合比为50:50，1×2耦合器5的耦合比为10:90。

第一玻璃管3-1、第二玻璃管3-2、第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4的内径与增益光纤7的外径相同，增益光纤7两端分别穿于第二玻璃管3-2和第三玻璃管3-3内，波分复用器（WDM）1的尾纤穿于第一玻璃管3-1内， 2×2耦合器4与增益光纤7相连接的尾纤穿于第四玻璃管3-4内；第一玻璃管3-1和第二玻璃管3-2以及第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4相互接触的那一面做镜面抛光处理。增益光纤7两端的玻璃管3-2和第三玻璃管3-3上镀上二色膜。二色膜对1550 nm的信号光反射率为20%。增益光纤7采用对接的方式接入腔内，调节增益光纤7的位置直到对接损耗最小，将第一玻璃管3-1和第二玻璃管3-2以及第三玻璃管3-3和第四玻璃管3-4分别使用紫外固化胶粘接起来。

测试结果如图7～图10所示。

图7、图8、图9、图10分别为输出脉冲序列、单个脉冲、射频谱和光谱的模拟结果图。从图中可以看出，脉冲中心波长在1560 nm附近，脉冲周期约为20 ns，计算出的等效腔长约为2 m，与激光器的实际腔长吻合。在F-P腔弱调制的作用下，单个脉冲被等间距地分成了多份（图8），形成了非常有规则的梳状。每个小脉冲的脉冲间隔只与F-P腔有关，从频谱图中可以看出，重复频率为1.95 GHz,，对应于F-P腔的腔长5 cm。原本MHz量级的重复频率被提高到了GHz量级，重复频率得到了大幅度提高。

上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。