掺镱光纤锁模激光器方案

2021-03-01 16:53:17 浏览:637

背景介绍

相比与传统的固体激光器,光纤激光器具有体积小、成本低、稳定性好、光束质量高、无需水冷等优点,而相比与其他方式的光纤激光器,基于非线性偏振旋转(nonlinear polarization evolution,简称NPE)的锁模光纤振荡器具有脉冲能量高(nJ量级),脉冲宽度窄(百fs量级,甚至更短)等优势。NPE锁模技术是一种被动的克尔锁模技术,其利用光纤中的非线性偏振旋转效应实现克尔效应,从而实现锁模激光的输出。而掺镱增益光纤具有掺杂浓度高、光到光转换率高等优点,从而适合制备高功率、高重复频率的锁模光纤激光器。

锁模激光器输出的脉冲在时域上一系列等间隔的脉宽极短的脉冲序列,因此可以在有限的平均功率下实现极高的峰值功率,从而被广泛的应用于生物成像、医学和工业加工等领域。锁模脉冲在频域上为等间隔的梳齿状分布,即构成光学频率梳(optical frequency comb),光学频率梳是光频和微波频率源的桥梁和枢纽,其今年来的应用和发展极大的推进了测量学、天文学等领域的进步。

原理图

根据环形腔腔内色散不同,NPE锁模可以分为:孤子类锁模、展宽脉冲类锁模、全正色散自相似类锁模等。不同类型的激光器具有不同的特征,如:孤子类容易实现稳定锁模,但是单脉冲能量低;展宽脉冲类脉冲锁模光谱宽,可支持较短的压缩后脉冲宽度,但是其需要对腔内色散进行一定的设计;全正色散自相似类脉冲能量大,但是脉冲较宽,噪声较大。

下面以一个典型的掺镱光纤展宽脉冲类激光器为例介绍NPE掺镱锁模激光器,该激光器利用一个二分之一波片和两个四分之一波片实现腔内偏振的控制和选择,利用透射光栅对实现腔内的色散控制,从而实现色散管理类的锁模。

图 1 基于非线性偏振旋转的掺镱光纤锁模激光器结构图 

980nm pump:作为整个振荡器的泵浦源提供能量,一般为单模尾纤的980nm半导体二极管。需要注意的是,在实际的搭建中,泵浦模块通常包含泵浦保护器(980nm的光纤滤波器),防止振荡器中1030nm的光反射进入泵浦源从而打坏泵浦源。此外,在振荡器能量较高或者锁模光谱较宽时,还需要980nm泵浦光隔离器对腔内反射的980nm的激光进行隔离,防止打坏泵浦源。

WDM:波分复用器,将1030nm的信号光和980nm的泵浦光耦合进入同一跟光纤中。

Yb gain fiber:掺镱增益光纤,吸收980nm的泵浦光并实现1030nm信号光的放大。

Collimator:准直器,实现光纤中激光的空间准直输出,也便于在谐振腔中加入一些空间原件(如波片,偏振分束器等等)。

Faraday Rotator:法拉第旋光器,利用磁致旋光原理实现激光的偏振方向的旋转,与两侧的一个二分之一波片和两个偏振分束器实现谐振腔内的反向光隔离。

QWP:四分之一波片,腔中共有两个四分之一波片,均用于对激光的偏振状态进行控制,从而实现非线性偏振旋转锁模。

HWP:二分之一波片,腔中共有两个二分之一波片,其中HWP-1用于对激光的偏振状态进行控制,从而实现非线性偏振旋转锁模;HWP-2用于构成空间光隔离器。

PBS:偏振分束器,腔中共有两个偏振分束器,用于对激光的偏振状态进行控制,同时用于构成空间光隔离器。此外PBS还可用于振荡器的激光输出。

TGP:色散补偿光栅对,由于在1030nm处大多光纤的色散均为正常色散,该器件可提供反常色散,从而对腔内的色散进行控制。

M:介质膜反射镜构成的高低光路翻转镜。

SMF:1um的单模光纤。

搭建及操作简介

1、选择合适的器件。一个器件不合适就可能会造成激光器效率低,脉冲质量不佳,更会造成激光器寿命较短等问题;

2、选择一个合适的工作环境,包括光学平台、环境湿度、温度、外界振动和噪声等;

3、将以上器件按照原理结构图搭建、焊接成腔,并将光纤盘绕固定好;

4、打开泵浦源至一定功率水平,调节腔内的耦合(特别是两个准直器之间的耦合),如腔内损耗过大需查询是否有器件损坏或焊点损坏;

5、将泵浦源调节至合适功率后,利用光谱仪或示波器观测输出激光(后者需要利用光电探测器将光信号转变成电信号)。调节波片状态(两个四分之一波片和一个二分之一波片),当光谱仪上出现稳定的鼓包状光谱时且示波器上出现等间隔的稳定脉冲时,即实现了激光的锁模。

6、将波片状态锁死。

注意事项

1、关于损耗:腔内的损耗的来源主要分为空间部分和光纤部分:空间部分包括器件表面的污渍,光栅衍射损耗和准直器耦合损耗等等;光纤部分主要来自焊接损耗和某些特殊光纤的传输损耗。损耗较大不仅会使得激光器效率变低,有时也会导致无法锁模,此外有时还会导致调Q现象,调Q脉冲的脉冲峰值功率极高且不稳定,易造成器件的损坏。

2、关于色散:腔内色散的不同会导致不同种类的锁模。以上腔形中可以利用调节透射光栅距离方便的调节腔内色散的值。一般来说当腔内净色散为零附近时,锁模光谱最宽,从而可以支持最短的脉冲宽度,且此时腔内噪声最低。

3、脉冲分裂:当泵浦能量过高时,会出现脉冲分裂的现象,脉冲分裂会导致单脉冲能量变低,且脉冲不稳定。

4、脉冲压缩:对于大多数的锁模激光器其直接输出的脉冲都是具有啁啾的脉冲,因此脉冲宽度较宽,在一些应用中,对脉冲宽度有一定要求,此时则需要利用色散补偿器件进行脉冲的压缩,从而得到较短的脉冲宽度。

解决方案

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/article/122

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交