[發(fā)明專利]一種基于相位偏置器原理的高重頻光纖激光器及控制方法

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• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107645118A
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉關(guān)玉;張志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/091;H01S3/10;H01S3/11;G02F1/095;G02B27/28
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11360
• 代理人: 王巖

1.一種基于相位偏置器原理的高重頻光纖激光器，其特征在于，所述高重頻光纖激光器包括：第一泵浦源、第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器、第一二分之一波片、分束器、第一反射鏡、偏振分束立方、法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙折射晶體、第二反射鏡、第二二分之一波片、第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器、第二泵浦源和保偏光纖；其中，所述第一泵浦源連接至第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器的尾部，第二泵浦源連接至第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器的尾部；所述第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器和第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器的尾纖為增益光纖，通過保偏光纖連接，并通過保偏光纖的長度來調(diào)節(jié)高重頻光纖激光器的腔長；在激光器中振蕩形成隨機(jī)小脈沖；脈沖從第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器出射，經(jīng)過第一二分之一波片調(diào)整偏振方向為p偏振，經(jīng)過分束片反射后，由第一反射鏡反射至分束器；p偏振的脈沖分成兩束，第一束光反射，第二束光透射；第一束光反射重新返回到第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器，經(jīng)第一泵浦源放大，進(jìn)入保偏光纖，再經(jīng)第二泵浦源放大，從第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器出射，經(jīng)過第二二分之一玻片調(diào)整偏振方向為垂直偏振，即s偏振，從而經(jīng)過偏振分束立方反射，進(jìn)入至法拉第旋轉(zhuǎn)器；法拉第旋轉(zhuǎn)器將偏振方向順時針旋轉(zhuǎn)45°后，進(jìn)入雙折射晶體的慢軸，經(jīng)第二反射鏡反射后，再次進(jìn)入雙折射晶體的慢軸，經(jīng)過拉第旋轉(zhuǎn)鏡，繼續(xù)沿順時針旋轉(zhuǎn)45°后偏振方向變成平行偏振，即p偏振，從而經(jīng)過偏振分束立方透射，再次至分束器，第一束光完成順時針回路；p偏振的第二束光從分束器透射至偏振分束立方，從偏振分束立方透射，進(jìn)入至法拉第旋轉(zhuǎn)器；法拉第旋轉(zhuǎn)器將偏振方向順時針旋轉(zhuǎn)45°后，進(jìn)入雙折射晶體的快軸，經(jīng)第二反射鏡反射后，再次進(jìn)入雙折射晶體的快軸，經(jīng)過拉第旋轉(zhuǎn)鏡，繼續(xù)沿順時針旋轉(zhuǎn)45°后偏振方向變成垂直偏振，即s偏振，從而經(jīng)過偏振分束立方反射，經(jīng)第二二分之一波片進(jìn)入第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器，經(jīng)第二泵浦源放大，進(jìn)入保偏光纖，再經(jīng)第一泵浦源放大，從第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器出射，經(jīng)第一二分之一波片至分束器，第二束光完成逆時針回路；第二束光到達(dá)分束器與順時針傳輸?shù)牡谝皇膺M(jìn)行干涉，雙向傳輸?shù)墓庠诜质鞲缮婧笠徊糠止廨敵觯硗庖徊糠謧鬏斨恋谝环瓷溏R，從第一反射鏡返回后，經(jīng)分束器反射和透射后，繼續(xù)進(jìn)行逆時針和順時針回路；所述第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器、第一二分之一波片、分束器、偏振分束立方、法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙折射晶體、第二反射鏡、第二二分之一波片、第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器和保偏光纖構(gòu)成非線性放大環(huán)形鏡，非線性放大環(huán)形鏡在高重頻光纖激光器中起到快可飽和吸收體作用，法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射晶體和第二反射鏡構(gòu)成相移單元，第一束光與第二束光產(chǎn)生π/2的相位差，構(gòu)成相位偏置，脈沖的反射率與非線性放大環(huán)形鏡中兩束光非線性相移量有關(guān)，反射率是兩束光的相移差的函數(shù)，引入相移偏置相移量越大反射率越高，相移量越低反射率越低，脈沖的中心部分強(qiáng)，在非線性放大環(huán)形鏡中產(chǎn)生的相移量大，所以反射率高，脈沖更加容易形成振蕩，從而使得非線性放大環(huán)形鏡實(shí)現(xiàn)快可飽和吸收體的作用，實(shí)現(xiàn)激光器鎖模，形成超短脈沖輸出。

2.如權(quán)利要求1所述的高重頻光纖激光器，其特征在于，還包括帶寬控制元件或者色散元件。

3.如權(quán)利要求2所述的高重頻光纖激光器，其特征在于，所述寬控制元件采用濾光片，設(shè)置在分束器與第一反射鏡之間，用以限制光譜。

4.如權(quán)利要求2所述的高重頻光纖激光器，其特征在于，所述色散元件采用光柵對，設(shè)置在第二二分之一玻片與偏振分束立方之間，用以色散補(bǔ)償。

5.如權(quán)利要求4所述的高重頻光纖激光器，其特征在于，所述光柵的密度范圍為150條/毫米～2000條/毫米。

6.如權(quán)利要求1所述的高重頻光纖激光器，其特征在于，所述分束器采用分束片或者分束立方。

7.如權(quán)利要求1所述的高重頻光纖激光器，其特征在于，所述雙折射晶體的快軸和慢軸引入非對稱相移，導(dǎo)致與不同軸平行的偏振傳播的光的相移差，即相位偏置，相移差的大小由雙折射晶體的性質(zhì)和厚度決定，即其中，n_e為e光的折射率，n_o為o光的折射率，l為雙折射晶體的厚度，λ為波長。

8.如權(quán)利要求1所述的高重頻光纖激光器，其特征在于，所述保偏光纖采用大模場面積保偏光纖、摻雜增益保偏光纖、大模場面積雙包層保偏光纖和保偏光子晶體光纖中的一種。

9.如權(quán)利要求1所述的高重頻光纖激光器，其特征在于，所述法拉第旋轉(zhuǎn)器采用薄片式法拉第旋轉(zhuǎn)器，或磁光晶體插入永磁體中構(gòu)成的法拉第旋轉(zhuǎn)器。

10.一種基于相位偏置器原理的高重頻光纖激光器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步驟：

1)將第一泵浦源連接至第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器的尾部，第二泵浦源連接至第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器的尾部；將第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器和第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器的尾纖為增益光纖，通過保偏光纖連接，并通過調(diào)整保偏光纖的長度來調(diào)節(jié)高重頻光纖激光器的腔長；

2)根據(jù)需要的脈沖的能量，確定第一泵浦源和第二泵浦源的泵浦功率；

3)通過第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器和第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器分別將第一泵浦源和第二泵浦源耦合到腔內(nèi)，將泵浦功率提高到光纖激光器閾值之上，通過對準(zhǔn)相對的第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器和第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器，使激光器發(fā)生振蕩；

4)激光器中的振蕩形成隨機(jī)小脈沖；

5)脈沖從第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器出射，經(jīng)過第一二分之一波片調(diào)整偏振方向為p偏振，經(jīng)過分束片反射后，由第一反射鏡反射至分束器；p偏振的脈沖分成兩束，第一束光反射，第二束光透射；

6)第一束光反射重新返回到第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器，經(jīng)第一泵浦源放大，進(jìn)入保偏光纖，再經(jīng)第二泵浦源放大，從第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器出射，經(jīng)過第二二分之一玻片調(diào)整偏振方向為垂直偏振，即s偏振，從而經(jīng)過偏振分束立方反射，進(jìn)入至法拉第旋轉(zhuǎn)器；法拉第旋轉(zhuǎn)器將偏振方向順時針旋轉(zhuǎn)45°后，進(jìn)入雙折射晶體的慢軸，經(jīng)第二反射鏡反射后，再次進(jìn)入雙折射晶體的慢軸，經(jīng)過拉第旋轉(zhuǎn)鏡，繼續(xù)沿順時針旋轉(zhuǎn)45°后偏振方向變成平行偏振，即p偏振，從而經(jīng)過偏振分束立方透射，再次至分束器，第一束光完成順時針回路；

7)p偏振的第二束光從分束器透射至偏振分束立方，從偏振分束立方透射，進(jìn)入至法拉第旋轉(zhuǎn)器；法拉第旋轉(zhuǎn)器將偏振方向順時針旋轉(zhuǎn)45°后，進(jìn)入雙折射晶體的快軸，經(jīng)第二反射鏡反射后，再次進(jìn)入雙折射晶體的快軸，經(jīng)過拉第旋轉(zhuǎn)鏡，繼續(xù)沿順時針旋轉(zhuǎn)45°后偏振方向變成垂直偏振，即s偏振，從而經(jīng)過偏振分束立方反射，經(jīng)第二二分之一波片進(jìn)入第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器，經(jīng)第二泵浦源放大，進(jìn)入保偏光纖，再經(jīng)第一泵浦源放大，從第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器出射，經(jīng)第一二分之一波片至分束器，第二束光完成逆時針回路；

8)第二束光到達(dá)分束器與順時針傳輸?shù)牡谝皇膺M(jìn)行干涉雙向傳輸?shù)墓庠诜质鞲缮婧笠徊糠止廨敵觯硗庖徊糠謧鬏斨恋谝环瓷溏R，從第一反射鏡返回后，經(jīng)分束器反射和透射后，繼續(xù)進(jìn)行逆時針和順時針回路；

9)第一波分復(fù)用準(zhǔn)直器、第一二分之一波片、分束器、偏振分束立方、法拉第旋轉(zhuǎn)器、雙折射晶體、第二反射鏡、第二二分之一波片、第二波分復(fù)用準(zhǔn)直器和保偏光纖構(gòu)成非線性放大環(huán)形鏡，非線性放大環(huán)形鏡在高重頻光纖激光器中起到快可飽和吸收體作用，法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射晶體和第二反射鏡構(gòu)成相移單元，第一束光與第二束光產(chǎn)生π/2的相位差，構(gòu)成相位偏置，脈沖的反射率與非線性放大環(huán)形鏡中兩束光非線性相移量有關(guān)，反射率是兩束光的相移差的函數(shù)，引入相移偏置相移量越大反射率越高，相移量越低反射率越低，脈沖的中心部分強(qiáng)，在非線性放大環(huán)形鏡中產(chǎn)生的相移量大，所以反射率高，脈沖更加容易形成振蕩，從而使得非線性放大環(huán)形鏡實(shí)現(xiàn)快可飽和吸收體的作用，實(shí)現(xiàn)激光器鎖模，形成超短脈沖輸出。