本发明专利技术提出一种基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器，利用腔内的窄带光谱滤波过程，有效地稳定了脉冲在腔内演化过程中的光谱成分，显著抑制了脉冲中心波长的漂移，从而在很大程度上消除了中心波长漂移经腔内色散耦合而来的时间抖动成分；含大量啁啾的脉冲在经过窄带光谱滤波器后，其时域宽度与光谱宽度同时降低，使得脉冲在掺镱单模光纤中的平均宽度维持在较低的状态，从而将脉冲在时域内直接耦合的时间抖动成分限制在较低的水平。本发明专利技术的飞秒激光器不需要反复优化腔内的净色散量及锁模状态，在不同净色散条件下均可以实现低时间抖动运转，结构简单，操作方便，可重复性和长期稳定性好，能够获得实用化的低时间抖动超短脉冲序列。
【技术实现步骤摘要】
一种基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器
本专利技术属于超快激光
，涉及一种低时间抖动光纤飞秒激光器。
技术介绍
飞秒(fs，10-15s)激光器输出的超短脉冲序列具有脉冲宽度窄、峰值功率高、光束质量好等特点，自其诞生之日起便在诸多领域获得了广泛的应用。近年来，激光器噪声理论的发展和测量手段的进步使得飞秒激光独有的低时间抖动特性逐渐凸显，进而推动了其作为信号源在高精度距离测量、泵浦探测实验、时钟信号发布等前沿领域的应用。飞秒激光器的时间抖动本质上来源于增益介质内的放大自发辐射噪声，这种噪声成分可以同时在光谱域和时域影响脉冲的分布，引起脉冲的时间抖动。为了获取低时间抖动的超短脉冲序列，飞秒激光器腔内动力学过程的优化一直是研究的重点。以掺杂晶体为增益介质的固体激光器在该方面一直有比较明显的优势，其中最典型的例子就是掺钛蓝宝石激光器，凭借其超高的腔内脉冲能量和超窄的腔内脉冲宽度，一直保持着低时间抖动的纪录。但是，固体激光器一般基于分立元件搭建，对腔内光场空间耦合的精度要求极高；另外，块状增益介质散热较慢，热量的积累会限制腔内平均功率的进一步提高。因此，固体激光器对工作环境的温度、湿度、机械振动等指标的要求非常苛刻，导致其运行与维护成本高，难度大，无法真正实现实用化。相比于固体激光器，光纤飞秒激光器的光场分布主要被限制在纤芯内部，对空间耦合精度要求低，对外界环境变化不敏感；光纤狭长的波导结构可以加快同外界的热量交换，有效减缓了光纤内部的热量积累；另外，光纤激光器输出光束质量高，结构紧凑，价格低廉，易于操作，更易于适应复杂的应用环境。与固体激光器不同的是，光纤激光器腔内的波导结构会引入更大的色散量和更加丰富的非线性效应，这使得谐振腔内的脉冲演化方式更加多样，因此时间抖动的优化也更为复杂。当腔内净色散量较大时，脉冲在腔内的动力学过程往往比较单一，运转相对稳定。但是，大量的腔内色散会将脉冲在光谱域的中心波长漂移显著地耦合到脉冲的时域分布中，加剧时间抖动；同时，大量的腔内色散也会造成脉冲在增益光纤内的平均宽度较宽，使得放大自发辐射噪声更容易影响脉冲的时域位置，同样会加剧时间抖动。因此，当前最常用的光纤激光器时间抖动的优化思路主要包括消除色散影响和降低腔内平均脉冲宽度两个方面：首先，通过腔内色散管理，使激光器腔内净色散量接近零，从而抑制由脉冲的中心波长漂移耦合而来的时间抖动的成分；另外，通过调节腔内的其它各项参数，使激光器工作在呼吸孤子锁模状态，尽量降低脉冲在腔内的平均宽度，从而抑制其时间抖动水平的上升。到目前为止，上述优化方法已经在实验中取得了显著成果，光纤飞秒激光器的时间抖动水平已降低到与固体飞秒激光器相同的量级。但是，对于工作在净零色散的光纤飞秒激光器，其锁模状态往往不是唯一的，不同状态之间的时间抖动水平会有比较大的差异。因此，低时间抖动状态的出现往往需要反复优化腔内的色散量及锁模状态，调节难度大。另外，脉冲的演化过程容易受到腔内外微扰的影响，致使激光器的工作状态在不同锁模状态之间无规律跳变，甚至出现多脉冲运转，极大地降低了系统的可重复性和长期稳定性，从而抵消了光纤激光器的实用化优势。因此，在光纤激光器中实现调节简单、可重复性好、长期稳定性高的低时间抖动锁模运转，是突破低噪声光纤飞秒激光器实用化瓶颈的关键技术之一，对于光纤飞秒激光器的实用化发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提出一种基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器，该飞秒激光器不需要反复优化腔内的净色散量及锁模状态，在不同净色散条件下均可以实现低时间抖动运转，结构简单，操作方便，可重复性和长期稳定性好，能够获得实用化的低时间抖动超短脉冲序列。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器，包括：光纤耦合激光二极管、波分复用光纤耦合器、掺镱单模光纤、第一光纤准直器、第一四分之一波片、第一二分之一波片、空间光隔离器、窄带光谱滤波器、第二二分之一波片、反射镜、第一光栅、第二光栅、爬高镜、第二四分之一波片和第二光纤准直器；光纤耦合激光二极管输出泵浦激光，光纤耦合激光二极管的光纤输出端与波分复用光纤耦合器的泵浦激光输入端熔接，波分复用光纤耦合器的信号输出端与掺镱单模光纤输入端熔接，波分复用光纤耦合器将泵浦激光输入掺镱单模光纤，使掺镱单模光纤中的掺杂离子跃迁到激发态，形成粒子数反转，放大输入的激光脉冲；掺镱单模光纤输出端与第一光纤准直器的单模尾纤熔接，掺镱单模光纤中传输的正啁啾激光脉冲以椭圆偏振态被第一光纤准直器耦合输出至激光谐振腔的空间部分，空间中的正啁啾激光脉冲依次经过第一四分之一波片和第一二分之一波片；第一四分之一波片和第一二分之一波片将空间中的正啁啾激光脉冲的偏振态由椭圆偏振调整为线性偏振，输入至空间光隔离器；空间光隔离器输入端的偏振分束器将线性偏振正啁啾脉冲分为偏振态相互垂直的两束，一束经偏振分束器反射出激光谐振腔，作为输出光，另一束透过偏振分束器进入空间光隔离器，空间光隔离器将线性偏振正啁啾脉冲旋转设定角度后输出至窄带光谱滤波器；窄带光谱滤波器滤除输入的线性偏振正啁啾脉冲内多余的光谱成分，削减线性偏振正啁啾脉冲的时域宽度,并将线性偏振正啁啾脉冲输出至第二二分之一波片；第二二分之一波片将线性偏振正啁啾窄光谱脉冲的偏振态调整为水平，水平线性偏振脉冲依次经第一光栅和第二光栅反射后，再经爬高镜提升高度，然后依次经第二光栅和第一光栅反射至反射镜，第一光栅和第二光栅补偿水平线性偏振脉冲的正啁啾；反射镜反射经啁啾补偿的线性偏振脉冲至第二四分之一波片，第二四分之一波片将线性偏振脉冲的偏振态调节为椭圆偏振后输出至第二光纤准直器；第二光纤准直器的输出端与波分复用光纤耦合器的信号输入端熔接，将椭圆偏振经啁啾补偿的激光脉冲经波分复用光纤耦合器再次输入至掺镱单模光纤。所述掺镱单模光纤的色散为正值，泵浦激光脉冲在掺镱单模光纤中传输的过程中，脉冲能量、脉冲时域宽度、光谱宽度均随着传输距离的增加呈指数增长，同时积累线性正啁啾。所述掺镱单模光纤的长度为0.25m～0.4m。所述波分复用光纤耦合器、第一光纤准直器、第二光纤准直器的尾纤总长度为0.5～0.8m，光纤类型相同。所述窄带光谱滤波器为透射型窄带光谱滤波器，中心波长为1040nm，半极大全宽度为6nm～10nm。所述第一四分之一波片、第一二分之一波片、空间光隔离器、第二二分之一波片、反射镜、第一光栅、第二光栅、爬高镜和第二四分之一波片的中心波长均为1040nm。所述第一四分之一波片、第一二分之一波片、空间光隔离器、第二二分之一波片、反射镜、第一光栅、第二光栅、爬高镜和第二四分之一波片的工作波段覆盖1000nm～1100nm范围。所述反射镜为45°角反射镜。所述爬高镜包括两个45°角反射镜，两个45°角反射镜的反射面呈90°。所述空间光隔离器保证只有从其输入端传输到输出端的激光可以通过，空间光隔离器的输入偏振分束器为输出耦合端口。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术提供的基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器，利用腔内的窄带光谱滤波过程，有效地稳定了脉冲在腔内演化过程中的光谱成分，显著抑制了脉冲中心波长的漂移，从而在很大程度上消本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器，其特征在于，包括：光纤耦合激光二极管(1)、波分复用光纤耦合器(2)、掺镱单模光纤(3)、第一光纤准直器(4)、第一四分之一波片(5)、第一二分之一波片(6)、空间光隔离器(7)、窄带光谱滤波器(8)、第二二分之一波片(9)、反射镜(10)、第一光栅(11)、第二光栅(12)、爬高镜(13)、第二四分之一波片(14)和第二光纤准直器(15)；光纤耦合激光二极管(1)输出泵浦激光，光纤耦合激光二极管(1)的光纤输出端与波分复用光纤耦合器(2)的泵浦激光输入端熔接，波分复用光纤耦合器(2)的信号输出端与掺镱单模光纤(3)输入端熔接，波分复用光纤耦合器(2)将泵浦激光输入掺镱单模光纤(3)，使掺镱单模光纤(3)中的掺杂离子跃迁到激发态，形成粒子数反转，放大输入的激光脉冲；掺镱单模光纤(3)输出端与第一光纤准直器(4)的单模尾纤熔接，掺镱单模光纤(3)中传输的正啁啾激光脉冲以椭圆偏振态被第一光纤准直器(4)耦合输出至激光谐振腔的空间部分，空间中的正啁啾激光脉冲依次经过第一四分之一波片(5)和第一二分之一波片(6)；第一四分之一波片(5)和第一二分之一波片(6)将空间中的正啁啾激光脉冲的偏振态由椭圆偏振调整为线性偏振，输入至空间光隔离器(7)；空间光隔离器(7)输入端的偏振分束器将线性偏振正啁啾脉冲分为偏振态相互垂直的两束，一束经偏振分束器反射出激光谐振腔，作为输出光，另一束透过偏振分束器进入空间光隔离器(7)，空间光隔离器(7)将线性偏振正啁啾脉冲旋转设定角度后输出至窄带光谱滤波器(8)；窄带光谱滤波器(8)滤除输入的线性偏振正啁啾脉冲内多余的光谱成分，削减线性偏振正啁啾脉冲的时域宽度,并将线性偏振正啁啾脉冲输出至第二二分之一波片(9)；第二二分之一波片(9)将线性偏振正啁啾窄光谱脉冲的偏振态调整为水平，水平线性偏振脉冲依次经第一光栅(11)和第二光栅(12)反射后，再经爬高镜(13)提升高度，然后依次经第二光栅(12)和第一光栅(11)反射至反射镜(10)，第一光栅(11)和第二光栅(12)补偿水平线性偏振脉冲的正啁啾；反射镜(10)反射经啁啾补偿的线性偏振脉冲至第二四分之一波片(14)，第二四分之一波片(14)将线性偏振脉冲的偏振态调节为椭圆偏振后输出至第二光纤准直器(15)；第二光纤准直器(15)的输出端与波分复用光纤耦合器(2)的信号输入端熔接，将椭圆偏振经啁啾补偿的激光脉冲经波分复用光纤耦合器(2)再次输入至掺镱单模光纤(3)。...
【技术特征摘要】
1.一种基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器，其特征在于，包括：光纤耦合激光二极管(1)、波分复用光纤耦合器(2)、掺镱单模光纤(3)、第一光纤准直器(4)、第一四分之一波片(5)、第一二分之一波片(6)、空间光隔离器(7)、窄带光谱滤波器(8)、第二二分之一波片(9)、反射镜(10)、第一光栅(11)、第二光栅(12)、爬高镜(13)、第二四分之一波片(14)和第二光纤准直器(15)；光纤耦合激光二极管(1)输出泵浦激光，光纤耦合激光二极管(1)的光纤输出端与波分复用光纤耦合器(2)的泵浦激光输入端熔接，波分复用光纤耦合器(2)的信号输出端与掺镱单模光纤(3)输入端熔接，波分复用光纤耦合器(2)将泵浦激光输入掺镱单模光纤(3)，使掺镱单模光纤(3)中的掺杂离子跃迁到激发态，形成粒子数反转，放大输入的激光脉冲；掺镱单模光纤(3)输出端与第一光纤准直器(4)的单模尾纤熔接，掺镱单模光纤(3)中传输的正啁啾激光脉冲以椭圆偏振态被第一光纤准直器(4)耦合输出至激光谐振腔的空间部分，空间中的正啁啾激光脉冲依次经过第一四分之一波片(5)和第一二分之一波片(6)；第一四分之一波片(5)和第一二分之一波片(6)将空间中的正啁啾激光脉冲的偏振态由椭圆偏振调整为线性偏振，输入至空间光隔离器(7)；空间光隔离器(7)输入端的偏振分束器将线性偏振正啁啾脉冲分为偏振态相互垂直的两束，一束经偏振分束器反射出激光谐振腔，作为输出光，另一束透过偏振分束器进入空间光隔离器(7)，空间光隔离器(7)将线性偏振正啁啾脉冲旋转设定角度后输出至窄带光谱滤波器(8)；窄带光谱滤波器(8)滤除输入的线性偏振正啁啾脉冲内多余的光谱成分，削减线性偏振正啁啾脉冲的时域宽度,并将线性偏振正啁啾脉冲输出至第二二分之一波片(9)；第二二分之一波片(9)将线性偏振正啁啾窄光谱脉冲的偏振态调整为水平，水平线性偏振脉冲依次经第一光栅(11)和第二光栅(12)反射后，再经爬高镜(13)提升高度，然后依次经第二光栅(12)和第一光栅(11)反射至反射镜(10)，第一光栅(11)和第二光栅(12)补偿水平线性偏振脉冲的正啁啾；反射镜(10)反射经啁啾补偿的线性偏振脉冲至第二四分之一波片(14)，第二四分之一波片(14)将线性偏振脉冲的偏振态调节为椭圆偏振后输出至第二光纤准直器(15)；第二光纤准直器(15)的输出端与波分复用光纤耦合器(...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦鹏，王思佳，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。