重复频率可调掺铥锁模光纤激光器的制作方法

本发明涉及一种基于非线性偏振旋转效应的全光纤结构2μm波段重复频率可调谐锁模激光器，属于激光器制造技术领域，该激光器可应用于激光三维成像、激光通信、遥感、激光雷达等诸多领域。

背景技术：

光纤激光器阈值低，效率高，线宽窄，体积小，可调谐和性价比高，是目前最主要的激光技术之一。2μm掺铥光纤激光器输出人眼安全波段激光，在雷达、激光医疗、光电对抗以及特殊材料加工等领域具有重要应用。2μm波段光纤激光器是目前最具前景的激光技术之一，在激光医疗，气体检测，自由空间光通信等方面具有广泛的应用。运行在2μm波段的双波长光纤激光器更因其在微波光子学、光器件检测方面拥有独特的优势而逐渐受人们关注。

中国专利“一种具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器”，公开号为CN104638501A，该装置结构如下：

一种具有宽重复频率调谐范围的小型化光纤飞秒激光器，其特征在于，包括基于混合锁模机制的重复频率可调掺铒光纤激光器、重复频率锁定系统以及计算机控制系统，其中：

所述基于混合锁模机制的重复频率可调掺饵光纤激光器包括依次设置在泵浦源出射光路上的通过单模光纤连接起来组成环形激光腔的波分复用器、粘有压电陶瓷的掺饵光纤、光隔离器、半导体可饱和吸收体、光学延迟线以及设置在光学延迟线的左右准直透镜之间的非线性偏振旋转器件，通过非线性偏振旋转器件寻找最优的偏振状态从而实现锁模，锁模激光以空间光输出；所述重复频率锁定系统包括接所述空间光将其分为两束的藕合器，以及依次设置于其中一束光路上的光电探测器，1:2的分光器，滤波器、放大器、相位探测器，比例积分器和高压放大器；所述相位探测器；由一个混频器和一个低通滤波器组成，该混频器连接锁定在铆钟上的本地振荡器输出的本地振荡信号，放大器输出的电信号与该本地振荡信号进行混频再由低通滤波器取出差频信号，该差频信号即误差信号，误差信号再通过比例积分器变为电压信号，最终通过高压放大器得到高压信号，该高压信号用于控制压电陶瓷改变所述掺饵光纤激光器的腔长，从而抑制重复频率的短期波动，使输出激光的重复频率稳定；所述计算机控制系统包括计算机和频率计，频率计接1:2的分光器输出信号的一路以及铆钟将其频率输入至计算机，计算机还通过数据采集卡接收比例积分器的输出，计算机通过判断比例积分器的的输出来对光学延迟线进行控制，实现所述掺饵光纤激光器腔长的增大或减小，补偿输出激光重复频率的长期大范围波动。在该发明具有宽重复频率调谐范围的小型光纤飞秒激光器中，可自动控制的光学延时线最大可以改变激光腔长约5.5cm，从而可以得到101.29MHz-103.02MHz的重复频率调谐范围。

然而，该结构有部分空间光传输，非全光纤结构的设计使得光纤需要与各种功能器件的自由空间耦合，这就需要增加一定数量的透镜和光路对准调节机构，所以其易受外界环境干扰、实用性差。另外由于单纯依靠压电陶瓷改变激光器谐振腔长度较小，导致重复频率可调谐范围较小。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术2μm波段重脉冲激光器重复频率调谐范围较窄，易受外界干扰的问题，提出了一种全光纤结构重复频率可调掺铥锁模光纤激光器，其得到276-312MHz的重复频率可调谐范围。

本发明采取如下技术方案：

重复频率可调掺铥锁模光纤激光器，其特征是，其由半导体激光器泵浦源、掺铒光纤放大器、波分复用器、掺铥光纤、重复频率调节器、压电陶瓷驱动器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、保偏隔离器、80:20的宽带耦合器、90:10宽带耦合器、模式锁定组件及稳频装置组成；

半导体激光器泵浦源与掺铒光纤放大器相接，掺铒光纤放大器的输出端与波分复用器的a端相连，将泵浦光注入到环形腔中；波分复用器的c端与与掺铥光纤一端相连；掺铥光纤的另一端与与重复频率调节器的一端相连，压电陶瓷驱动器作用在重复频率调节器上；

重复频率调节器的另一端连接第一偏振控制器，第一偏振控制器与保偏隔离器的输入端相连；

偏振隔离器的输出端与第二偏振控制器相连；第二偏振控制器与80:20宽带耦合器的d端相连，80:20宽带耦合器的e端与模式锁定组件的一端相连，模式锁定组件的另一端与波分复用器的b端相连接构成环形腔结构；80:20宽带耦合器的f端与90:10宽带耦合器的G端相连，90:10宽带耦合器的H端与稳频装置相连，90:10宽带耦合器的I端作为激光器的输出端。

本发明的有益效果是：全光纤结构重复频率可调掺铥锁模光纤激光器，其重复频率可调谐范围是276-312MHz，宽度达到36MHz，克服了现有2μm波段重复频率可调脉冲光纤激光器非全光纤、易受外界环境干扰、调谐范围窄、成本较高的特点。首先，重复频率可调的锁模光纤激光器在光通信及光学测量领域有重要应用；其次，本发明采用腔内两个PZT的方式，同时实现重复拍年率宽调谐和重复频率锁定的目的，得到的重复频率可调谐的脉冲激光输出；最后，本发明采用全光纤结构，损耗低，性能稳定，易于与光纤系统集成。且成本较低，具有较高的性价比。

附图说明

图1为本发明重复频率可调掺铥锁模光纤激光器结构示意图。

图2为本发明所述稳频装置结构示意图。

图3为本发明所述重频276MHz的脉冲时域图。

图4为本发明所述重频312MHz的脉冲时域图。

图5为本发明所述Kelly边带光谱图。

图6为本发明所述单脉冲时域图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，重复频率可调掺铥锁模光纤激光器，其由波长为1565nm的半导体激光器1作为泵浦源、掺铒光纤放大器2、波分复用器3、掺铥光纤4、重复频率调节器5、压电陶瓷驱动器6、第一偏振控制器7、第二偏振控制器9、保偏隔离器8、80:20的宽带耦合器10、90:10宽带耦合器11、模式锁定组件12及稳频装置13组成。重复频率调节器5由第一压电陶瓷以及缠绕在其上面的保偏光纤组成。模式锁定组件12为第二压电陶瓷和缠绕其上面的单模光纤组成。

半导体激光器泵浦源1与掺铒光纤放大器2相接，将泵浦功率设置为30dBm。掺铒光纤放大器2的输出端与波分复用器3的a端相连，将泵浦光注入到环形腔中。波分复用器3的c端与掺铥光纤4一端相连，掺铥光纤作为增益介质由此而产生2μm增益信号。掺铥光纤4的另一端与与重复频率调节器5的一端相连，压电陶瓷驱动器6作用在重复频率调节器5，用于改变保偏光纤的长度，由于保偏光纤具有较高的双折射系数，所以其长度的细小改变会引起重复频率发生较大的变化，利用这一特点实现重复频率的宽调谐。

重复频率调节器5的另一端连接第一偏振控制器7，第一偏振控制器7与保偏隔离器8的输入端相连，从而保证了光信号在谐振腔中的单项运转。偏振隔离器8的输出端与第二偏振控制器9相连，两个偏振控制器和偏振隔离器8是实现稳定脉冲输出的关键。基于非线性偏振旋转效应多波长锁模光纤激光器在工作时存在传输系数随光强增加而变大或变小两个区域，这两个区域分别称为正反馈区和负反馈区。其实质就是当泵浦功率从零开始逐渐增加时，激光器工作在正反馈区域即传输系数随光强增加而变大，此时腔内模式竞争较为激烈，不易产生稳定的多波长激光输出。当泵浦功率达到锁模阈值时，调整偏振控制器可以使激光器进入被动锁模状态。其被动锁模的原理类似于可饱和吸收体的作用，低强度的光被吸收继续在腔内振荡，高强度的光可以通过，从而实现稳定的脉冲激光输出。

第二偏振控制器9与80:20宽带耦合器10的d端相连，80:20宽带耦合器10的e端与模式锁定组件12中的单模光纤的一端相连，单模光纤的另一端与波分复用器3的b端相连接构成环形腔结构，e端为耦合器10的80％端，f端为耦合器10的20％，耦合器10的20％输出腔外，耦合器10的80％留在腔内循环振荡。80:20宽带耦合器10的f端与90:10宽带耦合器11的G端相连，90:10宽带耦合器11的H端与稳频装置13相连，90:10宽带耦合器11的I端作为激光器的输出端。H端为90:10宽带耦合器11的90％端，I端为90:10宽带耦合器11的10％端。各器件连接均采用光纤熔接。

如图2所示，稳频装置13包括光电二极管13-1、带通滤波放大器13-2、混频器13-3、低通滤波器13-4、比例-微分-积分电路13-5、压电陶瓷驱动电路13-6、压电陶瓷13-7、射频信号源13-8和10MHz射频信号13-9，光电二极管13-1与带通滤波放大器13-2相连，带通滤波放大器13-2的另一端连接混频器13-3的输入端j，另一路10MHz射频信号13-9通过射频信号源13-8产生的标准信号接入混频器13-3的输入端k，混频器的输出端l连接低通滤波器13-4，低通滤波器13-4的另一端连接比例-微分-积分电路13-5，然后比例-微分-积分电路13-5控制压电陶瓷驱动电路13-6，压电陶瓷驱动电路13-6连接压电陶瓷13-7，最终形成完整的稳频装置。

光电二极管13-1与带通滤波器放大器13-2相连，由光电二极管探测后输出电脉冲信号，在射频频谱仪上可观察到以重复频率f_r为基频，各级次的谐波频率mf_r，m为整数。相比于基频信号，高级次谐波成分可鉴别出的相位误差量更大，锁定精度也更高。一般而言，选用m级次的高频谐波进行反馈锁定，锁定后频率精度也会提高m倍。但受限于光电探测器的响应带宽，超过GHz以上的高次谐波往往很难被有效探测。在实验中，我们选用480MHz带通滤波器滤取出8f_r单频正弦波信号进行频率锁定。由于f_r信号自身信噪比高、线宽窄，因此采用混频器(或模拟鉴相器)就能实现高精度的频率锁定，可避免数字鉴相器模/数转换过程的影响。带通滤波器放大器13-2另一端连接混频器13-3的输入端j，另一路10MHz射频信号13-9通过射频信号源13-8产生的标准信号接入混频器13-3的输入端k，获取与8f_r单频正弦波信号低频误差信号。混频器13-3的输出端l连接低通滤波器13-4，低通滤波后干净的误差信号由比例－微分－积分电路(PID)13-5调节信号幅度，进行动态控制。然后比例-微分-积分电路13-5控制压电陶瓷驱动电路13-6，压电陶瓷驱动电路13-6连接压电陶瓷13-7，最后由高压放大电路将误差信号幅度放大至近百伏，驱动压电陶瓷13-7控制腔长的变化，实现重复频率的锁定。

如图3、图4所示，通过改变重复频率调节器5的保偏光纤的长度，分别得到了重频为276MHz和312MHz的脉冲时域图，可调谐范围达到36MHz。通过光谱分析仪得到Kelly边带光谱图，如图5所示。将输出信号接入2μm波段光电探测器，探测器的带宽为10GHz，将探测器的输出端接入示波器中，示波器型号为Agilent DSO-X 93204A，带宽32GHz，采样率为80GSa/s，得到如图6所示的单脉冲时域图，脉冲宽度为617ps。