[发明专利]一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器

说明书

一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，它属于超快光纤激光器技术领域。解决现有2μm波段的9字腔锁模光纤激光器多脉冲碰撞导致易失锁，且单脉冲难以自启动的问题。一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器，它包括泵浦源、2×2波分复用兼输出耦合器、增益光纤、色散补偿光纤、保偏双纤准直器、非互易相移器、偏振分束器和平面端镜。本发明用于2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器。

技术领域

本发明属于超快光纤激光器技术领域。

背景技术

处于大气透明窗口和多种分子的指纹光谱区的2.1μm波段的光纤超快激光器具有光束质量好、脉冲宽度窄、光谱带宽宽、质量体积小以及稳定性好等特点在阿秒科学、精密材料加工、临床医学、精密测量及国防安全等广泛应用领域具有得天独厚的优势。结合Ho:YAG啁啾脉冲放大技术和ZnGP₂非线性频率变换技术，可以高效获得高能量的中红外飞秒光学频率梳。传统直接获得2.1μm光纤超快脉冲的主流技术途径主要有掺钬光纤被动锁模激光器和铥钬共掺光纤被动锁模激光器，且多以非保偏光纤结构为主，采用的被动锁模技术主要为可饱和吸收材料锁模(比如SESAM、石墨烯和黑磷等)、非线性偏振演化锁模、8字腔非线性环形镜锁模和Mamyshev振荡器，多数以非保偏光纤结构为主。

随着超快激光技术不断发展加快走向实用化的步伐，一些户外应用场景或者高精密应用领域对激光器提出了更好的性能要求，比如机载舰载应用场景的环境温度、湿度、振动和噪声错综复杂，对超快激光器的环境适应性、脉冲稳定性和自启动能力要求极高，而传统的非保偏非线性偏振演化锁模调制深度大、弛豫时间短，能产生极低噪声飞秒脉冲，但NPE锁模光纤激光器需采用非保偏光纤，对环境扰动非常敏感，偏振变化直接影响锁模状态，一旦失锁，锁模状态重复性差，在外界环境干扰下无法保证长期自启动运行。基于保偏光纤结构的新一代飞秒锁模振荡器已经被广泛证明具有优异的抗环境干扰性。非线性偏振演化锁模机制虽然可以基于保偏光纤构建，但调制深度不高，角度和长度熔接精度要求高，群速度失配控制调节自由太少，难以产生高质量飞秒脉冲，目前尚无关于2μm保偏非线性偏振演化锁模激光器的报道。同时，精密测量领域除要求激光器具有可靠的自启动能力和环境适应性外，在输出激光核心参数方面还要求超快脉冲激光重频高、脉宽窄、光谱宽和相位噪声低等综合性能。商用半导体可饱和吸收镜尽管与保偏光纤结构兼容，易于光纤器件集成化，但是受限于半导体可饱和吸收镜的低损伤阈值、有限的工作带宽、皮秒级响应时间，半导体可饱和吸收镜锁模2μm光纤激光器的输出脉宽和光谱带宽有限。且非线性吸收特性随时间推移退化明显，寿命无法保证。而8字腔非线性环形镜锁模2μm光纤激光器抗环境扰动能力强，但缺乏高掺杂保偏增益光纤和保偏三阶色散补偿光纤，另一方面，这些光纤在2μm波段处反常色散值较大，相关无源光纤器件发展相对滞后，器件的插入损耗等参数较1μm波段相差不少，在较低泵浦功率时，连续振荡光的透过率极低难以积累非线性相移量，需要较高的泵浦功率或者较长的腔长设计才能实现自启动锁模，长期以来面临自启动难的问题腔长无法缩短，因此普遍具有锁模阈值高、重频低和脉宽较宽的特点，在较高泵浦条件下由于峰值功率钳制效应进入耗散孤子共振和类噪声ns脉冲锁模机制。新型的基于自相位调制和偏移滤波技术的Mamyshev振荡器可直接输出μJ级少周期飞秒脉冲，且2μm的掺铥光纤Mamyshve振荡器已有报道，但其难以自启动问题依然未得到根本解决，离实用化仍有很长的距离要走。

而保偏9字腔非线性放大环形镜锁模机制通过简化设计和引入非互易相移器实现了腔长缩短和锁模阈值降低，设计灵活性和调节自由度多，不仅抗损伤阈值高、自启动功能强、长期稳定性好，已被验证可产生高重复率、窄脉宽和低噪声的飞秒脉冲，可满足极端环境下的精密测量应用，在高端超快激光器领域具有广阔的商业化前景。截至目前，关于9字腔锁模光纤激光器多基于掺镱和掺铒光纤组建，而关于2μm波段的9字腔锁模光纤激光器研究相当匮乏。由于非线性相移过度驱使，九字腔通常以多脉冲锁模启动，通过降低泵浦功率可以实现单脉冲锁模，也可能脉冲碰撞失锁，尤其在2μm波段，石英基光纤具有较大的反常色散，全负色散掺钬光纤9字腔激光器中脉冲分裂严重，难以实现单脉冲自启动，这极大削弱了激光器的实用性。

发明内容