[实用新型]2μm高功率高性能的锁模光纤激光器

说明书

本实用新型公开一种2μm高功率高性能的锁模光纤激光器，包括激光振荡腔和泵浦源。激光振荡腔包括第一光纤连接头、第一准直透镜、二向色镜、第一四分之一波片、第一二分之一波片、偏振分束器、光隔离器、第二四分之一波片、第二准直透镜和第二光纤连接头，还包括光纤，光纤的相对的两端分别连接于第一光纤连接头和第二光纤连接头，光纤包括增益光纤和匹配光纤，增益光纤为高掺杂浓度掺铥光纤，匹配光纤为标准单模光纤；泵浦源与二向色镜对应设置，泵浦源可发出激光，并经二向色镜反射，通过准直透镜空间耦合泵入光纤。本实用新型技术方案能够缩短激光器腔长而达到提高脉冲重复频率的效果，以便锁模光纤激光器可输出高平均功率。

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，特别涉及一种2μm高功率高性能的锁模光纤激光器。

背景技术

相关2μm激光在许多领域有着广泛的应用，例如：利用水分子对2μm波段激光的强烈吸收特性，该波段激光可应用于生物医疗和气体传感等领域；利用2μm激光具有较低的双光子吸收效率特性，该波段激光可作为非线性转换应用的光源；由于2μm激光位于人眼安全波段，该波段激光可用作激光雷达光源。锁模光纤激光器在能量效率、系统稳定性、小型化和成本方面远优于固体激光器，发展基于光纤激光器的高功率超短脉冲激光光源是大势所趋。

在实际应用中，用较高平均功率激光作为光源是提高数据采集速率和信噪比的必要手段，因此获得更高平均功率的输出是目前锁模光纤激光器设计的一个重点。想要获得高功率高性能的输出，主要需要克服以下难点：

一是激光器内锁模器件的损伤阈值。目前锁模光纤激光器的锁模方式可分为采用真实可饱和吸收体锁模和采用人工可饱和吸收体锁模两种方式。常见真实可饱和吸收体包括半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管、石墨烯等光强依赖材料，利用其光强越大透过率越大的特性，可轻易实现激光器锁模，但由于材料固有的损伤阈值限制，采用该种方式搭建的激光器无法获得很高的平均功率。目前采用SESAM锁模掺铥光纤激光器的重复频率已可以轻松达到GHz量级，然而由于SESAM的损伤阈值限制，使得这些高重频激光器的输出功率一般在50mW以下。而人工可饱和吸收体锁模方式，包括非线性偏振旋转(NPE)和非线性光纤环路反射镜，是通过利用光学元件与非线性光学克尔效应结合实现锁模，损伤阈值极高(几十瓦到上百瓦不等)，因此采用人工可饱和吸收体锁模方式更有利于实现锁模光纤激光器的高功率高性能输出。

二是光纤激光器锁模脉冲的建立是基于光学自相位调制效应与光纤色散之间的相互平衡，该物理机制导致锁模脉冲的能量受限(一般为1nJ量级)，而激光器平均功率是脉冲能量与脉冲在腔内往返时间的比值，故激光器有效光学长度亦会影响其输出平均功率。缩短激光器腔长以达到提高脉冲重复频率(即缩短脉冲腔内往返时间)是得到高功率输出的简单手段。然而，在光纤激光器中，为了满足激光起振阈值，通常采用较长的增益光纤，导致腔长达到数米(对应重复频率约为数十MHz)，因此输出功率受限(一般小于200mW)。

Biao Sun等人于2016年在光学快报(Optics Letters)上发表名为《无色散补偿的248MHz飞秒掺铥全光纤激光器》(Dispersion-compensation-free femtosecond Tm-dopedall-fiber laser with a 248MHz repetition rate)的文章中基于NPE锁模方法搭建锁模光纤激光器，采用输出耦合器-光隔离器-波分复用器集成器件缩短腔长，将振荡器的脉冲重复频率提高到248MHz，但由于全光纤结构累积非线性相位大以及耦合器输出耦合比低等限制，输出功率仅达到36.3mW，使NPE耐高功率的特点并未被充分开发。