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背景介绍:
  相比与传统的固体激光器,光纤激光器具有体积小、成本低、稳定性好、光束质量高、无需水冷等优点。而相比与其他方式的光纤激光器,基于NPE的锁模光纤振荡器具有脉冲能量高(nJ量级),脉冲宽度窄(百fs量级,甚至更短)等优势。
  掺铒锁模光纤激光器在超快光学、光纤传感、工业加工、光信息处理、频率测量、医疗、快点火等领域有着广泛的应用,特别是由于其输出波长(1550nm附近)位于通信波长,因而在光纤通信系统中有着极其重要的应用,如时频传输、大容量光纤传输系统、全光时钟恢复以及时钟分频系统等。
原理图

Figure 1 掺铒光纤激光器原理图(需把隔离器换成光纤的隔离器)

  根据环形腔腔内色散不同,NPE锁模可以分为:孤子类锁模、展宽脉冲类锁模、全正色散自相似类锁模等。不同类型的激光器具有不同的特征,如:孤子类容易实现稳定锁模,但是单脉冲能量低;展宽脉冲类脉冲锁模光谱宽,可支持较短的压缩后脉冲宽度,但是其需要对腔内色散进行一定的设计;全正色散自相似类脉冲能量大,但是脉冲较宽,噪声较大。
  掺铒光纤激光器的腔内色散可以通过选择不同种类的光纤来进行设计,也可以加入一些空间色散元件(如:光栅)来进行腔内色散的调节。
  下面以一个典型的掺铒光纤展宽脉冲类激光器为例介绍NPE掺铒锁模激光器,该激光器利用一个二分之一波片和两个四分之一波片实现腔内偏振的控制和选择,利用匹配正常色散的单模光纤和反常色散的增益光纤长度,从而实现色散管理类的锁模。
  980nm pump:作为整个振荡器的泵浦源提供能量,一般为单模尾纤的980nm半导体二极管。需要注意的是,在实际的搭建中,泵浦模块通常包含泵浦保护器,防止振荡器中1550nm的光反射进入泵浦源从而打坏泵浦源。
  WDM:波分复用器,将1550nm的信号光和980nm的泵浦光耦合进入同一跟光纤中。
  Er gain fiber:掺铒增益光纤,吸收980nm的泵浦光并实现1550nm信号光的放大。
  Collimator:准直器,实现光纤中激光的空间准直输出,也便于在谐振腔中加入一些空间原件(如波片,偏振分束器等等)。
  QWP:四分之一波片,腔中共有两个四分之一波片,均用于对激光的偏振状态进行控制,从而实现非线性偏振旋转锁模。
  HWP:二分之一波片,腔中共有两个二分之一波片,其中HWP-1用于对激光的偏振状态进行控制,从而实现非线性偏振旋转锁模;HWP-2用于构成空间光隔离器。
  PBS:偏振分束器,腔中共有两个偏振分束器,用于对激光的偏振状态进行控制,同时用于构成空间光隔离器。此外PBS-1还用于振荡器的激光输出。
  Isolator:隔离器,用于对腔内反向激光的隔离,从而实现单向的稳定激光输出。
  SMF:工作波长为1550nm的单模光纤
 

搭建及操作简介:

  1. 选择合适的器件。一个器件不合适就可能会造成激光器效率低,脉冲质量不佳,更会造成激光器寿命较短等问题;
  2. 选择一个合适的工作环境,包括光学平台、环境湿度、温度、外界振动和噪声等;
  3. 将以上器件按照原理结构图搭建、焊接成腔,并将光纤盘绕固定好;
  4. 打开泵浦源至一定功率水平,调节腔内的耦合(特别是两个准直器之间的耦合),如腔内损耗过大需查询是否有器件损坏或焊点损坏。
  5. 将泵浦源调节至合适功率后,利用光谱仪或示波器观测输出激光(后者需要利用光电探测器将光信号转变成电信号)。调节波片状态(两个四分之一波片和一个二分之一波片),当光谱仪上出现稳定的鼓包状光谱时且示波器上出现等间隔的稳定脉冲时,即实现了激光的锁模。
  6. 将波片状态锁死。
 
注意事项:
  1. 关于损耗:腔内的损耗的来源主要分为空间部分和光纤部分:空间部分包括器件表面的污渍,准直器耦合损耗等等;光纤部分主要来自焊接损耗和某些特殊光纤的传输损耗。损耗较大不仅会使得激光器效率变低,有时也会导致无法锁模,此外有时还会导致调Q现象,调Q脉冲的脉冲峰值功率极高且不稳定,易造成器件的损坏。
  2. 关于色散:腔内色散的不同会导致不同种类的锁模。以上腔形中可以利用匹配正常色散和反常色散的长度来调节腔内色散的大小。一般来说当腔内净色散为零附近时,锁模光谱最宽,从而可以支持最短的脉冲宽度,且此时腔内噪声最低。
  3. 脉冲分裂:当泵浦能量过高时,会出现脉冲分裂的现象,脉冲分裂会导致单脉冲能量变低,且脉冲不稳定。
  4. 脉冲压缩:对于大多数的锁模激光器其直接输出的脉冲都是具有啁啾的脉冲,因此脉冲宽度较宽,在一些应用中,对脉冲宽度有一定要求,此时则需要利用色散补偿器件进行脉冲的压缩,从而得到较短的脉冲宽度。 

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