一种教学用简易飞秒光纤激光器的研制

= E( t)
其中 , T = 1 = 2nL 为脉冲的周期同时也是腔周 $M c 期。 ( 2) 式表明这样一种锁定的激光器输出的光强 将不再是无规则的起伏 , 而是周期 性地规则变化。 这种激光器即为锁模激光器。 假设所有纵模相等 , 并都等于零, 而且有 N 个 振荡模, 它们是等振幅的 , 则不难证明 E( t) = E m
EE
m
m
ei e
2P ( M+ m $M )
0
t+
1 +< $M m
EE
m
i[ 2P(M + m$M ) t+ < ]
0 m
m
e
i
2P
M 0 +m $M
模原理进行分析的基础上从实验教学的角度出发寻 ( 2) 求一种低成本、 高稳定性和易于实现锁模运转, 便于 对影响激光脉冲宽度和稳定性的各项参数进行分析 研究和教学演示的高校教学用飞秒激光系统解决方 案。
。 2003 年, H . Lim 等
报道了重复频率 46 MH z, 52 f s 被动锁模掺镱光纤 激光器[ 14] 。在国内飞秒光纤激光器虽然起步较晚, 但也取得了不少的进展[ 15 ) 17] 。目前报导的由被动 锁模光纤激光 器产生的最短激光脉冲 的宽度已达 50 f s[ 18] 。本文借鉴国内外的这些研究工作, 在对锁
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第3期
朱海波 , 等 :
一种教学用简易飞秒光纤激光器的研制
教学实验的飞秒激光系统。该系统应具有成本低、 操作简单、 维护方便、 稳定性好等特点。
腔内的各个相位混乱的谐频振荡模中依靠腔内的主 动调制或被动非线性调制机制发展到稳定锁模的。 因此, 从锁模的原理来说, 锁模激光器一般分为主动 锁模和被动锁模两大类[ 4] : 其中被动锁模是产生飞 秒脉冲的一种非常行之有效的方法。通过该方法可 以在激光腔内不使用任何有源调制器件的情况下实 现超短脉冲输出。实现光纤激光器的被动锁模方法 主要包 括 SESAM 半 导 体 可 饱 和 吸收 体 被 动 锁 模 、 非线性光纤环镜 [ 7 ) 12] 锁模 等等。
*
要 : 介绍了一种适合于日常高校光学或光电技术专业 的研究 生和高 年级本 科生熟 悉、 了 解飞秒 激光教 学实验
用的飞秒光纤激光器。该飞秒激光光源基于非线性 旋转偏振效应被动锁模原理 , 输出 脉冲宽度 为 440 fs、 脉宽 带宽积为 0. 362、 中心波长在 1560 nm 附近、 平均 输出功率为 12 mW、 脉冲重复频率为 31. 15M H z 。 关 键 词 : 激光 ; 飞秒光纤激光器 ; 环形腔 ; 非线性偏振旋转 ; 被动锁模 文献标识码 : A 中图分类号 : T N 242
图1 教学用飞秒光纤激光器的光路结构图
Er 3+ 光纤得 到增 益放 大时 , 在 光纤的 非线 性效 应 ( Kerr 效应) 作用下, 会产生非线性相移。由于非线 性相移与光强有关 , 因而沿脉冲不同部位产生的非 线性相移不同, 从而使得脉冲各部位的偏振态发生 了变化。通过调整 PC1 使被放大的光脉冲 的偏振 方向以合适的取向通过偏振相关光隔离器从而经历 最小的偏振相关的损耗。这种非线性偏振旋转效应 与偏振控制器和偏振相关隔离器的综合作用, 使得 初始光脉冲在光腔内反复循环时, 其强度较低的前、 后沿越来越弱, 而峰值却越来越强 , 相当于受到可饱 和吸收体效应的影响, 最后形成稳定的超短脉冲 并在耦合器输出。隔离器 ISO 同时用来阻止腔内 的后向振荡, 形成单方向行波激光器。
光 学
技
术
第 37 卷
的充分又不会有信号的太大损失。为防止表面反射 对锁模的影响, 所有接头均用 APC 转接。 图 3 为 用 500 MH z 示 波 器 ( YOKOGA WA DL 9040 型) 和光电二极管 ( T hor labs D400F C) 测出 的脉冲图形 , 此时环形腔的腔长为 11 m, 激光器的 泵浦光源功率设置为 88 m W 。从示波器读出的脉 冲周期为 60. 4 ns, 对 应的脉冲 重复频率 为 16. 556
2
实验光路图及原理分析
我们所搭建的教学用飞秒光纤激光器的光路结
构图如图 1 所示。这是一个由全光纤器件组成的环 形腔激光器 , 包括一个 980nm/ 1550nm 波分复用器 ( WDM) 、 一段1. 5 m 长的掺铒光纤、 总长 4 m 的普
Ee
m i 2P Mt
0
i[ 2P ( M+ m $M )t
0
引
言
熟悉飞秒脉冲激光基本特性的人才需求越来越大, 国内高校和相关科研院所针对学生开展的普及性飞 秒激光实验条件却显得非常不足。究其原因主要是 当今高校和科研单位的飞秒激光器主要为基于块状 激光晶体和光学器件的固体激光器, 且大都专用于 某个具体科研领域。而由于这类飞秒激光系统往往 价格昂贵, 操作复杂 , 维护繁琐, 决定了其很难应用 到通常的以教学为目的的 光学实验中。在此背景 下 , 找到适合于日常高校光学或光电技术专业的研 究生和高年级本科生熟悉、 了解飞秒激光的教学实 验和演示的飞秒激光器便显得尤为必要。本篇所做 的工作便是致力于寻找最适合高校及相关科研院所
[ 13] [ 7 ) 12]
EE
m
e
i[ 2P ( M+ m $M ) t+ < ]
0 m
, 其中 E m 为
第 m 个纵模的振幅, <m 为其位相。 通常 , 不同纵模的 相位之间没有固定联系 , 因而导致激光输出强度的 快速、 无规则起伏。 当不同纵模之间的相位存在固定 联系时, <m 成为和时间无关的常数 , 如果此 时频率 间隔 $M q 也是一个常量 , 则激光器的输出光场将满 足下式 E( t + T ) = =
*
收稿日期 : 2010 -10 -11; 收到修改稿日期 : 2010 -12 -08 基金项目 : 国家自然科学基金重点项目 ( 60637020)
E - mai l: z huhaibo@ mailnankai. edu. cn
作者简介 : 朱海波 ( 1988 - ) , 男 , 南开大学硕士研究生 , 从事飞秒激光研究。
第 37 卷 第 3 期 2011年5月
光 学 技 术
OP T ICA L T ECH N IQU E
Vo l. 37 No . 3 M ay 2011
文章编号 : 1002 - 1582( 2011) 03 -0304 - 05
一种教学用简易飞秒光纤激光器的研制
朱海波, 朱晓农
( 南开大学 现代光学研究所 飞秒激光实验室 , 天津 300071) 摘
图4
锁模脉冲光谱曲线
在实验过程中发现, 当保持所有光纤的位置固
图2 飞秒光纤激光器谐振腔图片
( 上图为光纤环路熔接前图片 , 下图为熔接后的图片 )
0
= E me
t) # sin ( PN $M sin( P$M t)
( 3)
通单模光纤 [ 各器 件的尾纤 ( SMF - 28) 之 和] 、 一个 10% 的输出耦合器、 一个偏振相关光隔离器、 两个光 偏振控制器 ( PC1、 PC2) 。激光器的泵浦源为带尾纤 输出 的 974 nm 的 半 导 体 激光 器 ( LU 0980M500 980nm) 在图 1 中未示出。 图 2 为激光器环形腔的实物光路图。该飞秒 光纤激光器的工作原理为 : 偏振相关光隔离器输出 的线偏光经过 PC2 成为椭圆偏振光 , 此时脉冲各部 位的椭圆光长、 短轴间的相位差相同 , 但脉冲中间部 位的光强要高于脉冲前后沿的光强。当脉冲经过掺 305
[ 5] [ 6]
1
1. 1
飞秒激光脉冲的主要产生机理
锁模原理 激光器在高激发水平下运转时往往会有一系列
的纵模同时发生振荡, 它们位于激光谱线的增益带 宽之内, 其频率满足如下条件 M q = qc 2nL ( 1)
、 非线性旋转偏振效应被动
式中 c 为真空中的光速; n 为折射率 ; L 为激光器腔 长; q 为整数。 由于折射率 n 是频率的函数 , 因此 , 两 c 严格来 相邻纵模的频率间隔 $M q = M q- M q-1 = 2nL 说不是一个常数。 在这种情况下, 激光器输出的总光 波可表示为 E( t ) =
M H z。由于测量系统 的带宽或有限的时间分辨率 的限制 , 图 3 所显示的脉冲的形状和脉宽并不是实 际真实脉冲形状和脉宽。
图3
示波器实时显示的锁模脉冲
( 相邻脉冲间隔为 60. 4 ns)
图 4 为用光谱分析仪 ( ANDO AQ- 6315E) 测量 的与图 3 对应 的脉 冲 的光 谱 , 其 3 dB 谱 宽约 为 10nm 。光谱仪在每 5 s 扫描一次的过程中光谱的形 状保持不变。
从 1960 年世界第一台红宝石激光器( 脉冲氙灯 泵浦 ) 诞生以来 , 各种类型和不同功能的激光器如雨 后春笋般涌现出来。上世纪 80 年代发展起来的光 纤激光器以高稳定性、 结构简单、 免调整、 易于使用、 维护简单等诸多优点 , 在工业、 医疗、 国防等技术领 域发挥了重要作用。尤其是近些年发展起来的飞秒 光纤激光器对精密制造业如精密切割、 精密打孔、 小 尺寸微焊和 微创手术 等产生了 巨大的推动 作 用[ 1- 3] 。 面对现代光电技术制造业和光生物科技发展对
Construction of a femtosecond fiber laser for teaching
ZHU Haibo, ZHU Xiaonong
( F emtosecond L aser L ab, Institute of M o der n O pt ics, N ankai U niv ersity , T ianjin 300071, China) Abstract: I t is sho wn that a femtosecond fiber laser w ith a pulse r epetit ion r ate of 31 M H z, pulse w idth o f 440 fs, cent ral waveleng th of 1560 nm and 12 mW aver age o ut put pow er is successfully const ruct ed. Such a laser so ur ce sho ws ex cellent stability w ith litt le f requency chir p, and it is co mpact, r obust, lig htw eig ht, inexpensive, and easy to o perat e and maintain. With all t hese advantag es, this laser is v ery suitable fo r bo th g raduat e and underg raduate students to st udy and ex per iment on femtoseco nd laser s. Key words: laser ; femtosecond fiber laser ; r ing cavity; no nlinear polarization rotat ion; passive mo de locking