[发明专利]双包层大模场面积掺镱光子晶体光纤飞秒激光器

说明书

技术领域

本发明涉及了一种双包层大模场面积掺镱光子晶体光纤飞秒激光器，属于激光技术和非线性光学领域。

背景技术

超短脉冲光纤激光器具有运转稳定，集成度高，价格低廉，维护方便等突出优势，目前已经广泛商用化，在光通信，生命科学及基础科学中超快现象的探索等领域有着广泛的应用。超短脉冲光纤激光器一般利用被动锁模获得飞秒量级的激光脉冲。超短脉冲光纤激光器的被动锁模方式有非线性偏振旋转锁模，非线性光纤环形镜锁模，半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模等几种方式。非线性偏振旋转锁模需要在光路中加入许多偏振控制元件，调整比较困难，而且这种锁模方式在高脉冲能量下容易饱和，因此仅适用于低脉冲能量超短脉冲光纤激光器。非线性光纤环形镜锁模的超短脉冲光纤激光器的重复频率很难控制，稳定性较差。半导体可饱和吸收镜基于一块集成在全反射镜上的半导体可饱和吸收体，结构紧凑，易于调整，能够实现锁模的自启动，同时使激光器获得飞秒量级的激光脉冲，非常适合于超短脉冲光纤激光器的锁模。单脉冲能量是衡量超短脉冲光纤激光器性能的重要指标。基于传统光纤的超短脉冲光纤激光器的单脉冲能量会受到以下两个方面因素制约。第一，这种光纤激光器必须使用低功率的单模二极管激光器(LD)泵浦，限制了能量的注入水平。第二，传统光纤的纤芯很小，使得高能量的超短脉冲在光纤中传输时的非线性效应较强，这会导致脉冲分裂，从而破坏超短脉冲光纤激光器运转的稳定性。基于这两方面的原因，传统的超短脉冲光纤激光器的单脉冲能量一般在皮焦耳(pJ)量级，最高也只有几个纳焦耳(nJ)。为了得到更高的脉冲能量，往往需要放大级对激光器输出的超短脉冲进行放大，而放大过程不仅增加了激光系统的成本，牺牲了其易用性，而且会对脉冲的形状及重复频率的稳定性造成一定的破坏，很大程度上限制了其应用范围。因此，直接从激光器获得高脉冲能量的超短激光脉冲输出有着突出的现实意义。双包层结构为提高超短脉冲光纤激光器的单脉冲能量提供了可能。这种光纤由纤芯，内包层和外包层构成。纤芯中掺杂增益离子，激光在单模纤芯中传输并放大，内包层作为纤芯包层，同时也是泵浦光的纤芯，允许多模的大功率LD泵浦光直接注入，外包层起到泵浦光包层的作用。为了进一步降低双包层光纤的非线性，需要大大提高纤芯的直径。在双包层光纤的内包层和外包层中引入周期排列的空气孔结构，即得到双包层光子晶体光纤。在一定的空气孔大小及孔间距情况下，这种光子晶体光纤可以提供比传统光纤大一个数量级的模场面积并保持单模运转，从而在不牺牲光束质量的同时，有效地降低光纤中的非线性，达到提高激光器单脉冲能量的目的。通过对超短脉冲光纤激光器运转机制深入的研究发现，光纤的非线性对脉冲能量提高的限制是由脉冲分裂引起的，而脉冲分裂与脉冲形状紧密相关。传统的超短脉冲光纤激光器以孤子锁模方式运转，脉冲形状为双曲正割形，其引入的非线性啁啾会导致脉冲分裂。如果使激光器工作在自相似锁模状态，会得到抛物线形的脉冲形状，而这种形状的脉冲支持线性啁啾，在很强的光纤非线性作用下，脉冲也不会分裂，从而能够使光纤激光器获得的单脉冲能量至少比传统的光纤激光器高一个数量级。光纤激光器的另一项重要指标就是其稳定性。传统超短脉冲光纤激光器的运转受周围的环境影响很大，而双包层大模场面积光子晶体光纤同时能提供的增强保偏特性使这种光纤激光器的运转能够获得极佳的稳定性。有关涉及到本发明技术的文献和报道如下：

[1]B.Ortac，A.Hideur，C.Chedot，et.al.，“Self-similar low-noise femtosecond ytterbium-dopeddouble-clad fiber laser”，Appl.Phys.B，vol.85，pp.63-67，2006；

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