[发明专利]波分复用器及其设计方法、制作方法和光纤激光器

说明书

本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种波分复用器及其设计方法、制作方法和光纤激光器，波分复用器包括依次连接的输入部、耦合部和输出部，耦合部的长度其中，L为光纤激光器的腔体长度，GVDsubgt;1/subgt;为单模光纤对于设定波段的单位长度色散值，GVDsubgt;2/subgt;为所述耦合部直径为设定直径时的单位长度总色散值。实现通过对耦合部的长度以及耦合部截面直径等相关参数的设计，可以使得波分复用器提供反常色散积累，以及滤除非设定波段的自发辐射光，即滤除噪声光。波分复用器接入基于掺钕光纤的设定波段光纤激光器中，能够抵消或部分抵消光纤激光器内的正常色散，同时滤除其他波段的噪声光，从而帮助启动与稳定锁模。

技术领域

本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种波分复用器及其设计方法、制作方法和光纤激光器。

背景技术

920nm波段的超短脉冲激光器在面向神经科学领域的双光子荧光显微成像方面有很好的应用。以往产生920nm超短脉冲激光(亦称为“锁模”)的方式大概有以下几类：使用钛宝石可调谐激光器或光参量振荡等方法；利用光纤的非线性效应，从其他波段(例如掺镱光纤对应的1040nm波段、掺铒光纤对应的1560nm波段、掺铥光纤对应的1.9μm波段)经过移频、倍频等处理，至920nm波段；直接利用掺钕光纤的种子源产生该波段的脉冲。第一类方案由于大量依赖空间光器件，对激光器的机械稳定性与热稳定性要求较高；第二类方案由于核心在于移频、倍频机制，十分依赖光子晶体光纤、倍频晶体等器件，会额外增加成本，且最终输出光束的品质控制仍是较为棘手的问题。

其中，上述的第三类方案，由808nm波段的半导体光泵浦源提供能量。光纤中掺杂的钕离子(Nd³⁺)吸收泵浦光后，实现粒子数反转，产生含有920nm波段的自发辐射光。经过在激光器腔内的循环振荡与放大，形成受激辐射，即形成920nm的连续激光。当腔内有合适的可饱和吸收机制(如半导体可饱和吸收镜，以及类可饱和吸收体的偏振控制组件、相移控制组件等)时，可以形成920nm的超短脉冲(通常为皮秒或飞秒级)激光，即达到锁模状态。经过脉冲压缩操作，例如在输出端使用光栅对或啁啾反射镜等提供反常色散，可得到飞秒级的超短脉冲激光。

然而，上述的第三类方案仍面临着两大固有难题：

1.主辐射波段的竞争。由原子物理和量子力学知识可知，钕离子吸收808nm波段的泵浦光子后，有较大概率发生四能级跃迁，产生1060nm-1090nm波段的光辐射；也有较小的概率发生三能级跃迁，产生920nm波段的光辐射。因而绝大多数掺钕光纤的主辐射峰为1060-1090nm波段，其强度高于920nm波段几倍乃至几十dB。要使用掺钕光纤制作920nm波段的激光器，必须想办法抑制或滤除1060-1090nm波段的自发辐射(此波段被视为噪声光)，从而阻止该波段在激光腔内形成振荡；如若不然，则1060-1090nm波段的辐射会在竞争中胜出并形成振荡，而920nm波段的辐射会被抑制并且无法形成振荡，也就无法产生920nm的激光，更无法形成锁模。

2.色散管理问题。石英光纤在920nm波段表现出较强的正常色散(群速度色散符号为正)——不仅制成光纤的石英材料本身表现为正常色散，其波导结构若不经过特殊设计，也会在该波段表现为正常色散。此外，激光腔内非线性光学效应导致的自相位调制的效果与正常色散相同，这便产生了过量的同符号相移。在通常的掺钕光纤的种子源中，由于各个纵模(即精细的光谱分量)在石英中的折射率有细微差异，在色散无法平衡且没有滤波机制的情况下，随着光在种子源腔内持续振荡，它们彼此之间的相位差逐渐拉大，便无法实现相位锁定，从而无法产生超短脉冲。因此，设法引入反常色散(群速度色散符号为负)，提供色散补偿，为各个纵模提供相反符号的相移，从而与自相位调制达到一定的平衡，是产生920nm超短脉冲的重要思路。尽管市面上有以下几种可以补偿色散的器件，但其缺点十分明显：透射/闪耀光栅、棱镜对、啁啾反射镜均为空间式器件，会占用一定的空间，不利于激光器的小型化，且对机械振动较为敏感；啁啾光纤光栅虽然是光纤式器件，对机械振动抵抗能力较好，然而设计成本较高，且需要依赖掩膜版进行特殊化定制，掩膜版本身也是一种制作成本较高的耗材。

发明内容