光子晶体光纤的双通放大器

摘要

本发明提供一种光子晶体光纤的双通放大器，涉及激光技术领域，其信号光依次经过半波片(1)、偏振片(2)、第一透镜(3)、棒状光子晶体光纤(5)和第二透镜(6)后，被第一双色镜(9)反射经过四分之一波片或45°旋光器(7)后，被凹面反射镜(8)反射并再次经过四分之一波片(7)，之后被第一双色镜(9)反射并依次经过第二透镜(6)、棒状光子晶体光纤(5)和第一透镜(3)至偏振片(2)，并被反射输出；泵浦光依次经过第一双色镜(9)、第二透镜(6)到棒状光子晶体光纤(5)中；本发明充分的利用棒状光纤的放大能力，使得信号光两次通过棒状光子晶体光纤，实现高能超短脉冲的有效放大，其放大增益高。

权利要求

1.一种光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，包括：沿第一轴同轴依次设置的半波片(1)、偏振片(2)、第一透镜(3)、棒状光子晶体光纤(5)、第二透镜(6)和第一双色镜(9)，以及沿第二轴同轴设置的四分之一波片或45°旋光器(7)和凹面反射镜(8)，所述第一轴和所述第二轴相交于所述第一双色镜(9)朝向所述棒状光子晶体光纤(5)的入射面，且所述第一双色镜(9)同时位于所述第二轴；还包括同轴设置于所述第一双色镜(9)接收泵浦光的一侧的第二双色镜(10)；

泵浦端的泵浦光经过所述第一双色镜(9)后，被所述第二透镜(6)聚焦耦合到所述棒状光子晶体光纤(5)中；

信号端的信号光依次经过所述半波片(1)和所述偏振片(2)后，由所述第一透镜(3)聚焦耦合至所述棒状光子晶体光纤(5)并穿过所述棒状光子晶体光纤(5)，所述信号光在所述棒状光子晶体光纤(5)中结合泵浦光进行第一次放大，然后，经过一次放大的信号光通过所述第二透镜(6)，再经过所述第一双色镜(9)，并被所述第一双色镜(9)反射至所述四分之一波片或45°旋光器(7)，经过所述四分之一波片或45°旋光器(7)后，被所述凹面反射镜(8)原路反射回所述四分之一波片或45°旋光器(7)，再次经过所述四分之一波片或45°旋光器(7)后被所述第一双色镜(9)反射并再次经所述第二透镜(6)聚焦耦合返回穿过所述棒状光子晶体光纤(5)，经过一次放大的信号光在所述棒状光子晶体光纤(5)中结合泵浦光进行第二次放大，之后经过二次放大的信号光再次经过所述第一透镜(3)和所述偏振片(2)，最后被所述偏振片(2)反射输出；

所述第一轴和所述第二轴垂直相交；

所述第二双色镜(10)和所述第一双色镜(9)之间成V型设置。

2.如权利要求1所述的光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，还包括同轴设置于所述第一透镜(3)和所述棒状光子晶体光纤(5)之间的球面反射镜(4)，所述球面反射镜(4)将穿过所述棒状光子晶体光纤(5)的泵浦光反射回所述棒状光子晶体光纤(5)中。

3.如权利要求2所述的光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，所述球面反射镜(4)的球面中心位于所述棒状光子晶体光纤(5)朝向所述偏振片(2)的端面。

4.如权利要求3所述的光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，所述第一双色镜(9)和所述第二双色镜(10)均对信号光高反、对泵浦光高透，且相互之间垂直设置。

5.如权利要求4所述的光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，还包括第三透镜(11)，其同轴设置于所述第二双色镜(10)接收泵浦光的一侧。

6.如权利要求5所述的光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，所述第二透镜(6)、所述第一双色镜(9)、所述第二双色镜(10)和所述第三透镜(11)设置于同一个镜筒中。

7.如权利要求1所述的光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，所述第一透镜(3)为平凸透镜且精密可调，其凸面朝向所述棒状光子晶体光纤(5)。

8.如权利要求1所述的光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，所述偏振片(2)为薄膜偏振片。

9.如权利要求1所述的光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，信号光为线偏振光，中心波长1030nm或1053nm。

10.如权利要求1所述的光子晶体光纤的双通放大器，其特征在于，泵浦端采用高功率激光，输出中心波长976nm的泵浦光。

说明书

光子晶体光纤的双通放大器

技术领域

[0001] 本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种利用棒状光子晶体光纤实现双通放大的光子晶体光纤的双通放大器。

背景技术

[0002] 高能飞秒激光具有脉宽窄、峰值功率高、光谱宽度大等优点，在超精细微加工、微光子器件制造、超快非线性光学、太赫兹产生、纳米生物工程、国防激光武器等领域有着广泛的应用。在光纤中获得高能飞秒的激光输出，一般采用啁啾脉冲放大技术，但是由于光纤自身结构的限制，其模场直径比较小，百微焦甚至毫焦的高能超短脉冲在传播过程中，非线性积累大，易导致最终放大之后的脉冲很难被有效的压缩得到高信噪比的超短飞秒脉冲。

[0003] 光子晶体光纤具有大的模场面积，目前其模场直径最大可以达到100μm左右，且泵浦吸收效率高，可实现信号放大的高增益，具有保偏输出特性和近衍射极限的光束质量输出，同时其激光损伤阈值高，是理想的超短脉冲放大的增益介质。

[0004] 目前比较常见的棒状光子晶体光纤的放大方式为单通放大器，其基本光路如图1所示，信号端，透镜31将信号光聚焦耦合进入棒状光子晶体光纤32，经过双色镜34反射出去。该单通放大器的泵浦端采用后向泵浦，泵浦光透过凸透镜36和凸透镜33耦合进入棒状光子晶体光纤，在凸透镜36和凸透镜33之间垂直设置双色镜34、35。双色镜34、35对1030nm的信号光高反，对976nm的泵浦光高透，双色镜34、35垂直放置，一方面作为放大光的隔离，防止放大的激光进入泵浦LD激光器，破坏泵浦LD激光器，另一方面作为放大光的导出镜。这种单通放大器是目前比较成熟的技术，但是，其主要缺点是不能充分的利用棒状光纤的放大能力，放大增益较低。

发明内容

[0005] 基于此，有必要针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种光子晶体光纤的双通放大器，以有效解决现有技术存在的问题。

[0006] 一种光子晶体光纤的双通放大器，其包括：沿第一轴同轴依次设置的半波片(1)、偏振片(2)、第一透镜(3)、棒状光子晶体光纤(5)、第二透镜(6)和第一双色镜(9)，以及沿第二轴同轴设置的四分之一波片或45°旋光器(7)和凹面反射镜(8)，所述第一轴和所述第二轴相交于所述第一双色镜(9)朝向所述棒状光子晶体光纤(5)的入射面，且所述第一双色镜(9)同时位于所述第二轴；

[0007] 泵浦端的泵浦光经过所述第一双色镜(9)后，被所述第二透镜(6)聚焦耦合到所述棒状光子晶体光纤(5)中；

[0008] 信号端的信号光依次经过所述半波片(1)和所述偏振片(2)后，由所述第一透镜(3)聚焦耦合至所述棒状光子晶体光纤(5)并穿过所述棒状光子晶体光纤(5)，所述信号光在所述棒状光子晶体光纤(5)中结合泵浦光进行第一次放大，然后，经过一次放大的信号光通过所述第二透镜(6)，再经过所述第一双色镜(9)，并被所述第一双色镜(9)反射至所述四分之一波片或45°旋光器(7)，经过所述四分之一波片或45°旋光器(7)后，被所述凹面反射镜(8)原路反射回所述四分之一波片或45°旋光器(7)，再次经过所述四分之一波片或45°旋光器(7)后被所述第一双色镜(9)反射并再次经所述第二透镜(6)聚焦耦合返回穿过所述棒状光子晶体光纤(5)，经过一次放大的信号光在所述棒状光子晶体光纤(5)中结合泵浦光进行第二次放大，之后经过二次放大的信号光再次经过所述第一透镜(3)和所述偏振片(2)，最后被所述偏振片(2)反射输出。

[0009] 本发明一较佳实施方式中，所述第一轴和所述第二轴垂直相交。

[0010] 本发明一较佳实施方式中，还包括同轴设置于所述第一透镜(3)和所述棒状光子晶体光纤(5)之间的球面反射镜(4)，所述球面反射镜(4)将穿过所述棒状光子晶体光纤(5)的泵浦光反射回所述棒状光子晶体光纤(5)中。

[0011] 本发明一较佳实施方式中，所述球面反射镜(4)的球面中心位于所述棒状光子晶体光纤(5)朝向所述偏振片(2)的端面。

[0012] 本发明一较佳实施方式中，还包括同轴设置于所述第一双色镜(9)接收泵浦光的一侧的第二双色镜(10)，所述第二双色镜(10)和所述第一双色镜(9)之间成V型设置。

[0013] 本发明一较佳实施方式中，所述第一双色镜(9)和所述第二双色镜(10)均对信号光高反、对泵浦光高透，且相互之间垂直设置。

[0014] 本发明一较佳实施方式中，还包括第三透镜(11)，其同轴设置于所述第二双色镜(10)接收泵浦光的一侧。

[0015] 本发明一较佳实施方式中，所述第二透镜(6)、所述第一双色镜(9)、所述第二双色镜(10)和所述第三透镜(11)设置于同一个镜筒中。

[0016] 本发明一较佳实施方式中，所述第一透镜(3)为平凸透镜且精密可调，其凸面朝向所述棒状光子晶体光纤(5)。

[0017] 本发明一较佳实施方式中，所述偏振片(2)为薄膜偏振片。

[0018] 本发明一较佳实施方式中，信号光为线偏振光，中心波长1030nm或1053nm。

[0019] 本发明一较佳实施方式中，泵浦端采用高功率激光，输出中心波长976nm的泵浦光。

[0020] 相较于现有技术，本发明提供的光子晶体光纤的双通放大器充分的利用棒状光纤的放大能力，使得信号光两次通过棒状光子晶体光纤，提取棒状光纤中存储的能量，实现高能超短脉冲的有效放大，其放大增益高。

附图说明

[0021] 图1为现有棒状光子晶体光纤的单通放大光路图；

[0022] 图2为本发明较佳实施例提供的光子晶体光纤的双通放大器的光路图。

具体实施方式

[0023] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

[0024] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

[0025] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0026] 请参阅图2，本发明一较佳实施例提供一种光子晶体光纤的双通放大器，其包括：沿第一轴同轴依次设置的半波片1、偏振片2、第一透镜3、棒状光子晶体光纤5、第二透镜6和第一双色镜9，以及沿第二轴同轴设置的四分之一波片或45°旋光器7和凹面反射镜8，所述第一轴和所述第二轴相交于所述第一双色镜9朝向所述棒状光子晶体光纤5的入射面，且所述第一双色镜9同时位于所述第二轴；泵浦端的泵浦光经过所述第一双色镜9后，被所述第二透镜6聚焦耦合到所述棒状光子晶体光纤5中；信号端的信号光依次经过所述半波片1和所述偏振片2后，由所述第一透镜3聚焦耦合至所述棒状光子晶体光纤5并穿过所述棒状光子晶体光纤5，所述信号光在所述棒状光子晶体光纤5中结合泵浦光进行第一次放大，然后，经过一次放大的信号光通过第二透镜6，再经过所述第一双色镜9，并被所述第一双色镜9反射至所述四分之一波片或45°旋光器7，经过所述四分之一波片或45°旋光器7后，被所述凹面反射镜8原路反射回所述四分之一波片或45°旋光器7，再次经过所述四分之一波片或45°旋光器7后被所述第一双色镜9反射并再次经所述第二透镜6聚焦耦合返回穿过所述棒状光子晶体光纤5，经过一次放大的信号光在所述棒状光子晶体光纤5中结合泵浦光进行第二次放大，之后经过二次放大的信号光再次经过第一透镜3和所述偏振片2，最后被所述偏振片2反射输出。

[0027] 优选地，所述第一轴和所述第二轴垂直相交。

[0028] 本发明采用保偏棒状光子晶体光纤5作为放大增益介质，可降低光纤系统的非线性积累，使得放大之后的信号光可以被有效的压缩，同时采用偏振片2进行偏振控制、配合第一双色镜9、四分之一波片或45°旋光器7及凹面反射镜8有效地实现了信号光的双通放大，获得了信号光的最大增益。

[0029] 本实施例中，信号光为线偏振光，中心波长1030nm、功率800mW、脉宽600ps、光谱宽度6nm、重频200KHz。需要说明的是，该组参数只是本实施例选用的参数，在其它场合，波长也可以是1053nm，功率、脉宽、光谱宽度、重频可以选择其它应用值。

[0030] 本实施例中，所述半波片1的作用是调整信号光的线偏振的振动方向，使得信号光全部透过偏振片2。

[0031] 优选地，所述偏振片2为薄膜偏振片，其透射特定振动方向的线偏振光，反射与该透射方向垂直的振动方向的光，用于构成双通放大的光路。

[0032] 本实施例中，所述第一透镜3聚焦从所述偏振片2透射的信号光，优选地，所述第一透镜3装载于精密调整架中，具有上下左右的精密调节功能，使得信号光可以精确耦合到棒状光子晶体光纤5中，本实施例中，为了装配方便，所述第一透镜3为平凸透镜，其凸面朝向所述棒状光子晶体光纤5，焦距为20mm。在本实施例中，焦距在17‑22mm范围均可，只是在20mm时效果最好。可以理解的是，所述第一透镜3的聚焦作用可以使信号光耦合进入棒状光子晶体光纤5，而且在最佳耦合下，可以保证信号光的大部分能量处在棒状光子晶体光纤5的纤芯中。

[0033] 本实施例中，所述光子晶体光纤的双通放大器还包括同轴设置于所述第一透镜3和所述棒状光子晶体光纤5之间的球面反射镜4，所述球面反射镜4将穿过所述棒状光子晶体光纤5的泵浦光反射回所述棒状光子晶体光纤5。具体地，所述球面反射镜4的球面中心位于所述棒状光子晶体光纤5朝向所述偏振片2的端面，由此，从所述棒状光子晶体光纤5输出的泵浦光在所述球面反射镜4的反射下，重新回到所述棒状光子晶体光纤5中，使得泵浦光也实现了两次通过棒状光子晶体光纤5提高了光子晶体光纤5对泵浦光的吸收效率，进而可提高泵浦光的利用率，降低多余泵浦光产生的热，提高系统的稳定性。

[0034] 本实施例中，所述棒状光子晶体光纤5作为光子晶体光纤的双通放大器的增益介质，可放大通过其纤芯的信号光。具体地，所述棒状光子晶体光纤5为纤芯100μm的保偏光纤(芯径越大越好)、长度80cm、模场直径76μm、信号光数值孔径0.02、在976nm波长的泵浦吸收系数为30dB/m、外直径1.7mm、双端熔接有端帽。

[0035] 本实施例中，所述第二透镜6的作用主要用于聚焦耦合泵浦光。

[0036] 本实施例中，四分之一波片或45°旋光器7用于改变信号光的偏振方向，保证信号光两次通过时的偏振方向总共旋转90度，进而使得放大的输出信号光从所述偏振片2最终导出。

[0037] 本实施例中，所述凹面反射镜8用于反射信号光，使信号光原路返回。

[0038] 本实施例中，所述光子晶体光纤的双通放大器还包括同轴设置于所述第一双色镜9接收泵浦光的一侧的第二双色镜10，所述第二双色镜10和所述第一双色镜9之间成V型设置，可以理解的是，所述第二双色镜10和所述第一双色镜9之间可以采用正向设置的方式，使其呈正V型，也可以采用反向设置的方式，使其呈倒V型，即“∧型”。优选地，所述第一双色镜9和所述第二双色镜10均对信号光高反、对泵浦光高透，且相互之间垂直设置。所述第一双色镜9和所述第二双色镜10一方面是对放大光的隔离，防止放大的激光(即信号光)进入泵浦LD激光器，破坏泵浦LD激光器，另一方面，作为双通放大的反射镜，提供双通放大的光路反射。

[0039] 本实施例中，所述光子晶体光纤的双通放大器还包括第三透镜11，所述第三透镜11同轴设置于所述第二双色镜10接收泵浦光的一侧。

[0040] 优选地，所述第二透镜6、所述第一双色镜9、所述第二双色镜10和所述第三透镜11设置于同一个镜筒中。

[0041] 本实施例中，泵浦端采用高功率激光，输出中心波长976nm的泵浦光，泵浦光数值孔径0.6。泵浦光依次通过所述第三透镜11和所述第二透镜6耦合到棒状光子晶体光纤5的内包层中，为棒状光子晶体光纤5的放大提供增益。

[0042] 所述光子晶体光纤的双通放大器的光路为：泵浦端的泵浦光经过第三透镜11的准直后，依次穿过第二双色镜10和第一双色镜9；然后经过第二透镜6的耦合聚焦，进入所述棒状光子晶体光纤5，穿过所述棒状光子晶体光纤5后被球面反射镜4反射回所述棒状光子晶体光纤5。信号端准直输入的信号光进入半波片1，经过半波片1的偏振调整后，以与偏振片2的透射方向相同的偏振方向进入偏振片2，并几乎全部通过偏振片2；然后经过透镜3的聚焦耦合后进入棒状光子晶体光纤5，信号光的大部分能量均处于棒状光子晶体光纤5的纤芯中；信号光穿过棒状光子晶体光纤5之后，通过第二透镜6射向第一双色镜9，并被第一双色镜9反射至四分之一波片或45°旋光器7，经过四分之一波片或45°旋光器7后到达凹面反射镜8，被凹面反射镜8反射回四分之一波片或45°旋光器7，并再次通过四分之一波片或45°旋光器7，此时信号光两次经过四分之一波片或45°旋光器7，偏振方向改变90度(与偏振片2的透射方向垂直)；之后信号光经过第一双色镜9的反射及第二透镜6的聚焦耦合再次进入棒状光子晶体光纤5，穿过棒状光子晶体光纤5后经过第一透镜3射向偏振片2，由于此时信号光的偏振方向垂直于偏振片2的透射方向，因此被偏振片2反射输出。

[0043] 可以理解的是，信号光第一次通过棒状光子晶体光纤5时，即经过第一通放大，信号光第二次反向通过棒状光子晶体光纤5时，即结合泵浦光经过第二通放大，由此即可对信号光实现双通放大。

[0044] 可以理解的是，穿过棒状光子晶体光纤5的多余泵浦光，出了棒状光子晶体光纤5的端面即发散开，本实施例中，采用球面反射镜4，并使其球面中心位于棒状光子晶体光纤5的输出端面，由此输出的泵浦光在球面反射镜4的反射下，重新回到棒状光子晶体光纤5中，因此可以提高泵浦光的利用率，并可有效降低多余泵浦光产生的热，提高光子晶体光纤的双通放大器的稳定性。

[0045] 验证表明，所述光子晶体光纤的双通放大器具有高效的放大能力，在输入信号光功率大于2.5W，泵浦光功率达到200W的情况下，可以实现输出放大光70W以上的百皮秒的超短脉冲输出，增益达到35倍。

[0046] 相较于现有技术，本发明提供的光子晶体光纤的双通放大器采用大模场的保偏棒状光子晶体光纤5作为放大增益介质，可降低光纤系统的非线性积累，使得放大之后的信号光可以被有效的压缩，同时采用偏振片2进行偏振控制、配合第一双色镜9、四分之一波片或45°旋光器7及凹面反射镜8有效地实现了信号光的双通放大，获得了信号光的最大增益。并且，所述光子晶体光纤的双通放大器采用球面反射镜4反射穿过棒状光子晶体光纤5的泵浦光，使得泵浦光也实现了两次通过棒状光子晶体光纤5，提高了棒状光子晶体光纤5对泵浦光的吸收效率，降低了穿过棒状光子晶体光纤5的多余的泵浦光产生的热效应，提高了系统的稳定性。最终可以有效解决高能超短脉冲在光纤中的高效放大问题。

[0047] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。