光纤激光器锁模启动机制（二）在线视频

我们这个

由Kerr效应组成的光纤激光器的

第二种类型叫

非线性偏振旋转锁模激光器

叫Nonlinear Polarization Rotation

或者叫Evolution

所以它简称叫NPR或者叫NPE

那它的原理是什么

看一下左边这个图仍然是Kerr效应

Kerr效应还是那个

n等于n0加上n2I

这个折射率

是跟入射到这个介质的光强有关

强光部分它的折射率对应的就强

弱光部分对应的折射率就弱

那这个时候如果进入的这个介质

它是一个偏振光的话

那强光部分的偏振

旋转的这个角度和弱光部分

旋转的这个角度就不一样

那看这个左边这个图

比方说这个绿颜色这条曲线

是这个脉冲中强光部分

它的这个偏转的这个方向

而红颜色的这条曲线

是弱光部分它的这个偏振方向

那这个时候

它们两个的偏振方向不太一样了

有一个夹角

这个时候咱们在这个激光器中

如果放一个检偏器

这个检偏器让它的方向对准强光部分的

这个跟强光方向的一个偏振方向一样

那这个时候

强光部分就通过了这个检偏器

而弱光部分就被挡掉了

所以因此也相当于

跟固体激光介质中的

Kerr锁模的那个类型是一样的

让强光部分过去弱光部分被切掉

这样子就可以产生锁模脉冲

所以这个是它的锁模启动机制

那这个锁模启动机制的

具体的这个装置

看一下右边这个图

说先给一个偏振光

所以前面有一个偏振片出来这个光

是一个偏振光

经过一个波片以后

让它变成圆偏

这是一个四分之一波片

然后经过光纤以后

这个光纤因为有非线性效应

里头强光部分和弱光部分

它的折射率是不一样的

因此在出了光纤以后

它的强光部分和弱光部分的

偏振态就不太一样了

这个时候仍然

加一个这个四分之一波片

把圆片仍然换成线偏光

然后再加后面

加一个二分之一波片

就转一下这个波片

转一下这个输出光的偏振方向

如果这个输出的光的偏振方向

和后边的那个检偏片

如果让它两个方向一致

好强光部分就过来了

然后经过激光器还可以被放大

弱光部分

因为它的这个偏振方向

和偏振片的方向是不一样的

所以它就会部分损耗掉

当在激光器中

这个光路循环多次以后

强光部分就是越来越强

弱光部分就逐渐逐渐的衰减

这样子就使得脉冲

变成了一个窄脉冲

产生一个锁模脉冲序列

所以这个是NPR锁模的最基本的原理

然后把它放到激光器中去

就可以产生锁模脉冲

所以这个图

是一个NPR锁模的环形腔的光纤激光器

看一下上面这几个分立元器件

有一个四分之一波片叫QWP

和这个isolator

是做这个单向输出的

然后加一个滤波器

那后面再加一个PBS时

一个是检偏

一个是起输出作用

在后面有一个

还有一个四分之一波片

还有一个二分之一波片

这个是启动部分

就是锁模

其实就是等于说类可饱和吸收体那一部分

然后因为这部分光

如果是分立器件的话

输出的光还是有一个光束的宽度的

然后咱们把它放到一个collimator

一个准直器里头

把这束光收集到光纤中去

然后再经过Yb这个激光器

是一个Yb增益的激光器

经过掺Yb的

那个增益光纤被放大

然后就输出了

这个WDM

相当于是入射光就是泵浦光的

这个耦合器

现在如果是掺Yb的激光的话

那入射的泵浦光是980的

用的泵浦光是980纳米的

输出光就在1040纳米附近

用这个装置就可以获得锁模脉冲输出

这个是06年的一个报道

出来的脉宽就可以获得

170飞秒脉冲能量

可以到3纳焦

但是要想给大家解释一下

是说这个出来的这个脉冲

它的这个光谱的形状

在不同的位置处

它的光谱是长得不一样的

所以这个图

是模拟了一下这个不同位置处

脉冲的光谱这个有这个

在滤波器之前

有滤波器之后

给了五个位置的

那光谱就可以看到

左边这个就有点像高斯脉冲

或者是有点像抛物线介于之间

右边这个就有点像猫耳朵形了

有两个尖峰出来了

然后下面这两个光谱看着就比较好

所以如果想要不同的光谱形状

大家也可以选择不同位置让它输出

这个刚才说过

这个激光器因为它有分立器件

有两个四分之一波片

有一个二分之一波片

还有一个这个偏振棱镜

另外收光的时候还要用两个collimator

那在光纤激光器

前面讲过

光纤激光器它的主要的一个优点

是可以全光纤化

比较那个稳定系统的这个腔参数

导致的这个结构是比较稳定的

那所以如果能够

把这个分立元器件也变成光纤的

那就更好了

那所以一种现在

也有一种这个就是器件

可以把它就是做成光纤的

还有一个

就是因为前面提到说

光纤它本身也是有双折射作用的

双折射作用其实包含有

比方说滤波器的作用

它也有滤波作用

也有这个偏振特性

所以可以把这个腔做简化

这个是

我们实验室做了简化以后的一个腔的结构

大家可以看得到

就是除了有这个WDM

是泵浦光耦合进来

仍然是掺镱的掺杂光纤

然后出来以后加了isolator

这个isolator也可以做成光纤式的

两边做光纤焊接出来以后

这个激光器中只有一个分离元器件

PBS

然后通过调整不同的光纤的状态

也仍然可以获得稳定的锁模的脉冲

右边是我们获得的锁模脉冲序列

以及它的那个RF频谱

RF频谱看到这个系统

还是很稳的 所以这是一个简化腔

到目前为止这个用这个装置

做到的一个这个最高的重频是

张志刚老师他们那个组可以得到

一个G的赫兹

所以这个就可以做高重频

下面看一下这个NPR锁模

刚才说的那个

可以输出各种类型的不同的脉冲

然后看看

它到底能输出什么样的类型

这个结构是一个常规的NPR模激光器

仍然回来了

还有分离元器件

有几个半波片有四分之一波片

还有PBS

然后里头加了一个滤波片

那个双折射滤波滤波片BF

这个腔长的参数

如果设计腔长是8米

然后这个耦合器的分束比是一比一

就五十对五十

采用的是偏振无关的光纤隔离器

这样子可以得到一个输出脉冲

这个脉冲就有不同的类型

包括什么

包括耗散孤子 类噪声

以及多脉冲输出的形式

这个脉冲它的这个泵浦阈值

是在300毫瓦哈

相对的来说是略微高一点

如果在泵浦功率

为420毫瓦的时候

可以输出这个锁模脉冲的平均功率

是在120毫瓦

这个时候调节激光器的不同的状态

就可以得到上面的那个脉冲

看一下这个自相关谱

看着还是可以有点像高斯脉冲

但是它的光谱的形状里头那个插图

里头插图的光谱是这样子的

如果连续调节它里头的

这个光纤的偏振状态的时候

就可以得到下面的这个光谱图

就变成了有一点像猫耳朵型的了

而且它的那个光谱的宽度

还可以连续可调

最窄的脉宽可以得到

是这个17.7皮秒

压缩以后可以得到249飞秒

就是可以连续调节

这是它的一个输出结果

进一步改变它的这个腔参数的时候

可以得到这个

一个类噪声的脉冲输出

什么叫类噪声

给大家解释一下

就是这个脉冲看一下右边这个图

右边这个图就是它这个脉冲它的一波包

仍然是一个脉冲的形式

并且仍然是一个皮秒

大概是一个皮秒这么脉宽的这个形式

但是在这个大的波包下

而且它这个波包

也是周期性的这个输出的

但是在这个大的波包下

如果仔细看就会发现

它里头有很多个小的细碎的脉冲

而每一个脉冲它的振幅和相位

都是随机的

就有点像那个噪声一样

因此管它叫类噪声脉冲

但它仍然是一个超短脉冲

所以它的自相关曲线

就是有一个底下有个底座

是一个大的台阶儿

然后在这个底座的中间

有一个小小的尖峰

这个大的底座对应的就是

这个脉冲的波包的这个特性

所以它的宽度就对应的是波包的宽度

而上面那个小的那个尖峰

看一下这个插图里头

那个插图是那个小的尖峰

打开以后的那个形状

那个插图里头的那个尖峰代表的是

这个类噪声里头的那个

小的脉冲的平均的脉宽

因此这个类噪声脉冲

它的底座的宽度就得到了一个

是这个14.37皮秒

而肩峰的脉宽是

在126飞秒的样子

这个谱宽还可以谱宽是在二十个纳米

那这是一个类噪声状态

都是用的是同一个激光器

只是它的那个光纤的

这个偏振状态不一样

并且进一步调节

还可以得到二次谐波输出和

三次谐波输出

另外还有一个状态

就是当我们进一步增加这个功率的时候

大家知道刚才讲那个

可饱和吸收曲线的时候

有一个这个可饱和吸收曲线有一个最高值

最高值以后的这个区叫反饱和区

当这个腔内的功率

大于这个钳制功率的时候

这个时候它就会进入另外一个状态

叫耗散孤子共振

耗散孤子共振的状态是什么

看一下左边的这个左上角这个图

就是到了这个状态

接着再增加泵浦功率的时候

它的这个峰值功率就不再变了

就变成了一个有点像

一个方波一样的形式

但是它的脉宽就逐渐逐渐的在增加

所以管它叫耗散孤子共振

这个时候随着泵浦功率的增加

输出的脉冲的能量是增加的

但是它

它的峰值功率不变

原因就是它的脉宽展宽了

右边是它的光谱图左边

是这个左下角是它的一个脉冲序列

看着也还是很规整的

它的这个R F频谱图右下角

是的R F频谱图

给出来它的那个db数

再接着调

还有这个激光器中

还可以出现另外一种状态

叫双脉冲

但是这个脉宽比较宽

就到了纳米结构了

所以就左边有一个脉冲右边有一个脉冲

而且这两脉冲长得还不太一样

这个就是NPR锁模里头

它有几种输出不同的锁模脉冲类型

所以这个有哪几种

就是有这个叫传统孤子锁模

有耗散孤子有耗散孤子共振

还有类噪声

这个耗散孤子共振和类噪声

是在反饱和区产生的

因为光纤有这个自然退偏作用

所以输出的脉冲特性

有的时候不太稳定

那如果要想要得到

一个稳定的输出脉冲

希望这个激光器中用

保偏光纤

它对环境的这个敏感度就比较低了

但是保偏光纤有一个问题

就是在一般的这个光纤中

它的双折射的拍长是比较短的

一般是在两到三个毫米

两个三个毫米

就是如果有双折射现象

大家还记得双折射的意思

就是说打比方说

X方向和Y方向的偏振光

它们俩的折射率是不一样的

折射率不一样就造成

它们两个的传输速度不一样

这就是色散的问题

那传到一定的程度之后

这两个脉冲就有可能分离

分离了之后它们两个之间就没有耦合了

没有耦合就没有交叉相位调制了

所以在这个光纤激光器中

希望它不要分离开

就是

要抑制这个两个分量的走离效应

那走离效应怎么办

可以想办法

就是可以把它这个保偏光纤

给它按一段儿一段儿一段的

给它焊接起来

就是前段儿让它的这个偏振方向

是沿着Y方向

再接一段变成X方向

YXY

所以它这样子它走离效应

就可以相互补偿了

看下面这个图

就是一开始两个偏振方向的光

是在一个位置

然后经过一段距离之后

这两个脉冲红颜色的

和蓝颜色的光就走离了

然后让它再翻回来

就是谁走得快

再让它走得慢一点

谁走的慢就让它走得快一点

就经过另外一段光纤之后

这两个脉冲就又重合了

但是这个里头有一个问题在哪儿

就是这个需要的是

使得这两段光纤

就是它的长度要严格匹配才行

这是它的一个主要的问题

还有一种办法

就是可以在这个腔里头

加一个法拉第旋转镜

就右边的这个图

脉冲过去之后

然后到了终端加一个法拉旋转镜

让它再返回来返回来之后

返回来之后呢这个对于长度来说

就会变得比较小一些了

那因此可以

把这两个方法结合起来

就可以做成一个保偏的光纤激光器

这个就是

一个保偏光纤激光器的一个结构图

这个里头大家可以看到

它的关键就是不同点是

在下面右下角这一段

就是它让这个保偏光纤

它每一段保偏光纤它之间的

那个偏振角

让它有一个角度的焊接

角度的焊接

在这个实验中

它这两个角度的这个夹角

大概是在三十二度

这样子加三段不同的光纤

就可以使它这个既解决了走离效应

又可以用

偏振光纤来做这个激光器

这个结果是一个17年的一个结果

可以获得它的拍长是2.4毫米

用的这个腔长是十米的腔长

获得了一个

中心波长在1032纳米的

一个脉冲序列

脉宽是得到了一个7.6皮秒的

脉冲输出功率

在这个泵浦功率374毫瓦的时候

输出功率是17.5毫瓦

另外一个装置

刚才这个是一个环形腔

也可以做一个线性腔的

保偏NPR锁模光纤激光器

这个装置是一个线性偏振腔的

就是里头加了一个法拉第旋转器

这个装置的优点是

可以调这个后面的那个四分之一波片

当它调四分之一波片

不同的位置的时候

可以获得不同的锁模脉冲输出状态

这个是它的这个输出结果

右边这个是测了一下这个稳定器

它的稳定特性

看到它这个稳定特性还是不错的哈

第三种这个锁模机制

就是叫Mamyshev

他用的这个装置叫Mamyshev再生器

它是由这个Mamyshev先生

在一九九八年提出来的

主要的是要解决什么问题

前面说过了

这个不管是8字形腔也好

还是NPR也腔也好

还是传统孤子锁模激光器也好

它的这个输出脉冲

如果功率大的时候都会被分裂

而如果用这个

可饱和吸收锁模的时候

需要得到一个

大的调制深度的调制器

这样获得的脉冲才窄

并且可以输出一个高能量的脉冲

但是前面这几个

锁模机制都有它的不足

那所以就提出一个

这样子的一个这个结构来

这个结构是最早

其实是一个脉冲整形的装置

大家看一下

就是入射的这个脉冲

左边这个入射的脉冲有两个脉冲

一个是P一

一个是P二

它们俩的功率高低不一样

然后让它经过一个光纤

如果这个光纤是一个高非线性光纤

那就更容易了

如果不是高非线性也没关系

因为光纤本身是有非线性效应的

那这个光在进来的时候

对于这个高功率部分

就P1这个光功率部分的脉冲

因为它的功率高

所以它经过光纤之后

就会产生一个比较强的非线性效应

这个强的非线性效应在前面也讲过了

这个SPM效应导致

光谱展宽

并且光谱展成了一个

两边是一个对称光谱

两边峰比较高

中间有许多小的比较矮的峰的

这么一个光谱形状

就像这个图中的右边上面这个图

它两边的峰是比较高的

这个时候如果

在这个光纤后面加一个滤波器

让这个滤波器让它的这个光这个波长

是刚好等于λ加上这个Δλ

那这个时候这个光就过去了

就输出一个脉冲

但是再看下面这个图

下面这个如果是P2

这个功率比较小的这个脉冲入射

那这个时候也经过这个光纤

但是因为它的非线性效应比较小

所以它光谱长宽的就比较小

就长成了下面的那个形式

光谱转换的比较窄

那这

这时候仍然用同一个滤波器

这个时候这个下面这个脉冲

就没有能够通过滤波器的这部分能量

那因此下面这个脉冲

就叫损耗掉了

因此这个可以拿这个

作为一个整形装置

就是如果底下有很多噪声

就可以把噪声去掉

把想要的那个脉冲就可以提取出来了

所以早期它是用在

这个脉冲净化的这个装置中的

可以拿它看看

是不是可以做

激光器的可饱和吸收体

其实它就是一个可饱和吸收体

什么意思

就是当功率低的时候

这个脉冲过不去

当功率高的时候

这个脉冲就过去了

那就是可饱和吸收体的作用嘛

因此可以拿这个装置来做

可饱和吸收体产生锁模脉冲

但是这个

有一个问题在哪儿看一下这个图

看一下这个图

看到就是它的

这个调制深度是从零开始的

也就是这个可饱和吸收体

它的调制深度可以到百分之百

优点就是调制深度可以做得很大

那缺点也是调制很深度很大

调制深度很大的问题出在哪儿

就是不能够自锁模