專利名稱：一種降低光纖放大器中非線性效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非線性顯微成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種降低光纖放大器中非線性效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的方法。
背景技術(shù)：
激光加工、非線性顯微成像等領(lǐng)域需要采用高能量的光脈沖，為此需要對激光器直接輸出產(chǎn)生的低能量脈沖進(jìn)行放大。但是在光纖放大器中，非線性效應(yīng)使得頻譜展寬、畸變，影響著輸出脈沖的質(zhì)量，故需要采取措施降低放大器中的非線性效應(yīng)。目前，廣泛采用的光脈沖放大技術(shù)絕大部分是基于線偏振光，即增益光纖中光的偏振態(tài)為線偏振，其對應(yīng)的非線性折射率較高(為圓偏振光的1.5倍)，非線性效應(yīng)較強(qiáng)。 為確保環(huán)境穩(wěn)定性，增益光纖一般為保偏光纖，實(shí)際處理難度大，系統(tǒng)成本高。最近在啁啾脈沖放大器中采用基于圓偏振光的單通放大方案，利用圓偏振光較低的非線性折射率，進(jìn)一步有效的降低了放大器中的非線性效應(yīng)(Damian N. Schimpf, Tino Eidam, Enrico Seise, Steffen Hadrich, Jens Limpert, and Andreas Tiinnermann, "Circular versus linear polarization in laser-amplifiers with Kerr-nonlinearity”，Opt. Express 17，18774-18781 (2009)) 具體為將啁啾脈沖放大技術(shù)中經(jīng)展寬器展寬后的線偏振光經(jīng)由1/4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光，在增益光纖中放大后再經(jīng)過另一個(gè)1/4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光，經(jīng)壓縮后得到高能量脈沖輸出。但是該方法中需要采用非保偏光纖。由于光纖受到環(huán)境擾動的影響，增益光纖輸出光的偏振態(tài)隨機(jī)變化，需要采用復(fù)雜的電子設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)整后續(xù)1/4波片的角度，以恢復(fù)為原線偏振，這使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 成本高昂。因此，目前需要本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切解決的一個(gè)技術(shù)問題就是如何能夠創(chuàng)新地提出一種有效措施，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種降低光纖放大器中非線性效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的方法，通過將輸入光轉(zhuǎn)換為圓偏振光以降低光纖放大器中非線性效應(yīng)，并采用雙通結(jié)構(gòu)結(jié)合法拉第旋轉(zhuǎn)鏡使得結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、環(huán)境穩(wěn)定。為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種降低光纖放大器中非線性效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的方法，所述方法包括將入射脈沖的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為線偏振；調(diào)整1/4波片的光軸使其與線偏振光的偏振方向成45°角；將經(jīng)過1/4波片后的圓偏振光耦合到增益光纖的一輸入端進(jìn)行第一次放大；將放大后的光脈沖經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；將經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡后的光脈沖再次耦合到同一增益光纖的另一輸入端，進(jìn)行第二次放大；
經(jīng)第二次放大后的光脈沖經(jīng)過1/4波片轉(zhuǎn)換回線偏振光；將轉(zhuǎn)換回的線偏振光變換回原偏振態(tài)并輸出。優(yōu)選的，所述入射脈沖為偏振光，將偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光時(shí)采用的是光環(huán)行器。優(yōu)選的，所述增益光纖包括非保偏的摻稀土離子單模、雙包層和光子晶體光纖。優(yōu)選的，所述增益光纖的泵浦方式(相對于輸入光方向)包括同向泵浦、反向泵浦及雙向泵浦。優(yōu)選的，所述增益光纖的泵浦耦合采用端面泵浦或側(cè)面泵浦方式。優(yōu)選的，進(jìn)行第二次放大時(shí)使用的是同一增益光纖。優(yōu)選的，進(jìn)行第二次放大時(shí)光由增益光纖的另一端輸入。優(yōu)選的，所述輸出的光的偏振方向與原偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90°。優(yōu)選的，所述非保偏的摻稀土離子包括摻鉺、鐿鉺共摻、摻鐿、摻釹、摻銩、銩鈥共摻、摻鈥、摻鐠、摻鏑、摻銪、摻釤、鉺銩共摻、鉺鑭共摻。優(yōu)選的，所述法拉第旋轉(zhuǎn)鏡包括光纖準(zhǔn)直器、空間法拉第旋轉(zhuǎn)器及反射鏡；或光纖集成式的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；或光纖式法拉第旋轉(zhuǎn)器及光纖布拉格光柵；或光纖式法拉第旋轉(zhuǎn)器及薩格納克干涉儀。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過簡單的器件(1個(gè)1/4波片)實(shí)現(xiàn)了基于圓偏振光的脈沖放大，并有效降低了放大器中的非線性效應(yīng)；該放大技術(shù)可與現(xiàn)有的脈沖放大技術(shù)(如啁啾脈沖放大技術(shù)及分離脈沖放大技術(shù)等)結(jié)合，進(jìn)一步降低放大器中的非線性效應(yīng)，且實(shí)現(xiàn)簡單；由于采用了雙通結(jié)構(gòu)結(jié)合法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的方案，該技術(shù)對于環(huán)境擾動具有魯棒性，工作穩(wěn)定。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述的一種降低光纖放大器中非線性效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施實(shí)例中線偏振光脈沖輸入下，用空間準(zhǔn)直器、空間法拉第旋轉(zhuǎn)器及反射鏡實(shí)現(xiàn)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中將基于圓偏振光的雙通放大器得到的輸出光譜圖及其與基于線偏振光的雙通放大器的比較。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。實(shí)施例參照圖1，示出了本發(fā)明的所述的一種降低光纖放大器中非線性效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的方法的流程圖，所述方法具體包括步驟S101，將入射脈沖的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為線偏振；具體實(shí)現(xiàn)中入射脈沖可為任意偏振光，將任意偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光可使用任何形式的偏振無關(guān)光環(huán)行器。當(dāng)入射光偏振態(tài)已為線偏振時(shí)，此部分可由1/2波片及偏振分束器組成，其中應(yīng)調(diào)整1/2波片的角度使出射光全部透過偏振分束器。
步驟S102，調(diào)整1/4波片的光軸使其與線偏振光的偏振方向成45°角；所述的1/4波片為對應(yīng)工作波長的1/4波片；步驟S103，將經(jīng)過1/4波片后的圓偏振光耦合到增益光纖的一輸入端進(jìn)行第一次放大；在具體的應(yīng)用中，增益光纖為非保偏的摻稀土離子(包括但不限于摻鉺、鐿鉺共摻、摻鐿、摻釹、摻銩、銩鈥共摻、摻鈥、摻鐠、摻鏑、摻銪、摻釤、鉺銩共摻、鉺鑭共摻等)光纖。依照光纖結(jié)構(gòu)分類，該增益光纖包括但不限于普通單模增益光纖、雙包層增益光纖、光子晶體增益光纖等。其中，增益光纖的泵浦方式(相對于輸入光方向)包含同向泵浦、反向泵浦及雙向泵浦，具體的，增益光纖的泵浦耦合可采用端面泵浦或側(cè)面泵浦。步驟S104，將放大后的光脈沖經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；實(shí)際中，法拉第旋轉(zhuǎn)鏡可由如下方式組成光纖準(zhǔn)直器、空間法拉第旋轉(zhuǎn)器及反射鏡，光纖集成式的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，光纖式法拉第旋轉(zhuǎn)器及光纖布拉格光柵，光纖式法拉第旋轉(zhuǎn)器及光纖薩格納克(Mgnac)干涉儀。步驟S105，將經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡后的光脈沖再次耦合到同一增益光纖的另一輸入端，進(jìn)行第二次放大；該步驟中進(jìn)行第二次放大時(shí)使用的是同一增益光纖，且進(jìn)行第二次放大時(shí)光由增益光纖的另一端輸入。步驟S106，經(jīng)第二次放大后的光脈沖經(jīng)過1/4波片轉(zhuǎn)換回線偏振光；該步驟中的1/4波片的取向與步驟S102中相同。步驟S107，將轉(zhuǎn)換回的線偏振光變換回原偏振態(tài)并輸出。該步驟中將線偏振光轉(zhuǎn)換為原偏振光所采用的裝置與步驟SlOl相同，最后輸出的光的偏振方向與原偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90°。下面參照圖2，詳細(xì)敘述本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施基于圓偏振雙通放大器的實(shí)例。其中，1-反射鏡；2-空間法拉第旋轉(zhuǎn)器；3-光纖準(zhǔn)直器；4-增益光纖；5-合束器或波分復(fù)用器；6-1/4波片；7-偏振分束器；8-1/2波片。本實(shí)例中具體采用的是圖2所示的采用空間元件構(gòu)成法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的方案。旋轉(zhuǎn)1/4波片使其光軸與輸入光的偏振方向成45°。實(shí)例中的種子脈沖為線偏振光，具體參數(shù)為重復(fù)頻率19.9MHz，中心波長 1031nm,半高全寬5. 6ps,-3dB頻譜寬度0. 3nm。所用增益光纖為10/125 μ m雙包層摻鐿光纖(即纖芯直徑為10 μ m，內(nèi)包層直徑為125 μ m)，合束器將高功率多模泵浦光耦合進(jìn)增益光纖。光纖準(zhǔn)直器的輸出光斑直徑為1mm，空間法拉第旋轉(zhuǎn)器為1040nm處45°旋轉(zhuǎn)器。將由此方法得到的17. 6nJ輸出脈沖耦合進(jìn)光譜儀檢測其光譜，結(jié)果如圖3所示。黑線為本實(shí)例所得光譜，紅線為基于線偏振光雙通放大器時(shí)的輸出光譜，二者對應(yīng)的脈沖能量、峰值功率相同。由光譜峰值的數(shù)目粗略估計(jì)非線性相移，前者對應(yīng)的非線性相移為 1. 5 π，后者則近似為 2. 25 π (Govind P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics (4th edition), Academic Press 2007)。可見，后者將非線性相移降低了 1.5倍，與理論預(yù)期一致。系統(tǒng)工作穩(wěn)定。綜上，采用本發(fā)明的方法，可以有效地降低放大器中的非線性效應(yīng)引起的頻譜展寬，輸出脈沖具有相對較高的頻譜質(zhì)量，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。以上對本發(fā)明所提供的一種降低光纖放大器中非線性效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種降低光纖放大器中非線性效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的方法，其特征在于，所述方法包括將入射脈沖的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為線偏振；調(diào)整1/4波片的光軸使其與線偏振光的偏振方向成45°角；將經(jīng)過1/4波片后的圓偏振光耦合到增益光纖的一輸入端進(jìn)行第一次放大；將放大后的光脈沖經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；將經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)鏡后的光脈沖再次耦合到同一增益光纖的另一輸入端，進(jìn)行第二次放大；經(jīng)第二次放大后的光脈沖經(jīng)過1/4波片轉(zhuǎn)換回線偏振光； 將轉(zhuǎn)換回的線偏振光變換回原偏振態(tài)并輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述入射脈沖為偏振光，將偏振光轉(zhuǎn)換為線偏振光時(shí)采用的是光環(huán)行器。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述增益光纖包括非保偏的摻稀土離子單模、雙包層和光子晶體光纖。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述增益光纖的泵浦方式(相對于輸入光方向)包括同向泵浦、反向泵浦及雙向泵浦。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述增益光纖的泵浦耦合采用端面泵浦或側(cè)面泵浦方式。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于 進(jìn)行第二次放大時(shí)使用的是同一增益光纖。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于 進(jìn)行第二次放大時(shí)光由增益光纖的另一端輸入。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述輸出的光的偏振方向與原偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90°。
9.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述非保偏的摻稀土離子包括摻鉺、鐿鉺共摻、摻鐿、摻釹、摻銩、銩鈥共摻、摻鈥、摻鐠、摻鏑、摻銪、摻釤、鉺銩共摻、鉺鑭共摻。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述法拉第旋轉(zhuǎn)鏡包括光纖準(zhǔn)直器、空間法拉第旋轉(zhuǎn)器及反射鏡；或光纖集成式的法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；或光纖式法拉第旋轉(zhuǎn)器及光纖布拉格光柵；或光纖式法拉第旋轉(zhuǎn)器及薩格納克干涉儀。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種降低光纖放大器中非線性效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定的方法，通過簡單的器件(1個(gè)1/4波片)實(shí)現(xiàn)了基于圓偏振光的脈沖放大，并有效降低了放大器中的非線性效應(yīng)；該放大技術(shù)可與現(xiàn)有的脈沖放大技術(shù)(如啁啾脈沖放大技術(shù)及分離脈沖放大技術(shù)等)結(jié)合，進(jìn)一步降低放大器中的非線性效應(yīng)，且實(shí)現(xiàn)簡單；由于采用了雙通結(jié)構(gòu)結(jié)合法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的方案，該技術(shù)對于環(huán)境擾動具有魯棒性，工作穩(wěn)定。
文檔編號H01S3/13GK102270810SQ20111011975
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者孔令杰, 楊昌喜, 肖曉晟 申請人:清華大學(xué)