[发明专利]具有非线性光环路镜的激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有激光谐振器的激光器，所述激光谐振器包括非线性光环路镜(non-linear optical loop mirror，NOLM)。NOLM用于引导反向传播的激光脉冲部分，并用于使得反向传播的激光脉冲部分在NOLM的出口点处互相干涉。在本发明的描述中，将术语NOLM解释为包括NALM(non-linear amplifying loop mirror，非线性放大环路镜)。

背景技术

通常，为了生成超短脉冲，需要使构成输出的激光模式之间具有固定的相位关系。通过对激光器进行锁模来固定所述相位关系。存在不同的用于锁模激光器的方法。这些方法都依赖于以下事实，即：元件设置在用于促成脉冲传输的激光器中，换言之，元件在顺时针操作(cw operation)中的损耗要高于其在脉冲状态操作中的损耗。

在光纤激光器中进行无源锁模的最常用方法采用：

(a)可饱和吸收器，

(b)非线性偏振旋转，或

(c)非线性光纤环路镜。

方法(a)比较麻烦，因为其依赖于相对较慢的处理，该处理会加重激光器中频率和振幅的噪声。由例如半导体材料或碳纳米管等制成的可饱和吸收器是非常易损的装置，施加太大的光功率很容易使其受损，并且该装置在很多情况下会出现劣化，由此限制了这类系统的使用寿命。

低噪声应用首选方法(b)和(c)，这是由于方法(b)和(c)都基于光快速克尔效应(optically fast Kerr effect)。这两种方法都属于附加脉冲锁模(APM)的领域。

另一方面，方法(b)也比较麻烦，因为这种方法利用了非偏振保持(非PM)光纤。因此，偏振状态和锁模性能依赖于诸如温度等的环境影响，而且还依赖于光纤的弯曲方式。这使得难以在较长的一段时间内不受环境变化影响地操作这类激光器。

方法(a)和(b)提供较好的自启动性。其原因是：在不进行放大的情况下，激光腔中光的往返传输在非常低的峰值功率处表现出如图9所示的典型形状，其中传输(T)为纵轴，循环峰值功率(P)为横轴。具体地，在峰值功率P为零处，依赖于强度的传输T具有非零值，并且更重要的是，传输T示出了非零的斜率，这有助于在低功率下从噪声中构建脉冲。

在以往，方法(c)是比较麻烦的，因为激光器无法自启动或者只有通过费力地使用附加有源调制器才会自启动。在美国专利7,817,684B2中说明了这种有源调制器，其安装在激光谐振器中并在激光开始脉冲之后关断。通常地，这种激光器不仅包括NOLM，而且还包括第二环路以及在这两个环路至少之一中的激光增益介质。

方法(c)的传统8字形结构不是天生就具有在功率为零处具有非零斜率的强度依赖传输T。反而，其传输函数表现出图10所示的形状。所述传输是NOLM环路中沿顺时针(cw)传播和沿逆时针(ccw)传播的脉冲之间的差动相移的振荡函数。所述相位与循环脉冲的峰值功率成比例，并且非常依赖环路的非对称性。环路的非对称性可能是由不对称地插入损耗或增益元件引起的，或者是由非对称环路耦合器所引起的。在后一种情况下，仅实现了部分调制(图10中的虚线)。

通过单模光纤来实现典型的8字形光纤激光器，由此提供两个并行的传播模式。这使得可以通过对非线性环路中的偏振进行适当的控制，来产生沿顺时针(cw)传播的脉冲和沿逆时针(ccw)传播的脉冲之间的线性(即，不依赖于强度的)相移。美国专利5,050,183和美国专利7,940,816B2中公开了对8字形激光器中的偏振进行控制。

所述文献示出：依赖于作为锁模机构的NOLM(非线性光环路镜)、或具体为NALM(非线性放大光环路镜)的脉冲激光源通常基于8字形的几何形状，并且被广为接受用于量产和非偏振保持光纤。

发明内容

本发明的一个目的是改善具有非线性光环路镜的激光器的自启动性。本发明的另一个目的是提供一种在宽的激光器参数范围内环境稳定的激光器操作。

利用权利要求1的特征来实现上述目的。在从属权利要求中描述了本发明的有利实施例。