CN103199415B - 稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器 - Google Patents
稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，包括依次设置的能预先补偿进入光纤中激光偏振变化的偏振控制模块，将激光进行放大的光纤放大模块，将超连续谱进行展宽的超连续谱展宽模块，和进行光强探测的偏振探测模块，以及对输出光强进行实时监控的分析控制模块；所述偏振控制模块、光纤放大模块、超连续谱展宽模块、偏振探测模块和分析控制模块依次连接，分析控制模块的输出信号再反馈到偏振控制模块上。本发明利用超连续谱展宽自身产生的偏振相关特性以及压电陶瓷挤压光纤，具有反应快、成本低廉、结构简单、稳定性高等优点，有利于在光谱探测、光梳合成等领域大规模推广应用。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种光子晶体光纤稳定地展宽超连续谱的光纤激光器，属于激光控制领域。
【背景技术】
光学频率梳的实现需要将载波包络相位(CEP)偏移稳定，测量CEP的抖动首先需要将光梳的激光展宽为覆盖一个倍频程的超连续光谱。光子晶体光纤用于超连续谱的展宽，展宽的光谱的功率密度与光子晶体光纤的入射光的偏振态抖动有关。
为了保持光子晶体光纤展宽的光谱状态稳定。一般在主放大级使用保偏的双包层增益光纤进行放大，这样能够保证放大后激光的偏振态稳定。但是保偏的双包层光纤制作困难、工艺不成熟、价格昂贵，会使系统的成本大大增加。
而且由于光纤的芯径以及形状不同，这种保偏光纤不能和光纤激光器振荡级直接熔接，必须改用透镜对光束进行模场之后再耦合。空间耦合增加了光纤激光器系统的复杂度，另外空间耦合的效率远远低于光纤直接熔接的效率。
另外，保偏光纤要配合一系列的保偏器件来使用，进一步增大了系统的成本，而且大模场保偏光纤光学元件制作工艺也相对不成熟，限制了这种方法的推广应用。
本发明就是在此种情况下作出的。
【发明内容】
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种可以反馈控制多种光纤，例如单模光纤、多模光纤、光子晶体光纤、大模场光纤等等。本发明可以方便的对光子晶体光纤产生的白光光源进行控制，获得稳定性好的偏振白光光源。本发明利用超连续谱展宽自身产生的偏振相关特性以及压电陶瓷挤压光纤，具有反应快、成本低廉、结构简单、稳定性高等优点，有利于在光谱探测、光梳合成等领域大规模推广应用。
本发明所采用的技术方案是：
一种稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：包括有依次设置的能预先补偿进入光纤中激光偏振变化的偏振控制模块100，将激光进行放大的光纤放大模块200，将超连续谱进行展宽的超连续谱展宽模块300，和进行光强探测的偏振探测模块400，以及对输出光强进行实时监控的分析控制模块500；所述偏振控制模块100、光纤放大模块200、超连续谱展宽模块300、偏振探测模块400和分析控制模块500依次连接，分析控制模块500的输出信号再反馈到偏振控制模块100上。
如上所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的偏振控制模块100由采用多个压电陶瓷制成的光纤挤压器及高强度光纤组成。
如上所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的高强度光纤为单模光纤或多模光纤或大模场双包层光纤或者光子晶体光纤。
如上所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的光纤放大模块200包括有依次设置的高功率光纤隔离器201，多模半导体激光器202，全光纤泵浦合束器203和掺杂增益光纤204以及第一光纤准直镜205；所述偏振控制模块100输出的种子光，进入全光纤泵浦合束器203的输入端，多模半导体激光器202连接全光纤泵浦合束器203的泵浦输入端，全光纤泵浦合束器203的公共端连接掺杂增益光纤204，掺杂增益光纤204输出的高功率激光通过第一光纤准直镜205准直后，进入超连续谱展宽模块300。
如上所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的超连续谱展宽模块300包括有依次设置的第一波片301、光栅压缩对302、第一高反镜303、第二高反镜304、第二波片305、光纤耦合镜306、光子晶体光纤307、第二光纤准直镜308构成；光纤放大模块输出的高功率激光束通过第一波片301调节偏振方向，然后激光反复通过光栅压缩对302，其中第一高反镜303反射第二次透过光栅的脉冲，压缩脉冲宽度，压缩后的激光脉冲位置低于入射脉冲，可以通过第二高反镜304反射出来，反射出来的脉冲输出到第二波片305，进行偏振方向调整，然后通过光纤耦合镜306进入光子晶体光纤307进行超连续光谱的展宽，展宽后的脉冲通过第二光纤准直镜308输出。
如上所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的偏振探测模块400包括有依次设置的非平衡分束片401、窄带滤光片402、光电探测器403；所述超连续谱展宽模块输出的激光通过非平衡分束片分束后，较弱的光束通过窄带滤波器402滤波后，通过光电探测器403探测光功率，较强的超连续谱激光输出使用。
如上所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的分析控制模块500实时比较探测光强与初始光强差值，并将差值调节到初始差值来稳定输出光的偏振态。
如上所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的掺杂增益光纤204为掺杂稀土元素中的一种或多种掺杂的单模光纤或大芯径多模光纤或双包层光纤或光子晶体光纤。
如上所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述光栅压缩对302为透射式光栅对、反射式光栅对。
本发明的有益效果是：
本发明利用光子晶体光纤展宽时光谱功率密度与光子晶体入射激光相关的特性，通过监测展宽光谱中特定波长的光强度，利用电动偏振控制模块来反馈补偿放大过程中引入的偏振扰动，输出光谱功率密度稳定的超连续光谱。
1、本发明通过探测光子晶体光纤展宽后超连续谱的特定谱线的强度来反馈预补偿激光的偏振态，能够准确高效进行稳定控制。
2、本发明采用的压电陶瓷制成的光纤偏振控制器具有相应速度快的优点，能够补偿快速的偏振抖动。
3、本发明采用的偏振控制模块插入损耗小，能够直接用于激光振荡级与放大级之间，也可插入预防大级与功率放大级之间。
4、本发明所采用的偏振控制器适用于所有光学波段，可以用于掺杂稀土元素(镱、铒、铥、钬、镨)光纤放大器偏振的反馈控制。
5、本发明可以反馈控制特定波段的强度以及相位，能够控制超连续光谱的谱宽，获得需要的光谱分布。
6、本发明能够对高功率光纤激光器进行控制，展宽超连续谱后获得的白光光源可以作为白光武器，使人短时致盲，应用于国内防暴，或者战争中使敌方暂时丧失攻击能力。
7、本发明对泵浦光的波长不敏感，可以使用任意波长泵浦，能够提高泵浦光的利用率，提高激光器效率。
8、本发明能够获得稳定的超宽带连续谱，可以进一步压缩得到周期量级脉冲。
【附图说明】
图1为本发明的示意图。
图2为偏振控制模块的示意图。
图3为同向泵浦的光子晶体光纤稳定地展宽超连续谱的激光器的示意图。
图4为反向泵浦的光子晶体光纤稳定地展宽超连续谱的激光器的示意图。
图5为分析控制模块的工作流程图。
图中：100、偏振控制模块，101、第一光纤挤压器，102、第二光纤挤压器，103、第三光纤挤压器，104、受控光纤。200、光纤放大模块，201，光隔离器，202、半导体多模激光器，203、泵浦合束器，204、掺杂增益光纤，205第一光纤准直镜。300、超连续谱展宽模块，301、第一波片，302、光栅压缩对，303、第一高反镜，304、第二高反镜，305、第二波片，306、光纤耦合镜，307、光子晶体光纤，308、第二光纤准直镜。400、偏振探测模块，401、非平衡分束片，402、窄带滤光片，403、光电探测器。500、分析控制模块。
【具体实施方式】
如图1所示，稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，包括有依次设置的能预先补偿进入光纤中激光偏振变化的偏振控制模块100，将激光进行放大的光纤放大模块200，将超连续谱进行展宽的超连续谱展宽模块300，和进行光强探测的偏振探测模块400，以及对输出光强进行实时监控的分析控制模块500；所述偏振控制模块100、光纤放大模块200、超连续谱展宽模块300、偏振探测模块400和分析控制模块500依次连接，分析控制模块500的输出信号再反馈到偏振控制模块100上。
通过偏振探测模块400来探测光子晶体光纤展宽的光谱功率密度来监测入射激光功率的变化情况，进而通过由光纤挤压器构成的控制模块来偏振控制电动偏振控制器，实现稳定的超连续谱输出。
作为本实施例的优选方式，所述的偏振控制模块100由采用多个压电陶瓷制成的光纤挤压器及高强度光纤组成。如图2所示，所述的偏振控制模块100包括3块成一定角度排列的光纤挤压器(101、102、103)和受控光纤104。该受控光纤104为高强度光纤。所述的受控光纤104可以是单模光纤、或者多模光纤、或者大模场双包层光纤或者高强度光子晶体光纤。光纤挤压器由压电陶瓷制成，可以挤压光纤产生额外的双折射，改变其中激光的偏振态。三个光纤挤压器(101、102、103)如图2所示，其中光纤挤压器102的轴向呈45度，不同角度的挤压会引起偏振态以庞加莱球赤道平面上的某个直径为主轴旋转，这样三个自由度能够保证激光的偏振态被有效地补偿回预定位置。
作为本实施例的优选方式，所述的光纤放大模块200包括有依次设置的高功率光纤隔离器201，多模半导体激光器202，全光纤泵浦合束器203和掺杂增益光纤204以及第一光纤准直镜205。
所述偏振控制模块100输出的种子光，进入全光纤泵浦合束器203的输入端，所述的多模半导体激光器202连接全光纤泵浦合束器203的泵浦输入端，所述的全光纤泵浦合束器203的公共端连接到所述的掺杂增益光纤204，所述的掺杂增益光纤204输出的高功率激光通过所述的第一光纤准直镜205准直后，进入超连续谱展宽模块300。
其中，所述的掺杂增益光纤204为掺杂稀土元素中的一种或多种掺杂的单模光纤或大芯径多模光纤或双包层光纤或光子晶体光纤。
此外，所述的超连续谱展宽模块300包括有依次设置的第一波片301、光栅压缩对302、第一高反镜303、第二高反镜304、第二波片305、光纤耦合镜306、光子晶体光纤307、第二光纤准直镜308构成。
光纤放大模块200输出的高功率激光束通过第一波片301调节偏振方向，然后激光反复四次通过透射式光栅对302(其中第一高反镜303反射第二次透过光栅的脉冲)，压缩脉冲宽度。压缩后的激光脉冲位置低于入射脉冲，可以通过第二高反镜304反射出来，反射出来的脉冲输出到第二波片305，调整偏振方向，然后通过光纤耦合镜306进入光子晶体光纤307进行超连续光谱的展宽，展宽后的脉冲通过第二光纤准直镜308输出。
其中，所述光栅压缩对302为透射式光栅对、或者可以是反射式光栅对。
所述的偏振探测模块400包括有依次设置的非平衡分束片401、窄带滤光片402、光电探测器403。所述超连续谱展宽模块输出的激光通过非平衡分束片401分束后，较弱的光束通过窄带滤波器滤波后，通过光电探测器探测光功率，较强的超连续谱激光输出使用。本实施例中的非平衡分束片401采用98：2的分束片进行分光。
所述的分析控制模块500实时比较探测光强与初始光强差值，并将差值调节到初始差值来稳定输出光的偏振态。
如图1所示，图中所示分别为光纤偏振控制模块100，光纤放大模块200，超连续谱展宽模块300,探测模块400，分析控制模块500。光强较弱的种子光通过偏振控制模块后进入光纤放大模块，放大后的激光通过光子晶体光纤模块进行展宽，展宽后的超连续激光通过探测模块进行光强探测，偏振探测模块获得的信息通过分析控制模块处理后，反馈控制偏振控制模块。
其中一种实施方式为：
一种同向泵浦的光子晶体光纤稳定地展宽超连续谱的激光器，采用如图3所示的结构。主要包括：尾纤输入输出的偏振控制模块100，高功率光纤隔离器201，输出功率为10W的中心波长为976nm的多模半导体激光器202，(1+1)×1结构的泵浦合束器203，1米长的掺镱双包层光纤204，第一光纤准直镜205，工作波长1064nm的1/2波片301，1200线/毫米的透射式光栅对302，1064nm的高反镜303和304，工作波长1064nm的1/2波片305，光纤耦合透镜306，光子晶体光纤307，第二光纤准直镜308，98：2分束镜401，615nm窄带滤波片402，光电探测器403，分析控制模块500。
其中电控偏振模块100输出的种子光通过高功率光纤隔离器201进入泵浦合束器，多模半导体激光器202连接泵浦合束器203的泵浦输入端，泵浦合束器203的公共端连接1m长的掺镱双包层光纤204，掺镱双包层光纤的输出光通过第一光纤准直镜205准直后输出。激光通过工作波长1064nm的1/2玻片301改变偏振方向，然后激光反复四次通过透射式光栅对302(其中1064nm的高反镜303反射第二次透过光栅的脉冲)，压缩脉冲宽度。
压缩后的激光脉冲位置低于入射脉冲，可以通过一面1064nm的高反镜304反射出来，然后激光经过一个工作波长1064nm的1/2玻片305调节偏振角度后，通过光纤耦合透镜306入射入光子晶体光纤307，强激光在光子晶体光纤307内发生自相位调制等非线性效应，展宽为超连续光谱。
超连续谱经过一个98：2的非平衡分束片分光401，98％的光作为输出光，2％的光用于闭环控制。控制光经过一个615nm的窄带滤波片402滤除615nm附近的激光，通过光电探测器403探测615nm激光强度的变化，反馈控制偏振控制模块100。
另外一种实施方式为：
一种反向泵浦的光子晶体光纤稳定地展宽超连续谱的激光器采用如图3所示的结构。主要包括：尾纤输入输出偏振控制模块100，高功率光纤隔离器201，输出功率为10W的中心波长为976nm的多模半导体激光器202，(1+1)×1结构的泵浦合束器203，1米长的掺镱双包层光纤204，光纤准直镜205，工作波长1064nm的1/2波片301，1200线/毫米的透射式光栅对302，1064nm的高反镜303和304，工作波长1064nm的1/2波片305，光纤耦合透镜306，光子晶体光纤307，第二光纤准直镜308，98：2分束镜401，615nm窄带滤波片403，光电探测器406，分析控制模块500。
其中电控偏振模块100输出的种子光通过高功率光纤隔离器201进入1m长的掺镱双包层光纤204，掺镱双包层光纤末端连接泵浦合束203的公共端，多模半导体激光器202连接泵浦合束器的泵浦输入端，泵浦合束器输203出端的输出光通过一个光纤准直镜205准直后输出。激光通过工作波长1064nm的1/2玻片301改变偏振方向，然后激光反复四次通过透射式光栅对302(其中1064nm的高反镜303反射第二次透过光栅的脉冲)，压缩脉冲宽度。
压缩后的激光脉冲位置低于入射脉冲，可以通过一面1064nm的高反镜304反射出来，然后激光经过一个工作波长1064nm的1/2玻片305调节偏振角度后，通过光纤耦合透镜306入射入光子晶体光纤307，强激光在光子晶体光纤307内发生自相位调制等非线性效应，展宽为超连续光谱。
超连续谱经过一个98：2的非平衡分束片401分光，98％的光作为输出光，2％的光用于闭环控制。控制光经过一个615nm的窄带滤波片402滤除615nm附近的激光，通过光电探测器403探测615nm激光强度的变化，反馈控制偏振控制模块100。
所述的分析控制模块采用图5所示的流程图，光电探测器探测实施探测偏振分束器输出的光强，并记录开始时的初始光强，当偏振态发生抖动时，偏振分束器每一路输出的光强就会不等于初始光强，此时增强偏振控制单元的电压，如果输出光强的与初始值的差别减小，则保持电压调节方向继续调整，如果输出光强与初始值差别增大，那么改变电压调节方向。这样通过对输出光强的实时监控，可以将偏振态稳定。
综上所述，本发明是通过电控的光纤挤压器来控制输出激光的偏振态，将放大过程中引入的偏振抖动进行预补偿，可以简便地实现偏振稳定激光的输出，进一步得到功率稳定的超连续谱。
本方法不仅可服了空间耦合效率不高的缺点，而且实现了全光纤放大结构，系统的稳定性大大增加，并且有利于制成空间更小的集成化装置。利用光子晶体光纤展宽超连续光谱可以产生纠缠光子，可以应用于量子通信之中。
超连续光谱具有广泛的应用前景，由于超连续光谱具有很宽的光谱范围，并且各条光谱线保持有确定的间隔，所以可以应用于物质的光谱测量领域。高功率的白光照射人眼可以使其短期致盲，应用于战斗中可以使敌方部队瞬间失去战斗力，应用于防暴中可以在不伤害人群的情况下迅速控制局面。
超连续谱形成的白光光源也可以用于光学相干层析成像。光学相干层析成像(OCT)是一种新型的非接触及无创成像技术，它可以对活体生物组织进行纳米级的高分辨成像，医学疾病诊断中具有很大的应用前景。OCT信噪比的提高需要光源具有较宽的频谱、较高的输出功率和较好的稳定性。我们的这项发明正好满足的这三个要求，使得OCT技术的信噪比提高，有效地扩大OCT的应用范围，提高其应用价值。
白光干涉仪在许多精密测量中有广泛的应用，光子晶体光纤展宽的超连续光谱可以作为优质白光光源提供给白光干涉仪。
在脉冲压缩份额过程中，能够压缩的极限脉宽与光谱的宽度成反比。通过光子晶体光纤展宽的超连续谱具有较大的光谱范围，能够是激光脉冲压缩到周期量级脉冲。
Claims (8)
1.一种稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：包括有依次设置的能预先补偿进入光纤中激光偏振变化的偏振控制模块(100)，将激光进行放大的光纤放大模块(200)，将超连续谱进行展宽的超连续谱展宽模块(300)，和进行光强探测的偏振探测模块(400)，以及对输出光强进行实时监控的分析控制模块(500)；所述偏振控制模块(100)、光纤放大模块(200)、超连续谱展宽模块(300)、偏振探测模块(400)和分析控制模块(500)依次连接，分析控制模块(500)的输出信号再反馈到偏振控制模块(100)上，所述的超连续谱展宽模块(300)包括有依次设置的第一波片(301)、光栅压缩对(302)、第一高反镜(303)、第二高反镜(304)、第二波片(305)、光纤耦合镜(306)、光子晶体光纤(307)、第二光纤准直镜(308)构成；光纤放大模块输出的高功率激光束通过第一波片(301)调节偏振方向，然后激光反复通过光栅压缩对(302)，其中第一高反镜(303)反射第二次透过光栅的脉冲，压缩脉冲宽度，压缩后的激光脉冲位置低于入射脉冲，可以通过第二高反镜(304)反射出来，反射出来的脉冲输出到第二波片(305)，进行偏振方向调整，然后通过光纤耦合镜(306)进入光子晶体光纤(307)进行超连续光谱的展宽，展宽后的脉冲通过第二光纤准直镜(308)输出。
2.根据权利要求1所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的偏振控制模块(100)由采用多个压电陶瓷制成的光纤挤压器及高强度光纤组成。
3.根据权利要求2所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的高强度光纤为单模光纤或多模光纤或大模场双包层光纤或者光子晶体光纤。
4.根据权利要求1或2或3所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的光纤放大模块(200)包括有依次设置的高功率光纤隔离器(201)，多模半导体激光器(202)，全光纤泵浦合束器(203)和掺杂增益光纤(204)以及第一光纤准直镜(205)；所述偏振控制模块(100)输出的种子光，进入全光纤泵浦合束器(203)的输入端，多模半导体激光器(202)连接全光纤泵浦合束器(203)的泵浦输入端，全光纤泵浦合束器(203)的公共端连接掺杂增益光纤(204)，掺杂增益光纤(204)输出的高功率激光通过第一光纤准直镜(205)准直后，进入超连续谱展宽模块(300)。
5.根据权利要求1或2或3所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的偏振探测模块(400)包括有依次设置的非平衡分束片(401)、窄带滤光片(402)、光电探测器(403)；所述超连续谱展宽模块输出的激光通过非平衡分束片分束后，较弱的光束通过窄带滤波器(402)滤波后，通过光电探测器(403)探测光功率，较强的超连续谱激光输出使用。
6.根据权利要求1或2或3所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的分析控制模块(500)实时比较探测光强与初始光强差值，并将差值调节到初始差值来稳定输出光的偏振态。
7.根据权利要求4所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述的掺杂增益光纤(204)为掺杂稀土元素中的一种或多种掺杂的单模光纤或大芯径多模光纤或双包层光纤或光子晶体光纤。
8.根据权利要求5所述的稳定控制的超连续谱光子晶体光纤激光器，其特征在于：所述光栅压缩对(302)为透射式光栅对、反射式光栅对。
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| CN102608831A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种非保偏光纤放大器偏振自适应控制系统及其控制方法 |
| CN203071392U (zh) * | 2013-03-09 | 2013-07-17 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 超连续谱光子晶体光纤激光器 |
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2013
- 2013-03-09 CN CN201310075740.7A patent/CN103199415B/zh active Active
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| 偏振复用光纤通信系统及微结构光纤器件的相关技术研究;王子南;《中国博士学位论文全文数据库》;20100331;第88-93页，图3.4.1 * |
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