CN103326221B - 利用环型光纤有源腔共振增强倍频光效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用环型光纤有源腔共振增强倍频光效率的方法，该方法采用光梳技术产生时频域特性稳定的超短激光脉冲作为外腔共振增强的种子光；同时利用外腔共振增强技术，精确锁定外腔的长度，使得光脉冲能在环型腔内实现稳定的相干叠加，从而提高脉冲峰值功率；最后通过对种子光前向偏振预补偿或者采用保偏有源腔的方法，使得相干叠加后的激光具有稳定的偏振态，获得功率稳定的倍频光，有效提高光梳脉冲的倍频效果。本发明入射光控制为光纤光学频率梳，结合有源腔共振增强技术与偏振预补偿技术，能获得转换效率高，输出功率稳定的倍频激光，方案中的器件多数为全光纤器件，易于实现全光纤化系统的集成。
Description
技术领域
本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种新型的利用环型光纤有源腔共振增强倍频光效率的方法。
背景技术
在激光的应用中，经常需要利用非线性光学效应来实现激光频率的转换，获得特定的激光波长，倍频技术是其中重要而有效的手段。随着绿光激光器、紫外激光器在材料加工、全息照相、海洋探测、激光显示、医疗诊断、可调谐激光器抽运源和受控热核聚变驱动器等工业和科研领域的重要应用需求，通过对掺钕、掺镱离子的近红外波段激光器进行倍频或四倍频转换，产生二次、四次谐波成为目前为止，最为成熟的绿光、紫外光源获得方案。
为提高倍频光转换效率，常采用的方法有腔内倍频和外腔增强。腔内倍频方法将倍频晶体置于谐振腔内，让激光多次经过倍频晶体，腔型结构可以根据需求灵活选择，有L型、Z型、平平腔等，也可与调Q技术等结合，提高腔内脉冲能量，获得更高的转换效率；外腔增强方法在谐振腔之外再搭建一个共振腔，将倍频晶体置于共振腔内，通过精密的锁腔电路，使共振腔对应的重复频率等于脉冲的重复频率，通过相干叠加的共振增强作用，提高转换效率。
但是无论是腔内倍频还是外腔增强技术，对于偏振态没有被精确控制的大多数光纤激光来说,都无法获得输出功率稳定的倍频激光。由于倍频效率与相位匹配条件密切相关，而目前最成熟的相位匹配条件是角度相位匹配，其原理是利用晶体的双折射来补偿正常色散，达到相位匹配。因此，入射激光偏振态的变化将导致相位匹配条件的变化，引起转换效率的波动，直接影响倍频光的输出功率。
综上所述，目前的光学倍频技术应用于光纤激光的频率变换仍存在着缺陷与不足。发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足而提出的一种新型的利用环型光纤有源腔共振增强倍频光效率的方法，该方法通过控制光纤激光脉冲的载波包络相位(CEP)获得CEP稳定的超短激光脉冲(即光纤光学频率梳)作为注入共振增强腔的种子光；同时，控制环型光纤有源腔的腔长和注入种子光脉冲的偏振态，实现注入种子光脉冲相干叠加以及注入脉冲偏振态预补偿，获得非线性频率转换效率高、输出光脉冲功率稳定的倍频激光。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种利用环型光纤有源腔共振增强倍频光效率的方法，特点在于采用光梳技术产生时频域特性稳定的超短激光脉冲作为外腔共振增强的种子光；同时利用外腔共振增强技术，精确锁定外腔的长度，使得光脉冲能在环型腔内实现稳定的相干叠加，从而提高脉冲峰值功率；最后通过对种子光前向偏振预补偿或者采用保偏有源腔的方式，使得相干叠加后的激光具有稳定的偏振态，获得功率稳定的倍频光，有效提高光梳脉冲的倍频效果。
所述的倍频光是指基频光经过一个非线性晶体时，在满足相位匹配的条件下，发生了二阶非线性极化过程，其结果是产生光频率为基频光频率两倍的倍频光。常用的倍频晶体包括磷酸二氢钾KDP、磷酸二氢铵ADP、磷酸二氘钾DKDP、磷酸二氚钾KTP、砷酸二氢铯CDA、铌酸锂LiNbO3、掺氧化镁的铌酸锂MgO:LiNbO3以及相关的周期性极化的非线性晶体如周期极化磷酸钛氧钾PPKTP、周期性极化铌酸锂PPLN、周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体MgO：PPLN、等等。
所述的光纤光梳技术是指对一台锁模光纤激光器的载波包络相位和重复频率同时精密锁定，实现对激光脉冲的时频域精密控制。
所述的外腔共振增强是指将基频光脉冲注入一个有源激光腔内，而该有源腔的腔长与产生基频光的激光腔长相等或是整数倍关系，从而使得基频光脉冲在腔内来回振荡，并在脉冲载波包络相位锁定的情况下实现光场的相干叠加，从而达到提高脉冲峰值强度的目的。这里所述的外腔共振增强过程是在光纤激光腔内实现的。
所述的外腔锁定技术是指将共振光纤腔缠绕在一个可控制其伸缩量的压电陶瓷上，通过调节压电陶瓷两端电压实现对光纤腔长度的精确控制；同时，以基频光脉冲的重复频率为参考标准，利用电子锁相环将光纤腔的腔长精确锁定为脉冲重复频率对应长度的整数倍。
所述的前向偏振预补偿是指在基频光耦合进入环形腔之前，通过电控偏振控制器预先调节基频光的偏振态，使得基频光的偏振分量中，强度最大分量的偏振方向与达到最佳倍频过程的相位匹配条件所要求的偏振方向一致。
所述的保偏有源腔是指环形腔内所有器件均为保偏器件，环形腔能对入射的基频光提供增益，在保持基频光线偏态不变的情况下，实现倍频过程。
本发明的优点是：
1、采用有源腔的结构，补偿脉冲传输过程的损耗，并持续不断的对入射脉冲提供增益，提高脉冲峰值功率，提高倍频效率；
2、锁定光纤腔长度，使其对应的重复频率等于入射脉冲的重复频率，通过脉冲的相干叠加，获得更高的峰值强度，提高倍频效率；
3、预先补偿控制基频光的偏振态，能更好的满足相位匹配条件，获得更稳定的非线性频率转换效率；
4、入射光控制为光纤光学频率梳，其脉冲本身具有稳定的载波包络相位频率与重复频率，更易在腔长精确锁定的环形腔内实现相干叠加，获得更高的倍频效率；
5、可将倍频晶体做成光纤耦合结构，实现全光纤的倍频装置，体积小且易于集成。
附图说明
图1为实施本发明保偏有源腔增强倍频光效率的装置结构示意图；
图2为实施本发明偏振预补偿非保偏有源腔增强倍频光效率的装置示意图；
图3为本发明环型光纤有源腔共振增强倍频光效率的原理图；
图4为本发明实施例的装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
参阅图1，本发明的实施过程描述如下：
1、光学频率梳产生超短激光脉冲经过保偏耦合器进入环形光纤腔内，首先经过腔内的保偏光纤放大器，对脉冲有一个初始的放大。
2、整个腔长由腔长控制器压电陶瓷PZT来调节，将共振光纤腔缠绕在一个可控制其伸缩量的压电陶瓷上，通过调节压电陶瓷两端电压实现对光纤腔长度的精确控制，使该有源腔的腔长与产生基频光的激光腔长相等或是整数倍关系，从而使基频光脉冲在有源腔内来回振荡，并在脉冲载波包络相位锁定的情况下实现光场的相干叠加。
3、脉冲到达倍频结构，由倍频晶体通过相位匹配产生二次谐波，倍频后的激光从左边输出，输出端加滤光片，确保倍频光的光谱纯净。
4、通过倍频晶体后的基频光进入光纤腔继续振荡，和光学频率梳产生的激光脉冲相干叠加，再次通过光纤放大器振荡放大，达到了提高脉冲峰值强度的效果。
参阅图2，本发明的实施过程描述如下：
1、光学频率梳产生超短激光脉冲经过偏振预补偿模块耦合进入有源腔内，首先经过腔内的非保偏光纤放大器，对脉冲有一个初始的放大。
2、整个光纤有源腔的腔长由腔长控制器压电陶瓷PZT来调节，将共振光纤腔缠绕在一个可控制其伸缩量的压电陶瓷上，通过调节压电陶瓷两端电压实现对光纤腔长度的精确控制，使该有源腔的腔长与产生基频光的激光腔长相等或是整数倍关系，从而使基频光脉冲在有源腔内来回振荡，并在脉冲载波包络相位锁定情况下实现光场相干叠加。
3、脉冲到达倍频结构，由倍频晶体通过相位匹配产生二次谐波，倍频后的激光从左边输出，输出端加滤光片，确保倍频光的光谱纯净。
4、在滤光片后面加分束片，分出一小部分激光，入射到偏振检测模块，根据检测结果，进行电路反馈，驱动偏振预补偿模块，对入射到有源腔的种子光的偏振状态实时调节，确保发生倍频过程时，基频光的偏振态稳定。
5、通过倍频晶体后的基频光进入光纤腔继续振荡，和光学频率梳产生的激光脉冲相干叠加，再次通过光纤放大器振荡放大，达到了提高脉冲峰值强度的效果。
参阅图3，实现本发明的原理描述如下:
输入脉冲是时间间隔为Tr的激光脉冲，具有稳定的重复频率和载波包络相位，同时利用外腔共振增强技术，精确锁定外腔的长度，使得在腔内传输一圈的脉冲与后来刚经耦合器耦合到腔内的脉冲精确重合，由于前后脉冲具有相同的，稳定的载波包络相位与重复频率，使得光脉冲能在环型腔内实现持续、稳定的相干叠加，从而提高脉冲峰值功率；最后通过对种子光前向偏振预补偿或者采用保偏有源腔的方式，使得相干叠加后的激光具有稳定的偏振态，获得功率稳定的倍频光，有效提高光梳脉冲的倍频效果。
下面将通过实施例对上述过程进行详细说明。
实施例
实施例的装置结构图如图4所示，其具体实施细节如下：
1、由掺镱光纤光梳产生载波包络相位稳定的超短激光脉冲作为外腔共振增强的种子光，经过电控偏振控制器，由耦合器进入光腔。
2、环形腔采用半导体激光器正向泵浦方式，由980nm/1030nm的波分复用器连接掺镱光纤，即增益光纤，与半导体泵浦激光器共同构成光纤放大器，起到放大作用。半导体激光器出射为泵浦光，激励掺镱光纤能级上的粒子数反转，从而起到放大信号光即激光脉冲的作用。
3、为实现光脉冲的相干叠加，在此由压电陶瓷精确控制光纤腔长度；将共振光纤腔缠绕在一个可控制其伸缩量的压电陶瓷上，通过调节压电陶瓷两端电压实现对光纤腔长度的精确控制；同时，以基频光脉冲的重复频率为参考标准，利用电子锁相环将光纤腔的腔长精确锁定为脉冲重复频率对应长度的整数倍。
4、环形腔中的倍频模块由耦合透镜、凸面镜和非线性晶体组成，耦合透镜和凸面镜起到汇聚光束、调节模斑的作用，通过非线性晶体的相位匹配达到倍频的效果。
5、倍频模块后加双色镜，从而实现倍频光的输出。双色镜起到了倍频光的选取作用，倍频光到达双色镜时被反射，基频光则透过双色镜传输。在环形腔中双色镜后加耦合透镜，基频光重新进入环形腔中。
6、在倍频光输出的光路中加分束镜，分出一部分激光做偏振检测，这部分激光先经过起偏器，再经过检偏器，最后入射到探头上，根据探测到的激光功率大小，判断偏振态的变化，反馈电路根据偏振态的变化，驱动电控偏振控制器，实时调节注入种子光梳的偏振态，保证稳定的倍频效率。
7、基频光与掺镱光纤光梳产生的激光脉冲通过耦合器相干叠加，脉冲峰值得到放大，通过环形腔可在此得到倍频光脉冲，从而有效提高了光梳脉冲的倍频效果。
Claims (1)
1.一种利用环型光纤有源腔共振增强倍频光效率的方法，其特征在于采用光纤光梳技术产生时频域特性稳定的超短激光脉冲作为外腔共振增强的种子光；同时利用外腔共振增强技术，精确锁定外腔的长度，使得光脉冲能在环型腔内实现稳定的相干叠加，提高脉冲峰值功率；最后通过对种子光前向偏振预补偿或者采用保偏有源腔的方式，使得相干叠加后的激光具有稳定的偏振态，获得功率稳定的倍频光，有效提高光梳脉冲的倍频效率；其中：
所述的光纤光梳技术是指对一台锁模光纤激光器的载波包络相位和重复频率同时精密锁定，实现对激光脉冲的时频域精密控制；
所述的外腔共振增强是指将基频光脉冲注入一个有源激光腔内，而该有源腔的腔长与产生基频光的激光腔长相等或是整数倍关系，使得基频光脉冲在腔内来回振荡，并在脉冲载波包络相位锁定的情况下实现光场的相干叠加，达到提高脉冲峰值功率的目的；整个外腔共振增强过程是在光纤激光腔内实现；
所述的精确锁定外腔长度是指将共振光纤腔缠绕在一个可控制其伸缩量的压电陶瓷上，通过调节压电陶瓷两端电压实现对光纤腔长度的精确控制；同时，以基频光脉冲的重复频率为参考标准，利用电子锁相环将光纤腔的腔长精确锁定为脉冲重复频率对应长度的整数倍；
所述的前向偏振预补偿是指在基频光耦合进入环形腔之前，通过电控偏振控制器预先调节基频光的偏振态，使得基频光的偏振分量中，强度最大分量的偏振方向与达到最佳倍频过程的相位匹配条件所要求的偏振方向一致；
所述的保偏有源腔是指环形腔内所有器件均为保偏器件，环形腔能对入射的基频光提供增益，在保持基频光线偏态不变的情况下，实现倍频过程。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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