CN105591273A - 脉冲光纤激光器及其实现时域脉冲切片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲光纤激光器，包括抽运激光器、主谐振腔和置于主谐振腔内的增益光纤，主谐振腔内设有一微腔，所述微腔包括第一腔镜、第二腔镜、单模光纤、压电陶瓷和与压电陶瓷相连的外控电压模块。还公开了该脉冲光纤激光器实现时域脉冲切片的方法，通过外控电压模块控制施加在压电陶瓷的电压，导致单模光纤在纵向产生变化从而导致微腔长度的动态变化，实现对单个脉冲进行时域间距与切片数量连续可调的动态切片。本发明脉冲光纤激光器的微腔不受内嵌位置的限制，且能对ns-ps量级的单个脉冲进行有效的、可控的动态切片，在超快激光技术领域、光纤光学领域与时域精度测量领域中有广泛的应用。

Description

脉冲光纤激光器及其实现时域脉冲切片的方法
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，特别涉及一种脉冲光纤激光器及其实现时域脉冲切片的方法。
背景技术
光纤激光器中产生脉冲的方法有主动方式和被动方式。其中，主动方式是在激光腔中加入各类调制器来产生脉冲。主动方式产生的脉冲重复率与脉冲间隔由调制器决定，是可控的，但是其产生的脉冲宽度较大，且系统成本昂贵。被动方式则是在激光腔中引入各类材料可饱和吸收体和类饱和吸收体来产生脉冲。被动方式产生的脉冲宽度较小，但基频重复率一般较低。被动光纤激光器的基频重复率由腔长来决定，一般情况下是400MHz以下。若要通过被动方式产生高重复率脉冲则需要让激光器工作在谐波锁模状态。然而，锁模脉冲的谐波阶数与激光器的抽运功率、偏振设置等参数有密切关系，在实际工作条件下很难实现有目的性地获得特定阶数的谐波脉冲。
最近，有几个研究小组提出了在被动锁模光纤激光器中使用特殊的物理方法来实现GHz量级高重复率。在激光腔中，Peccianti等人采用非线性环形微腔【文献1.M.Pecciantietal,Nat.Commun.3,765(2012)】、Mao等人采用Mach-Zehnder干涉仪【文献2.D.Maoetal,Sci.Rep.3,3223(2013)】、Qi等人采用Fabry-Perot梳状滤波器【文献3.Y.L.Qietal,Opt.Express23(14),17720–17726(2015)】的方法通过滤波器驱动的四波混频效应来获得高重复率脉冲串，这些方法相对于传统的被动锁模光纤激光器的谐波脉冲状态来说，在调控脉冲重复率的操作上要容易得多。
然而，在一些特殊的应用领域，如时域精度测量领域与纠缠编码技术，不但对脉冲串重复率可调有要求，而且还要求相邻脉冲之间有一定的束缚能力、脉冲间距可调等特性，以上方法并不能达到这些要求。目前，也有报道一些物理方法能实现脉冲簇之间具有一定的束缚能力【文献4.M.Stratmannetal,Phys.Rev.Lett.95(14),143902(2005)】和脉冲簇内脉冲间距可调【文献5.W-C.Chenetal,Opt.FiberTechnol.20(3),199–207(2014)】，但是，通过这些技术获得的脉冲具有的束缚能力与脉冲间隔可调的物理特性是不可预计、不可控制的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在主谐振腔中设置微腔，能可控地连续调节脉冲切片数量、间距，并使得脉冲切片成分间具有弱相干束缚能力，且可对脉冲的重复率进行精细调节的脉冲光纤激光器以解决现有技术存在的不足。
本发明的另一目的是提供脉冲光纤激光器实现时域脉冲切片的方法。
本发明通过以下技术方案来实现发明目的：
一种脉冲光纤激光器，包括抽运激光器、主谐振腔和置于主谐振腔内的增益光纤，所述主谐振腔内还设有一微腔，所述微腔包括第一腔镜、第二腔镜、单模光纤、压电陶瓷和与压电陶瓷相连的外控电压模块，单模光纤缠绕在压电陶瓷上且两端分别与第一腔镜和第二腔镜连接，第一腔镜和第二腔镜的另一端通过光纤分别接入光路中，由此，微腔可对主谐振腔产生的自脉冲进行调制，其调制作用等效为激光器中的附属谐振腔对主谐振腔中产生的脉冲进行时域与频域的二次选模选频。
进一步地，还包括光纤耦合器、偏振相关/无关隔离器，波分复用器、第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述抽运激光器连接所述波分复用器的一个输入端，所述第一腔镜连接波分复用器的另一输入端，沿所述波分复用器的输出端依次连有增益光纤、光纤耦合器、第一偏振控制器、偏振相关/无关隔离器、第二偏振控制器和第二腔镜，所述光纤耦合器的输出端为激光器输出端。
进一步地，所述主谐振腔的脉冲可由可饱和吸收体、类饱和吸收体或主动调制技术产生，所述可饱和吸收体为石墨烯、碳纳米管、黑磷、拓朴绝缘体、硫化物系列二维材料、硒化物系列二维材料、半导体吸收体材料、金或银纳米棒一维材料、酒精或复合材料墨水；所述类饱和吸收体由非线性偏振旋转技术、非线性环路镜技术或非线性放大环路镜技术形成；所述主动调制技术为声光主动调制技术或电光主动调制技术。
进一步地，所述主谐振腔形状为环形腔、“8”字形腔、“σ”形腔或“％”形腔中的任意一种或任意两种组成的复合腔。
进一步地，所述微腔可处于主谐振腔内的任意位置。
进一步地，所述第一腔镜和第二腔镜可为光纤光栅、光纤镀膜端面或抛光光纤端面中的任一种或任意两种组合构成，第一腔镜和第二腔镜的反射率为4％-30％，太小的反射率导致时域切片效果不明显，太大的反射率导致激光腔中损耗过大而影响脉冲输出质量。
进一步地，还包括波分复用器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、饱和吸收体反射镜和光纤光栅，所述主谐振腔为线形腔，所述抽运激光器接所述波分复用器的一个输入端，所述波分复用器的另一输入端依次连接增益光纤、第一偏振控制器、第一腔镜、第二腔镜、第二偏振控制器和饱和吸收体反射镜，所述波分复用器的输出端与光纤光栅的输入端连接，该光纤光栅的输入端为激光器输出端。
进一步地，将上述的脉冲光纤激光器用于时域脉冲切片的方法，通过所述外控电压模块控制施加在所述压电陶瓷上的电压大小以获得压电陶瓷的不同膨胀状态，压电陶瓷挤压缠绕其上的单模光纤，导致单模光纤产生纵向的微小形变以增加微腔长度，从而增加脉冲切片的时间间距，实现脉冲切片间距的动态调节。
进一步地，所述外控电压模块为压电陶瓷提供的电压为0-20V，所述脉冲切片间距Δt与微腔长度的关系为Δt＝2nL/C(1)，其中n、C、L分别为光纤的折射率、真空中光速和微腔长度，所述微腔的整体物理效应可近似用以下的光学传输函数T表示：A，R和λ分别为微腔腔镜的吸收率、反射率和光波波长。
本发明的有益效果如下：
(1)能对纳秒到几十皮秒的光脉冲进行动态切片，进而获得时间间距可调、切片数量可调、具有相干束缚特性的脉冲簇或离散脉冲串；
(2)微腔对自脉冲的调制不受激光器谐振腔腔形、内嵌位置的影响，直接应用于各种腔形结构的激光器中的任意位置；
(3)不受激光器的脉冲产生方式的影响，能直接对由各种物理机制(诸如材料可饱和吸收体、类饱和吸收体的被动方式和使用调制器的主动方式)所产生的脉冲进行有效的时域切片。
附图说明
图1是本发明脉冲光纤激光器的微腔结构示意图；
图2是本发明实施例1的结构示意图；
图3是本发明实施例2的结构示意图；
图4是本发明实施例3的结构示意图；
图5是本发明实施例4的结构示意图；
图6是实施例1的100％切片深度的离散脉冲串的数值计算模拟结果图；
图7是实施例1的80％切片深度的脉冲簇的数值计算模拟结果图；
图中：1a-第一腔镜，1b-第二腔镜，2-单模光纤，3-压电陶瓷，4-外控电压模块，5-波分复用器，6-增益光纤，7-光纤耦合器，8a-第一偏振控制器，8b-第二偏振控制器，9-偏振相关隔离器，10-抽运激光器，11-偏振无关隔离器，12-可饱和吸收体，13-2×2光纤耦合器，14-饱和吸收体反射镜，15-光纤光栅，16-激光器输出端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明的脉冲光纤激光器中微腔的第一腔镜1a、第二腔镜1b、单模光纤2、压电陶瓷3和外控电压模块4均采用商用的器件，单模光纤2缠绕在圆柱形的压电陶瓷3上，其组合在一起形成附属的微腔，如图1所示，外控电压模块4对压电陶瓷3施加电压调控其膨胀进而挤压缠绕其上的单模光纤2，从而改变单模光纤纵向长度对主谐振腔中形成的自脉冲进行调制而形成切片效果。
波分复用器5、增益光纤6和抽运激光器10均采用商用的器件，其组合在一起产生所需要工作波长的激光，根据工作波长为1000nm、1310nm、1550nm或2000nm波段的要求，可分别对应在增益光纤中掺Nd3+、Yb3+、Pr3+、Er3+或Tm3+，而单模光纤2应根据工作波长选择损耗较小的商用光纤，若工作波长为1000nm波段范围，则选用Hi1060单模光纤；若工作波长为1310nm或1550nm波段范围，则选用SMF-28常规单模光纤，色散平坦光纤等；若工作波长为2000nm波段范围，则选用SM1950单模光纤，光纤选用的长度应根据实际切片时域间距所对应的微腔长度来决定。
实施例1
如图1和图2所示，脉冲光纤激光器，包括抽运激光器10、增益光纤6，光纤耦合器7、偏振相关隔离器9，波分复用器5、第一偏振控制器8a和第二偏振控制器8b，主谐振腔为环形腔，主谐振腔内还设有微腔，微腔包括第一腔镜1a、第二腔镜1b、单模光纤2、压电陶瓷3和与压电陶瓷3相连的外控电压模块4，单模光纤2缠绕在压电陶瓷3上且两端分别与第一腔镜1a和第二腔镜1b连接，抽运激光器10连接波分复用器5的一个输入端，第一腔镜1a连接波分复用器5的另一输入端，沿波分复用器5的输出端依次连接增益光纤6、光纤耦合器7、第一偏振控制器8a、偏振相关隔离器9、第二偏振控制器8b和第二腔镜1b，光纤耦合器7的输出端为激光器输出端16。
其中，偏振控制器和偏振相关隔离器9采用商用的器件，在两个偏振控制器之间放置一个偏振相关隔离器9，其联合作用的物理功能是使光波的两个偏振态基于自相位调制效应与交叉行为调制效应在主谐振腔中演化时产生偏振态的非线性演化，即非线性偏振旋转效应，由此形成类饱和吸收体，在脉冲光纤激光器中产生自启动脉冲。
将实施例1的脉冲光纤激光器用于时域脉冲切片，在脉冲光纤激光器的环形主谐振腔中，基于非线性偏振旋转效应形成类饱吸收体，产生自启动脉冲，脉冲在激光器运转时，除了在主谐振腔中演化时不断窄化，内嵌的微腔也对脉冲进行弱调制：首先通过外控电压模块4施加20V电压在压电陶瓷3上使压电陶瓷3膨胀，压电陶瓷3挤压缠绕其上的单模光纤2，导致单模光纤2产生纵向形变以增加微腔长度，从而增加脉冲切片的时间间距，实现脉冲切片间距的动态调节，第一腔镜1a和第二腔镜1b的反射率为23％，调制所形成的物理效应可用公式(2)进行描述，经过主谐振腔和微腔对脉冲的无数次调制整形后，最后输出脉冲的时域效果图，由图6和图7可知，单脉冲均出现了切片的效果且分别对应100％和80％的切片深度，切片的时间间隔可由外控电压模块4对压电陶瓷3施加不同的电压而形成不同的微腔长度来控制，微腔两个腔镜的反射率与抽运激光器10的选择，可以产生不同的切片深度。
实施例2
脉冲光纤激光器，如图3所示，主谐振腔为环形腔，除了第一偏振控制器8a和第二偏振控制器8b中间依次连接偏振无关隔离器11和可饱和吸收体12外，采用的器件和器件连接关系与实施例1完全相同。
可饱和吸收体12采用商用石墨烯，还可以为碳纳米管、黑磷、拓朴绝缘体、硫化物系列二维材料、硒化物系列二维材料、半导体吸收体材料、金或银纳米棒一维材料、酒精或复合材料墨水，也可自行制备，其作用是通过光学饱和吸收效应产生自启动脉冲。
将实施例2的脉冲光纤激光器用于时域脉冲切片，用可饱和吸收体12替代实施例1的非线性偏振旋转效应的类饱和吸收体，其对光波操作的物理效果完全一致，在光纤激光器中产生自启动脉冲，微腔进行调制时外控电压模块4在压电陶瓷3上的电压为0V，第一腔镜1a和第二腔镜1b的反射率分别为4％，其它切片步骤与实施例1完全相同，最后输出脉冲的时域效果图，效果与图6和图7相似。
实施例3
脉冲光纤激光器，如图4所示，主谐振腔为“8”字形腔，除了无偏振相关隔离器9，增设分光比为3dB的2×2光纤耦合器13和偏振无关隔离器11外，其它所有器件与实施例1完全相同，
2×2光纤耦合器13的同侧的两个光纤端头分别对接，形成“8”字形，构成光纤激光器的主谐振腔，抽运激光器10连接波分复用器5的一个输入端，沿波分复用器5的输出端依次连接增益光纤6、2×2光纤耦合器13左侧的一个光纤端、2×2光纤耦合器13左侧的另一光纤端连接第一偏振控制器8a，第一偏振控制器8a再连接波分复用器5的另一输入端而形成主谐振腔的左侧环形腔；2×2光纤耦合器13右侧的一个光纤端依次连接第一腔镜1a、第二腔镜1b、偏振无关隔离器11和光纤耦合器7，光纤耦合器7再与2×2光纤耦合器13右侧的另一个光纤端连接而形成主谐振腔的右侧环形腔，光纤耦合器7的输出端为激光器输出端16。
左侧环形腔对在其里面反向传输的两路光波施加不同步的增益放大，导致两路反向传输的光波的非线性相移不同，两路光比再次在2×2光纤耦合器13相遇时，只有相位差接近，才能透射出左侧环形腔，其物理操作等效于一个选择开关，与可饱和吸收体功能相似，能实现产生自启动脉冲。因此，左边的环形腔被视为一个具有增益作用的非线性光纤环形镜子，同时具有放大和光开关的物理效果，称为非线性放大环路镜。
将实施例3的脉冲光纤激光器用于时域脉冲切片，2×2光纤耦合器13将入射光分成振幅相等、传输方向相反的两路光波进入到左侧环形腔中，基于左侧环形腔非线性放大环路镜的开关特性，产生自启动脉冲，右侧环形腔中的微腔对从左边环形腔透射过来的脉冲进行调制，微腔进行调制时外控电压模块4在压电陶瓷3上的电压为10V，第一腔镜1a和第二腔镜1b的反射率为17％，其它切片步骤与实施例1完全相同，最后输出脉冲的时域效果图，效果与图6和图7相似。
实施例4
脉冲光纤激光器，如图5所示，主谐振腔为线形腔，包括抽运激光器10、增益光纤6、波分复用器5、第一偏振控制器8a、第二偏振控制器8b、饱和吸收体反射镜14和光纤光栅15，抽运激光器10接波分复用器5的一个输入端，沿波分复用器5的另一输入端依次连接增益光纤6、第一偏振控制器8a、第一腔镜1a、第二腔镜1b、第二偏振控制器8b和饱和吸收体反射镜14，波分复用器5的输出端与光纤光栅15的输入端连接，光纤光栅15的输入端为激光器输出端16。
饱和吸收体反射镜14和光纤光栅15均采用商用器件，饱和吸收体反射镜14不仅能通过光学饱和吸收效应产生自启动脉冲，而且能作为主谐振腔的全反射腔镜提供100％的光波反射；光纤光栅15是作为主谐振腔的具有光波输出特性的腔镜，光纤光栅15的反射比例根据实际需要在50％-99％之间选定。
将实施例4的脉冲光纤激光器用于时域脉冲切片，饱和吸收体反射镜14和光纤光栅15构成线形腔光纤激光器的两个腔镜，同时，饱和吸收体反射镜14产生自启动脉冲，在微腔的调制作用下，获得时域脉冲切片，微腔进行调制时外控电压模块在压电陶瓷上的电压为15V，第一腔镜1a和第二腔镜1b的反射率为30％，其它切片步骤与实施例1完全相同，最后输出脉冲的时域效果图，效果与图6和图7相似。
本发明提供的脉冲时域切片方法不受工作光波波长、腔内色散分布关系(不论正负色散区)的影响，可广泛应用于1000nm波段，1310nm波段，1550nm波段和2000nm波段等，可灵活运用于调Q、锁模、调Q锁模、增益开关等各种脉冲产生机制的光纤激光器中。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种脉冲光纤激光器，包括抽运激光器、主谐振腔和置于主谐振腔内的增益光纤，其特征在于：所述主谐振腔内还设有一微腔，所述微腔包括第一腔镜、第二腔镜、单模光纤、压电陶瓷和与压电陶瓷相连的外控电压模块，单模光纤缠绕在压电陶瓷上且两端分别与第一腔镜和第二腔镜连接，第一腔镜和第二腔镜的另一端通过光纤分别接入光路中。
2.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：还包括光纤耦合器、偏振相关/无关隔离器，波分复用器、第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述抽运激光器连接所述波分复用器的一个输入端，所述第一腔镜连接波分复用器的另一输入端，沿所述波分复用器的输出端依次连有增益光纤、光纤耦合器、第一偏振控制器、偏振相关/无关隔离器、第二偏振控制器和第二腔镜，所述光纤耦合器的输出端为激光器输出端。
3.根据权利要求2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：所述主谐振腔的脉冲可由可饱和吸收体、类饱和吸收体或主动调制技术产生，所述可饱和吸收体为石墨烯、碳纳米管、黑磷、拓朴绝缘体、硫化物系列二维材料、硒化物系列二维材料、半导体吸收体材料、金或银纳米棒一维材料、酒精或复合材料墨水；所述类饱和吸收体由非线性偏振旋转技术、非线性环路镜技术或非线性放大环路镜技术形成；所述主动调制技术为声光主动调制技术或电光主动调制技术。
4.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：所述主谐振腔形状为环形腔、“8”字形腔、“σ”形腔或“％”形腔中的任意一种或任意两种组成的复合腔。
5.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：所述微腔可处于主谐振腔内的任意位置。
6.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一腔镜和第二腔镜可为光纤光栅、光纤镀膜端面或抛光光纤端面中的任一种或任意两种组合构成，第一腔镜和第二腔镜的反射率为4％-30％。
7.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于：还包括波分复用器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、饱和吸收体反射镜和光纤光栅，所述主谐振腔为线形腔，所述抽运激光器接所述波分复用器的一个输入端，所述波分复用器的另一输入端依次连接增益光纤、第一偏振控制器、第一腔镜、第二腔镜、第二偏振控制器和饱和吸收体反射镜，所述波分复用器的输出端与光纤光栅的输入端连接，该光纤光栅的输入端为激光器输出端。
8.权利要求1-7任一项权利要求所述的脉冲光纤激光器实现时域脉冲切片的方法，其特征在于，通过所述外控电压模块控制施加在所述压电陶瓷上的电压大小以获得压电陶瓷的不同膨胀状态，压电陶瓷挤压缠绕其上的单模光纤，导致单模光纤产生纵向的微小形变以增加微腔长度，从而增加脉冲切片的时间间距，实现脉冲切片间距的动态调节，即时域脉冲切片。
9.根据权利要求8所述的脉冲光纤激光器实现时域脉冲切片的方法，其特征在于：
所述外控电压模块为压电陶瓷提供的电压为0-20V；
所述脉冲切片间距Δt与微腔长度的关系为Δt＝2nL/C(1)，式(1)中n、C、L分别为光纤的折射率、真空中光速和微腔长度；
所述微腔的整体物理效应可近似用以下的光学传输函数T表示：式(2)中A，R和λ分别为微腔腔镜的吸收率、反射率和光波波长。
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