CN107820651A - 通过锁模超短脉冲光纤激光器稳定辐射的光功率和谱线的方法和设备 - Google Patents

通过锁模超短脉冲光纤激光器稳定辐射的光功率和谱线的方法和设备 Download PDF

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Abstract

所公开的用于基于NPR来稳定光纤环形振荡器的锁模制式的方法和设备包括从光纤环形谐振器中将具有宽光谱带宽的一部分光抽取到至少第一控制通道和第二控制通道。所述控制通道配置为引导抽取部分的相应第一片段和第二片段。控制通道之一配置有带通滤波器，可操作用于从宽光谱带宽中提取一个区域。然后在中央处理单元中评估具有相应全光谱带宽及其一个区域的片段，其中如果不满足预定标准，则所述中央处理单元可操作用于产生控制信号。由一个或多个偏振控制器单元接收控制信号，所述偏振控制器单元可操作用于动态地调制光纤环形谐振器中的光的偏振状态，直到评估满足预定标准为止。

Description

通过锁模超短脉冲光纤激光器稳定辐射的光功率和谱线的方 法和设备
相关申请的交叉引用
本申请是2015年6月30日向FIPC提交的注册号为2015125953的俄罗斯专利申请的继续申请。
技术领域
本发明涉及基于非线性偏振旋转(NPR)架构的被动锁模环形光纤激光器。具体地，本发明涉及一种设置有控制方案的锁模环形光纤激光器，所述控制方案可以操作用于实时监测和控制超短光脉冲的光功率和光谱，从而使环形光纤激光器保持稳定的锁模制式。
背景技术
固态飞秒激光器成功地用于各种工业和研究应用。在固态飞秒激光器的各种构造中，与基于散装部件的激光器相比，光纤激光器更紧凑、更简单、更可靠且更高效。
对于本公开的范围来说，特别重要的是与具有环形谐振腔的光纤振荡器相关联的基于NPR的锁模机构。普通技术人员熟知的是，这种类型的光纤环形激光器通常包括增益介质(即，一段掺杂有稀土元素的光纤)、偏振敏感的隔离器以及位于隔离器旁侧的两个偏振控制器。所有这些部件彼此光学互连，以限定具有正或负或全正常色散段的环形谐振腔。
在基于NPR的被动锁模环形激光器中，偏振控制器可操作以优化偏振，使得脉冲的峰值传播穿过偏振隔离器。由于NPR，脉冲的中心获得与其旁侧不同的偏振。因此，隔离器通过与这种旋转机构一起用作人工快速饱和吸收体来缩短脉冲。
如激光领域的普通技术人员所知，基于NPR的环形光纤振荡器具有以下优点：
结构相对简单；
各种工作制式取决于总的腔体色散、谐振器长度和光纤类型；
在分别与镱(Yb)、铒(Er)和铥(Tm)发射峰值相对应的1.06、1.55和1.9nm中心波长处生成约100fs和更短的超短宽带脉冲；以及
自启动。
然而，这种激光器结构具有一个严重的缺点：外部应力敏感，因此脉冲生成不稳定。如本领域普通技术人员所知，这种不稳定性是由导致双折射波动过程的外部热应力和机械应力造成的，其中所述双折射波动过程可能会改变正交偏振的场分量之间的相位关系。受干扰的相位关系往往会增加光学损耗并最终增加锁模制式损耗，其中锁模制式一般以脉冲数、带宽、中心波长和脉冲能量为特征。因此，这种类型激光器中的模式同步的稳定性取决于反馈回路及其基于偏振控制器的电子控制的操作。
US 7477665(‘665)公开了环形腔光纤激光器的一种可能构造。所公开的腔体包括：掺杂有Er离子的光纤、通过WDM 980/1550nm复用器激励Er光纤的光泵浦、两个光学偏振控制器、在所述控制器和输出耦合器之间的偏振敏感隔离器。操作时，从输出耦合器分接出一部分信号以由光电二极管进行检测，并进一步将其转换成频率相关的信号分量，包括：
直流(DC)分量(在脉冲生成制式下的连续脉冲之间)，其对应于特征为在中心1550nm波长处的窄谱线辐射的腔的连续操作模式；
与锁模操作相关的交流高频分量(等于1/τ，其中τ是光在环形谐振器内往返一圈所需的时间)，其中所述锁模操作的脉冲重复率在20至100MHz范围内，谱线宽度为约20nm且脉冲时长约200fs；以及
与锁模状态的稳定性有关的驰豫低频分量；在50-100kHz频率范围内检测到该分量，且该分量还取决于直流分量。
在所公开的激光器的启动阶段，电子控制回路可操作以分析上述三个分量的存在并改变至少一个偏振控制器的偏振状态，使得DC分量降低到最低值，而另外两个分量趋于增加。一旦驰豫分量变得稳定并且由于驰豫和交流分量是相关的，因此用均匀整形的飞秒脉冲来实现激光器的最佳锁模操作阶段。
操作时，激光发射脉冲的带宽(包括中心频率)趋于偏移。如果不控制这种不希望的现象，则环形激光器最终将停止在锁模制式下操作。然而‘665专利没有预料到这种可能性，因此在该文献中公开的控制装置没有配置为解决这种问题，因此无法调节脉冲宽度。由于脉冲的持续时间与脉冲的光谱宽度成反比，即脉冲越短光谱宽度越宽且反之亦然，‘665专利显然没有公开能够控制脉冲的持续时间的结构。
KR20120058275公开了另一种用于锁模环形激光器的模式同步方法，其教导了一种基于自动反馈回路的控制方案，该控制方案可用于处理整个脉冲光谱的子区域。要处理的子区域位于集成在反馈回路中的光电二极管的通带之外。所公开的系统不能操作用于调节锁模制式下的脉冲带宽，并因此无法调节脉冲持续时间。
因此，需要一种基于NPR的锁模光纤环形振荡器，其具有控制反馈回路，该控制反馈回路被配置为监测和控制脉冲的带宽，从而保持振荡器的稳定锁模操作所需的期望带宽。
发明内容
所公开的基于NPR技术的光纤环形腔振荡器及使用所述光纤环形腔振荡器来产生超短脉冲的方法满足了这些需求。概念上来讲，所公开的振荡器的稳定锁模操作是通过监测和控制脉冲的光谱特性来提供的。利用可控的平均输出功率，通过自动调节测量的光谱宽度、进而调节脉冲持续时间，从而实现对所公开的锁模振荡器的精细调节，其中所述锁模振荡器在给定中心波长下输出一串具有所需光谱宽度的超短脉冲。
在本公开的广义方面，本发明的基于NPR的锁模光纤环形振荡器配置有包括多个偏振控制器的单向光纤环形谐振器以及反馈控制回路。所述反馈控制回路配置有中央处理单元(CPU)，其接收从谐振器分接的谐振器循环光的一部分的两个信号。所述信号之一对应于具有中心基础波长的全光谱宽度的分接光的功率，而另一个信号表示与不包括中心波长的整个光谱的滤波区域相对应的功率。CPU可操作来处理耦合信号并确定处理结果是否满足预定标准。如果不满足标准，则CPU输出被耦合到至少一个偏振控制器中的控制信号。后者可操作用于响应于该控制信号来动态地改变循环光的偏振态，直到对全光谱宽度及其区域的评估满足期望标准为止，其中所述期望标准表示输出脉冲的稳定输出功率和较宽光谱。
在本公开的第二方面中，第一方面的光纤环形振荡器具有配置有输出尾纤耦合器的谐振器，所述耦合器被配置为分接一部分光，其中所述光进一步由相应的光纤通道(诸如，多个单模无源光纤)引导到控制器。另外，所述谐振器还包括单向光学隔离器。
在本公开的第三方面中，以上公开方面中的任一个或这些方面的任何可能组合的光纤环形谐振器包括耦合到光纤通道之一的带通滤波器。所述带通滤波器可操作用于提取并通过不包括连续波(CW)辐射的基频的全频谱的区域。
本公开的第四方面涉及如在任何方面以及这些方面的任何组合中公开的反馈回路的多个尾纤光电转换器。所述转换器被耦合到相应光纤通道中，并且可操作用于将所接收的光转换为被耦合到控制器中的电信号。
以上公开的方面中的每一个或者它们的任何可能组合还包括多个模拟-数字和数字-模拟转换器，所述转换器可操作用于将信号转换成期望的格式。
在上述方面的每一个或其任何可能组合内讨论的本公开的另一方面中，反馈回路具有接收分接光的附加光纤通道。所述光纤通道被配置有光谱分析仪(OSA)，所述光谱分析仪可操作用于通过在垂直刻度上显示功率和在水平刻度上显示波长来测量并显示所接收的分接光在特定波长范围内的功率分布。在启动期间，在增加激光介质泵的泵浦功率的同时，所公开的激光器首先开始发射CW辐射，其中所述CW辐射可以在OSA上看作窄谱线。在某个的阈值之后，激光器切换到以宽光谱为特征的脉冲制式。根据泵浦功率，可以看到两种类型的光谱。优选地，所公开的光纤环形谐振器仅在宽谱范围内专门以所述制式操作。
上面讨论的各个方面或这些方面的任何组合的所公开的光纤环形激光器还配置有光学泵，其中所述光泵学在放置于谐振器外部的同时激励激光介质。所述激光介质是掺杂有任何已知稀土离子和不同离子类型的组合的一段光纤，所述一段光纤是环形谐振器的一部分。所述泵可以具有不同的配置，例如包括二极管激光器或光纤激光器。
根据本公开的另一方面，基于NPR对光纤环形激光器的锁模制式进行稳定的本发明方法包括：分接在环形谐振器内循环的光的一部分；引导分接的光通过多个光纤；用相应的参考值对分接的光及其区域的全光谱加以表示的电信号进行评估；并且控制偏振控制器，使得具有相应参考值的电信号之间的比较满足预定标准。
附图说明
根据单个附图将更容易理解上述和其他特征，该附图示出了使用NPR锁模技术的本发明超短脉冲光纤环形振荡器。
具体实施方式
所公开的环形振荡器10配置有光学隔离器1、由二极管激光器3激励的一段激光介质2(有源光纤)以及两个全光纤偏振控制器4和5。由配置有多个光学和电学控制通道以及CPU 6的反馈机构提供宽线宽脉冲的稳定性。
在操作中，整个光谱带宽7的光功率P1和不包括连续发生的中心频率的区域8的光功率P2由相应的光电转换器20和24来确定。检测器输出对相应的功率P1和P2加以表示的电信号UP1和UP2，其通过反馈回路的相应通道21和19’耦合到CPU 6中。CPU 6可操作用于将信号UP1和UP2与被指定为表示期望光谱带宽的相应参考值进行比较。如果所比较的值不匹配或者彼此差异超过预定最小值，则CPU 6输出控制信号(在所示示意图中为六个)Upc1和Upc2，其沿着相应的电学通道11和11’被引导到偏振光纤控制器4和5的驱动器12和12’。驱动器12和12’之一或其两者可操作用于动态地改变循环光的偏振状态，从而在功率P1和P2与相应参考值之间提供最小偏差，或使其二者之间相互匹配以便提供稳定的脉冲制式。
通常，电学控制的偏振控制器配置有两个或三个板，每个板的厚度取决于所施加的信号，该信号可以是电压信号或电流信号。偏振控制器4、5可以具有使用保偏(PM)光纤的光纤设计。驱动器12’和12通过输出电流信号Ipc1和Ipc2来控制相应偏振控制器4和5，每个电流信号Ipc1和Ipc2通过三(3)个电学通道被引导到偏振控制器。三个电流信号例如被耦合到相应的电阻加热器(未示出)中，每个电阻加热器可操作用于热学上影响指定的相位板。可以理解的是在本发明的范围内可以使用所有已知类型的偏振控制器，包括但不限于基于光纤的、基于体积板的、基于晶体的偏振控制器等。
响应于来自CPU 6的命令，环形振荡器10以将电流信号I1d施加到泵(诸如，二极管激光器3)的输入开始。二极管激光器3将通过无源单模光纤9引导的泵浦光发射到输入光纤耦合器13。此后，泵浦光被耦合到激光介质2中，从而激励后者。如果涉及两个偏振控制器，则从预订范围选择六个任意控制电流(对于每个偏振控制器12、12’有三个任意控制电流)并将其耦合到相应的偏振控制器中，直到建立超短脉冲制式为止。注意，例如，假设光纤环形谐振器的其余组件具有PM配置，则将光纤环形谐振器内的光的偏振状态转换成椭圆形的偏振控制器12’可以替换为用PM光纤代替，该PM光纤以提供椭圆偏振的期望角度被焊接到偏振控制器12的输出。
连续和脉冲制式的检测是基于所产生的在环形谐振器中循环的辐射。具体地，输出耦合器18分接来自谐振器的一部分循环光。所分接的部分光被进一步分成通过光纤分路器17的相应光学通道14、15和16引导的至少三片段光。每个光学通道都有其特定的配置。
具体地，光学通道14包括光谱分析仪(OSA)19，其可以确定地示出谐振器的当前制式状态。例如，在谐振器启动期间，OSA示出连续生成的窄谱线。当激光器10进入脉冲制式时，DC信号逐渐减小，而表示脉冲重复率的信号增加，这是接近锁模状态的特征。
一旦脉冲制式占优势，在相应通道14-16中引导的片段当然具有相同的光谱带宽。尽管通道15和16具有相应的光电控制器20、24，但是通道16附加地配置有光谱过滤部件，例如位于光电转换器24上游的带通滤波器23。因此，耦合到光电转换器20中的光具有整个光谱带宽，而耦合到光电转换器24中的光仅以整个光谱带宽的区域为特征。
光电转换器20和24分别将具有全带宽和红色带宽的相应片段的光转换为连续的模拟(电压)信号Up1和Up2。相应电压信号的幅度与光的两个片段的相应的平均光功率成正比，并且还经由相应的模数转换器22和25耦合到CPU 6。另外，一串电学脉冲被耦合到CPU 6的脉冲计数器输入端F，以对脉冲数进行计数。
CPU 6可操作用于处理所接收的数字信号。具体地，CPU 6存储分别对应于期望平均功率Po1和Po2的参考值，从而表示期望的光谱带宽。将参考值与所接收的相应数字信号进行比较。如果比较结果不满足预定标准，则CPU 6通过输出被耦合到相应偏振控制器中的控制信号UPc1和UPc2来调节相应转换器20和24(或其中之一)的电流。可以根据测量信号与存储值的预定最小偏差来选择标准。受控信号由CPU 6连续输出，直到超短脉冲的平均功率和带宽与期望光谱带宽加以表示的相应参数相对应为止。
所公开的光纤环形振荡器可操作用于产生脉冲持续时间在亚纳秒范围内的脉冲。例如，脉冲持续时间可以在飞秒-皮秒范围内。脉冲重复率取决于环形谐振器的长度，并在10-100MHz范围内变化。
激光介质2掺杂有稀土和/或过渡金属的离子。优选地，当-3dB级的辐射带宽在以激光辐射的期望中心波长为中心的10-30nm波长范围内时，锁模制式是稳定的，其中激光辐射的期望中心波长取决于掺杂剂的类型。
带通滤波器23可以被配置为通带在2和3nm之间变化。优选地，光电转换器20和24均操作以将分接光的一串光脉冲转换成幅度与光功率成比例的DC电压信号。
此外，优选的是光电转换器20和24均具有比较器。该特征允许将超短光脉冲转换为离散电信号，其中所述离散电信号被耦合到CPU 6中以操作用于对脉冲的数量进行计数。
CPU 6输出用于控制偏振控制器12和12’的电信号，其可以是电压信号或电流信号，优选形成为使其可能的改变最小化。
光纤环形振荡器10除了滤波器23之外还可以具有一个或多个带通滤波器。其他通带滤波器可以具有覆盖整个光谱带宽的不同区域的相应子带。
本发明的振荡器10成功地经历了一系列初步测试。谐振器的具体实施方式之一包括：单模(SM)铒光纤(EDFC-980-HP)，长度为1.8m；针对环形谐振器使用的SM F28无源光纤；PSC-15-0-0型光纤偏振控制器；输入耦合器13，被配置为WDM 980/1550；10％输出耦合器18；光纤分配器17，分割从输出耦合器18接收的光，使得光纤通道15和16各自引导该光的1％；光电转换器20和24，被配置为InGaAs光电二极管；光纤通带r 23，波长为1567nm且线宽为3nm；以及C8051F125系列的CPU 6。
测试结果表明，所公开的光纤环形振荡器在通过CPU 6校准之后以稳定的脉冲制式操作，其脉冲重复率为25MHz，全光谱宽度的中心波长在1.55nm周围约19nm，且泵3的输出功率在150-200mW。
本领域技术人员将认识到或能够使用不超过常规实验来确定本文所述的本发明的具体实施例的许多等同形式。因此，应当理解的是前述实施例仅以示例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同形式的范围内，本发明可以以不同于具体描述的方式实施。本公开涉及本文所述的每一个单独的特征、系统、材料和/或方法。

Claims (15)

1.一种基于光的非线性偏振旋转(NPR)的锁模宽带超短光脉冲光纤振荡器，包括：
单向光纤环形谐振器，操作用于产生一串超短光脉冲，每个超短光脉冲具有较宽的频率范围，所述光纤环形谐振器包括至少一个光偏振控制器单元；以及
光电控制反馈回路，接收从环形谐振器分接的一部分光，并且具有至少两个控制通道，第一控制通道接收具有较宽频率范围的分接部分的第一未滤波片段，并且第二控制通道接收具有从较宽范围内滤波的较窄频率范围的分接部分的第二滤波片段，所述控制反馈回路配置为评估接收的第一未滤波片段和第二滤波片段，并且如果不满足预定标准则输出控制信号，其中所述一个偏振控制器单元接收控制信号，并且响应于所述控制信号，操作用于改变在所述光纤环形谐振器中循环的超短光脉冲的偏振状态，使得满足所述标准。
2.根据权利要求1所述的锁模超短脉冲光纤振荡器，其中所述光电控制反馈回路配置有第三控制通道，所述第三控制通道与所述第一控制通道和所述第二控制通道并行地接收所述分接部分的第三未过滤片段，所述第三通道包括光谱分析器，所述光谱分析仪操作用于处理所接收的第三片段并确定第三未滤波片段中的相应DC分量和高频分量的相对强度，其中所述高频分量与脉冲重复率相对应并且表示锁模制式。
3.根据权利要求1所述的锁模超短脉冲光纤振荡器，其中所述光电控制反馈回路还包括：
耦合到相应的第一控制通道和第二控制通道中的第一光电转换器和第二光电转换器，所述第一光电转换器和第二光电转换器配置为将所述分接光部分的相应的第一未滤波片段和第二滤波片段转换成相应的DC电压信号，
中央处理单元(CPU)，操作用于接收所述DC电压信号并将所述DC电压信号与相应的参考值进行比较，其中如果所述比较不满足所述预定标准，则所述CPU输出耦合到所述一个偏振控制器单元中的控制信号，其中所述一个偏振控制器单元动态地改变在所述光纤环形谐振器内循环的光的偏振状态，直到满足所述预定标准为止；以及
至少一个或多个带通光学滤波器，耦合到相应的第二控制通道和其他控制通道。
4.根据权利要求3所述的锁模超短脉冲光纤振荡器，其中所述预定标准包括所接收的DC电压信号的幅度与对期望光谱宽度加以表示的相应参考值之间预设的差，其中所述幅度与所述分接部分的第一未滤波片段和第二滤波片段的相应功率成正比。
5.根据权利要求3所述的锁模超短脉冲光纤振荡器，其中所述第一光电转换器和所述第二光电转换器中的至少一个包括相应的比较器，所述比较器操作用于产生离散的电信号，所述离散的电信号被耦合到所述CPU中，所述CPU操作用以对所述耦合的电信号进行计数。
6.根据权利要求1所述的锁模超短脉冲光纤振荡器，其中所述光纤环形谐振器还配置有与所述一个偏振控制器单元一致地光学耦合的多段相应单模有源光纤和无源光纤、与所述一个偏振控制器单元一致地耦合的单向光隔离器、光学耦合到所述有源光纤的输入光纤波分复用器(WDM)以及用于从所述光纤环形谐振器分接一部分光的输出光纤耦合器，其中在所述控制通道中分割所分接的光。
7.根据权利要求6所述的锁模超短脉冲光纤振荡器，还包括产生泵浦光的光学泵，所述泵浦光耦合到所述有源光纤中，所述光纤掺杂有选自稀土金属、过渡金属和这些金属的组合的离子。
8.根据权利要求1所述的锁模超短脉冲光纤振荡器，其中所述光电控制反馈回路还包括：所述一个偏振控制器单元的驱动器，所述驱动器接收所述控制信号并且操作用于输出耦合到所述一个偏振控制器单元中的多个电流信号。
9.根据权利要求3所述的锁模超短脉冲光纤振荡器，其中所述光电控制反馈回路还配置有多个附加控制通道，每一个所述附加控制通道均包括附加带通光谱滤波器，所述附加带通光谱滤波器操作用于从所述较宽宽频率区域中提取与在第二控制通道中提取的区域不同的另一较窄区域，所述带通滤波器每一个均具有2-3nm的通带，其中所需中心波长的超短光脉冲每一个均具有10至30nm范围的光谱宽度。
10.根据权利要求1所述的锁模超短脉冲光纤振荡器，其中所述光纤环形谐振器是全PM光纤环形谐振器，所述PM光纤环形谐振器还包括用于将所述光纤环形谐振器中的光的偏振状态转换为椭圆偏振的第二偏振控制单元或特定取向保偏光纤以及针对所述第二偏振控制器单元的附加驱动器。
11.一种基于NPR来稳定光纤环形振荡器的锁模制式的方法，包括：
从光纤环形谐振器将光的具有较宽频率范围的部分分接到第一控制通道和第二控制通道中，其中所述较宽频率范围限定了宽光谱带宽，所述第一控制通道和第二控制通道引导所述分接部分的相应片段；
从在第一控制通道中引导的片段的光谱带宽中提取一个区域，同时继续沿着所述第二控制通道引导未过滤的另一片段；
对所述过滤的片段和未过滤的片段进行评估；
如果所述评估不满足预定标准，则生成控制信号；以及
响应于所述控制信号动态地调制所述光纤环形谐振器中的光的偏振状态，直到对所述滤波的片段和未滤波的片段的评估满足对输出超短脉冲的所需均匀功率和宽光谱带宽加以表示的预定标准。
12.根据权利要求11所述的稳定锁模制式的方法，其中所述分接包括：
将所述分接部分分成沿三个或更多个控制通道引导的至少一个或多个附加片段；以及
确定第三控制通道中光的分接部分的DC分量和高频分量的强度，其中所述高频分量表示脉冲重复率，其中当所述光纤环形谐振器的脉冲制式切换到脉冲制式时所述高频分量增大而所述DC分量减小。
13.根据权利要求11所述的稳定锁模制式的方法，还包括：测量相应的未滤波片段和滤波片段的光谱带宽，并将测量结果转换成相应的DC电压。
14.根据权利要求11所述的稳定锁模制式的方法，其中所述评估包括将所述滤波片段和所述未滤波片段与相应的参考值进行比较，使得它们之间的差在预定范围内。
15.根据权利要求11所述的稳定锁模制式的方法，其中所述光纤环形谐振器配置有多个保偏光纤部件并且包括单个保偏单元。
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