CN109301683B - 高能量复合腔光纤激光器及脉冲可控诱导激发的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤激光器技术领域，公开了一种高能量复合腔光纤激光器，其由具有非线性增益与滤波效应的第一、二光纤环连接形成的“8”字形谐振腔构成，每个光纤环由抽运光源、波分复用器、增益光纤、光纤滤波器、光纤耦合器、光纤隔离器和偏振控制器组成。其第一光纤环具有独立的谐振腔特性，能自启动地产生独立于主腔脉冲的另一种脉冲格式，具有辅助谐振腔的属性。本发明还公开了复合腔光纤激光器实现主腔脉冲的可控激发诱导与多脉冲相干叠加态产生的方法。本发明不仅能获得可控激发的主腔激光脉冲，而且还能获得多脉冲相干叠加态，在全光延时、全光存储及全光控制等领域中有广泛应用，具有很强创造性。

Description

高能量复合腔光纤激光器及脉冲可控诱导激发的方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，特别涉及一种高能量复合腔光纤激光器及脉冲可控诱导激发的方法。

背景技术

产生脉冲的激光器机理主要有两种，锁模方式与非锁模方式。其中，非锁模方式产生脉冲的方式有：调制不稳定性、强度调制方法、增益开关方法、时域Talbot效应方法、时域全息法等。但是，非锁模机制的脉冲激光器存在着以下明显的缺点：具有较强的剩余连续光背景，脉冲间的相干性差，容易获得的是脉冲串而不是单脉冲包络，难以产生超短脉冲。因而，锁模脉冲一直是激光物理领域、工业应用领域、精密测量领域、生物医学成像领域中的重要学术研究对象与工程应用对象。在激光器中，如果色散效应与非线性效应能精确平衡、饱和吸收效应诱导的脉冲压窄与有限增益带宽滤波效应诱导的脉冲展宽能精确抵消，则激光器输出稳定的孤子型锁模脉冲。锁模激光脉冲现已广泛地应用在微纳加工、生物医学成像、光学精密测量等领域。

锁模方法主要有材料饱和吸收体与类饱和吸收体两种。材料基的饱和吸收体，如石墨烯、碳纳米管、黑磷、拓扑绝缘体、硫化物等，能使激光器产生稳定的、低启动阈值的锁模激光脉冲，但其主要缺点是容易被腔内高功率激光损坏，从而导致饱和吸收效应失效。在物理效应上具有等效饱和吸收作用的类饱和吸收体，如非线性偏振旋转技术(NPR)【参考文献1.W.Chen,et al.Opt.Express,2015,23(21):28012-28021.】、非线性光纤环路镜(NOLM)【参考文献2.J.Szczepanek et al.Opt.Lett.,2015,40(15):3500-3503.】、非线性光纤放大环路镜(NALM)【参考文献3.Y.-Q.Huang,et al.Opt.Lett.,2016,41(17):4056-4059.】、Mamyshev振荡器【参考文献4.P.Sidorenko,et al.Opt.Lett.,2018,43(11):2672-2675.】等，其产生的类饱和吸收效应迟豫时间短(达到fs量级)、调制深度深，相对于材料基的饱和吸收体更容易获得超短锁模脉冲。但是，NPR锁模技术，对光纤线路的随机双折射非常敏感，容易受环境干扰而失锁。而NOLM和NALM锁模技术，则需要精确控制环路中光纤耦合器的分光比，且光波的传输特性不容易被连续调谐。Mamyshev振荡器产生的锁模脉冲相对其它技术更容易获得大能量光脉冲，但是锁模自启动阈值非常高。如果Mamyshev振荡器的两个滤波器带通中心波长的间隔大于4nm，一般需要通过外注入种子脉冲或对抽运功率进行强度调制的方法来获得自启动锁模脉冲。

自启动地输出高能量脉冲且脉冲能量动态可调的光纤激光器是当今高功率激光脉冲的重要发展方向。为了满足业界对高能量脉冲激光的需求，本发明将提供一个解决方案，实现在低启动阈值条件下产生高能量脉冲。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种高能量复合腔光纤激光器及脉冲可控诱导激发的方法，以解决现有技术的高能量激光脉冲自启动困难、脉冲可控激发困难的技术难题。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种高能量复合腔光纤激光器，包括辅助腔和主腔；所述辅助腔具有独立激光锁模机制，由第一光纤环构成；所述主腔由具有非线性增益效应与频谱滤波效应的第一、二光纤环连接形成的“8”字形谐振腔构成，所述第一、二光纤环由抽运光源、波分复用器、增益光纤、光纤滤波器、Y型光纤耦合器、光纤隔离器和偏振控制器组成，所述第一、二光纤环之间使用常规单模光纤将各器件相连接实现光路连通。

优选的，在第一光纤环中用于激光输出的Y型光纤耦合器，为不等比的光纤耦合器，分光比范围为99:1～60:40，分光比较小的光纤端口为整个激光器的输出端口。

优选的，所述主腔中第一光纤环的光纤滤波器带通中心波长与第二光纤环的光纤滤波器带通中心波长不重叠。激光在主腔中的运转时，在第一光纤环中的增益介质进行了非线性增益放大而实现了频谱展宽，然后在光纤滤波器中进行了频谱滤波而选取出特定带宽的激光谱。进而，在第二光纤环中的增益介质再进行了非线性增益放大而实现频谱展宽，然后在光纤滤波器中又经历了不同中心波长的频谱滤波。

简而言之，整个非线性增益滤波——非线性增益滤波的激光演化过程，在物理机理上就是周期性的频谱展宽和频谱滤波过程，从而形成了阶梯状的类饱和吸收现象，起到了抑制背景连续光、允许高强度脉冲产生的目的。

激光在主腔中振荡轨迹犹如“8”字形。脉冲能量的输出与两个滤波器的带通中心波长间隔有关，带通中心波长间隔越大，输出脉冲能量越大。激光脉冲的产生过程与Mamyshev振荡器相似。

优选的，主腔中的两个光纤环有一段共享光纤支路段，由两个Y型光纤耦合器、偏振控制器和一段由未抽运的增益光纤构成的微型Fabry–Pérot腔组成。

所述的两个Y型光纤耦合器，分光比为50:50，起到连接两个光纤环路的作用。

所述的微型Fabry–Pérot腔由一段未抽运的增益光纤构成，该增益光纤的两端通过打磨形成了平整的、反射率低于20％的端面，形成了类似Fabry–Pérot腔的微型腔结构。两个增益光纤的平整端面构成了Fabry–Pérot腔的两个腔镜。增益光纤端面与常规单模光纤(也需要进行打磨成平整的平面)直接进行空间准直耦合，实现光路的连通。光路连通后，用玻璃管将已完成空间准直耦合的光纤端面进行密闭封装，即可实现屏蔽外界环境对空间准直耦合部分的干扰。

所述的微型Fabry–Pérot腔在复合腔激光器中具有以下作用：

(1)未抽运的增益光纤对在主腔中振荡的激光脉冲进行非饱和吸收，实现了对主腔激光的强度调制作用。这种强度调制作用能使主腔锁模脉冲的自启动阈值大大下降。该增益光纤的参数应选择总的吸收系数小于1dB，以降低腔内的激光损耗。(2)微型Fabry–Pérot腔具有微弱的频谱滤波作用，能使第一光纤环构成了另一独立的激光谐振腔，并基于Mamyshev振荡器工作机理输出独立于主腔脉冲的另一种脉冲格式。该脉冲格式能基于交叉相位调制的非线性效应，诱导主腔脉冲以其重复率形式激发，并可通过偏振控制器的调节，实现主腔脉冲与辅助腔脉冲在时域上的相干调制而形成多脉冲相干叠加态。从物理功能上看，第一光纤环具有独立谐振腔的属性，且对主腔脉冲的产生起到诱导激发作用，因而称之为辅助腔。

优选的，所述微型Fabry–Pérot腔的腔镜反射率是决定辅助腔脉冲能否同时自起振的先决条件，如果腔镜反射率太小，微型Fabry–Pérot腔的滤波效应不明显，辅助腔脉冲不容易自启动。

一种高能量复合腔光纤激光器脉冲可控诱导激发的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、旋转偏振控制器的手柄角度与手柄的挤压强度，使得辅助腔自启动地产生锁模脉冲。为了使辅助腔更容易自启动锁模，调节光纤滤波器中心波长，使得光纤滤波器带通中心波长与Fabry–Pérot腔形成的等效滤波器中心波长间隔小于1nm，以获得自启动阈值低的锁模脉冲。

S2、增加辅助腔中的抽运光源功率，进而增加辅助腔脉冲的能量功率，基于交叉相位调制效应，辅助腔脉冲诱导主腔以其脉冲重复率的形式产生自启动锁模主腔脉冲。

S3、调节主腔中的两个光纤滤波器的带通中心波长间隔，获得不同能量的主腔脉冲输出。

S4、进一步调节偏振控制器的手柄角度，使得主腔脉冲与辅助腔脉冲在时域上重叠，并经过它们之间的相干光场调控，形成多脉冲相干叠加态。

优选的，所述S3中，两个光纤滤波器的带通中心波长间隔决定了主腔锁模脉冲能量，波长间隔越大，输出的脉冲能量越大。主腔中抽运的增益光纤总增益系数越大，带通中心波长间隔的可调节范围也越大。对于几十nJ量级的脉冲输出，两个光纤滤波器带通中心波长间隔在8nm以上。

本发明的有益效果为：

1、微型Fabry–Pérot腔中的未被抽运的增益光纤，对主腔激光信号具有非饱和吸收作用，从而形成了对主腔激光的强度调制作用，使得主腔的自启动锁模阈值降低，更容易获得高能量的锁模脉冲。腔内引入了非饱和吸收效应，解决了传统Mamyshev振荡器中高能量脉冲自启动困难的难题。

2、由第一光纤环构成的辅助腔，基于周期的非线性增益—滤波作用而形成的类饱和吸收效应，能独立于主腔产生自己的脉冲格式。而自启动后的辅助腔脉冲，基于交叉相位调制效应能诱导主腔产生可控激发的锁模脉冲。从物理机理上看，相当于进一步降低了主腔脉冲自启动锁模的阈值。同时，辅助腔脉冲对主腔脉冲的重复率、脉宽、时域空间分布具有重要的影响。

3、通过对主腔脉冲与辅助腔脉冲的偏振态调节，可以调整它们在时域与频域上的重叠，并通过它们自身的光场相互作用来获得不同的脉冲簇态，从而获得多脉冲相干叠加态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高能量超短脉冲复合腔光纤激光器实施例的结构示意图；

图2为微型Fabry–Pérot腔的结构示意图；

其中：1a-第一抽运光源，1b-第二抽运光源，2a-第一波分复用器，2b-第二波分复用器，3a-第一增益光纤，3b-第二增益光纤，3c-第三增益光纤，4a-第一光纤滤波器，4b-第二光纤滤波器，5a-第一光纤隔离器，5b-第二光纤隔离器，6a-第一偏振控制器，6b-第二偏振控制器，7a-第一Y型光纤耦合器，7b-第二Y型光纤耦合器，7c第三Y型光纤耦合器，8a—Fabry–Pérot腔第一腔镜，8b—Fabry–Pérot腔第二腔镜，9—单模光纤，10—玻璃管；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明的高能量超短脉冲复合腔光纤激光器中，抽运光源、波分复用器、光纤隔离器、偏振控制器、光纤耦合器、光纤滤波器和增益光纤均采用商用器件。根据工作波长为1000nm、1310nm、1550nm和2000nm波段的要求，增益光纤可分别采用掺Nd3+、Yb3+、Pr3+、Er3+或Tm3+光纤。

如图1所示，高能量超短脉冲复合腔光纤激光器，由包含辅助腔(第一光纤环)的主腔构成。主腔为由具有非线性增益与滤波效应的第一、二光纤环连接构成的“8”字形结构谐振腔。每个光纤环由抽运光源1、波分复用器2、增益光纤3、光纤滤波器4、光纤隔离器5和偏振控制器6和Y型光纤耦合器7组成。每个光纤器件的尾纤通过常规单模光纤9(SMF28e)依据图1的方案进行熔接连通，形成通光光路。

其中，用于复合腔激光器输出端的Y型光纤耦合器7，采用非等比耦合器，分光比范围在99:1到60:40之间。用于连接第一、二光纤环的Y型光纤耦合器7，采用等比耦合器，分光比为50:50。

其中，在第一光纤环与第二光纤环中的公共支路上，内嵌一个微型Fabry–Pérot腔，微型Fabry–Pérot腔结构如图2所示。将一段未抽运的增益光纤的两个端面打磨形成了平整的、反射率低于20％的菲涅尔反射面，形成了类似Fabry–Pérot腔的微型腔结构。

两个增益光纤的平整端面构成了Fabry–Pérot腔的两个腔镜8a和8b。增益光纤端面再与常规单模光纤9(端面处理方法与增益光纤相同)直接进行空间准直耦合，实现光路的连通。

一般要求空间准直耦合效率不低于80％。光路连通后，将进行空间准直耦合的光纤端面用玻璃管进行密闭封装，使得空间准直耦合部分不受外界环境的干扰。未被抽运的增益光纤对谐振腔中产生的主激波长具有吸收作用。

本发明对未被抽运的增益光纤的总吸收系数建议选择在1dB以下，以实现非完全饱和吸收，从而实现对在主腔中振荡的激光具有强度调制的作用，降低主腔锁模脉冲自启动的阈值。

此外，需要指出的是第一、二光纤环中的光纤滤波器的带通中心波长应不重叠。两个滤波器的中心波长间隔决定了主腔脉冲能量的大小。动态调节两个滤波器的中心波长间隔，可以获得能量不同的主腔脉冲。在本发明中，两个滤波器的中心波长间隔范围在0-12nm，调节范围远大于目前报道的Mamyshev振荡器。

主腔脉冲的产生机理是：在第一光纤环中，抽运光源1对增益光纤3进行抽运，产生激光信号。在增益光纤传输中，激光信号经历了非线性增益过程频谱得到了展宽，再经过光纤滤波器4的频谱滤波后产生了特定带通波段的激光信号。

带通激光信号在公共支路上传输时，被未抽运增益光纤进行了非饱和吸收，形成了明显的强度调制，随后进入第二光纤环中再经历抽运的增益光纤3和光纤滤波器4的非线性增益与频谱滤波过程，两个级联的非线性增益与滤波过程，在物理机理上形成了阶梯状的类饱和吸收现象，抑制了背景连续光，并允许高强度脉冲的通过，从而导致锁模脉冲的自启动。激光脉冲在主腔中的振荡轨迹见图1的示意图。调节两个光纤滤波器的中心波长间隔，可以动态地获得不同能量的脉冲。

在本实施例中，微型Fabry–Pérot腔在物理机理上也是一个等效的滤波器，只是滤波效果远比光纤滤波器4要弱很多。在第一光纤环中，光纤滤波器4和微型Fabry–Pérot腔，也能构成两个非重叠的频谱滤波器，从而形成类饱和吸收效应，第一光纤环便成了一个独立的辅助谐振腔，基于上述激光脉冲的产生机理产生另一种独立的自启动锁模脉冲。

辅助腔激光脉冲振荡轨迹见图1中的示意图。为了使得辅助腔脉冲更容易自启动，需要调节第一光纤环中的光纤滤波器4，使得光纤滤波器4的中心波长与Fabry–Pérot腔的等效滤波器中心波长间隔小于1nm，产生更低启动阈值的辅助腔脉冲。

辅助腔脉冲自启动后，将对复合腔激光器的输出产生以下两个重要的影响：

1、辅助腔脉冲基于交叉相位调制效应诱导主腔脉冲的可控激发。辅助腔脉冲自启动后，通过调整抽运功率，可以增大辅助腔脉冲能量。基于交叉相位调制，辅助腔脉冲可对主腔中的背景连续光进行相移和强度的调制，从而使背景连续光在主腔的类饱和吸收效应下迅速演化成自启动锁模脉冲，呈现出主腔脉冲的可控诱导激发现象。辅助腔脉冲可以控制主腔脉冲的重复率、时域分布等物理特性。

2、辅助腔脉冲与主腔脉冲通过相互作用可形成多脉冲相干叠加态。通过调节偏振控制器，使得主腔脉冲与辅助腔脉冲在时域上产生重叠并产生相互作用。当它们在激光器中演化时，相位达到锁定时即形成相干多脉冲叠加态。

实施例2

一种高能量复合腔光纤激光器脉冲可控诱导激发的方法，包括以下步骤：

S1、旋转偏振控制器的手柄角度与手柄的挤压强度，使得辅助腔自启动地产生锁模脉冲。为了使辅助腔更容易自启动锁模，调节光纤滤波器中心波长，使得光纤滤波器带通中心波长与Fabry–Pérot腔形成的等效滤波器中心波长间隔小于1nm，以获得自启动阈值低的锁模脉冲。

S2、增加辅助腔中的抽运光源功率，进而增加辅助腔脉冲的能量功率，基于交叉相位调制效应，辅助腔脉冲诱导主腔以其脉冲重复率的形式产生自启动锁模主腔脉冲。

S3、调节主腔中的两个光纤滤波器的带通中心波长间隔，获得不同能量的主腔脉冲输出。

S4、进一步调节偏振控制器的手柄角度，使得主腔脉冲与辅助腔脉冲在时域上重叠，并经过它们之间的相干光场调控，形成多脉冲相干叠加态。

S3中，两个光纤滤波器的带通中心波长间隔决定了主腔锁模脉冲能量，波长间隔越大，输出的脉冲能量越大。主腔中抽运的增益光纤总增益系数越大，带通中心波长间隔的可调节范围也越大。对于几十nJ量级的脉冲输出，两个光纤滤波器带通中心波长间隔在8nm以上。

本实施例能获得多脉冲相干叠加态，在全光延时、全光存储及全光控制等领域中有广泛应用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种高能量复合腔光纤激光器，其特征在于：包括辅助腔和主腔；所述辅助腔具有独立激光锁模机制，由第一光纤环构成；所述主腔由具有非线性增益效应与频谱滤波效应的第一、二光纤环连接形成的“8”字形谐振腔构成，所述第一、二光纤环由抽运光源、波分复用器、增益光纤、光纤滤波器、Y型光纤耦合器、光纤隔离器和偏振控制器组成，所述第一、二光纤环之间使用常规单模光纤将各器件相连接实现光路连通；

其中，第一光纤环包括第一抽运光源，所述第一抽运光源与第一波分复用器的抽运端连接，第一波分复用器的合波端与第一增益光纤其中一个端口连接，所述第一增益光纤的另一个端口与第一光纤滤波器的输入端连接，第一光纤滤波器的输出端通过单模光纤与第一光纤隔离器的输入端连接，第一光纤隔离器的输出端与第三Y型光纤耦合器50％端口连接，第三Y型光纤耦合器的合波端与第一偏振控制器其中一个端口连接，第一偏振控制器另一个端口与Fabry-Pérot腔第二腔镜连接，Fabry-Pérot腔第一腔镜和Fabry-Pérot腔第二腔镜之间通过第三增益光纤连接，所述Fabry-Pérot腔第一腔镜与第二Y型光纤耦合器的合波端连接，第二Y型光纤耦合器第一端中的50％端与第一Y型光纤耦合器的合波端连接，第一Y型光纤耦合器的50％端与第一波分复用器的信号端连接，从而形成第一光纤闭环，其中第一Y型光纤耦合器另一50％端作为第一光纤环的输出；

第二Y型光纤耦合器的另一50％端与第二光纤隔离器输入端连接，第二光纤隔离器的输出端与第二波分复用器信号端连接，第二波分复用器的抽运端与第二抽运光源连接，第二波分复用器的合波端与第二增益光纤其中一端口连接，第二增益光纤另一端口与第二光纤滤波器的输入端连接，第二光纤滤波器的输出端连接第二偏振控制器的其中一端口，第二偏振控制器的另一端口与第三Y型光纤耦合器的另一50％端口连接，从而形成第二光纤环。

2.根据权利要求1所述的高能量复合腔光纤激光器，其特征在于，所述辅助腔以非抽运的增益光纤做成一个微型Fabry–Pérot腔，对主腔中背景连续光具有非饱和吸收作用，物理机理上等效于对腔内的激光进行强度调制。

3.根据权利要求2所述的高能量复合腔光纤激光器，其特征在于，所述的非抽运增益光纤的总吸收系数小于1dB；所述微型Fabry–Pérot腔中，由光纤端面形成等效的第一腔镜和第二腔镜，所述第一腔镜和第二腔镜的光反射率在20％以下。

4.根据权利要求1或2所述的高能量复合腔光纤激光器，其特征在于，所述辅助腔通过调节光纤滤波器的带通中心波长与微型Fabry–Pérot腔所形成的等效滤波器的带通中心波长不重叠，构成类饱和吸收效应，使得辅助腔能独立地产生自身的脉冲格式。

5.根据权利要求1所述的高能量复合腔光纤激光器，其特征在于，所述辅助腔产生的自启动锁模脉冲能通过非线性效应诱导主腔锁模脉冲的可控激发，所述辅助腔产生的自启动锁模脉冲能量为基态孤子能量以上，其量级为10-99nJ。

6.根据权利要求1所述的高能量复合腔光纤激光器，其特征在于，所述主腔与辅助腔均基于各自的脉冲产生机制独立地产生各自脉冲格式，并获得多脉冲相干叠加态。

7.根据权利要求1所述的高能量复合腔光纤激光器，其特征在于，所述主腔中的两个光纤环有一段共享光纤支路段，由两个Y型光纤耦合器、偏振控制器和一段由未抽运的增益光纤构成的微型Fabry–Pérot腔组成。

8.应用于如权利要求1所述的一种高能量复合腔光纤激光器的脉冲可控诱导激发的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、旋转偏振控制器的手柄角度与手柄的挤压强度，使得辅助腔自启动产生脉冲；

S2、增加辅助腔中的抽运光源功率，进而增加辅助腔脉冲的能量功率，基于交叉相位调制效应诱导主腔脉冲的可控激发；

S3、调节主腔中的两个光纤滤波器的带通中心波长间隔，获得不同能量的主腔脉冲输出；

S4、再次调节偏振控制器的手柄角度，使得主腔脉冲与辅助腔脉冲产生相干光场调控，形成多脉冲相干叠加态。

9.根据权利要求8所述的高能量复合腔光纤激光器脉冲可控诱导激发的方法，其特征在于，所述S3中，两个光纤滤波器的带通中心波长间隔越大，输出的脉冲能量越大，对于几十纳焦以上的脉冲输出，两个光纤滤波器带通中心波长间隔在8nm以上。