CN114122887A - 一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，属于激光技术及激光控制领域。包括：泵浦源，保偏波分复用器，保偏增益光纤，保偏光纤隔离器，保偏2x2耦合器，保偏1x2耦合器，保偏带通滤波器，保偏无源光纤，数据采集器、算法控制器、光纤耦合光电探测器、跨阻放大器。本发明利用全保偏光纤以及保偏器件不仅实现了激光器的全光纤化，还提高了激光器的环境稳定性。通过一套激光控制与监测系统实现了激光器的自启动锁模以及状态监测，最终实现了高能量，高稳定性的激光脉冲输出。

Description

一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器
技术领域
本发明属于激光技术及激光控制领域，尤其涉及一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器。
背景技术
自1960年第一台激光器出现以来，激光技术迅速发展，在各行各业中发挥了重要的作用，极大的推动了科技的进步。其中光纤激光器以其结构紧凑，高效率，高光束质量等特点在众多不同类型激光器中脱颖而出。光纤激光器是以掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，在光通信，工业制造，光学传感，航空航天等领域应用广泛。
近些年来，脉冲形式的光纤激光器逐渐走入人们的视野，其中超短脉冲光纤激光器能在够在低平均功率的情况下获得极高峰值功率，同时兼顾高效率、高光束质量以及灵活可控。自1985年Strickland等人提出了啁啾脉冲放大(CPA)技术以后，超短脉冲光纤激光器性能得到大幅度提高。由于啁啾脉冲放大技术对高功率超快激光发展具有不可忽视的作用，因此获得了2018年的诺贝尔物理学奖。超短脉冲光纤激光器由于其高峰值功率，高单脉冲能量，超短脉冲宽度等特点，在一些精密元件加工、生物医疗、高次谐波的产生、真空紫外(VUV)与极端紫外(XUV)相干光源的获得等方面，有着巨大的应用优势。
激光器中产生超短脉冲的方法主要为主动锁模与被动锁模，其中被动锁模技术更为常见，被动锁模通常通过可饱和吸收体实现，可饱和吸收体主要分为两种类型：实体可饱和吸收体和虚拟可饱和吸收体。实体可饱和吸收体主要为半导体可饱和吸收体(SESAM)、二维材料等。虚拟可饱和吸收体主要分为非线性偏振旋转(NPR)和非线性环形镜(NOLM/NALM)。其中实体可饱和吸收体虽然输出脉冲特性良好，但普遍存在成本高昂、损伤阈值低、工作带宽窄、寿命短等缺点。而虚拟可饱和吸收体中，非线性偏振旋转(NPR)锁模技术存在抗环境干扰能力弱、稳定性差的特点，不利于产业化应用。而非线性环形镜(NOLM/NALM)锁模技术虽然稳定性强，成本低，但存在难自启的特点。
发明内容
为了解决实体可饱和吸收体成本高、带宽窄、阈值低以及虚拟可饱和吸收体环境稳定性差、无法自启的问题。本发明提出了一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，激光器采用了全保偏结构，其中可饱和吸收体由保偏器件与保偏光纤构成，结构紧凑，能够在各种环境中长时间工作并且良好的锁模稳定性。同时通过算法控制激光器泵浦源实现锁模的自启动以及实时监测锁模的稳定性。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器包括：主振荡器环路和非线性环形镜系统、激光控制与监测系统；
主振荡器环路和非线性环形镜系统包括：第一泵浦源，第一保偏波分复用器，第一保偏增益光纤，第一保偏光纤隔离器，第一保偏2x2耦合器，第一保偏1x2耦合器，第一保偏带通滤波器，第一保偏无源光纤，第二保偏波分复用器，第二保偏增益光纤。其中第一泵浦源的输出端连接到第一保偏波分复用器的泵浦端，第一保偏波分复用器输出端依次连接第一保偏增益光纤、第一保偏光纤隔离器、第一保偏2x2耦合器的a端口，再由第一保偏2x2耦合器的b端口连接到第一保偏1x2耦合器e端口，通过第一保偏1x2耦合器的f端口依次连接第一保偏带通滤波器、第一保偏波分复用器输入端，从而构成完整的闭合环路即主振荡器环路，其中过第一保偏1x2耦合器的g端口为激光输出端口。而非线性环形镜系统是由第一保偏2x2耦合器的c端依次连接第二保偏增益光纤、第二保偏波分复用器的输出端，再由第二保偏波分复用器的输入端依次连接第一保偏无源光纤，第一保偏2x2耦合器的d端构成，其中第二泵浦源的输出端连接到第二保偏波分复用器的泵浦端。非线性环形镜系统在激光器起可饱和吸收体的作用，主要用于锁模的启动。
激光控制与监测系统包括：数据采集器、算法控制器、光纤耦合光电探测器、跨阻放大器；整个系统是由第一保偏1x2耦合器的g端口依次连接到光纤耦合光电探测器、跨阻放大器、数据采集器、算法控制器而构成，其中第一泵浦源、第二泵浦源的控制端分别连接到数据采集器的两个控制端。激光控制与监测系统对输出的激光进行实时监测并进行判定，如果判定结果不符合预设要求，则对第一、第二泵浦源施加调制信号，从而达到需要的结果。
作为优选，所述泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，激光器类型是连续激光器或脉冲激光器，输出光纤是单模光纤或多模光纤。
作为优选，泵浦源泵浦方式是纤芯单端泵浦、纤芯双端泵浦、包层单端泵浦、包层双端泵浦其中一种。
作为优选，所述第一保偏增益光纤和第二保偏增益光纤是掺杂稀土离子的石英光纤或者光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱(Yb)、铒(Er)、铥(Tm)、镨(Pr)等稀土元素中的一种或几种。
作为优选，所述2x2保偏耦合器和1x2保偏耦合器的分束比在0到1之间。
作为优选，所述光纤耦合光电探测器的带宽是在0.1到5GHz之间。
作为优选，激光控制与监测系统是通过检测激光器输出激光的状态来给泵浦施加反馈，从而实现锁模的自启动以及锁模状态监测。
作为优选，激光控制与监测系统不仅适用于基于非线性环形镜锁模的激光器，还适用于基于SESAM的锁模激光器、基于NPE的锁模激光器等。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明提供一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，利用数据采集器实时获取输出激光的频谱状态和时域状态并反馈给算法控制器，算法控制器分析输出激光的状态并与设定的状态进行对比，符合要求，停止算法控制器到数据采集器的反馈。若不符合要求，算法控制器给出一个调制信号到数据采集器，再由数据采集器将信号传输到第一泵浦源和第二泵浦源，调整输出激光的状态，直到符合设定要求。同时全保偏的激光结构以及虚拟的可饱和吸收体，不仅保证了激光器长的工作寿命，还能能够维持一个高的环境稳定性。而激光控制与监测系统不仅解决了基于非线性环形镜技术的锁模激光器的难自启问题，还提高了激光器的工作稳定性。
附图说明
图1为本发明实施提供的智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器的结构示意图。
图2为本发明算法控制器的算法逻辑流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明确，以下结合几个附图和实施例，对本发明做进一步说明，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，包括：第一泵浦源1，第一保偏波分复用器2，第一保偏增益光纤3，第一保偏光纤隔离器4，第一保偏2x2耦合器5，第一保偏1x2耦合器6，第一保偏带通滤波器7，第二保偏增益光纤8，第二保偏波分复用器9，第二泵浦源10，第一保偏无源光纤11，光纤耦合光电探测器12，跨阻放大器13，数据采集器14，算法控制器15。其中第一保偏波分复用器2、第一保偏增益光纤3、第一保偏光纤隔离器4、第一保偏2x2耦合器5、第一保偏1x2耦合器6、第一保偏带通滤波器7依次连接组成一个光循环通路，作为激光器的主腔。第一保偏2x2耦合器5、第二保偏增益光纤8、第二保偏波分复用器9、第一保偏无源光纤11也依次连接组成一个光循环通路，起一个可饱和吸收体的作用，入射光经过第一保偏2x2耦合器5后被分为两路进入光纤环路，两路光以不同方向在环路中运转。由于第二保偏增益光纤8在环路中的不对称放置，两束光会积累不同的非线性相移，而产生非线性相移差与光强相关，可以等效为一个可饱和吸收体，对光强度高的光高透，光强度低的光低透。
主腔中g端口输出的锁模激光脉冲通过光纤光纤耦合光电探测器12转换成电信号，再由跨阻放大器13被放大数十倍，再通过数据采集器14采集并输入进算法控制器15，从而起到控制与监测作用。
如图2所示，上述算法控制器的其中一种控制监测算法逻辑流程图，包括以下步骤：
第一步：启动智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，在算法控制器中预先设定目标的频域与时域状态拟合阈值，用以匹配输出脉冲的频谱与时域状态。当监测到输出激光的频域与时域状态不在事先设定的阈值范围内时，即偏离设定状态，算法控制器启动反馈模式，通过数据采集器将调制信号传输到两个泵浦源，从而调节泵浦源功率，直到满足预先设定状态。
第二步，当满足预先设定状态时，停止反馈模式，算法控制器启动监测模式，实时读取输出激光的频域与时域状态。一旦监测到输出激光的频域与时域状态偏离设定状态时，开启反馈模式，直至满足预先设定状态。
本发明提供一种结构紧凑，性能稳定的智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器。该激光器是基于虚拟可饱和吸收体锁模技术实现的锁模脉冲输出，但通过全保偏结构提高了激光器的环境稳定性。同时通过一套激光控制与监测系统，实现了激光器的自启动锁模，以及进一步提高了激光的环境稳定性。即使在恶劣环境中激光器失锁，也能通过激光控制与监测系统将激光器调节至锁模状态。本发明设计简单灵活，可以作为后续放大系统的种子源使用，利于实现产业化应用。

Claims (8)

1.一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，其特征在于，包括主振荡器环路和非线性环形镜系统、激光控制与监测系统；
所述的主振荡器环路和非线性环形镜系统包括：第一泵浦源、第一保偏波分复用器、第一保偏增益光纤、第一保偏光纤隔离器、第一保偏2x2耦合器、第一保偏1x2耦合器、第一保偏带通滤波器、第一保偏无源光纤、第二保偏波分复用器和第二保偏增益光纤；以第一保偏2x2耦合器为中心，第一保偏2x2耦合器的一侧依次连接由第一保偏光纤隔离器、第一保偏增益光纤、第一保偏波分复用器、第一保偏带通滤波器和第一保偏1x2耦合器组成的一条闭合环路，第一保偏2x2耦合器的另一侧依次连接由第二保偏增益光纤、第二保偏波分复用器和第一保偏无源光纤组成的另一条闭合环路；两条闭合环路和第一保偏2x2耦合器最终组成一个腔形形状为“8”的激光器；第一保偏1x2耦合器与激光控制与监测系统连接，所述的激光控制与监测系统包括：数据采集器、算法控制器、光纤耦合光电探测器、跨阻放大器；输出的激光依次连接数据采集器、算法控制器、光纤耦合光电探测器、跨阻放大器，通过算法控制器启动激光器锁模以及检测激光器的运转状态；第一泵浦源与第一保偏波分复用器连接。
2.如权利要求1所述的智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，其特征在于，所述的泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、；光纤激光器或拉曼激光器；激光器类型是连续激光器或脉冲激光器，输出光纤是单模光纤或多模光纤。
3.如权利要求1所述的智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，其特征在于，所述的泵浦源泵浦方式是纤芯单端泵浦、纤芯双端泵浦、包层单端泵浦或包层双端泵浦其中一种。
4.如权利要求1所述的智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，其特征在于，所述的第一保偏增益光纤和第二保偏增益光纤是掺杂稀土离子的石英光纤或者光子晶体光纤，其中掺杂的稀土元素是镱、铒、铥、镨中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，其特征在于，所述的2x2保偏耦合器和1x2保偏耦合器的分束比在0到1之间。
6.如权利要求1所述的智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，其特征在于，所述的光纤耦合光电探测器的带宽在0.1到5GHz之间。
7.如权利要求1所述的智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，其特征在于，所述的激光控制与监测系统是通过检测激光器输出激光的状态来给泵浦施加反馈，从而实现锁模的自启动以及锁模状态监测。
8.如权利要求1所述的智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器，其特征在于，所述的激光控制与监测系统适用于基于非线性环形镜锁模的激光器，以及基于SESAM的锁模激光器和基于NPE的锁模激光器。
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