CN115377783A - 一种双频脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种双频脉冲激光器，包括第一泵浦源、第二泵浦源、第一波分复用器、第二波分复用器、第一增益光纤、第二增益光纤、第一耦合器、第二耦合器、第一Mamyshev再生腔、第二Mamyshev再生腔、第三Mamyshev再生腔、第一滤波器和第二滤波器形成的谐振腔；其中，第一Mamyshev再生腔和第二Mamyshev再生腔的腔长不同，第一滤波器和第二滤波器的中心波长不同。本发明实施例提供的双频脉冲激光器，既具有高脉冲能量，可应用于各类工程场景中，又具备简单可控的重频调节，可用于多场景切换。

Description

一种双频脉冲激光器

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种双频脉冲激光器。

背景技术

双频锁模光纤激光器作为一种双光梳光谱技术，在气体吸收谱测量、非线性光谱成像、异步采样等方面具有重要的应用价值，但是传统的双光梳源是通过两套高相干、重频不同的光纤激光器产生的，其系统复杂，成本高。从一台激光器中输出高相干的双频光，是一种相对简单的解决方案，其固有的共模噪声抑制和固定的重复频率差在光谱测量方面可实现快速数据采集，良好的光谱分辨率和高信噪比。

随着单腔双频锁模技术的日益精进，对双频激光器的脉冲能量和重频调谐范围等方面也提出了更高的要求。传统的单腔双频锁模光纤激光器都依赖于真实或者人工可饱和吸收体的作用，如基于碳纳米管饱和吸收体、半导体可饱和吸收镜或者基于非线性偏振旋转、非线性放大环形镜实现的单腔双频激光器，其最大脉冲能量为十纳焦量级，限制了双梳系统在环境检测、激光雷达等户外应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种双频脉冲激光器，通过对谐振腔的特殊设计，对光路进行均分与汇合，使得振荡器可以输出双频超短脉冲，并且结合Mamyshev再生腔结构特性提高脉冲输出能量。

根据本发明的一方面，提供了一种双频脉冲激光器，包括第一泵浦源、第二泵浦源、第一波分复用器、第二波分复用器、第一增益光纤、第二增益光纤、第一耦合器、第二耦合器、第一Mamyshev再生腔、第二Mamyshev再生腔、第三Mamyshev再生腔、第一滤波器和第二滤波器形成的谐振腔；

所述第一泵浦源的输出端与所述第一波分复用器的泵浦输入端连接，所述第一波分复用器的输出端与所述第一增益光纤的第一端连接，所述第二泵浦源的输出端与所述第二波分复用器的泵浦输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述第二增益光纤的第一端连接；

所述第一耦合器包括第一输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端与所述第一增益光纤的第二端连接，所述第一输出端与所述第一Mamyshev再生腔的输入端耦合，所述第二输出端与所述第二Mamyshev再生腔的输入端耦合；

所述第二耦合器包括第二输入端、第三输入端和第三输出端，所述第二输入端与所述第一Mamyshev再生腔的输出端耦合，所述第三输入端与所述第二Mamyshev再生腔的输出端耦合；

所述第一滤波器的输入端与所述第三输出端耦合，所述第一滤波器的输出端与所述第二波分复用器的公共输入端耦合；

所述第二增益光纤的输出端与所述第三Mamyshev再生腔的输入端耦合，所述第三Mamyshev再生腔的输出端与所述第二滤波器的输入端耦合，所述第二滤波器的输出端与所述第一波分复用器的公共输入端耦合；

其中，所述第一Mamyshev再生腔和所述第二Mamyshev再生腔的腔长不同，所述第一滤波器和所述第二滤波器的中心波长不同。

可选的，还包括位于所述谐振腔内的光隔离器。

可选的，所述光隔离器位于所述第三输出端与所述第一滤波器之间。

可选的，还包括位于所述谐振腔内的多个光纤准直器。

可选的，所述光纤准直器包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、第五光纤准直器、第六光纤准直器、第七光纤准直器和第八光纤准直器；

所述第一光纤准直器与所述第一输出端连接，所述第二光纤准直器与所述第二输出端连接，所述第三光纤准直器与所述第二输入端连接，所述第四光纤准直器与所述第三输入端连接，所述第五光纤准直器与所述光隔离器的输出端连接，所述第六光纤准直器与所述第二波分复用器的公共输入端连接，所述第七光纤准直器与所述第二增益光纤的第二端连接，所述第八光纤准直器与所述第一波分复用器的公共输入端连接。

可选的，所述第一Mamyshev再生腔包括沿光路依次设置的第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜和第二二分之一波片，所述第二Mamyshev再生腔包括沿光路依次设置的第三二分之一波片、第二偏振分光棱镜和第四二分之一波片，所述第三Mamyshev再生腔包括沿光路依次设置的第五二分之一波片、第三偏振分光棱镜和第六二分之一波片。

可选的，所述第一Mamyshev再生腔和所述第二Mamyshev再生腔至少一者的腔长可调谐。

可选的，所述第一滤波器和所述第二滤波器包括中心波长不同的高斯滤波的反射光栅。

可选的，所述第一耦合器和所述第二耦合器均包括50：50分光比的光纤耦合器。

可选的，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤包括同种掺杂稀土元素的增益光纤。

本发明实施例提供的一种双频脉冲激光器，包括第一泵浦源、第二泵浦源、第一波分复用器、第二波分复用器、第一增益光纤、第二增益光纤、第一耦合器、第二耦合器、第一Mamyshev再生腔、第二Mamyshev再生腔、第三Mamyshev再生腔、第一滤波器和第二滤波器形成的谐振腔；其中，第一Mamyshev再生腔和第二Mamyshev再生腔的腔长不同，第一滤波器和第二滤波器的中心波长不同。本发明实施例通过对谐振腔的特殊设计，对光路进行均分与汇合，使得振荡器可以输出双频超短脉冲，并且结合Mamyshev再生腔结构特性提高脉冲输出能量，可应用于各类工程场景中，并且具备简单可控的重频调节，可用于多场景切换。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例提供的一种双频脉冲激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种双频脉冲激光器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的又一种双频脉冲激光器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的一种双频脉冲激光器的结构示意图，参考图1，该双频脉冲激光器包括第一泵浦源100、第二泵浦源200、第一波分复用器301、第二波分复用器302、第一增益光纤303、第二增益光纤304、第一耦合器305、第二耦合器306、第一Mamyshev再生腔307、第二Mamyshev再生腔308、第三Mamyshev再生腔309、第一滤波器310和第二滤波器311形成的谐振腔300。

第一泵浦源100和第二泵浦源200主要是将电能有效地转换成辐射能，并在给定的光谱带上产生高的辐射通量，产生泵浦信号。第一泵浦源100和第二泵浦源200可以是氤灯、氯灯或半导体激光器等。第一波分复用器301和第二波分复用器302主要将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输，第一波分复用器301和第二波分复用器302可以是熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型等。第一增益光纤303和第二增益光纤304用电磁能量泵激光信号，实现这种泵激的媒介包含一根掺有某种稀土金属的光纤，可选的，第一增益光纤303和第二增益光纤304包括同种掺杂稀土元素的增益光纤。具体地，掺杂的稀土元素可以是镱、铥、饵或钬等元素中的一种。第一耦合器305和第二耦合器306主要实现光信号在不同光纤间的分配或组合，可以是多模光纤、单模光纤或保偏光纤耦合器等。可选的，第一耦合器305和第二耦合器306均包括50：50分光比的光纤耦合器。第一Mamyshev再生腔307、第二Mamyshev再生腔308和第三Mamyshev再生腔309所产生的双频光纤激光器既具有高脉冲能量，且具备简单可控的重频调节功能。第一滤波器310和第二滤波器311可以是光栅，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分，进而达到滤除干扰噪声的效果。参考图1，各个器件形成环形的谐振腔300，用以使光束在谐振腔300内传播。由于电磁场完全集中于腔内，没有辐射损耗，故具有较高的品质因数。

参考图1，第一泵浦源100的输出端与第一波分复用器301的泵浦输入端连接，第一波分复用器301的输出端与第一增益光纤303的第一端连接，第二泵浦源200的输出端与第二波分复用器302的泵浦输入端连接，第二波分复用器302的输出端与第二增益光纤304的第一端连接。

第一波分复用器301用于接收第一泵浦源100输出的泵浦信号，第一增益光纤303用于接收第一波分复用器301输出的泵浦信号，产生对应的增益信号；第二波分复用器302用于接收第二泵浦源200输出的泵浦信号，第二增益光纤304用于接收第二波分复用器302输出的泵浦信号，产生对应的增益信号。例如当第一增益光纤303和第二增益光纤304均为高增益掺镱光纤时，其增益信号为1064nm波段的光束，具体增益波长受谐振腔及滤波器的影响，可以根据实际情况设计。

参考图1，第一耦合器305包括第一输入端、第一输出端和第二输出端，第一输入端与第一增益光纤303的第二端连接，第一输出端与第一Mamyshev再生腔307的输入端耦合，第二输出端与第二Mamyshev再生腔308的输入端耦合。

第一耦合器305的第一输入端接收第一增益光纤303输出的信号，第一输出端和第二输出端分别向第一Mamyshev再生腔307和第二Mamyshev再生腔308输入相同的激光信号。具体实施时，第一耦合器305的分光比为50：50，即第一Mamyshev再生腔307和第二Mamyshev再生腔308接收的光强相同，通过设置第一Mamyshev再生腔307和第二Mamyshev再生腔308的腔长不同可以形成不同波长的脉冲。

参考图1，第二耦合器306包括第二输入端、第三输入端和第三输出端，第二输入端与第一Mamyshev再生腔307的输出端耦合，第三输入端与第二Mamyshev再生腔的308输出端耦合。具体实施时，第二耦合器306与第一耦合器305可以采用相同的参数，不同的是第一耦合器305用作分束器，第二耦合器306用作合束器。第一滤波器310的输入端与第三输出端耦合，第一滤波器310的输出端与第二波分复用器302的公共输入端耦合。

第二耦合器306的第二输入端接收第一Mamyshev再生腔307输出的信号，第三输入端接收第二Mamyshev再生腔308输出的信号，第一滤波器310接收第二耦合器306第三输出端输出的信号，第二波分复用器302的公共输入端接收第一滤波器310输出的信号。

参考图1，第二增益光纤304的输出端与第三Mamyshev再生腔309的输入端耦合，第三Mamyshev再生腔309的输出端与第二滤波器311的输入端耦合，第二滤波器311的输出端与第一波分复用器301的公共输入端耦合。

第二增益光纤304输出的信号耦合输入第三Mamyshev再生腔309的输入端，第三Mamyshev再生腔309输出的信号耦合输入第二滤波器311的输入端，第二滤波器311输出的信号耦合输入第一波分复用器301的公共输入端，形成循环。其中，第二泵浦源200、第二波分复用器302、第二增益光纤304、第三Mamyshev再生腔309以及第二滤波器311输出的种子光注入谐振腔300内，经过光束多次循环可形成稳定的双频激光。

其中，第一Mamyshev再生腔307和第二Mamyshev再生腔308的腔长不同，第一滤波器310和第二滤波器311的中心波长不同。保证第一Mamyshev再生腔307和第二Mamyshev再生腔308可以输出两个不同腔长的激光信号。第一滤波器310和第二滤波器311的中心波长不同，可以使其预设过，而除此波长以外的光信号将被滤除。可选的，第一滤波器310和第二滤波器311包括中心波长不同的高斯滤波的反射光栅。

在某一具体实施例中，第一滤波器310为中心波长为1015nm的反射型衍射光栅，一方面，形成滤波效应，有利于脉冲的产生；另一方面，对光进行色散调控，有利于形成超短脉冲。第二滤波器311为中心波长为1025nm波长的反射型衍射光栅，进一步调控色散压缩脉冲，随后耦合到主光路中形成主振荡腔。经过多次循环，输出稳定的双频光脉冲。

图2为本发明实施例提供的另一种双频脉冲激光器的结构示意图，参考图2，双频脉冲激光器还包括位于谐振腔300内的光隔离器312。光隔离器312主要保证光信号的单向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。

可选的，光隔离器312位于第三输出端与第一滤波器310之间。

光隔离器312使得从第二耦合器306第三输出端输出的光信号只能单方向的传输到第一滤波器310的输入端，防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路产生不良影响。

可选的，还包括位于谐振腔300内的多个光纤准直器。

光纤准直器可以将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，方便后续传输。

可选的，参考图2，光纤准直器包括第一光纤准直器313、第二光纤准直器314、第三光纤准直器315、第四光纤准直器316、第五光纤准直器317、第六光纤准直器318、第七光纤准直器和319第八光纤准直器320。第一光纤准直器313与第一输出端连接，第二光纤准直器314与第二输出端连接，第三光纤准直器315与第二输入端连接，第四光纤准直器316与第三输入端连接，第五光纤准直器317与光隔离器312的输出端连接，第六光纤准直器318与第二波分复用器302的公共输入端连接，第七光纤准直器319与第二增益光纤304的第二端连接，第八光纤准直器320与第一波分复用器301的公共输入端连接。

第一光纤准直器313将第一输出端输出的光信号转变成准直光后输入第一Mamyshev再生腔307；第二光纤准直器314将第二输出端输出的光信号转变成准直光后输入第二Mamyshev再生腔308；第三光纤准直器315将第一Mamyshev再生腔307输出的光信号转变成准直光后输入第二输入端；第四光纤准直器316将第二Mamyshev再生腔308输出的光信号转变成准直光后输入第三输入端；第五光纤准直器317将光隔离器312输出的光信号准直后输入第一滤波器310；第六光纤准直器318将第一滤波器310输出的光信号准直后输入第二波分复用器302的公共输入端；第七光纤准直器319将第二增益光纤304的第二端输出的信号准直后输入第三Mamyshev再生腔309；第八光纤准直器320将第二滤波器311输出的光信号准直后输入第一波分复用器301的公共输入端。

图3为本发明实施例提供的又一种双频脉冲激光器的结构示意图，参考图3，双频脉冲激光器的第一Mamyshev再生腔307包括沿光路依次设置的第一二分之一波片3071、第一偏振分光棱镜3072和第二二分之一波片3073，第二Mamyshev再生腔308包括沿光路依次设置的第三二分之一波片3081、第二偏振分光棱镜3082和第四二分之一波片3083，第三Mamyshev再生腔309包括沿光路依次设置的第五二分之一波片3091、第三偏振分光棱镜3092和第六二分之一波片3093。

二分之一波片可以对偏振光进行旋转。偏振光垂直入射到二分之一波片，偏振光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为a，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2a角。偏振分光棱镜用于将一束光的水平偏振和垂直偏振分开，具有应力小、消光比高、成像质量好、光束偏转角小等特点。

可选的，第一Mamyshev再生腔307和第二Mamyshev再生腔308至少一者的腔长可调谐。保证可以产生重复频率可调节的双频激光。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频脉冲激光器，其特征在于，包括第一泵浦源、第二泵浦源、第一波分复用器、第二波分复用器、第一增益光纤、第二增益光纤、第一耦合器、第二耦合器、第一Mamyshev再生腔、第二Mamyshev再生腔、第三Mamyshev再生腔、第一滤波器和第二滤波器形成的谐振腔；

所述第一泵浦源的输出端与所述第一波分复用器的泵浦输入端连接，所述第一波分复用器的输出端与所述第一增益光纤的第一端连接，所述第二泵浦源的输出端与所述第二波分复用器的泵浦输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述第二增益光纤的第一端连接；

所述第一耦合器包括第一输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端与所述第一增益光纤的第二端连接，所述第一输出端与所述第一Mamyshev再生腔的输入端耦合，所述第二输出端与所述第二Mamyshev再生腔的输入端耦合；

所述第二耦合器包括第二输入端、第三输入端和第三输出端，所述第二输入端与所述第一Mamyshev再生腔的输出端耦合，所述第三输入端与所述第二Mamyshev再生腔的输出端耦合；

所述第一滤波器的输入端与所述第三输出端耦合，所述第一滤波器的输出端与所述第二波分复用器的公共输入端耦合；

所述第二增益光纤的输出端与所述第三Mamyshev再生腔的输入端耦合，所述第三Mamyshev再生腔的输出端与所述第二滤波器的输入端耦合，所述第二滤波器的输出端与所述第一波分复用器的公共输入端耦合；

其中，所述第一Mamyshev再生腔和所述第二Mamyshev再生腔的腔长不同，所述第一滤波器和所述第二滤波器的中心波长不同。

2.根据权利要求1所述的双频脉冲激光器，其特征在于，还包括位于所述谐振腔内的光隔离器。

3.根据权利要求2所述的双频脉冲激光器，其特征在于，所述光隔离器位于所述第三输出端与所述第一滤波器之间。

4.根据权利要求3所述的双频脉冲激光器，其特征在于，还包括位于所述谐振腔内的多个光纤准直器。

5.根据权利要求4所述的双频脉冲激光器，其特征在于，所述光纤准直器包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、第五光纤准直器、第六光纤准直器、第七光纤准直器和第八光纤准直器；

所述第一光纤准直器与所述第一输出端连接，所述第二光纤准直器与所述第二输出端连接，所述第三光纤准直器与所述第二输入端连接，所述第四光纤准直器与所述第三输入端连接，所述第五光纤准直器与所述光隔离器的输出端连接，所述第六光纤准直器与所述第二波分复用器的公共输入端连接，所述第七光纤准直器与所述第二增益光纤的第二端连接，所述第八光纤准直器与所述第一波分复用器的公共输入端连接。

6.根据权利要求1所述的双频脉冲激光器，其特征在于，所述第一Mamyshev再生腔包括沿光路依次设置的第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜和第二二分之一波片，所述第二Mamyshev再生腔包括沿光路依次设置的第三二分之一波片、第二偏振分光棱镜和第四二分之一波片，所述第三Mamyshev再生腔包括沿光路依次设置的第五二分之一波片、第三偏振分光棱镜和第六二分之一波片。

7.根据权利要求1所述的双频脉冲激光器，其特征在于，所述第一Mamyshev再生腔和所述第二Mamyshev再生腔至少一者的腔长可调谐。

8.根据权利要求1所述的双频脉冲激光器，其特征在于，所述第一滤波器和所述第二滤波器包括中心波长不同的高斯滤波的反射光栅。

9.根据权利要求1所述的双频脉冲激光器，其特征在于，所述第一耦合器和所述第二耦合器均包括50：50分光比的光纤耦合器。

10.根据权利要求1所述的双频脉冲激光器，其特征在于，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤包括同种掺杂稀土元素的增益光纤。

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