CN117277028A - 基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于时间‑光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源。所述光源包括宽谱锁模飞秒振荡器、光学分束部件、滤波部件、时延部件、时间‑光谱编码部件、光学合束部件以及和频部件；宽谱锁模飞秒振荡器产生具有宽带宽光谱的飞秒脉冲，由光学分束部件分成两路信号；第一路信号经过滤波部件滤出可调中心波长的窄带宽光谱，再经过时延部件调整第一路信号的时延量；第二路信号经过时间‑光谱编码部件，将第二路信号的宽带宽光谱信息编码到时域上；上述两路信号经过光学合束部件重新合束，并输入到和频部件中，最终输出波长可调的和频信号。该发明能够实现全光纤型的和频波长可调飞秒脉冲输出。
Description
技术领域
本发明涉及可调飞秒光源领域，特别涉及基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源。
背景技术
波长可调谐飞秒激光器在各个领域有着重要的应用，包括光谱学、生物医学成像和光通信等。传统的稀土离子掺杂激光器基于稀土离子的类型可产生特定波长的激光，通过在腔内加入可调滤波器等方法，可以实现输出波长可调。然而其产生的激光波长范围受限于稀土离子的特定能级，其他空缺波段的飞秒光源则可通过以下方法实现：1)光参量振荡技术(Optical parametric oscillators，OPO)：OPO广泛用于产生波长可调谐的激光，其基于参量过程，两个泵浦光光子湮灭同时产生一个信号光光子和一个闲频光光子，通过改变泵浦光的波长和可以使输出的信号光和闲频光波长可调谐。2)孤子自频移技术(Solitonself-frequency shift，SSFS)：大能量的泵浦激光激发非线性介质中的拉曼散射，获得拉曼增益，从而使孤子波长发生红移。3)差频技术(Difference frequency generation，DFG)：两束不同频率的激光经过差频晶体的非线性效应产生差频信号，可用于生成中红外波段的激光。4)和频技术(Sum frequency generation，SFG)：两束激光经过和频晶体的非线性效应产生和频信号，可用于产生可见光波段的激光。
波长可调谐是激光器的一项具有极大作用的性能，其中，如何实现和频波长的连续可调也是激光研究的一项技术要点(CN101916961B)。调谐和频波长的最简单方法是改变所输入的两束和频激光的波长，这种方法受到原激光器波长可调性能的限制，且需要同步两路激光，较为复杂。另一种方法可以通过调节非线性晶体的温度实现，晶体的折射率与温度有关，因此改变温度可以改变和频信号的输出波长。然而，这种方法可能会受到晶体热稳定性的限制，波长调谐范围有限。并且,一般的和频方法都是通过采用空间型非线性晶体的形式，这使得基于和频技术的波长可调激光器体积庞大，稳定性不佳。
发明内容
本发明所要解决的问题是实现一种基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源。本发明基于一个激光器光源，采用时间-光谱编码的技术，可实现全光纤型的和频波长可调飞秒光源，为和频波长调谐提供了一种有效的解决方案。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，包括宽谱锁模飞秒振荡器、光学分束部件、滤波部件、时延部件、时间-光谱编码部件、光学合束部件以及和频部件；
宽谱锁模飞秒振荡器产生具有宽带宽光谱的飞秒脉冲，由光学分束部件分成两路信号；
第一路信号经过滤波部件滤出可调中心波长的窄带宽光谱，再经过时延部件调整第一路信号的时延量；
第二路信号经过时间-光谱编码部件，将第二路信号的宽带宽光谱信息编码到时域上；
上述两路信号经过光学合束部件重新合束，并输入到和频部件中，最终输出波长可调的和频信号。
进一步地，和频信号的中心波长λSFG依赖于第一路信号和第二路信号时域重叠部分的中心波长λa和λb，即第一路信号的中心波长λa通过滤波部件进行调整；与第一路信号时域重叠部分的第二路信号的中心波长λb通过时延部件进行调整。
进一步地，所述宽谱锁飞秒振荡器的光谱带宽为Δλseed＝λ2-λ1，λ1为光谱带宽最短波的波长，λ2为光谱带宽最长波的波长；所述第一路信号经过滤波部件后产生的窄带宽光谱中心波长λa的可调范围为λ1～λ2，所述第二路信号的光谱带宽Δλb＝λ2-λ1且通过所述时间-光谱编码部件映射在时域上。
进一步地，通过调整所述滤波部件和所述时延部件，所能实现的最小的和频信号中心波长λSFG-min为第一路信号的中心波长λa＝λ1与第二路信号的中心波长λb＝λ1时域重叠时的和频结果
所能实现的最大的和频信号中心波长λSFG-max为第一路信号的中心波长λa＝λ2与第二路信号的中心波长λb＝λ2时域重叠时的和频结果
最终和频信号的中心波长可调范围为
进一步地，时间-光谱编码部件为色散光纤；第二路信号由色散光纤展宽脉冲，将宽带宽光谱信息编码到时域上，频域到时域的对应关系可由下式给出：
其中，u(z,T)为脉冲时域光场，为脉冲频域光场，z为脉冲传输距离，T为脉冲传输时间，β2为色散光纤的色散系数，α为色散光纤的衰减系数，从上式可知经过足够长的色散光纤后脉冲时域包络形状与原始光谱包络形状具有相似性，时频对应关系满足ω＝T/β2z。
进一步地，和频部件为一对光纤型的梯度变折射率透镜以及和频晶体，光纤型透镜将两路和频信号光聚焦到和频晶体中再耦合进光纤里。
进一步地，滤波部件为光纤型可调滤波器。
进一步地，时延部件为光纤型可调延迟线。
进一步地，第一路信号由可调滤波器滤出窄带宽光谱，第一路信号的中心波长λa可调范围为λ1～λ2，再经过可调延迟线调整时延量。
进一步地，宽谱锁模飞秒振荡器为掺铒光纤锁模飞秒激光器，锁模带宽为Δλseed＝λ2-λ1。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明基于时间-光谱编码的方法，基于宽谱锁模飞秒振荡器产生具有宽带宽光谱的飞秒脉冲，通过调整滤波部件和时延部件改变两路和频信号在时域上重叠的中心波长，从而调整和频信号的中心波长，通过光纤型梯度变折射率透镜和小型和频晶体避免了空间结构，可实现全光纤型的宽带宽和频波长可调飞秒脉冲输出，结构紧凑，可靠性强。
附图说明
图1为本发明实施例中基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源结构示意图；
图2为本发明实施例中的系统原理光谱信息示意图；
图3为本发明实施例中的系统原理时域信息示意图。
具体实施方式
在下面的描述中结合具体图示阐述了技术方案以便充分理解本发明申请。但是本发明申请能够以很多不同于在此描述的的其他方法来实施，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所做类似推广实施例，都属于本发明保护的范围。
在本说明书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本说明书一个或多个实施例中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
实施例：
本发明的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源采用如图1所示的系统结构来具体实施，该系统包括宽谱锁模飞秒振荡器1、光学分束部件2、滤波部件3、时延部件4、时间-光谱编码部件5、光学合束部件6、和频部件7。宽谱锁模飞秒振荡器1的输出端与光学分束部件2的输入端连接，光学分束部件2的其中一个输出端依次与滤波部件3和时延部件4连接，光学分束部件2的另一个输出端与时间-光谱编码部件5连接，时延部件4与时间-光谱编码部件5的输出端分别与光学合束部件6的两个输入端连接，光学合束部件6的输出端与和频部件7的输入端连接，和频部件7的输出端即为本发明的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源的输出端。
图2和图3分别为系统原理光谱信息和时域信息示意图。
在一个具体实施例中，宽谱锁模飞秒振荡器为掺铒光纤锁模飞秒激光器，锁模带宽为Δλseed＝λ2-λ1，λ1为光谱带宽最短波的波长，λ2为光谱带宽最长波的波长。光谱和时域信息如图2中的a图和图3中的a图所示。
所述激光器经过光学分束器后分成两路信号，光学分束器为1*2端口的50:50光纤耦合器。
滤波部件为光纤型可调滤波器，时延部件为光纤型可调延迟线。第一路信号由可调滤波器滤出窄带宽光谱，滤出的窄带宽光谱中心波长λa可调范围为λ1～λ2，光谱信息如图2中的b图所示，其中实线曲线为窄带宽光谱中心波长λa＝λ1时的光谱，虚线曲线为窄带宽光谱中心波长λa＝λ2时的光谱。被滤出的窄带宽信号再经过可调延迟线调整时延量，假设当调整滤波部件使得窄带宽光谱中心波长λa＝λ1时，其时域信息如图3中的b图所示，实线曲线为窄带宽光谱信号由时延部件调节至与第二路信号的光谱波长λb＝λ1时域重叠时的时域脉冲相对位置情况示意，虚线曲线为窄带宽光谱信号由时延部件调节至与第二路信号的光谱波长λb＝λ2时域重叠时的时域脉冲相对位置情况示意。
时间-光谱编码部件为色散光纤。第二路信号由色散光纤展宽脉冲，将宽带宽光谱信息编码到时域上。
理论上，频域到时域的对应关系可由下式给出，
其中，u(z,T)为脉冲时域光场，为脉冲频域光场，z为脉冲传输距离，T为脉冲传输时间，β2为色散光纤的色散系数，α为色散光纤的衰减系数，从上式可知经过足够长的色散光纤后脉冲时域包络形状与原始光谱包络形状具有相似性，时频对应关系满足ω＝T/β2z。
第二路信号的光谱和时域信息如图2中的c图和图3中的c图所示，第二路信号的光谱信息与宽谱锁模飞秒振荡器的光谱信息相同，而其时域信息经过时间-光谱编码部件后其宽带宽光谱信息映射到时域上，脉冲前沿的光谱成分为λ1，脉冲后沿的光谱成分为λ2，其脉冲形状与光谱形状一致。
两路信号再通过光学合束部件合束到和频部件中，光学合束部件为1*2端口的50:50光纤耦合器。
和频部件为一对光纤型的梯度变折射率透镜和小型和频晶体，光纤型透镜将两路和频信号光聚焦到小型和频晶体中再耦合进光纤里。小型和频晶体固定在可用于光纤端面对接的陶瓷插芯中，避免了空间结构，整体结构紧凑。
和频信号的中心波长λSFG依赖于第一路信号和第二路信号时域重叠部分的中心波长λa和λb，即第一路信号的中心波长λa通过滤波部件进行调整；与第一路信号时域重叠部分的第二路信号的中心波长λb通过时延部件进行调整。
在一个具体实施例中，第一种情况，当第一路信号的可调滤波器使中心波长λa＝λ1时，通过调整可调延迟线，可以调整第二路信号与第一路信号时域重叠的中心波长λb从λ1到λ2改变。当λb＝λ1时，和频信号中心波长 当λb＝λ2时，和频信号中心波长/>即最终输出的可调和频信号中心波长λSFG从/>到/>改变。输出和频信号的光谱和时域信息如图2中的d图和图3中的d图所示，其中实线曲线为第一路信号窄带宽光谱中心波长λa＝λ1与第二路信号的中心波长λb＝λ1时的和频结果，虚线曲线为第一路信号窄带宽光谱中心波长λa＝λ1与第二路信号的中心波长λb＝λ2时的和频结果。
在一个具体实施例中，第二种情况，当第一路信号的可调滤波器使中心波长λa＝λ2时，通过调整可调延迟线，可以调整第二路信号与第一路信号时域重叠的中心波长λb从λ1到λ2改变。当λb＝λ1时，和频信号中心波长 当λb＝λ2时，和频信号中心波长/>即最终输出的可调和频信号中心波长λSFG从/>到/>改变。输出和频信号的光谱和时域信息如图2中的e图和图3中的e图所示，其中实线曲线为第一路信号窄带宽光谱中心波长λa＝λ2与第二路信号的中心波长λb＝λ1时的和频结果，虚线曲线为第一路信号窄带宽光谱中心波长λa＝λ2与第二路信号的中心波长λb＝λ2时的和频结果。
即通过调整所述滤波部件和所述时延部件，所能实现的最小的和频信号中心波长λSFG-min为第一路信号的中心波长λa＝λ1与第二路信号的中心波长λb＝λ1时域重叠时的和频结果所能实现的最大的和频信号中心波长λSFG-max为第一路信号的中心波长λa＝λ2与第二路信号的中心波长λb＝λ2时域重叠时的和频结果/>
综合第一种和第二种情况，通过调整可调滤波器和可调延迟线，最终和频信号的中心波长可调范围为实现了基于时间-光谱编码全光纤型和频波长可调飞秒激光输出。
上述实施例为本发明的实施方式之一，但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于，包括宽谱锁模飞秒振荡器、光学分束部件、滤波部件、时延部件、时间-光谱编码部件、光学合束部件以及和频部件；
宽谱锁模飞秒振荡器产生具有宽带宽光谱的飞秒脉冲，由光学分束部件分成两路信号；
第一路信号经过滤波部件滤出可调中心波长的窄带宽光谱，再经过时延部件调整第一路信号的时延量；
第二路信号经过时间-光谱编码部件，将第二路信号的宽带宽光谱信息编码到时域上；
上述两路信号经过光学合束部件重新合束，并输入到和频部件中，最终输出波长可调的和频信号。
2.根据权利要求1所述的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于：和频信号的中心波长λSFG依赖于第一路信号和第二路信号时域重叠部分的中心波长λa和λb，即第一路信号的中心波长λa通过滤波部件进行调整；与第一路信号时域重叠部分的第二路信号的中心波长λb通过时延部件进行调整。
3.根据权利要求2所述的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于：所述宽谱锁飞秒振荡器的光谱带宽为Δλseed＝λ2-λ1，λ1为光谱带宽最短波的波长，λ2为光谱带宽最长波的波长；所述第一路信号经过滤波部件后产生的窄带宽光谱中心波长λa的可调范围为λ1～λ2，所述第二路信号的光谱带宽Δλb＝λ2-λ1且通过所述时间-光谱编码部件映射在时域上。
4.根据权利要求1～3任一项所述的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于：
通过调整所述滤波部件和所述时延部件，所能实现的最小的和频信号中心波长λSFG-min为第一路信号的中心波长λa＝λ1与第二路信号的中心波长λb＝λ1时域重叠时的和频结果
所能实现的最大的和频信号中心波长λSFG-max为第一路信号的中心波长λa＝λ2与第二路信号的中心波长λb＝λ2时域重叠时的和频结果
最终和频信号的中心波长可调范围为
5.根据权利要求1所述的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于：时间-光谱编码部件为色散光纤；第二路信号由色散光纤展宽脉冲，将宽带宽光谱信息编码到时域上，频域到时域的对应关系可由下式给出：
其中，u(z,T)为脉冲时域光场，为脉冲频域光场，z为脉冲传输距离，T为脉冲传输时间，β2为色散光纤的色散系数，α为色散光纤的衰减系数，从上式可知经过足够长的色散光纤后脉冲时域包络形状与原始光谱包络形状具有相似性，时频对应关系满足ω＝T/β2z。
6.根据权利要求1所述的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于：和频部件为一对光纤型的梯度变折射率透镜以及和频晶体，光纤型透镜将两路和频信号光聚焦到和频晶体中再耦合进光纤里。
7.根据权利要求1所述的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于：滤波部件为光纤型可调滤波器。
8.根据权利要求7所述的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于：时延部件为光纤型可调延迟线。
9.根据权利要求8所述的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于：第一路信号由可调滤波器滤出窄带宽光谱，第一路信号的中心波长λa可调范围为λ1～λ2，再经过可调延迟线调整时延量。
10.根据权利要求1所述的基于时间-光谱编码的全光纤型和频波长可调飞秒光源，其特征在于：宽谱锁模飞秒振荡器为掺铒光纤锁模飞秒激光器，锁模带宽为Δλseed＝λ2-λ1。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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