CN117791285A - 一种声电混合调制的多波长光脉冲产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声电混合调制的多波长光脉冲产生装置，泵浦源、波分复用器、增益光纤、分布式光滤波器、非线性偏振旋转器、电光调制器、超声换能器和光纤耦合器顺次串联形成环形腔；装置通过信号发生器通过电光调制器对腔内激光进行调控，实现对分布式滤波器任意一个滤波点位的选择，将其对应腔长的谐振频率和反馈波长加载到输出激光上，进而实现激光脉冲的波长选择和射频编码；通过电光调制器主动调制与非线性偏振旋转器的共同作用，针对不同的射频编码即不同谐振腔长条件，实现具有转换极限的激光锁模脉冲输出；通过超声波发生器驱动超声换能器，对腔内相对高频的激光脉冲序列进行超声波信息加载。

Description

一种声电混合调制的多波长光脉冲产生装置

技术领域

本发明涉及脉冲技术和光纤激光技术，特别地涉及声电混合调制的多波长光脉冲产生技术。

背景技术

近年来，工作在皮秒到亚皮秒范围内的窄带宽和超短脉冲光纤激光器由于其在光频梳、超连续谱产生、材料微加工、激光雷达、激光传感等各个领域的广泛应用而受到了极大的关注。锁模技术是产生超短脉冲激光的主要方法，其在多纵模激光器中以实现各纵模之间相位差恒定为基础，使得各模式之间相互锁定，产生同步的相干受激辐射输出，能够趋近测不准原理所确定的频宽与脉宽的傅里叶变换极限，接近激光介质增益线宽所决定的最小脉冲宽度，突破了调Q技术的限制，可实现3fs-100ps的超短脉冲输出。常见的锁模脉冲技术分为主动锁模和被动锁模两类。主动锁模基于外部器件周期性的幅度或者相位调制，易于实现基频和谐波锁模，但输出脉宽相对较宽；被动锁模利用可饱和吸收体的强度调制性质，结构简单，输出脉宽窄，但对环境扰动敏感，锁模发生率仅为60％-70％。

大多数锁模激光器产生相对较宽的光谱、固定的中心波长和腔共振。而现有的波长可调谐锁模激光器通常使用昂贵的可调滤波装置来窄化激光线宽、抑制噪声、同时调控波长，系统成本较高且控制灵活性低，且往往难以实现转换极限的激光脉冲输出。在锁模激光器中灵活可控地同时实现窄线宽、窄脉冲宽度以及波长选择特性具有重要的实际应用价值(例如，窄脉冲宽度和具有波长选择性的光谱单色性之间的协同作用将有助于低噪声和高分辨率相干检测)，相关实现方法仍是一个难题，尚未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能产生同时具有窄脉宽、窄线宽和波长可选择特性的锁模激光脉冲的，且进一步还可以进行声波二次声波调制的装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种声电混合调制的多波长光脉冲产生装置，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、分布式光滤波器、非线性偏振旋转器、电光调制器、超声换能器和光纤耦合器；泵浦源与接波分复用器的反射端相连，接波分复用器的公共端、增益光纤、分布式光滤波器、非线性偏振旋转器、电光调制器、超声换能器和光纤耦合器顺次串联，光纤耦合器的第一输出端与接波分复用器的透射端相连形成环形腔，光纤耦合器的第二输出端用于输出产生的光脉冲；

分布式光滤波器由环形器连接光纤布拉格光栅阵列形成多个反馈滤波点位。

波分复用器用于将泵浦光耦合到增益光纤中；

增益光纤用于吸收泵浦光，形成粒子数反转产生激光光束；

分布式光滤波器用于利用环形器一端口接收来自增益光纤的激光光束，将激光光束发送至与环形器二端口连接的光纤布拉格光栅阵列中，激光光束经光纤布拉格光栅阵列反馈形成分布式滤波效应的作用后从环形器三端口输出至非线性偏振旋转器；

非线性偏振旋转器用于对输入的激光光束进行脉冲压窄后输出至电光调制器；

电光调制器用于对腔内激光进行调控，实现对分布式滤波器任意一个滤波点位的选择，将滤波点位对应腔长的谐振频率和反馈波长加载到输出激光上，实现激光锁模脉冲输出；

超声换能器用于，对输入的激光锁模脉冲进行超声波信息加载，将实现声波二次调制后的光脉冲输出至光纤耦合器的输入端；

光纤耦合器用于，对输入的光脉冲进行分束，

分束后的一部分光脉冲从第一输出端进入波分复用器的透射端形成谐振回路，另一部分光脉冲从第二输出端直接输出。

本发明通过信号发生器控制电光调制器对腔内激光进行调控，实现对分布式滤波器任意一个滤波点位的选择，将滤波点位对应腔长的谐振频率和反馈波长加载到输出激光上，进而实现激光脉冲的波长选择和射频编码；通过电光调制器主动调制与非线性偏振旋转器的共同作用，针对不同的射频编码即不同谐振腔长条件，实现具有转换极限的激光锁模脉冲输出；通过超声波发生器驱动超声换能器，对腔内相对高频的激光脉冲序列进行超声波信息加载。

本发明的有益效果是，通过选择共振频率来选择波长，利用电信号实现激光输出的灵活控制，操作更简单、速度更快；此外，特定波长与特定射频频率一一对应，可实现激光波长的射频编码以及电学和光学信息的互为表征，如本发明可以通过检测射频信号来识别波长。这些特性有助于激光雷达、光传感器网络和激光成像应用中提高信噪比和检测精度、波长控制和信号检测。

附图说明

图1是本发明装置示意图；

图2是本发明装置中分布式光滤波器结构示意图；

图3是本发明装置中非线性偏振旋转器结构示意图；

图4是本发明装置的多波长光脉冲产生方法示意图；

图5是实施例1装置的光脉冲调制的时域图及光谱图；

图6是实施例2装置的超声信号调制光脉冲调制的射频谱图；

图7是实施例3装置的光脉冲脉宽拟合轨迹。

图中附图标记：1-泵浦源、2-波分复用器、3-增益光纤、4-分布式光滤波器、5-非线性偏振旋转器、6-电光调制器、7-超声换能器、8-光纤耦合器、9-光纤耦合器二端口端尾纤、10-光环形器、11-光纤布拉格光栅序列、12-第一偏振控制器、13-偏振相关隔离器、14-第二偏振控制器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

声电混合调制的多波长光脉冲产生装置的结构示意如图1所示：包括泵浦源1、波分复用器2、增益光纤3、分布式光滤波器4、非线性偏振旋转器5、电光调制器6、超声换能器7、光纤耦合器8；

泵浦源1连接波分复用器2的反射端口(第一输入端)，波分复用器2的公共端口(输出端)和透射端口(第二输入端)之间依次连接增益光纤3、分布式光滤波器4、非线性偏振旋转器5、电光调制器6、超声换能器7、光纤耦合器8形成环形腔。电信号输入连接电光调制器6射频端，超声信号输入连接超声换能器7接收端。

分布式光滤波器4由环形器10连接光纤布拉格光栅阵列11形成多个反馈滤波点位，如图2所示。分布式滤波器所包含的所述光纤布拉格光栅阵列中的每个光栅对应不同空间位置和反射波长，由此形成分布式反馈滤波点，并构建谐振腔长与波长对应的编码。

非线性偏振旋转器5由第一偏振控制器12、偏振相关隔离器13和第二偏振控制器14依次连接构成，如图3所示。非线性偏振旋转器是一种在光纤激光器中产生锁模脉冲的技术。利用脉冲在光纤内的自相位调制和交叉相位调制，使脉冲不同强度部分累计不同的非线性相移，从而对椭圆偏振光两正交分量造成不同程度的偏振旋转，构建一种等效的可饱和吸收效应不断窄化脉冲来获得超短脉冲。所述非线性偏振旋转器与所述电光调制器组合使用，实现激光脉冲重频的主动选择并提升脉冲压缩效果，进而产生转换极限的激光锁模脉冲输出。

信号发生器的信号加载到所述电光调制器，进而进行光调制，所述信号发生器的调制信号的频率等于纵模频率间隔的整数倍，可以选取不同位置的光纤布拉格光栅作为光反馈主导元件，构成不同长度的反馈回路，且最终锁模状态下输出的光脉冲的重复频率也由被选择的谐振腔长决定，可以表示为：

其中，c≈3×10⁸m/s是真空中的光的传播速度，n≈1.468为单模光纤的折射率，L为腔长。

电光调制器和分布式滤波器的组合使用，加载调制信号后，通过设定调制信号频率，当调制信号频率与希望选择的反射滤波点对应腔长的谐振频率共振时，所述装置能够实现对该反射滤波点位的选择，将滤波点位对应腔长的谐振频率和反馈波长加载到输出激光上，进而实现激光脉冲的波长选择和射频编码。

非线性偏振旋转器与电光调制器组合使用，实现激光脉冲重频的主动选择并提升脉冲压缩效果，进而产生转换极限的激光锁模脉冲输出。

分布式光滤波器件、非线性偏振旋转器与电光调制器组合使用，同时引入对腔内激光的主动选频、脉冲压缩、波长选择和滤波作用，进而实现同时具有窄脉宽、窄线宽和波长可选择特性的激光脉冲输出。

结合图4，对装置的实施方法进一步说明如下：

S100:电光调制器6和分布式光滤波器4的组合使用，加载调制信号后，通过设定调制信号频率，当调制信号频率与希望选择的反射滤波点对应腔长的谐振频率共振时，所述装置能够实现对该反射滤波点位的选择，将滤波点位对应腔长的谐振频率和反馈波长加载到输出激光上，进而实现激光脉冲的波长选择和射频编码。

S200:电光调制器6与非线性偏振旋转器5的组合使用，实现激光脉冲重频的主动选择并提升脉冲压缩效果，进而产生转换极限的激光锁模脉冲输出。

S300:分布式光滤波器4、非线性偏振旋转器5与电光调制器6组合使用，同时引入对腔内激光的主动选频、脉冲压缩、波长选择和滤波作用，进而实现同时具有窄脉宽、窄线宽和波长可选择特性的激光脉冲输出。

S400:通过超声波发生器驱动超声换能器7，对腔内相对高频的激光脉冲序列进行超声波信息加载。

实施例1

根据图1所示结构，实验中采用的泵浦源1为波长稳定的976nm单模光纤耦合半导体激光器、增益光纤3为9.5m长的掺铒光纤；光纤布拉格光栅阵列11的第一个光纤布拉格光栅反射中心波长为1553.5nm，第二个光纤布拉格光栅反射中心波长为1564.3nm；设置电信号输入的频率为4.61MHz，波形为脉冲；得到了被调制后的光脉冲，光脉冲的脉冲间隔为217ns，对应脉冲重复率为4.61MHz，波长为1553.5nm。设置电信号输入的频率为3.84MHz，波形为脉冲；得到了被调制后的光脉冲，光脉冲的脉冲间隔为261ns，对应脉冲重复率为3.84MHz，波长为1564.3nm。利用高速的实时示波器、光谱仪测得输出端的脉冲信号的时域图、光谱图，如图5所示。结果说明可以通过调制信号频率的变化选择对应的反馈滤波点位构建谐振回路，实现激光器脉冲的波长选择和射频编码。

实施例2

本实施例与实施例1相同的部分不再赘述，不同的是：

设置超声信号输入频率为23kHz，波形为方波。利用高速的实时的射频分析仪测得输出端脉冲信号的射频谱，如图6所示，在中心频率附近有频率间隔为23kHz的频率边带分量。结果说明可以通过超声波发生器驱动超声换能器，对腔内相对高频的激光脉冲序列进行超声波信息加载。

实施例3

本实施例与实施例2相同的部分不再赘述，不同的是：

通过自相关测量得到光脉冲脉宽拟合轨迹，换算得到脉宽为18.4ps，计算时间带宽积接近转换极限，如图7所示。结果说明可以产生转换极限的激光锁模脉冲输出。

本申请实施例提供的装置可以直接应用在一些场景中，例如激光雷达、光传感器网络和激光成像应用中的波长控制和信号检测等。

上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。

Claims (7)

1.一种声电混合调制的多波长光脉冲产生装置，其特征在于，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、分布式光滤波器、非线性偏振旋转器、电光调制器、超声换能器和光纤耦合器；泵浦源与接波分复用器的反射端相连，接波分复用器的公共端、增益光纤、分布式光滤波器、非线性偏振旋转器、电光调制器、超声换能器和光纤耦合器输入端顺次串联，光纤耦合器的第一输出端与接波分复用器的透射端相连形成环形腔，光纤耦合器的第二输出端用于输出产生的光脉冲；分布式光滤波器由环形器连接光纤布拉格光栅阵列形成多个反馈滤波点位。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，泵浦源用于发射泵浦光；

波分复用器用于将泵浦光耦合到增益光纤中；

增益光纤用于吸收泵浦光，形成粒子数反转产生激光光束，具体为掺铒增益光纤；

分布式光滤波器用于利用环形器一端口接收来自增益光纤的激光光束，将激光光束发送至与环形器二端口连接的光纤布拉格光栅阵列中，激光光束经光纤布拉格光栅阵列反馈形成分布式滤波效应的作用后从环形器三端口输出至非线性偏振旋转器；

非线性偏振旋转器用于对输入的激光光束进行脉冲压窄后输出至电光调制器；

电光调制器用于对腔内激光进行调控，实现对分布式滤波器任意一个滤波点位的选择，将滤波点位对应腔长的谐振频率和反馈波长加载到输出激光上，实现激光锁模脉冲输出；

超声换能器用于，对输入的激光锁模脉冲进行超声波信息加载，将实现声波二次调制后的光脉冲输出至光纤耦合器的输入端；

光纤耦合器用于，对输入的光脉冲进行分束，

分束后的一部分光脉冲从第一输出端进入波分复用器的透射端形成谐振回路，另一部分光脉冲从第二输出端直接输出。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于，分布式滤波器所包含的光纤布拉格光栅阵列中，通过每个光栅对应不同空间位置和反射波长来形成分布式反馈滤波点，并构建有谐振腔长与波长对应的编码。

4.如权利要求2所述装置，其特征在于，其特征在于，电光调制器和分布式滤波器组合使用，当电光调制器加载调制信号后，通过设定调制信号频率，通过调制信号频率与选择的反射滤波点对应腔长的谐振频率产生共振来实现对该反射滤波点位的选择；将滤波点位对应腔长的谐振频率和反馈波长加载到输出激光上，进而实现波长选择和射频编码。

5.如权利要求2所述装置，其特征在于，非线性偏振旋转器与电光调制器组合使用，实现激光脉冲重频的主动选择完成脉冲压缩，进而产生激光锁模脉冲输出。

6.如权利要求2所述装置，其特征在于，分布式滤波器、非线性偏振旋转器与电光调制器组合使用，同时实现对腔内激光的主动选频、脉冲压缩、波长选择和滤波，进而实现同时具有窄脉宽、窄线宽和波长可选择特性的激光脉冲输出。

7.如权利要求1所述装置，其特征在于，非线性偏振旋转器包括第一偏振控制器、偏振相关隔离器和第二偏振控制器，由第一偏振控制器、偏振相关隔离器和第二偏振控制器依次连接而成。