CN101478111B

CN101478111B - 产生低重复频率超短激光脉冲的方法

Info

Publication number: CN101478111B
Application number: CN2009100455345A
Authority: CN
Inventors: 闫明; 李文雪; 郝强; 黎遥; 曾和平
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-01-19
Also published as: CN101478111A

Abstract

本发明涉及超短激光脉冲领域，具体涉及一种产生低重复频率超短激光脉冲的方法，该方法选择的主控激光器为一台掺铒光纤激光器，受控激光器为一台掺镱光纤激光器，所述的主控激光器和受控激光器均采用偏振锁模，即在所述激光器中加入偏振控制器和偏振相关的光隔离器用以实现所述激光器的偏振锁模，偏振控制器用于改变光脉冲的偏振态，偏振隔离器用于选择某一固定偏振态的光脉冲，通过调节偏振控制器，使主控激光器和受控激光器工作在相同的重复频率，其特点是利用不同重复频率的激光器之间的同步技术，使腔长很短的光纤激光器可以工作在较低的重复频率，摆脱了光纤激光中，低重复频率和窄脉宽难以兼得的困境，在光纤激光器中实现了高能量的超短光脉冲的产生，因此整个系统结构简单、成本低，具有良好的实用性。

Description

产生低重复频率超短激光脉冲的方法

技术领域

本发明涉及超短激光脉冲领域，具体涉及的是利用激光器同步技术实现光纤激光器的谐波锁模，并在此技术的基础上实现能够产生低重复频率超短激光脉冲的方法。

背景技术

在较低的重复频率下实现光纤激光器的超快超短激光脉冲输出，一直是从事光纤激光器超快技术研究的科研工作者追求的目标。目前，激光器主要是由用于提供能量的泵浦源、用于信号放大的增益介质和用于激光振荡的谐振腔三部分组成。在光纤激光器中，激光脉冲的重复频率取决于谐振腔的长度，即光纤总长度。谐振腔长度短的光纤激光器易于产生高重复频率的激光脉冲。但在激光器的输出功率一定的情况下，高重复频率脉冲的单脉冲能量相对较小。至今，获得单脉冲能量较高的激光技术仍在探索中，提升输出功率是一种解决问题的方法，但最终会受到光纤物理上所能承受的最高功率的限制。另一种方法是降低激光器的重复频率，即增加腔长。但是，此时光纤介质对激光脉冲的色散作用将会在长距离光纤中明显影响激光脉冲的宽度，从而大大降低了单脉冲的峰值功率。脉冲压缩技术是一种缩短脉冲宽度，提高单脉冲峰值功率的途径。通常在光纤激光器中可以实现脉冲压缩的是光栅对、棱镜对、啁啾镜和负色散光纤。但前三种技术对脉冲宽度的压缩程度有限，不能很好地适用于重复频率低于兆赫兹的光纤激光器；由于1064nm处的负色散光纤价格昂贵，所以最后一种技术并不实用。换而言之，目前缺少一种能产生超短脉冲(飞秒量级)的高功率、低重复频率的光纤激光器。

虽然国际上已实现掺铒光纤激光器和掺镱光纤激光器之间的同步，但这只限于相同重复频率的两台激光器之间的同步。

此外，目前存在一种主动锁模技。这种技术依赖于复杂的电路系统。其原理在于用电路控制激光器脉冲的输出，或者在激光器之外利用电路系统从高重复频率的光脉冲中选出满足低重复频率的光脉冲。前一种原理主要适用于固体激光器，很少被用于光纤激光器。因为复杂的电路系统将会使光纤激光器失去轻便，简单的优势。后一种原理虽然可以较好的应用于光纤激光器，但它只是形式上降低了光纤激光器的重复频率，并没有真正提高光脉冲的能量，反而因为放弃对其他脉冲能量的利用，造成能源的浪费。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，设计一种产生低重复频率超短激光脉冲的方法，该方法选择一台低重复频率的脉冲光纤激光器作为主控激光器，用于同步另一台高重复频率(短腔长)的光纤激光器(受控激光器)，同时结合了主控激光器的重复频率低和受控激光器脉宽窄的特点，从而产生低重复频率、超短激光脉冲。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种产生低重复频率超短激光脉冲的方法，其特征在于该方法选择的主控激光器为一台掺铒光纤激光器，受控激光器为一台掺镱光纤激光器，所述的主控激光器和受控激光器均采用偏振锁模，即在所述激光器中加入偏振控制器和偏振相关的光隔离器用以实现所述激光器的偏振锁模，偏振控制器用于改变光脉冲的偏振态，偏振隔离器用于选择某一固定偏振态的光脉冲，通过调节偏振控制器，使主控激光器和受控激光器工作在相同的重复频率。

所述掺镱光纤激光器产生激光的中心波长主要在1064nm附近，所述的受控激光器采用的偏振锁模是在所述的掺镱光纤激光器中加入一段掺铒光纤，并持续泵浦掺铒光纤，使铒离子工作在激发态；同时将所述掺铒光纤激光器产生的中心波长在1550nm处的低重复频率脉冲注入所述掺铒光纤；由于基态和激发态的铒离子对波长在1064nm的光脉冲偏振态的改变各不相同，所以通过调节偏振控制器，使波长在1064nm的光脉冲只有在铒离子的基态条件下才能通过偏振隔离器，即只有在铒激光脉冲注入时，掺镱光纤激光器才有激光脉冲输出，从而实现所述掺铒光纤激光器和掺镱光纤激光器工作在相同的重复频率。

所述掺镱光纤激光器输出的脉冲宽度为几十皮秒的脉宽量级的激光脉冲，经过光栅对的压缩后达到飞秒量级脉冲，所述光栅对是由两个性能相同的光栅，平行放置组成。

本发明的优点是，利用不同重复频率的激光器之间的同步技术，使腔长很短的光纤激光器可以工作在较低的重复频率，这种方式克服了光纤激光中，低重复频率和窄脉宽难以兼得的困境，在光纤激光器中实现了高能量的超短光脉冲的产生，同时，系统中除泵浦源以外，不含其它电路系统和大型设备，因此整个系统结构简单、成本低，具有良好的实用性。

附图说明

附图1为本实施例的流程图；

附图2为本实施例的装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如附图1-2所示，图中符号分别表示：掺镱光纤激光器A、半导体激光器A1、半导体激光器A2、980nm/1064nm波分复用器A3、980nm/1064nm波分复用器A4、1064nm/1550nm波分复用器A5、掺铒光纤A6、掺镱光纤A7、单模光纤A8、光纤准直器A9、1064nm的1/4波片A10、空间偏振相关的光隔离器A11、偏振分束片A12、1064nm的1/2波片A13、1064nm的1/4波片A14、光纤准直器A15、1064nm高反镜A16、光栅A17、光栅A18、掺铒光纤激光器B、半导体激光器B1、980nm/1550nm波分复用器B2、7∶3的光纤耦合器B3、偏振控制器B4、偏振控制器B5、光纤偏振相关的光隔离器B6、单模光纤B7、掺铒光纤B8、偏振无关的光隔离器B9。

本实施例中采用半导体激光器为泵浦源，并用偏振无关的隔离器将主控激光器和掺镱激光器联系在一起。这样可以防止掺镱激光器对主控激光器的干扰。

所述的半导体激光器A1、A2和B1的中心波长均在980nm。

主控激光器B是一台掺铒光纤激光器。该激光器B以掺铒光纤为增益介质，并采用一种被动锁模技术——偏振锁模，即由偏振控制器B4和B5调节激光器的偏振态，使满足偏振隔离器B6的偏振条件的激光模式通过，从而达到锁模的目的。它输出的激光脉冲中心波长在1550nm附近，经7∶3耦合器B3输出。主控激光器B包含了一段长达数百米的单模光纤B7，使其重复频率低至百余个KHz。

作为受控激光器，掺镱光纤激光器A同样采用的是偏振锁模技术。光纤中的激光经光纤准直器A15进入空间。此时，激光的偏振态为椭圆偏振态，经过1/4波片A14后变成线偏振态。通过调节1/2波片A13可以改变激光的线偏振态，其作用相当于偏振隔离器A11前的偏振控制器。随后，激光经过空间的偏振隔离器A11，再由1/4波片A10转回椭圆偏振光，然后由光纤准直器A9再次进入光纤。然后，激光将经过一段处于激发态的掺铒光纤A6。主控激光器B的光脉冲可以改变这段掺铒光纤A6的状态(激发态或者基态)，从而改变波长在1064nm的光脉冲的偏振态。这样，整段掺铒光纤A6和1/4波片A10就相当于偏振隔离器A11后的偏振控制器，并受到主控激光器B的控制。整个激光器只有在偏振隔离器A11前后的两个偏振控制器同时满足一个特定条件时，掺镱激光器A才会有激光脉冲产生。这个条件就是主控激光器脉冲的注入，以至于使掺铒光纤A6转入基态。此刻，掺镱光纤激光器A和主控激光器B将会工作在同一个低重复频率状态。该激光器的光脉冲由偏振分束片A12输出，中心波长在1064nm附近。受控激光器的特点就是激光器腔长可短至几米，这样将有利于激光脉冲的腔外压缩。

本实施例中的压缩部分采用的是光栅对压缩技术。这种压缩方式由两个性能相同的光栅A17和A18，平行放置组成。因为光栅A17和A18对于波长在1064nm的光脉冲有负色散的作用，所以可以补偿光纤对光脉冲的正色散作用。激光脉冲直接从掺镱光纤激光器A输出时的脉冲宽度为几十皮秒的脉宽量级，经过光栅对的压缩后可以达到飞秒量级。

由此，整个系统可以实现低重复频率，高功率，窄脉宽的激光脉冲输出。

本系统的最大特点就在于它采用了不同重复频率的激光器之间的同步技术。在非同步条件下，上述掺镱激光器的重复频率在MHz到GHz之间。这是一个相对较高的重复频率。此时，虽然激光器的脉冲宽度很窄，但是单脉冲能量很低。例如，在非同步情况下，一台输出功率为100mw，重复频率为10MHz的掺镱光纤激光器输出的单脉冲能量为0.1nJ；而在同步情况下，其重复频率将降为主控激光器的重复频率(10KH_Z)，单脉冲能量提高为100nJ。

本发明结合独特的同步技术，解决了以上光纤激光器中能量小或脉宽窄的问题，使整个激光器系统(包括主控激光器、受控掺镱光纤激光器和压缩部分)可以较好地用于产生低重复频率的超短激光脉冲。同时，它综合了光纤激光器轻便、结构简单、价格低廉的优势以及光学同步技术所带来的技术上的可行性，能够适应于科学研究和生产加工等众多领域。

Claims

1.一种产生低重复频率超短激光脉冲的方法，其特征在于该方法选择的主控激光器为一台掺铒光纤激光器，受控激光器为一台掺镱光纤激光器，所述的主控激光器和受控激光器均采用偏振锁模，即在所述主控激光器和受控激光器中加入偏振控制器和偏振相关的光隔离器用以实现所述主控激光器和受控激光器的偏振锁模，偏振控制器用于改变光脉冲的偏振态，偏振隔离器用于选择某一固定偏振态的光脉冲，通过调节偏振控制器，使主控激光器和受控激光器工作在相同的重复频率。

2.根据权利要求1所述的一种产生低重复频率超短激光脉冲的方法，其特征在于所述掺镱光纤激光器产生激光的中心波长主要在1064nm附近，所述的受控激光器采用的偏振锁模是在所述的掺镱光纤激光器中加入一段掺铒光纤，并持续泵浦掺铒光纤，使铒离子工作在激发态；同时将所述掺铒光纤激光器产生的中心波长在1550nm处的低重复频率脉冲注入所述掺铒光纤；由于基态和激发态的铒离子对波长在1064nm的光脉冲偏振态的改变各不相同，所以通过调节偏振控制器，使波长在1064nm的光脉冲只有在铒离子的基态条件下才能通过偏振隔离器，即只有在铒激光脉冲注入时，掺镱光纤激光器才有激光脉冲输出，从而实现所述掺铒光纤激光器和掺镱光纤激光器工作在相同的重复频率。

3.根据权利要求1所述的一种产生低重复频率超短激光脉冲的方法，其特征在于所述掺镱光纤激光器输出的脉冲宽度为几十皮秒的脉宽量级的激光脉冲，经过光栅对的压缩后达到飞秒量级脉冲，所述光栅对是由两个性能相同的光栅，平行放置组成。