CN102664343A

CN102664343A - 高重频超短激光脉冲系统

Info

Publication number: CN102664343A
Application number: CN2012101629825A
Authority: CN
Inventors: 郑君; 王世伟; 徐剑秋
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: CN102664343B

Abstract

一种高重频超短激光脉冲系统，采用单纵模激光器作为光源，包括错位削波机构和分束－相位调制－合束的脉冲压缩机构，错位削波机构由第一光电开关和第二光电开关串联构成，所述的脉冲压缩机构包括光纤分束器、任意波发生器、相位调制装置和光纤合束器。本发明的系统结构简洁，不仅可以直接由两个光电开关产生脉宽较短的高重频激光脉冲，而且可以将经过相位调制的两路或多路光脉冲合束后，产生更短的高重频超短激光脉冲信号，且脉冲的宽度、重复频率和脉冲波形都任意可调。

Description

高重频超短激光脉冲系统

技术领域

本发明涉及超短激光脉冲，特别是一种高重频超短激光脉冲系统，该系统可高效率地输出可调节、高重复频率和超短脉冲激光。

背景技术

目前，常用的高频超短激光脉冲产生方法一般有两种。第一种是传统的锁模技术。这种方法由于受到光学元件尺寸和调制器件响应时间的限制，重复频率很难达到GHz。而且这种方法的系统结构复杂，不能轻易改变超短激光脉冲宽度和重复频率。第二种是利用高频光电开关直接对连续单纵模激光进行斩波。这种技术很容易实现对超短激光脉冲宽度和重复频率的调节。但是受到光电器件性能的影响，最窄脉宽只能达到一百多皮秒左右。

经过对现有技术的检索发现，在2009年4月13日第17卷第8期的光学快报（Optics Express）上有一篇名为“Generation of high repetition ratefemtosecond pulses from a CW laser by a time-lens loop”（连续激光基于时间透镜环产生高频飞秒脉冲）的论文，介绍了一种基于直接相位调制、时分复用和光栅压缩技术产生高重频飞秒脉冲的方法。但是该方法结构复杂，需要对多个光学元件进行精密调控。

该现有技术是通过锁模技术产生超短脉冲，通过时分复用技术来提高脉冲的重复频率。因为系统中间使用到了锁模技术和时分复用技术，这就要求系统具有极高的同步精度控制能力；而且光纤中光束的锁模是很难实现的。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种高重频超短激光脉冲系统，该系统不仅可以直接由两个光电开关产生脉宽较短的高重频激光脉冲，而且可以将经过相位调制的两路或多路光脉冲合束，产生更短的激光脉冲。

本发明通过以下技术方案实现：

一种高重频超短激光脉冲系统，采用单纵模激光器作为光源，特点在于其构成包括：沿单纵模激光器输出的脉冲光方向依次设置的第一光电开关、第二光电开关、第一掺镱光纤放大器、光纤分束器、光纤合束器和第二掺镱光纤放大器；任意波发生器的输出端分别与所述的第一光电开关、第二光电开关、第一相位调制器、第二相位调制器、﹍、和第N相位调制器相连；

所述的光纤分束器将经第一掺镱光纤放大器输出的脉冲光分为N路光束，其中N为大于1的正整数，沿第1路光束方向设有第一相位调制器，沿第2路光束方向依次设有第二相位调制器和第二延时线，___，沿第N路光束方向依次设有第N相位调制器和第N延时线，所有N路光束通过所述的光纤合束器合并为一束光束，再经第二掺镱光纤放大器放大后输出。

所述的单纵模激光器的频谱带宽小于100KHz，输出最大功率为100mw。

所述的第一掺镱光纤放大器和第二掺镱光纤放大器为可调谐放大器，放大范围为0~25dB，最大输出功率为5W。

所述的光纤分束器的分束比例为1：1：……1，消光比≥18dB，带宽15nm。

所述的相位调制器的半波电压4V，3dB带宽大于10GHz。

本发明系统包括两部分。第一部分，利用光电开关的斩波性能，通过两个光电开关对单纵模连续激光的错位削波，实现高重频超短激光脉冲的输出，然后通过光纤放大器对斩波过程中损失的能量进行补偿。光电开关还可以调制出任意形状的光脉冲包络。第二部分创新性的采用分束－相位调制－合束技术，通过对两路或多路光束进行适当的相位调制后再合束的技术，利用干涉原理压缩激光脉冲。首先利用分束器将激光脉冲分成完全相同的几路光束。然后使用振幅相同、相位差恒定的两个或多个相位调制器对各路光束分别进行相位调制。为保证各路光束同时经过合束器进行合束，在系统的各路光束中使用延时线。N路光脉冲合束得到脉冲强度随时间的变化为

其中I₀(t)为分束前光脉冲强度，

为相邻光路的相位调制函数差。通过选择合适的相位调制函数，就可以得到脉宽远小于分束前脉冲宽度的超短激光脉冲。最后使用放大器对合束出来的脉冲光束进行放大，进而产生出具有一定能量的高重频超短激光脉冲。

相位调制函数可以是正弦函数、线性、二次函数等任意函数，或其时间序列组合。

可以采用任何合成方式，如马赫－曾特干涉仪、迈克尔逊干涉仪、法布里－泊罗腔等。

与现有技术相比本发明的有益效果是利用全新的方法产生高重频超短激光脉冲，并且其脉冲宽度、重复频率、脉冲形状任意可控。

附图说明

图1是本发明高重频超短激光脉冲系统的实施例1的光路示意图。

图2是双光电开关削波示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明高重频超短激光脉冲系统的实施例1的光路示意图。由图可见，本发明高重频超短激光脉冲系统，采用单纵模激光器1作为光源，其构成还包括沿单纵模激光器1输出的脉冲光方向依次设置的第一光电开关2、第二光电开关3、第一掺镱光纤放大器4、光纤分束器5、光纤合束器8和第二掺镱光纤放大器9；

所述的光纤分束器5将经第一掺镱光纤放大器4输出的脉冲光分为N路光束，其中N为大于1的正整数，沿第1路光束方向设有第一相位调制器61，沿第2路光束方向依次设有第二相位调制器62和第二延时线72，﹍，沿第N路光束方向依次设有第N相位调制器和第N延时线，所有N路光束通过所述的光纤合束器8合并为一束光束，再经第二掺镱光纤放大器9放大后输出；

任意波发生器10的输出端分别与所述的第一光电开关2、第二光电开关3、第一相位调制器61、第二相位调制器62、﹍、和第N相位调制器61相连。

单纵模激光器1的频谱带宽小于10KHz，输出最大功率为100mw。

第一掺镱光纤放大器和第二掺镱光纤放大器为可调谐放大器，放大范围为0~25dB，最大输出功率为5W。

所述的光纤分束器5的分束比例为1：1：……1，消光比≥18dB,带宽15nm。

相位调制器的半波电压4V，3dB带宽大于10GHz。

单纵模光纤激光器、第一光电开关、第二光电开关、掺镱光纤放大器依次连接。单纵模激光器产生的连续激光输入到由重复频率1GHz、占空比35%的方波信号驱动的光电开关一中，连续激光被斩为与驱动信号相应的方波光脉冲。光电开关二由与光电开关一相同的方波信号驱动，但是其驱动电脉冲有一定的延时，如图2所示。经过两个驱动器的错位削波就可以得到重复频率为1GHz的超短激光脉冲。超短脉冲经过掺镱光纤放大器后被输入到分束比为1：1的光纤耦合器中，被分为两束完全相同的方波脉冲。然后每束光都分别被相位调制器进行调制。两个相位调制器驱动信号大小相同，相位相差180度。为了保证两路光的同步合束，在一条光路中使用延时线对脉冲进行精确控制。然后使用合束比1:1的合束器将两束具有特定相位的信号进行合束，得到高重频的超短脉冲I(t)＝2I₀(t)(cos(Δφ(t)/2))²，其中I₀(t)为分束前光脉冲强度，

为两个相邻调制相位函数的差。当取相位调制函数φ(t)＝±2sin(2π*3*10⁹*t)时，可以将半高宽150ps的激光脉冲压缩到40ps。最后经过掺镱光纤放大器放大，输出具有一定能量的、高重频超短激光脉冲。

其中：光电开关一和光电开关二分别接受由任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator，简称为AWG）产生的方波信号；两个相位调制器接受由AWG产生的相位相反的高频信号。

所述的单纵模激光器，频谱带宽小于100KHz，输出最大功率为100mw。

所述的光电开光的插入损耗＜3dB，开关速度＜100ps，半波电压为4V，最高工作频率为10GHz。

所述的掺镱光纤放大器，为可调谐放大器，放大范围为0~25dB，最大输出功率为5W。

所述的光纤分束器，分束比例为50/50，消光比≥18dB，带宽15nm。

所述的相位调制器，半波电压4V，3dB带宽大于10GHz。

所述的光纤延时线，延时线总长度为300ps、精度为1ps。

所述的AWG采样率为12GS/s，带宽为10GHz，输出信号上升/下降沿为75ps，2路独立模拟输出，4路独立数字输出。

如果本系统分束、合束的光路多于两路，只要相位选取适当，可以产生只有几个ps的激光脉冲。

Claims

1.一种高重频超短激光脉冲系统，采用单纵模激光器（1）作为光源，特征在于其构成还包括错位削波机构和分束－相位调制－合束的脉冲压缩机构，所述的错位削波机构由第一光电开关（2）和第二光电开关（3）串联构成，所述的脉冲压缩机构包括光纤分束器（5）、任意波发生器（10）、相位调制装置和光纤合束器（8）；

沿所述的单纵模激光器（1）输出的脉冲光方向依次设置的第一光电开关（2）、第二光电开关（3）、第一掺镱光纤放大器（4）、光纤分束器（5）、相位调制装置、光纤合束器（8）和第二掺镱光纤放大器（9）；

所述的光纤分束器（5）将经第一掺镱光纤放大器（4）输出的脉冲光分为N路光束，其中N为大于1的正整数，沿第1路光束方向是第一相位调制器（61），沿第2路光束方向依次设有第二相位调制器（62）和第二延时线（72），﹍，沿第N路光束方向依次设有第N相位调制器和第N延时线；

任意波发生器（10）的输出端分别与所述的第一光电开关（2）、第二光电开关（3）、第一相位调制器（61）、第二相位调制器（62）、﹍、第N相位调制器的控制端相连，为其工作提供驱动信号，并通过输出不同的信号，控制各器件的工作状态；

该任意波发生器（10）输出的激光脉冲同时输入所述的第一相位调制器（61）、第二相位调制器（62）、﹍、和第N相位调制器经相位调制的所有N路光束通过所述的光纤合束器（8）进行相干合束，再经第二掺镱光纤放大器（9）放大后输出。

2.根据权利要求1所述的高重频超短激光脉冲系统，其特征在于所述的单纵模激光器（1）的频谱带宽小于100KHz，输出最大功率为100mw。

3.根据权利要求1所述的高重频超短激光脉冲系统，其特征在于所述的第一掺镱光纤放大器和第二掺镱光纤放大器为可调谐放大器，放大范围为0~25dB，最大输出功率为5W。

4.根据权利要求1所述的高重频超短激光脉冲系统，其特征在于所述的光纤分束器（5）的分束比例为1：1：……1，消光比≥18dB，带宽15nm。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高重频超短激光脉冲系统，其特征在于所述的相位调制器的半波电压4V，3dB带宽大于10GHz。