CN103474870A - 一种产生皮秒激光脉冲的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种产生皮秒激光脉冲的方法，将稀土类掺杂光纤激光器产生的定波长的连续激光，经过高重频调制装置处理后，生成20～100GHz的多阶倍频信号；信号被放大后再经反常色散的高非线性光纤，形成皮秒激光脉冲。本发明利用非线性光学孤子效应，并采用一种原只用于光纤无线通信中的全光化调制技术——载波抑制和光交错复用滤波技术，获取超高重频脉冲串，而且可以通过改变边频和载频的频差使重复率可调，从而同时达到高峰值功率与高平均功率要求。

Description

一种产生皮秒激光脉冲的方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲信号产生的方法，特别涉及皮秒激光脉冲产生的方法。

背景技术

高功率皮秒脉冲激光在物理学、化学、材料学、生物学、国防等领域发挥了重要作用，例如，高功率皮秒光纤激光器在微加工和激光投影等方面有着重要应用，并有可能成为未来高速自由空间系统的中心组件，用于卫星间甚至行星间的通信，其在超连续产生、THz波产生等领域也具有重要应用前景。激光光源的平均功率，是皮秒激光的薄弱环节。脉冲激光的平均功率取决于单脉冲能量和重复频率，而单脉冲峰值功率受到非线性效应、光损伤等因素的限制难以提高。如光纤中非线性自相位调制和受激拉曼散射的产生，限制了目前的光纤放大器输出平均功率难以超越100W。通过使用大模场光纤等方法，可以有效降低非线性效应阈值，但是光束质量又难以保证。所以增加皮秒脉冲的重复频率是实现高平均功率皮秒激光的一条有效途径。常规皮秒激光一般是通过锁模方法实现的。由于受到腔长的制约，重复频率一般在几十MHz至百MHz量级，难以再提高，而且环境的变化会导致锁模状态的破坏，使得激光器不能有效工作^[2]。所以如何增加重复频率是获得高平均功率皮秒激光的关键。除此之外，如何保证高功率皮秒激光的输出稳定、高光束质量、器件结构紧凑、易维护等亦决定了其应用的可行性。

近年来，许多研究者力求通过增加重复频率获得高平均功率皮秒激光。2006年，南安普顿大学P.Dupriez等人基于1GHz重复率的增益开关激光二极管和主振荡器功率放大（MOPA）方法，实现了1060nm、20ps、321W的多模激光输出，但该高功率皮秒激光器含有体空间元件，未做成全光纤化。2009年，该小组的K.K.Chen使用同样的种子源，得到了1060nm、20ps、100W的单模、单偏振激光输出。2010年K.K.Chen通过对原有系统进行改进，得到了重复率56MHz～198MHz可调的1060nm、21ps、100W的单模、单偏振激光输出；并探讨了提高泵浦二极管有效功率，可望进一步提高输出平均功率，但未予做出尝试。2008年，西安光机所的刘红军等人使用1MHz重频的增益开关激光二极管，实现了1060nm、90ps、3.5W的紧凑全光纤化输出，2010年在原有系统上予以改善，得到了1053～1073nm可调、150ps、10W的高光束质量的激光输出。2009年，国防科学技术大学的陈胜平等人采用掺镱光纤激光器作为注入源，引入重复频率增加单元，将重复频率增加八倍至478MHz，得到平均功率97W的输出，首次采用此种方法获得了输出功率大幅提高的全光纤化皮秒光源。通过缩短腔长，台湾国立交通大学的H.C.Liang等人通过3mm×3mm×10mm的Nd:YVO₄晶体，实现了1342nm、2～6GHz重复频率的11.5～37ps的脉冲输出。2011年吴闻迪等人采用对掺镱光纤激光器的注入激光直接泵浦放大的方法，得到了平均功率102W、76ps、18.6MHz的大功率、但线宽很窄的皮秒激光输出。

发明内容

本发明旨在提供一种可产生高重复频率、高功率且线宽较宽的皮秒激光脉冲的方法。本发明通过以下方案实现：

一种产生皮秒激光脉冲的方法，将稀土类掺杂光纤激光器产生的定波长的连续激光，经过高重频调制装置处理后，生成20～100GHz的多阶倍频信号；信号被放大后再经反常色散的高非线性光纤，形成皮秒激光脉冲。所述稀土类掺杂光纤激光器的稀土类元素选择Er、Yb或Tm，选择不同的掺杂稀土可获得不同波长的连续激光。

所述高重频调制装置选择20GHz的射频信号驱动的马赫-曾德尔强度调制器和马赫－曾德尔干涉型光纤交错复用器，产生20GHz的调幅波。

所述信号放大步骤包括预放阶段和功放阶段。其中预放阶段可采用（2+1）×1合束器，将待放大的信号和泵浦光耦合入掺杂有源双包层光纤中。有源双包层光纤选择芯径为15μm、内包层直径为130μm、数值孔径分别为0.08和0.46的光纤，光纤中掺杂可采用稀土类元素离子，进一步可选择Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺等。采用的泵浦光功率为50W。

所述功放阶段，采用（6+1）×1合束器，将经过预放阶段的放大后的信号和的泵浦光耦合入掺杂有源双包层光纤中进行放大，所述有源双包层光纤选择芯径为30μm、内包层直径为250μm、数值孔径分别为0.06和0.46的光纤，光纤中掺杂可采用稀土类元素离子，进一步可选择Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺等。采用的泵浦光功率为300W。

与现有产生皮秒激光脉冲技术相比，本发明的优点如下：

1.本发明中采用的高重频装置是借用了光纤无线通信中的载波抑制和光交错复用滤波技术，从而实现调制频率多阶倍频的高重频调制，使脉冲重复率达到几十GHz至几个THz，产生高重频信号。

2.基于全光化调制技术产生超高重复频率皮秒激光。此方法突破了基于锁模原理的皮秒脉冲低重频瓶颈，利用时域小尺度自聚焦形成高重频孤子的效应，大幅度提高皮秒激光的平均功率。

具体实施方式

实施例1

一种产生皮秒激光脉冲的方法，将稀土Yb掺杂光纤激光器产生的1μm连续激光，经过由20GHz的射频信号驱动的马赫-曾德尔强度调制器（调制深度0.1）和马赫－曾德尔干涉型光纤交错复用器，生成20～100GHz的多阶倍频信号。

采用（2+1）×1合束器，将上述倍频信号与泵浦光耦合入掺杂有源双包层光纤中进行预放。有源双包层光纤选择芯径为15μm、内包层直径为130μm、数值孔径分别为0.08和0.46的光纤，光纤中掺杂采用Yb³⁺，采用的泵浦光功率为50W。

采用（6+1）×1合束器，将经过预放阶段的放大后的信号和的泵浦光耦合入掺杂有源双包层光纤中进行功放，所述有源双包层光纤选择芯径为30μm、内包层直径为250μm、数值孔径分别为0.06和0.46的光纤，光纤中掺杂采用Yb3+。采用的泵浦光功率为300W。

放大后的信号30W注入反常色散的高非线性多模光纤，光纤参数为：非线性系数γ＝15W^-1km^-1，色散参数β₂=-33.2ps²/km，β₃=1.26×10^-1ps³/km，β₄=-2.75×10^-4ps⁴/km，β₅=9.23×10^-7ps⁵/km，β₆=-3.20×10^-9ps⁶/km，β₇=9.15×10^-12ps⁷/km，β₈=-1.88×10^-14ps⁸/km，β₉=2.43×10^-17ps⁹/km，β₁₀=-1.51×10^-20ps¹⁰/km，芯径40um，经26.4m的传输距离形成100GHz重复频率的皮秒激光脉冲。

实施例2

与实施例1不同的是，激光器为稀土Er掺杂的光纤激光器，产生波长1550nm连续激光。放大后的信号30W注入光纤参数为：非线性系数γ＝1.1W^-1km^-1，色散参数β₂=-35.8ps²/km，β₃=8.1×10^-2ps³/km，β₄=-9.5×10^-5ps⁴/km，β₅=2.1×10^-7ps⁵/km，β₆=-5.4×10^-10ps⁶/km，β₇=1.3×10^-12ps⁷/km，β₈=-2.5×10^-15ps⁸/km，β₉=3.1×10^-18ps⁹/km，β₁₀=-1.7×10^-21ps¹⁰/km，芯径40um的多模光纤，经130.3m的传输距离形成100GHz重复频率的皮秒激光脉冲。

Claims (8)

1.一种产生皮秒激光脉冲的方法，其特征在于：将稀土类掺杂光纤激光器产生的定波长的连续激光，经过高重频调制装置处理后，生成20～100GHz的多阶倍频信号；信号被放大后再经反常色散的高非线性光纤形成皮秒激光脉冲。

2.如权利要求1所述的产生皮秒激光脉冲的方法，其特征在于：所述信号放大步骤包括预放阶段和功放阶段。

3.如权利要求2所述的产生皮秒激光脉冲的方法，其特征在于：所述预放阶段采用合束器，将所述倍频信号与泵浦光耦合入掺杂有源双包层光纤中进行放大。

4.如权利要求2或3所述的产生皮秒激光脉冲的方法，其特征在于：所述功放阶段，采用合束器，将经过预放阶段的信号和泵浦光耦合入掺杂有源双包层光纤中进行放大。

5.如权利要求1～3之一所述的产生皮秒激光脉冲的方法，其特征在于：所述稀土类掺杂光纤激光器的稀土类元素选择Er、Yb或Tm。

6.如权利要求4所述的产生皮秒激光脉冲的方法，其特征在于：所述稀土类掺杂光纤激光器的稀土类元素选择Er、Yb或Tm。

7.如权利要求1～3之一所述的产生皮秒激光脉冲的方法，其特征在于：所述高重频调制装置为20GHz的射频信号驱动的马赫-曾德尔强度调制器和马赫－曾德尔干涉型光纤交错复用器。

8.如权利要求4所述的产生皮秒激光脉冲的方法，其特征在于：所述高重频调制装置为20GHz的射频信号驱动的马赫-曾德尔强度调制器和马赫－曾德尔干涉型光纤交错复用器。