CN104242032B - 一种复合型锁模器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合型锁模器系统，包括第一级锁模单元，所述第一级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第一色散器件、第一锁模器和第二色散器件，所述第一色散器件和所述第二色散器件的色散相反。通过匹配使用色散相反的色散器件使得锁模激光器腔内脉冲在经过锁模器时时域脉宽得到调控，改善了锁模器的性能；并通过锁模单元的不同形式的组合以及实时参量的反馈实现了对锁模总体特性的优化。
Description
技术领域
本发明涉及锁模激光器领域，具体涉及一种复合型锁模器系统。
背景技术
超短脉冲可以完成一般的激光技术所不能完成的工作，在信息、能源、环境和医疗究等领域得到了广泛的应用。产生超短脉冲的光源通常是锁模脉冲激光器，而锁模器是锁模脉冲激光器的核心器件，如图1所示。
锁模器是一种对于不同输入光功率呈现非线性损耗的器件，如图10所示，其基本原理是通过在激光器腔内引入了非线性损耗而对输入的光脉冲产生作用，使脉冲在时域上变得更窄，如图11所示，且可以抑制低功率噪声以及连续波激光的出现。
但是这种非线性损耗特性是在一定的功率范围内保持正常工作的。当脉冲功率超出一定的限度时锁模器就会呈现“过饱和”效应，即当输入光功率进一步增加的时候，损耗不再随功率的增加而减小，反而呈现损耗随功率增加而增大的趋势，如图12所示。进一步增大输入光功率会造成锁模器的损伤，造成锁模激光器系统的性能劣化，主要表现为锁模激光器的脉冲不稳定、混沌以及在腔内出现多脉冲等现象，而无法维持稳定的高功率单脉冲输出。
目前针对“过饱和”效应的策略主要有以下两种：
最直接的方法是制作锁模器件的时候使得器件具有更高的过饱和功率阈值，而这种改变的实现是有难度的，一方面由于工艺限制这种调整对于锁模器过饱和阈值的提高总是有限的，另一方面锁模器一旦制作完成其特性就不能变化，即锁模器不能进行动态优化。
也可以采用级联方法构建复合型锁模器来保证锁模激光器启动和高功率工作特性，但是该方法的实现存在困难，如对于非线性偏振旋转锁模器，可以通过采用多个非线性偏振旋转锁模器进行组合来修改锁模器的非线性饱和吸收特性曲线，使得锁模器能够在相对更宽的功率范围内保持锁模特性，但是该类型的锁模器的特性的设定需要精确调整偏振器件的角度，而激光器腔内的其他器件会带来偏振的不确定性，当环境温度变化以及光纤应力变化时就会造成锁模器特性的变化，尤其这种级联器件当所采用的级联器件的数量增加时就变得更为敏感，而且同时给器件调整造成了的极大困难。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种复合型锁模器系统，旨在保证锁模器输出稳定的高功率脉冲的前提下实现锁模器的特性可调。
本发明采用的技术方案具体为：一种复合型锁模器系统，包括第一级锁模单元，所述第一级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第一色散器件、第一锁模器和第二色散器件，所述第一色散器件和所述第二色散器件的色散相反。
上述复合型锁模器系统还包括第二级锁模单元，所述第二级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第三色散器件、第二锁模器和第四色散器件，所述第三色散器件和所述第四色散器件的色散相反；所述第一级锁模单元和第二级锁模单元组合相连。
上述复合型锁模器系统中，所述第一级锁模单元和第二级锁模单元为级联组合，所述级联组合的方式为：所述第二色散器件与所述第三色散器件相连接。
上述复合型锁模器系统中，所述第一级锁模单元和第二级锁模单元为嵌套组合，所述嵌套组合的方式为：所述第二级锁模单元设于所述第一锁模器与所述第一色散器件之间或者所述第一锁模器与所述第二色散器件之间。
上述复合型锁模器系统还包括第二级锁模单元和第三级锁模单元，所述第二级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第三色散器件、第二锁模器和第四色散器件，所述第三色散器件和所述第四色散器件的色散相反，所述第三级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第五色散器件、第三锁模器和第六色散器件，所述第五色散器件和所述第六色散器件的色散相反；所述第一级锁模单元、所述第二级锁模单元和所述第三级锁模单元相连接。
上述复合型锁模器系统中，所述第二级锁模单元和第三级锁模单元嵌套组合，所述嵌套组合的方式为：所述第三级锁模单元设于所述第二锁模器与所述第三色散器件之间或者所述第二锁模器与所述第四色散器件之间，所述第二级锁模单元和第三级锁模单元组合为第四级锁模单元，所述第一级锁模单元和所述第四级锁模单元级联组合，所述级联组合的方式为：所述第二色散器件与所述第三色散器件相连。
上述复合型锁模器系统中，所述第二级锁模单元和第三级锁模单元级联组合，所述级联组合的方式为：所述第四色散器件与所述第五色散器件相连，所述第二级锁模单元和第三级锁模单元组合为第四级锁模单元，所述第一级锁模单元和所述第四级锁模单元嵌套组合，所述嵌套组合的方式为：所述第四级锁模单元设于所述第一锁模器与所述第一色散器件之间或者所述第一锁模器与所述第二色散器件之间。
上述复合型锁模器系统还包括色散调控装置，所述色散调控装置与锁模单元相连接。
上述复合型锁模器系统中，锁模单元设有耦合器，所述色散调控装置与耦合器以及锁模器两侧的色散器件相连，所述色散调控装置通过耦合器来监测激光器腔内的脉冲参量变化，根据脉冲参量变化动态调整每个锁模器两侧的色散器件的色散量。
本发明产生的有益效果是：
本发明的锁模系统通过色散器件将进入锁模器的脉冲进行时域展宽(压缩)脉冲经过锁模器之后再由反向啁啾器件对脉冲压缩(拉伸)；对进入锁模器的脉冲进行拉伸和压缩处理，实现了对锁模器特性的优化，并利用不同形式的组合以及更进一步的实时参量反馈实现了对锁模总体特性的优化，提高了锁模激光器在具有高脉冲功率时的稳定性，通过锁模单元之间的组合，可以保证脉冲瞬时功率较低时仍可以提供足够的损耗变化量，保证了自启动性能。
附图说明
当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为基本锁模激光器的结构示意图；
图2为本发明一种脉冲啁啾锁模器的结构示意图；
图3为增加色散器件前后的锁模器损耗曲线对比图；
图4为本发明一种级联组合方式的复合型锁模器系统的结构示意图；
图5为本发明一种嵌套组合方式的复合型锁模器系统的结构示意图；
图6为本发明一种嵌套和级联联合组合方式的复合型锁模器系统的结构示意图；
图7为本发明另一种嵌套和级联联合组合方式的复合型锁模器系统的结构示意图；
图8为本发明一种自动参量实时控制的锁模器系统的结构示意图；
图9为多个锁模单元组合构造任意所需的锁模特性曲线的原理示意图；
图10为基本锁模器的非线性损耗曲线图；
图11为脉冲经过基本锁模器前后的形状变化曲线图；
图12为传统的基本锁模激光器损耗过饱和的曲线图。
其中：
图3中的实线为增加色散器件之前的锁模器损耗曲线，虚线为增加色散器件之后的锁模器损耗曲线。
图11中的实线为经过锁模器之前的脉冲形状，虚线为经过锁模器之后的脉冲形状。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
传统的基本锁模器的非线性损耗如图10所示，当脉冲经过该锁模器的时候，从时域上看脉冲不同的时刻对应着不同的功率，当此脉冲经过锁模器的时候，对于脉冲的不同高度锁模器的损耗是不相同的，脉冲峰值处由于功率高所受损耗就小，而位于脉冲的起始和结束的边沿处因功率低而受到相对更大的损耗，这样在脉冲经过锁模器之后就会使得脉冲的光功率分布进一步向高峰值功率处集中，从而达到脉冲压缩的目的，经过锁模器前后的脉冲形状变化如图11所示。
但是这种非线性损耗特性是在一定的功率范围内保持正常工作的。当脉冲功率超出一定的限度时锁模器就会偏离理想的特性曲线，如图12所示，当输入光功率在最低点所对应的位置进一步增加的时候，损耗不再随功率的增加而减小，锁模激光器的功率出现“过饱和”效应，使得锁模器对高功率脉冲呈现高损耗而无法维持理想的脉冲窄化和抑制噪声及连续波的作用。
实施例1
如图2所示的一种复合型锁模器系统，为实现对经过锁模器的光脉冲的功率调控，在锁模激光器腔内的激光脉冲进入锁模器之前，先让其进入一个具有正向色散器件(第一色散器件)然后再通过锁模器，使得光脉冲在该器件作用下在时域展宽，从而使得脉冲瞬时功率降低；这是因为光脉冲在经过锁模器这种功率依赖型的损耗器时所受的损耗是和脉冲时域展宽情况密切相关的，损耗特性可以由展宽量来控制。这样，通过第一色散器件将脉冲展宽，降低脉冲瞬时功率就可以从而保证锁模器不会进入过饱和区而造成锁模激光器输出脉冲的性能劣化。经过锁模器之后用再利用另一个具有反向色散器件(第二色散器件)，使得脉冲再次压缩以便使脉冲在腔内的非线性和色散等各种因素的平衡得以维持以保证腔内的脉冲特性。增加色散器件前后的锁模器损耗曲线对比如图3所示，可以看出损耗的过饱和特性明显改善。
为了进一步保证锁模器在易于启动的前提下能够获得高功率的脉冲，本发明进一步提出两种优选方案。
实施例2
如图4所示的复合型锁模器系统表示的是多级锁模单元级联使用的状况，上一级锁模单元的反向色散器件与下一级锁模单元的正向色散器件相连接，不交叉依次顺连而成。基本单元如图4所示，第一级锁模单元的第二色散器件与第二级锁模单元的第三色散器件相连接。
实施例3
如图5所示的锁模器系统，各级锁模单元之间嵌套组合，即锁模单元分为母锁模单元和子锁模单元，子锁模单元置于母锁模单元两侧的任一色散器件与锁模器之间。同时子锁模单元可以进一步作为母锁模单元，即子锁模单元的色散器件和锁模器之间还可以再次嵌套入子锁模单元。基本的组合方式如图5所示，第二级锁模单元置于第一锁模器与第二色散器件之间。
实施例4
在实施例2与3的基础之上，进一步地，任意经级联组合形成的复合式锁模器可以作为嵌套组合中的基本单元；同理，任意经嵌套组合形成的复合式锁模器也可以作为级联组合中的基本单元。基本的组合方式如图6和图7所示：
图6中，先将第三级锁模单元嵌套入第二级锁模单元中之后，再将第一锁模单元与上述经嵌套形成的组合进行级联组合；
图7中，先将第二级锁模单元与第三级锁模单元级联之后，再将上述经级联形成的组合嵌套入第一锁模单元中。
另外，无论以哪种方式对锁模单元进行组合，如果相邻的位置出现了多个色散器件，则可以将其合并为一个色散器件。
锁模脉冲激光器的脉冲产生有赖于锁模器的非线性损耗，只有当锁模器对高功率呈现低损耗，而低功率呈现高损耗的时候才能使得激光器内的微小功率波动“成长”为光脉冲。锁模器的非线性损耗曲线的斜率(损耗/功率)越大，这种效应越明显，当单独使用一级锁模单元的时候(实施例1)，虽然可以利用色散器件改善锁模器的过饱和特性但同时会造成非线性损耗斜率的变缓(如图3所示)，这时如果级联多个锁模器总的锁模系统的损耗曲线为各级锁模曲线的叠加，就可以克服单独一级单元造成的斜率变缓效应(实施例2、3以及对实施例2和3进一步组合的实施例4中的两种情况)。
实施例5
在上述4个实施例中，可以通过啁啾调控装置来实现锁模器两侧的色散器件的色散量的动态可调，进一步提高锁模激光器的性能。其实现方法如图8所示，在锁模激光器的腔内使用小分光比的耦合器用来来监测激光器腔内的脉冲变化，啁啾调控装置通过脉冲变化实时调整和控制正向色散器件和反向色散器件的色散量，实现系统的参量动态化。根据傅里叶级数展开的原理，利用色散器件调整锁模曲线的周期(假设基础锁模器的曲线为正弦和余弦型)，将多个不同周期的锁模单元进行组合，构造出任意损耗特性曲线的锁模系统，如图9所示，基本锁模器特性曲线如左图所示，由相同的基本锁模器匹配使用不同的色散器件构造出不同“周期”的特性曲线如中图所示，根据该原理组合出所需的任意特性的曲线如右图所示。给锁模激光器的设计带来极大的设计余量，尤其适用于集成光学锁模系统。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种复合型锁模器系统，其特征在于包括第一级锁模单元，第一级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第一色散器件、第一锁模器和第二色散器件，第一色散器件和第二色散器件的色散相反，即第一色散器件为正色散第二色散器件为负色散；
还包括第二级锁模单元，第二级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第三色散器件、第二锁模器和第四色散器件，第三色散器件和第四色散器件的色散相反，即第三色散器件为正色散第四色散器件为负色散；
第一级锁模单元和第二级锁模单元组合相连；
第一级锁模单元和第二级锁模单元为级联组合，级联组合的方式为：第二色散器件与第三色散器件相连接；
第三级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第五色散器件、第三锁模器和第六色散器件，第五色散器件和第六色散器件的色散相反，即第五色散器件为正色散第六色散器件为负色散；
第一级锁模单元、第二级锁模单元和第三级锁模单元相连接；
第二级锁模单元和第三级锁模单元嵌套组合，嵌套组合的方式为：第三级锁模单元设于第二锁模器与第三色散器件之间或者第二锁模器与第四色散器件之间，第二级锁模单元和第三级锁模单元组合为第四级锁模单元，第一级锁模单元和第四级锁模单元级联组合，级联组合的方式为：第二色散器件与第三色散器件相连。
2.一种复合型锁模器系统，其特征在于包括第一级锁模单元，第一级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第一色散器件、第一锁模器和第二色散器件，第一色散器件和第二色散器件的色散相反，即第一色散器件为正色散第二色散器件为负色散；
还包括第二级锁模单元，第二级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第三色散器件、第二锁模器和第四色散器件，第三色散器件和第四色散器件的色散相反，即第三色散器件为正色散第四色散器件为负色散；
第一级锁模单元和第二级锁模单元组合相连；
第一级锁模单元和第二级锁模单元为嵌套组合，嵌套组合的方式为：第二级锁模单元设于第一锁模器与第一色散器件之间或者第一锁模器与第二色散器件之间；
第三级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第五色散器件、第三锁模器和第六色散器件，第五色散器件和第六色散器件的色散相反，即第五色散器件为正色散第六色散器件为负色散；
第一级锁模单元、第二级锁模单元和第三级锁模单元相连接；
第二级锁模单元和第三级锁模单元嵌套组合，嵌套组合的方式为：第三级锁模单元设于第二锁模器与第三色散器件之间或者第二锁模器与第四色散器件之间，第二级锁模单元和第三级锁模单元组合为第四级锁模单元，第一级锁模单元和第四级锁模单元级联组合，级联组合的方式为：第二色散器件与第三色散器件相连。
3.一种复合型锁模器系统，其特征在于包括第一级锁模单元，第一级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第一色散器件、第一锁模器和第二色散器件，第一色散器件和第二色散器件的色散相反，即第二色散器件为正色散第一色散器件为负色散；
还包括第二级锁模单元，第二级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第三色散器件、第二锁模器和第四色散器件，第三色散器件和第四色散器件的色散相反，即第四色散器件为正色散第三色散器件为负色散；
第一级锁模单元和第二级锁模单元组合相连；
第一级锁模单元和第二级锁模单元为级联组合，级联组合的方式为：第二色散器件与第三色散器件相连接；
第三级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第五色散器件、第三锁模器和第六色散器件，第五色散器件和第六色散器件的色散相反，即第六色散器件为正色散第五色散器件为负色散；
第一级锁模单元、第二级锁模单元和第三级锁模单元相连接；
第二级锁模单元和第三级锁模单元嵌套组合，嵌套组合的方式为：第三级锁模单元设于第二锁模器与第三色散器件之间或者第二锁模器与第四色散器件之间，第二级锁模单元和第三级锁模单元组合为第四级锁模单元，第一级锁模单元和第四级锁模单元级联组合，级联组合的方式为：第二色散器件与第三色散器件相连。
4.一种复合型锁模器系统，其特征在于包括第一级锁模单元，第一级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第一色散器件、第一锁模器和第二色散器件，第一色散器件和第二色散器件的色散相反，即第二色散器件为正色散第一色散器件为负色散；
还包括第二级锁模单元，第二级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第三色散器件、第二锁模器和第四色散器件，第三色散器件和第四色散器件的色散相反，即第四色散器件为正色散第三色散器件为负色散；
第一级锁模单元和第二级锁模单元组合相连；
第一级锁模单元和第二级锁模单元为嵌套组合，嵌套组合的方式为：第二级锁模单元设于第一锁模器与第一色散器件之间或者第一锁模器与第二色散器件之间；
第三级锁模单元包括沿激光脉冲进入方向依次设置的第五色散器件、第三锁模器和第六色散器件，第五色散器件和第六色散器件的色散相反，即第六色散器件为正色散第五色散器件为负色散；
第一级锁模单元、第二级锁模单元和第三级锁模单元相连接；
第二级锁模单元和第三级锁模单元嵌套组合，嵌套组合的方式为：第三级锁模单元设于第二锁模器与第三色散器件之间或者第二锁模器与第四色散器件之间，第二级锁模单元和第三级锁模单元组合为第四级锁模单元，第一级锁模单元和第四级锁模单元级联组合，级联组合的方式为：第二色散器件与第三色散器件相连。
5.根据权利要求1、2、3或者4所述的复合型锁模器系统，其特征在于第二级锁模单元和第三级锁模单元级联组合，级联组合的方式为：第四色散器件与第五色散器件相连，第二级锁模单元和第三级锁模单元组合为第四级锁模单元，第一级锁模单元和第四级锁模单元嵌套组合，嵌套组合的方式为：第四级锁模单元设于第一锁模器与第一色散器件之间或者第一锁模器与第二色散器件之间。
6.根据权利要求1、2、3或者4所述的复合型锁模器系统，其特征在于还包括色散调控装置，色散调控装置与锁模单元相连接。
7.根据权利要求1、2、3或者4所述的复合型锁模器系统，其特征在于锁模单元设有耦合器，色散调控装置与耦合器以及锁模器两侧的色散器件相连，色散调控装置通过耦合器来监测激光器腔内的脉冲参量变化，根据脉冲参量变化动态调整每个锁模器两侧的色散器件的色散量。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 输出大啁啾脉冲的展宽脉冲锁模光纤激光器;石明威等;《中国激光》;20120229;第39卷(第2期);第0202007(1)-0202007(4)页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104242032A (zh) | 2014-12-24 |
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