CN105207048A - 全光纤波长可调谐超短脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤可调谐超短脉冲激光器，包括掺铒光纤飞秒激光源(1)等，掺铒光纤飞秒激光源(1)、掺铒光纤放大器(2)、第一透镜组合(3)、第一大模场直径光纤(4)、第二透镜组合(5)、第一二色镜(6)、掺铥光纤放大器(7)、第三透镜组合(8)、第二大模场直径光纤(9)、第四透镜组合(10)、第二二色镜(11)通过空间光依次联接。本发明通过孤子自频移效应来实现的超短脉冲调谐技术产生的脉冲比初始脉冲宽度更窄、脉冲质量更好，且波长可以实现大范围调谐，若使用掺铒光纤放大器和掺铥光纤放大器在不同波段对孤子脉冲进行级联泵浦，可将波长调谐范围从1.55μm扩展至3μm波段。

Description

全光纤波长可调谐超短脉冲激光器

技术领域

本发明属于光子学、信息科学和生物科学的交叉技术领域，具体涉及一种全光纤波长可调谐超短脉冲激光器，其可广泛应用于各个科研和工业领域，如非线性光学、超快光谱学、生物光学、光化学、微纳加工等。

背景技术

20世纪90年代以来，超短(10^-12-10^-15s)脉冲光源技术飞速发展，光脉冲能量已经达到微焦(10^-6J)量级，脉冲宽度可以窄至几个飞秒(10^-15s)，各类脉冲光源更能覆盖不同的波长范围。超短脉冲光源的发展不仅促使了超快光学的诞生，也大大推动了其它领域的科学研究工作，对人类科学技术的进步产生了深远的影响。超短光脉冲源的可调谐性具有非常大的吸引力。关于可调谐超短光脉冲源的研究工作一直是业界关注的焦点，其中脉冲波长的可调谐性可以使现有波长进行大范围的调节。

脉冲波长可调谐主要利用孤子自频移效应来实现。在色散和非线性的共同作用下，高能量脉冲首先发生了剧烈压缩，频谱宽度迅速增加，随后在脉冲内拉曼自泵浦效应的作用下分裂产生一个或多个孤子脉冲，脉冲的波长随着入射脉冲能量和光纤长度的增加而不断红移，从而实现波长的调谐。基于孤子自频移效应的波长可调谐脉冲光源具有光纤兼容、结构简单、脉冲质量更好等优点。脉冲重复频率的可调谐性主要利用时间透镜系统。时间透镜是能够将连续激光在时域上压缩为短脉冲，类似于啁啾脉冲放大系统，实现光脉冲的压缩或者展宽。波长可调谐的超短脉冲光源已经成为现代科学和生产不可或缺的工具，广泛应用于各个科研和工业领域，如非线性光学、超快光谱学、生物光学、光化学、微纳加工等。

在实际应用中，锁模脉冲激光器是产生短脉冲的主要手段，锁模激光器特定的稀土掺杂光纤。因此，只有很小的重复频率调谐范围和较单一的光谱波段。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种全光纤波长可调谐超短脉冲激光器。

本发明采取如下技术方案：一种全光纤波长可调谐超短脉冲激光器，包括掺铒光纤飞秒激光源(1)、掺铒光纤放大器(2)、第一透镜组合(3)、第一大模场直径光纤(4)、第二透镜组合(5)、第一二色镜(6)、掺铥光纤放大器(7)、第三透镜组合(8)、第二大模场直径光纤(9)、第四透镜组合(10)及第二二色镜(11)，掺铒光纤飞秒激光源(1)、掺铒光纤放大器(2)、第一透镜组合(3)、第一大模场直径光纤(4)、第二透镜组合(5)、第一二色镜(6)、掺铥光纤放大器(7)、第三透镜组合(8)、第二大模场直径光纤(9)、第四透镜组合(10)、第二二色镜(11)依次联接。光路均为空间光结构。

优选的，掺铒光纤飞秒激光源(1)可以为加入时间透镜的重复频率可调谐的光纤飞秒激光源，也可选用其他结构的飞秒激光器。

优选的，掺铥光纤放大器(7)选用具有色散控制功能的光纤放大器。

优选的，掺铒光纤放大器(2)选用具有色散控制功能的光纤放大器。

本发明利用孤子自频移效应，根据所需要的频移范围和基阶孤子功率确定光纤参数使基态孤子进入所需调谐范围。光纤根据吸收损耗谱可选择不同参数和不同的介质光纤。

若采用单模光纤作为介质光纤，光的频移量可根据以下公式来计算:

$\frac{dv}{dz}=\frac{1.2904\·{\mathrm{\λ}}^{2}D\left(\mathrm{\λ}\right)h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\τ}}^4}(THz/m)$

(单位光纤长度的频移量dv/dz与波长λ、色散参数D、拉曼增益函数h(τ)、脉冲宽度τ)

若采用双折射光纤作为介质光纤，泵浦脉冲可以视为偏振态正交的两个分量P_x和P_y，若P_x和P_y均超过孤子自频移效应的阈值P_th，则可以产生两个红移的孤子脉冲，波长近似可以表示为：

λ_x＝λ_P+Δλ(P_x-P_th)

λ_y＝λ_P+Δλ(P_y-P_th)

其中，λ_P为泵浦光波长，Δλ为波长频移量与泵浦功率的比值。因此，通过调节泵浦光偏振态可以决定P_x和P_y大小，从而控制多色孤子脉冲的波长和波长间隔。

孤子脉冲峰值功率由光纤模场面积A_eff，非线性系数n₂，色散系数β₂等因素决定，关系式可以表示为：

$P\∝\frac{{\mathrm{\λA}}_{eff}\left|{\mathrm{\β}}_2\right|}{n_2}$

本发明有益效果如下：

通过孤子自频移效应来实现的超短脉冲调谐技术产生的脉冲比初始脉冲宽度更窄、脉冲质量更好，且波长可以实现大范围调谐，若使用掺铒光纤放大器和掺铥光纤放大器在不同波段对孤子脉冲进行级联泵浦，可将波长调谐范围从1.55μm扩展至3μm波段。

附图说明

图1为本发明的单模光纤为介质的孤子自频移系统结构图。

图2为Pout1出射的1937.4nm飞秒的时域图谱，脉宽为286fs。

图3为1546nm的飞秒光经过第一级孤子自频移，Pout1端所得到的1937.4nm的飞秒脉冲光。

图4为1938.4nm的飞秒光经过第二级孤子自频移，Pout2端所得到的3042.0nm的飞秒脉冲光。

图5为1546nm的飞秒光通过双折射光纤产生两个孤子脉冲光。

图6为1546nm的飞秒光通过双折射光纤通过调节1/2波片得到的两个孤子重叠的脉冲光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1显示了波长可调谐超短脉冲激光器的结构示意图。参见图1，孤子自频移系统可以由多级光纤级联而成，具体包括掺铒光纤飞秒激光源1、掺铒光纤放大器2、透镜组合3、大模场直径光纤4、透镜组合5、二色镜6、掺铥光纤放大器7、透镜组合8、大模场直径光纤9、透镜组合10、二色镜11，上述部件依次联接。飞秒激光源出射的光通过掺铒光纤放大器进行功率放大，后通过透镜组合3把放大后的飞秒光耦合进入到大模场直径光纤4中，光纤的长度和功率可通过上式进行计算，出射的光再通过透镜组合5进行准直，光通过二色镜6，滤除或滤出所需波长的超短脉冲。频移至第一目标波长后的光经过掺铥光纤放大器放大后，再通过透镜组合8进入到大模场直径光纤4，经过进一步波长频移的光经过透镜组合10进行准直，可以得到达目标波长的中红外波段。通过调节透镜组合中的1/2波片，孤子可以在最大频移量和泵浦光之间进行平滑移动。

掺铒光纤飞秒激光源可以为加入时间透镜的重复频率可调谐的光纤飞秒激光源，也可选用其他飞秒激光器。

掺铒光纤放大器和掺铥光纤放大器需要具有特殊的色散控制功能的光纤放大器，可以根据飞秒激光源的波长选择适用的放大器。

透镜组合可由但不仅限于三维调节架、凸透镜组成，主要对光束进行聚焦或准直作用。相对应的镜片根据光谱的波段不同选择透过率较高的材质或者镀膜。如果光纤是双折射光线，可在透镜组合3、透镜组合5中任选一个组合加入1/2波片，同时在透镜组合8和透镜组合10中任选一个组合也加入1/2波片。1/2波片可以根据需要选择作用于对应的波长的片子。主要功能是实现孤子可以在最大频移量和泵浦光之间进行平滑移动。

大模场直径光纤，可根据不同光纤的损耗谱，进行光纤材质的更换。一般实现方式可以为第一段大模场直径光纤为二氧化硅光纤。一般可至2um左右，二氧化硅光纤超过2.3um有很大的损耗系数，频移至2um后的光，可以再利用氟化物光纤或者其他中红外光纤作为介质光纤。

二色镜，可以对特定波长进行反射，特定波长进行折射。

图2为Pout1出射的1937.4nm飞秒的时域图谱，脉宽为286fs。

图3为1546nm的飞秒光经过一级孤子自频移Pout1所得到的1937.4nm的飞秒脉冲光。

图4为1546nm的飞秒光经过一级孤子自频移Pout2所得到的3042.0nm的飞秒脉冲光。

图5为1546nm的飞秒光通过双折射光纤产生两个孤子脉冲光。(图5中左侧孤子主要是由于光谱仪的分辨率造成的，实际是平滑的)。

图6为1546nm的飞秒光通过双折射光纤通过调节1/2波片得到的两个孤子重叠的脉冲光。

以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种全光纤波长可调谐超短脉冲激光器，其特征是包括掺铒光纤飞秒激光源(1)、掺铒光纤放大器(2)、第一透镜组合(3)、第一大模场直径光纤(4)、第二透镜组合(5)、第一二色镜(6)、掺铥光纤放大器(7)、第三透镜组合(8)、第二大模场直径光纤(9)、第四透镜组合(10)及第二二色镜(11)，掺铒光纤飞秒激光源(1)、掺铒光纤放大器(2)、第一透镜组合(3)、第一大模场直径光纤(4)、第二透镜组合(5)、第一二色镜(6)、掺铥光纤放大器(7)、第三透镜组合(8)、第二大模场直径光纤(9)、第四透镜组合(10)、第二二色镜(11)通过空间光依次联接。

2.如权利要求1所述的全光纤波长可调谐超短脉冲激光器，其特征是：掺铒光纤飞秒激光源(1)选用加入时间透镜的重复频率可调谐的光纤飞秒激光源。

3.如权利要求1所述的全光纤波长可调谐超短脉冲激光器，其特征是：掺铒光纤放大器(2)选用具有色散控制功能的光纤放大器。

4.如权利要求1-3任一项所述的全光纤波长可调谐超短脉冲激光器，其特征是：掺铥光纤放大器(7)选用具有色散控制功能的光纤放大器。