CN106169690B - 一种高重频锁模光纤激光器产生高重频脉冲的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高重频锁模光纤激光器及其产生高重频脉冲的方法，涉及激光技术中非线性光学领域，在全光纤环形腔光纤激光器的基础上，向环形腔内注入两个具有一定波长差且功率接近的单纵模窄线宽连续光信号，在四波混频效应的作用下，在原有的锁模脉冲光谱上产生等间距的边带，从而在时域上产生等间距的脉冲序列，脉冲之间的间隔由两个注入的连续光信号的波长差决定，由于孤子量子化效应，每个脉冲的强度趋于一致；本发明解决了现有光纤激光器谐波锁模容易受环境因素影响，产生的时间啁啾较大、振幅抖动、稳定性低以及成本高的问题。

Description

一种高重频锁模光纤激光器产生高重频脉冲的方法

技术领域

本发明涉及激光技术中非线性光学领域，尤其涉及一种高重频锁模光纤激光器及其产生高重频脉冲的方法。

技术背景

高重复频率超短脉冲激光器在非线性光学、高速光采样、光学频率梳、高速形态测量、太赫兹波产生等许多重要的光学领域中有着广泛的应用而备受关注。目前，主动锁模和被动锁模都是可以获得高重复频率的常用技术，但是主动锁模需要高频信号发生器和调制器，这无疑增加了技术的复杂性和技术成本，并且，主动锁模的脉宽为皮秒量级。相比之下，被动锁模光纤激光器的结构要简单得多。在被动锁模光纤激光器中，产生高重频脉冲的常用方法为短腔法和谐波锁模法。由于激光谐振腔内器件存在物理尺寸限制，短腔法能实现的重复频率只能达到 10-20GHz；而谐波锁模法因为受环境因素影响，容易产生较大的时间啁啾和振幅抖动，稳定性低。

四波混频，是指一个或几个光波的光子被湮灭，同时产生了几个不同频率的新光子，在整个变换过程中，遵从净能量和动量是守恒定则。通俗的说，就是两种或三种不同波长的光混合在一起后产生新的频率的光。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供的一种高重频锁模光纤激光器及其产生高重频脉冲的方法是一种全新的方案，基于双泵浦四波混频产生的高重复频率脉冲具有重复频率高,稳定性好，重复频率可调谐等优点。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明公布了一种高重频锁模光纤激光器，包括由波分复用器、光隔离器、光耦合器、可饱和吸收体和增益光纤顺序连接的激光环形腔，连接到所述波分复用器泵浦输入端的激光泵浦源，与第一光耦合器连接的第二光耦合器，以及连接到所述第二光耦合器的第一连续光源和第二连续光源。

所述第一光耦合器的一个输出端连接可饱和吸收体，另一个输出端作为激光的信号输出。

可饱和吸收体作为激光器的锁模器件。所述增益光纤的纤芯掺杂高浓度的发光离子，发光离子为稀土离子Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺、Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺和Lu³⁺中一种或多种的组合体。所述的激光泵浦源为半导体激光器、固体激光器、光纤激光器或拉曼激光器。所述的可饱和吸收体为半导体可饱和吸收镜，或碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯的聚合物、拓扑绝缘体、黑磷、二硫化钼、二硒化钨，或等效可饱和吸收体结构包括非线性偏振旋转、非线性光纤环形镜、非线性放大环形镜。

另一方面，本发明公布了所述高重频锁模光纤激光器产生高重频脉冲的方法，包括以下步骤：

1)由泵浦源发出的激光依次经过增益光纤与可饱和吸收体后进入光耦合器，产生的原始激光的频率为ω₀；

2)第一连续光源向第二耦合器中注入频率为ω₁的单纵模窄线宽连续单色光波，第二连续光源中注入频率为ω₂的单纵模窄线宽连续单色光波，两种单色光波具有一定波长差，且功率接近；

3)频率分别为ω₀，ω₁，ω₂的三个光信号经光纤中的四波混频效应在产生频率分别为ω_a＝ω₀+ω₁-ω₂，ω_a’＝ω₀+ω₂-ω₁的新的光波分量；

4)频率为ω_a和ω_a’的光波分量与频率为ω₁,ω₂的光波作用，继续产生频率为ω_b和ω_b’的光波分量；此时，光波间的间隔频率为Δω＝ω_a-ω₀＝ω₀-ω_a’＝ω₁-ω₂；以激光器环形腔产生的频率为ω₀的原始激光为中心会产生以Δω为间距的等间隔边带，这些在频域上等间距分布的频率分量最终会在时域上显示为等间距的脉冲，脉冲之间的间距Δt＝2π/Δω，最终，本激光器可以产生重复频率f＝Δω/2π的脉冲输出。

可以看到，脉冲间距Δω由第一连续光源和第二连续光源注入的连续单色光波间的波长差决定，由于孤量子化效应，每个脉冲的强度趋于一致。

采用上述方案后，本发明具有的显著优点和突出进步为：利用双泵浦四波混频的结构实现超高重复频率的锁模光纤激光器，输出的激光脉冲重复频率最高可达1THz，脉冲宽度窄，谐波锁模不容易产生较大的时间啁啾和振幅抖动，稳定性高。

附图说明

图1为本发明公布的一种高重频锁模光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明公布的一种高重频锁模光纤激光器产生的光谱边带原理简图；

图3为本发明公布的一种高重频锁模光纤激光器产生的输出光的时域图演化图；

图4为本发明公布的一种高重频锁模光纤激光器的输出光的光谱图；

图5为本发明公布的一种高重频锁模光纤激光器产生的输出光经滤波器处理后的脉冲序列；

图中标记：1-激光泵浦源，2-波分复用器，3-光隔离器，4-第一连续光光源，5-第二连续光光源，6-第二光耦合器，7-第一光耦合器，8-可饱和吸收体，9- 增益光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1所示，一种高重频锁模光纤激光器，包括由波分复用器2、光隔离器 3、光耦合器7、可饱和吸收体8和增益光纤9顺序连接的激光环形腔，连接到波分复用器2泵浦输入端的激光泵浦源1，与第一光耦合器7连接的第二光耦合器6，以及连接到第二光耦合器6的第一连续光源4和第二连续光源5；第一光耦合器7的一个输出端连接可饱和吸收体8，另一个输出端作为激光的信号输出。

其中激光泵浦源1采用980nm的单模半导体激光器；波分复用器2为非保偏型波分复用器；光隔离器3采用偏正无关型光隔离器；第一连续光光源4和第二光光源5输出波长远离锁模光纤激光器中心波长，波长分别为1508.4nm和 1510nm，波长差为1.6nm；第二光耦合器6的输入端分别为50％和50％；第一光耦合器7的输入端分别为50％和50％，输出端分别为95％和5％，其中5％输出端为激光信号输出端，95％输出端连接谐振腔后续部件；可饱和吸收体8为半导体可饱和吸收镜；增益光纤9为掺杂有Er³⁺的非保偏型增益光纤。

由激光泵浦源发出波长λ_pump＝980nm激光注入环形腔中，产生的原始激光的频率为ω₀，对应波长λ₀＝1550nm；第一连续光源向第二耦合器中注入频率为ω₁对应波长为λ₁＝1508.4nm的单纵模窄线宽连续单色光波，第二连续光源中注入频率为ω₂对应波长为λ₂＝1510nm的单纵模窄线宽连续单色光波，两种单色光波具有一定波长差，且功率接近；频率分别为ω₀,ω₁,ω₂的三个光信号经四波混频效应在第二光耦合器中产生频率分别为ω_a＝ω₀+ω₁-ω₂，ω_a’＝ω₀+ω₂-ω₁对应波长为λ_a＝1548.4nm和λ_a’＝1551.6nm的新的光波分量；频率为ω_a和ω_a’的光波分量与频率为ω₁,ω₂的光波作用，继续产生频率为ω_b和ω_b’的光波分量；此时，光波间的间隔频率为Δω＝ω_a-ω₀＝ω₀-ω_a’＝ω₁-ω₂,对应波长差为Δλ＝1.6nm；以激光器环形腔产生的频率为ω₀的原始激光为中心会产生以Δω为间距的等间隔边带，这些在频域上等间距分布的频率分量最重会在时域上显示为等间距的脉冲，脉冲之间的间距Δt＝2π/Δω＝5ps，最终，本激光器可以产生重复频率f＝Δω/2π＝200GHz的脉冲输出。

可以看到，脉冲间距Δt由第一连续光源和第二连续光源注入的连续单色光波间的波长差决定，由于孤子量子化效应，每个脉冲的强度趋于一致。脉冲的演化图如图2所示，观测到的输出脉冲光谱图如图3所示。待脉冲稳定之后，可用滤波器讲两个连续光信号滤去，得到光滑的脉冲输出曲线。

如上所述即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高重频锁模光纤激光器产生高重频脉冲的方法，其特征在于：

包括由波分复用器(2)、光隔离器(3)、光耦合器(7)、可饱和吸收体(8)和增益光纤(9)顺序连接的激光环形腔，连接到所述波分复用器(2)泵浦输入端的激光泵浦源(1)，与第一光耦合器连接的第二光耦合器(6)，以及连接到所述第二光耦合器(6)的第一连续光源(4)和第二连续光源(5)；

所述第一光耦合器的一个输出端连接可饱和吸收体(8)，另一个输出端作为激光的信号输出；

其方法包括以下步骤：

1)由激光泵浦源(1)发出λ_pump＝980nm的激光注入环形腔中，产生的原始激光的频率为ω₀，对应波长λ₀＝1550nm；

2)第一连续光源(4)向第二耦合器(6)中注入频率为ω₁对应波长为λ₁＝1508.4nm的单色光波，第二连续光源(5)中注入频率为ω₂对应波长为λ₂＝1510nm的单色光波；

3)频率分别为ω₀，ω₁，ω₂的三个光信号经四波混频效应在第二光耦合器(7)中产生频率分别为ω_a＝ω₀+ω₁-ω₂，ω_a’＝ω₀+ω₂-ω₁对应波长为λ_a＝1548.4nm和λ_a’＝1551.6nm的新的光波分量；

4)频率为ω_a和ω_a’的光波分量与频率为ω₁,ω₂的光波作用，继续产生频率为ω_b和ω_b’的光波分量B；此时，光波间的间隔频率为Δω＝ω_a-ω₀＝ω₀-ω_a’＝ω₁-ω₂，对应波长差为Δλ＝1.6nm；

以激光器环形腔产生的频率为ω₀的原始激光为中心会产生以Δω为间距的等间隔边带，这些在频域上等间距分布的频率分量最终会在时域上显示为等间距的脉冲，脉冲之间的间距Δt＝2π/Δω，最终，本激光器可以产生重复频率f＝Δω/2π的脉冲输出。

2.根据权利要求1所述的一种高重频锁模光纤激光器产生高重频脉冲的方法，其特征在于，所述增益光纤(9)的纤芯掺杂高浓度的发光离子，发光离子为稀土离子Er³⁺、Yb³⁺、Tm^{3 +}、Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺和Lu³⁺中的一种或多种的组合体。