CN107045207A - 脉冲串产生与时域形貌控制的结构 - Google Patents

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林学春
齐瑶瑶
于海娟
邹淑珍
陈寒
张玲
何超建
李备
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    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/106—Beam splitting or combining systems for splitting or combining a plurality of identical beams or images, e.g. image replication
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping

Abstract

一种脉冲串产生与时域形貌控制的结构，包括：一1×N光纤信号分束器；N条光纤，其一端均与1×N光纤信号分束器的输出端连接；一N×1光纤信号合束器，其输入端与N条光纤的另一端连接；该1×N光纤信号分束器的输入端与一输入光纤连接，该N×1光纤信号合束器的输出端与一输出光纤连接。本发明可以简单方便的获得皮秒或纳秒脉冲串并进行时域形貌的调控，结构简单、稳定、易于实现并降低了成本。

Description

脉冲串产生与时域形貌控制的结构
技术领域
本发明涉及全光纤激光器脉冲串时域形貌调控领域，具体涉及一种1×N光纤信号分束器和N×1光纤信号合束器实现脉冲串形貌产生并控制的结构。
背景技术
在光电子应用大发展的时代背景下，越来越多的领域对高重频大能量的脉冲激光具有巨大的需求。而常规的脉冲激光受平均功率的限制，难以兼顾实现高重复频率和大单脉冲能量输出。脉冲串激光以其易于实现高重频大能量的特性而越来越受到学术界的重视。目前，脉冲串激光在激光诱导荧光诊断技术、激光加工等领域应用越来越广泛。
相比空间结构，全光纤化脉冲串的产生结构具有体积小、散热快、易维护等优势。同时，在全光纤化皮秒(纳秒)激光领域，目前广泛采用腔内插入光纤化声光调制器或电光调制器的方法产生皮秒或纳秒脉冲串，或者在腔外采用频率脉冲选择器对连续脉冲序列筛选皮秒(纳秒)脉冲串，进行时域形貌调制，但是该类方法结构复杂、成本很高。因此，研发一种结构简单、成本低廉的脉冲串产生与形貌控制的结构用于光纤放大非常有必要。
发明内容
鉴于上述问题，为了克服现有技术发展的不足，本发明提出了一种基于脉冲串产生并控制时域形貌的结构，可以简单方便的获得皮秒或纳秒脉冲串并进行时域形貌的调控，结构简单、稳定、易于实现并降低了成本。
本发明提供一种脉冲串产生与时域形貌控制的结构，包括：
一1×N光纤信号分束器；
N条光纤，其一端均与1×N光纤信号分束器的输出端连接；
一N×1光纤信号合束器，其输入端与N条光纤的另一端连接；
该1×N光纤信号分束器的输入端与一输入光纤连接，该N×1光纤信号合束器的输出端与一输出光纤连接。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)采用全光纤化的1×N光纤信号分束器、N条光纤、N×1光纤信号合束器高效连接的方式，将皮秒或纳秒脉冲生成子脉冲数目为N的脉冲串包络。通过控制N支光纤束的光纤长度和1×N光纤信号分束器的分束比例，进行调控脉冲串内子脉冲间隔与振幅，该方法简单易行，降低成本。
(2)全光纤化信号合束器与分束器带夹具封装，使得光纤束稳固。
(3)本发明通过光纤无源器件实现了一路信号光分成多路输出并重新合束的功能，全光纤的结构使其与其它光纤元件连接简单，使用方便。
(4)本发明结构简单稳定、易于实现，适用于各种光纤激光器和放大器中。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明如后，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明具体实施例输出脉冲图(子脉冲交叠并且间隔保持一致)；
图3为本发明具体实施例输出脉冲图(子脉冲不发生交叠并且间隔保持一致)；
图4为本发明具体实施例输出脉冲图(重频加N倍)；
图5为本发明具体实施例输出脉冲图(子脉冲间隔不一致)；
图6为本发明具体实施例输出脉冲图(子脉冲振幅不一致)。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种脉冲串产生与时域形貌控制的结构，包括：
一1×N光纤信号分束器A，该1×N光纤信号分束器A将信号光分束；
一N条光纤B，其一端均与1×N光纤信号分束器A的输出端连接，用于传输信号光。该N条光纤B为大于等于2的正整数；
一N×1光纤信号合束器C，其输入端与N条光纤B的另一端连接，所述N×1光纤信号合束器C将信号光进行耦合输出；
该1×N光纤信号分束器A的输入端与一输入光纤a1连接，该N×1光纤信号合束器C的输出端与一输出光纤c1连接。
其中该1×N光纤信号分束器A的输入光纤a1的拉赫不变量小于或等于所述输出端光纤束的拉赫不变量。该1×N光纤信号分束器A的输入光纤a1和所述输出端光纤束的纤芯包层尺寸可以不同或者相同。该1×N光纤信号分束器A椎体部分，输入光纤a1的纤芯外径小于或等于椎区输出端光纤束的纤芯外径。
其中N×1光纤信号合束器C的输入光纤束的拉赫不变量小于或等于所述输出光纤c1的拉赫不变量。该N×1光纤信号合束器C的输出光纤c1和所述输出端光纤束的纤芯包层尺寸可以不同或者相同。该N×1光纤信号合束器C椎体部分，输入光纤束的椎区纤芯外径小于或等于输出光纤c1的纤芯外径。
其中1×N光纤信号分束器A与N×1光纤信号合束器C的输入光纤a1、N条光纤B和输出端光纤c1为无源单包层光纤，无源双包层光纤或者无源三包层光纤。可以为保偏光纤或非保偏光纤或光子晶体光纤。
具体的，如图1所示，本实施例中，N条光纤B为大于等于2的正整数，令N＝7，此脉冲串产生与控制结构包括1×7光纤信号分束器A、7条光纤束B和7×1光纤信号合束器C。该1×7光纤信号分束器A的输入端与一输入光纤a1连接，此1×7光纤信号分束器A将一路信号光分束为7路；7条光纤B，其一端与1×7光纤信号分束器A的输出端连接，用于分别传输7路信号光；该7×1光纤信号合束器C的输出端与一输出光纤c1连接，此7×1光纤信号合束器C将7路信号光耦合为一路并输出。该脉冲串产生与控制结构中所有的光纤可以为单模无源光纤或多模无源光纤，可以为单包层光纤、双包层光纤或多包层光纤，优选为多模无源双包层光纤，纤芯、包层数值孔径NA为0.06-0.60，优选纤芯数值孔径NA＝0.06，包层数值孔径NA＝0.46，光纤尺寸中纤芯直径为6～400μm，内包层直径为125μm-440μm，优选为纤芯直径为30μm、内包层直径为250μm的多模无源双包层光纤。这些光纤的结构参数可以保持一致，也可以不一致。设定所有光纤参数一致，具体地，a1光纤为30/250μm双包层无源光纤，纤芯/包层的数值孔径为0.06/0.46；7条光纤B为用于传输信号光的7条输出光纤束，每条光纤均为30/250μm双包层无源光纤，纤芯/包层的数值孔径为0.06/0.46；输出光纤c1为30/250μm双包层无源光纤，纤芯/包层的数值孔径为0.06/0.46。激光在30μm纤芯区域进行传输。
针对1×7均匀分光比的光纤信号分束器A，假设该器件插入损耗极小可忽略，经过该器件后，每条输出光纤传输激光功率降为1/7。采用中心波长为1064nm、平均功率1W、重复频率50MHz(相邻脉冲时间间隔为20ns)、脉冲宽度100ps的信号脉冲激光以空间耦合形式或者光纤波导形式高效注入到输入光纤a1的30μm纤芯中，耦合满足注入信号光光斑大小小于光纤纤芯尺寸、注入信号光光斑发散角小于纤芯数值孔径，此时耦合效率约100％，经过1×7光纤信号分束器A后激光功率被均匀分为7份，分别在7条光纤束B中进行传输。各激光光束重复频率不变为50MHz，平均功率分别约为1/7W。然后通过1×7光纤信号分束器C后被高效耦合从输出光纤c1输出。
当7条光纤束B长度满足等差数列，同时设定相邻两光纤束长度差值为L。当0＜L＜0.06m(即相邻两光纤束长度差正好小于单个脉冲底座宽度200ps与光速的乘积)时，脉冲包络内7个子脉冲发生交叠(如图2所示)；当0.06m≤L＜6/7m，脉冲包络内7个子脉冲不交叠(如图3所示)；当L＝6/7m(即相邻两光纤束长度差正好等于1/7的注入脉冲时间间隔20ns与光速的乘积)，此时输出激光脉冲重复频率增大为7倍(如图4所示)。
当7根光纤束长度满足非等差数列，同时设定任意两光纤束长度差值为L(L为不相等的一系列数值)，当0.06m＜L＜6/7m，脉冲包络内7个子脉冲不交叠(如图5所示)。
针对1×7非均匀分光比的光纤信号分束器A，假设该器件插入损耗极小可忽略，经过该器件后，每条输出光纤传输激光功率降为1/7。采用中心波长为1064nm、平均功率1W、重复频率50MHz(相邻脉冲时间间隔为20ns)、脉冲宽度100ps的信号脉冲激光以空间耦合形式或者光纤波导形式高效注入到输入光纤a1的30μm纤芯中，耦合满足注入信号光光斑大小小于光纤纤芯尺寸、注入信号光光斑发散角小于纤芯数值孔径，此时耦合效率约100％，经过1×7光纤信号分束器A后激光功率被分为7份功率不等(功率比取决于光纤信号分束器A的分光比)、重频不变(50MHz)的脉冲，分别在7条光纤束B中进行传输。然后通过1×7光纤信号分束器C后被高效耦合从输出光纤c1输出。
当7根光纤束长度满足等差数列，同时设定相邻两光纤束长度差值为L，当0.06m＜L＜6/7m，脉冲包络内7个子脉冲不交叠(如图6所示)。通过改变1×7光纤信号分束器分光比例，可获得子脉冲振幅变化的脉冲包络。
本实施例分类讨论情况不限于此。同时，本发明输入激光参数(脉宽、重频、中心波长、平均功率等)并不局限于此，本领域技术人员也可以选择纳秒激光耦合入纤并进行调控纳秒脉冲串的时域形貌。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (7)

1.一种脉冲串产生与时域形貌控制的结构，包括：
一1×N光纤信号分束器；
N条光纤，其一端均与1×N光纤信号分束器的输出端连接；
一N×1光纤信号合束器，其输入端与N条光纤的另一端连接；
该1×N光纤信号分束器的输入端与一输入光纤连接，该N×1光纤信号合束器的输出端与一输出光纤连接。
2.根据权利要求1所述的脉冲串产生与时域形貌控制的结构，其中1×N光纤信号分束器将信号光进行分束。
3.根据权利要求1所述的脉冲串产生与时域形貌控制的结构，其中N×1光纤信号合束器将信号光进行耦合输出。
4.根据权利要求1所述的脉冲串产生与时域形貌控制的结构，其中1×N光纤信号分束器的输入光纤的拉赫不变量小于或等于所述输出端光纤束的拉赫不变量。
5.根据权利要求1所述的脉冲串产生与时域形貌控制的结构，其中N×1光纤信号合束器的输入光纤束的拉赫不变量小于或等于所述输出光纤的拉赫不变量。
6.根据权利要求1所述的脉冲串产生与时域形貌控制的结构，其中1×N光纤信号分束器与N×1光纤信号合束器的输入光纤、N条光纤和输出端光纤为无源单包层光纤，无源双包层光纤或者无源三包层光纤，或为保偏光纤或非保偏光纤或光子晶体光纤。
7.根据权利要求1所述的脉冲串产生与时域形貌控制的结构，其中N条光纤为大于等于2的正整数。
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