CN108306167A - 一种多通道锁模全光纤谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道锁模全光纤谐振腔，包括光纤光栅、泵浦源、波分复用器、激光增益介质、激光调制器、第一被动锁模器和第二被动锁模器；光纤光栅的第一端为激光输出端，第二端与波分复用器的第一端相连；波分复用器的第二端与泵浦源的输出端相连，第三端与激光增益介质的第一端相连；激光增益介质的第二端与激光调制器的第一端相连；激光调制器的第二端用于接收调制信号，第三端与第一被动锁模器相连，第四端与第二被动锁模器相连；第一被动锁模器和第二被动锁模器分别与光纤光栅、波分复用器、激光增益介质和激光调制器构成了谐振腔的两个激光通道；本发明通过在谐振腔内设置激光调制器增加了谐振腔中的激光通道，从而延长谐振腔的使用寿命。

Description

一种多通道锁模全光纤谐振腔

技术领域

本发明属于激光器技术领域，更具体地，涉及一种多通道锁模全光纤谐振腔。

背景技术

高能量的超短(皮秒或者飞秒)光脉冲可用于受控热核聚变、光雷达、光信息处理、高分辨率图谱、量子系统瞬态响应以及超短声冲击渡的研究中，这种高峰值功率的短光脉冲在工业、教育和军事等领域的应用潜力极大；

超短光脉冲一般通过锁模激光器产生，采用半导体可饱和吸收镜(semiconductorsaturable absorber mirror，SESAM)被动锁模的光纤激光谐振腔是锁模激光器的一种实现方式；SESAM锁模是一种常见的被动锁模方式，SESAM在工作时会反射光脉冲峰值功率高的部分，同时对脉冲峰值功率低的部分有较高的吸收，脉冲在反复经过SESAM反射后会变得越来越短。SESAM被动锁模的谐振腔一般由三部分组成：光纤布拉格光栅(Fibber BraggGrating，FBG)，SESAM，以及作为增益介质的掺稀土光纤，其优点是可以实现稳定的全光纤谐振腔(不包含空间光路)，该谐振腔的一个缺点是SESAM由于材料，制作工艺，以及使用方式的限制难以实现高寿命工作，导致现有的锁模激光器使用寿命较短；

声光调制是一种外调制技术，通常把控制激光束强度变化的声光器件称作激光调制器(Acousto-optical Modulators，AOM)，激光调制器由声光介质和压电换能器构成；当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，在介质内形成折射率变化，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射，激光调制器可以通过声波调制选择让光从声光晶体中以0级非衍射或1级衍射通过；通过在谐振腔内加入全光纤AOM，可以使谐振腔在不同通道内工作。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多通道锁模全光纤谐振腔，通过在谐振腔内设置激光调制器增加了谐振腔中的激光通道，激光调制器在声光调制信号的控制下使激光光束在不同通道内切换，多通道光纤谐振腔解决了半导体可饱和吸收镜寿命短的问题，从而有效增加谐振腔的使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多通道锁模全光纤谐振腔，包括光纤光栅、泵浦源、波分复用器、激光增益介质、激光调制器、第一被动锁模器和第二被动锁模器；

光纤光栅的第一端为激光输出端，第二端与波分复用器的第一端相连；波分复用器的第二端与泵浦源的输出端相连，第三端与激光增益介质的第一端相连；激光增益介质的第二端与激光调制器的第一端相连；激光调制器的第二端用于接收调制信号，第三端与第一被动锁模器相连，第四端与第二被动锁模器相连；

第一被动锁模器与光纤光栅、波分复用器、激光增益介质和激光调制器构成了谐振腔的一个激光通道，第二被动锁模器与光纤光栅、波分复用器、激光增益介质和激光调制器构成了谐振腔的另一个激光通道，通过调制信号控制激光调制器切换不同通道，通过增加激光通道以提高谐振腔的使用寿命。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，其第一被动锁模器为第一半导体可饱和吸收镜，第二被动锁模器采用第二半导体可饱和吸收镜、非线性光纤环形镜、基于非线性偏振旋转机制的锁模器中的任一种。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，其第二半导体可饱和吸收镜的锁模特性与第一半导体可饱和吸收镜相同；当第一半导体可饱和吸收镜达到使用寿命后，通过调制信号控制激光调制器输出的信号光进入第二半导体可饱和吸收镜，以延长谐振腔的使用寿命。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，包括N个激光调制器5、N个第一半导体可饱和吸收镜6和一个第二半导体可饱和吸收镜7，其中N为大于1的自然数；

第N个激光调制器5的第一端与第N-1个激光调制器5的第四端相连，第二端用于接收调制信号，第三端与第N个第一半导体可饱和吸收镜6相连，第四端与第二半导体可饱和吸收镜7相连；

通过在谐振腔中设置N个激光调制器5，使谐振腔中的激光通道增加为N+1路，通过调制信号控制激光调制器5切换不同通道，使谐振腔的使用寿命提高N倍。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，其第二半导体可饱和吸收镜的锁模特性与第一半导体可饱和吸收镜不同；利用易起振的第一半导体可饱和吸收镜在谐振腔中形成锁模脉冲，然后通过激光调制器切换到第二半导体可饱和吸收镜所在的通道实现持续锁模；通过减少第一半导体可饱和吸收镜的使用时间以延长谐振腔的使用寿命。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，其第二被动锁模器采用非线性光纤环形镜或基于非线性偏振旋转机制的偏振控制器，通过第一半导体可饱和吸收镜起振产生锁模脉冲，然后切换到非线性光纤环形镜或偏振控制器所在通道实现持续锁模，通过减少第一半导体可饱和吸收镜的使用时间以延长谐振腔的使用寿命。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，其第二半导体可饱和吸收镜与第一半导体可饱和吸收镜所在激光通道的长度不同，通过切换通道以改变谐振腔的重复频率。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，构成谐振腔的各器件通过单模光纤相连，上述单模光纤为保偏光纤或非保偏光纤。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，其激光调制器采用声光调制器或电光调制器；

其激光增益介质为掺稀土光纤，包括但不限于掺Yb光纤，掺Nd光纤，掺Er光纤，Yb/Er共掺光纤；

泵浦源采用半导体激光二极管，其波长范围为激光增益介质中所掺稀土元素的吸收波长。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，其声光调制器包括声光晶体、第一光纤准直器、第二光纤准直器和第三光纤准直器；

第一光纤准直器的第一端与激光增益介质的第二端相连，第二端与声光晶体的第一端相连；声光晶体的第二端用于接收声波调制信号，第三端与第二光纤准直器的第一端相连，第四端与第三光纤准直器的第一端相连，第二光纤准直器的第二端与第一被动锁模器相连，第三光纤准直器的第二端与第二被动锁模器相连；

第一光纤准直器用于将激光增益介质输出的激光光束准直为空间光，声光晶体在声波调制信号的控制下将准直后的激光由不同的通道输出；第二光纤准直器和第三光纤准直器用于将声光晶体输出的激光耦合至光纤内，通过光纤传输至第一被动锁模器或第二被动锁模器。

优选的，上述多通道锁模全光纤谐振腔，其第一光纤准直器、第二光纤准直器和第三光纤准直器选用玻璃透镜、折射率渐变光纤透镜中的一种或几种。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，在谐振腔内设置激光调制器，通过激光调制器使激光信号以非衍射或一级衍射状态分别进入不同的被动锁模器，从而增加了谐振腔中的激光通道，激光调制器在声光调制信号的控制下使激光光束在不同通道内切换，多通道光纤谐振腔可以解决半导体可饱和吸收镜寿命短的问题，从而有效增加谐振腔的使用寿命。

(2)本发明提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，被动锁模器采用锁模机制不同的第一半导体可饱和吸收镜和第二半导体可饱和吸收镜实现；通过变换通道可以变换不同的锁模机制，利用各自的优点。

(3)本发明提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，通过改变光纤的长度使第一半导体可饱和吸收镜和第二半导体可饱和吸收镜所在激光通道的长度不同，通过变换通道，可以变换谐振腔的重复频率。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的多通道锁模全光纤谐振腔的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的声光调制器的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的多通道锁模全光纤谐振腔的结构示意图；

图4是本发明实施例五提供的采用偏振控制器的多通道锁模全光纤谐振腔的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，包括光纤光栅1、泵浦源2、波分复用器3、激光增益介质4、激光调制器5、第一被动锁模器6和第二被动锁模器7；各器件优选通过单模光纤相连，光纤端面与第一被动锁模器6和第二被动锁模器7接触，或通过光学胶将光纤端面与第一被动锁模器6和第二被动锁模器7粘接形成全光纤结构；

光纤光栅1的第一端为激光输出端，其第二端与波分复用器3的第一端相连，波分复用器3的第二端与泵浦源2的输出端相连，其第三端与激光增益介质4的第一端相连，激光增益介质4的第二端与激光调制器5的第一端相连，激光调制器5的第二端用于接收调制信号，其第三端与第一被动锁模器6相连，第四端与第二被动锁模器7相连。

第一被动锁模器和第二被动锁模器可采用半导体可饱和吸收镜、非线性光纤环形镜、基于非线性偏振旋转机制的锁模器中的任一种。

下面通过具体实施例对本发明提供的多通道锁模全光纤谐振腔的使用方法和原理进行详细说明。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的多通道锁模全光纤谐振腔的结构示意图；如图1所示，本实施例所提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，包括光纤光栅1、泵浦源2、波分复用器3、激光增益介质4、激光调制器5、第一半导体可饱和吸收镜6和第二半导体可饱和吸收镜7；各器件通过单模光纤相连，可以是保偏光纤或非保偏光纤；第一半导体可饱和吸收镜6和第二半导体可饱和吸收镜7具有相同的锁模特性和功能；

其中，光纤光栅1的第一端为激光输出端，其第二端与波分复用器3的第一端相连，波分复用器3的第二端与泵浦源2的输出端相连，其第三端与激光增益介质4的第一端相连，激光增益介质4的第二端与激光调制器5的第一端相连，激光调制器5的第二端用于接收调制信号，其第三端与第一半导体可饱和吸收镜6相连，第四端与第二半导体可饱和吸收镜7相连；

泵浦源2通电后产生泵浦光，泵浦光经波分复用器3耦合到激光增益介质4中，激光增益介质4吸收泵浦光后产生粒子数反转并发出信号光，信号光经过激光调制器5后以非衍射状态进入第一半导体可饱和吸收镜6，第一半导体可饱和吸收镜6吸收信号光中的低脉冲峰值功率部分并将高脉冲峰值功率部分反射回谐振腔，反射的信号光经激光增益介质4放大后进入光纤光栅1并被其反射回谐振腔；信号光在光纤光栅1、波分复用器3、激光增益介质4、激光调制器5和第一半导体可饱和吸收镜6之间反复震荡、放大，形成超短光脉冲并从光纤光栅1输出。

当第一半导体可饱和吸收镜6达到使用寿命后，通过调制信号控制激光调制器5，使进入激光调制器5的信号光以1级衍射状态进入第二半导体可饱和吸收镜7，信号光在光纤光栅1、波分复用器3、激光增益介质4、激光调制器5和第二半导体可饱和吸收镜7之间反复震荡、放大，形成超短光脉冲并从光纤光栅1输出，从而延长了谐振腔的使用寿命。

激光调制器5用于在调制信号的控制下快速切换激光光路，激光调制器5可采用声光调制器或电光调制器，本实施例优选采用声光调制器，图2是本发明实施例提供的声光调制器的结构示意图，如图2所示，包括声光晶体52、第一光纤准直器51、第二光纤准直器54和第三光纤准直器55；

第一光纤准直器51的第一端与激光增益介质4的第二端相连，第二端与声光晶体52的第一端相连；声光晶体52的第二端用于接收声波调制信号，第三端与第二光纤准直器54的第一端相连，第四端与第三光纤准直器55的第一端相连，第二光纤准直器54的第二端与第一半导体可饱和吸收镜6相连，第三光纤准直器55的第二端与第二半导体可饱和吸收镜7相连；

第一光纤准直器51用于将激光增益介质4输出的激光光束准直为空间光，声光晶体52在声波调制信号的控制下将准直后的激光由不同的通道输出；第二光纤准直器54和第三光纤准直器55用于将声光晶体52输出的激光耦合至光纤内，通过光纤传输至第一半导体可饱和吸收镜6或第二半导体可饱和吸收镜7。

为了得到特定波长范围的超短波脉冲，需预先设定光纤光栅1反射激光的波长范围，落入该范围内的激光才能经光纤光栅1的反射在谐振腔中反复震荡，超出设定波长范围的激光则通过光纤光栅1输出；通过对谐振腔进行结构设计可以使腔内只支持一种稳定的锁模状态。激光信号从噪声开始，通过在谐振腔内的反复震荡和放大接近稳定状态，直到腔内形成稳定往返的脉冲，从而产生锁模。由于色散，激光脉冲在波分复用器3、激光增益介质4和激光调制器5中会逐渐变宽，如果需要形成飞秒脉冲，可以通过设置光纤光栅1的色散来补偿其他器件的色散；对于皮秒脉冲，由于色散的影响较小，色散补偿不是必须的。

实施例二

如图3所示，本实施例所提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，在实施例一的基础上，谐振腔包括N个激光调制器5、N个第一半导体可饱和吸收镜6和一个第二半导体可饱和吸收镜7，其中N为大于1的自然数；

第N个激光调制器5的第一端与第N-1个激光调制器5的第四端相连，其第二端用于接收调制信号，其第三端与第N个第一半导体可饱和吸收镜6相连，第四端与第二半导体可饱和吸收镜7相连；

第1个第一半导体可饱和吸收镜6达到使用寿命后，通过第1个激光调制器5将激光光路切换到第2个激光调制器5所在通道，通过第2个激光调制器5将激光光路切换到第2个第一半导体可饱和吸收镜6所在通道，依次类推，第N个第一半导体可饱和吸收镜6达到使用寿命后，通过第N个激光调制器5将激光光路切换到第二半导体可饱和吸收镜7所在通道；

通过在谐振腔中设置N个激光调制器5，使谐振腔中的激光通道增加为N+1路，通过调制信号控制激光调制器5切换不同通道，使谐振腔的使用寿命提高N倍。

实施例三

本实施例所提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，包括光纤光栅1、泵浦源2、波分复用器3、激光增益介质4、激光调制器5、第一半导体可饱和吸收镜6和第二半导体可饱和吸收镜7；

本实施例中各器件的连接关系与实施例一相同，此处不再赘述；与实施例一的区别在于，第一半导体可饱和吸收镜6和第二半导体可饱和吸收镜7具有不同的锁模特性和功能，第一半导体可饱和吸收镜6易于起振但使用寿命短，第二半导体可饱和吸收镜7不易起振但使用寿命长；工作时，通过激光调制器5将激光光路切换到第一半导体可饱和吸收镜6所在的通道，利用第一半导体可饱和吸收镜6容易起振的特点使激光在谐振腔中形成锁模脉冲，然后通过激光调制器5切换到第二半导体可饱和吸收镜7所在的通道，由于谐振腔内已形成稳定的锁模脉冲，第二半导体可饱和吸收镜7可以保持该锁模条件并持续运行。本实施例既克服了第一半导体可饱和吸收镜6使用寿命短的缺点，也克服了第二半导体可饱和吸收镜7不宜自发起振的缺点。

通过改变制作工艺，如吸收体的厚度及反射镜的反射率，可获得具有不同规格和参数的半导体可饱和吸收镜；易于起振的第一半导体可饱和吸收镜6具有以下特性：弛豫时间短，调制幅度大，使用寿命短，如弛豫时间在500飞秒以下，调制幅度在40％以上，损伤阈值低；不易起振的第二半导体可饱和吸收镜7具有以下特性：弛豫时间长，调制幅度小，使用寿命长，如弛豫时间在20皮秒以上，调制幅度在10％以下，损伤阈值高。

实施例四

本实施例所提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，采用非线性光纤环形镜7替换实施例三中的第二半导体可饱和吸收镜7，各器件的连接关系与实施例三相同，此处不再赘述；工作模式与实施例三相同，先用第一半导体可饱和吸收镜6起振产生锁模脉冲，然后切换到非线性光纤环形镜7所在通道实现持续锁模；通过减少第一半导体可饱和吸收镜6的使用时间提高整个系统的寿命。

实施例五

本实施例所提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，采用基于非线性偏振旋转机制的偏振控制器7替换实施例三中的第二半导体可饱和吸收镜7，各器件的连接关系与实施例三相同，此处不再赘述；工作模式与实施例三相同，先用第一半导体可饱和吸收镜6起振产生锁模脉冲，然后切换到偏振控制器7所在通道实现持续锁模；通过减少第一半导体可饱和吸收镜6的使用时间提高整个系统的寿命；

图4为本实施例提供的采用偏振控制器的多通道锁模全光纤谐振腔的结构示意图，偏振控制器7包括依次连接的第一光纤偏振调节器71、光纤偏振器或偏振分束器72、第二光纤偏振调节器71和反射器73；第一光纤偏振调节器71的一端与激光调制器5的第四端相连。

实施例六

本实施例所提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，包括光纤光栅1、泵浦源2、波分复用器3、激光增益介质4、激光调制器5、第一半导体可饱和吸收镜6和第二半导体可饱和吸收镜7；第一半导体可饱和吸收镜6和第二半导体可饱和吸收镜7具有相同的特性和功能，通过调整单模光纤的长度使两者所在通道的长度不同，即谐振腔中两个激光通道的长度不同；通过切换通道，可以快速变换谐振腔的重复频率。

上述各实施例中，泵浦源2优选采用半导体激光二极管，其波长范围为激光增益介质4的吸收波长，功率一般小于1W，输出形式为单模光纤；

上述各实施例中，激光增益介质4为掺稀土光纤，如掺Yb光纤，掺Nd光纤，掺Er光纤，Yb/Er共掺光纤等稀土元素掺杂的单模光纤；

上述各实施例中，第一光纤准直器51、第二光纤准直器54和第三光纤准直器55可以选用玻璃透镜、折射率渐变光纤透镜中的一种或几种；

上述各实施例中，声光晶体52可采用二氧化碲、二氧化硅、融石英中的任一种；

上述各实施例中，单模光纤可以是保偏光纤或非保偏光纤。

相比于现有的以半导体可饱和吸收镜作为被动锁模器的谐振腔，本发明提供的一种多通道锁模全光纤谐振腔，在谐振腔内设置激光调制器，通过激光调制器使激光信号以非衍射或一级衍射状态分别进入不同的被动锁模器，从而增加了谐振腔中的激光通道，激光调制器在声光调制信号的控制下使激光光束在不同通道内切换，多通道光纤谐振腔可以解决半导体可饱和吸收镜寿命短的问题，从而有效增加谐振腔的使用寿命。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多通道锁模全光纤谐振腔，其特征在于，包括光纤光栅、泵浦源、波分复用器、激光增益介质、激光调制器、第一被动锁模器和第二被动锁模器；

所述光纤光栅的第一端为激光输出端，第二端与波分复用器的第一端相连；所述波分复用器的第二端与泵浦源的输出端相连，第三端与激光增益介质的第一端相连；所述激光增益介质的第二端与激光调制器的第一端相连；所述激光调制器的第二端用于接收调制信号，第三端与第一被动锁模器相连，第四端与第二被动锁模器相连；

所述第一被动锁模器与光纤光栅、波分复用器、激光增益介质和激光调制器构成了谐振腔的一个激光通道，所述第二被动锁模器与光纤光栅、波分复用器、激光增益介质和激光调制器构成了谐振腔的另一个激光通道，通过所述调制信号控制激光调制器切换不同通道，通过增加激光通道以提高谐振腔的使用寿命。

2.如权利要求1所述的多通道锁模全光纤谐振腔，其特征在于，所述第一被动锁模器为第一半导体可饱和吸收镜，所述第二被动锁模器采用第二半导体可饱和吸收镜、非线性光纤环形镜、基于非线性偏振旋转机制的锁模器中的任一种。

3.如权利要求2所述的多通道锁模全光纤谐振腔，其特征在于，所述第二半导体可饱和吸收镜的锁模特性与第一半导体可饱和吸收镜相同；当第一半导体可饱和吸收镜达到使用寿命后，通过调制信号控制激光调制器输出的信号光进入所述第二半导体可饱和吸收镜，以延长谐振腔的使用寿命。

4.如权利要求3所述的多通道锁模全光纤谐振腔，其特征在于，包括N个激光调制器5、N个第一半导体可饱和吸收镜6和一个第二半导体可饱和吸收镜7，其中N为大于1的自然数；

所述第N个激光调制器5的第一端与第N-1个激光调制器5的第四端相连，第二端用于接收调制信号，第三端与第N个第一半导体可饱和吸收镜6相连，第四端与第二半导体可饱和吸收镜7相连；

通过在谐振腔中设置N个激光调制器5，使谐振腔中的激光通道增加为N+1路，通过调制信号控制激光调制器5切换不同通道，使谐振腔的使用寿命提高N倍。

5.如权利要求2所述的多通道锁模全光纤谐振腔，其特征在于，所述第二半导体可饱和吸收镜的锁模特性与第一半导体可饱和吸收镜不同；利用易起振的第一半导体可饱和吸收镜在谐振腔中形成锁模脉冲，然后通过激光调制器切换到第二半导体可饱和吸收镜所在的通道实现持续锁模；通过减少第一半导体可饱和吸收镜的使用时间以延长谐振腔的使用寿命。

6.如权利要求2所述的多通道锁模全光纤谐振腔，其特征在于，所述第二被动锁模器采用非线性光纤环形镜或基于非线性偏振旋转机制的偏振控制器，通过第一半导体可饱和吸收镜起振产生锁模脉冲，然后切换到所述非线性光纤环形镜或偏振控制器所在通道实现持续锁模，通过减少第一半导体可饱和吸收镜的使用时间以延长谐振腔的使用寿命。

7.如权利要求3所述的多通道锁模全光纤谐振腔，其特征在于，所述第二半导体可饱和吸收镜与第一半导体可饱和吸收镜所在激光通道的长度不同，通过切换通道以改变谐振腔的重复频率。

8.如权利要求1～7任一项所述的多通道锁模全光纤谐振腔，其特征在于，构成谐振腔的各器件通过单模光纤相连，所述单模光纤为保偏光纤或非保偏光纤。

9.如权利要求8所述的多通道锁模全光纤谐振腔，其特征在于，所述激光调制器采用声光调制器或电光调制器；

所述激光增益介质为掺稀土光纤，包括但不限于掺Yb光纤，掺Nd光纤，掺Er光纤，Yb/Er共掺光纤；

所述泵浦源采用半导体激光二极管，其波长范围为激光增益介质中所掺稀土元素的吸收波长。