CN109119874A - 一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，具有这样的特征，包括：第一子激光器，具有用于发出泵浦光的第一连续光泵浦源、用于吸收泵浦光并产生自发辐射的第一增益光纤以及用于对自发辐射进行干涉从而产生脉冲的第一激光腔；以及第二子激光器，具有用于发出泵浦光的第二连续光泵浦源、用于吸收泵浦光并产生自发辐射的第二增益光纤以及用于对自发辐射进行干涉从而产生脉冲的第二激光腔，其中，第一激光腔与第二激光腔之间通过一段共用单模保偏光纤组成共腔结构，第一激光腔与第二激光腔均具有一个非线性放大环形镜，第一激光腔与第二激光腔均为基于非线性放大环形镜的激光腔构型。

Description

一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统
技术领域
本发明属于超快光学和激光技术领域，具体涉及一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统。
背景技术
目前，双色超快激光光源，能够产生波长不同但时间同步的超快脉冲序列，被广泛用于非线性频率转换、Raman散射成像、多色泵浦-探测光谱检测、多通道高速光纤通信网络、光纤-自由空间精密时间传递与分发等领域。光纤激光器相对于传统的气体激光器和固体激光器，具有泵浦效率高、结构紧凑、使用灵活、节能环保、免维护、寿命长等优点。特别地，锁模超快光纤激光器具有脉冲窄、峰值功率高、无需水冷等突出优点，在材料加工、医疗处理、激光化学、高能物理、精密计量领域得到了广泛应用，是当今新型激光器中极具前景和发展迅速的激光光源。因此，发展基于光纤结构的双色同步超快激光光源已成为超快光学和激光技术领域的前沿热点。
目前，双色同步超快光纤激光器主要基于偏振旋转锁模和可饱和吸收锁模两种方式获得，通过在复合激光腔内放置两种不同的增益介质来获得不同波长的激光输出，结合腔内精细的偏振调节获得两列时间同步的超短脉冲序列。然而，这两种方案都存在各自固有的缺陷。基于偏振旋转锁模的光纤激光器一般采用非保偏光纤和器件，锁模阈值较高，输出偏振态不确定，锁模状态易受温度、振动、压力等外界因素干扰，脉冲强度调制噪声较大，难以获得稳定长期的自启动锁模。而基于可饱和吸收锁模的光纤激光器，虽然容易实现自启动的锁模状态，但是其输出的脉冲易分裂而产生多脉冲。同时，受限于可饱和吸收体自身较低的损伤阈值，吸收体具有被高峰值功率脉冲激光损伤的风险，使其难以胜任长时间高功率的运行状态。此外，在现有报道的方案中基于可饱和吸收体锁模的共腔双色激光器，为了优化对双色脉冲的调制和控制，通常也采用非保偏结构的光纤以及器件，使得同步锁模脉冲的获得仍然依赖于对激光腔内偏振态的精细控制。因此，该类双色同步激光器的同步状态易受环境扰动，其输出的偏振态难以保持长期的稳定，整个系统难以实现自启动、即插即用的运行。
鉴于双色同步激光器的保偏输出特性在光纤通信调制、非线性频率转换、双色荧光激发以及相干反斯托克斯拉曼光谱等应用有着严格的要求，因此发展能够自启动运行、长时间工作以及具有高稳定性能、高纯度偏振输出的双色超快光纤激光器已成为当前亟待突破的研究热点。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统。
本发明提供了一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，具有这样的特征，包括：第一子激光器，具有用于发出泵浦光的第一连续光泵浦源、用于吸收泵浦光并产生自发辐射的第一增益光纤以及用于对自发辐射进行干涉从而产生脉冲的第一激光腔；第二子激光器，具有用于发出泵浦光的第二连续光泵浦源、用于吸收泵浦光并产生自发辐射的第二增益光纤以及用于对自发辐射进行干涉从而产生脉冲的第二激光腔；以及单模保偏光纤共用段，用于连接第一子激光器和第二子激光器，其中，第一激光腔与第二激光腔之间通过单模保偏光纤共用段组成共腔结构，第一激光腔与第二激光腔均具有一个非线性放大环形镜，第一激光腔与第二激光腔均为基于非线性放大环形镜的激光腔构型。
在本发明提供的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一激光腔内还设有用于将第一连续光泵浦源发出的泵浦光耦合进第一增益光纤的第一波分复用器，第二激光腔内还设有用于将第二连续光泵浦源发出的泵浦光耦合进第二增益光纤的第二波分复用器。
在本发明提供的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统中，还可以具有这样的特征：其中，单模保偏光纤共用段的两端还设有用于将第一激光腔产生的脉冲与第二激光腔产生的脉冲耦合进单模保偏光纤共用段中的第三波分复用器和第四波分复用器。
在本发明提供的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一激光腔内还设置有用于将产生的脉冲分为两束的第一光纤分束器，第二激光腔内还设置有用于将产生的脉冲分为两束的第二光纤分束器。
在本发明提供的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统中，还可以具有这样的特征：其中，第二增益光纤与第二光纤分束器之间还设置有用于调节第二激光腔腔长的腔长调节装置。
在本发明提供的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一光纤分束器连接有用于将分束后的一束脉冲进行输出的第一子激光器输出端以及用于将另一束脉冲进行反射从而在第一激光腔中形成激光腔回路的第一光纤反射镜，第二光纤分束器连接有用于将分束后的一束脉冲进行输出的第二子激光器输出端以及用于对分束后的另一束脉冲进行反射从而在第二激光腔中形成激光腔回路的第二光纤反射镜。
在本发明提供的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一连续光泵浦源、第一增益光纤、第二连续光泵浦源、第二增益光纤、第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器、第四波分复用器、腔长调节装置、第一光纤分束器、第二光纤分束器、第一光纤反射镜、第二光纤反射镜、第一子激光器输出端以及第二子激光器输出端均为保偏器件，并且连接时均采用单模保偏光纤进行连接。
本发明还提供了一种基于全保偏的双色同步超快光纤激光系统的同步脉冲输出方法，包括以下步骤：
步骤1，增加第一连续光泵浦源输出功率至第一子激光器的锁模阈值以上，使得第一子激光器产生稳定的锁模脉冲，利用频率计数器或者射频光谱分析仪测量锁模脉冲的重复频率为fr1；
步骤2，关闭第一连续光泵浦源，使第一子激光器处于待运行状态；
步骤3，增加第二连续光泵浦源的输出功率至第二子激光器的锁模阈值以上，使得第二子激光器产生稳定的锁模脉冲，利用频率计数器或者射频光谱分析仪测量锁模脉冲的重复频率为fr2；
步骤4，利用光程差公式δL＝c/fr1–c/fr2计算出所需要补偿的光程差，根据计算得到的δL来调节第二激光腔的腔体长度以改变第二子激光器产生的锁模脉冲的重复频率fr2，使得第二子激光器产生的锁模脉冲的重复频率fr2与第一子激光器产生的锁模脉冲的重复频率fr1相同；
步骤5，增加第一连续光泵浦源的输出功率至第一子激光器的锁模阈值以上，使得第一子激光器重新产生稳定的锁模脉冲，此时，第一子激光器产生的锁模脉冲和第二子激光器产生的锁模脉冲在单模保偏光纤共用段中产生显著的非线性交叉相位调制，最终在第一子激光器输出端和第二子激光器输出端获得稳定的双色同步超快脉冲输出。
其中，步骤4中，c为光速。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，因为整个系统都采用了全保偏结构，所以，有效的提高了系统的稳定性及抗环境干扰能力；因为采用了全光被动同步，所以不需要任何模拟反馈电路，通过非线性效应飞秒量级的高速响应即可实现高精度的超短脉冲同步；因为采用了共腔结构，通过在单模保偏光纤共用段中的非线性相位调制产生了额外的相位差，所以，能够降低第一激光器与第二激光器的锁模阀值；因为共腔的两个激光器采用独立的掺杂光纤作为增益介质，所以，不仅能够消除两个激光器之间的串扰，还可以通过使用不同类型的增益光纤来灵活的获得不同中心波长的双色脉冲输出；因为采用了全光纤结构，所以，整个系统尺寸小、重量轻、结构简单、搭建方便、易于维护以及可集成化；因为无需对激光器进行任何偏振调节便可获得稳定的同步脉冲输出，所以，能够实现整个同步系统的即插即用；因为输出的同步脉冲的偏振态固定，且具有很高的偏振对比度，所以，能够满足倍频、和频、差频等非线性光学转换，并且能够满足精密光谱等诸多特殊领域的要求；因为采用了等效于可饱和吸收体的非线性放大环形镜作为锁模的核心部件，所以，具有自启动运行、高损伤阀值、以及能在高泵浦功率下长期稳定运行的特点。因此，本发明的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，结构简单，搭建简便，抗干扰能力强，能够长期稳定的进行同步脉冲输出。
附图说明
图1是本发明的实施例中的全保偏的双色同步超快光纤激光系统的系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
图1是本发明的实施例中的全保偏的双色同步超快光纤激光系统的系统结构示意图。
如图1所示，本实施例的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统100，包括第一子激光器10、第二子激光器20以及单模保偏光纤共用段30。
第一子激光器10，具有用于发出泵浦光的第一连续光泵浦源11、用于吸收泵浦光并产生自发辐射的第一增益光纤12以及用于对自发辐射进行干涉从而产生脉冲的第一激光腔。
第一连续光泵浦源11为976nm半导体激光器，其输出光纤为单模保偏光纤。
第一增益光纤12采用单模保偏掺饵光纤。
第一激光腔内还设有用于将第一连续光泵浦源11发出的泵浦光耦合进第一增益光纤12的第一波分复用器13。
第一波分复用器13采用976nm/1550nm保偏光纤波分复用器。
第一激光腔内还设置有用于将产生的脉冲分为两束的第一光纤分束器14。
第一光纤分束器14为50：50光纤分束器。
第一光纤分束器14连接有用于将分束后的一束脉冲进行输出的第一子激光器输出端15以及用于将另一束脉冲进行反射从而在第一激光腔中形成激光腔回路的第一光纤反射镜16。
第二子激光器20，具有用于发出泵浦光的第二连续光泵浦源21、用于吸收泵浦光并产生自发辐射的第二增益光纤22以及用于对自发辐射进行干涉从而产生脉冲的第二激光腔。
第二连续光泵浦源21为976nm半导体激光器，其输出光纤为单模保偏光纤。
第二增益光纤22采用单模保偏掺镱光纤。
第二激光腔内还设有用于将第二连续光泵浦源21发出的泵浦光耦合进第二增益光纤22的第二波分复用器23。
第二波分复用器23采用976nm/1064nm保偏光纤波分复用器。
第二激光腔内还设置有用于将产生的脉冲分为两束的第二光纤分束器24。
第二光纤分束器24为50：50光纤分束器。
第二光纤分束器24连接有用于将分束后的一束脉冲进行输出的第二子激光器输出端25以及用于对分束后的另一束脉冲进行反射从而在第二激光腔中形成激光腔回路的第二光纤反射镜26。
第一光纤分束器14与第一光纤反射镜16之间和第二光纤分束器24与第二光纤反射镜26之间可以选择性的加入色散管理器件或光谱滤波器件来灵活方便的调节输出脉冲宽度和光谱宽度，从而实现对双色同步脉冲进行时域和频域的精密控制。
第二增益光纤22与第二光纤分束器24之间还设置有用于调节第二激光腔腔长的腔长调节装置27。
腔长调节装置27采用长程高精度的光纤延迟线，光纤延迟线的行程可达10cm，精度可达100nm，能够同时实现粗调和细调，且能够远程控制，能够实现整个同步系统的光纤化和集成化。
单模保偏光纤共用段30，用于连接第一子激光器10和第二子激光器20。
第一激光腔与第二激光腔之间通过一段单模保偏光纤共用段30组成共腔结构，第一激光腔与第二激光腔均具有一个非线性放大环形镜，第一激光腔与第二激光腔均为基于非线性放大环形镜的激光腔构型，基于非线性放大环形镜的第一激光腔与第二激光腔在单模保偏光纤共用段30中具有相同的净非线性相移方向，第一激光腔逆时针方向的非线性相移比顺时针的要大，而第二激光腔顺时针方向的非线性相移比逆时针的要大，因此在单模保偏光纤共用段30中两个激光腔内的非线性相移较大的方向一致。
单模保偏光纤共用段30是双色脉冲产生非线性交叉相位调制的关键区域，可以采用色散位移光纤、零色散光纤以及高非线性光纤等不同类型的光纤来获得不同的脉冲同步效果，从而优化同步系统的稳定性和鲁棒性。
单模保偏光纤共用段30的两端还设有用于将第一激光腔产生的脉冲与第二激光腔产生的脉冲耦合进单模保偏光纤共用段30中的第三波分复用器31和第四波分复用器32。
第三波分复用器31和第四波分复用器32均采用1064nm/1550nm保偏光纤波分复用器，其中1064nm端与第一激光腔连接，1550nm端与第二激光腔连接。
第一连续光泵浦源11、第一增益光纤12、第二连续光泵浦源21、第二增益光纤22、第一波分复用器13、第二波分复用器23、第三波分复用器31、第四波分复用器32、腔长调节装置27、第一光纤分束器14、第二光纤分束器24、第一光纤反射镜16、第二光纤反射镜26、第一子激光器输出端15以及第二子激光器输出端25均为保偏器件，并且连接时均采用单模保偏光纤进行连接。
本实施例的一种基于全保偏的双色同步超快光纤激光系统100的同步脉冲输出方法，包括以下步骤：
步骤1，增加第一连续光泵浦源11输出功率至第一子激光器10的锁模阈值以上，使得第一子激光器10产生稳定的锁模脉冲，利用频率计数器或者射频光谱分析仪测量锁模脉冲的重复频率为fr1。
步骤2，关闭第一连续光泵浦源11，使第一子激光器10处于待运行状态。
步骤3，增加第二连续光泵浦源21的输出功率至第二子激光器20的锁模阈值以上，使得第二子激光器20产生稳定的锁模脉冲，利用频率计数器或者射频光谱分析仪测量锁模脉冲的重复频率为fr2。
步骤4，利用光程差公式δL＝c/fr1–c/fr2计算出所需要补偿的光程差，根据计算得到的δL来调节第二激光腔的腔体长度以改变第二子激光器20产生的锁模脉冲的重复频率fr2，使得第二子激光器20产生的锁模脉冲的重复频率fr2与第一子激光器10产生的锁模脉冲的重复频率fr1相同。
步骤5，增加第一连续光泵浦源11的输出功率至第一子激光器10的锁模阈值以上，使得第一子激光器10重新产生稳定的锁模脉冲，此时，第一子激光器10产生的锁模脉冲和第二子激光器20产生的锁模脉冲在单模保偏光纤共用段30中产生显著的非线性交叉相位调制，最终在第一子激光器输出端15和第二子激光器输出端25获得稳定的双色同步超快脉冲输出，在获得稳定的双色同步器超快脉冲输出之后，可以继续优化第一连续光泵浦源11和第二连续光泵浦源21的输出功率，使得第一激光腔与第二激光腔之间的腔长失匹具有最大的容忍度，从而进一步提高系统的稳定性和鲁棒性。
c为光速。
腔长调节可以通过粗调和细调结合的方式获得良好的重复频率匹配。粗调可通过增加或者减短光纤的长度，一般精度为1cm，细调则是通过腔长调节装置27来实现。
本实施例的一种基于全保偏的双色同步超快光纤激光系统完成双色同步脉冲输出的过程：
第一子激光器产生的脉冲与第二子激光器产生的脉冲构成双色脉冲通过第三波分复用器和第四波分复用器耦合进单模保偏光纤共用段中，双色脉冲在单模保偏光纤共用段中进行非线性相位调制从而产生了额外的非线性相位差，当产生的额外非线性相位差同时满足第一子激光器和第二子激光器的锁模条件时，系统获得同步的双色超快脉冲输出。在同步期间，如果双色脉冲由于环境的扰动产生微小的相对延迟，非线性相位调制将对双色脉冲的中心频率进行自适应调节，根据激光腔内净色散的正负和大小，改变两个脉冲的群速度，最终使得两个脉冲回归到时域重叠的位置，即恢复了同步状态，从而实现被动稳定的双色同步脉冲输出。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，因为整个系统都采用了全保偏结构，所以，有效的提高了系统的稳定性及抗环境干扰能力；因为采用了全光被动同步，所以不需要任何模拟反馈电路，通过非线性效应飞秒量级的高速响应即可实现高精度的超短脉冲同步；因为采用了共腔结构，通过在单模保偏光纤共用段中的非线性相位调制产生了额外的相位差，所以，能够降低第一激光器与第二激光器的锁模阀值；因为共腔的两个激光器采用独立的掺杂光纤作为增益介质，所以，不仅能够消除两个激光器之间的串扰，还可以通过使用不同类型的增益光纤来灵活的获得不同中心波长的双色脉冲输出；因为采用了全光纤结构，所以，整个系统尺寸小、重量轻、结构简单、搭建方便、易于维护以及可集成化；因为无需对激光器进行任何偏振调节便可获得稳定的同步脉冲输出，所以，能够实现整个同步系统的即插即用；因为输出的同步脉冲的偏振态固定，且具有很高的偏振对比度，所以，能够满足倍频、和频、差频等非线性光学转换，并且能够满足精密光谱等诸多特殊领域的要求；因为采用了等效于可饱和吸收体的非线性放大环形镜作为锁模的核心部件，所以，具有自启动运行、高损伤阀值、以及能在高泵浦功率下长期稳定运行的特点。因此，本实施例的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，结构简单，搭建简便，抗干扰能力强，能够长期稳定的进行双色同步脉冲输出。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，其特征在于，包括：
第一子激光器，具有用于发出泵浦光的第一连续光泵浦源、用于吸收所述泵浦光并产生自发辐射的第一增益光纤以及用于对所述自发辐射进行干涉从而产生脉冲的第一激光腔；
第二子激光器，具有用于发出泵浦光的第二连续光泵浦源、用于吸收所述泵浦光并产生自发辐射的第二增益光纤以及用于对所述自发辐射进行干涉从而产生脉冲的第二激光腔；以及
单模保偏光纤共用段，用于连接所述第一子激光器和所述第二子激光器，
其中，所述第一激光腔与所述第二激光腔之间通过所述单模保偏光纤共用段组成共腔结构，
所述所述第一激光腔与所述第二激光腔均具有一个非线性放大环形镜，所述所述第一激光腔与所述第二激光腔均为基于所述非线性放大环形镜的激光腔构型。
2.根据权利要求1所述的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，其特征在于：
其中，所述第一激光腔内还设有用于将所述第一连续光泵浦源发出的泵浦光耦合进所述第一增益光纤的第一波分复用器，
所述第二激光腔内还设有用于将所述第二连续光泵浦源发出的泵浦光耦合进所述第二增益光纤的第二波分复用器。
3.根据权利要求1所述的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，其特征在于：
其中，所述单模保偏光纤共用段的两端还设有用于将所述第一激光腔产生的所述脉冲与所述第二激光腔产生的所述脉冲耦合进所述单模保偏光纤共用段中的第三波分复用器和第四波分复用器。
4.根据权利要求1所述的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，其特征在于：
其中，所述第一激光腔内还设置有用于将产生的脉冲分为两束的第一光纤分束器，
所述第二激光腔内还设置有用于将产生的脉冲分为两束的第二光纤分束器。
5.根据权利要求1所述的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，其特征在于：
其中，所述第二增益光纤与所述第二光纤分束器之间还设置有用于调节所述第二激光腔腔长的腔长调节装置。
6.根据权利要求1所述的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，其特征在于：
其中，所述第一光纤分束器连接有用于将分束后的一束脉冲进行输出的第一子激光器输出端以及用于将另一束脉冲进行反射从而在所述第一激光腔中形成激光腔回路的所述第一光纤反射镜，
所述第二光纤分束器连接有用于将分束后的一束脉冲进行输出的第二子激光器输出端以及用于对分束后的另一束脉冲进行反射从而在所述第二激光腔中形成激光腔回路的所述第二光纤反射镜。
7.根据权利要求1所述的一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统，其特征在于：
其中，所述第一连续光泵浦源、所述第一增益光纤、所述第二连续光泵浦源、所述第二增益光纤、所述第一波分复用器、所述第二波分复用器、所述第三波分复用器、所述第四波分复用器、所述腔长调节装置、所述第一光纤分束器、所述第二光纤分束器、所述第一光纤反射镜、所述第二光纤反射镜、所述第一子激光器输出端以及所述第二子激光器输出端均为保偏器件，并且连接时均采用单模保偏光纤进行连接。
8.一种基于全保偏的双色同步超快光纤激光器的同步脉冲输出方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，增加所述第一连续光泵浦源输出功率至所述第一子激光器的锁模阈值以上，使得所述第一子激光器产生稳定的锁模脉冲，利用频率计数器或者射频光谱分析仪测量锁模脉冲的重复频率为fr1；
步骤2，关闭所述第一连续光泵浦源，使所述第一子激光器处于待运行状态；
步骤3，增加所述第二连续光泵浦源的输出功率至所述第二子激光器的锁模阈值以上，使得所述第二子激光器产生稳定的锁模脉冲，利用频率计数器或者射频光谱分析仪测量锁模脉冲的重复频率为fr2；
步骤4，利用光程差公式δL＝c/fr1–c/fr2计算出所需要补偿的光程差，根据计算得到的δL来调节所述第二激光腔的腔体长度以改变所述第二子激光器产生的锁模脉冲的重复频率fr2，使得所述第二子激光器产生的锁模脉冲的重复频率fr2与所述第一子激光器产生的锁模脉冲的重复频率fr1相同；
步骤5，增加所述第一连续光泵浦源的输出功率至所述第一子激光器的锁模阈值以上，使得所述第一子激光器重新产生稳定的锁模脉冲，此时，所述第一子激光器产生的锁模脉冲和所述第二子激光器产生的锁模脉冲在所述单模保偏光纤共用段中产生显著的非线性交叉相位调制，最终在所述第一子激光器输出端和所述第二子激光器输出端获得稳定的双色同步超快脉冲输出。
其中，所述步骤4中，c为光速。
CN201811148499.5A 2018-09-29 2018-09-29 一种全保偏的双色同步超快光纤激光系统 Pending CN109119874A (zh)

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