CN109217085B - 一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，用于实现同步脉冲输出，具有这样的特征，包括：从激光器，包括用于发出泵浦光的连续光泵浦源、用于吸收泵浦光并产生自发辐射的增益光纤以及用于对自发辐射进行干涉从而稳定输出脉冲的激光腔；以及主激光器，用于向从激光器注入脉冲，并利用非线性相位调制对从激光器进行强度调制，从而使从激光器进行同步脉冲输出，其中，激光腔为8字腔型或9字腔型，具有一个非线性放大环形镜，激光腔为基于非线性放大环形镜的全保偏激光腔构型，激光腔设置有依次串联的第一光纤波分复用器、第二光纤波分复用器、第一光纤分束器和第二光纤分束器以及用于对脉冲进行反射来形成激光腔回路的光纤反射镜。

Description

一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统

技术领域

本发明属于超快激光精密控制领域，具体涉及一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统。

背景技术

脉冲激光同步技术，是超短脉冲时域控制的一个重点研究课题。精密的时间同步已被广泛应用于现代科学与技术的许多方面，比如泵浦-探测超快光谱检测、任意光波形产生器、非线性光学参量转换、粒子同步加速器以及超短脉冲合成等重要领域。此外，飞秒/阿秒超精密脉冲同步将在超远距离广域光网络中发挥不可或缺的作用，是天文望远镜阵列高精度同步、光年尺度星体表面表征、深空引力波探测等应用的关键技术。

超短脉冲同步早期主要采用基于模拟电路的电子学主动反馈技术，获得了镁橄榄石与钛宝石激光器锁模脉冲之间的精密时域同步。然而，该方法的控制系统复杂，易受到光电探测器、混频器、滤波器、压电陶瓷制动器等器件的影响。为避免复杂的电路设计，提高系统的稳定性，基于非线性交叉相位调制(XPM)的被动全光同步方式便应运而生，其可灵活实现不同输出波长的飞秒脉冲激光器之间的同步。基于XPM的被动同步技术可分为以下两种实现方式，一是共腔方案，两台锁模激光器共用一块非线性克尔介质作为共同的增益介质；二是基于主-从激光器结构的注入同步方案，通过主激光器注入脉冲对从激光器进行腔内强度调制来实现同步。

近年来，光纤激光器因其独特的优势，如稳定性高，泵浦转换效率高、光束质量好，散热性能好、易于维护、成本低、体积小以及集成度高等，而被人们广泛关注与应用。特别的，光纤激光器将光场横模局域在截面非常小的纤芯中，能够获得比空间光束更小的模场直径，从而获得更高光场强度。此外，激光被束缚在光纤构成的波导中传输，因而不受空间光束瑞利长度的限制，可拥有很长的非线性作用距离。得益于上述两个特性，基于XPM的被动同步技术被广泛应用于超快光纤激光系统中。主要的原理是，通过注入脉冲在单模光纤中显著的非线性XPM效应，从而引起光纤折射率的改变，继而改变从激光器腔内脉冲的偏振状态和演化特性，最终利用非线性偏转旋转锁模(NPR)机制获得稳定的同步脉冲序列输出。这种方法相对于共腔方案具有腔型结构简单、主从激光器特性可独立控制、无相互串扰、可实现远程同步等优点，但是受限于NPR同步锁模机制，上述同步光纤激光系统的腔体主要由非保偏光纤构成，因此激光器的锁模状态和输出脉冲的偏振特性极易受到运行环境的干扰，比如温度变化、机械振动、声音扰动等。此外，为了获得稳定的同步锁模序列，通常需要对注入脉冲的偏振状态进行精细的调节，导致无法实现即插即用的同步脉冲输出。为了解决上述问题设计了一种能够解决上述问题的光纤激光系统。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统。

本发明提供了一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，用于实现同步脉冲输出，具有这样的特征，包括：从激光器，包括用于发出泵浦光的连续光泵浦源、用于吸收泵浦光并产生自发辐射的增益光纤以及用于对自发辐射进行干涉从而稳定输出脉冲的激光腔；以及主激光器，用于向从激光器注入脉冲，并利用非线性相位调制对从激光器进行强度调制，从而使从激光器进行同步脉冲输出，其中，激光腔为8字腔型或9字腔型，具有一个非线性放大环形镜，激光腔为基于非线性放大环形镜的全保偏激光腔构型，激光腔设置有依次串联的用于将泵浦光耦合进增益光纤的第一光纤波分复用器、用于将主激光器发出的脉冲耦合进激光腔的第二光纤波分复用器、用于对从激光器产生的脉冲进行部分输出的第一光纤分束器和第二光纤分束器以及用于对未从第一光纤分束器和第二光纤分束器输出的脉冲进行反射来形成激光腔回路的光纤反射镜。

在本发明提供的一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统中，还可以具有这样的特征：其中，主激光器还连接有用于提高脉冲能量的光纤放大器。

在本发明提供的一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统中，还可以具有这样的特征：其中，第二光纤分束器与光纤反射镜间设置有用于调节激光腔腔长的腔长调节装置。

在本发明提供的一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统中，还可以具有这样的特征：其中，连续光泵浦源、增益光纤、第一光纤波分复用器、第二光纤波分复用器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、光纤反射镜、腔长调节装置、主激光器以及光纤放大器之间均采用保偏光纤进行连接。

在本发明还提供了一种基于被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统的脉冲同步输出方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，通过频率计数器或者射频光谱分析仪来测量主激光器输出的脉冲的重复频率f₁；

步骤2，增加连续光泵浦源的功率至从激光器的锁模阈值以上来使得从激光器输出稳定的锁模脉冲，并采用频率计数器或者射频光谱分析仪测量从激光器输出的锁模脉冲的重复频率f₂；

步骤3，利用光程差公式δL＝c/f₁-c/f₂来计算出需要补偿的光程差，根据计算得到的δL来调节激光腔的腔体长度以改变从激光器输出的锁模脉冲的重复频率f₂，使得从激光器输出的锁模脉冲的重复频率f₂与主激光器输出的脉冲的重复频率f₁相同；

步骤4，减小连续光泵浦源的功率降低至从激光器的锁模阈值以下，使得从激光器不输出锁模脉冲；

步骤5，主激光器通过第二光纤波分复用器向从激光器注入脉冲，该脉冲经过光纤放大镜放大后通过第二光纤波分复用器注入从激光器的激光腔内，并利用非线性相位调制对从激光器进行强度调制，使得从激光器通过第一光纤分束器和第二光纤分束器完成同步脉冲输出；

步骤6，增加光纤放大器的放大倍数来提高主激光器注入脉冲的单脉冲能量，使得非线性相移更为显著，从而获得更大的重复频率失匹容忍度；

步骤7，当从激光器的重复频率与主激光器的重复频率的差值δf＝|f₁–f₂|接近重复频率失匹容忍度时，通过腔长调节装置来对从激光器输出的锁模脉冲的重复频率f₂进行调节，使得差值δf为零，从而使得从激光器进行稳定的同步脉冲输出，

其中，步骤3中，c为光速。

本发明提供的一种基于被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统的脉冲同步输出方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤5中主激光器注入脉冲的方向与非线性环形镜中非线性相移量较大的方向一致，用于提供额外的非线性相移。

本发明提供的一种基于被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统的脉冲同步输出方法，还可以具有这样的特征：其中，锁模阈值为从激光器输出锁模脉冲所需要的最低连续光泵浦源的功率。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的基于被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，因为采用了全光纤结构，所以，体积小巧，结构简单，搭建方便，易于维护；因为采用了全保偏结构，所以，不仅能够获得单一线偏振的激光输出，还能够有效提高系统稳定性及抗环境干扰能力；因为采用了全光被动同步，所以，不需要使用任何模拟反馈电路，通过非线性效应飞秒量级的高速反应即可实现高精度超短脉冲同步；因为主激光器注入的脉冲在保偏光纤中传输，使得不需要对脉冲进行任何偏振的控制，所以，能够实现整个同步系统的即插即用。因此，本实施例的基于被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，结构简单，安装简便，抗干扰能力强，能够长期稳定精确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被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统的系统基本结构示意图；

图2是本发明的实施例中的被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统的系统具体结构示意图；

图3是本发明的实施例中主激光器与从激光器的输出的同步脉冲序列图。

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一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统的系统基本结构示意图，图2是本发明的实施例中一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统的系统具体结构示意图。

如图1和图2所示，本实施例的一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统100，用于实现同步脉冲输出，包括：主激光器1以及从激光器。

从激光器，包括用于发出泵浦光的连续光泵浦源2、用于吸收泵浦光并产生自发辐射的增益光纤3以及用于对自发辐射进行干涉从而稳定输出脉冲的激光腔。

连续光泵浦源2采用976nm半导体激光器，其输出光纤为单模保偏光纤。

增益光纤3采用单模保偏掺饵光纤。

激光腔为8字腔型或9字腔型，具有一个非线性放大环形镜，激光腔为基于非线性放大环形镜的全保偏激光腔构型。

激光腔设置有依次串联的用于将泵浦光耦合进增益光纤的第一光纤波分复用器5、用于将主激光器1发出的脉冲耦合进激光腔的第二光纤波分复用器6、用于对从激光器产生的脉冲进行部分输出的第一光纤分束器和7第二光纤分束器8以及用于对未从第一光纤分束器7和第二光纤分束器8输出的脉冲进行反射来形成激光腔回路的光纤反射镜9。

第一光纤波分复用器5采用976nm/1550nm保偏光纤波分复用器。

第二光纤波分复用器6采用1030nm/1550nm保偏光纤波分复用器。

第一光纤分束器7为5:95光纤分束器，该光纤分束器将5％的脉冲作为输出，95％的部分构成激光腔回路。

第二光纤分束器8为50:50光纤分束器，该光纤分束器将50％的脉冲作为输出，50％的部分构成激光腔回路。

第二光纤分束器8与光纤反射镜9间设置有用于调节激光腔腔长的腔长调节装置10。

主激光器1用于向从激光器注入脉冲，并利用非线性相位调制对从激光器进行强度调制，从而使从激光器进行同步脉冲输出。

主激光器还连接有用于提高脉冲能量的光纤放大器4。

光纤放大器4采用全保偏掺镱光纤放大器。

主激光器1采用全保偏掺镱超快光纤激光器，其输出的脉冲的中心波长为1030nm。

本实施例的一种基于被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统100的脉冲同步输出方法，包括以下步骤：

步骤1，通过频率计数器或者射频光谱分析仪来测量主激光器1输出的脉冲的重复频率f₁。

步骤2，增加连续光泵浦源2的功率至从激光器的锁模阈值以上来使得从激光器输出稳定的锁模脉冲，并采用频率计数器或者射频光谱分析仪测量从激光器输出的锁模脉冲的重复频率f₂。

锁模阈值为从激光器输出锁模脉冲所需要的最低连续光泵浦源的功率。

步骤3，利用光程差公式δL＝c/f₁-c/f₂来计算出需要补偿的光程差，根据计算得到的δL来调节激光腔的腔体长度以改变从激光器输出的锁模脉冲的重复频率f₂，使得从激光器输出的锁模脉冲的重复频率f₂与主激光器1输出的脉冲的重复频率f₁相同。

c为光速。

调节激光腔的腔体长度分为粗调与细调，粗调可通过增加或者减短光纤的长度来获得，一般精度为1cm，细调则是通过腔长调节装置10来实现，其精度一般可达5μm，进行调节时，也可以采用长程的高精度步进电机，行程可达30cm，精度可达100nm，能够同时实现粗调和细调，且能实现远程控制。

步骤4，减小连续光泵浦源2的功率降低至从激光器的锁模阈值以下，使得从激光器不输出锁模脉冲。

步骤5，主激光器1通过第二光纤波分复用器6向从激光器注入脉冲，该脉冲经过光纤放大镜4放大后通过第二光纤波分复用器6注入从激光器的激光腔内，并利用非线性相位调制对从激光器进行强度调制，使得从激光器通过第一光纤分束器和7第二光纤分束器8完成同步脉冲输出，通过示波器对主激光器输出的脉冲与从激光器输出的脉冲进行观察对比。

主激光器1注入脉冲的方向与非线性环形镜中非线性相移量较大的方向一致，用于提供额外的非线性相移。

图3是本发明的实施例中主激光器与从激光器的输出的同步脉冲序列图。

如图3所示，上面的脉冲序列来自于主激光器1，下面的脉冲序列来自于从激光器。

步骤6，增加光纤放大器4的放大倍数来提高主激光器1注入脉冲的单脉冲能量，使得非线性相移更为显著，从而获得更大的重复频率失匹容忍度。

步骤7，当从激光器的重复频率与主激光器1的重复频率的差值δf＝|f1–f2|接近重复频率失匹容忍度时，通过腔长调节装置10来对从激光器输出的锁模脉冲的重复频率f2进行调节，使得差值δf为零，从而使得从激光器进行稳定的同步脉冲输出。

本实施例中的从激光器完成同步脉冲输出的原理：

本实施例中涉及的同步机制基于光纤非线性放大环形镜内双向非线性相移差的同步周期性调制，非线性放大环形镜将从激光器的脉冲分为方向相反、强度相同的两部分，当两部分脉冲相遇后相互进行干涉，由于两部分脉冲的非线性相移量不同，当该两部分脉冲的非线性相移差为π或者π的整数倍，则脉冲的这部分能量被透射。脉冲中央部分的功率较高，所累积的相移较大，能够达到透射要求，因此脉冲中央部分得到透射，而脉冲边沿部分由于其功率较低，所累积的相移较小，从而被反射。因此，非线性放大环形镜在功能上起着快速可饱和吸收体的作用，使得脉冲能量不断限制在中心部分，即脉冲宽度不断的窄化，从而实现超短脉冲的锁模输出。

当连续光泵浦源2的功率下降至锁模阀值以下时，非线性放大环形镜中未产生足够的非线性相移差，所以不产生锁模脉冲，此时通过主激光器1向从激光器中注入脉冲，注入方向与非线性环形镜中非线性相移量较大的脉冲的方向一致，从而获得非线性相移的叠加。相对而言，非线性相移量较小的方向的从激光器脉冲与注入脉冲仅相向而过，极短的交叠时间使得该方向累积的非线性相移可忽略不计，并不随主激光器1脉冲的注入而改变。因此，主激光器1注入的脉冲能够为从激光器中的非线性放大环形镜提供输出锁模脉冲所需要的额外非线性相移。最后，通过光纤放大器4将注入脉冲能量提高到一定阈值，从而引入足够的额外非线性相移，最终实现从激光器的同步脉冲输出。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的基于被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，因为采用了全光纤结构，所以，体积小巧，结构简单，搭建方便，易于维护；因为采用了全保偏结构，所以，不仅能够获得单一线偏振的激光输出，还能够有效提高系统稳定性及抗环境干扰能力；因为采用了全光被动同步，所以，不需要使用任何模拟反馈电路，通过非线性效应飞秒量级的高速反应即可实现高精度超短脉冲同步；因为主激光器注入的脉冲在保偏光纤中传输，使得不需要对脉冲进行任何偏振的控制，所以，能够实现整个同步系统的即插即用。因此，本实施例的基于被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，结构简单，安装简便，抗干扰能力强，能够长期稳定精确的进行同步脉冲输出。

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 (5)

1.一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，用于实现同步脉冲输出，其特征在于，包括：

从激光器，包括用于发出泵浦光的连续光泵浦源、用于吸收所述泵浦光并产生自发辐射的增益光纤以及用于对所述自发辐射进行干涉从而稳定输出脉冲的激光腔；以及

主激光器，用于向所述从激光器注入脉冲，并利用非线性相位调制对所述从激光器进行强度调制，从而使所述从激光器进行同步脉冲输出，

其中，所述激光腔为8字腔型或9字腔型，具有一个非线性放大环形镜，所述激光腔为基于所述非线性放大环形镜的全保偏激光腔构型，

所述激光腔设置有依次串联的用于将所述泵浦光耦合进所述增益光纤的第一光纤波分复用器、用于将所述主激光器发出的所述脉冲耦合进所述激光腔的第二光纤波分复用器、用于对所述从激光器产生的所述脉冲进行部分输出的第一光纤分束器和第二光纤分束器以及用于对未从所述第一光纤分束器和所述第二光纤分束器输出的所述脉冲进行反射来形成激光腔回路的光纤反射镜，

所述第二光纤分束器与所述光纤反射镜间设置有用于调节所述激光腔腔长的腔长调节装置，

采用所述被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统的脉冲同步输出方法，包括以下步骤：

步骤1，通过频率计数器或者射频光谱分析仪来测量所述主激光器输出的脉冲的重复频率f₁；

步骤2，增加所述连续光泵浦源的功率至所述从激光器的锁模阈值以上来使得所述从激光器输出稳定的锁模脉冲，并采用频率计数器或者射频光谱分析仪测量所述从激光器输出的所述锁模脉冲的重复频率f₂；

步骤3，利用光程差公式δL＝c/f₁-c/f₂来计算出需要补偿的光程差，根据计算得到的δL来调节所述激光腔的腔体长度以改变所述从激光器输出的所述锁模脉冲的重复频率f₂，使得所述从激光器输出的所述锁模脉冲的重复频率f₂与所述主激光器输出的所述脉冲的重复频率f₁相同；

步骤4，减小所述连续光泵浦源的功率降低至所述从激光器的锁模阈值以下，使得所述从激光器不输出所述锁模脉冲；

步骤5，所述主激光器通过所述第二光纤波分复用器向所述从激光器注入脉冲，该脉冲经过所述光纤放大镜放大后通过所述第二光纤波分复用器注入所述从激光器的所述激光腔内，并利用非线性相位调制对所述从激光器进行强度调制，使得所述从激光器通过所述第一光纤分束器和所述第二光纤分束器完成同步脉冲输出；

步骤6，增加所述光纤放大器的放大倍数来提高所述主激光器注入脉冲的单脉冲能量，使得非线性相移更为显著，从而获得更大的重复频率失匹容忍度；

步骤7，当所述从激光器的重复频率与所述主激光器的重复频率的差值δf＝|f1–f2|接近所述重复频率失匹容忍度时，通过所述腔长调节装置来对所述从激光器输出的所述锁模脉冲的重复频率f2进行调节，使得所述差值δf为零，从而使得所述从激光器进行稳定的同步脉冲输出，

所述步骤3中，c为光速。

2.根据权利要求1所述的一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，其特征在于：

其中，所述主激光器还连接有用于提高所述脉冲能量的光纤放大器。

3.根据权利要求1所述的一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，其特征在于：

其中，所述连续光泵浦源、所述增益光纤、所述第一光纤波分复用器、所述第二光纤波分复用器、所述第一光纤分束器、所述第二光纤分束器、所述光纤反射镜、所述腔长调节装置、所述主激光器以及所述光纤放大器之间均采用保偏光纤进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，其特征在于：

其中，所述步骤5中所述主激光器注入脉冲的方向与所述非线性环形镜中非线性相移量较大的方向一致，用于提供额外的所述非线性相移。

5.根据权利要求1所述的一种被动全光同步的全保偏超快光纤激光系统，其特征在于：

其中，所述锁模阈值为所述从激光器输出所述锁模脉冲所需要的最低所述连续光泵浦源的功率。

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