CN109301686B - 一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统及方法，旨在解决现有被动锁模光纤激光器难以产生稳定的高重复频率飞秒脉冲的技术问题。所述系统包括单模激光器(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)、微波源(4)、第一隔离器(5)、光纤放大器(6)、第二隔离器(7)、第一色散位移光纤(8)、普通单模光纤‑高非线性光纤组件(9)和第二色散位移光纤(10)。本发明具有结构简单紧凑、稳定性好等优点。通过调节微波源输出信号的频率和光纤放大器的输出功率，能实现高重复频率的飞秒激光脉冲输出，且输出脉冲的重复频率可调，这大大降低了系统的成本，在应用上可直接作为高重复频率飞秒脉冲光源使用。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统及方法的设计。
背景技术
高重复频率飞秒脉冲光源在高速光通信系统、光信号处理、高速光学采样、光学频率梳、太赫兹波产生和材料加工等领域均有着重要的应用，是国际上的研究热点之一。早期的高重复频率飞秒脉冲主要是由钛宝石激光器产生，其输出脉冲具有高功率和窄脉宽等优点。然而，由于钛宝石激光器需要水冷以及空间分立器件的准直，使得其无法满足光学系统小型化、低成本的要求。光纤激光器因具有小型化、能量转换效率高、散热好和无需准直等诸多优点，是钛宝石激光器的理想替代者。近年来，被动锁模光纤激光器由于其良好的稳定性、小巧的体积、方便携带、成本低等优点而越来越受到人们的青睐。被动锁模是指利用谐振腔中的光纤或其它器件的非线性光学效应对输入脉冲的强度依赖性，实现激光器内各纵模间的相位锁定，进而输出稳定的飞秒光脉冲。
目前，被动锁模光纤激光器主要采用两种方法来产生高重复频率的飞秒脉冲：基频锁模或谐波锁模。对于基频锁模，锁模光纤激光器的重复频率与腔长成反比，因此，要提高光纤激光器的重复频率就要缩短谐振腔的长度。然而，由于缩短了激光器的腔长，意味着增益介质(掺杂光纤)也会变短，而普通增益光纤的掺杂浓度较低、增益系数较小，这会造成光脉冲在激光腔中得不到足够的增益；同时，短腔中由于单位时间腔内脉冲数目增加，单个脉冲能量减少，可能会造成腔内非线性效应不足，从而导致激光器无法锁模。此外，一般的被动锁模光纤激光器由若干分立的光纤型元器件组成，如波分复用器、隔离器和输出耦合器等，这些元器件一般具有5cm左右的封装长度，且器件之间的熔接也需要一定长度的尾纤，从而限制了谐振腔长度所能达到的最小值，这不利于进一步提高光纤激光器的重复频率。基于以上原因，当前利用基频锁模技术所能实现的脉冲重复频率大多小于500MHz，这远远不能满足目前许多应用领域对高重复频率脉冲光源特别是重复频率在几GHz甚至几十GHz的脉冲光源的需要。尽管采用谐波锁模技术能够获得GHz量级的光脉冲，但由于谐波锁模的特性使得输出脉冲序列具有较大的时间抖动和强度抖动，同时，由于泵浦起伏引入的扰动也会使输出脉冲的稳定性变差，限制了其在光电子学领域的应用。因此，需要开发新技术来实现高重复频率的飞秒脉冲光源，满足现代众多科学应用领域的实际需要，特别是高速光学采样和光学频率梳等对低时间抖动、高重复频率脉冲光源的需要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有被动锁模光纤激光器中难以产生稳定的高重复频率飞秒脉冲的技术问题，提出了一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统及方法。
本发明的技术方案为：一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，包括单模激光器、偏振控制器、电光强度调制器、微波源、第一隔离器、光纤放大器、第二隔离器、第一色散位移光纤、普通单模光纤-高非线性光纤组件以及第二色散位移光纤；单模激光器、偏振控制器、电光强度调制器、第一隔离器、光纤放大器、第二隔离器、第一色散位移光纤、普通单模光纤-高非线性光纤组件和第二色散位移光纤依次连接；所述微波源与电光强度调制器连接。
优选地，单模激光器为分布反馈式激光器，输出光载波信号的中心波长λ0为：1550nm。
优选地，电光强度调制器为马赫-曾德尔电光调制器。
优选地，微波源的输出信号频率范围满足：10GHz≤fRF≤40GHz。
优选地，光纤放大器为掺铒光纤放大器。
优选地，第一色散位移光纤的长度为1km，其零色散波长位于1550nm附近。
优选地，普通单模光纤-高非线性光纤组件是由8组呈周期性分布的普通单模光纤(SMF)和高非线性光纤(HNLF)成对串联构成，该光纤组件具有色散系数渐减和非线性系数渐增的特性。
优选地，第二色散位移光纤的长度为2km，其零色散波长位于1550nm附近。
本发明还提出了一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生方法，包括以下步骤：
S1、利用单模激光器产生一个中心波长为1550nm的光载波信号，并通过调节偏振控制器稳定输出光信号的偏振态；
S2、利用微波源输出一个频率在10～40GHz范围可调的微波信号，将其加载到电光强度调制器的驱动电极上；
S3、将单模激光器产生的光载波信号输入到电光强度调制器中，利用加载在电光强度调制器驱动电极上的微波信号进行调制，使得电光强度调制器输出双边带调制光信号；
S4、将电光强度调制器输出的光调制信号输入至光纤放大器中进行功率放大；
S5、将光纤放大器输出的光信号输入至第一色散位移光纤中进行传输，入射的调制光信号在光纤中的四波混频效应作用下，产生新的高阶频谱边带；
S6、将第一色散位移光纤输出的光信号输入至普通单模光纤-高非线性光纤组件中进行传输。当光信号在该光纤组件的高非线性光纤中传输时，光纤中的自相位调制效应占支配地位，使得光信号产生由自相位调制感应的频率啁啾；当光信号在该光纤组件的普通单模光纤中传输时，光纤中的群速度色散效应占支配地位，啁啾光信号在反常色散的作用下被逐渐窄化。在色散和非线性效应交替作用下，第一色散位移光纤输出的光信号在普通单模光纤-高非线性光纤组件中传输时被逐渐整形成高重复频率的亚皮秒激光脉冲。
S7、将普通单模光纤-高非线性光纤组件输出的亚皮秒激光脉冲输入至第二色散位移光纤中进行传输，由于普通单模光纤-高非线性光纤组件与第二色散位移光纤存在较大的色散失配，使得普通单模光纤-高非线性光纤组件输出的亚皮秒激光脉冲在第二色散位移光纤中传输时被进一步整形压缩为脉宽更短的飞秒激光脉冲，其重复频率等于微波源输出微波信号的频率。通过调节微波信号的频率和光纤放大器的输出功率，能够产生重复频率在10～40GHz范围可调的飞秒激光脉冲。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所用器件均为普通器件，都已经商用化，使得本发明的方法易于实施。
(2)本发明具有结构简单紧凑，操作方便快捷，稳定性好等优点。
(3)本发明通过调节微波源输出信号的频率和光纤放大器的输出功率，能实现重复频率可调的飞秒激光脉冲输出，大大降低了系统的成本，增强了该系统的适用范围。
附图说明
图1为本发明提供的一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统结构示意图。
图2是本发明提供的普通单模光纤-高非线性光纤组件结构示意图。
图3为本发明实施例中普通单模光纤-高非线性光纤组件的|β2|值随光纤长度的分布特性。
图4为本发明实施例中普通单模光纤-高非线性光纤组件的γ值随光纤长度的分布特性。
图5为本发明实施例中当微波信号的频率fRF取40GHz时，经光纤放大器放大后的调制光信号光谱图。
图6为本发明实施例中当微波信号的频率fRF取30GHz时，经光纤放大器放大后的调制光信号光谱图。
图7为本发明实施例中当微波信号的频率fRF取40GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲时域图。
图8为本发明实施例中当微波信号的频率fRF取30GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲时域图。
图9为本发明实施例中当微波信号的频率fRF取40GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲光谱图。
图10为本发明实施例中当微波信号的频率fRF取30GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲光谱图。
附图标记说明：1—单模激光器、2—偏振控制器、3—电光强度调制器、4—微波源、5—第一隔离器、6—光纤放大器、7—第二隔离器、8—第一色散位移光纤、9—普通单模光纤-高非线性光纤组件、10—第二色散位移光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，如图1所示，包括单模激光器1、偏振控制器2、电光强度调制器3、微波源4、第一隔离器5、光纤放大器6、第二隔离器7、第一色散位移光纤8、普通单模光纤-高非线性光纤组件9和第二色散位移光纤10；所述单模激光器1、偏振控制器2、电光强度调制器3、第一隔离器4、光纤放大器6、第二隔离器7、第一色散位移光纤8、普通单模光纤-高非线性光纤组件9和第二色散位移光纤10依次连接；所述微波源4与电光强度调制器3连接。
其中，单模激光器1为分布反馈式激光器，本发明实施例中，单模激光器1采用中心波长为1550nm的分布反馈式激光器。
电光强度调制器3采用Avanex公司的铌酸锂(LiNbO3)电光强度调制器，其调制带宽为40GHz。
微波源4采用Rohde&Schwarz公司的微波信号发生器，可以输出频率满足10GHz≤fRF≤40GHz的微波信号。
光纤放大器6为掺铒光纤放大器。
普通单模光纤-高非线性光纤组件9由商用的普通单模光纤(SMF)和高非线性光纤(HNLF)组成，表1给出了它们在1550nm处的参数。该光纤组件的结构如图2所示，它由8组SMF-HNLF对构成，总长为1160m；图3和图4给出了该光纤组件的参数|β2|和γ值随光纤长度的分布特性，随着光纤长度的增加，光纤呈现色散渐减和非线性渐增的特性：第一组光纤对的|β2|平均值和γ平均值分别为18.35ps2/km和3.57W-1km-1，到第八组光纤对时|β2|平均值和γ平均值已分别变化为8.15ps2/km和9.56W-1km-1。
表1 HNLF和SMF在1550nm处的光纤参数
所设计光纤呈现的色散渐减和非线性渐增特性有利于光脉冲在光纤中传输时实现更大的脉宽压缩比率。
本发明中涉及的工作原理及数值模拟方法具体如下：
由单模激光器1输出一个中心波长λ0为1550nm的连续光信号作为光载波信号，其光场表示为：ELD＝E0cos(2πf0t)，其中E0表示光载波的振幅，f0是中心频率，其值为f0＝c/λ0＝193.55THz。由微波源4输出一个频率在10～40GHz范围可调的微波信号，其电场表示为：ERF＝E1cos(2πfRFt)，其中E1表示微波信号的振幅，fRF是微波信号频率，在10GHz至40GHz范围连续可调。由电光强度调制器3输出双边带调制光信号，其光场表示为：
式中，m表示调制深度。
双边带调制光信号经光放大器6功率放大后，信号功率为P，将放大后的双边带调制光信号输入至第一色散位移光纤8中进行传输，在光纤中的四波混频效应作用下，产生新的高阶频谱边带；随后，输入至普通单模光纤-高非线性光纤组件9中传输，被逐渐整形成高重复频率的亚皮秒脉冲；最后，传输至第二色散位移光纤10中，被进一步压缩为脉宽更短的飞秒脉冲。光信号在普通单模光纤-高非线性光纤组件9中的传输特性满足非线性薛定谔方程：
式中，A表示光场的振幅包络，其在普通单模光纤-高非线性光纤组件9的输入端满足：
t和z分别是时间和传输距离；i为虚数单位；α，β2，β3，γ分别代表光纤损耗，光纤二阶色散，光纤三阶色散和非线性参量。
根据本发明提出的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统建立数值模型。仿真参数为：光载波信号的中心频率f0为193.55THz；微波信号的调制深度m取0.8；当微波信号的频率fRF取40GHz时，双边带调制光信号经光放大器功率放大后的信号功率P为0.43W；当微波信号的频率fRF取30GHz时，双边带调制光信号经光放大器功率放大后的信号功率P为0.6W；普通单模光纤-高非线性光纤组件9总长度为1160m，该光纤组件的结构及其参数如表1、图2、图3和图4所示。
本发明还提供了一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生方法，包括以下步骤：
S1、利用单模激光器1产生一个中心波长为1550nm的光载波信号，并通过调节偏振控制器2稳定输出光信号的偏振态。
S2、利用微波源4输出一个频率在10～40GHz范围可调的微波信号，将其加载到电光强度调制器3的驱动电极上。
S3、将单模激光器1产生的光载波信号输入到电光强度调制器3中，利用加载在电光强度调制器3驱动电极上的微波信号进行调制，使得电光强度调制器3输出双边带调制光信号。
S4、将电光强度调制器3输出的光调制信号输入至光纤放大器6中进行功率放大。
S5、将光纤放大器6输出的光信号输入至第一色散位移光纤8中进行传输，入射的调制光信号在光纤中的四波混频效应作用下，产生新的高阶频谱边带。
S6、将第一色散位移光纤8输出的光信号输入至普通单模光纤-高非线性光纤组件9中进行传输。当光信号在该光纤组件的高非线性光纤中传输时，光纤中的自相位调制效应占支配地位，使得光信号产生由自相位调制感应的频率啁啾；当光信号在该光纤组件的普通单模光纤中传输时，光纤中的群速度色散效应占支配地位，啁啾光信号在反常色散的作用下被逐渐窄化。在色散和非线性效应交替作用下，第一色散位移光纤8输出的光信号在普通单模光纤-高非线性光纤组件9中传输时被逐渐整形成高重复频率的亚皮秒激光脉冲。
S7、将普通单模光纤-高非线性光纤组件9输出的亚皮秒激光脉冲输入至第二色散位移光纤10中进行传输，由于普通单模光纤-高非线性光纤组件9与第二色散位移光纤10存在较大的色散失配，使得普通单模光纤-高非线性光纤组件9输出的亚皮秒激光脉冲在第二色散位移光纤10中传输时被进一步整形压缩为脉宽更短的飞秒激光脉冲，其重复频率等于微波源4输出微波信号的频率。通过调节微波信号的频率和光纤放大器6的输出功率，能够产生重复频率在10～40GHz范围可调的飞秒激光脉冲。
对本发明提供的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统进行了数值模拟，其结果如下：
图5所示是当微波信号的频率fRF取40GHz时，经光纤放大器放大后的调制光信号光谱图。可以看到其光谱除了中心载波频率f0外，还产生了对称分布的一阶边带，中心频率与一阶边带间的频率间隔为40GHz，与微波信号的频率相等。
图6所示是当微波信号的频率fRF取30GHz时，经光纤放大器放大后的调制光信号光谱图。可以看到其光谱除了中心载波频率f0外，还产生了对称分布的一阶边带，中心频率与一阶边带间的频率间隔为30GHz，与微波信号的频率相等。
图7所示是当微波信号的频率fRF取40GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲时域图。从中可以看到，相邻两个脉冲之间的间隔为25ps，对应的脉冲重复频率为40GHz，与微波信号的频率相等。脉冲宽度(半高全宽)为0.52ps，验证了本系统可以实现几十GHz量级的高重复频率飞秒激光脉冲输出。
图8所示是当微波信号的频率fRF取30GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲时域图。从中可以看到，相邻两个脉冲之间的间隔为33ps，对应的脉冲重复频率为30GHz，与微波信号的频率相等。脉冲宽度(半高全宽)为0.73ps，验证了本系统可以实现重复频率可调的飞秒激光脉冲输出。
图9所示是当微波信号的频率fRF取40GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲光谱图。可以看到其光谱除了中心载波频率f0以及一阶边带外，还产生了对称分布的高阶边带，相邻边带间的频率间隔为40GHz，与微波信号的频率相等。
图10所示是当微波信号的频率fRF取30GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲光谱图。可以看到其光谱除了中心载波频率f0以及一阶边带外，还产生了对称分布的高阶边带，相邻边带间的频率间隔为30GHz，与微波信号的频率相等。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，包括单模激光器(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)、微波源(4)、第一隔离器(5)、光纤放大器(6)、第二隔离器(7)、第一色散位移光纤(8)、普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)和第二色散位移光纤(10)；所述单模激光器(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)、第一隔离器(5)、光纤放大器(6)、第二隔离器(7)、第一色散位移光纤(8)、普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)和第二色散位移光纤(10)依次连接；所述微波源(4)与电光强度调制器(3)连接；当光信号在普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)的高非线性光纤中传输时，光纤中的自相位调制效应占支配地位，使得光信号产生由自相位调制感应的频率啁啾；当光信号在普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)的普通单模光纤中传输时，光纤中的群速度色散效应占支配地位，啁啾光信号在反常色散的作用下被逐渐窄化；在色散和非线性效应交替作用下，第一色散位移光纤(8)输出的光信号在普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)中传输时被逐渐整形成高重复频率的亚皮秒激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述单模激光器(1)为分布反馈式激光器，输出连续信号光的中心波长λ0为：1550nm。
3.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述电光强度调制器(3)为马赫-曾德尔电光调制器。
4.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述微波源(4)的输出信号频率范围满足：10GHz≤fRF≤40GHz。
5.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述光纤放大器(6)为掺铒光纤放大器。
6.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一色散位移光纤(8)的长度为1km，其零色散波长位于1550nm附近。
7.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)是由8组呈周期性分布的普通单模光纤(SMF)和高非线性光纤(HNLF)成对串联构成，该光纤组件具有色散系数渐减和非线性系数渐增的特性。
8.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第二色散位移光纤(10)的长度为2km，其零色散波长位于1550nm附近。
9.一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用单模激光器(1)产生一个中心波长为1550nm的光载波信号，并通过调节偏振控制器(2)稳定输出光信号的偏振态；
S2、利用微波源(4)输出一个频率在10～40GHz范围可调的微波信号，将其加载到电光强度调制器(3)的驱动电极上；
S3、将单模激光器(1)产生的光载波信号输入到电光强度调制器(3)中，利用加载在电光强度调制器(3)驱动电极上的微波信号进行调制，使得电光强度调制器(3)输出双边带调制光信号；
S4、将电光强度调制器(3)输出的光调制信号输入至光纤放大器(6)中进行功率放大；
S5、将光纤放大器(6)输出的光信号输入至第一色散位移光纤(8)中进行传输，入射的调制光信号在光纤中的四波混频效应作用下，产生新的高阶频谱边带；
S6、将第一色散位移光纤(8)输出的光信号输入至普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)中进行传输；当光信号在该光纤组件的高非线性光纤中传输时，光纤中的自相位调制效应占支配地位，使得光信号产生由自相位调制感应的频率啁啾；当光信号在该光纤组件的普通单模光纤中传输时，光纤中的群速度色散效应占支配地位，啁啾光信号在反常色散的作用下被逐渐窄化；在色散和非线性效应交替作用下，第一色散位移光纤(8)输出的光信号在普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)中传输时被逐渐整形成高重复频率的亚皮秒激光脉冲；
S7、将普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)输出的亚皮秒激光脉冲输入至第二色散位移光纤(10)中进行传输，由于普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)与第二色散位移光纤(10)存在较大的色散失配，使得普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)输出的亚皮秒激光脉冲在第二色散位移光纤(10)中传输时被进一步整形压缩为脉宽更短的飞秒激光脉冲，其重复频率等于微波源(4)输出微波信号的频率；通过调节微波信号的频率和光纤放大器(6)的输出功率，能够产生重复频率在10～40GHz范围可调的飞秒激光脉冲。
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