CN109698458A - 非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，包括：第一非线性光环路镜，其包括第一耦合器、第一光放大器、第一滤波器和第一相移器；第二非线性光环路镜，其包括第二耦合器、第二光放大器、第二滤波器和第二相移器，所述第二滤波器中心波长与第一滤波器不同；展宽放大器，其包括第三光放大器和第四光放大器；所述第三光放大器输入端连接第一非线性光环路镜的输出端口，输出端连接第二非线性光环路镜的输入端口；所述第四光放大器输入端连接第二非线性光环路镜的输出端口，输出端连接第一非线性光环路镜的输入端口。脉冲激光在Mamyshev型激光振荡器中不断被放大、展宽、窄化、重塑，直至形成稳定的脉冲序列，使得Mamyshev型激光振荡器的自启动性能好。

Description

非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器
技术领域
本发明涉及激光振荡器领域，特别涉及一种非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器。
背景技术
超快光纤激光器与传统固体激光器相比，具有能量转化效率高、易于搭建、方便集成、光束质量接近衍射极限、成本低廉、维护方便等优势。激光振荡器是用来产生皮秒甚至飞秒量级的超短脉冲激光光源，是高功率光纤激光器的核心部件。基于脉冲再放大和脉冲重塑的Mamyshev型激光振荡器可以进一步将光纤激光器的脉冲能量提升至百nJ量级，具体地，Mamyshev型激光振荡器依靠光纤中的自相位调制引起的光谱展宽效应以及滤波元件的光谱选择效应，可以获得脉冲能量高达200nJ、脉冲去啁啾后脉宽为40fs的超短脉冲。
然而，现有的Mamyshev型激光振荡器通常难以实现自启动，其在启动时需要额外的种子脉冲或外部电调制脉冲。为了使Mamyshev型激光振荡器能实现自启动，需要在Mamyshev型激光振荡器内引入饱和吸收机制辅助产生超短脉冲序列，目前通常在全光纤激光振荡器中采用非线性光环路镜来产生超短脉冲，例如专利文献CN 103311780 A公开了一种具有非线性光环路镜的激光器(该激光器具有激光谐振器，相当于激光振荡器)，该激光器通过采用非线性光环路镜来实现自启动，但是，该激光器通过单个非线性光环路镜难以产生稳定的超短脉冲激光序列，使得激光器的自启动性能差低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种自启动性能好的Mamyshev型激光振荡器。
为解决上述技术问题，本发明提供一种非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，包括：
第一非线性光环路镜，其设有输入端口和输出端口，包括第一耦合器、第一光放大器、第一滤波器和第一相移器；
第二非线性光环路镜，其设有输入端口和输出端口，包括第二耦合器、第二光放大器、第二滤波器和第二相移器，所述第二滤波器中心波长与第一滤波器不同；
展宽放大器，其包括第三光放大器和第四光放大器；所述第三光放大器输入端连接第一非线性光环路镜的输出端口，输出端连接第二非线性光环路镜的输入端口；所述第四光放大器输入端连接第二非线性光环路镜的输出端口，输出端连接第一非线性光环路镜的输入端口。
优选地，所述第一光放大器包括第一泵浦源、第一波分复用器和第一增益光纤，所述第一波分复用器信号端连接第一耦合器，泵浦端连接第一泵浦源，公共端连接第一增益光纤，所述第一增益光纤连接第一相移器的输入端。
优选地，所述第二光放大器包括第二泵浦源、第二波分复用器和第二增益光纤，所述第二波分复用器信号端连接第二耦合器，泵浦端连接第二泵浦源，公共端连接第二增益光纤，所述第二增益光纤连接第二相移器的输入端。
优选地，所述第一非线性光环路镜和第二非线性光环路镜的输出特性是透射输出，所述展宽放大器是环形双边放大结构。
优选地，所述环形双边放大结构的展宽放大器包括第一分束器和第二分束器，所述第三光放大器的输出端经第一分束器连接第二非线性光环路镜的输入端口，所述第四光放大器的输出端经第二分束器连接第一非线性光环路镜的输入端口。
优选地，所述第三光放大器包括第三泵浦源、第三波分复用器和第三增益光纤，所述第三波分复用器信号端连接第一非线性光环路镜的输出端口，泵浦端连接第三泵浦源，公共端连接第三增益光纤，所述第三增益光纤经第一分束器连接第二非线性光环路镜的输入端口。
优选地，所述第三波分复用器的信号端与第一非线性光环路镜的输出端口之间串接有第一隔离器，以保证脉冲激光的单向传输。
优选地，所述第四光放大器包括第四泵浦源、第四波分复用器和第四增益光纤，所述第四波分复用器信号端连接第二非线性光环路镜的输出端口，泵浦端连接第四泵浦源，公共端连接第四增益光纤，所述第四增益光纤经第二分束器连接第一非线性光环路镜的输入端口。
优选地，所述第一非线性光环路镜和第二非线性光环路镜的输出特性是反射输出，所述展宽放大器是线形双向放大结构。
优选地，所述展宽放大器包括共用同一个增益光纤的第三光放大器和第四光放大器，具体地：所述第三光放大器包括第三泵浦源、第三波分复用器和增益光纤，所述第三波分复用器信号端连接第一非线性光环路镜的输出端口，泵浦端连接第三泵浦源，公共端连接增益光纤；所述第四光放大器包括第四泵浦源、第四波分复用器和增益光纤，所述第四波分复用器信号端连接第二非线性光环路镜的输出端口，泵浦端连接第四泵浦源，公共端连接增益光纤。
本发明具有如下有益效果：
当激光器内产生噪声脉冲激光时，如第二非线性光环路镜中产生噪声脉冲激光，该脉冲激光在第二非线性光环路镜中产生Sagnac效应，具体地，第二非线性光环路镜产生的脉冲激光分成顺逆时针传输的A/B两束激光，其中逆时针B束被第二光放大器放大功率并展宽光谱后被第二滤波器对波长在其波长范围外的部分脉冲激光进行滤除，然后B束剩余的脉冲激光在第二相移器中移相；而顺时针A束则先在第二相移器中移相然后经过第二滤波器对波长在其波长范围外的部分脉冲激光进行滤除，然后再被第二光放大器放大功率并展宽光谱，以使得该A束脉冲激光与B束脉冲激光的相位差更明显，从而使得Mamyshev型激光振荡器更容易达到脉冲形成条件而实现自启动；B束脉冲激光与从第二相移器输出的A束脉冲激光在第二耦合器中汇合后得到的脉冲激光的两翼弱光部分被损耗掉，从而实现对脉冲激光的窄化和重塑；汇合后得到的脉冲激光输至展宽放大器中的第四光放大器；展宽放大器的第四光放大器进一步对输入的脉冲激光进行功率放大及光谱展宽，然后把脉冲激光输入至第一非线性光环路镜，进一步对脉冲激光进行窄化和重塑；由于第一和第二非线性光环路镜中的滤波器中心波长相差较远，依赖于光纤中的自相位调制效应展宽光谱能实现循环传输的的脉冲激光能够在不同的波长被放大、展宽、滤波(重塑)、窄化，直至形成稳定的超短脉冲激光；Mamyshev型激光振荡器不断输出稳定的超短脉冲序列，而且具有良好的自启动性能。
附图说明
图1是环形双边放大结构的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器；
图2是线形双向放大结构的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器；
图3是非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器的输出脉冲序列图。
附图标记说明：100-第一非线性光环路镜；101-第一波分复用器；102-第一增益光纤；103-第一滤波器；104-第一相移器；105-第一耦合器；106-第一泵浦源；200-第二非线性光环路镜；201-第二波分复用器；202-第二增益光纤；203-第二滤波器；204-第二相移器；205-第二耦合器；206-第二泵浦源；300-展宽放大器；301-第一隔离器；302-第三波分复用器；303-第三增益光纤；304-第一分束器；305-第二隔离器；306-第四波分复用器；307-第四增益光纤；308-第四分束器；309-第三泵浦源；310-第四泵浦源。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器如图1所示，包括第一非线性光环路镜100、第二非线性光环路镜200和环形双边放大结构的展宽放大器300。
第一非线性光环路镜100包括第一波分复用器101、第一增益光纤102、第一滤波器103、第一相移器104、第一耦合器105和第一泵浦源106，其中第一泵浦源106、第一波分复用器101和第一增益光纤102组成第一光放大器；第二非线性光环路镜200包括第二波分复用器201、第二增益光纤202、第二滤波器203、第二相移器204、第二耦合器205和第二泵浦源206，其中第二泵浦源206、第一波分复用器201和第一增益光纤202组成第二光放大器；环形双边放大结构的展宽放大器300包括第一隔离器301、第三波分复用器302、第三增益光纤303、第一分束器304、第一隔离器305、第四波分复用器306、第四增益光纤307、第二分束器308、第三泵浦源309和第四泵浦源310，其中第三泵浦源309、第三波分复用器302和第三增益光纤303组成第三光放大器，其中第四泵浦源310、第四波分复用器306和第一增益光纤307组成第四光放大器；。上述各个器件均为保偏光纤或保偏光纤耦合的元器件，按照图1所示结构熔接，形成光纤链路。
泵浦源106、206、309、310用作半导体激光器，其中心波长为976nm，其输出方式为单模光纤输出，最大输出功率为600mW。
波分复用器101、201、302、306是三端口光纤器件，其三个端口分别是泵浦端、信号端和公共端，其中，第一波分复用器101泵浦端连接第一泵浦源106的输出端，信号端连接第一耦合器105，公共端连接第一增益光纤102；第二波分复用器201泵浦端连接第二泵浦源206的输出端，信号端连接第二耦合器205，公共端连接第二增益光纤202；第三波分复用器302泵浦端连接第三泵浦源309的输出端，信号端经第一隔离器301连接第一耦合器105，公共端连接第三增益光纤303；第四波分复用器306泵浦端连接第四泵浦源310的输出端，信号端经第二隔离器305连接第二耦合器205，公共端连接第四增益光纤307。隔离器301、305是光纤耦合的光隔离器，其用于保证展宽放大器300内的激光逆时针单向传输。
第一波分复用器101把来自第一泵浦源106的泵浦光和来自第一耦合器105的信号光共同耦合入第一增益光纤102，第二波分复用器201把来自第二泵浦源206的泵浦光和来自第二耦合器205的信号光共同耦合入第二增益光纤202，第三波分复用器302把来自第三泵浦源309的泵浦光和来自第一耦合器105的信号光共同耦合入第三增益光纤303，第四波分复用器306把来自第四泵浦源310的泵浦光和来自第二耦合器205的信号光共同耦合入第四增益光纤307。
增益光纤102、202、303、307是纤芯掺杂镱离子的全保偏光纤，优选地，增益光纤102、202、303、307采用美国Nufern公司生产的高性能掺镱光纤，该高性能掺镱光纤受泵浦光激发后可以辐射出波长覆盖在1010-1100nm的自发辐射脉冲激光。非优选地增益光纤102、202、303、307可以为普通单模的增益光纤，双包层光纤，大模场光子晶体增益光纤等。
相移器104、204是非互易性相移元件，其内部集成有法拉第转子和至少一个波片，并采用光纤耦合输出，为相反方向传输的光提供不同的相移，形成固定的相位差。本实施例中，相移器104、204提供的相位差是π/2，从而确保非线性光环路镜100、200为透射输出。第一相移器104输入端连接第一滤波器103，输出端连接第一耦合器105；第二相移器202输入端连接第二滤波器203，输出端连接第二耦合器205。
第一滤波器103输入端连接第一增益光纤102，输出端连接第一相移器104；第二滤波器203输入端连接第二增益光纤202，输出端连接第二相移器204。滤波器103、203是光纤耦合的光谱滤波器，其通带波长带宽为2nm，本实施例中，第一滤波器103的中心波长为1020nm，第二滤波器203的中心波长是1060nm，则可通过第一滤波器103的脉冲激光的波长范围是1019nm～1021nm，可通过第二滤波器203的脉冲激光的波长范围是1059nm～1061nm。第一增益光纤102辐射出的波长覆盖在1010-1100nm的自发辐射脉冲激光中，波长在1019nm～1021nm外的部分脉冲激光被第一滤波器103滤除，第二增益光纤202辐射出的波长覆盖在1010-1100nm的自发辐射脉冲激光中，波长在1059nm～1061nm外的部分脉冲激光被第二滤波器203滤除，从而使得脉冲激光在相移器中形成的相位差更明显。
耦合器105、205是四端口的光纤耦合器，其分束比为1：1。第一耦合器105的三个光纤端口分别连接第一相移器104的输出端、第一波分复用器101的信号端和展宽放大器，另一个端口作为脉冲信号的输出端；第二耦合器205的三个光纤端口分别连接第二相移器204的输出端、第二波分复用器201的信号端和展宽放大器，另一个端口作为脉冲信号的输出端。
分束器304、308是三端口的光纤耦合器，其三个光纤端口包括输入端、第一输出端和第二输出端，第一输出端与第二输出端的分束比为1:9。第一分束器304输入端连接第三增益光纤303，第一输出端连接第二耦合器205，第二输出端用于输出高能量脉冲激光；第二分束器308输入端连接第四增益光纤307，第一输出端连接第一耦合器105，第二输出端用于输出高能量脉冲激光。
本实施例的Mamyshev型激光振荡器的自启动过程如下：当第二非线性光环路镜中的第二泵浦源206激发第二增益光纤202产生噪声脉冲激光时，由于第二非线性光环路镜200中的Sagnac效应，Sagnac效应具体地：第二泵浦源206产生的泵浦激光经第二波分复用器201耦合输入至第二增益光纤202产生噪声脉冲激光，该噪声脉冲激光可分为为顺逆时针双向传输的A/B两束激光；逆时针B束激光先通过第二滤波器203滤波后进入第二相移器204以改变输出特性，第二滤波器203对波长在1059nm～1061nm外的部分脉冲激光进行滤除，顺时针A束激光先通过第二相移器204进行移相后进入第二滤波器203滤波以改变输出特性，第二滤波器203对波长在1059nm～1061nm外的部分脉冲激光进行滤除；顺逆时针传输的A/B两束激光由于路径顺序以及功率强度的不同导致其相位差有明显差异，从而使得第二非线性光环路镜的Sagnac效应能够窄化脉冲，使得Mamyshev型激光振荡器更容易自启动产生脉冲；B束脉冲激光与从第二相移器204输出的A束脉冲激光在第二耦合器205中汇合后得到的脉冲激光的两翼弱光部分被损耗掉，从而实现对脉冲激光的窄化和重塑；汇合后得到的脉冲激光输至展宽放大器300中的第四光放大器。第四光放大器继续对输入的脉冲激光进行功率放大及光谱展宽，然后脉冲激光在第二分束器308中分成两束脉冲激光后，其中一束脉冲激光经第二分束器308的第二输出端输出，另一束脉冲激光输入第一非线性光环路镜100，第一非线性光环路镜100重复在第二非线性光环路镜中的Sagnac效应以对脉冲激光进一步进行窄化和重塑，其中第一滤波器103对波长在1019nm～1021nm外的部分脉冲激光进行滤除。由于第一和第二非线性光环路镜中的滤波器中心波长相差较远，依赖于光纤中的自相位调制效应展宽光谱能实现循环传输的的脉冲激光能够在不同的波长被放大、展宽、滤波(重塑)、窄化，直至形成稳定的超短脉冲激光，得到超短脉冲激光后第一分束器304的第二输出端和第二分束器308的第二输出端不断输出超短脉冲激光，从而形成如图3所示的稳定的超短脉冲序列，且Mamyshev型激光振荡器的自启动性能好。经实验发现，若第一滤波器103中心波长与第二滤波器203相同，则Mamyshev型激光振荡器不能形成如图3所示的稳定的超短脉冲序列，因此需把第一滤波器103与第二滤波器203的中心波长设为不同。
实施例2
本实施例的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器如图2所示，包括第一非线性光环路镜100、第二非线性光环路镜200和线形双向放大结构的展宽放大器300，其中第一非线性光环路镜100、第二非线性光环路镜200与实施例1中的第一非线性光环路镜100、第二非线性光环路镜200结构相同，不同之处在于本实施例的第一相移器104和第二相移器204提供-π/2的相位差，从而确保非线性光环路镜100、200为反射输出，以使得其中一个非线性光环路镜输出的脉冲激光能经过展宽放大器300输出至另一个非线性光环路镜；耦合器105、205的输出端用于输出高能量脉冲激光。
本实施例中，展宽放大器300为线形双向放大结构，该线形双向放大结构的展宽放大器300包括：第三波分复用器302、第三增益光纤303、第四波分复用器306、第三泵浦源309、第四泵浦源310。第三波分复用器302泵浦端连接第三泵浦源309，信号端连接第一耦合器105，公共端连接增益光纤303，第三波分复用器302、第三泵浦源309和增益光纤303组成第三光放大器，第三光放大器的输出端经第四波分复用器306连接第二非线性光环路镜200的输入端口；第四波分复用器306泵浦端连接第四泵浦源310，信号端连接第二耦合器205，公共端连接增益光纤303，第四波分复用器306、第四泵浦源310和增益光纤303组成第四光放大器，第四光放大器的输出端经第三波分复用器302连接第一非线性光环路镜100的输入端口。
本实施例的Mamyshev型激光振荡器的自启动过程如下：当第二非线性光环路镜中的第二泵浦源206激发第二增益光纤202产生噪声脉冲激光时，由于第二非线性光环路镜200中的Sagnac效应，Sagnac效应具体地：第二泵浦源206产生的泵浦激光经第二波分复用器耦合输入至第二增益光纤202产生噪声脉冲激光，该噪声脉冲激光可分为顺逆时针双向传输的A/B两束激光；顺时针A束激光先通过第二滤波器203滤波后进入第二相移器204移相以改变输出特性，第二滤波器203对波长在1059nm～1061nm外的部分脉冲激光进行滤除，而逆时针B束激光先通过第二相移器204移相后进入第二滤波器203滤波以改变输出特性；顺逆时针传输的A/B两束激光由于路径顺序以及功率强度的不同导致其相位差有明显差异，从而使得第二非线性光环路镜的Sagnac效应能够窄化脉冲，使得Mamyshev型激光振荡器更容易自启动产生脉冲；B束脉冲激光与从第二相移器204输出的A束脉冲激光在第二耦合器205中汇合后得到的脉冲激光的两翼弱光部分被损耗掉，从而实现对脉冲激光的窄化和重塑；汇合后得到的脉冲激光输至展宽放大器300中的第四光放大器。第四光放大器继续对返回的脉冲激光进行功率放大及光谱展宽，然后把脉冲激光经第三波分复用器302输入第一非线性光环路镜100，第一非线性光环路镜100重复上述的Sagnac效应以对脉冲激光进一步进行窄化和重塑，其中第一滤波器103对波长在1019nm～1021nm外的部分脉冲激光进行滤除。由于第一和第二非线性光环路镜中的滤波器中心波长相差较远，依赖于光纤中的自相位调制效应展宽光谱能实现循环传输的的脉冲激光能够在不同的波长被放大、展宽、滤波(重塑)、窄化，直至形成稳定的超短脉冲激光，得到超短脉冲激光后第一耦合器105的输出端和第二耦合器205的输出端不断输出超短脉冲激光，从而形成如图3所示的稳定的超短脉冲序列，且该Mamyshev型激光振荡器的自启动性能好。经实验发现，若第一滤波器103中心波长与第二滤波器203相同，则Mamyshev型激光振荡器不能形成如图3所示的稳定的超短脉冲序列，因此需把第一滤波器103与第二滤波器203的中心波长设为不同。

Claims (10)

1.非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于，包括：
第一非线性光环路镜(100)，其设有输入端口和输出端口，包括第一耦合器(105)、第一光放大器、第一滤波器(103)和第一相移器(104)；
第二非线性光环路镜(200)，其设有输入端口和输出端口，包括第二耦合器(205)、第二光放大器、第二滤波器(203)和第二相移器(204)，所述第二滤波器(203)中心波长与第一滤波器(103)不同；
展宽放大器(300)，其包括第三光放大器和第四光放大器；所述第三光放大器输入端连接第一非线性光环路镜(100)的输出端口，输出端连接第二非线性光环路镜(200)的输入端口；所述第四光放大器输入端连接第二非线性光环路镜(200)的输出端口，输出端连接第一非线性光环路镜(100)的输入端口。
2.根据权利要求1所述的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于：所述第一光放大器包括第一泵浦源(106)、第一波分复用器(101)和第一增益光纤(102)，所述第一波分复用器(101)信号端连接第一耦合器(105)，泵浦端连接第一泵浦源(106)，公共端连接第一增益光纤(102)，所述第一增益光纤(102)连接第一相移器(104)的输入端。
3.根据权利要求1所述的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于：所述第二光放大器包括第二泵浦源(206)、第二波分复用器(201)和第二增益光纤(202)，所述第二波分复用器(201)信号端连接第二耦合器(205)，泵浦端连接第二泵浦源(206)，公共端连接第二增益光纤(202)，所述第二增益光纤(202)连接第二相移器(204)的输入端。
4.根据权利要求1所述的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于：所述第一非线性光环路镜(100)和第二非线性光环路镜(200)的输出特性是透射输出，所述展宽放大器(300)是环形双边放大结构。
5.根据权利要求4所述的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于：所述环形双边放大结构的展宽放大器(300)包括第一分束器(304)和第二分束器(308)，所述第三光放大器的输出端经第一分束器(304)连接第二非线性光环路镜(200)的输入端口，所述第四光放大器的输出端经第二分束器(308)连接第一非线性光环路镜(100)的输入端口。
6.根据权利要求5所述的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于：所述第三光放大器包括第三泵浦源(309)、第三波分复用器(302)和第三增益光纤(303)，所述第三波分复用器(302)信号端连接第一非线性光环路镜(100)的输出端口，泵浦端连接第三泵浦源(309)，公共端连接第三增益光纤(303)，所述第三增益光纤(303)经第一分束器(304)连接第二非线性光环路镜(200)的输入端口。
7.根据权利要求6所述的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于：所述第三波分复用器(302)的信号端与第一非线性光环路镜(100)的输出端口之间串接有第一隔离器(301)，以保证脉冲激光的单向传输。
8.根据权利要求5所述的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于：所述第四光放大器包括第四泵浦源(310)、第四波分复用器(306)和第四增益光纤(307)，所述第四波分复用器(306)信号端连接第二非线性光环路镜(200)的输出端口，泵浦端连接第四泵浦源(310)，公共端连接第四增益光纤(307)，所述第四增益光纤(307)经第二分束器(308)连接第一非线性光环路镜(100)的输入端口。
9.根据权利要求1所述的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于：所述第一非线性光环路镜(100)和第二非线性光环路镜(200)的输出特性是反射输出，所述展宽放大器(300)是线形双向放大结构。
10.根据权利要求9所述的非线性环路滤波的Mamyshev型激光振荡器，其特征在于：所述展宽放大器(300)包括共用同一个增益光纤(303)的第三光放大器和第四光放大器，具体地：所述第三光放大器包括第三泵浦源(309)、第三波分复用器(302)和增益光纤(303)，所述第三波分复用器(302)信号端连接第一非线性光环路镜(100)的输出端口，泵浦端连接第三泵浦源(309)，公共端连接增益光纤(303)；所述第四光放大器包括第四泵浦源(310)、第四波分复用器(306)和增益光纤(303)，所述第四波分复用器(306)信号端连接第二非线性光环路镜(200)的输出端口，泵浦端连接第四泵浦源(310)，公共端连接增益光纤(303)。
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