CN109787081A - 中红外超短脉冲激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明一种中红外超短脉冲激光光源，该光源采用全保偏结构的主从激光器，受益于其中保偏光纤的偏振态稳定，可使主从激光器的抗干扰能力强，实现长时间稳定运行；主从激光器采用主从注入式全光被动同步，免除了电子学器件和复杂的反馈控制，能够获得飞秒量级的高精度时间同步；主从激光器腔内采用光栅对来控制腔内色散量，可对同步光源进行精密的时频域控制，可以实现对输出脉冲宽度和频谱宽度的精密调节，进而优化非线性转换效率，提高能量利用率，获得更高功率的中红外激光输出。

Description

中红外超短脉冲激光光源

技术领域

本发明涉及中红外激光技术，特别涉及一种中红外超短脉冲激光光源。

背景技术

中远红外波段不仅包含许多重要分子振转能级跃迁的特征谱线，是分子的指纹光谱区，而且涵盖地球大气的透射窗口，在材料加工、光谱探测、红外遥感、医疗卫生、光谱分析、军事对抗以及大气通信等领域有着重要的应用价值和前景。

近年来，固体激光器发展迅速，但是在中红外波段直接产生激光辐射的增益介质仍然受到很大限制。因此，将非线性光学频率转换应用于中红外产生的方法应运而生，例如光参量振荡器(OPO)，光参量放大(OPA)以及差频产生(DFG)等。其中，DFG是一种高效且颇具竞争力的技术，其过程不需要谐振腔，也没有参量过程所需要的较高阈值，且输出波长宽带可调谐，结构简单，运行稳定。

上述方法中，如何获得两个时间同步的双色激光光源是关键。现有技术通过两种方式获得同步光源，一种是通过强度调制连续光源来获得稳定的同步脉冲，但是受限于调制器带宽，这种方式输出的脉冲仅为纳秒量级，无法产生亚皮秒量级的超短脉冲；另一种是通过锁相环反馈技术能够同步两台独立超短脉冲激光器，但是依赖于复杂的控制系统，易受到光电探测器、混频器、滤波器等器件的影响，无法获得长期稳定的同步运行。

此外，现有的基于超连续谱展宽的全光方法，能够避免上述的问题，获得高稳定的自同步超短脉冲输出，但是这种方法面临着光谱密度低和相干性差等问题。

因此，发展一种具有长期运行、偏振稳定、时频域控制、抗干扰能力强等优点的中红外超短脉冲激光光源是当前亟待突破的研究难题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提供了一种中红外超短脉冲激光光源，该光源具有长期运行、偏振稳定、时频域控制、抗干扰能力强等优点。

为此，提供了一种中红外超短脉冲激光光源，

包括主激光器、从激光器和二阶非线性介质，主激光器输出的泵浦光脉冲和从激光器输出的闲频光脉冲汇合于二阶非线性介质中，从而产生中红外超短脉冲；

主激光器内部对泵浦光脉冲进行分束，分束后的一部分脉冲即为所述从激光器输出的泵浦光脉冲；从激光器具有非线性环路镜，所述闲频光脉冲和主激光器分束后的另一部分脉冲分别被注入所述环路镜中；

环路镜的内部光路中串接有用于提供环路镜内顺时针脉冲与逆时针脉冲之间相位差的相移器；

环路镜的入射端光路上具有用于调节腔内色散的光栅对、用于调节激光脉冲重复频率的延时器和用于把脉冲反射回环路镜内的反射镜，从所述内部光路进入所述入射端光路的脉冲依次穿过光栅对、延时器后被从反射镜反射，或依次穿过延时器、光栅对后被从反射镜反射；

在主激光器中、从激光器中及其两者之间，连接在各器件之间的光纤均为保偏光纤。

进一步地，主激光器与从激光器两者输出的脉冲宽度相等。

进一步地，环路镜的内部光路上具有噪声脉冲，环路镜的入射端光路上具有用于控制从激光器输出带宽与中心波长的噪声脉冲在从可调谐滤波器和光栅对的共同作用下变成所述闲频光脉冲并实现所述脉冲宽度相等。

进一步地，除却入射端光路上无延时器外，主激光器的内部结构与从激光器的内部结构相同。

进一步地，主激光器的环路镜内和/或主激光器的环路镜内串接有增益光纤。

进一步地，增益光纤具体是掺铒单模保偏光纤。

进一步地，根据δL＝c/fr1–c/fr2计算延时器所需要补偿的光程差，其中c为光速，fr1为泵浦光脉冲的脉冲重复频率，fr2为闲频光脉冲的脉冲重复频率。

进一步地，所述主激光器和/或从激光器的出光通道处设有光纤激光放大器来获得更高功率的泵浦光和闲频光。

进一步地，二阶非线性介质具体为周期性极性反转的铌酸锂晶体。

进一步地，在主激光器与二阶非线性介质之间的光路上设有用于调节主从脉冲重合的光纤延时器。

有益效果：

1、采用全保偏结构的主从激光器，受益于其中保偏光纤的偏振态稳定，可使主从激光器能够抵抗温度改变、气压变化、空气振动对偏振的影响，可实现长时间稳定运行，并实现高偏振对比度的中红外超快脉冲输出；

2、主从激光器采用主从注入式全光被动同步，免除了电子学器件和复杂的反馈控制，能够获得飞秒量级的高精度时间同步；

3、主从激光器腔内采用光栅对来控制腔内色散量，可对同步光源进行精密的时频域控制，可以实现对输出脉冲宽度和频谱宽度的精密调节，进而优化非线性转换效率，提高能量利用率，获得更高功率的中红外激光输出。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的中红外超短脉冲激光光源的光路示意图。

图2为本发明的主从激光器的光路示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示中红外超短脉冲激光光源包括主激光器、从激光器、延时器、二阶非线性介质和两个光纤激光放大器。主激光器输出的一部分脉冲注入从激光器腔内产生非线性交叉相位调制，获得同步脉冲。主激光器另一部分输出脉冲经过光纤激光放大器I提高泵浦光脉冲的峰值功率，从激光器经过光纤激光放大器II提高闲频光脉冲的峰值功率。泵浦光脉冲在经过延时器后，能够与闲频光脉冲在时间上精确重合，从而在二阶非线性介质(本实施例中采用周期性极性反转的铌酸锂晶体)中，通过非线性差频相互作用，产生中红外超短脉冲。

如图2所示，主激光器主要由连续光泵浦源100、光纤波分复用器101、增益光纤102、光纤分束器103、相移器104、光纤分束器105、可调谐滤波器106、光栅对107、反射镜108和主激光器输出109组成。其中光纤波分复用器101、增益光纤102、光纤分束器103、相移器104、光纤分束器105依次相连并首尾相接，从而形成一个非线性放大环路镜Ⅰ。该环路镜Ⅰ是实现脉冲锁模的关键部件，其实质上相当于传统Sagnac干涉仪的作用：环路镜Ⅰ内顺时针和逆时针运行的脉冲由于自身的脉冲特性(如脉冲宽度、光谱形状、脉冲能量等)和所历经的器件顺序不同，造成它们之间具有一定的相位差，取决于相位差的大小，双向脉冲能够在光纤分束器中发生干涉相长或者干涉相消。基于上述原理，为获得稳定的脉冲锁模，可使连续光泵浦源100的功率增加至从激光器的锁模阈值以上，通过光纤波分复用器101注入环路镜Ⅰ内，进而作用到增益光纤102，从而随机形成噪声脉冲，该噪声脉冲概率性从到增益光纤102的左侧通道输出形成逆时针脉冲或从到增益光纤102的右侧通道输出形成顺时针脉冲。逆时针脉冲和顺时针脉冲在环路镜内传输的过程中，能够累积由于相位延迟器104而引入的线性相移，以及双向脉冲自相位调制而获得的非线性相移，两者能够在光纤分束器105中相遇并发生干涉。由于脉冲中央部分的功率较大，所积累的双向相位差是具有接近π或者π的整数倍，因此该脉冲中心这部分能量大部分能从光纤分束器105的3通道射出，进入环路镜Ⅰ的入射端光路，并依次穿过可调谐滤波器106、光栅对107后被反射镜108反射回环路镜Ⅰ内，实现迭代循环，此过程中脉冲调谐滤波器106的作用下形成超短红外脉冲，其中红外脉冲输出光谱的带宽为5nm，中心波长调谐范围为1030-1080nm，其傅里叶变换极限脉冲宽度约为330fs；另外小部分能量则从光纤分束器105的4通道射出，进入环路镜Ⅰ的出射端光路，从而被送至主激光器输出109处实现输出。红外脉冲在环路镜Ⅰ中每跑一圈(即每迭代一次)，其脉冲的脉冲宽度就被窄化一次，如此，在循环迭代的过程中红外脉冲被不断窄化，最终形成超短红外脉冲。故只要迭代次数够多，即可实现主激光器输出109处的超短红外脉冲的锁模输出。

需说明的是，在环路镜中，相位延迟器104用于提供顺时针脉冲与逆时针脉冲之间相位差，降低了逆时针脉冲和顺时针脉冲在环路镜中所需积累的非线性相移量，从而降低了激光器锁模运行的泵浦功率。

双向运行的脉冲在光纤分束器105处发生干涉，保证从激光器脉冲中心部分能够在激光腔内形成往复振荡；

对于脉冲中的边沿部分，由于其功率较低，所累积的相移较小，非线性相位差为0，因此脉冲的边沿部分会被反射回环路镜Ⅰ内。

入射端光路中，光栅对107可以精确调节腔内色散量，从而实现对脉冲宽度的精细调节。

从激光器主要由连续光泵浦源200、光纤波分复用器201、增益光纤202、光纤波分复用器203、相移器204、光纤分束器205、可调谐滤波器206、光栅对207、延时器208、反射镜209和从激光器输出210组成。其中光纤波分复用器201、增益光纤202、光纤波分复用器203、相移器204、光纤分束器205组成了环路镜Ⅱ。为获得稳定的脉冲锁模，可将连续光泵浦源200的功率增加至从激光器的锁模阈值以上，通过光纤波分复用器201作用到主增益光纤202，产生的噪声脉冲在反射镜209和环路镜之间的对射光路上进行迭代对射。同理，噪声脉冲在可调谐滤波器206的限定下，使得红外脉冲输出光谱带宽为5nm，中心波长调谐范围为1530-1580nm，其傅里叶变换极限脉冲宽度为700fs。红外脉冲在环路镜Ⅱ内不断窄化，形成超短红外脉冲，最终在从激光器输出210处输出。

为了实现主从激光器之间的被动全光同步，可把光纤分束器103分束后的一部分超短红外脉冲(后文把这部分脉冲简称为主激光器脉冲)通过光纤波分复用器203注入到环路镜Ⅱ中，使得主激光器脉冲与一个方向(如逆时针方向)的从激光器脉冲(即环路镜Ⅱ中的脉冲)相伴同行，此过程中根据非线性薛定谔方程可知，相伴同行的两个脉冲会发生非线性交叉相位调制，从而获得显著的非线性相移，如此，可通过多次迭代对从激光器脉冲进行周期性调制，最终获得同步的锁模脉冲；而主激光器脉冲与另一个方向(如顺时针方向)的从激光器脉冲则相向而过，几乎不引入任何非线性相移。

通过主激光器周期性的脉冲注入，无需任何偏振状态调节即可改变从激光器脉冲在环路镜Ⅱ内积累的非线性相移，从而实现对从激光器脉冲进行被动式周期性调制，最终获得同步的锁模脉冲，实现主从激光器之间的被动全光同步。由于光纤非线性效应起源于电极化率变化，其响应速度理论上可以达到飞秒量级，能够获得超短脉冲时频域精密同步。

为了获得鲁棒性更好的同步状态，可在主激光器和从激光器的出光通道处增添光纤激光放大器来放大注入脉冲能量。

需说明的是，在从激光器的入射端光路中，增设有延时器208，其作用在于补偿主从激光器输出脉冲之间的光程差，从而实现自由运转下主从激光器具有相同的重复频率。具体补偿手段可通过频率计数器或者射频频谱分析仪，测量主激光器输出脉冲和从激光器输出脉冲的脉冲重复频率fr1、fr2，利用δL＝c/fr1–c/fr2计算出所需要补偿的光程差，其中c为光速。

需说明的是，上文中，主激光器到二阶非线性介质之间的光纤长度为L1，从激光器到二阶非线性介质之间的光纤长度为L2，考虑到L1与L2在布置过程中可能造成长度不等，导致主激光器输出脉冲与从激光器输出脉冲序列相比，存在整体时间平移，故在主激光器的后级加设延时器来进行延时补偿，以消除光纤长度不等所带来的影响。

在主激光器和从激光器中，各器件之间的连接均采用保偏光纤，其中各器件的型号、参数及作用具体如下：

所述连续光泵浦源100在本实施例中采用976nm半导体激光器，其输出光纤为单模保偏光纤；

所述光纤波分复用器101，在实施例中采用976nm/1064nm保偏光纤波分复用器；

所述增益光纤102为掺镱单模保偏光纤，用于提供主激光器的增益介质；

所述光纤分束器103为分束比为1:9的光耦合器，其输出脉冲用于注入从激光器；

所述相位延迟器104用于提供光纤环路镜中顺时针和逆时针光路之间的初始相位差，能够减小激光器锁模阈值，利于实现激光脉冲的锁模运转；

所述光纤分束器105为分束比为5:5的2×2的光耦合器，用于构成光纤环路镜，使得正向与反向脉冲能够发生干涉，实现光脉冲的非线性强度调制，从而获得激光脉冲的窄化；

所述可调谐滤波器106用于控制主激光器输出带宽与中心波长，中心调谐范围为1030-1080nm，带宽为5nm；

所述光栅对107用于控制腔内色散量，从而进一步控制输出脉冲的宽度；

所述连续光泵浦源200在本实施例中采用976nm半导体激光器，其输出光纤为单模保偏光纤；

所述光纤波分复用器201例中采用976nm/1550m保偏光纤波分复用器；

所述增益光纤202掺铒单模保偏光纤，用于提供从激光器的增益介质；

所述光纤波分复用器203在本实施例中采用1064nm/1550nm保偏光纤波分复用器，用于提供主激光器脉冲注入的端口；

所述相位延迟器204用于提供光纤环路镜中初始相位差，能够减小激光器锁模阈值，利于实现激光脉冲的锁模运转；

所述可调谐滤波器206用于控制从激光器输出带宽与中心波长，中心调谐范围为1530-1580nm，带宽为5nm；

所述光栅对207用于控制腔内色散量，从而进一步控制输出脉冲宽度；

所述延时器208为电控光纤延迟线，用于精确调节激光器的腔长，进而完成主从激光器腔长精细的匹配，调节激光脉冲的重复频率。

本实施例的基于被动全光同步的中红外超短脉冲激光光源，结合对超短脉冲的时频域控制，在二阶非线性介质中获得高效率的非线性差频产生，从而获得中红外超短脉冲输出。此外，利用腔内的可调滤波器106、206，可以实现主从激光器的波长调谐，从而实现对差频产生的中红外激光的波长调谐。借助延时器208可实现整个光源系统的全光纤化，进而实现中红外光源的集成化和小型化，拓展其在更多场合应用。利用腔内的可调谐滤波器106、206，来实现对主从激光器中心波长的精密调控，可实现中红外2.9μm–3.6μm的调谐范围。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.中红外超短脉冲激光光源，

包括主激光器、从激光器和二阶非线性介质，主激光器输出的泵浦光脉冲和从激光器输出的闲频光脉冲汇合于二阶非线性介质中，从而产生中红外超短脉冲；

其特征是：

从激光器具有非线性环路镜，主激光器内部对泵浦光脉冲进行分束，分束后的一部分脉冲即为所述主激光器输出的泵浦光脉冲，分束后的另一部分脉冲和所述闲频光脉冲分别注入所述环路镜中；

环路镜的内部光路中串接有用于提供环路镜内顺时针脉冲与逆时针脉冲之间相位差的相移器(204)；

环路镜的入射端光路上具有用于调节腔内色散的光栅对(207)、用于调节激光脉冲重复频率的延时器(208)和用于把脉冲反射回环路镜内的反射镜(209)，从所述内部光路进入所述入射端光路的脉冲依次穿过光栅对(207)、延时器(208)后被从反射镜反射，或依次穿过延时器(208)、光栅对(207)后被从反射镜反射；

在主激光器中、从激光器中及其两者之间，连接在各器件之间的光纤均为保偏光纤。

2.如权利要求1所述的中红外超短脉冲激光光源，其特征是，主激光器与从激光器两者输出的脉冲宽度相等。

3.如权利要求2所述的中红外超短脉冲激光光源，其特征是，环路镜的内部光路上具有噪声脉冲，环路镜的入射端光路上具有用于控制从激光器输出带宽与中心波长的可调谐滤波器(206)，噪声脉冲在从可调谐滤波器(206)和光栅对(207)的共同作用下变成所述闲频光脉冲并实现所述脉冲宽度相等。

4.如权利要求3所述的中红外超短脉冲激光光源，其特征是，除却入射端光路上无延时器外，主激光器的内部结构与从激光器的内部结构相同。

5.如权利要求4所述的中红外超短脉冲激光光源，其特征是，主激光器的环路镜内和/或主激光器的环路镜内串接有增益光纤。

6.如权利要求5所述的中红外超短脉冲激光光源，其特征是，增益光纤具体是掺铒单模保偏光纤。

7.如权利要求1所述的中红外超短脉冲激光光源，其特征是，根据δL＝c/fr1–c/fr2计算延时器(208)所需要补偿的光程差，其中c为光速，fr1为泵浦光脉冲的脉冲重复频率，fr2为闲频光脉冲的脉冲重复频率。

8.如权利要求1所述的中红外超短脉冲激光光源，其特征是，所述主激光器和/或从激光器的出光通道处设有光纤激光放大器来获得更高功率的泵浦光和闲频光。

9.如权利要求1所述的中红外超短脉冲激光光源，其特征是，二阶非线性介质具体为周期性极性反转的铌酸锂晶体。

10.如权利要求1所述的中红外超短脉冲激光光源，其特征是，在主激光器与二阶非线性介质之间的光路上设有用于调节主从脉冲重合的光纤延时器。