CN109818237B - 基于光纤环循环调制时间光栅的超短激光脉冲整形系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤环循环调制时间光栅的超短激光脉冲整形系统，采用单纵模激光器作为光源，包括初始斩波装置、脉冲分束装置、光纤环位相调制装置、合束装置、光纤环色散补偿脉冲压缩装置，所述的光纤环位相调制装置包括N个光开关、N个位相调制器、N个光放大器、N条延时线和任意波形发生器，所述的光纤环色散补偿脉冲压缩装置包括第二掺镱光纤放大器、第N+1光开关和色散补偿光纤。本发明可以达到足够大的相位差，降低了对器件精密度的要求，操作上更容易实现；有助于实现高精度可控的脉冲压缩，降低了实验操作的难度、增加了灵活性。

Description

基于光纤环循环调制时间光栅的超短激光脉冲整形系统

技术领域

本发明涉及超短脉冲激光，特别是一种基于光纤环循环调制时间光栅的超短激光脉冲整形系统，该系统可高效率地输出较宽频谱、脉冲波形高度主动可调的超短脉冲激光。

背景技术

目前，常用的产生超短脉冲并且可以对脉冲波形高度进行主动可调的系统主要有三种：

第一种是基于时间光栅的相干合束方式。这种方式由于受到位相调制电压与带宽的限制，脉冲经过位相调制器后频谱展宽的非常有限，且相干合束之后，仅仅是基于时域对脉冲进行调制压缩并没有考虑到脉冲的频谱以及啁啾，因此这种方式并不能产生更窄的脉冲。

第二种是基于光谱滤波方式。这种方式主要的原理是首先利用锁模技术产生fs级别的脉冲，然后再利用滤波的方式调节脉冲的频谱，再傅里叶变换到时域上对应将脉冲波形。这种方式的主要缺点是传统的锁模技术与滤波器件都不是高度主动可控的。

第三种是基于光纤环位相调制的时间透镜方式。这种方式主要的原理是首先利用强度调制器斩波出初始脉冲，然后脉冲经过光纤环式的位相调制从而获得足够多的频谱量，最后再利用光栅对进行脉冲压缩。这种方式的主要缺点是，位相调制的频率主要受斩波脉冲的宽度影响，斩波脉冲的宽度越窄，位相调制频率才可以设置较大，相应的光谱展宽才越大，但是由于强度调制器的原因，斩波脉冲的宽度不可能做到低于10ps，这就使得脉冲的频谱展宽量有限，因此最终的脉冲整形功能也有限。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，结合上述三种方式而提供一种基于循环位相调制时间光栅的超短激光脉冲整形系统，该系统不仅能输出超短脉冲，还可以增加脉冲频谱信息，更容易对脉冲进行整形。

本发明通过以下技术方案实现：

一种超短激光脉冲整形系统，采用单纵模激光器作为光源，特点在于其构成包括：沿单纵模激光器输出的脉冲光方向依次设置的强度调制器、第一掺镱光纤放大器、光纤分束器、光纤合束器和第二掺镱光纤放大器；任意波发生器的输出端分别与所述的强度调制器、第一光电开关、第一相位调制器、第二光电开关、第二相位调制器、﹍、第N光电开关和第N相位调制器的控制端相连；

所述的光纤分束器将经第一掺镱光纤放大器输出的脉冲光分为N路光束，其中N为大于1的正整数，沿第一路光束方向设有第一相位调制器和第一延时线，沿第二路光束方向依次设有第二相位调制器和第二延时线，﹍，沿第N路光束方向依次设有第N相位调制器和第N延时线，所有N路光束通过所述的光纤合束器合并为一束光束，再经第二掺镱光纤放大器放大后输出。

所述的单纵模激光器的频谱带宽小于100KHz，输出最大功率为100mw。

所述的第一掺镱光纤放大器和第二掺镱光纤放大器为可调谐放大器，放大范围为0～25dB，最大输出功率为5W。

所述的光纤分束器的分束比例为1：1：……1，消光比≥18dB，带宽15nm。

所述的相位调制器的半波电压4V，3dB带宽大于10GHz。

本发明系统包括三部分：

第一部分，利用强度调制器的斩波性实现高超短初始激光脉冲的输出，然后通过光纤放大器对斩波过程中损失的能量进行补偿。

第二部分创新性的采用分束－光纤环式的位相调制－合束技术，通过对两路或多路光束进行适当的光纤环式的位相调制后再合束的技术，利用光场干涉原理压缩激光脉冲。首先利用分束器将激光脉冲分成完全相同的多路光束，然后利用光纤环装置对分束后的脉冲进行位相调制，利用光开关控制位相调制脉冲的次数，相邻光束的光纤环位相调制系统所施加的最终相位差

恒定。为保证各路光束同步经过合束器进行合束，在系统的各路光束中使用延时线。N路光脉冲合束得到脉冲光场强度随时间的变化为：

其中，I₀(t)为分束前光脉冲强度，

为相邻光路的相位调制函数差，N是分束路数。

由于是循环式位相调制，因此该方案中不需要较高的位相调制的调制电压、调制频率和调制深度就可以达到足够相位差的效果，这种设计降低了对器件精密度的依赖，操作上更容易实现。

第三部分，利用光纤环式的反常色散光纤装置对经过位相调制而拥有一定啁啾量的脉冲进行二次压缩。对于一个脉冲，如果啁啾量C与群速度色散参数β₂的符号相反，那么随着脉冲的传输，脉冲将会逐渐被压缩。本发明利用光纤环式的反常色散光纤装置可以针对光纤合束装置输出的特定波形产生高度主动可控反常色散量，确保脉冲不会被过度压缩，压缩过后的脉冲光场可以表示为：

其中，

是合束之后的频域信号，β′₂是反常色散光纤施加的群速度色散参量。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1)不需要较高的位相调制电压、调制频率和调制深度就可以达到足够大的相位差，降低了对器件精密度的要求，操作上更容易实现；

2)有助于实现高精度可控的脉冲压缩，这种设计降低了实验操作的难度、增加了灵活性。

附图说明

图1是本发明超短激光脉冲整形的系统的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1是本发明超短激光脉冲整形系的光路示意图。本发明实施例1中N＝2，由图可见，本发明超短激光脉冲整形系统，采用单纵模激光器(1作为光源，其构成还包括沿单纵模激光器1输出的脉冲光方向依次设置的强调制器2、第一掺镱光纤放大器3、光纤分束器4、第一光电开关5、第二光电开关9、光纤合束器13和第二掺镱光纤放大器14、第三光电开关15、色散补偿光纤16；

所述的光纤分束器4将经第一掺镱光纤放大器3输出的脉冲光分为两路光束，沿第一路光束方向设有第一相位调制器7和第一延时线6，沿第二路光束方向依次设有第二相位调制器9和第二延时线10，两路光束通过所述的光纤合束器13合并为一束光束，再经第二掺镱光纤放大器14放大后输出到所述的色散补偿装置；

任意波发生器17的输出端分别与所述的第一光电开关5、第一位相调制器7、第二光电开关9、第二相位调制器11的控制端相连。

所述的单纵模激光器1的频谱带宽小于100KHz，输出最大功率为100mw。

第一掺镱光纤放大器3与第二掺镱光纤放大器14的放大范围为0～25dB，最大输出功率为5W。

所述的光纤分束器4的分束比例为1：1：……1，消光比≥18dB,带宽15nm。

所述的第一相位调制器7和第二相位调制器11的半波电压4V，3dB带宽大于10GHz。

单纵模光纤激光器1、强度调制器2、第一掺镱光纤放大器3依次连接。

所述的第一光电开光5、第二光电开光9、第N+1光电开光15的插入损耗＜3dB，开关速度＜100ps，半波电压为4V，最高工作频率为10GHz。

所述的第一光纤延时线6、第二光纤延时线10，延时线总长度为300ps、精度为1ps。

根据公式(1)和公式(2)而选择相应的分束路数、位相差参数、色散补偿参数就可以得到所需的特定脉冲(特定的脉冲波形和宽度)。

本发明采用了多个光纤环位相调制器并行工作，具有光纤环位相调制实现宽谱线性啁啾的优点，同时结合相干合束和光纤环色散补偿技术，能够得到更窄的脉冲宽度和更高的脉冲控制精度。与其他利用相干合束产生超短激光脉冲的方案相比，本发明对位相调制器的调制电压要求较低，稳定性更好，能够获取到足够宽的频谱，因此相比较使用单一位相调制实现相干合束的系统，对脉冲的整形功能更强大，调制精度更高。采用全光纤结构，系统装置简单，对输出脉冲信号高精度可控，功能十分强大。

Claims (7)

1.一种基于光纤环循环调制时间光栅的超短激光脉冲整形系统，采用单纵模激光器(1)作为光源，特征在于其构成还包括初始斩波装置、脉冲分束装置、光纤环位相调制装置、合束装置、光纤环色散补偿脉冲压缩装置；

所述的光纤环位相调制装置包括N个光开关、N个位相调制器、N个光放大器、N条延时线和任意波形发生器(17)，所述的光纤环色散补偿脉冲压缩装置包括第二掺镱光纤放大器(14)、第N+1光开关(15)和色散补偿光纤(16)，具体的结构及连接关系如下：

沿所述的单纵模激光器(1)输出的脉冲光方向依次是强度调制器(2)、第一掺镱光纤放大器(3)、光纤分束器(4)，该光纤分束器(4)将经第一掺镱光纤放大器(3)输出的脉冲光分为N路光束，其中N为2以上的正整数；

沿第一路光束方向依次设置的第一光开关(5)、第一相位调制器(7)与第一光放大器(8)构成的第一光纤环位相调制器，该第一光纤环位相调制器输出的光束经第1延时线(6)输出，沿第二路光束方向依次设置的第二光开关、第二相位调制器与第二光放大器构成第二光纤环位相调制器，该第二光纤环位相调制器输出的光束经第二延时线输出，﹍，沿第N路光束方向依次设置的第N光开关(9)、第N相位调制器(11)与第N光放大器(12)构成第N光纤环位相调制器，该第N光纤环位相调制器输出的光束经第N延时线(10)输出；所述的第1延时线(6)、第2延时线，﹍第N延时线(10)的输出端与所述的合束装置(13)的输入端相连，该合束装置(13)的输出端与所述的第二掺镱光纤放大器(14)的输入端相连，该第二掺镱光纤放大器(14)的输出端与第N+1光开关(15)的第1输入端口相连，在第N+1光开关(15)的第2输入端口和第2输出端口之间连接色散补偿光纤(16)，所述的第N+1光开关(15)的第2输出端口为本系统输出端口；

所述的任意波发生器(17)的输出端分别与所述的斩波所用的强度调制器(2)、光纤环所用的第一光开关(5)、第一位相调制器(7)、第二光开关、第二相位调制器、﹍、第N光开关(9)、第N相位调制器(11)的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的超短激光脉冲整形系统，其特征在于所述的分束路数N与相位差

是根据激光脉冲合束后光场强度公式(1)来确定：

其中，I₀(t)为分束前光脉冲强度，N是分束路数，φ_i是第i支路上位相调制系统所施加的位相，

为相邻光路的相位差。

3.根据权利要求1所述的超短激光脉冲整形系统，其特征在于所述的色散补偿光纤(16)应根据下列公式控制反常色散量，确保脉冲不会被过度压缩：

其中，

是合束之后的频域信号，β′₂是反常色散光纤施加的群速度色散参量。

4.根据权利要求1所述的超短激光脉冲整形系统，其特征在于所述的单纵模激光器(1)的频谱带宽小于100KHz，输出最大功率为100mw。

5.根据权利要求1所述的超短激光脉冲整形系统，其特征在于所述的第一光放大器(8)、第二光放大器、﹍、第N光放大器(12)都为掺镱光纤放大器，所述的第一掺镱光纤放大器(3)、第一光放大器(8)、第二光放大器、﹍、第N光放大器(12)和第二掺镱光纤放大器(14)为可调谐放大器，放大范围为0～25dB，最大输出功率为5W。

6.根据权利要求1所述的超短激光脉冲整形系统，其特征在于所述的分束器(4)为光纤分束器，分束比例为1：1：……1，消光比≥18dB，带宽15nm。

7.根据权利要求1至6任一项所述的超短激光脉冲整形系统，其特征在于所述的第一相位调制器(7)、第二相位调制器、﹍、第N相位调制器(11)的半波电压为4V，3dB带宽大于10GHz。

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