CN110676676A - 一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统及方法，为解决现有光纤激光器难以直接输出爆发模式脉冲的问题；本系统包括脉冲光纤激光器、偏振控制器、环形器、耦合器、相位调制器、微波源、光纤放大器和普通单模光纤；脉冲光纤激光器输出的锁模脉冲依次经偏振控制器、环形器后输入耦合器；微波源与相位调制器连接，微波源的输出信号频率连续可调；耦合器将锁模脉冲分为两部分光脉冲；两部分光脉冲在耦合器、相位调制器、普通单模光纤以及光纤放大器依次连接形成的闭环中沿相反方向传输获得不同的相移量；最后在耦合器中相干叠加引起自幅度调制效应，产生爆发模式的激光脉冲；本发明实现了爆发模式的激光脉冲内部亚脉冲的重复频率连续可调。

Description

一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统及方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统及方法的设计。
背景技术
脉冲光纤激光器因其输出脉冲具有极窄脉宽、高峰值功率和高能量等特点，在基础科学研究、高速光通信、微机械加工、超快激光光谱和精密计量等领域具有广泛应用。
在材料加工方面，研究人员提出利用以孤子爆发模式(soliton burst mode)运转的激光脉冲来降低材料的散热速度，从而提升烧蚀效率。爆发模式是指重复频率在MHz量级的孤子脉冲簇，其内部亚脉冲的重复频率在GHz量级。由于爆发模式脉冲具有较高的峰值功率和较低的平均功率，其烧蚀特性与传统的高重复频率激光脉冲相比更优越，为高精度微加工应用提供了一种替代方案。
通常利用声光调制器和电光调制器等对种子光源输出的脉冲信号进行时域调制，从而产生爆发模式脉冲。然而，这类方案需要对脉冲进行多级放大、色散补偿与脉冲压缩等操作，使得系统十分庞杂，且能量利用率较低。近年来，在基于非线性偏振旋转的光纤激光器中通过精确调控腔内增益、双折射和色散等参数，也能够实现孤子爆发模式脉冲输出，但这种方法调试难度大，且系统稳定性极易受到外界环境干扰，限制了其实际应用范围。
因此，需要开发新技术来产生孤子爆发模式脉冲，满足众多应用领域的实际需要。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有光纤激光器中难以直接输出爆发模式脉冲的技术问题，提出了一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统及方法。
本发明的技术方案为：一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统，包括脉冲光纤激光器、偏振控制器、环形器、耦合器、相位调制器、微波源、光纤放大器和普通单模光纤；所述脉冲光纤激光器、偏振控制器、环形器和耦合器依次连接；所述耦合器、相位调制器、普通单模光纤以及光纤放大器依次连接形成闭环；所述微波源与相位调制器连接。
优选的，所述微波源的输出信号频率连续可调。
优选的，微波源的输出信号频率范围满足：1GHz≤fRF≤40GHz。
优选的，所述普通单模光纤的长度为100m，非线性系数为3/W/km。
优选的，所述耦合器为光纤定向耦合器，其耦合比率为50/50。
本发明还提出了一种产生孤子爆发模式的方法，包括以下步骤：
S1、脉冲光纤激光器输出稳定的锁模脉冲，其时域形状为矩形，并通过调节偏振控制器控制输出光信号的偏振态；
S2、经偏振控制器输出的锁模脉冲通过环形器后入射至耦合器中；耦合器将入射锁模脉冲分成两部分光脉冲，分别记为第一光脉冲、第二光脉冲；
S3、利用微波源输出微波信号，并将其加载到相位调制器的驱动电极上；
S4、第一光脉冲依次经加载了微波信号的相位调制器、普通单模光纤、光纤放大器获得第一相移量后进入耦合器；第二光脉冲依次经光纤放大器、普通单模光纤、加载了微波信号的相位调制器获得第二相移量后进入耦合器；所述第一相移量不等于第二相移量；
S5、经步骤S4处理后进入耦合器的第一光脉冲、第二光脉冲，在耦合器中相干叠加时引起自幅度调制效应，从而产生爆发模式的激光脉冲；所述爆发模式的激光脉冲经过环形器输出。
优选的，步骤S3所述的微波源输出的微波信号频率连续可调。
优选的，步骤S3所述的微波源输出的微波信号频率范围为1～40GHz。
优选的，所述经环形器输出的爆发模式的激光脉冲内部亚脉冲的重复频率等于微波源输出的微波信号频率。
优选的，步骤S2所述的耦合器耦合比率为50/50，则耦合器输出的传输方向相反的第一光脉冲、第二光脉冲强度相等。
本发明的有益效果是：本发明中由脉冲光纤激光器输出的锁模脉冲，经偏振控制器、环形器后进入耦合器，耦合器、相位调制器、普通单模光纤以及光纤放大器依次连接形成闭环，耦合器将输入的锁模脉冲分为在闭环内沿相反方向传输的两部分光脉冲；由于相位调制器和光纤放大器在环内的非对称放置，导致沿相反方向运转的两部分光脉冲所获得的相移量不同；最后在耦合器中相干叠加时将引起自幅度调制效应，表现为锁模脉冲的不同部分具有不同的反射特性，从而产生爆发模式的激光脉冲，并经过环形器输出；本发明通过调节微波源输出信号的频率，实现爆发模式的激光脉冲内部亚脉冲的重复频率连续可调；本发明具备以下优点：
(1)本发明所用器件均已商用化，使得本发明的方法易于实施；
(2)本发明具有结构简单紧凑，调试简单，稳定性高等优点；
(3)本发明通过调节微波源输出信号的频率，实现爆发模式的激光脉冲内部亚脉冲的重复频率连续可调，大大降低了系统成本，可直接应用于材料加工、环境测量和医疗等领域。
附图说明
图1为本发明提供的一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统结构示意图。
图2为本发明实施例中当微波信号的频率fRF取5GHz时，矩形种子光输出的爆发模式脉冲时域图。
图3为本发明实施例中当微波信号的频率fRF取10GHz时，矩形种子光输出的爆发模式脉冲时域图。
图4为本发明实施例中当微波信号的频率fRF取40GHz时，矩形种子光输出的爆发模式脉冲时域图。
附图标记说明：1—脉冲光纤激光器、2—偏振控制器、3—环形器、4—耦合器、5—相位调制器、6—微波源、7—光纤放大器、8—普通单模光纤。
具体实施方式
下面结合附图1-4对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统，如图1所示，包括脉冲光纤激光器1、偏振控制器2、环形器3、耦合器4、相位调制器5、微波源6、光纤放大器7和普通单模光纤8；所述脉冲光纤激光器1、偏振控制器2、环形器3和耦合器4依次连接；所述耦合器4、相位调制器5、普通单模光纤8和光纤放大器7依次连接形成闭环；所述微波源6与相位调制器5连接。
本实施例中以爆发模式的激光脉冲内部亚脉冲的重复频率在1～40GHz范围连续可调为例对本发明的内容进行阐述：
本实施例中脉冲光纤激光器1为被动锁模掺铒光纤激光器，其输出脉冲形状为矩形，脉冲重复频率在MHz量级。
耦合器4为光纤定向耦合器，本实施例中其耦合比率为50/50，本领域的技术人员应注意，本实施例仅以耦合比率为50/50进行说明，并不仅限于本发明的技术方案只能采用耦合比率为50/50，当在本发明的技术方案基础上，采用其他耦合比率实现爆发模式的激光脉冲内部亚脉冲的重复频率连续可调时，这种变形也在本发明的保护范围之内。
本实施例中的相位调制器5采用EOSpace公司的铌酸锂(LiNbO3)电光相位调制器，其调制带宽为40GHz，工作波长在1550nm附近。
本实施例中的微波源6采用Rohde&Schwarz公司的微波信号发生器，可以输出频率满足1GHz≤fRF≤40GHz的微波信号。
本实施例中的光纤放大器7为掺铒光纤放大器。
本实施例中的普通单模光纤8采用美国Nufern公司生产的高性能单模光纤，其总长度为100m，在1550nm处其色散系数为-23ps2/km、非线性系数为3/W/km。
本发明中涉及的工作原理具体如下：
由脉冲光纤激光器1输出一个中心波长为1550nm的锁模脉冲信号，通过调节偏振控制器2控制锁模脉冲信号的偏振态，然后经环形器3后入射至耦合器4中，其入射光场可以表示为：Ein＝E0exp(-i2πf0t)，其中E0表示光脉冲的复振幅包络，f0是脉冲中心频率，i是虚数单位。由微波源6输出一个频率在1～40GHz范围连续可调的微波信号，并加载到相位调制器5的驱动电极上。耦合器4将入射光脉冲分成强度相等、传输方向相反的两部分光脉冲，分别记为：第一光脉冲、第二光脉冲；其中顺时针方向传输的第一光脉冲通过相位调制器5后输出光调制信号，其光场可以表示为：
Figure BDA0002229545170000041
式中，m表示调制深度，fRF是微波信号频率，t表示时间。
逆时针方向传输的第二光脉冲通过光纤放大器7后实现功率放大，其光场可以表示为：
Figure BDA0002229545170000042
式中，G表示光纤放大器7的增益。
当两部分光脉冲在环路内沿相反方向循行一周后，其光场可以分别表示为：
Figure BDA0002229545170000043
式中，γ为普通单模光纤8的非线性系数，L是光纤长度。
当它们在耦合器4中相干叠加时，其反射光场可以表示为：
光纤环路的反射率满足关系：
式(5)中，Pin表示入射光脉冲功率，Pr表示反射光脉冲功率；
由式(5)可以看出，锁模脉冲的不同部分具有不同的反射特性，从而实现爆发模式的激光脉冲输出。
本发明还提出了一种产生孤子爆发模式的方法，包括以下步骤：
S1、脉冲光纤激光器1在腔内色散、非线性效应、增益和损耗等共同作用下，实现稳定的锁模脉冲输出，其时域形状为矩形，并通过调节偏振控制器2控制输出光信号的偏振态；
S2、经偏振控制器2输出的锁模脉冲通过环形器3后入射至耦合器4中，耦合器4将入射光脉冲分成强度相等、传输方向相反的两部分光脉冲，分别记为：第一光脉冲、第二光脉冲；
S3、利用微波源6输出一个频率在1～40GHz范围连续可调的微波信号，将其加载到相位调制器5的驱动电极上；
S4、由于相位调制器5和光纤放大器7分别放置在耦合器4的两个输出端口附近，使得两部分光脉冲所经历的物理过程不同：顺时针方向传播的第一光脉冲先输入到相位调制器5中，利用加载在相位调制器5驱动电极上的微波信号进行调制，引入线性相移；随后输出的光调制信号在普通单模光纤8中传输，在自相位调制和交叉相位调制效应的作用下产生非线性相移；最后顺时针方向传输的第一光脉冲输入至光纤放大器7中进行功率放大；逆时针方向传播的第二光脉冲先输入到光纤放大器7中进行功率放大；随后在普通单模光纤8中传输，在自相位调制和交叉相位调制效应的作用下引入非线性相移；最后输入至相位调制器5中，由于加载在其驱动电极上的微波信号频率在GHz量级，相位调制器5这类行波器件无法对逆时针方向传输的第二光脉冲进行调制，不引入线性相移；
S5、由于相位调制器5和光纤放大器7在环内的非对称放置，导致沿相反方向运转的两部分光脉冲所获得的相移量不同；在耦合器4中相干叠加时将引起自幅度调制效应，表现为锁模脉冲的不同部分具有不同的反射特性，从而产生爆发模式的激光脉冲，并经过环形器3输出；通过调节微波源6输出信号的频率，实现爆发模式的激光脉冲内部亚脉冲的重复频率在1～40GHz范围连续可调。
根据本发明提出的产生孤子爆发模式的脉冲光源系统建立数值模型，其仿真参数为：脉冲光纤激光器1输出的锁模脉冲的中心频率λ0为1550nm，脉冲宽度为4ns；微波源6输出的微波信号的调制深度m取0.8；光纤放大器7的增益为20dB；普通单模光纤8长度为100m，非线性系数为3/W/km。仿真结果如下：
如图2所示是当微波信号的频率fRF取5GHz时，矩形种子光输出的爆发模式脉冲时域图。从中可以看到，爆发模式的激光脉冲内部相邻两个亚脉冲之间的间隔为0.2ns，对应的脉冲重复频率为5GHz，与微波信号的频率相等。
如图3所示是当微波信号的频率fRF取10GHz时，矩形种子光输出的爆发模式脉冲时域图。从中可以看到，爆发模式的激光脉冲内部相邻两个亚脉冲之间的间隔为0.1ns，对应的脉冲重复频率为10GHz，与微波信号的频率相等。
如图4所示是当微波信号的频率fRF取40GHz时，矩形种子光输出的爆发模式脉冲时域图。从中可以看到，爆发模式的激光脉冲内部相邻两个亚脉冲之间的间隔为0.025ns，对应的脉冲重复频率为40GHz，与微波信号的频率相等。
上述图2-图4的仿真参数，不仅限于本实施例中所提供的这一组参数组合，在本发明技术方案的基础上，通过调节微波源输出信号的频率，实现爆发模式的激光脉冲内部亚脉冲的重复频率连续可调的其他参数组合，也在本发明的保护范围之内。
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 (10)

1.一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统，其特征在于，包括脉冲光纤激光器(1)、偏振控制器(2)、环形器(3)、耦合器(4)、相位调制器(5)、微波源(6)、光纤放大器(7)和普通单模光纤(8)；所述脉冲光纤激光器(1)、偏振控制器(2)、环形器(3)和耦合器(4)依次连接；所述耦合器(4)、相位调制器(5)、普通单模光纤(8)以及光纤放大器(7)依次连接形成闭环；所述微波源(6)与相位调制器(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统，其特征在于，所述微波源(6)的输出信号频率连续可调。
3.根据权利要求2所述的一种产生孤子爆发模式的脉冲光源系统，其特征在于，微波源(6)的输出信号频率范围满足：1GHz≤fRF≤40GHz。
4.根据权利要求3所述的产生孤子爆发模式的脉冲光源系统，其特征在于，所述普通单模光纤(8)的长度为100m，非线性系数为3/W/km。
5.根据权利要求1所述的产生孤子爆发模式的脉冲光源系统，其特征在于，所述耦合器(4)为光纤定向耦合器，其耦合比率为50/50。
6.一种产生孤子爆发模式的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、脉冲光纤激光器(1)输出稳定的锁模脉冲，其时域形状为矩形，并通过调节偏振控制器(2)控制输出光信号的偏振态；
S2、经偏振控制器(2)输出的锁模脉冲通过环形器(3)后入射至耦合器(4)中；耦合器(4)将入射锁模脉冲分成两部分光脉冲，分别记为第一光脉冲、第二光脉冲；
S3、利用微波源(6)输出微波信号，并将其加载到相位调制器(5)的驱动电极上；
S4、第一光脉冲依次经加载了微波信号的相位调制器(5)、普通单模光纤(8)、光纤放大器(7)获得第一相移量后进入耦合器(4)；第二光脉冲依次经光纤放大器(7)、普通单模光纤(8)、加载了微波信号的相位调制器(5)获得第二相移量后进入耦合器(4)；所述第一相移量不等于第二相移量；
S5、经步骤S4处理后进入耦合器(4)的第一光脉冲、第二光脉冲，在耦合器(4)中相干叠加时引起自幅度调制效应，从而产生爆发模式的激光脉冲；所述爆发模式的激光脉冲经过环形器(3)输出。
7.根据权利要求6所述的一种产生孤子爆发模式的方法，其特征在于，步骤S3所述的微波源(6)输出的微波信号频率连续可调。
8.根据权利要求7所述的一种产生孤子爆发模式的方法，其特征在于，步骤S3所述的微波源(6)输出的微波信号频率范围为1～40GHz。
9.根据权利要求8所述的一种产生孤子爆发模式的方法，其特征在于，所述经环形器(3)输出的爆发模式的激光脉冲内部亚脉冲的重复频率等于微波源(6)输出的微波信号频率。
10.根据权利要求6所述的一种产生孤子爆发模式的方法，其特征在于，步骤S2所述的耦合器(4)耦合比率为50/50，则耦合器(4)输出的传输方向相反的第一光脉冲、第二光脉冲强度相等。
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