CN110739601A - 一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器 - Google Patents

一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽波段可调谐拉曼光纤激光器，其特征在于，由激光振荡部发出的种子光依次经过激光预放大部、脉宽控制部、主放大部、数字信号批处理及脉宽调制部，种子光经由多级级联放大组成的预放大部中，其后进入脉宽控制部进行脉宽压缩后，导入到主放大部中的主放大部光子晶体光纤中产生自相位调制效应，最终得到宽波段可调谐激光。而脉宽控制部随时可由信号处理及脉宽调制部对其进行调整，并对调谐最终得到的激光。本发明的有益效果包括：针对科学界对于宽波段可调谐激光研制的技术难点，提出一种利用脉冲高峰值功率引发光子晶体光纤中的多阶拉曼增益，从而获得宽波段可调谐拉曼脉冲输出。有效解决了拉曼激光难以压缩的技术难点。

Description

一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体涉及一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器。
背景技术
当今光纤激光器因为其对于光纤器件兼容性好、光束质量高、成本较低等特点，在激光器的发展中凸显出尤为重要的地位。而宽波段超短脉冲光纤激光器作为一种高精度光物质检测必备光源，因此应用前景广泛。目前，国内外能够实现宽波段输出，且波长可调谐的飞秒光纤激光器鲜有报道，一般来讲当前国内的宽波段短脉冲激光器光谱范围大多小于100nm，激光光谱可调谐范围小于30nm。由于激光物质检测常常需要激光光源的输出波长匹配检测物质的吸收波长；且需要通过超短脉冲激光激发检测物质能级，以实现高时间精度与空间精度的精度无损检测；而且在检测物质时，最好采用可调谐激光光源，以实现待测物种类的快速扫描定标。因此开发一种宽波段输出可调谐的激光器也显得更为重要。
目前宽波段光纤激光器的结构多种多样，实现宽波段输出的方法也多有不同。现有的方法一般采用相位调制器或频移器实现宽波段输出。但由于脉冲在相位调制器或频移器中传输，将不可避免的积累高阶色散，因此往往无法将最终输出压缩到飞秒量级超短脉冲。且相位调制器在高功率激光脉冲放大过程中极易损坏，因此现阶段无法实现高功率可调谐的超短脉冲输出。同时，现有方法对于各种光纤光栅的排布以及特殊原件设计本身成本较高，且可能会导致能量利用率低下，输出激光能量低，输出激光脉宽较宽(输出脉宽≥5ps)等问题。
发明内容
针对上述现有技术中的不足之处，本发明提供一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器，其实现宽波段超短脉冲可调谐输出，可实现光谱可调谐范围400nm以上的飞秒激光输出，可为超快激光物质检测提供优质光源。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器，其特征在于：所述激光器包括依次设置的激光振荡部、预放大部、脉宽控制部、主放大部、脉冲信号分析与时频域调制部；所述激光振荡部产生种子光并依次经过所述预放大部预放大，进入所述脉宽控制部实现脉宽压缩，导入到主放大部的光子晶体光纤中，引发脉冲自相位调制，激发脉冲在光子晶体光纤中传输的高阶拉曼增益，从而输出宽波段可调谐拉曼激光；其中脉冲信号分析与时频域调制部反馈连接至脉宽控制部，并反馈控制输出激光的光谱范围和脉宽。
进一步地，激光振荡部包括激光振荡器用于产生种子光。
进一步地，所述预放大部包括至少一级激光放大器，每级所述激光放大器均包括光纤光隔离器、波分复用器、掺杂光纤、至少一个泵浦装置，其中所述光纤光隔离器、波分复用器、掺杂光纤依次连接，所述泵浦装置连接至波分复用器，所述泵浦装置通过第一波分复用器导入掺杂光纤泵浦，使得所述激光振荡部产生的种子光获得增益。
进一步地，所述脉宽控制部包括第一透镜、第一D型反射镜、第一二分之一波片、透射光栅对、第一零度反射镜、第一反射镜，其中投射光栅对包括间隔设置的第一投射光栅、第二投射光栅，所述第一二分之一波片设置于所述第一投射光栅之前；所述预放大部出射的激光经过第一透镜汇聚后透过第一二分之一波片进入透射光栅对进行脉宽压缩，使激光获得高峰值功率，经过透射光栅对的激光经第一零度反射镜再次反射回透射光栅对，实现脉宽压缩，压缩后的激光透过所述第一二分之一波片，再经第一D型反射镜反射至第一反射镜，再经第一反射镜反射至主放大部。
进一步地，所述第二投射光栅和第一零度反射镜均连接有电机装置，所述电机装置受脉冲信号分析与时频域调制部控制，使得第二投射光栅和第一零度反射镜实现横向或纵向的运动。
进一步地，所述主放大部包括第二透镜、光子晶体光纤、第一二向色镜、第三透镜、泵浦源、第四反射镜；所述脉宽控制部中输出的激光由第二透镜汇聚后进入光子晶体光纤；所述泵浦源产生的泵浦光由第三透镜汇聚后，穿过第一二向色镜耦合进入光子晶体光纤中，使激光在光子晶体光纤中传输时获得高阶拉曼增益，从而得到波长可调激光，光谱宽度覆盖700-1250nm；所述第四反射镜将光子晶体光纤输出的一部分光导入脉冲信号分析与时频域调制部中。
进一步地，所述脉冲信号分析与时频域调制部包括光谱仪及自相关仪模块、光谱分析及数字信息处理模块，其中所述光谱仪及自相关仪模块用于分析第四反射镜反射的激光，得到所述激光的光谱及脉宽信息；所述光谱分析及数字信息处理模块用于接收光谱信息及脉宽信息，根据分析光谱信息得到的结果，生成控制信号，进一步的反馈控制所述电机装置。
本发明的有益效果包括：本发明针对当前超快激光物质检测良玉对宽波段可调谐超短脉冲激光器的大量需求，以及科学界对于宽波段可调谐激光研制的技术难点，提出一种利用脉冲高峰值功率引发光子晶体光纤中的多阶拉曼增益，从而获得宽波段可调谐拉曼脉冲输出。有效解决了拉曼激光难以压缩的技术难点。
附图说明
图1为本发明宽波段可调谐光纤飞秒激光器的结构示意图；
图2为本发明预放大部的结构示意图；
图3为本发明脉宽控制部的结构示意图；
图4为本发明主放大部的结构示意图；
图5为本发明脉冲信号分析与时频域调制部结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本发明。
本发明的实施例以掺镱增益光纤为例，其输出激光中心波长在1030nm。
如图1所示宽波段可调谐光纤飞秒激光器的结构示意图，包括信号依次传递的激光振荡部100，预放大部200，脉宽控制部300，主放大部400，脉冲信号分析与时频域调制部500。所述激光振荡部100产生种子光并依次经过所述预放大部200预放大，进入所述脉宽控制部300实现脉宽压缩，导入到主放大部400的光子晶体光纤402中，引发脉冲自相位调制，激发脉冲在光子晶体光纤402中传输的高阶拉曼增益，从而输出宽波段可调谐拉曼激光；其中脉冲信号分析与时频域调制部500反馈连接至脉宽控制部300，并反馈控制输出激光的光谱范围和脉宽。
如图2所示预放大部200的结构示意图，预放大部200为多级级联放大串联而成，每级级联放大部分都由一个光纤光隔离器201、波分复用器202、掺杂光纤204，以及给掺杂光纤204提供粒子数反转能量的泵浦装置203，所述泵浦装置203可使用一个或多个泵浦源。
种子光由振荡部100发出，导入预放大部200中。预放大部200为多级级联放大，本实施例中优选两级级联放大。种子光进入第一级预放大部中，在第一级预放大部中，泵浦装置203通过第一波分复用器202导入第一增益光纤204泵浦，使种子光获得增益；其后一级级联放大构造与第一级实现多级放大构造相同。在每一级预放大部前加入隔离器，以保护前部光路。本实施例中最后一级预放大部采用双包层增益光纤放大，但不仅限于使用此种光纤，然后激光被导入脉宽控制部。
如图3所示脉宽控制部300的结构示意图，脉宽控制部300主要包括以下部件：第一透镜301，第一D型反射镜302，第一二分之一波片303，透射光栅对，第一零度反射镜306，第一反射镜307，其中投射光栅对包括第一透射光栅304和第二透射光栅305。
预放大部200出射的激光由透镜301汇聚后，绕过第一D型反射镜302，激光可从左向右从所述第一D型反射镜302上方通过，由透射光栅对对脉宽进行压缩，使激光获得高峰值功率，从而使激光在各级掺杂光纤中传输时获得高阶拉曼增益。在透射光栅对前设置的第一二分之一波片303，使压缩脉宽对激光的损耗效率最小，经透射光栅对由第一零度反射镜306反射返回实现脉宽压缩，再返回由所述第一D型反射镜302反射至第一反射镜307；最后压缩后的激光由第一反射镜307反射后进入主放大部中。所述第二透射光栅305及第一零度反射镜设置在电机装置503上，由脉冲信号分析与时频域调制部500控制。
如图4为本发明主放大部400的结构示意图，主放大部400主要包括以下部件，第二透镜401，光子晶体光纤402，第一二向色镜403，第三透镜404，泵浦源405，第四反射镜406。
脉宽控制部300中输出的激光由第二透镜401汇聚后进入光子晶体光纤402，由泵浦源405为其提供泵浦能量，泵浦源405产生的泵浦光由第三透镜404汇聚后，穿过第一二向色镜403耦合进入光子晶体光纤402中。
从而使激光在光子晶体光纤402中传输时获得高阶拉曼增益。同时，由于高功率拉曼脉冲在光子晶体光纤402中的自相位调制效应，使各阶拉曼脉冲在频域获得展宽，在时域可压缩各阶拉曼脉冲宽度。
在主放大部400所对应的光子晶体光纤402中，极高峰值功率的激光在光子晶体光纤402中产生自相位调制效应，在激光放大的同时产生多阶斯托克斯及反斯托克斯辐射，得到多波长激光，光谱宽度可覆盖700-1250nm，光谱可调谐范围750-1150nm，可调谐范围400nm。最终产生的激光由第四反射镜406将一部分光导入脉冲信号分析与时频域调制部500中。
如图5所示脉冲信号分析与时频域调制部500结构示意图，包括数字信号处理及脉冲控制部，主要分为以下部件：光谱仪及自相关仪模块501、光谱分析及数字信息处理模块502，电机控制模块504。
所述脉冲信号分析与时频域调制部500中，主放大部400中产生的激光，经由第四反射镜406反射后，将第四反射镜406背后的散射光导入脉冲信号分析与时频域调制部500所在的光谱仪以及自相关仪模块501中，得到激光的光谱及脉宽信息。接收到的光谱信息及脉宽信息输入到光谱分析及数字信息处理模块502，通过光谱分析及数字信息处理模块502、电机控制模块504，随时控制所述电机装置503，使得第二投射光栅305和第一零度反射镜306实现横向或纵向的运动，从而对主放大部400产生的激光调谐，以得到所需的覆盖从可见光到近红外波段多个波段的高阶拉曼激光，光谱宽度可调谐范围400nm，压缩后可实现脉冲宽度飞秒量级的拉曼激光输出。该激光系统最终输出能量可达12μJ，脉冲宽度200fs，光谱覆盖700-1250nm，光谱可调谐范围750-1150nm，可调谐范围400nm的可调谐拉曼激光。该激光系统可为超快激光物质检测提供光源，其性能优于目前国内同类宽波段飞秒激光产品。
本实施例所述的脉宽控制部300中，使用透射光栅对对激光压缩脉宽。在本发明的其他实施例中，脉冲压缩也可通过其他光脉冲压缩元件实现，如布拉格光纤光栅、棱镜对、以及棱栅对等。
本发明实施例中使用光纤具体有：掺杂光纤、双包层光纤、光子晶体光纤均为掺镱光纤，但本发明实际使用中不仅限于此。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器，其特征在于：所述激光器包括依次设置的激光振荡部(100)、预放大部(200)、脉宽控制部(300)、主放大部(400)、脉冲信号分析与时频域调制部(500)；所述激光振荡部(100)产生种子光并依次经过所述预放大部(200)预放大，进入所述脉宽控制部(300)实现脉宽压缩，导入到主放大部(400)的光子晶体光纤(402)中，引发脉冲自相位调制，激发脉冲在光子晶体光纤(402)中传输的高阶拉曼增益，从而输出宽波段可调谐拉曼激光；其中脉冲信号分析与时频域调制部(500)反馈连接至脉宽控制部(300)，并反馈控制输出激光的光谱范围和脉宽。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器，其特征在于：激光振荡部(100)包括激光振荡器用于产生种子光。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器，其特征在于：所述预放大部(200)包括至少一级激光放大器，每级所述激光放大器均包括光纤光隔离器(201)、波分复用器(202)、掺杂光纤(204)、至少一个泵浦装置203，其中所述光纤光隔离器(201)、波分复用器(202)、掺杂光纤(204)依次连接，所述泵浦装置(203)连接至波分复用器(202)，所述泵浦装置(203)通过第一波分复用器(202)导入掺杂光纤(204)泵浦，使得所述激光振荡部(100)产生的种子光获得增益。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器，其特征在于：所述脉宽控制部(300)包括第一透镜(301)、第一D型反射镜(302)、第一二分之一波片(303)、透射光栅对、第一零度反射镜(306)、第一反射镜(307)，其中投射光栅对包括间隔设置的第一投射光栅(304)、第二投射光栅(305)，所述第一二分之一波片(303)设置于所述第一投射光栅(304)之前；所述预放大部(200)出射的激光经过第一透镜(301)汇聚后透过第一二分之一波片(303)进入透射光栅对进行脉宽压缩，使激光获得高峰值功率，经过透射光栅对的激光经第一零度反射镜(306)再次反射回透射光栅对，实现脉宽压缩，压缩后的激光透过所述第一二分之一波片(303)，再经第一D型反射镜(302)反射至第一反射镜(307)，再经第一反射镜(307)反射至主放大部(400)。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第二投射光栅(305)和第一零度反射镜(306)均连接有电机装置(503)，所述电机装置(503)受脉冲信号分析与时频域调制部(500)控制，使得第二投射光栅(305)和第一零度反射镜(306)实现横向或纵向的运动。
6.根据权利要求5所述的一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器，其特征在于：所述主放大部(400)包括第二透镜(401)、光子晶体光纤(402)、第一二向色镜(403)、第三透镜(404)、泵浦源(405)、第四反射镜(406)；所述脉宽控制部(300)中输出的激光由第二透镜(401)汇聚后进入光子晶体光纤(402)；所述泵浦源(405)产生的泵浦光由第三透镜(404)汇聚后，穿过第一二向色镜(403)耦合进入光子晶体光纤(402)中，使激光在光子晶体光纤(402)中传输时获得高阶拉曼增益，从而得到波长可调激光，光谱宽度覆盖700-1250nm；所述第四反射镜(406)将光子晶体光纤(402)输出的一部分光导入脉冲信号分析与时频域调制部(500)中。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤高阶拉曼效应的可调谐超短脉冲光纤激光器，其特征在于：所述脉冲信号分析与时频域调制部(500)包括光谱仪及自相关仪模块(501)、光谱分析及数字信息处理模块(502)，其中所述光谱仪及自相关仪模块(501)用于分析第四反射镜(406)反射的激光，得到所述激光的光谱及脉宽信息；所述光谱分析及数字信息处理模块(502)用于接收光谱信息及脉宽信息，根据分析光谱信息得到的结果，生成控制信号，进一步的反馈控制所述电机装置(503)。
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