CN111668689A - 一种双波长高速扫频同步脉冲光源 - Google Patents

一种双波长高速扫频同步脉冲光源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双波长高速扫频同步脉冲光源。所述光源包括第一波长高速扫频脉冲光源、第二波长高速扫频脉冲光源、耦合器和波分复用器。第一波长高速扫频脉冲光源和第二波长高速扫频脉冲光源采用了被动锁模技术，通过利用声光型高速可调谐滤波器实现高速扫频；被动脉冲同步元件为双折射的非线性介质，位于第一波长高速扫频脉冲光源内，通过对双波长脉冲施加交叉相位调制完成脉冲同步并形成两路波长不同、重复频率一致的脉冲光输出；波分复用器对两路光信号进行复用，最后得到双波长高速扫频同步脉冲输出。本发明可以将扫频速度提升至kHz频率以上，同时双波长的输出特性有利于进一步提升相干拉曼成像、光学相干层析等技术的成像质量。

Description

一种双波长高速扫频同步脉冲光源
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种双波长高速扫频同步脉冲光源。
背景技术
扫频脉冲光源在许多科学、工程领域都有重要的应用，如相干拉曼散射显微成像、光学相干层析成像、光学测距等方面。一般来说，实现扫频脉冲输出主要可以通过：1）腔内可调滤波，2）腔外波长调谐，3）傅里叶域锁模，4）时间拉伸等方法，其中采用腔内滤波是最为直接的手段之一，同时可以保证扫频过程中的功率相对稳定。
随着近年来相干拉曼散射显微术的发展（Science, 2008, 322(5909): 1857-1861），人们开始越来越关注这种免标记、光毒性小的成像技术，同时对双波长同步扫频脉冲光源的需求变得越来越广泛。目前，较为方便的方法是采用同源锁模脉冲，利用光参量过程、孤子自频移或产生超连续光谱等方法进行频率转换，得到双波长扫频源，但伴随的其他非线性效应，如调制不稳定性会不可避免地放大噪声信号，进而影响成像质量。如何实现低噪声、高相干性地同步双波长扫频脉冲光源也成为了领域内的关键课题之一（Light SciAppl., 2020, 9, 25）。另一方面，因为扫频光源的扫描速度直接决定了系统的成像速度，所以如何获得高速的扫频光源也显得尤为重要。
为了解决上述提到的问题，本发明提出了一种双波长高速扫频同步脉冲光源，包括了第一、第二波长扫频脉冲光源；它们各自有独立的激光谐振腔结构从而保证了良好的噪声和相干特性，其中通过利用声光效应的光栅型可调滤波器替代了机械调谐的方式，较大提升了扫描速度。为保证双波长脉冲的同步性，在第一波长激光谐振腔内加入了双折射的非线性介质作为被动脉冲同步元件，最后实现了高相干性的双波长高速扫频脉冲的输出。
发明内容
本发明的目的是实现双波长高速扫频同步脉冲激光器，一方面可以确保双波长脉冲的相干性和噪声特性，同时还可以较大提升扫频速度至kHz频率范围。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种双波长高速扫频同步脉冲光源，包括第一波长高速扫频脉冲光源、第二波长高速扫频脉冲光源、耦合器和波分复用器；
所述第一波长高速扫频脉冲光源为波长可调谐被动锁模激光器，包括第一可饱和吸收体、第一泵浦激光器、第一泵浦光波分复用器、第一增益介质、第一三端口光环行器、第一高速可调谐滤波器、光延迟线、光学集成器件和被动脉冲同步元件；
其中，第一泵浦光波分复用器的一个输入端口接第一可饱和吸收体，另一个输入端口接第一泵浦激光器，公共端接第一增益介质的一端；第一三端口光环行器的端口2接第一增益介质的另一端，端口3接第一高速可调谐滤波器的输入端，端口1接被动脉冲同步元件的一端；光延迟线一端接第一高速可调谐滤波器的输出端，另一端接光学集成器件的第一波长信号输入端，光学集成器件的公共端接脉冲同步元件的另一端；
所述第二波长高速扫频脉冲光源同为波长可调谐被动锁模激光器，包括第二可饱和吸收体、第二泵浦激光器、第二泵浦光波分复用器、第二增益介质、第二三端口光环行器、光耦合器和第二高速可调谐滤波器；
其中，第二泵浦光波分复用器的一个输入端口接第二可饱和吸收体，另一个输入端口接第二泵浦激光器，公共端接第二增益介质的一端；第二三端口光环行器的端口2接第二增益介质的另一端，端口3接第二高速可调谐滤波器的输入端，端口1接光耦合器的一个输入端口；光耦合器的公共端接第二高速可调谐滤波器的输出端，光脉冲输出端接耦合器的公共端；
所述第一波长高速扫频脉冲光源的脉冲光由光学集成器件的第一波长信号输出端输出，导入波分复用器的第一波长信号输入端，所述第二波长高速扫频脉冲光源的脉冲光由光耦合器输出至耦合器的公共端，耦合器的一个输出端口接光学集成器件的第二波长信号输入端，用于同步，另一个输出端口将光导入波分复用器的第二波长信号输入端，最后通过波分复用器的公共端输出双波长高速扫频同步脉冲激光。
进一步地，所述第一可饱和吸收体和第二可饱和吸收体，分别用于当光在第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔和第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内振荡时，吸收低强度的光，实现锁模和脉冲输出；
所述第一泵浦激光器，用作第一波长高速扫频脉冲光源的种子光源；所述第二泵浦激光器，用作第二波长高速扫频脉冲光源的种子光源；
所述第一泵浦光波分复用器，为泵浦波长与第一信号波长的波分复用器，用于将泵浦源的光输入第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔内；
所述第二泵浦光波分复用器，为泵浦波长与第二信号波长的波分复用器，用于将泵浦源的光输入第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内；
所述第一增益介质和第二增益介质，分别用于放大第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔和第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内的光。
进一步地，所述第一三端口光环行器，用于将光在第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔内振荡，将从端口2进入的光由端口3输出，依次经过第一高速可调谐滤波器、光延迟线、光学集成器件、被动脉冲同步元件，进入端口1并回到端口2输出，形成回路，同时隔绝第一高速可调谐滤波器可能产生的回波；
所述第二三端口光环行器，用于将光在第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内振荡，将从端口2进入的光由端口3输出，经过所述第二高速可调谐滤波器、光耦合器后，进入端口1并回到端口2输出，形成回路，同时隔绝第二高速可调谐滤波器可能产生的回波。
进一步地，所述第一高速可调谐滤波器和第二高速可调谐滤波器均为利用声光效应的光栅式可调光学滤波元件，波长调谐范围大于20nm，响应频率高于1kHz，分别用于对第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔和第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内光的进行滤波，实现激光快速可调谐；
所述第一高速可调谐滤波器和第二高速可调谐滤波器包括声光调谐滤波器。
进一步地，所述光延迟线用于微调总腔长，以便匹配两套光路脉冲的重复频率。
进一步地，所述光学集成器件包括第一波长信号输入端、第二波长信号输入端、公共端及第一波长信号输出端四个端口，一方面用于复用第一波长和第二波长的脉冲光信号，用于同步；另一方面输出第一波长脉冲光信号至波分复用器。
进一步地，所述被动脉冲同步元件为双折射的非线性介质，通过对第一波长、第二波长脉冲光施加交叉相位调制消除两个脉冲间的群时延，从而使双波长脉冲同步运转。
进一步地，所述光耦合器用于将第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内激光分为两路光，一路用于第二波长高速扫频脉冲脉冲光源的脉冲输出，另一路光通过第二三端口光环行器，回到第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内，在第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内谐振。
进一步地，所述耦合器，用于将第二波长高速扫频脉冲光源进行分路，分别用于与第一波长高速扫频脉冲光源同步以及和第一波长高速扫频脉冲光源耦合形成双波长高速扫频同步脉冲激光。
进一步地，所述波分复用器用于耦合第一波长高速扫频脉冲光源的脉冲输出以及第二波长高速扫频脉冲光源的脉冲输出，一个输入端口接第一波长高速扫频脉冲光源的光学集成器件的第一波长信号输出端，另一个输入端口接入耦合器的一个输出端口，公共端输出双波长高速扫频同步脉冲激光。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明的激光器，具有更加稳定、噪声更低、相干性更好的特点，在光路中采用了高速可调谐滤波器，相比采用偏转滤波片的角度实现波长调谐的设计的双波长可调谐激光器，可以有更快的调谐/扫描速度，其扫频速度可以提升至kHz频率以上，同时双波长的输出特性有利于进一步提升相干拉曼成像、光学相干层析等技术的成像质量。
附图说明
图1为本发明实施例中1.0/1.5μm双波长高速扫频同步脉冲光源的结构示意图；
图2为本发明实施例中双波长同步脉冲光源的示波器轨迹图；
图3为本发明实施例中1.0μm波段扫频脉冲光源的光谱图；
图4为本发明实施例中采用1.5μm波段扫频脉冲光源的光谱图；
图5为本发明实施例中一个动态扫频周期内光源的示波器轨迹图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的具体实施进行详细说明。
实施例：
一种双波长高速扫频同步脉冲光源，如图1所示，包括第一波长高速扫频脉冲光源、第二波长高速扫频脉冲光源、耦合器17和波分复用器18；
所述第一波长高速扫频脉冲光源为波长可调谐被动锁模激光器，包括第一可饱和吸收体1、第一泵浦激光器2、第一泵浦光波分复用器3、第一增益介质4、第一三端口光环行器5、第一高速可调谐滤波器6、光延迟线7、光学集成器件8和被动脉冲同步元件9；
其中，第一泵浦光波分复用器3的一个输入端口接第一可饱和吸收体1，另一个输入端口接第一泵浦激光器2，公共端接第一增益介质4的一端；第一三端口光环行器5的端口2接第一增益介质4的另一端，端口3接第一高速可调谐滤波器6的输入端，端口1接被动脉冲同步元件9的一端；光延迟线7一端接第一高速可调谐滤波器6的输出端，另一端接光学集成器件8的第一波长信号输入端，光学集成器件8的公共端接脉冲同步元件9的另一端；
所述第二波长高速扫频脉冲光源同为波长可调谐被动锁模激光器，包括第二可饱和吸收体10、第二泵浦激光器11、第二泵浦光波分复用器12、第二增益介质13、第二三端口光环行器14、光耦合器15和第二高速可调谐滤波器16；
其中，第二泵浦光波分复用器12的一个输入端口接第二可饱和吸收体10，另一个输入端口接第二泵浦激光器11，公共端接第二增益介质13的一端；第二三端口光环行器14的端口2接第二增益介质13的另一端，端口3接第二高速可调谐滤波器16的输入端，端口1接光耦合器15的一个输入端口；光耦合器15的公共端接第二高速可调谐滤波器16的输出端，光脉冲输出端接耦合器17的公共端；
所述第一波长高速扫频脉冲光源的脉冲光由光学集成器件8的第一波长信号输出端输出，导入波分复用器18的第一波长信号输入端，所述第二波长高速扫频脉冲光源的脉冲光由光耦合器15输出至耦合器17的公共端，耦合器17的一个输出端口接光学集成器件8的第二波长信号输入端，用于同步，另一个输出端口将光导入波分复用器18的第二波长信号输入端，最后通过波分复用器18的公共端输出双波长高速扫频同步脉冲激光。
所述第一可饱和吸收体1和第二可饱和吸收体10，分别用于当光在第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔和第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内振荡时，吸收低强度的光，实现锁模和脉冲输出；
所述第一泵浦激光器2，用作第一波长高速扫频脉冲光源的种子光源；所述第二泵浦激光器11，用作第二波长高速扫频脉冲光源的种子光源；
本实施例中，第一波长和第二波长分别对应1.0μm和1.5μm波段，第一泵浦激光器2和第二泵浦激光器11均为974nm波长的半导体激光器；
所述第一泵浦光波分复用器3，为泵浦波长与第一信号波长的波分复用器，用于将泵浦源的光输入第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔内；
所述第二泵浦光波分复用器12，为泵浦波长与第二信号波长的波分复用器，用于将泵浦源的光输入第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内；
所述第一增益介质4和第二增益介质13，分别用于放大第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔和第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内的光。
所述第一三端口光环行器5，用于将光在第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔内振荡，将从端口2进入的光由端口3输出，依次经过第一高速可调谐滤波器6、光延迟线7、光学集成器件8、被动脉冲同步元件9，进入端口1并回到端口2输出，形成回路，同时隔绝第一高速可调谐滤波器6可能产生的回波；
所述第二三端口光环行器14，用于将光在第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内振荡，将从端口2进入的光由端口3输出，经过所述第二高速可调谐滤波器16、光耦合器15后，进入端口1并回到端口2输出，形成回路，同时隔绝第二高速可调谐滤波器16可能产生的回波。
进一步地，所述第一高速可调谐滤波器6和第二高速可调谐滤波器16均为利用声光效应的光栅式可调光学滤波元件，波长调谐范围大于20nm，响应频率高于1kHz，分别用于对第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔和第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内光的进行滤波，实现激光快速可调谐；
本实施例中，所述第一高速可调谐滤波器6和第二高速可调谐滤波器16均为声光调谐滤波器AOTF。
所述光延迟线7用于微调总腔长，以便匹配两套光路脉冲的重复频率。
所述光学集成器件8包括第一波长信号输入端、第二波长信号输入端、公共端及第一波长信号输出端四个端口，一方面用于复用第一波长和第二波长的脉冲光信号，用于同步；另一方面输出第一波长脉冲光信号至波分复用器18。
所述被动脉冲同步元件9为双折射的非线性介质，通过对第一波长、第二波长脉冲光施加交叉相位调制消除两个脉冲间的群时延，从而使双波长脉冲同步运转。
本实施例中，被动脉冲同步元件9为一段高非线性单模光纤。
所述光耦合器15用于将第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内激光分为两路光，一路用于第二波长高速扫频脉冲脉冲光源的脉冲输出，另一路光通过第二三端口光环行器14，回到第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内，在第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内谐振。
所述耦合器17，用于将第二波长高速扫频脉冲光源进行分路，分别用于与第一波长高速扫频脉冲光源同步以及和第一波长高速扫频脉冲光源耦合形成双波长高速扫频同步脉冲激光。
所述波分复用器18用于耦合第一波长高速扫频脉冲光源的脉冲输出以及第二波长高速扫频脉冲光源的脉冲输出，一个输入端口接第一波长高速扫频脉冲光源的光学集成器件8的第一波长信号输出端，另一个输入端口接入耦合器7的一个输出端口，公共端输出双波长高速扫频同步脉冲激光。
本实施例中，实验中得到的双波长高速扫频脉冲光源在1.0 μm波段的光谱图如图2所示，本发明的脉冲光源可以保证在1049.5~1073.3 nm的快速扫频过程中光谱信噪比始终大于45 dB；
图3为双波长高速扫频脉冲光源在1.5μm波段的光谱图，本发明的脉冲光源其扫频范围可以覆盖整个C波段；
图4为静态下双波长同步脉冲光源的示波器轨迹图，本发明的脉冲光源可以保证不同波长的两套脉冲完全同步运转；
图5为一个动态扫频周期内双波长同步脉冲光源的示波器轨迹图，本发明的脉冲光源可以保证在高速扫频的过程中脉冲具有良好的均一性和稳定性。

Claims (10)

1.一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，包括第一波长高速扫频脉冲光源、第二波长高速扫频脉冲光源、耦合器（17）和波分复用器（18）；
所述第一波长高速扫频脉冲光源为波长可调谐被动锁模激光器，包括第一可饱和吸收体（1）、第一泵浦激光器（2）、第一泵浦光波分复用器（3）、第一增益介质（4）、第一三端口光环行器（5）、第一高速可调谐滤波器（6）、光延迟线（7）、光学集成器件（8）和被动脉冲同步元件（9）；
其中，第一泵浦光波分复用器（3）的一个输入端口接第一可饱和吸收体（1），另一个输入端口接第一泵浦激光器（2），公共端接第一增益介质（4）的一端；第一三端口光环行器（5）的端口2接第一增益介质（4）的另一端，端口3接第一高速可调谐滤波器（6）的输入端，端口1接被动脉冲同步元件（9）的一端；光延迟线（7）一端接第一高速可调谐滤波器（6）的输出端，另一端接光学集成器件（8）的第一波长信号输入端，光学集成器件（8）的公共端接脉冲同步元件（9）的另一端；
所述第二波长高速扫频脉冲光源同为波长可调谐被动锁模激光器，包括第二可饱和吸收体（10）、第二泵浦激光器（11）、第二泵浦光波分复用器（12）、第二增益介质（13）、第二三端口光环行器（14）、光耦合器（15）和第二高速可调谐滤波器（16）；
其中，第二泵浦光波分复用器（12）的一个输入端口接第二可饱和吸收体（10），另一个输入端口接第二泵浦激光器（11），公共端接第二增益介质（13）的一端；第二三端口光环行器（14）的端口2接第二增益介质（13）的另一端，端口3接第二高速可调谐滤波器（16）的输入端，端口1接光耦合器（15）的一个输入端口；光耦合器（15）的公共端接第二高速可调谐滤波器（16）的输出端，光脉冲输出端接耦合器（17）的公共端；
所述第一波长高速扫频脉冲光源的脉冲光由光学集成器件（8）的第一波长信号输出端输出，导入波分复用器（18）的第一波长信号输入端，所述第二波长高速扫频脉冲光源的脉冲光由光耦合器（15）输出至耦合器（17）的公共端，耦合器（17）的一个输出端口接光学集成器件（8）的第二波长信号输入端，用于同步，另一个输出端口将光导入波分复用器（18）的第二波长信号输入端，最后通过波分复用器（18）的公共端输出双波长高速扫频同步脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，所述第一可饱和吸收体（1）和第二可饱和吸收体（10），分别用于当光在第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔和第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内振荡时，吸收低强度的光，实现锁模和脉冲输出；
所述第一泵浦激光器（2），用作第一波长高速扫频脉冲光源的种子光源；所述第二泵浦激光器（11），用作第二波长高速扫频脉冲光源的种子光源；
所述第一泵浦光波分复用器（3），为泵浦波长与第一信号波长的波分复用器，用于将泵浦源的光输入第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔内；
所述第二泵浦光波分复用器（12），为泵浦波长与第二信号波长的波分复用器，用于将泵浦源的光输入第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内；
所述第一增益介质（4）和第二增益介质（13），分别用于放大第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔和第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内的光。
3.根据权利要求1所述的一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，所述第一三端口光环行器（5），用于将光在第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔内振荡，将从端口2进入的光由端口3输出，依次经过第一高速可调谐滤波器（6）、光延迟线（7）、光学集成器件（8）、被动脉冲同步元件（9），进入端口1并回到端口2输出，形成回路，同时隔绝第一高速可调谐滤波器（6）可能产生的回波；
所述第二三端口光环行器（14），用于将光在第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内振荡，将从端口2进入的光由端口3输出，经过所述第二高速可调谐滤波器（16）、光耦合器（15）后，进入端口1并回到端口2输出，形成回路，同时隔绝第二高速可调谐滤波器（16）可能产生的回波。
4.根据权利要求1所述的一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，所述第一高速可调谐滤波器（6）和第二高速可调谐滤波器（16）均为利用声光效应的光栅式可调光学滤波元件，波长调谐范围大于20nm，响应频率高于1kHz，分别用于对第一波长高速扫频脉冲光源谐振腔和第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内光的进行滤波，实现激光快速可调谐；
所述第一高速可调谐滤波器（6）和第二高速可调谐滤波器（16）包括声光调谐滤波器（AOTF）。
5.根据权利要求1所述的一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，所述光延迟线（7）用于微调总腔长，以便匹配两套光路脉冲的重复频率。
6.根据权利要求1所述的一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，所述光学集成器件（8）包括第一波长信号输入端、第二波长信号输入端、公共端及第一波长信号输出端四个端口，一方面用于复用第一波长和第二波长的脉冲光信号，用于同步；另一方面输出第一波长脉冲光信号至波分复用器（18）。
7.根据权利要求1所述的一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，所述被动脉冲同步元件（9）为双折射的非线性介质，通过对第一波长、第二波长脉冲光施加交叉相位调制消除两个脉冲间的群时延，从而使双波长脉冲同步运转。
8.根据权利要求1所述的一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，所述光耦合器（15）用于将第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内激光分为两路光，一路用于第二波长高速扫频脉冲脉冲光源的脉冲输出，另一路光通过第二三端口光环行器（14），回到第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内，在第二波长高速扫频脉冲光源谐振腔内谐振。
9.根据权利要求1所述的一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，所述耦合器（17），用于将第二波长高速扫频脉冲光源进行分路，分别用于与第一波长高速扫频脉冲光源同步以及和第一波长高速扫频脉冲光源耦合形成双波长高速扫频同步脉冲激光。
10.根据权利要求1所述的一种双波长高速扫频同步脉冲光源，其特征在于，所述波分复用器（18）用于耦合第一波长高速扫频脉冲光源的脉冲输出以及第二波长高速扫频脉冲光源的脉冲输出，一个输入端口接第一波长高速扫频脉冲光源的光学集成器件（8）的第一波长信号输出端，另一个输入端口接入耦合器（7）的一个输出端口，公共端输出双波长高速扫频同步脉冲激光。
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