CN111969401A - 自启动Figure-9被动锁模光纤激光器的脉冲能量提升方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自启动Figure‑9被动锁模光纤激光器的脉冲能量提升方法，是应用于由等效NALM环形腔、线性臂、旋转电机和泵浦源构成的Figure‑9光纤激光器中；并包括如下步骤：1获取非互易相移器的线性相移量；2获取等效NALM环形腔的分光比；3设置泵浦源输出功率和非互易相移器参数，并进行循环，直至完成Figure‑9光纤激光器(1)的输出脉冲能量的提升。本发明能实现具有自启动功能的Figure‑9光纤激光器单脉冲锁模运转时更大的非线性相移容忍度，从而大幅提升输出单脉冲能量，由此获得自启动的可长期稳定运转的低噪声大能量飞秒光纤激光器，使得激光器在飞秒激光脉冲领域具有更加广泛的应用前景。

Description

自启动Figure-9被动锁模光纤激光器的脉冲能量提升方法
技术领域
本发明涉及激光精密加工、激光精密测量等领域，尤其涉及一种提升自启动Figure-9光纤激光器脉冲能量的方法。
背景技术
飞秒激光脉冲在强场物理、阿秒科学、精密测量以及非线性光学等领域具有重要应用。采用钛宝石固体激光技术，已可产生高达PW峰值功率、脉宽窄至15fs以下的脉冲。近年快速发展的锁模光纤激光器则呈现出更加丰富多彩的超短脉冲现象，通过色散非线性调控，能产生不同制式的飞秒脉冲，如孤子、色散管理孤子、自相似脉冲和耗散孤子等。随着飞秒脉冲光纤放大和相干合成技术的不断突破，采用光纤激光技术已可产生GW峰值功率、10fs以下脉宽的大能量飞秒脉冲。发展和完善锁模机制，设计出可自启动的低噪声大能量飞秒光纤振荡器，依然是当前飞秒光纤激光器的主要问题之一。基于微纳材料的天然可饱和吸收体具有优良的自启动功能，但尚待克服响应时间过长、光热损伤阈不足等问题，以获取更短脉宽和长期运转。Mamyshev振荡器能产生能量高达μJ级的～40fs的飞秒脉冲，但其自启动问题依然有待解决。NPE锁模机制调制深度大、响应时间短，能产生优良低噪声飞秒脉冲，但NPE锁模光纤激光器需采用非保偏光纤，对环境扰动非常敏感，导致难以长期保持自启动功能。尽管采用保偏光纤也构建出了NPE锁模机制，但调制深度不高，难以产生高质量飞秒脉冲。基于非线性放大环镜(NALM)的锁模机制可以构建全保偏型Figure-8和Figure-9光纤激光器，抗环境扰动能力强，但Figure-8激光器存在着重复率低、脉宽宽和自启动需精确调控等不足。而Figure-9光纤激光器不仅自启动功能强、长期稳定性好，且可产生高重复率、窄脉宽和低噪声的飞秒脉冲，并开始应用于极端环境下精密测量，展现了广阔的应用前景。
但是，Figure-9光纤激光器产生的飞秒脉冲能量低、且难以提高。原因是，Figure-9激光器通过在腔内插入线性相移器，并引入非对称性，使腔内正反时针传输光场容易由连续光的功率起伏积累出非线性相移差(ΔφNL)，再将ΔφNL调控在可饱和吸收体(SA)透过率曲线的特定区域，实现激光器的锁模自启动和单脉冲锁模运转。但是，这种非对称腔结构造成腔内正反向光场各自经历的非线性相移(NPS)随泵浦功率增大的趋势或斜率不同，增加泵浦功率很容易突破SA透过率曲线规定的单脉冲运转允许的ΔφNL，制约着输出脉冲能量的提高。且这种受限于自启动要求的非对称腔结构，同样限制了运用腔内色散非线性调控对脉冲能量的提升。而若降低腔非对称性，理论上，可在极强泵浦下允许ΔφNL不突破单脉冲运转范围的同时，腔内正反向光场均可积累出足够大的NPS，进而提升脉冲能量，但是，锁模自启动源于连续光的功率起伏，而强泵浦下连续光的功率极高，腔内增益光纤处于深度饱和状态，而这种深度饱和却对连续光微弱功率起伏具有“自愈”效应，不利于放大这种微弱功率起伏，导致低非对称性腔Figure-9光纤激光器难以实现锁模的自启动。尽管通过选用大模场光纤减小腔内NPS累积和引入微纳材料SA的混合锁模帮助自启动，已在一定程度上提高了自启动锁模Figure-9光纤激光器的脉冲能量，但却未能在原理上解决这种激光器因引入线性相移和非对称腔确保自启动功能而带来的对输出脉冲能量的限制。
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种Figure-9结构光纤激光器的脉冲能量提升方法，以期能实现Figure-9光纤激光器在确保自启动功能和单脉冲锁模运转下允许更大的非线性相移差，从而大幅提升输出单脉冲能量，由此获得自启动的可长期稳定运转的低噪声大能量飞秒光纤激光器，使得Figure-9光纤激光器在飞秒激光脉冲领域具有更加广泛的应用前景。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种自启动Figure-9被动锁模光纤激光器的脉冲能量提升方法的特点是应用于由等效NALM环形腔、线性臂、旋转电机和泵浦源构成的Figure-9光纤激光器中；
所述等效NALM环形腔包括：第一保偏光纤准直器、保偏光纤波分复用器、保偏掺铒光纤和第二保偏光纤准直器；
所述保偏光纤波分复用器的信号端与所述保偏光纤准直器连接，所述保偏光纤波分复用器的泵浦端与所述泵浦源的输出端连接，所述保偏光纤波分复用器的公共端为保偏掺铒光纤，且所述保偏掺铒光纤与第二保偏光纤准直器连接；
在所述线形臂中沿着同一个中心轴依次设置有：第一偏振分光棱镜、非互易相移器、第二偏振分光棱镜和全反射镜；
设置所述第一偏振分光棱镜的中心点分别与所述保偏光纤准直器和第二保偏光纤准直器的输出端对准；
所述非互易相移器依次包括：
Figure BDA0002658013550000021
波片、45°法拉第旋转器和
Figure BDA0002658013550000022
波片；且所述
Figure BDA0002658013550000023
波片和
Figure BDA0002658013550000024
波片分别安装在两个旋转电机上；
所述脉冲能量提升方法是按如下步骤进行：
步骤1、利用式(1)得到非互易相移器的线性相移量φL：
Figure BDA0002658013550000031
式(1)中，θ1和θ2分别为
Figure BDA0002658013550000032
波片和
Figure BDA0002658013550000033
波片的快轴与水平轴的夹角；
步骤2、利用式(2)得到等效NALM环形腔的分光比ρ：
Figure BDA0002658013550000034
步骤3、定义当前循环变量为n，定义最大循环变量为Nmax；
定义
Figure BDA0002658013550000035
波片和
Figure BDA0002658013550000036
波片之间的旋转延迟时间为t；定义每次循环之间的时间间隔为T；
定义
Figure BDA0002658013550000037
波片和
Figure BDA0002658013550000038
波片的快轴与水平轴的初始夹角分别为θ10和θ20；
定义
Figure BDA0002658013550000039
波片的步进角为Δθ1；定义
Figure BDA00026580135500000310
波片的步进角为Δθ2；
定义并初始化第n次循环下的泵浦源的输出功率增加ΔPn；
定义计时器为time；并初始化time＝0；
步骤4、保持等效NALM环形腔的分光比为ρ时；
步骤5、调节
Figure BDA00026580135500000311
波片和
Figure BDA00026580135500000312
波片的快轴与水平轴的夹角θ1和θ2设置，使得所述非互易相移器的线性相移量φL为1.5π，从而获得与所述线性相移量φL相对应的Figure-9光纤激光器的可饱和吸收透过率曲线curve1；
步骤6、计时器time开始计时，令所述泵浦源的输出功率为P1；使得等效NALM环形腔的连续光功率起伏在可饱和吸收体作用下积累非线性相移差并实现锁模自启动；
步骤7、当time＝T1时，令所述泵浦源的输出功率为P*，使得Figure-9光纤激光器输出单脉冲序列；
步骤8、初始化n＝1，令第n次循环下的泵浦源的输出功率Pn＝P*；
步骤9、当time＝T1时，令第n次循环下的
Figure BDA00026580135500000313
波片的夹角θ1以步进角Δθ1进行步进；
步骤10、当time＝T1+n×t时，令第n次循环下的
Figure BDA00026580135500000314
波片的夹角θ2以步进角Δθ2进行步进，从而利用式(1)得到第n次循环下所述非互易相移器的线性相移量
Figure BDA00026580135500000315
并使得到Figure-9光纤激光器中的等效可饱和吸收体透过率曲线右移；
步骤11、当time＝T1+n×T/2时，令第n次循环下的泵浦源的输出功率Pn增加ΔPn后，得到第n+1次循环下的泵浦源输出功率Pn+1；进而使得Figure-9光纤激光器中的非线性相移量ΔφNL在单脉冲锁模运转所允许的非线性相移差ΔφNL的区间内；
步骤12、判断Figure-9光纤激光器的输出脉冲是否为单脉冲，若是，则表示等效NALM环形腔中积累的非线性相移差ΔφNL接近但不超过光纤激光器单脉冲锁模所允许的非线性相移差ΔφNL的最大值；并执行步骤14；否则，将ΔPn-p赋值给ΔPn，将计时器time清零后返回步骤6；
步骤13、当time＝T1+n×T时，令n+1赋值给n，判断n>Nmax是否成立，若成立，则表示Figure-9光纤激光器在保持单脉冲运转下将工作点移至非互易相移器的线性相移小于π对应的等效可饱和吸收体透过率曲线给定的单脉冲运转区域，并完成Figure-9光纤激光器的输出脉冲能量的提升；否则，将计时器time清零后返回步骤6。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明解决了具有自启动功能的Figure-9激光器在单脉冲锁模运转下允许的非线性相移差过小的问题，给出一种自启动高能量的figure-9被动锁模光纤激光器方案，实现了在保持自启动锁模功能下的输出单脉冲能量大幅提升为1.4nJ的飞秒脉冲序列输出。
2、本发明通过在腔内引入一种线性相移连续可调的非互易相移器，初始设置较大线性相移使得锁模能够自启动，通过程序同步持续减小线性相移和增大泵浦源输出功率，提高了稳定单脉冲运转允许的非线性相移差，使脉冲能量不再受到Figure-9激光器自启动要求的非线性相移差的限制；经光纤压缩后获得了宽光谱，窄脉宽，高重频的大能量脉冲输出；通过优化程序控制的参数，实现这种大能量飞秒脉冲光纤激光器在1s内自启动锁模成功率达100％。
附图说明
图1为本发明自启动高能量的figure-9被动锁模光纤激光器结构示意图；
图2a为本发明等效NALM光纤环的分光比固定为0.5时，非互易相移器引入的线性相移量随
Figure BDA0002658013550000041
波片快轴与水平轴夹角θ2的变化曲线图；
图2b为本发明等效NALM光纤环的分光比固定为0.43时，非互易相移器引入的线性相移量随
Figure BDA0002658013550000042
波片快轴与水平轴夹角θ2的变化曲线图；
图3为本发明非互易相移器的线性相移分别为1.5π，1.1π以及0.5π时等效NALM透过率曲线图；
图4为本发明引入线性相移量为1.5π时单脉冲运转上限处输出脉冲序列的光谱图；
图5为本发明实验获得的泵浦源输出功率与非互易相移器的线性相移之间的关系图；
图6为本发明非互易相移器的线性相移为0.9π，等效NALM光纤环分光比为0.5时，n＝Nmax时输出脉冲的光谱；
图7为本发明引入线性相移为0.9π等效NALM分光比为0.43时，n＝Nmax时输出脉冲的光谱；
图8为本发明引入线性相移为0.9π等效NALM分光比为0.43时，单脉冲运转上限处输出脉冲经过光纤色散补偿后的脉冲时域，FWHM脉宽为70fs的时域图；
图9为本发明引入线性相移为0.9π等效NALM分光比为0.43时，单脉冲运转上限处输出脉冲的RF谱图。
具体实施方式
本实施例中，如图1所示，一种自启动Figure-9被动锁模光纤激光器的脉冲能量提升方法，是应用于由等效NALM环形腔4、线性臂5、旋转电机10和泵浦源11构成的Figure-9光纤激光器1中；
等效NALM环形腔4包括：第一保偏光纤准直器12、保偏光纤波分复用器13、保偏掺铒光纤14和第二保偏光纤准直器15；
保偏光纤波分复用器13的信号端与保偏光纤准直器12连接，保偏光纤波分复用器13的泵浦端与泵浦源11的输出端连接，保偏光纤波分复用器13的公共端为保偏掺铒光纤14，且保偏掺铒光纤14与第二保偏光纤准直器15连接；
在线形臂5中沿着同一个中心轴依次设置有：第一偏振分光棱镜16、非互易相移器2、第二偏振分光棱镜17和全反射镜18；
设置第一偏振分光棱镜16的中心点分别与保偏光纤准直器12和第二保偏光纤准直器15的输出端对准；
非互易相移器2依次包括：
Figure BDA0002658013550000051
波片6、45°法拉第旋转器7和
Figure BDA0002658013550000052
波片8；且
Figure BDA0002658013550000053
波片6和
Figure BDA0002658013550000054
波片8分别安装在两个旋转电机10上；
该脉冲能量提升方法是按如下步骤进行：
步骤1、利用式(1)得到非互易相移器2的线性相移量φL：
Figure BDA0002658013550000055
式(1)中，θ1和θ2分别为
Figure BDA0002658013550000056
波片6和
Figure BDA0002658013550000057
波片8的快轴与水平轴的夹角；
步骤2、利用式(2)得到等效NALM环形腔4的分光比ρ：
Figure BDA0002658013550000061
由式(1)和式(2)可得到，通过调控
Figure BDA0002658013550000062
波片6和
Figure BDA0002658013550000063
波片8的快轴偏离水平轴的角度θ1和θ2可使等效NALM环形腔4的分光比ρ恒定。图2a和图2b为等效NALM环形腔4的分光比ρ分别为0.5和0.43下，非互易相移器2的线性相移φL随
Figure BDA0002658013550000064
波片8的快轴偏离水平轴的角度θ2的变化关系曲线。利用程控系统连接步进电机10控制
Figure BDA0002658013550000065
波片6和
Figure BDA0002658013550000066
波片8的快轴偏离水平轴的角度θ1和θ2，既可实现非互易相移器2的线性相移φL的连续调控。
步骤3、定义当前循环变量为n，定义最大循环变量为Nmax；
定义
Figure BDA0002658013550000067
波片6和
Figure BDA0002658013550000068
波片8之间的旋转延迟时间为t；定义每次循环之间的时间间隔为T；
定义
Figure BDA0002658013550000069
波片6和
Figure BDA00026580135500000610
波片8的快轴与水平轴的初始夹角分别为θ10和θ20；
定义
Figure BDA00026580135500000611
波片6的步进角为Δθ1；定义
Figure BDA00026580135500000612
波片8的步进角为Δθ2；
定义并初始化第n次循环下的泵浦源11的输出功率增加ΔPn；
定义计时器为time；并初始化time＝0；
步骤4、保持等效NALM环形腔4的分光比为ρ时；
步骤5、调节
Figure BDA00026580135500000613
波片6和
Figure BDA00026580135500000614
波片8的快轴与水平轴的夹角θ1和θ2设置，使得非互易相移器2的线性相移量φL,1为1.5π，从而获得与线性相移量φL相对应的Figure-9光纤激光器1的可饱和吸收透过率曲线curve1；curve1对应于图3中实线代表的等效可饱和吸收体透过率曲线，此时Figure-9光纤激光器1腔内连续光损耗相对较小，当泵浦增加时，Figure-9光纤激光器1腔内连续激光容易起振。由于环境、弛豫过程等微扰，Figure-9光纤激光器1腔内连续激光叠加了无规则的低幅度噪声脉冲，等效NALM环形腔4内积累足够非线性相移差，连续光被抑制，噪声脉冲在腔内被放大并且窄化，在色散和非线性的作用下形成飞秒脉冲；频域光场经历周期性幅度调制，实现“锁模”运转。且当0＜ΔφNL<2(2π-φL,1)时，由curve1，脉冲光的损耗较连续光低，激光器处在单脉冲锁模状态，激光器工作状态对应于图3中的A点；但当ΔφNL＞2(2π-φL,1)时，脉冲光的损耗增大，腔增益趋于补偿掉连续光损耗，导致连续波起振，而连续光功率波动引入的非线性相移差ΔφNL小，位于可饱和吸收体透过率曲线的正反馈区，导致容易出现多脉冲锁模状态，最终使得激光器单脉冲锁模允许的ΔφNL取值范围被限定在0＜ΔφNL<2(2π-φL,1)之内，导致Figure-9激光器单脉冲能量难以提升。
步骤6、计时器time开始计时，令泵浦源11的输出功率为P1；使得等效NALM环形腔4的连续光功率起伏在可饱和吸收体作用下积累非线性相移差并实现锁模自启动；
步骤7、当time＝T1时，令泵浦源11的输出功率为P*，使得Figure-9光纤激光器1输出单脉冲序列；
步骤8、初始化n＝1，令第n次循环下的泵浦源11的输出功率Pn＝P*；
步骤9、当time＝T1时，令第n次循环下的
Figure BDA0002658013550000071
波片6的夹角θ1以步进角Δθ1进行步进；
步骤10、当time＝T1+n×t时，令第n次循环下的
Figure BDA0002658013550000072
波片8的夹角θ2以步进角Δθ2进行步进，从而利用式1得到第n次循环下非互易相移器4的线性相移量
Figure BDA0002658013550000073
并使Figure-9光纤激光器1中的等效可饱和吸收体透过率曲线右移；等效可饱和吸收体透过率曲线向右位移使得脉冲经历的等效可饱和吸收体损耗改变，脉冲峰值功率改变，导致ΔφNL亦改变，但是仍然允许激光器运转在右移后的SA透过率曲线给定的单脉冲锁模区间之内；且依然允许在泵浦功率增加ΔPp后，Figure-9光纤激光器1中的非线性相移差ΔφNL仍然接近但不超过单脉冲锁模所允许的ΔφNL最大值；
步骤11、当time＝T1+n×T/2时，令第n次循环下的泵浦源11的输出功率Pn增加ΔPn后，得到第n+1次循环下的泵浦源11输出功率Pn+1；进而使得线性相移量φL n在单脉冲锁模运转所允许的非线性相移差ΔφNL的区间内；
步骤12、判断Figure-9光纤激光器1的输出脉冲是否为单脉冲，若是，则表示等效NALM环形腔4中积累的非线性相移差ΔφNL接近但不超过光纤激光器1单脉冲锁模所允许的非线性相移差ΔφNL的最大值；并执行步骤13；否则，将ΔPn-p赋值给ΔPn，将计时器time清零后返回步骤6；
步骤13、当time＝T1+n×T时，令n+1赋值给n，判断n>Nmax是否成立，若成立，则表示Figure-9光纤激光器1在保持单脉冲运转下将工作点移至非互易相移器2的线性相移小于π对应的等效可饱和吸收体透过率曲线给定的单脉冲运转区域，并完成Figure-9光纤激光器1的输出脉冲能量的提升；否则，将计时器time清零后返回步骤6。
步骤6到步骤13进行过程中，非互易相移器2的线性相移量φL逐渐由φL,1＝1.5π减小为φL,2＝π，Figure-9光纤激光器1的可饱和吸收透过率曲线curve1由图3中的实曲线代表的可饱和吸收体透过率曲线移至虚线代表的可饱和吸收体透过率曲线curve2，单脉冲运转允许的非线性相移差范围由0＜ΔφNL<2(2π-φL,1)增大至0＜ΔφNL<2(2π-φL,2)，当φL,2＝π时，由于连续光损耗极大且curve2在ΔφNL＝0附近的斜率为0，Figure-9光纤激光器1早已不能自启动锁模；而随着非互易相移器2的线性相移量φL继续减小至φL,3＝0.5π，Figure-9光纤激光器1的可饱和吸收透过率曲线继续右移至图3中的点划线代表的可饱和吸收体透过率曲线curve3，此时仍然存在单脉冲运转区间，且单脉冲运转允许的最大非线性相移差可进一步提升至2π,则单脉冲运转允许的腔内非线性相移也将进一步提升，输出单脉冲随之增加，但是当φL,2＝0.5π时，curve3在ΔφNL＝0附近的斜率为负，Figure-9光纤激光器1更加已不能自启动锁模；因此本发明方法通过步骤1～步骤13的过程，逐渐减小非互易相移器2的线性相移量使得可饱和吸收透过率曲线逐渐右移，并同步增加泵浦源11的输出功率，既可在保证Figure-9光纤激光器1在确保锁模自启动功能的前提下在很短的时间内实现有效提升了输出脉冲能量。
重复400次执行步骤6到步骤13，测试Figure-9光纤激光器1始终保持单脉冲运转下实现脉冲能量提升的成功率，由此得到本方法对Figure-9光纤激光器1的自启动功能的影响。
在具体实例1中，定义当前循环变量为n，定义最大循环变量为Nmax＝12；
定义
Figure BDA0002658013550000081
波片6和
Figure BDA0002658013550000082
波片8之间的旋转延迟时间为t＝30ms；定义每次循环之间的时间间隔为T＝240ms；
定义
Figure BDA0002658013550000083
波片6和
Figure BDA0002658013550000084
波片8的快轴与水平轴的初始夹角θ10和θ20为22°和11°，由公式1和2可知非互易相移器2的线性相移为1.5π，等效NALM环形腔4的分光比ρ为0.5。；
定义
Figure BDA0002658013550000085
波片6的步进角为Δθ1＝-2°；定义
Figure BDA0002658013550000086
波片8的步进角为Δθ2＝-1°；则由式(2)可见，该自启动且稳定锁模的Figure-9光纤激光器1中等效NALM环形腔4的分光比ρ始终为0.5。
定义并初始化第n次循环下的泵浦源11的输出功率增加ΔPn；
定义计时器为time；并初始化time＝0；
执行步骤6，定义P1＝600mW，输出为多脉冲状态。
执行步骤7，降低泵浦源11的输出功率到P*＝550mW，Figure-9光纤激光器1输出脉冲转变为单脉冲状态，Figure-9光纤激光器1腔内的非线性相移差ΔφNL对应于图3中的A点。Figure-9光纤激光器1输出脉冲平均功率和单脉冲能量分别为32mW和0.28nJ，输出脉冲的光谱如图4所示，3-dB光谱带宽为25nm，经光纤压缩后脉宽为92fs。
重复执行步骤7到步骤13，直至泵浦源11输出功率增大到其最大值1.3W，非互易相移器2的线性相移减小至0.9π，循环变量n＝Nmax。图5为实验获得的泵浦源11输出功率与非互易相移器2的线性相移之间的关系。Figure-9光纤激光器1输出脉冲能量由0.28nJ提高到了1.2nJ，输出平均功率由31mW提升到134mW。图6为此时Figure-9光纤激光器1输出光谱，明显远宽于初始状态如图4的光谱。由于实验测得Figure-9光纤激光器1能确保良好锁模自启动成功率的最小非互易相移器2的线性相移为1.3π，非互易相移器4的线性相移为0.9π下，Figure-9光纤激光器1早已不能自启动锁模，因此，本发明提出的方法在保证Figure-9光纤激光器1锁模自启动功能的前提下，通过减小线性相移量来右移SA透过率曲线，有效提升了输出脉冲能量。而尽管随着非互易相移器2的线性相移量φL继续减小至φL,3，Figure-9光纤激光器1的单脉冲运转允许的最大非线性相移差可进一步提升至2π,但是脉冲能量的进一步提升需要更高的泵浦源11的输出功率以及更高掺杂的保偏掺铒光纤14。
执行步骤6到步骤13总共耗时3s。
重复400次执行步骤6到步骤13，测试Figure-9光纤激光器1始终保持单脉冲运转下实现脉冲能量提升的成功率为100％。
在具体实例2中，定义
Figure BDA0002658013550000091
波片6和
Figure BDA0002658013550000092
波片8的快轴与水平轴的初始夹角θ10和θ20分别为22°和13.8°，其余参量与具体实例1中相同；由公式1和2可知等效NALM环形腔4的分光比ρ恒为0.43；
定义并初始化第n次循环下的泵浦源11的输出功率增加ΔPn；
定义计时器为time；并初始化time＝0；
重复执行步骤6到步骤13，非互易相移器2的线性相移由1.5π调至0.9π，输出脉冲能量由0.25nJ提升至1.4nJ。输出脉冲能量相比具体实例1中的更高，这是由于保偏掺铒光纤14的中心偏离等效NALM环形腔4的对称中心约0.18m，而腔内脉冲脉宽约1ps级，使得顺时针传输的脉冲比反时针传输的脉冲先得到放大，当腔内脉冲能量较高时，保偏掺铒光纤14就会因放大顺时针传输的脉冲而处在反转粒子耗尽的深度饱和状态，造成反时针传输脉冲不能获得像顺时针传输脉冲一样的放大，最终使得，当分光比为0.5时，放大后的顺时针传输脉冲比反时针传输脉冲能量高得多，而当等效分光比为0.43时，则会补偿这种因增益饱和效应产生的两方向传输脉冲能量放大之间的差异，使得在PBS2处，光场干涉更趋于等幅干涉，利于获得更大输出脉冲能量。0.43分光比下的输出脉冲光谱(图7)窄于0.5分光比下的光谱宽度(图6)，这是因为0.43分光比下正反传输光场各自积累的NPS比0.5分光比时更接近，而0.5分光比下因正向脉冲的NPS更大才导致脉冲光谱更宽。图8给出了0.43分光比下联调至0.9π线性相移时输出1.4nJ脉冲的RF谱，可见，输出脉冲的RF谱信噪比高达80dB，表明激光器工作在稳定的单脉冲锁模状态。图9为经光纤压缩后的脉冲，FWHM脉宽约70fs。
执行步骤6到步骤13同样总共耗时3s。
重复400次执行步骤6到步骤13，测试Figure-9光纤激光器1始终保持单脉冲运转下实现脉冲能量提升的成功率为100％。

Claims (1)

1.一种自启动Figure-9被动锁模光纤激光器的脉冲能量提升方法，其特征是应用于由等效NALM环形腔(4)、线性臂(5)、旋转电机(10)和泵浦源(11)构成的Figure-9光纤激光器(1)中；
所述等效NALM环形腔(4)包括：第一保偏光纤准直器(12)、保偏光纤波分复用器(13)、保偏掺铒光纤(14)和第二保偏光纤准直器(15)；
所述保偏光纤波分复用器(13)的信号端与所述保偏光纤准直器(12)连接，所述保偏光纤波分复用器(13)的泵浦端与所述泵浦源(11)的输出端连接，所述保偏光纤波分复用器(13)的公共端为保偏掺铒光纤(14)，且所述保偏掺铒光纤(14)与第二保偏光纤准直器(15)连接；
在所述线形臂(5)中沿着同一个中心轴依次设置有：第一偏振分光棱镜(16)、非互易相移器(2)、第二偏振分光棱镜(17)和全反射镜(18)；
设置所述第一偏振分光棱镜(16)的中心点分别与所述保偏光纤准直器(12)和第二保偏光纤准直器(15)的输出端对准；
所述非互易相移器(2)依次包括：
Figure FDA0002658013540000011
波片(6)、45°法拉第旋转器(7)和
Figure FDA0002658013540000012
波片(8)；且所述
Figure FDA0002658013540000013
波片(6)和
Figure FDA0002658013540000014
波片(8)分别安装在两个旋转电机(10)上；
所述脉冲能量提升方法是按如下步骤进行：
步骤1、利用式(1)得到非互易相移器(2)的线性相移量φL：
Figure FDA0002658013540000015
式(1)中，θ1和θ2分别为
Figure FDA0002658013540000016
波片(6)和
Figure FDA0002658013540000017
波片(8)的快轴与水平轴的夹角；
步骤2、利用式(2)得到等效NALM环形腔(4)的分光比ρ：
Figure FDA0002658013540000018
步骤3、定义当前循环变量为n，定义最大循环变量为Nmax；
定义
Figure FDA0002658013540000019
波片(6)和
Figure FDA00026580135400000110
波片(8)之间的旋转延迟时间为t；定义每次循环之间的时间间隔为T；
定义
Figure FDA00026580135400000111
波片(6)和
Figure FDA00026580135400000112
波片(8)的快轴与水平轴的初始夹角分别为θ10和θ20；
定义
Figure FDA00026580135400000113
波片(6)的步进角为Δθ1；定义
Figure FDA00026580135400000114
波片(8)的步进角为Δθ2；
定义并初始化第n次循环下的泵浦源(11)的输出功率增加ΔPn；
定义计时器为time；并初始化time＝0；
步骤4、保持等效NALM环形腔(4)的分光比为ρ时；
步骤5、调节
Figure FDA00026580135400000115
波片(6)和
Figure FDA00026580135400000116
波片(8)的快轴与水平轴的夹角θ1和θ2设置，使得所述非互易相移器(2)的线性相移量φL为1.5π，从而获得与所述线性相移量φL相对应的Figure-9光纤激光器(1)的可饱和吸收透过率曲线curve1；
步骤6、计时器time开始计时，令所述泵浦源(11)的输出功率为P1；使得等效NALM环形腔(4)的连续光功率起伏在可饱和吸收体作用下积累非线性相移差并实现锁模自启动；
步骤7、当time＝T1时，令所述泵浦源(11)的输出功率为P*，使得Figure-9光纤激光器(1)输出单脉冲序列；
步骤8、初始化n＝1，令第n次循环下的泵浦源(11)的输出功率Pn＝P*；
步骤9、当time＝T1时，令第n次循环下的
Figure FDA0002658013540000021
波片(6)的夹角θ1以步进角Δθ1进行步进；
步骤10、当time＝T1+n×t时，令第n次循环下的
Figure FDA0002658013540000022
波片(8)的夹角θ2以步进角Δθ2进行步进，从而利用式(1)得到第n次循环下所述非互易相移器(4)的线性相移量
Figure FDA0002658013540000023
并使得到Figure-9光纤激光器(1)中的等效可饱和吸收体透过率曲线右移；
步骤11、当time＝T1+n×T/2时，令第n次循环下的泵浦源(11)的输出功率Pn增加ΔPn后，得到第n+1次循环下的泵浦源(11)输出功率Pn+1；进而使得Figure-9光纤激光器(1)中的非线性相移量ΔφNL在单脉冲锁模运转所允许的非线性相移差ΔφNL的区间内；
步骤12、判断Figure-9光纤激光器(1)的输出脉冲是否为单脉冲，若是，则表示等效NALM环形腔(4)中积累的非线性相移差ΔφNL接近但不超过光纤激光器(1)单脉冲锁模所允许的非线性相移差ΔφNL的最大值；并执行步骤14；否则，将ΔPn-p赋值给ΔPn，将计时器time清零后返回步骤6；
步骤13、当time＝T1+n×T时，令n+1赋值给n，判断n>Nmax是否成立，若成立，则表示Figure-9光纤激光器(1)在保持单脉冲运转下将工作点移至非互易相移器(2)的线性相移小于π对应的等效可饱和吸收体透过率曲线给定的单脉冲运转区域，并完成Figure-9光纤激光器(1)的输出脉冲能量的提升；否则，将计时器time清零后返回步骤6。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113206425A (zh) * 2021-04-12 2021-08-03 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于混合锁模的耗散孤子共振光纤激光器
CN113540944A (zh) * 2021-07-19 2021-10-22 哈尔滨工业大学 一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器
CN117578173A (zh) * 2023-10-27 2024-02-20 北京大学长三角光电科学研究院 一种全保偏o字形超短脉冲锁模光纤激光器

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5311525A (en) * 1992-03-31 1994-05-10 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford University Nonlinear optical coupler using a doped optical waveguide
CN101826696A (zh) * 2009-03-02 2010-09-08 北京大学 一种高能量低重复频率的光纤激光器
US20110002348A1 (en) * 2009-07-06 2011-01-06 Institut National D'optique Adjustable pulsewidth picosecond fiber laser
CN102684046A (zh) * 2012-04-28 2012-09-19 深圳大学 一种被动锁模光纤激光器及其谐振腔、旋转角度调节装置
CN207994334U (zh) * 2018-03-26 2018-10-19 雷小权 一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器
CN108736300A (zh) * 2018-05-24 2018-11-02 广东华快光子科技有限公司 一种便于产生高重复频率脉冲激光的光纤激光器
CN109478761A (zh) * 2016-06-03 2019-03-15 Km实验室股份有限公司 使用电子控制偏振元件用于激光锁模的启动和优化
WO2019053487A1 (en) * 2017-09-12 2019-03-21 Université De Neuchâtel LASER OR STABILIZED OPTICAL AMPLIFIER AND METHOD OF STABILIZATION
CN110364923A (zh) * 2018-03-26 2019-10-22 雷小权 一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器
CN110797742A (zh) * 2019-10-18 2020-02-14 天津大学 一种高重复频率的全保偏9字腔锁模激光器

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5311525A (en) * 1992-03-31 1994-05-10 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford University Nonlinear optical coupler using a doped optical waveguide
CN101826696A (zh) * 2009-03-02 2010-09-08 北京大学 一种高能量低重复频率的光纤激光器
US20110002348A1 (en) * 2009-07-06 2011-01-06 Institut National D'optique Adjustable pulsewidth picosecond fiber laser
CN102684046A (zh) * 2012-04-28 2012-09-19 深圳大学 一种被动锁模光纤激光器及其谐振腔、旋转角度调节装置
CN109478761A (zh) * 2016-06-03 2019-03-15 Km实验室股份有限公司 使用电子控制偏振元件用于激光锁模的启动和优化
WO2019053487A1 (en) * 2017-09-12 2019-03-21 Université De Neuchâtel LASER OR STABILIZED OPTICAL AMPLIFIER AND METHOD OF STABILIZATION
CN207994334U (zh) * 2018-03-26 2018-10-19 雷小权 一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器
CN110364923A (zh) * 2018-03-26 2019-10-22 雷小权 一种基于相位偏置的全保偏光纤锁模激光器
CN108736300A (zh) * 2018-05-24 2018-11-02 广东华快光子科技有限公司 一种便于产生高重复频率脉冲激光的光纤激光器
CN110797742A (zh) * 2019-10-18 2020-02-14 天津大学 一种高重复频率的全保偏9字腔锁模激光器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
马金栋: "基于飞秒锁模光纤激光脉冲基频光的差频产生红外光梳", 《物理学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113206425A (zh) * 2021-04-12 2021-08-03 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于混合锁模的耗散孤子共振光纤激光器
CN113540944A (zh) * 2021-07-19 2021-10-22 哈尔滨工业大学 一种2.1μm波段单脉冲自启动的保偏9字腔锁模掺钬光纤激光器
CN117578173A (zh) * 2023-10-27 2024-02-20 北京大学长三角光电科学研究院 一种全保偏o字形超短脉冲锁模光纤激光器

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