CN112886372B - 一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，旨在解决现有光纤激光器难以实现多波长激光脉冲同步输出的技术问题。所述激光系统采用线性腔结构，分别在第一输出端(32)、第二输出端(33)、第三输出端(34)和第四输出端(35)同步输出不同中心波长的脉冲；通过调节第一可编程滤波器(13)和第二可编程滤波器(19)的中心波长与滤波带宽能实现第二输出端(33)、第三输出端(34)输出脉冲的中心波长和脉宽可调谐。本发明具有稳定性好，适用范围广等优点，在应用上可直接作为多波长皮秒脉冲光源使用，也可以作为高能量脉冲放大器的种子源。

Description

一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统的设计。
背景技术
超短脉冲光纤激光器以其脉冲宽度窄、峰值功率高、工作波段宽等优点而成为传感、光学组件测试、光谱学等领域的重要工具。
随着技术的进步，人们对超短脉冲激光器提出了更高的要求。在实际应用中，人们往往需要将具有不同波长的多个超短脉冲同时注入到同一目标中，例如泵浦探测光谱学、非线性显微、光参量放大以及相干脉冲合成等，都需要多波长超短脉冲且具有严格相同的重复频率。要获得稳定的多波长同步脉冲激光，重要的是解决增益光纤的竞争问题以及不同波长光脉冲之间的精确同步问题。传统的多波长激光器共用一段增益介质，通常使用马赫-曾德尔滤波器(BPF)、光纤梳状滤波器、光纤布拉格光栅(FBGs)等不同的光学滤波器件来实现多波长的输出。由于增益介质的均匀展宽线宽大，不同波长脉冲之间会产生竞争增益，一个波长脉冲形成稳定的振荡后，其他的波长脉冲将被抑制而不能起振，因此多波长脉冲共用增益介质时，固定的锁模状态下只能得到单波长的激光输出。为解决掺镱(Yb)、掺铒(Er)光纤的均匀展宽线宽大引起的波长竞争问题，采用的方法是将增益光纤浸泡在液氮中冷却来抑制其均匀加宽机制，但该方法不能工作在室温下，其应用受到了极大的限制。为了能使光纤激光器在室温下也能产生多波长输出，可采取的方法有：超连续谱的纵模切割、通过频移反馈来阻止激光器的单模振荡、利用非线性光纤中的四波混频效应来产生自稳定的多波长、将具有非均匀增益特性的半导体光放大器插入到光纤激光器中以及采用级联的受激布里渊散射实现布里渊多波长掺铒光纤激光器。由此可见，传统多波长激光器都存在波长竞争的问题，而且常用的解决方法都需要腔外特殊的操作环境或低温工作环境，腔体内装置复杂，价格昂贵，这给激光器的实际应用增加了难度。
因此，需要一种区别于传统激光器的更加稳定和实用的激光器结构来获得多波长同步脉冲激光的需求。为解决以上问题，我们提出了一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有被动锁模光纤激光器难以实现多波长激光脉冲同步输出的技术问题，提出了一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统。
本发明的技术方案为：一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，包括的器件有第一光纤布拉格光栅、第一掺铒光纤、第一波分复用器、第一泵浦源、第一光纤反射镜、第一光纤环形器、第一啁啾布拉格光栅、第一高非线性光纤、第二啁啾布拉格光栅、第二光纤环形器、第二光纤反射镜、第一输出耦合器、第一可编程滤波器、第二泵浦源、第二波分复用器、第二掺铒光纤、第三波分复用器、第三泵浦源、第二可编程滤波器、第二输出耦合器、第三啁啾布拉格光栅、第三光纤环形器、第三光纤反射镜、第二高非线性光纤、第四光纤反射镜、第四光纤环形器、第四啁啾布拉格光栅、第四泵浦源、第四波分复用器、第三掺铒光纤和第二光纤布拉格光栅；
所述第一光纤布拉格光栅、第一掺铒光纤、第一波分复用器、第一光纤环形器、第一高非线性光纤、第二光纤环形器、第一输出耦合器、第一可编程滤波器、第二波分复用器、第二掺铒光纤、第三波分复用器、第二可编程滤波器、第二输出耦合器、第三光纤环形器、第二高非线性光纤、第四光纤环形器、第四波分复用器、第三掺铒光纤和第二光纤布拉格光栅依次连接；
所述第一波分复用器与第一泵浦源连接；
所述第一光纤反射镜、第一光纤环形器和第一啁啾布拉格光栅依次连接；
所述第二啁啾布拉格光栅、第二光纤环形器和第二光纤反射镜依次连接；
所述第二泵浦源和第二波分复用器连接；
所述第三波分复用器和第三泵浦源连接；
所述第三啁啾布拉格光栅、第三光纤环形器和第三光纤反射镜依次连接；
所述第四光纤反射镜、第四光纤环形器和第四啁啾布拉格光栅依次连接；
所述第四泵浦源和第四波分复用器连接。
优选地，第一泵浦源、第二泵浦源、第三泵浦源和第四泵浦源均为半导体激光器，输出泵浦光的中心波长λ0为：980nm。
优选地，第一光纤布拉格光栅的反射中心波长为1558nm，3dB带宽为3nm，反射率为80％。
优选地，第二光纤布拉格光栅的反射中心波长为1542nm，3dB带宽为3nm，反射率为80％。
优选地，第一啁啾布拉格光栅、第二啁啾布拉格光栅、第三啁啾布拉格光栅和第四啁啾布拉格光栅的反射率为99.7％。
优选地，第一光纤反射镜、第二光纤反射镜、第三光纤反射镜和第四光纤反射镜是基于50/50耦合器的光纤全反射镜。
优选地，第一掺铒光纤、第二掺铒光纤和第三掺铒光纤的长度均为3m，在1550nm处具有正色散。
优选地，第一高非线性光纤和第二高非线性光纤的长度均为1m，在1550nm处具有正色散。
优选地，第一波分复用器、第二波分复用器、第三波分复用器和第四波分复用器的工作波长均为980nm/1550nm。
优选地，第一光纤环形器、第二光纤环形器、第三光纤环形器和第四光纤环形器均为四端口环形器。
优选地，第一可编程滤波器和第二可编程滤波器的工作波长范围均为1500nm～1600nm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所用器件均为普通器件，都已经商用化，使得本发明的方法易于实施。
(2)本发明具有结构简单紧凑，操作方便快捷，稳定性好等优点。
(3)本发明通过调节可编程滤波器的中心波长和滤波带宽，能实现输出脉冲的中心波长和光谱宽度可调谐，增强了该系统的适用范围。
附图说明
图1为本发明提供的一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统结构示意图。
图2所示是所述激光系统的第一输出端32输出脉冲的时域形状。
图3所示是所述激光系统的第一输出端32输出脉冲的光谱图。
图4所示是所述激光系统的第二输出端33输出脉冲的时域形状。
图5所示是所述激光系统的第二输出端33输出脉冲的光谱图。
图6所示是所述激光系统的第三输出端34输出脉冲的时域形状。
图7所示是所述激光系统的第三输出端34输出脉冲的光谱图。
图8所示是所述激光系统的第四输出端35输出脉冲的时域形状。
图9所示是所述激光系统的第四输出端35输出脉冲的光谱图。
图10所示是所述激光系统的第二输出端33在不同的第二可编程滤波器19参数条件下，输出脉冲的时域形状。
图11所示是所述激光系统的第二输出端33在不同的第二可编程滤波器19参数条件下，输出脉冲的光谱形状。
图12所示是所述激光系统的第三输出端34在不同的第一可编程滤波器13参数条件下，输出脉冲的时域形状。
图13所示是所述激光系统的第三输出端34在不同的第一可编程滤波器13参数条件下，输出脉冲的光谱形状。
附图标记说明：1—第一光纤布拉格光栅、2—第一掺铒光纤、3—第一波分复用器、4—第一泵浦源、5—第一光纤反射镜、6—第一光纤环形器、7—第一啁啾布拉格光栅、8—第一高非线性光纤、9—第二啁啾布拉格光栅、10—第二光纤环形器、11—第二光纤反射镜、12—第一输出耦合器、13—第一可编程滤波器、14—第二泵浦源、15—第二波分复用器、16—第二掺铒光纤、17—第三波分复用器、18—第三泵浦源、19—第二可编程滤波器、20—第二输出耦合器、21—第三啁啾布拉格光栅、22—第三光纤环形器、23—第三光纤反射镜、24—第二高非线性光纤、25—第四光纤反射镜、26—第四光纤环形器、27—第四啁啾布拉格光栅、28—第四泵浦源、29—第四波分复用器、30—第三掺铒光纤、31—第二光纤布拉格光栅、32—第一输出端、33—第二输出端、34—第三输出端、35—第四输出端、A—光纤环形器的A端口、B—光纤环形器的B端口、C—光纤环形器的C端口、D—光纤环形器的D端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，如图1所示，包括的器件有第一光纤布拉格光栅1、第一掺铒光纤2、第一波分复用器3、第一泵浦源4、第一光纤反射镜5、第一光纤环形器6、第一啁啾布拉格光栅7、第一高非线性光纤8、第二啁啾布拉格光栅9、第二光纤环形器10、第二光纤反射镜11、第一输出耦合器12、第一可编程滤波器13、第二泵浦源14、第二波分复用器15、第二掺铒光纤16、第三波分复用器17、第三泵浦源18、第二可编程滤波器19、第二输出耦合器20、第三啁啾布拉格光栅21、第三光纤环形器22、第三光纤反射镜23、第二高非线性光纤24、第四光纤反射镜25、第四光纤环形器26、第四啁啾布拉格光栅27、第四泵浦源28、第四波分复用器29、第三掺铒光纤30和第二光纤布拉格光栅31；
所述第一光纤布拉格光栅1、第一掺铒光纤2、第一波分复用器3、第一光纤环形器6、第一高非线性光纤8、第二光纤环形器10、第一输出耦合器12、第一可编程滤波器13、第二波分复用器15、第二掺铒光纤16、第三波分复用器17、第二可编程滤波器19、第二输出耦合器20、第三光纤环形器22、第二高非线性光纤24、第四光纤环形器26、第四波分复用器29、第三掺铒光纤30和第二光纤布拉格光栅31依次连接；
所述第一波分复用器3与第一泵浦源4连接；
所述第一光纤反射镜5、第一光纤环形器6和第一啁啾布拉格光栅7依次连接；
所述第二啁啾布拉格光栅9、第二光纤环形器10和第二光纤反射镜11依次连接；
所述第二泵浦源14和第二波分复用器15连接；
所述第三波分复用器17和第三泵浦源18连接；
所述第三啁啾布拉格光栅21、第三光纤环形器22和第三光纤反射镜23依次连接；
所述第四光纤反射镜25、第四光纤环形器26和第四啁啾布拉格光栅27依次连接；
所述第四泵浦源28和第四波分复用器29连接。
其中，第一泵浦源4、第二泵浦源14、第三泵浦源18和第四泵浦源28均为半导体激光器，输出泵浦光的中心波长λ0为：980nm。
第一光纤布拉格光栅1可采用Teraxion公司PSW-DMR型号的光纤布拉格光栅，反射中心波长为1558nm，3dB带宽为3nm，反射率为80％。
第二光纤布拉格光栅31可采用Teraxion公司PSW-DMR型号的光纤布拉格光栅，反射中心波长为1542nm，3dB带宽为3nm，反射率为80％。
第一啁啾布拉格光栅7、第二啁啾布拉格光栅9、第三啁啾布拉格光栅21和第四啁啾布拉格光栅27均可采用Teraxion公司的啁啾布拉格光栅，反射中心波长为1550nm，反射率为99.7％，提供的色散量可调范围为-200～0ps2。
第一光纤反射镜5、第二光纤反射镜11、第三光纤反射镜23和第四光纤反射镜25是基于50/50耦合器的光纤全反射镜。
第一掺铒光纤2、第二掺铒光纤16和第三掺铒光纤30均采用CorActive公司的型号为L1500的掺铒增益光纤，其长度均为3m，在1550nm处其色散系数β2为28ps2/km。
第一高非线性光纤8和第二高非线性光纤24均采用OFS公司的高非线性光纤，其长度均为1m，在1550nm处其色散系数β2为3.2ps2/km，非线性参量γ为11.5/W/km。
第一波分复用器3、第二波分复用器15、第三波分复用器17和第四波分复用器29的工作波长均为980nm/1550nm。
第一光纤环形器6、第二光纤环形器10、第三光纤环形器22和第四光纤环形器26均为四端口环形器。
第一可编程滤波器13和第二可编程滤波器19均可采用美国Finisar公司生产的Wave Shaper 1000A/SP可编程光学滤波器，其滤波带宽范围满足：1nm≤FBW≤50nm，其工作波长范围为1500nm～1600nm。
本发明中涉及的工作原理具体如下：
为了真实、准确地模拟本发明提供的系统中多波长激光脉冲的产生和演化过程，采用的物理模型充分考虑系统内各个分立器件对腔内脉冲传输的影响，并通过分步傅立叶算法进行数值求解。当光脉冲经过腔内器件时，将光场乘以该器件对应的传输矩阵；当光脉冲经过腔内光纤布拉格光栅时，将光场乘以该器件对应的传输方程：
Figure BDA0002895449030000061
式中，Δω是角频率偏移量，σ是滤波器带宽，r是光栅的反射系数。
当光脉冲经过腔内光纤时，采用金兹堡-朗道方程描述脉冲在光纤中的传输特性：
Figure BDA0002895449030000062
式中，A表示光场的振幅包络；t和z分别是时间和传输距离；i为虚数单位；β2，γ和Ωg分别代表光纤二阶色散，非线性参量和光纤增益带宽。g是光纤增益系数，对于普通光纤而言，g＝0。考虑增益饱和效应，增益系数g可表示为：
g＝g0 exp(-Ep/Es) (3)
式中g0，Ep和Es分别代表小信号增益系数，脉冲能量以及增益饱和能量，g0与泵浦源的功率成正比。
对本发明提出的全光纤激光系统进行数值仿真，为了精确模拟本发明提出的系统，设置了如下仿真参数：第一光纤布拉格光栅1的中心波长为1558nm，反射带宽为3nm，反射率为80％；第二光纤布拉格光栅31的中心波长为1542nm，反射带宽为3nm，反射率为80％；第一可编程滤波器13的中心波长为1554nm，带宽为3nm；第二可编程滤波器19的中心波长为1546nm，带宽为3nm；掺铒光纤2、掺铒光纤16、掺铒光纤30的长度均为3m，在1550nm处β2为26ps2/km，非线性参量γ为3/W/km，增益带宽Ωg为40nm，小信号增益g0为5/m；第一输出耦合器12和第二输出耦合器20的输出比率均为20％；第一高非线性光纤8和第二高非线性光纤24的长度均为1m，在1550nm处β2为3.2ps2/km，非线性参量γ为11.5/W/km。
本发明的具体原理及数值仿真结果如下：
本发明提供的一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统中由啁啾布拉格光栅、光纤环形器和光纤反射镜组成的环形器结构总共四处，当光脉冲途径环形器的路径是A→B→C时，脉冲经过啁啾布拉格光栅，脉冲被压缩，峰值功率得到提高，有利于增强脉冲的自相位调制效应；当光脉冲途径环形器的路径是C→D→A时，脉冲经过光纤反射镜，脉冲特性不变。所述系统中的第一光纤布拉格光栅1、第一可编程滤波器13、第二可编程滤波器19和第二光纤布拉格光栅31可视为中心波长互不相同的四个带通滤波器，且每两个带通滤波器之间均包含非线性介质(在本系统中非线性介质代指掺铒光纤以及高非线性光纤)。脉冲通过带通滤波器时，会引起脉冲的光谱损耗；脉冲在非线性介质中传播时，由于自相位调制效应，会导致光谱展宽。在脉冲能量足够高的条件下，每当脉冲信号通过相邻的中心波长偏置的带通滤波器时，自相位调制导致的光谱展宽足以补偿带通滤波器引起的光谱损耗。经过多次周期性的光谱损耗与展宽调制，直至在腔内形成自洽演化，最终在第一输出端32、第二输出端33、第三输出端34和第四输出端35分别实现不同中心波长的脉冲输出。
对本发明提供的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统进行了数值模拟，其结果如下：
图2所示是所述激光系统在固定仿真参数条件下第一输出端32输出脉冲的时域形状。
图3所示是所述激光系统在固定仿真参数条件下第一输出端32输出脉冲的光谱图。可以看到，输出脉冲的中心波长为1543nm。
图4所示是所述激光系统在固定仿真参数条件下第二输出端33输出脉冲的时域形状。
图5所示是所述激光系统在固定仿真参数条件下第二输出端33输出脉冲的光谱图。可以看到，输出脉冲的中心波长为1547nm。
图6所示是所述激光系统在固定仿真参数条件下第三输出端34输出脉冲的时域形状。
图7所示是所述激光系统在固定仿真参数条件下第三输出端34输出脉冲的光谱图。可以看到，输出脉冲的中心波长为1555nm。
图8所示是所述激光系统在固定仿真参数条件下第四输出端35输出脉冲的时域形状。
图9所示是所述激光系统在固定仿真参数条件下第四输出端35输出脉冲的光谱图。可以看到，输出脉冲的中心波长为1558nm。
图10所示是所述激光系统的第二输出端33在不同的第二可编程滤波器19参数条件下，输出脉冲的时域形状。图例中λ0和BW分别代表第二可编程滤波器19的中心波长和带宽。
图11所示是所述激光系统的第二输出端33在不同的第二可编程滤波器19参数条件下，输出脉冲的光谱形状。图例中λ0和BW分别代表第二可编程滤波器19的中心波长和带宽。
图12所示是所述激光系统的第三输出端34在不同的第一可编程滤波器13参数条件下，输出脉冲的时域形状。图例中λ0和BW分别代表第一可编程滤波器13的中心波长和带宽。
图13所示是所述激光系统的第三输出端34在不同的第一可编程滤波器13参数条件下，输出脉冲的光谱形状。图例中λ0和BW分别代表第一可编程滤波器13的中心波长和带宽。
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 (11)

1.一种多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，包括的器件有第一光纤布拉格光栅(1)、第一掺铒光纤(2)、第一波分复用器(3)、第一泵浦源(4)、第一光纤反射镜(5)、第一光纤环形器(6)、第一啁啾布拉格光栅(7)、第一高非线性光纤(8)、第二啁啾布拉格光栅(9)、第二光纤环形器(10)、第二光纤反射镜(11)、第一输出耦合器(12)、第一可编程滤波器(13)、第二泵浦源(14)、第二波分复用器(15)、第二掺铒光纤(16)、第三波分复用器(17)、第三泵浦源(18)、第二可编程滤波器(19)、第二输出耦合器(20)、第三啁啾布拉格光栅(21)、第三光纤环形器(22)、第三光纤反射镜(23)、第二高非线性光纤(24)、第四光纤反射镜(25)、第四光纤环形器(26)、第四啁啾布拉格光栅(27)、第四泵浦源(28)、第四波分复用器(29)、第三掺铒光纤(30)和第二光纤布拉格光栅(31)；
所述第一光纤布拉格光栅(1)、第一掺铒光纤(2)、第一波分复用器(3)、第一光纤环形器(6)、第一高非线性光纤(8)、第二光纤环形器(10)、第一输出耦合器(12)、第一可编程滤波器(13)、第二波分复用器(15)、第二掺铒光纤(16)、第三波分复用器(17)、第二可编程滤波器(19)、第二输出耦合器(20)、第三光纤环形器(22)、第二高非线性光纤(24)、第四光纤环形器(26)、第四波分复用器(29)、第三掺铒光纤(30)和第二光纤布拉格光栅(31)依次连接；
所述第一波分复用器(3)与第一泵浦源(4)连接；
所述第一光纤反射镜(5)、第一光纤环形器(6)和第一啁啾布拉格光栅(7)依次连接；
所述第二啁啾布拉格光栅(9)、第二光纤环形器(10)和第二光纤反射镜(11)依次连接；
所述第二泵浦源(14)和第二波分复用器(15)连接；
所述第三波分复用器(17)和第三泵浦源(18)连接；
所述第三啁啾布拉格光栅(21)、第三光纤环形器(22)和第三光纤反射镜(23)依次连接；
所述第四光纤反射镜(25)、第四光纤环形器(26)和第四啁啾布拉格光栅(27)依次连接；
所述第四泵浦源(28)和第四波分复用器(29)连接。
2.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一泵浦源(4)、第二泵浦源(14)、第三泵浦源(18)和第四泵浦源(28)均为半导体激光器，输出泵浦光的中心波长λ0为：980nm。
3.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅(1)的反射中心波长为1558nm，3dB带宽为3nm，反射率为80％。
4.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第二光纤布拉格光栅(31)的反射中心波长为1542nm，3dB带宽为3nm，反射率为80％。
5.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一啁啾布拉格光栅(7)、第二啁啾布拉格光栅(9)、第三啁啾布拉格光栅(21)和第四啁啾布拉格光栅(27)的反射率为99.7％。
6.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一光纤反射镜(5)、第二光纤反射镜(11)、第三光纤反射镜(23)和第四光纤反射镜(25)是基于50/50耦合器的光纤全反射镜。
7.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一掺铒光纤(2)、第二掺铒光纤(16)和第三掺铒光纤(30)的长度均为3m，在1550nm处具有正色散。
8.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一高非线性光纤(8)和第二高非线性光纤(24)的长度均为1m，在1550nm处具有正色散。
9.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一波分复用器(3)、第二波分复用器(15)、第三波分复用器(17)和第四波分复用器(29)的工作波长均为980nm/1550nm。
10.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一光纤环形器(6)、第二光纤环形器(10)、第三光纤环形器(22)和第四光纤环形器(26)均为四端口环形器。
11.根据权利要求1所述的多端口输出的多波长激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一可编程滤波器(13)和第二可编程滤波器(19)的工作波长范围均为1500nm～1600nm。
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