CN113285344A - 一种宽波段可调谐的双色超快脉冲同步技术 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种宽波段可调谐的双色超快脉冲同步技术，包括：主激光器与主激光器脉冲功率放大模块，能够输出高功率、高强度的超短脉冲；以及从激光器，包括非线性介质以及保偏增益光纤，由非线性频率转换所产生的宽带、可调谐的超快信号光脉冲，以及光参量增益和增益光纤放大的信号光脉冲，以便于降低谐振腔的锁模与光脉冲的同步阈值；包括延时器系统与保偏光纤结构，可以通过粗调与精细调节，以及光纤中的非线性交叉相位调制，使得所述从激光器完成与主激光器同步超快脉冲输出；此外，非线性频率转换过程中所产生的稳定闲频光还可以作为独立的中红外源应用于高分辨率红外吸收光谱和分子检测等领域。
Description
技术领域
本发明涉及超快光学和激光技术领域，尤其涉及一种宽波段可调谐的双色超快脉冲同步技术。
背景技术
双色超快同步激光光源，能够产生波长不同但时间同步的超快脉冲序列，被广泛用于高分辨光谱学、泵浦探针研究、相干脉冲合成和精确的定时分布、非线性频率转换、Raman散射成像、多色泵浦-探测光谱检测、多通道高速光纤通信网络、光纤-自由空间精密时间传递与分发等领域，在超快光学技术领域具有重要的研究和应用价值。
双波长脉冲激光器的脉冲同步有两种机制，分别是主动同步与被动同步技术。主动同步技术是利用电子学反馈系统控制激光器腔长来实现双波长脉冲的同步，而被动同步技术是利用光脉冲在激光介质中的非线性相互作用来实现双脉冲同步的。当前，基于非线性交叉相位调制（XPM）的被动全光同步技术已被发展为脉冲同步技术的重要有效手段，其利用光-光反馈机制可免除主动技术所需的复杂电学控制系统，缓解了高速电子器件与电路的严格要求。然而，受限于激光增益介质发射光谱的限制，双色同步激光器输出的中心波长一般被限定在特定波段，输出波长带宽窄、且可调范围小；此外，双色脉冲的同步状态对于波长调谐非常敏感，导致同步失匹量较低，锁模状态容易丢失，且易受到温度变化、机械振动等运行环境的干扰而无法获得稳定的输出。
鉴于宽带可调谐同步双色超快脉冲激光源诸多领域都有着不断增长的应用需求，如可调谐中红外产品产生、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）成像、时间分辨光谱分析等，亟需发展具备能够稳定运行、宽带可调谐的超快脉冲时域精密同步新方法，其具有重要科学价值和广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提出了一种基于光参量增益的双色脉冲同步方法，其结合了光纤激光放大、非线性频率转换以及双色脉冲被动同步等相关技术。由于非线性介质具有较宽的透明窗口以及较大的非线性系数，利用非线性频率转换过程，能够产生具有宽波段可调谐的超短脉冲；结合不同的增益介质，可对不同中心波长的超快激光脉冲进一步放大，从而降低激光器的锁模阈值；最后通过非线性交叉相位调制效应，实现双色脉冲的被动同步。整体同步激光系统采用全保偏光纤结构，具有结构紧凑、抗干扰性强、运行稳定等特点，为获得宽带可调谐同步双色超快脉冲提供了一条可行技术路径。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明涉及的一种宽波段可调谐的双色超快脉冲同步技术主要包含非线性光参量增益放大与双色脉冲被动同步两个部分。在非线性光参量增益放大部分，我们采用光频为ωp的主激光器，其输出脉冲通过非线性介质，产生自发参量下转换，能够产生频率较低的信号光ωs和闲频光ωi，且满足ωs+ωi=ωp。通过调换不同结构的非线性介质，如扇型结构、啁啾结构、多光栅结构、多通道单周期的极化铌酸锂晶体（PPLN）、PPLN波导等等，或者改变非线性介质的相位匹配条件，如改变相位匹配角度、温度、通道等等，便可以获得宽波段可调谐的信号光与闲频光脉冲。然后，产生的信号光进入一个光纤环形腔，通过精细匹配腔长，仅与泵浦光同时到达非线性晶体的信号脉冲能够获得显著的光参量增益。此外，环形腔包含了一段增益光纤，能够有效补偿宽波段信号光传输的损耗，从而实现其在谐振腔内的共振运行。
在双色脉冲被动同步部分，泵浦光与信号光在光纤中能够发生非线性交叉相位调制（XPM），从而引起信号光脉冲的光谱位移，通过群速度色散能够自适应地补偿腔长失配，最终实现双色脉冲的高精度被动同步。
本发明的有益效果为：
本发明采用非线性光参量过程产生同步信号脉冲，通过不同的结构的非线性介质或者调节非线性介质的相位匹配条件，可以获得宽带可调的光谱范围；在光纤谐振腔内引入光纤增益介质，能够有效降低激光器的同步锁模阈值；免除了模拟反馈电路，通过非线性效应飞秒量级的高速响应即可实现高精度超短脉冲同步；采用全保偏光纤结构，大幅提高系统稳定性及抗环境干扰能力，如对温度、压力、振动等干扰因素。
附图说明
附图1为本发明一种宽波段可调谐的双色超快脉冲同步技术的实施例结构示意图。
附图2为本发明一种宽波段可调谐的双色超快脉冲同步技术的装置示意图，其中作为泵浦光的以1030 nm为中心波长的主激光器100、主激光器脉冲功率放大模块101、1030/1550光纤波分复用器102、空间准直器103、消色差聚焦透镜104、PPLN晶体105、保偏单模光纤106、增益光纤107、光纤隔离器108、30：70光纤分束器109、脉冲同步空间延时系统200。
具体实施方式
以下结合图1所示的实施例对本发明相关特征作进一步详细说明，以便于同行业人员的理解：
如图1所示，一种宽波段可调谐的双色超快脉冲同步激光系统包括主激光器、波分复用器、非线性介质、延时器、保偏光纤、耦合输出器以及增益光纤。主激光器输出光频为ωp的泵浦光脉冲，通过波分复用器注入从激光器的谐振腔，经过非线性介质后产生信号光与闲频光, 光频分别为ωs与ωi。信号光经过一段增益光纤实现功率放大，以抵消其在腔内传输的损耗。通过延时器可以精密调节信号光脉冲与泵浦脉冲的时间重叠，从而使得信号光得到显著的非线性参量增益，对于同步脉冲的初步选取起到关键作用。
进一步地，泵浦光和信号光脉冲在单模保偏光纤中通过非线性交叉相位调制效应，能够获得双色脉冲之间的超快相互作用，结合自适应波长调节和光纤中群速度色散获得高精度超快脉冲之间的时域同步。如图1中“单模光纤”位置处引出的框图所示，循环的信号光脉冲和连续注入的泵浦光脉冲在单模光纤中发生非线性交叉相位调制，如果在时域上泵浦光脉冲慢于信号光脉冲，则泵浦光脉冲的中心波长发生蓝移，从而在反常色散区增加其群速度来补偿腔长失配。相反，当在时域上泵浦光脉冲快于信号光脉冲，则泵浦光脉冲的中心波长发生红移，从而降低其在反常色散区的群速度来补偿腔长来实现双色脉冲之间的时域同步。
通过信号光在谐振腔内的多次运行，当且仅当与泵浦脉冲精确同步时，才能实现信号光脉冲的稳定输出。值得注意的是，增益光纤的放大倍数需要控制在合适的区间，太小将无法提供足够增益实现信号光谐振，太大则会影响光参量增益的作用效果。当泵浦光与信号光在时域上获得同步时，信号光脉冲会在非线性介质中进一步获得参量增益，结合增益光纤放大能够克服谐振腔内的损耗，降低锁模阈值，最终形成稳定的被动同步运行状态。
而且，通过调换不同结构的非线性介质或者变换非线性介质的相位匹配条件，可以实现输出波长的大范围调谐，如改变工作温度、晶体角度、反转周期等，最终获得宽带可调的同步脉冲输出。在同步激光系统中，通过选用不同的泵浦波长、非线性介质，以及相匹配的增益光纤，可以在不同的波长范围内实现宽带可调谐的同步脉冲输出。
表格1展示了不同参数配置与器件选取的条件下，能够实现不同工作波段的宽带可调谐双色超快脉冲激光系统。此外，非线性频率转换过程中所产生的中红外闲频光脉冲，其在时域上与泵浦光和信号光脉冲同步，有望应用于分子光谱分析等红外物理与应用领域。
表格1不同工作波段的宽带可调谐双色超快脉冲激光系统
为更进一步清晰地说明宽波段可调谐的双色超快脉冲同步激光系统的结 构，以下将举实例详细说明其实施方法。选取中心波长为1030nm的脉冲激 光作为泵浦光、PPLN晶体作为非线性频率转换的非线性介质、以及掺铒光纤 作为增益介质来对激光脉冲放大，实现以1030nm与1550nm为中心波长的 宽带可调谐的双色同步超快脉冲的输出，如附图2所示。
一种宽波段可调谐双色脉冲同步激光器包含有：作为泵浦光的以1030 nm为中心波长的主激光器100、主激光器脉冲功率放大模块101、1030/1550光纤波分复用器102、空间准直器103、消色差聚焦透镜104、PPLN晶体105、保偏单模光纤106、增益光纤107、光纤隔离器108、30：70光纤分束器109、脉冲同步空间延时系统200。
上述所有连接均采用单模保偏光纤；
上述所有器件均采用保偏器件；
所述泵浦光源100在本实施例中采用中心波长为1030 nm的脉冲激光源，其输出光纤为单模保偏光纤；
所述主激光器脉冲功率放大模块101为中心波长为1030 nm的脉冲放大器；
所述光纤波分复用器102在本实施例中采用适用于1030 nm与1550 nm波长的波分复用器；
所述空间准直器103为1030 nm与1550 nm的消色差空间准直器；
所述消色差聚焦透镜104为增透膜波长范围是1030 nm—1550 nm的消色差双胶合透镜；
所述保偏单模光纤106为中心波长为1550 nm的保偏单模光纤；
所述增益光纤107为保偏掺铒增益光纤；
所述光纤隔离器108为以1550 nm为中心波长的保偏光纤隔离器，以控制光路的传输方向；
所述30：70光纤分束器109为以1550 nm为中心波长的保偏光纤耦合器；
所述200脉冲同步空间延时系统，其内部为两个空间输出光纤耦合器放置于三维调整架上，能够手动或者远程控制激光传输的距离，达到调节腔长的目的。其调节步长需要足够小，以满足两个脉冲同步的精确匹配；此外其调节范围需要足够大，以确保两个脉冲能够在被动全光同步的失匹容忍范围内。
本实施例中的具体操作如下：
（1）增加泵浦光100以及脉冲放大器101的输出功率，以至在PPLN晶体的准相位匹配条件下，产生比较大的信号光增益，使其在腔内循环，在经过增益介质时进一步得到增益放大，以至更大的补偿损耗，降低谐振腔锁模阈值。
（2）将30:70光纤分束器109的输出端的光脉冲通过高速探测器与示波器探测，在未实现双色脉冲同步时，示波器上可以看到泵浦光脉冲，以及不断堆叠直至消亡的信号光脉冲，确定其时间上的间隔ΔT。
（3）利用δL = ΔT*c/n 计算出光参量振荡器与注入的非线性频率转换中的泵浦光脉冲激光器100所需要补偿的光程差，其中c为光速，n为光纤折射率。在本实施例中可以通过粗调和细调结合的方式获得良好的重复频率匹配与脉冲同步。粗调可通过增加或者减短单模保偏光纤的长度来获得，一般精度为1 cm。细调则是通过脉冲同步空间延时系统200来实现，其精度一般可达1 μm。
（4）通过脉冲同步延时系统200与保偏单模光纤106的补偿，可以使信号光与泵浦光实现脉冲时域同步，如此便可以在PPLN晶体103后通过光参量增益获得进一步的信号光脉冲的放大。
（5）增加激光器脉冲功率放大模块101的输出功率至光参量的增益放大与增益光纤的放大达到振荡器锁模阈值以上，同时，光参量增益放大的信号光脉冲与注入脉冲在光纤中产生显著的非线性交叉相位调制，最终能够获得稳定的双色同步超快脉冲输出。
（6）优化PPLN晶体105的温度、角度以及反转周期等参数，使从激光器能够输出宽带、波长可调谐的超快脉冲
（7）进一步优化泵浦光源100与激光器脉冲功率放大模块101的输出功率与延时器，使得被动同步对注入脉冲激光器与从激光器失匹具有最大的容忍度，从而提高系统的稳定性和鲁棒性。
在本发明及上述实施例的教导下，本领域技术人员很容易预见到，本发明所列举或例举的各原料或其等同替换物、各加工方法或其等同替换物都能实现本发明，以及各原料和加工方法的参数上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
Claims (10)
1.一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步技术，用于实现宽带可调谐的双色同步超快脉冲输出，其特征在于，包括：从激光器，主激光器与激光器脉冲功率放大模块。
2.如权利要求1所述一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步技术，其特征在于，所述从激光器包括用于产生光参量增益放大的非线性介质，用于放大信号光的增益光纤，实现与主激光器脉冲同步的延时系统以及能够实现光路循环的光纤激光腔。
3.如权利要求2所述一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步技术，其特征在于，所述从激光器为光纤环形腔振荡器，在其谐振腔内满足相位匹配的条件下，高频泵浦光通过非线性介质，获得信号光与闲频光脉冲，通过延时器对信号光进行时域调节，当其与泵浦光脉冲时域同步时，可以通过非线性频率转换使得信号光脉冲得到增益放大，此外，腔内增益光纤还可对信号光脉冲进一步放大，当信号光的参量增益与光纤放大的增益超过损耗时，便在谐振腔内形成稳定的振荡锁模，降低了激光器的锁模阈值，实现了与主激光器的脉冲时域同步。
4.如权利要求1和2所述一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步技术，其特征在于，所述从激光器的环形腔设置有依次串联的用于将所述主激光器泵浦光脉冲耦合进从激光器的光纤波分复用器、用于将所述的主激光器脉冲耦合输出空间的第一准直器、用于将信号光耦合入光纤的第二准直器、用于将输出的空间光聚焦进入二阶非线性介质的消色差聚焦透镜、用于产生所述的信号光参量增益放大的二阶非线性介质、用于将所述产生的信号光准直的聚焦透镜、用于对产生所述的信号光放大的增益介质，用于对所述的主从激光器脉冲进行交叉相位调制以及对所述的信号光脉冲进行时域粗调节的一定长度的保偏单模光纤、用于对所述的注入脉冲与产生的信号光脉冲控制光路方向的光纤隔离器、用于将所述的信号光脉冲输出的光纤分束器、以及用于对信号光脉冲进行精密时域调节的延时器系统，其包括两个空间输出准直器以及两个三维平移台。
5.如权利要求1所述一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步技术，其特征在于，所述主激光器用于向所述从激光器注入脉冲，使其通过二阶非线性介质发生自发参量下转换，而获得宽带、可调谐的超快信号光与闲频光脉冲，并利用非线性相位调制对所述从激光器进行强度调制，从而使所述从激光器进行同步脉冲输出，其中，所述主激光器谐振腔为高功率、高强度的脉冲激光源。
6.根据权利要求5所述的一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步技术，其特征在于：所述主激光器能够输出稳定的，高功率、高强度超快激光脉冲。
7.根据权利要求5和6所述的一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步技术，其特征在于：
所述主激光器放大的泵浦光脉冲耦合进从激光器的光纤波分复用器与所述的信号光脉冲输出的光纤分束器之间设置有用于非线性频率转换产生宽带可调谐的信号光脉冲的非线性介质、用于实现主从激光器脉冲交叉相位调制与粗调时域脉冲同步的保偏单模光纤、用于降低锁模阈值并将信号光脉冲放大的保偏增益光纤、用于将所述的主激光器脉冲与产生的信号光脉冲控制光路传输方向的光纤隔离器、以及用于精密调节腔长，将所述的从激光器与主激光器实现脉冲同步的延时器系统。
8.一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）增加所述的主激光器与泵浦光的脉冲放大功率，以至在非线性介质的相位匹配条件下，产生比较大的信号光增益，使其在腔内循环，在经过增益介质时进一步得到增益放大，以至更大的补偿损耗，降低阈值；
（2）将所述的输出从激光器脉冲光的光纤分束器输出端的光脉冲通过高速探测器与示波器探测得到，在未实现双色脉冲同步时，示波器上可以看到泵浦光脉冲，以及不断堆叠直至消亡的信号光脉冲，确定其时间上的间隔ΔT；
（3）利用光程差公式δL = ΔT*c/n来计算出需要补偿的光程差，根据计算得到的δL来调节所述激光腔的腔体长度，使得所述从激光器输出的光脉冲与所述主激光器输出的光脉冲实现时域同步；
（3）增加所述的主激光器输出的泵浦光脉冲的功率至非线性频率转换的光参量增益放大与增益光纤的放大达到振荡器锁模阈值以上，获得能够自启动的稳定的从激光器锁模；
同时，通过延时器系统，以及主激光器对从激光器脉冲在光纤中的非线性交叉相位调制，使得所述从激光器完成与主激光器同步的宽带、可调谐的超快脉冲输出；
（4）优化所述的主激光器的泵浦光源的输出功率和非线性晶体的温度、角度以及反转周期等参数，使得被动同步对主激光器与从激光器失匹具有最大的容忍度，从而提高系统的稳定性和鲁棒性。
9.如权利要求8所述的一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步方法，其特征在于：
所述步骤（1）中所述的非线性晶介质以及增益光纤通过对非线性介质的角度调节、温度调节、反转周期的调节，或换为光纤波导，以及不同的增益光纤，可以实现不同中心波长的宽带可调谐的、高度相干的双色超快同步脉冲输出，并且非线性频率转换过程中所产生的闲频光可以作为一种稳定宽带的中红外源输出。
10.如权利要求8所述的一种基于光参量增益的宽带可调谐双色超快脉冲同步方法，其特征在于，所述步骤（3）中，c为光速，n为光纤折射率。
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