CN114389132A - 光纤脉冲激光振荡器及起振方法 - Google Patents

光纤脉冲激光振荡器及起振方法 Download PDF

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Abstract

一种光纤脉冲激光振荡器及起振方法，包括泵浦激光器，用于发出泵浦信号；泵浦光调制器，对泵浦信号进行调制，输出脉冲泵浦信号；合束器、增益光纤、耦合器、第一滤波器、被动光纤、隔离器、第二滤波器依次连接构成闭合环路，泵浦光调制器的输出端连接合束器的一个输入端，将脉冲泵浦信号导入闭合环路，所述脉冲泵浦信号会给整个闭合环路引入扰动，实现激光振荡器的自启动。其中第二滤波器与第一滤波器具有不同的中心波长，实现错位滤波，用于抑制闭合环路内的直流和弱的脉冲信号。本发明既可以实现高能量脉冲激光，又解决了振荡器无法自启动的问题，且结构相比之前两级展宽和滤波，变得更加紧凑。

Description

光纤脉冲激光振荡器及起振方法
技术领域
本发明涉及光纤激光振荡器技术领域，具体涉及一种基于光谱展宽和错位滤波效应的光纤脉冲激光振荡器及起振方法。
背景技术
超快光纤激光在先进制造、非线性光学、生物医学成像和激光微加工等不同领域具有广泛的应用。与传统的固体激光器相比，光纤激光器具有系统紧凑、免维护、抗干扰能力强、散热好、光束质量好等优势。脉宽为皮秒和飞秒量级的超快光纤激光器在过去十年中引起了广泛关注。
被动锁模光纤激光器，通常依赖于使用可饱和吸收体材料(如半导体可饱和吸收体、碳纳米管、石墨烯、黑磷等)或者等效可饱和吸收体(如非线性偏振旋转、非线性光纤环形镜等非线性技术)。可饱和吸收体材料在长期使用过程中，有被高峰值功率的激光脉冲损伤的风险，无法保证激光器的长期使用寿命。而等效可饱和吸收体又容易受环境扰动影响，无法保证激光器的长期稳定性。而且上述方法产生的脉冲单脉冲能量较低，最高为数十纳焦量级，平均功率通常在数十毫瓦量级。
与上述锁模技术相比，通过光纤中的光谱展宽和错位光谱滤波效应，可以进一步将光纤激光器的脉冲能量提升至百纳焦量级，功率提升至数瓦量级。然而，现有的技术通常需要两级光路级联实现光谱的展宽和错位滤波，增益光纤和泵浦都为两个，系统复杂，而且无法像其他被动锁模光纤激光器一样实现自启动，通常需要外部注入种子激光或通过手动调节辅助空间光路引入扰动等方法来实现激光振荡，给使用带来了不便。
针对现有技术中，基于光谱展宽和错位滤波效应的超快激光振荡器系统光路结构复杂、无法自启动的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种光纤脉冲激光振荡器及起振方法，其是一种系统简单紧凑、自启动性能好的基于光谱展宽和错位滤波效应的超快光纤脉冲激光振荡器。
为实现上述目的，本发明提供了一种光纤脉冲激光振荡器，其包括：
泵浦激光器，用于发出泵浦光；
泵浦光调制器，对泵浦光进行调制，输出脉冲泵浦信号；
合束器、增益光纤、耦合器、第一滤波器、被动光纤、隔离器、第二滤波器依次连接构成闭合环路，泵浦光调制器的输出端连接合束器的一个输入端，将脉冲泵浦信号导入闭合环路，所述脉冲泵浦信号会给整个闭合环路引入扰动，实现激光振荡器的自启动。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第二滤波器与第一滤波器具有不同的中心波长，实现错位滤波，用于抑制闭合环路内的直流和弱的脉冲信号。
具体地，合束器包括第一输入端和第二输出端，泵浦光调制器输出的脉冲泵浦信号经合束器的第一输入端导入闭合回路中，再经合束器的输出端进入增益光纤，增益光纤产生的信号中大部分功率的信号经耦合器的第一输出端导出，其余小部分功率信号经耦合器的第二输出端传输至第一滤波器，经第一滤波器滤波之后的信号进入被动光纤，被动光纤选择具有正色散的光纤，以达到展宽光谱的目的，确保经第一滤波器之后的信号光谱能够展宽到部分通过第二个滤波器。信号在被动光纤传输时，由于自相位调制的作用，第一滤波器滤波之后的信号会发生光谱展宽，经被动光纤输出的信号经隔离器后输入到第二滤波器，第二滤波器的输出端连接合束器的第二输入端构成闭合环路。第一滤波器和第二滤波器应具有不同的中心波长，以达到错位滤波的效果，这样可以抑制腔内的直流信号和弱的脉冲信号，实现高能量脉冲输出。更优选地，第一滤波器和第二滤波器的中心波长间隔越大，越有利于筛选出更高能量的脉冲。
作为本发明的进一步优选技术方案，在耦合器的第一输出端连接有示波器，用于观察耦合器输出的信号，待示波器上观察到稳定的、重频对应于腔长的脉冲信号后，关掉泵浦调制器，改为直流信号泵浦，脉冲保持在所述闭合环路中的稳定运行。相应地，在耦合器的第一输出端输出的是稳定的、重频对应于腔长的脉冲信号，此时在光谱仪上可以观察到脉冲的宽光谱信号。
作为本发明的进一步优选方案，所述增益光纤是掺杂增益光纤，所述掺杂增益光纤为稀土元素掺杂光纤，如掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤、掺钬光纤或铥钬共掺光纤等，能实现光的吸收与发射的增益光纤均可。根据增益光纤选型，选择与之相匹配的具有不同中心波长的泵浦激光器。
基于所述光纤脉冲激光振荡器，提出一种光纤脉冲激光振荡器的起振方法，包括：
开启所述光纤脉冲激光振荡器中的泵浦激光器，并打开泵浦光调制器。将泵浦激光器输出的泵浦光调制为脉冲泵浦信号并导入闭合环路，所述脉冲泵浦信号会给整个闭合环路引入扰动，实现激光振荡器的自启动；
用示波器在耦合器的第一输出端观察闭合回路输出的脉冲信号；
待示波器上观察到稳定的、重频对应于腔长的脉冲信号时，整个光纤脉冲激光振荡器已处于稳定的锁模状态，此时关掉泵浦调制器，改为直流信号泵浦，在耦合器的第一输出端输出的是稳定的、重频对应于腔长的脉冲信号。
本发明的光纤脉冲激光振荡器及起振方法，通过采用上述技术方案，可以达到如下有益效果：
泵浦光经过调制器后变为脉冲泵浦信号，该泵浦信号可以为整个腔带来扰动，经过掺杂增益光纤之后可以产生噪声脉冲信号，该信号首先经过第一个滤波器，之后在长的被动光纤中传输，在自相位调制作用下，经过第一个滤波器滤波之后的窄光谱信号会发生展宽，以确保能通过第二个滤波器。第二个滤波器与第一个滤波器具有不同的中心波长，这样错位滤波的好处在于可以抑制闭合环路内的直流信号和弱的脉冲信号。信号在经过第一个滤波器内经过循环的光谱展宽和错位滤波，最终可以筛选出强脉冲信号。在实现稳定的脉冲之后，便可以将泵浦光调制器关掉，改为直流泵浦，而不影响脉冲激光的稳定性。闭合环路内连接的隔离器用来确保激光的单向传输。经过这样一个结构，既可以实现高能量(功率)脉冲激光，又解决了振荡器无法自启动的问题，且结构相比之前两级展宽和滤波，变得更加紧凑。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一实施例的结构示意图；
图2为本发明一实施例中经过调制的脉冲泵浦信号；
图3为本发明一实施例中输出的激光脉冲序列；
图4为本发明一实施例中输出的激光脉冲序列。
图中：
1、泵浦激光器，2、泵浦光调制器，3、合束器，4、掺杂增益光纤，5、耦合器，6、第一滤波器，7、被动光纤，8、隔离器，9、第二滤波器。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供了一种光纤脉冲激光振荡器，包括：
泵浦激光器1，用于发出泵浦信号；
泵浦光调制器2，对泵浦信号进行调制，输出脉冲泵浦信号；
合束器3、掺杂增益光纤4、耦合器5、第一滤波器6、被动光纤7、隔离器8、第二滤波器9依次连接构成闭合环路，泵浦光调制器2的输出端连接合束器3的一个输入端，将脉冲泵浦信号导入闭合环路，所述脉冲泵浦信号会给整个闭合环路引入扰动，实现激光振荡器的自启动。
所述第二滤波器9与第一滤波器6应具有不同的中心波长，以达到错位滤波的效果，这样可以抑制腔内的直流信号和弱的脉冲信号，实现高能量脉冲输出。更优选地，本示例中第一滤波器和第二滤波器的中心波长间隔大于10nm，将有利于筛选出更高能量的脉冲。
具体地，合束器3包括第一输入端和第二输出端，泵浦光调制器2输出的脉冲泵浦信号经合束器3的第一输入端导入闭合回路中，再经合束器3的输出端进入掺杂增益光纤4，掺杂增益光纤4产生的信号中大部分功率(50％以上，目的是实现高能量/功率脉冲输出)的信号经耦合器5的第一输出端导出，其余小部分功率信号经耦合器5的第二输出端传输至第一滤波器6，经第一滤波器6滤波之后的信号进入被动光纤7，被动光纤选择具有正色散的光纤，以达到展宽光谱的目的，确保经第一滤波器之后的信号光谱可以展宽到部分通过第二个滤波器。信号在被动光纤7传输时，由于自相位调制的作用，第一滤波器6滤波之后的信号会发生光谱展宽，经被动光纤7输出的信号经隔离器8后输入到第二滤波器9，第二滤波器9的输出端连接合束器3的第二输入端构成闭合环路。
所述掺杂增益光纤4为稀土元素掺杂光纤，如掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤、掺钬光纤或铥钬共掺光纤等，能实现光的吸收与发射的增益光纤均可。根据增益光纤选型，选择与之相匹配的具有不同中心波长的泵浦激光器。
在一具体实施中，采用图1所示结构，泵浦激光器1采用广泛使用的商用中心波长为976nm的多模激光二极管来泵浦掺镱光纤，泵浦光调制器2将泵浦光调制为重频为20kHz的方波脉冲信号，如图2所示，脉冲泵浦信号有助于为激光腔引入扰动来实现自启动。合束器3采用输入输出均为保偏10/125的光纤。掺杂增益光纤4采用长度为2.6m的保偏10/125的掺镱光纤。耦合器5其第二输出端和第一输出端的分光比例为20/80，掺杂增益光纤4产生的信号中80％功率的信号经耦合器5的第一输出端导出，用作光纤脉冲振荡器输出，80％的端口输出可以得到能量/功率较大的脉冲。第一滤波器6的中心波长为1060nm，3dB带宽10nm，输入输出光纤均为保偏10/125。被动光纤7为10m的保偏10/125光纤。隔离器8的输入输出光纤也为PM10/125光纤。为实现高能量脉冲输出，第二滤波器9的中心波长为1073nm，3dB带宽7nm，与第一滤波器中心波长间隔大于了10nm。以上器件首尾相连接构成闭合环路，本实施例中，两个滤波器均采用了商用常规波长的滤波器，整个光纤脉冲激光振荡器中均采用了保偏10/125光纤，全保偏光纤有助于得到抗环境干扰、稳定性更好的脉冲激光，整个腔长大约21.2m。
光纤脉冲激光振荡器的起振方法为，首先打开泵浦激光器1，将其功率增加到一定程度，如12W，并打开泵浦光调制器2将泵浦光调制为脉冲信号。用示波器在耦合器5的输出端观察闭合回路输出的脉冲信号，首先会观察到不稳定的脉冲信号，信号起伏不定。等待一段时间之后，可以突然观察到稳定的脉冲信号，脉冲的重频为9.77MHz，与腔长是对应的，表明此时整个系统已处于稳定的锁模状态。在这种情况下，可以将泵浦光调制器2关掉，改为直流信号泵浦，这不会影响整个腔的脉冲稳定性，脉冲保持在所述闭合环路中的稳定运行。在耦合器的第一输出端输出的是稳定的、重频对应于腔长的脉冲信号。图3为在此时状态下的脉冲序列，脉冲间隔102.4ns，重频9.77MHz，单脉冲能量可达到百纳焦量级。
在另一具体实施中，仍采用图1所示结构，掺杂增益光纤4采用长度为3m的保偏10/125的掺镱光纤，耦合器5其第二输出端和第一输出端的分光比例为30/70，掺杂增益光纤产生的信号中70％功率的信号经耦合器的第一输出端导出，用作光纤脉冲振荡器输出。被动光纤7为14m的保偏10/125光纤，泵浦激光器1、泵浦光调制器2、合束器3、第一滤波器6、隔离器8、第二滤波器9均与前一实施例相同，整个系统仍然采用全保偏10/125光纤结构，腔长约23.5m，对应的重频为8.82MHz。
光纤脉冲激光振荡器的起振方法与前一实施例相同，首先打开泵浦激光器1，将其功率增加到一定程度，如12W，并打开泵浦光调制器2。首先在耦合器5的输出端会观察到不稳定的脉冲信号，等待一段时间之后，可以突然观察到稳定的脉冲信号，脉冲的重频为8.82MHz，表明此时整个系统已处于稳定的锁模状态。如果系统长时间都没有实现稳定的脉冲态，可以调节不同的泵浦功率，再等待一段时间。待系统输出稳定的脉冲激光后，可以将泵浦光调制器2关掉。图4为在此时状态下的脉冲序列，重频8.82MHz，脉冲间隔113.4ns。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.光纤脉冲激光振荡器，其特征在于，包括：
泵浦激光器，用于发出泵浦光；
泵浦光调制器，对泵浦光进行调制，输出脉冲泵浦信号；
合束器、增益光纤、耦合器、第一滤波器、被动光纤、隔离器、第二滤波器依次连接构成闭合环路，泵浦光调制器的输出端连接合束器的一个输入端，将脉冲泵浦信号导入闭合环路，所述脉冲泵浦信号会给整个闭合环路引入扰动，实现激光振荡器的自启动。
2.根据权利要求1所述的光纤脉冲激光振荡器，其特征在于，所述第二滤波器与第一滤波器具有不同的中心波长，实现错位滤波，用于抑制闭合环路内的直流和弱的脉冲信号。
3.根据权利要求1或2所述的光纤脉冲激光振荡器，其特征在于，合束器包括第一输入端和第二输出端，泵浦光调制器输出的脉冲泵浦信号经合束器的第一输入端导入闭合回路中，再经合束器的输出端进入增益光纤，增益光纤产生的信号中大部分功率的信号经耦合器的第一输出端导出，其余小部分功率信号经耦合器的第二输出端传输至第一滤波器，经第一滤波器滤波之后的信号进入被动光纤，被动光纤选择具有正色散的光纤，以达到展宽光谱的目的，确保经第一滤波器之后的信号光谱能够部分通过第二个滤波器；信号在被动光纤传输时，由于自相位调制的作用，第一滤波器滤波之后的信号会发生光谱展宽，经被动光纤输出的信号经隔离器后输入到第二滤波器，第二滤波器的输出端连接合束器的第二输入端构成闭合环路。
4.根据权利要求3所述的光纤脉冲激光振荡器，其特征在于，在耦合器的第一输出端连接有示波器，用于观察耦合器输出的信号，待示波器上观察到稳定的、重频对应于腔长的脉冲信号后，关掉泵浦调制器，改为直流信号泵浦，脉冲保持在所述闭合环路中的稳定运行。
5.根据权利要求1、2或4所述的光纤脉冲激光振荡器，其特征在于，所述增益光纤是掺杂增益光纤。
6.根据权利要求5所述的光纤脉冲激光振荡器，其特征在于，所述掺杂增益光纤为稀土元素掺杂光纤。
7.根据权利要求6所述的光纤脉冲激光振荡器，其特征在于，所述掺杂增益光纤为掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤、掺钬光纤或铥钬共掺光纤。
8.根据权利要求1、2、4、6或7所述的光纤脉冲激光振荡器，其特征在于，根据增益光纤选型，选择与之相匹配的具有不同中心波长的泵浦激光器。
9.根据权利要求8所述的光纤脉冲激光振荡器，其特征在于，第一滤波器和第二滤波器的中心波长间隔越大，越有利于筛选出更高能量的脉冲。
10.一种光纤脉冲激光振荡器的起振方法，其特征在于，包括：
开启权利要求1、2、4、6、7或9所述光纤脉冲激光振荡器中的泵浦激光器，并打开泵浦光调制器，将泵浦激光器输出的泵浦光调制为脉冲泵浦信号并导入闭合环路，所述脉冲泵浦信号会给整个闭合环路引入扰动，实现激光振荡器的自启动；
用示波器在耦合器的输出端观察闭合回路输出的脉冲信号；
待示波器上观察到稳定的、重频对应于腔长的脉冲信号时，整个光纤脉冲激光振荡器已处于稳定的锁模状态，此时关掉泵浦调制器，改为直流信号泵浦，在耦合器的第一输出端输出的是稳定的、重频对应于腔长的脉冲信号。
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