CN115220152A - 色散控制装置、方法以及飞秒脉冲光纤激光器 - Google Patents

色散控制装置、方法以及飞秒脉冲光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种色散控制装置、方法以及飞秒脉冲光纤激光器。该装置应用于光纤传输过程中，其中一段光纤上设置有光栅，装置包括弹性元件，多个第一电机和多个推杆，其中设置有光栅的光纤段固定于弹性元件的第一面；每个推杆的一端连接第一电机，另一端沿着光纤段的方向分散固定于弹性元件的第二面，在电机带动下通过与弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在光栅中的反射位置发生偏移，从而改变光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制。本发明解决了现有激光器色散调节不便的技术问题。

Description

色散控制装置、方法以及飞秒脉冲光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体而言，涉及一种色散控制装置、方法以及飞秒脉冲光纤激光器。
背景技术
近年来，随着超短脉冲技术的蓬勃发展，飞秒激光已广泛应用在激光加工、医疗、科研等研究领域。光纤飞秒激光器具有结构紧凑、散热性能良好、长期稳定性较高和抽运效率高等特点，是当今超短脉冲激光器领域的研究热点之一。
在光纤激光器中，获得飞秒的主要方式是采用啁啾脉冲放大技术，其中采用脉冲展宽、放大压缩获得飞秒脉冲，展宽和压缩过程主要利用器件的群速度色散(GVD)，即主要采用二阶色散对脉冲进行展宽和压缩。由于光纤存在三阶色散，在展宽、放大和压缩过程中引入非必要的三阶色散，光纤中的三阶非线性效应会引起脉冲形状发生严重畸变和变宽，高功率CPA系统中累积的非线性相移通常要小于1才能使输出的脉冲不会受到明显的扰动和展宽，这也限制了光纤CPA系统的输出功率。
为了获得高能量飞秒脉冲输出，三阶色散补偿技术获得广泛关注，利用引入的三阶色散补偿放大过程中产生的正三阶色散，从而减少非线性效应对脉冲传输的不利影响是飞秒光纤CPA系统中获得高质量的高能量脉冲的有效方法。目前最常用的三阶负色散器件为负三阶色散啁啾光纤光栅，但该器件主要为国外进口器件，国内无法自主生产研发三阶负色散啁啾光栅，而且每个光栅刻写后只能固定为一种色散特性，无法灵活调节。
综上所述，现有激光器色散调节不便，成本高昂且灵活性差。针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种色散控制装置、方法以及飞秒脉冲光纤激光器，以至少解决现有激光器色散调节不便的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种色散控制装置，应用于光纤传输过程中，其中一段光纤上设置有光栅，光纤中传输的不同波长的激光脉冲在所述光栅的不同位置处反射，所述装置包括弹性元件，多个第一电机以及与第一电机相同数量的多个推杆，其中：设置有光栅的光纤段固定于所述弹性元件的第一面；每个推杆的一端连接一第一电机，另一端沿着所述光纤段的方向分散固定于所述弹性元件的第二面，用于将第一电机工作时产生的旋转运动转化为与所述弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，通过所述直线伸缩运动带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在所述光栅中的反射位置发生偏移，从而改变所述光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种色散控制方法，应用于光纤传输过程中，其中一段光纤上设置有光栅，光纤中传输的不同波长的激光脉冲在所述光栅的不同位置处反射，设置有光栅的光纤段固定于弹性元件的第一面，每个推杆的一端连接一第一电机，另一端沿着所述光纤段的方向分散固定于所述弹性元件的第二面，控制器同时与每一第一电机电连接；所述方法包括：确定每一第一电机与所述光栅的反射波长值之间的对应关系；根据要调节色散值的波长值或波长段，确定对应的第一电机以及对应的推杆的伸缩状态；通过所述控制器向对应的第一电机发出控制信号，控制第一电机正向或逆向旋转；第一电机对应的推杆将第一电机工作时产生的旋转运动转化为与所述弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，通过所述直线伸缩运动带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在所述光栅中的反射位置发生偏移，从而改变所述光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种飞秒脉冲光纤激光器，所述激光器包括激光振荡腔，脉冲展宽器，脉冲放大器，脉冲压缩器以及色散控制装置，其中，激光振荡腔，被配置为生成并输出激光脉冲；脉冲展宽器，被配置为利用群速度色散对输出的激光脉冲的光谱进行展宽；脉冲放大器，被配置为对展宽的激光脉冲的能量进行放大，输出高能量激光脉冲；脉冲压缩器，被配置为对高能量激光脉冲进行压缩，获得高能量飞秒脉冲；色散控制装置，采用如前述任一实施例所述的装置，对所述高能量飞秒脉冲的三阶色散特性进行调节。
在上述任一实施例中，所述光栅为啁啾光栅，具有从第一波长到第二波长的反射谱宽，多个推杆在所述光纤段的长度范围内等间距排布并固定于所述弹性元件的第二面，其中，每个推杆根据其所固定的位置分别对应一反射波长值，所对应的反射波长值可根据所述第一波长、第二波长以及推杆的固定位置予以确定。
在上述任一实施例中，所述啁啾光栅为均匀刻写的光栅，所述啁啾光栅未在弹性元件的带动下产生弯曲时，所述光栅的三阶色散特性为零，所述啁啾光栅在弹性元件的带动下产生弯曲时，所述光栅的三阶色散特性被调整为正或者为负，实现激光脉冲的三阶色散调谐功能。
在上述任一实施例中，所述装置还包括：多个控制按键，每个控制按键与每一第一电机电连接，通过按键控制每一第一电机的正转和反转来控制对应每一推杆的伸长和缩短；和/或；所述装置还包括：控制器，所述控制器同时与每一第一电机电连接，通过生成控制信号来控制每一第一电机的正转和反转来控制对应每一推杆的伸长和缩短。
在上述任一实施例中，所述控制器被配置为：根据所述光栅的反射谱宽以及第一电机对应推杆的固定位置，建立每一第一电机与反射波长值之间的对应关系表；根据所述光纤中传输的激光脉冲的色散特性，确定要调节色散值的波长值或波长段；根据要调节色散值的波长值或波长段，确定对应的第一电机以及对应的推杆的伸缩量；向对应的第一电机发出控制信号，控制第一电机旋转以将对应推杆的实际伸缩状态调整为对应的所述伸缩量。
在上述任一实施例中，所述多个第一电机分别固定于同一底座上，或者，所述装置还包括多个第二电机和滑轨，所述滑轨与设置有光栅的光纤段平行布置，所述第一电机中的部分或者全部分别固定于一对应的第二电机上，所述多个第二电机可被控制沿所述滑轨滑动。
在上述任一实施例中，当控制任一所述第一电机旋转，使推杆产生直线伸长运动时，带动所固定的弹性元件的局部区域朝向所述第一面形变，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生拉伸，以将所述光栅的三阶色散特性向负向调节；当控制任一所述第一电机旋转，使推杆产生直线收缩运动、带动所固定的弹性元件的局部区域背离所述第一面形变的同时，控制所述第一电机周边其他第一电机对应固定的第二电机平移以朝向所述第一电机聚集，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩，以将所述光栅的三阶色散特性向正向调节。
在上述任一实施例中，所述弹性元件为长条形弹性片状物，设置有光栅的光纤段固定于所述弹性片状物的上表面，多个推杆分散固定于所述弹性片状物的下表面；或者，所述弹性元件为长条形弹性管状物，设置有光栅的光纤段固定于所述长条形弹性管状物的内表面，多个推杆分散固定于所述长条形弹性管状物的外表面。
在本发明实施例中，通过将第一电机工作时产生的旋转运动转化为与所述弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，通过所述直线伸缩运动带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在所述光栅中的反射位置发生偏移，从而改变所述光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制，进而解决了现有激光器色散调节不便的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种可选的色散控制装置的结构示意图；
图2a是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；
图2b是基于图2a所示色散控制装置的一种激光脉冲相对延时曲线示意图；
图3a是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；
图3b是基于图3a所示色散控制装置的一种激光脉冲相对延时曲线示意图；
图4a是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；
图4b是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；
图4c是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的一种可选的色散控制方法的流程图；以及
图6是根据本发明实施例的一种可选的飞秒脉冲光纤激光器的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，分别提供一种色散控制装置的结构实施例，色散控制方法的方法流程实施例，以及飞秒脉冲光纤激光器的结构实施例。需要说明的是，图中所示的箭头可表示电信号或者激光的传输方向，在附图的结构示意图中虽然画出了在激光传输路径上具有特定先后顺序的多个组件或组件，然而本发明不限于此，在本发明的所有实施例中，除非特殊限定某些组件或组件在传输路径上的前后关系之外，本发明中的其他组件的位置均可在能解决本发明的技术问题的情况下进行调换。此外，本申请的上下、内外等词语均不受限于说明书附图中的图示，其仅用于表示部件之间的相对位置关系。
实施例1
根据本发明实施例，分别提供一种色散控制装置的结构实施例，图1是根据本发明实施例的一种可选的色散控制装置的结构示意图；如图1所示，该装置应用于光纤传输过程中，其中一段光纤上设置有光栅，图1中采用啁啾光栅作为具体示例来表征光栅，与光纤垂直的多个短线表示光栅的栅格刻度，栅格刻度从左向右逐渐由密到疏，即该光栅的栅格周期并非常数，而是沿光纤轴向不断变化的，不同的栅格周期对应反射不同波长的激光脉冲，即光纤中传输的不同波长的激光脉冲在所述光栅的不同位置处反射。以啁啾光栅为例，其反射的脉冲波长由左向右逐渐增加，左侧较密栅格刻度处反射短波脉冲，右侧较疏栅格刻度处反射长波脉冲。该光栅可以以不同的形式接入光路，例如可以将光栅的短波侧的光纤接入光路，长波侧的光纤处截断，由此可以补偿短波传输慢于长波而引起的色散；或者可以将光栅的长波侧的光纤接入光路，短波侧的光纤处截断，由此可以增强长波传输快于短波而引起的色散。光栅的长度以厘米计量，例如10-20厘米。
色散控制装置包括弹性元件，多个第一电机以及与第一电机相同数量的多个推杆，其中：
设置有光栅的光纤段固定于所述弹性元件的第一面；
每个推杆的一端连接一第一电机，另一端沿着所述光纤段的方向分散固定于所述弹性元件的第二面，用于将第一电机工作时产生的旋转运动转化为与所述弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，通过所述直线伸缩运动带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；
弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在所述光栅中的反射位置发生偏移，从而改变所述光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制。
如图1所示，弹性元件例如长条形弹性片状物，可简称弹片，其第一面例如上表面，第二面例如下表面，即设置有光栅的光纤段固定于所述弹性片状物的上表面，多个推杆分散固定于所述弹性片状物的下表面。固定的方式可采用滴胶、粘贴、束缚、卡接、焊接、钩接等多种现有形式，固定方式以不破坏光纤、弹片、推杆并且能起到固定作用为准。在一种实施例中，弹性元件具有一定厚度，弹性元件第一面上设置有槽状开口，设置有光栅的光纤段可整体放置于该槽状开口中，这种方式一并纳入光纤段固定于所述弹性片状物第一面所涵盖的范畴。光纤段可以笔直的固定于所述弹性元件的第一面，也可以先弯曲成任意形状并固定于所述弹性元件的第一面，例如弯曲为S状或蚊香螺旋状固定于弹性元件的第一面。
在未被图示的实施例中，所述弹性元件为长条形弹性管状物，可简称弹管，例如弹簧，设置有光栅的光纤段固定于所述长条形弹性管状物的内表面，即设置有光栅的光纤段从弹管中伸出，弹管的直径略大于光纤段的直径，并可通过多种方式固定于内表面，多个推杆分散固定于所述长条形弹性管状物的外表面，即推杆分散固定于弹管的外表面，固定方式可与前述实施例一致。
推杆的直径以毫米计量，例如采用1-3毫米直径的推杆，电机的直径亦以毫米计量，例如采用3-100毫米直径的超小型电机。例如20厘米长的光栅范围内，可以分散、等间距的分布20个5毫米直径电机及2毫米直径推杆。具体的，推杆可等间距、或以任意间距分布在设置有光栅的光纤段对应的长度范围内，当然，推杆还可以分布在未设置光栅的光纤段，但因其与调节色散特性无关因而不在本申请实施例的具体描述范围内。
弹性元件在未受外力作用下不发生弹性形变，固定光纤段的第一面呈现平整的状态，当弹性元件在外力作用下发生局部形变时，同步带动所固定的光纤段中的其中一个小局部区域发生弯曲。光纤段通常具有一定弯曲弹性，因此控制弹性元件的微小形变可控制光纤段的微小形变，从而改变其色散特性。
本实施例所述的装置，可以用于任意需要调节三阶色散的光纤传输环境中，例如可用于激光器中，用于生成指定色散特性的激光脉冲，或者用于光纤通信的光纤通路中，用于调整该光通路中的激光脉冲的色散特性。在以啁啾光栅为例的方案中，将啁啾光栅固定与可形变弹片上，通过控制电机推杆的伸缩，改变弹片的形变量，从而改变啁啾光栅的形变，进而改变啁啾光栅的三阶色散数值。
在本申请实施例中，通过将第一电机工作时产生的旋转运动转化为与所述弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，通过所述直线伸缩运动带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在所述光栅中的反射位置发生偏移，从而改变所述光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制，进而解决了现有激光器色散调节不便的技术问题。
在本申请实施例中，所述光栅为啁啾光栅，具有从第一波长到第二波长的反射谱宽，多个推杆在所述光纤段的长度范围内等间距排布并固定于所述弹性元件的第二面，其中，每个推杆根据其所固定的位置分别对应一反射波长值，所对应的反射波长值可根据所述第一波长、第二波长以及推杆的固定位置予以确定。具体的，啁啾光栅的反射谱宽从第一短波长λ1逐渐增大至第二长波长λ2，其中，多个推杆的数量为m并均匀排布，其中长短波最两侧的推杆分别固定于光栅的最边沿，其余m-2个推杆在光栅长度范围内均匀排布，由此可以确定出每一推杆对应的反射波长值，具体的，由短波至长波方向的推杆的波长值为：λ1+(n-1)(λ2-λ1)/m-1，其中n表示当前推杆是由短波至长波方向的第几个，n＝1,2，……m。
在本申请实施例中，所述啁啾光栅为均匀刻写的光栅，所述啁啾光栅未在弹性元件的带动下产生弯曲时，所述光栅的三阶色散特性为零，所述啁啾光栅在弹性元件的带动下产生弯曲时，所述光栅的三阶色散特性被调整为正或者为负，实现激光脉冲的三阶色散调谐功能。
当固定于光栅的最边沿的电机旋转运动时，其推杆产生的伸长或收缩运动会相对容易的造成弹性元件边沿局部区域的拉伸或压缩，从而可控制最长波或最短波的色散特性，例如，当推杆产生直线伸长运动时，带动所固定的弹性元件的边沿局部区域朝向所述第一面形变，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生拉伸，以将所述光栅的色散特性向负向调节；当推杆产生直线收缩运动时，带动所固定的弹性元件的边沿局部区域背离所述第一面形变，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩，以将所述光栅的色散特性向正向调节。
进一步地，如下以啁啾光栅为例，分析通过光栅形变调整光栅三阶色散数值的原理，已知光纤中色散效应表示为：
Figure BDA0003761828350000081
式中，β0表示在ω0位置的模传输常数，β1表示群速度的倒数，β2表示二阶色散系数，β3表示三阶色散系数，ω表示波长的角频率，ω0表示参考点的波长的角频率，β(ω)表示ω处的模传输常数。
式中，二阶色散β2＝D(λ)λ2/2πc，其中λ为激光波长，D(λ)为群速度色散参量，c为光传输速度。三阶色散β3＝dβ2(ω)β(ω),其表示为β2随相位的变化速率，对于均匀刻写的啁啾光纤，β2是线性变化的，也就是说α3为0。为了有效调节β3的值，需对啁啾光栅引入形变量，通过控制啁啾光栅的形变，改变β2的曲线，从而改变β3的值，实现三阶色散可调功能。
本申请将啁啾光纤固定与形变弹片上，形变弹片被多个电机控制，可实现任意位置的形变，通过控制弹片形变的曲率，可控制β3的色散为负或者为正，实现任意波长的正负色散调节。
图2a是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；如图2a所示，仍以啁啾光栅为例，控制短波侧最外侧的电机旋转，该电机连接的推杆将电机的旋转运动转化为垂直于弹性元件固定面的垂直伸长运动，从而带动弹性元件的局部区域朝向第一面产生形变，此时啁啾光栅的左侧(短波长波段)向上发生弯曲，弯曲点的啁啾光栅被相对压缩，此时相对于没有被弯曲的地方，β2变化率减小，弯曲部分的相对群速度延时降低，弯曲曲率最大的点延时降低的最多，图2b是基于图2a所示色散控制装置的一种激光脉冲相对延时曲线示意图，如图2b所示，该短波侧对应反射波长的延时曲线形成开口向上的抛物线，此时抛物线的斜率，即三阶色散β3为正值，即实现了该波长的三阶正色散调节，通过控制弹片的弯曲程度，控制三阶正色散值的大小。
图3a是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；如图3a所示，仍以啁啾光栅为例，控制短波侧最外侧的电机旋转，该电机连接的推杆将电机的旋转运动转化为垂直于弹性元件固定面的垂直缩短运动，从而带动弹性元件的局部区域朝向第二面/背离第一面产生形变，此时啁啾光栅的左侧(短波长波段)向下发生弯曲，弯曲点的啁啾光栅被相对拉伸，此时相对于没有被弯曲的地方，β2变化率增大，弯曲部分的相对群速度延时增加，弯曲曲率最大的点延时增加的最多，图3b是基于图3a所示色散控制装置的一种激光脉冲相对延时曲线示意图，如图3b所示，该相对延时曲线形成开口向下的抛物线，此时抛物线的斜率，即三阶色散β3为负值，即实现了该波长的三阶负色散调节，通过控制弹片的弯曲程度，控制三阶负色散值的大小。
在本申请实施例中，所述多个第一电机分别固定于同一底座上，多个第一电机、推杆、弹性元件以及光纤段可一体封装于一外壳内。在一种使用场景中，多个推杆的伸缩量被提前设置好，封装于外壳内后不再变动。在另一种使用场景中，外壳上还设置有控制接口，该控制接口与每一第一电机连接，当需要改变推杆的伸缩量时，将控制设备连接于该控制接口，可通过控制设备向控制接口输出控制指令，根据控制指令分别控制每一第一电机的旋转，从而控制每一推杆的伸缩量。在又一种使用场景中，外壳上还设置有对应的多个控制按键，每个控制按键与每一第一电机电连接，通过按键控制每一第一电机的正转和反转来控制对应每一推杆的伸长和缩短。
图4a是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；如图所示，当控制任一所述第一电机旋转，使推杆产生直线伸长运动时，带动所固定的弹性元件的局部区域朝向所述第一面形变，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生拉伸，以将所述光栅的三阶色散特性向负向调节。
在本申请实施例中，所述装置还包括多个第二电机和滑轨，所述滑轨与设置有光栅的光纤段平行布置，所述第一电机中的部分或者全部分别固定于一对应的第二电机上，所述多个第二电机可被控制沿所述滑轨滑动。例如，每一第二电机的一端与第一电机固定，第二电机的另一端连接一齿轮，滑轨上的两条轨道内沿分别设置有齿条，当第二电机被驱动旋转时，带动所连接的齿轮旋转，跟轨道上的齿条啮合后带动第二电机沿滑轨左右平移。可以配置每一第一电机对应一第二电机，也可间隔的选择部分第一电机对应一第二电机。
在本申请实施例中，所述多个第一电机、第二电机、滑轨、推杆、弹性元件以及光纤段可一体封装于一外壳内。在一种使用场景中，多个推杆的伸缩量和第二电机沿滑轨的位移量可被提前设置好，封装于外壳内后不再变动。在另一种使用场景中，外壳上还设置有控制接口，该控制接口与每一第一电机和每一第二电机连接，当需要改变推杆的伸缩量时，将控制设备连接于该控制接口，可通过控制设备向控制接口输出第一控制指令，根据第一控制指令分别控制每一第一电机的旋转，从而控制每一推杆的伸缩量；当需要改变第二电机沿滑轨的位移量时，将控制设备连接于该控制接口，可通过控制设备向控制接口输出第二控制指令，根据第二控制指令分别控制第二电机的旋转，从而控制每一第二电机沿滑轨的位移量。在又一种使用场景中，外壳上还设置有对应的多个控制按键，每个控制按键与每一第一电机和每一第二电机电连接，通过按键控制每一第一电机的正转和反转来控制对应每一推杆的伸长和缩短，或者通过安检控制每一第二电机的正转和反转来控制每一第二电机沿滑轨的位移量。
图4b是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；如图所示，当控制任一所述第一电机旋转，使推杆产生直线收缩运动、带动所固定的弹性元件的局部区域背离所述第一面形变的同时，控制所述第一电机周边其他第一电机对应固定的第二电机平移以朝向所述第一电机聚集，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩，以将所述光栅的三阶色散特性向正向调节。
图4c是根据本发明实施例的又一种可选的色散控制装置的结构示意图；如图所示，通过调节不同的电机，控制不同位置的啁啾光纤的形变量，可实现不同波长的三阶色散调节功能。同时可以通过控制几个电机，实现特殊形状的调控，可对不同波长的三阶色散进行单独控制。
通过上述实施例可知，本申请解决了负三阶色散国产化的问题，同时提出一种基于啁啾光栅的三阶负色散控制装置，在国产啁啾光栅基础上，开发一种三阶色散控制装置，可实现三阶色散控制功能，可对三阶色散为0的啁啾光纤进行精确控制，实现三阶色散可调谐功能。
在本申请实施例中，所述装置还包括：控制器，所述控制器同时与每一第一电机电连接，通过生成第一控制信号来控制每一第一电机的正转和反转来控制对应每一推杆的伸长和缩短。和/或，所述控制器同时与每一第二电机电连接，通过生成第二控制信号来控制每一第二电机的正转和反转来控制对应每一第二电机在滑轨上的位移量。所述控制器可以与多个第一电机、第二电机、滑轨、推杆、弹性元件以及光纤段一起，一体封装于一外壳内。
在本申请实施例中，所述控制器被配置为执行计算机程序指令以实现如下方法步骤：
步骤S1：根据所述光栅的反射谱宽以及第一电机对应推杆的固定位置，建立每一第一电机与反射波长值之间的对应关系表；
例如，啁啾光栅的反射谱宽从第一短波长λ1逐渐增大至第二长波长λ2，其中，多个推杆的数量为m并均匀排布，其中长短波最两侧的推杆分别固定于光栅的最边沿，其余m-2个推杆在光栅长度范围内均匀排布，由此可以确定出每一推杆对应的反射波长值，具体的，由短波至长波方向的推杆的波长值为：λ1+(n-1)(λ2-λ1)/m-1，其中n表示当前推杆是由短波至长波方向的第几个，n＝1,2，……m。根据光栅的反射谱宽和推杆固定位置，可以根据前述公式确定出每一电机对应的反射波长值，从而可建立起每一第一电机与反射波长值之间的对应关系表。
步骤S2：根据所述光纤中传输的激光脉冲的色散特性，确定要调节色散值的波长值或波长段；
例如，采用FROG仪器测量光路中激光脉冲的色散特性，对该色散特性进行分析，确定要补偿色散的二阶或三阶色散的波长值或波长段。
步骤S3：根据要调节色散值的波长值或波长段，确定对应的第一电机以及对应的推杆的伸缩量；
例如，可以基于公式计算分析得到推杆不同的伸缩量以及该伸缩量引入的色散补偿特性，从而可以根据待补偿的色散特性反推推杆的伸缩量，又例如，可以在实现色散控制之前，先在光路中引入零色散激光脉冲，再逐一调整每一推杆的伸缩量，并通过FROG仪器测量光路中激光脉冲的色散特性，记录每一推杆的伸缩量与该伸缩量引入的色散补偿特性之间的对应关系，遍历每一推杆以及推杆的每一伸缩量，可记录下所有推杆的所有伸缩量与引入的色散补偿特性之间的对应关系。当需要进行色散控制时，根据光纤中激光脉冲需要补偿的色散特性，从该对应关系中查找最接近的相反特性推杆及其伸缩量，从而确定出要移动的推杆以及要移动的伸缩量。
步骤S4：向对应的第一电机发出第一控制信号，控制第一电机旋转以将对应推杆的实际伸缩状态调整为对应的所述伸缩量。
例如，控制器可向任一电机发出第一控制信号，通过控制电机的正转、反转时间就可以控制推杆的伸长量和收缩量。当控制器向其中一个电机发出第一控制推杆移动指定伸缩量的控制信号时，为了保护光纤，可以向该电机的邻近电机发出控制推杆移动小于指定伸缩量的第一控制信号，且距离该电机越远，推杆移动伸缩量越小，由此可得到如图4a所示的倒抛物线的形变，或者如图4b所示的抛物线的形变。其中，图4a对应于局部区域朝向所述第一面形变，即推杆进行伸长运动，图4b对应于局部区域背离所述第一面形变，即推杆进行收缩运动。
在本申请实施例中，在步骤S4之后或同时，所述控制器还被配置为执行计算机程序指令以实现如下方法步骤：
步骤S5：确定要进行收缩运动的推杆，在该推杆带动所固定的弹性元件的局部区域背离所述第一面形变的同时，向该推杆周边预设数量的第一电机所固定连接的第二电机发送第二控制信号，使预设数量的第二电机均朝向该推杆平移实现聚集，弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩。
例如，当推杆进行伸长运动即局部区域朝向所述第一面形变时，弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生拉伸，以将所述光栅的三阶色散特性向负向调节。当推杆进行收缩运动即局部区域背离所述第一面形变的同时，通过控制第二电机平移使得第一电机实现水平微距离移动，实现聚集，弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩，以将所述光栅的三阶色散特性向正向调节。
在本申请实施例中，所述弹性元件为长条形弹性片状物，设置有光栅的光纤段固定于所述弹性片状物的上表面，多个推杆分散固定于所述弹性片状物的下表面；或者，所述弹性元件为长条形弹性管状物，设置有光栅的光纤段固定于所述长条形弹性管状物的内表面，多个推杆分散固定于所述长条形弹性管状物的外表面。
实施例2
根据本发明实施例，提供了一种色散控制方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。该方法可以由激光器中的处理器执行，也可以由激光器之外的设备中的独立处理器执行。
该方法应用于光纤传输过程中，其中一段光纤上设置有光栅，光纤中传输的不同波长的激光脉冲在所述光栅的不同位置处反射，设置有光栅的光纤段固定于弹性元件的第一面，每个推杆的一端连接一第一电机，另一端沿着所述光纤段的方向分散固定于所述弹性元件的第二面，控制器同时与每一第一电机电连接。
图5是根据本发明实施例的一种可选的色散控制方法的流程图；如图5所示，所述方法包括：
S500：确定每一第一电机与所述光栅的反射波长值之间的对应关系；
例如，所述光栅为啁啾光栅，具有从第一波长到第二波长的反射谱宽，多个推杆在所述光纤段的长度范围内等间距排布并固定于所述弹性元件的第二面，其中，每个推杆根据其所固定的位置分别对应一反射波长值，所对应的反射波长值可根据所述第一波长、第二波长以及推杆的固定位置予以确定。具体的，啁啾光栅的反射谱宽从第一短波长λ1逐渐增大至第二长波长λ2，其中，多个推杆的数量为m并均匀排布，其中长短波最两侧的推杆分别固定于光栅的最边沿，其余m-2个推杆在光栅长度范围内均匀排布，由此可以确定出每一推杆对应的反射波长值，具体的，由短波至长波方向的推杆的波长值为：λ1+(n-1)(λ2-λ1)/m-1，其中n表示当前推杆是由短波至长波方向的第几个，n＝1,2，……m。根据光栅的反射谱宽和推杆固定位置，可以根据前述公式确定出每一电机对应的反射波长值，从而可建立起每一第一电机与反射波长值之间的对应关系表。
S502：根据要调节色散值的波长值或波长段，确定对应的第一电机以及对应的推杆的伸缩状态；
例如，采用FROG仪器测量光路中激光脉冲的色散特性，对该色散特性进行分析，确定要补偿色散的二阶或三阶色散的波长值或波长段。可以基于公式计算分析得到推杆不同的伸缩量以及该伸缩量引入的色散补偿特性，从而可以根据待补偿的色散特性反推推杆的伸缩量，又例如，可以在实现色散控制之前，先在光路中引入零色散激光脉冲，再逐一调整每一推杆的伸缩量，并通过FROG仪器测量光路中激光脉冲的色散特性，记录每一推杆的伸缩量与该伸缩量引入的色散补偿特性之间的对应关系，遍历每一推杆以及推杆的每一伸缩量，可记录下所有推杆的所有伸缩量与引入的色散补偿特性之间的对应关系。当需要进行色散控制时，根据光纤中激光脉冲需要补偿的色散特性，从该对应关系中查找最接近的相反特性推杆及其伸缩量，从而确定出要移动的推杆以及要移动的伸缩量。
S504：通过所述控制器向对应的第一电机发出控制信号，控制第一电机正向或逆向旋转；
S506：第一电机对应的推杆将第一电机工作时产生的旋转运动转化为与所述弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，通过所述直线伸缩运动带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；
例如，控制器可向任一电机发出第一控制信号，通过控制电机的正转、反转时间就可以控制推杆的伸长量和收缩量。当控制器向其中一个电机发出第一控制推杆移动指定伸缩量的控制信号时，为了保护光纤，可以向该电机的邻近电机发出控制推杆移动小于指定伸缩量的第一控制信号，且距离该电机越远，推杆移动伸缩量越小，由此可得到如图4a所示的倒抛物线的形变，或者如图4b所示的抛物线的形变。其中，图4a对应于局部区域朝向所述第一面形变，即推杆进行伸长运动，图4b对应于局部区域背离所述第一面形变，即推杆进行收缩运动。
S508：弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在所述光栅中的反射位置发生偏移，从而改变所述光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制。
例如，当固定于光栅的最边沿的电机旋转运动时，其推杆产生的伸长或收缩运动会相对容易的造成弹性元件边沿局部区域的拉伸或压缩，从而可控制最长波或最短波的色散特性，例如，当推杆产生直线伸长运动时，带动所固定的弹性元件的边沿局部区域朝向所述第一面形变，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生拉伸，以将所述光栅的色散特性向负向调节；当推杆产生直线收缩运动时，带动所固定的弹性元件的边沿局部区域背离所述第一面形变，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩，以将所述光栅的色散特性向正向调节。
具体的，在步骤S506之后，所述方法还包括：
S507：确定要进行收缩运动的推杆，在该推杆带动所固定的弹性元件的局部区域背离所述第一面形变的同时，向该推杆周边预设数量的第一电机所固定连接的第二电机发送第二控制信号，使预设数量的第二电机均朝向该推杆平移实现聚集，弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩。
例如，推杆进行伸长运动即局部区域朝向所述第一面形变时，弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生拉伸，以将所述光栅的三阶色散特性向负向调节。当推杆进行收缩运动即局部区域背离所述第一面形变的同时，通过控制第二电机平移使得第一电机实现水平微距离移动，实现聚集，弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩，以将所述光栅的三阶色散特性向正向调节。
此处需要说明的是，实施例1所述的色散控制装置中的所有控制流程和装置结构特征，均可应用于实施例2所述的色散控制方法及其应用的装置结构中，囿于篇幅不再赘述。
实施例3
本申请实施例还提供一种飞秒脉冲光纤激光器的结构实施例。需要说明的是，图中所示的箭头可表示电信号或者激光的传输方向，在附图的结构示意图中虽然画出了在激光传输路径上具有特定先后顺序的多个组件或组件，然而本发明不限于此，在本发明的所有实施例中，除非特殊限定某些组件或组件在传输路径上的前后关系之外，本发明中的其他组件的位置均可在能解决本发明的技术问题的情况下进行调换。此外，本申请的上下、内外等词语均不受限于说明书附图中的图示，其仅用于表示部件之间的相对位置关系。
图6是根据本发明实施例的一种可选的飞秒脉冲光纤激光器的示意图，如图6所示，该激光器包括沿着光路依次连接的激光振荡腔，脉冲展宽器，色散控制装置，脉冲放大器，以及脉冲压缩器，其中，
激光振荡腔，被配置为生成并输出激光脉冲；
脉冲展宽器，被配置为利用群速度色散对输出的激光脉冲的光谱进行展宽；
脉冲放大器，被配置为对展宽的激光脉冲的能量进行放大，输出高能量激光脉冲；
脉冲压缩器，被配置为对高能量激光脉冲进行压缩，获得高能量飞秒脉冲；
色散控制装置，采用如实施例1中任一实施例所述的装置，或包括控制器，执行如实施例2中任一实施例所述的方法，对所述高能量飞秒脉冲的三阶色散特性进行调节。
因而装置实施例1提及的可选方案或具体方案，以及方法实施例2提及的可选方案或具体方案，均可应用于本实施例所述的飞秒脉冲光纤激光器实施例中。
在一实施例中，色散控制装置包括弹性元件，多个第一电机以及与第一电机相同数量的多个推杆，其中：
设置有光栅的光纤段固定于所述弹性元件的第一面；
每个推杆的一端连接一第一电机，另一端沿着所述光纤段的方向分散固定于所述弹性元件的第二面，用于将第一电机工作时产生的旋转运动转化为与所述弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，通过所述直线伸缩运动带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；
弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在所述光栅中的反射位置发生偏移，从而改变所述光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制。
在另一种实施例中，色散控制装置包括：多个第二电机和滑轨，所述滑轨与设置有光栅的光纤段平行布置，所述第一电机中的部分或者全部分别固定于一对应的第二电机上，所述多个第二电机可被控制沿所述滑轨滑动。例如，每一第二电机的一端与第一电机固定，第二电机的另一端连接一齿轮，滑轨上的两条轨道内沿分别设置有齿条，当第二电机被驱动旋转时，带动所连接的齿轮旋转，跟轨道上的齿条啮合后带动第二电机沿滑轨左右平移。可以配置每一第一电机对应一第二电机，也可间隔的选择部分第一电机对应一第二电机。
在另一种实施例中，该飞秒脉冲光纤激光器还包括控制器，执行：
步骤S1：根据所述光栅的反射谱宽以及第一电机对应推杆的固定位置，建立每一第一电机与反射波长值之间的对应关系表；
步骤S2：根据所述光纤中传输的激光脉冲的色散特性，确定要调节色散值的波长值或波长段；
步骤S3：根据要调节色散值的波长值或波长段，确定对应的第一电机以及对应的推杆的伸缩量；
步骤S4：向对应的第一电机发出第一控制信号，控制第一电机旋转以将对应推杆的实际伸缩状态调整为对应的所述伸缩量；
步骤S5：确定要进行收缩运动的推杆，在该推杆带动所固定的弹性元件的局部区域背离所述第一面形变的同时，向该推杆周边预设数量的第一电机所固定连接的第二电机发送第二控制信号，使预设数量的第二电机均朝向该推杆平移实现聚集，弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩。
在任一可选方案的基础上，对应关系表可以存储在控制器中，或者查找表LUT中，也可以通过key-value键值对的方式进行存储，例如redis存储。
上述本发明列举了多个可选实施例，仅仅为了描述技术方案的各个细节，其描述的先后顺序不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种色散控制装置，其特征在于，应用于光纤传输过程中，其中一段光纤上设置有光栅，光纤中传输的不同波长的激光脉冲在所述光栅的不同位置处反射，所述装置包括弹性元件，多个第一电机以及与第一电机相同数量的多个推杆，其中：
设置有光栅的光纤段固定于所述弹性元件的第一面；
每个推杆的一端连接一第一电机，另一端沿着所述光纤段的方向分散固定于所述弹性元件的第二面，用于将第一电机工作时产生的旋转运动转化为与所述弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，通过所述直线伸缩运动带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；
弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在所述光栅中的反射位置发生偏移，从而改变所述光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光栅为啁啾光栅，具有从第一波长到第二波长的反射谱宽，多个推杆在所述光纤段的长度范围内等间距排布并固定于所述弹性元件的第二面，其中，每个推杆根据其所固定的位置分别对应一反射波长值，所对应的反射波长值可根据所述第一波长、第二波长以及推杆的固定位置予以确定。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述啁啾光栅为均匀刻写的光栅，所述啁啾光栅未在弹性元件的带动下产生弯曲时，所述光栅的三阶色散特性为零，所述啁啾光栅在弹性元件的带动下产生弯曲时，所述光栅的三阶色散特性被调整为正或者为负，实现激光脉冲的三阶色散调谐功能。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：多个控制按键，每个控制按键与每一第一电机电连接，通过按键控制每一第一电机的正转和反转来控制对应每一推杆的伸长和缩短；和/或；所述装置还包括：控制器，所述控制器同时与每一第一电机电连接，通过生成控制信号来控制每一第一电机的正转和反转来控制对应每一推杆的伸长和缩短。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器被配置为：
根据所述光栅的反射谱宽以及第一电机对应推杆的固定位置，建立每一第一电机与反射波长值之间的对应关系表；
根据所述光纤中传输的激光脉冲的色散特性，确定要调节色散值的波长值或波长段；
根据要调节色散值的波长值或波长段，确定对应的第一电机以及对应的推杆的伸缩量；
向对应的第一电机发出控制信号，控制第一电机旋转以将对应推杆的实际伸缩状态调整为对应的所述伸缩量。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个第一电机分别固定于同一底座上，或者，所述装置还包括多个第二电机和滑轨，所述滑轨与设置有光栅的光纤段平行布置，所述第一电机中的部分或者全部分别固定于一对应的第二电机上，所述多个第二电机可被控制沿所述滑轨滑动。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
当控制任一所述第一电机旋转，使推杆产生直线伸长运动时，带动所固定的弹性元件的局部区域朝向所述第一面形变，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生拉伸，以将所述光栅的三阶色散特性向负向调节；
当控制任一所述第一电机旋转，使推杆产生直线收缩运动、带动所固定的弹性元件的局部区域背离所述第一面形变的同时，控制所述第一电机周边其他第一电机对应固定的第二电机平移以朝向所述第一电机聚集，所述弹性元件同时带动局部区域对应的光纤段产生压缩，以将所述光栅的三阶色散特性向正向调节。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述弹性元件为长条形弹性片状物，设置有光栅的光纤段固定于所述弹性片状物的上表面，多个推杆分散固定于所述弹性片状物的下表面；或者，所述弹性元件为长条形弹性管状物，设置有光栅的光纤段固定于所述长条形弹性管状物的内表面，多个推杆分散固定于所述长条形弹性管状物的外表面。
9.一种色散控制方法，其特征在于，应用于光纤传输过程中，其中一段光纤上设置有光栅，光纤中传输的不同波长的激光脉冲在所述光栅的不同位置处反射，设置有光栅的光纤段固定于弹性元件的第一面，每个推杆的一端连接一第一电机，另一端沿着所述光纤段的方向分散固定于所述弹性元件的第二面，控制器同时与每一第一电机电连接；所述方法包括：
确定每一第一电机与所述光栅的反射波长值之间的对应关系；
根据要调节色散值的波长值或波长段，确定对应的第一电机以及对应的推杆的伸缩状态；
通过所述控制器向对应的第一电机发出控制信号，控制第一电机正向或逆向旋转；
第一电机对应的推杆将第一电机工作时产生的旋转运动转化为与所述弹性元件的固定面垂直的直线伸缩运动，通过所述直线伸缩运动带动所固定的弹性元件的局部区域产生弹性形变；
弹性元件产生弹性形变时，同步带动所固定的光纤段的局部区域产生弯曲，使得不同波长的激光脉冲在所述光栅中的反射位置发生偏移，从而改变所述光栅的色散特性，实现对光纤中传输的激光脉冲的色散控制。
10.一种飞秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括激光振荡腔，脉冲展宽器，脉冲放大器，脉冲压缩器以及色散控制装置，其中，
激光振荡腔，被配置为生成并输出激光脉冲；
脉冲展宽器，被配置为利用群速度色散对输出的激光脉冲的光谱进行展宽；
脉冲放大器，被配置为对展宽的激光脉冲的能量进行放大，输出高能量激光脉冲；
脉冲压缩器，被配置为对高能量激光脉冲进行压缩，获得高能量飞秒脉冲；
色散控制装置，采用如权利要求1-8中任一项所述的装置，对所述高能量飞秒脉冲的三阶色散特性进行调节。
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