CN115349205A - 双向锁模光纤激光器及相关方法 - Google Patents

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Abstract

双向锁模光纤激光器包括第一无源光纤和第二无源光纤、掺杂光纤、第一偏振控制器和第二偏振控制器以及第一偏振分束器和第二偏振分束器，它们被布置为具有顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向的环形腔。激光器在CW和CCW方向上施加不同的非线性相移，对应于略有不同的CW和CCW重复率。当重复率的标准化差值小于大约10‑5时，两个方向可以被同时锁模，从而防止一个方向抑制另一方向的锁模。光纤非线性实现了基于非线性偏振旋转的腔内双向人工可饱和吸收体。该激光器仅使用具有正常群速度色散(GVD)的组件，从而实现比使用负GVD的锁模激光器更高的脉冲能量。人工可饱和吸收体和常规GVD组件的组合增加了脉冲能量，从而提高了光谱展宽的效率。

Description

双向锁模光纤激光器及相关方法
技术领域
本申请要求于2020年1月31日提交的美国临时专利申请No.62/968,815的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
双梳光谱(DCS)可用于远程感测各种痕量气体，其灵敏度可与现有技术相媲美或超过现有技术。DCS使用两个光学频率梳，其光谱包含数十万或更多频率，覆盖电磁光谱的可见光、近红外和/或中红外区域。由于这些宽光谱，一台DCS光谱仪可用于检测多种气体，这与其他类型的使用单频激光器的远程痕量气体检测器不同。例如，单个DCS系统已被证明可以检测石油和天然气设施中最常见的泄漏气体，包括甲烷、乙炔、二氧化碳、水蒸气、一氧化碳、硫化氢、乙烯、乙烷、丙烷、丁烷和BTEX(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)。事实上，DCS可以同时检测其中几种物质，以及其他类型的挥发性有机化合物和碳氢化合物。
发明内容
在许多现有技术的DCS系统中，两个光学频率梳是由两个相应的脉冲激光器输出的两个脉冲序列生成的，两个脉冲激光器彼此独立并且以略微不同的重复率操作。通常脉冲激光器是锁模飞秒激光器，但也可以使用基于参数生成和电光调制的激光器。两个脉冲激光器可以共享某些光学组件，诸如增益介质或反射镜，以减小尺寸和复杂性。此外，经由共享组件耦合到激光器腔中的噪声(例如，热漂移、机械振动等)可能会类似地影响两个脉冲序列，并因此可以通过共模抑制来抑制。因此，共享组件提高了DCS可以实现的检测信噪比，并提高了对外部环境干扰的鲁棒性。
本实施例包括双向锁模光纤环形激光器，其同时输出具有略微不同重复率的两个脉冲序列。有利地，这些激光器中的一个可以代替用于DCS的两个单独的常规锁模激光器，从而减小DCS系统的尺寸和复杂性。本实施例的双向锁模光纤激光器包括形成单个环形腔的光学组件，该环形腔可以支持顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向的同时锁模。由于CW和CCW脉冲序列都通过所有的光学元件，因此可以从两个输出中获得高共模抑制，与使用两个单独的锁模激光器相比提供了额外的好处。
本实施例中的一些仅使用具有正常群速度色散(GVD)的组件。与利用负GVD管理腔内色散的锁模激光器相比，此全正常色散(AND)设计有助于实现更高的脉冲能量。本实施例还使用非线性偏振旋转(NPR)以实现腔内双向人工可饱和吸收体，与真正的可饱和吸收体不同。NPR与其他类型的人工可饱和吸收体一样，具有比真实吸收器更快的响应时间，因此可用于产生带宽更大的脉冲，从而产生更高的脉冲能量。
有利的是，通过将AND设计与NPR相结合可以实现的更高脉冲能量有助于DCS所需的频谱整形。许多用于DCS的传统锁模激光器会输出脉冲序列，其光谱不够宽，无法覆盖要检测的原子或分子种类的光谱线。非线性光学元件，诸如光子晶体光纤或微结构光纤，经常用于激光腔外的光谱展宽。为了改进此光谱展宽，可以使用光学放大器在光谱展宽之前提高脉冲能量。因此，由本实施例提供的较高脉冲能量，如果不是完全消除它的需要的话，有利地降低了对这种外部放大的要求。
与许多现有技术的双向锁模环形激光器一样，本实施例以CW和CCW方向上的不同非线性相移(NLP)操作。由于CW NLP和CCW NLP之间的此非零差，CW方向上一个完整的通过环形腔的光路长度不同于CCW方向上的光路长度，即使环形腔的物理路径长度的两个方向相同。光路长度的差导致CW脉冲序列的重复率
Figure BDA0003872499340000021
和CCW脉冲序列的重复率
Figure BDA0003872499340000022
之间的非零差。为清楚起见，令
Figure BDA0003872499340000023
是重复率差的绝对值，以及
Figure BDA0003872499340000024
是重复率的标准化差值。因此，Δfrep和dfrep都是非负的。
本实施例的一个方面是实现对于dfrep的小的非零值可以实现CW和CCW两方向上的同时双向锁模。这里，“小”意味着小于大约10-5，或0<dfrep≤10-5。此范围在本文中称为小-dfrep特性。现有技术的锁模光纤激光器以高-dfrep特性操作(即dfrep≥10-5)，其中CW和CCW方向上的增益之间的竞争总是导致单向锁模，而与泵浦功率无关。因此，通过以小-dfrep特性操作锁模光纤激光器，无需任何附加组件(例如，减少CW和CCW方向上增益之间的竞争的抗可饱和吸收体或脉冲能量限制器)即可实现同时双向锁模。
附图说明
图1示出了在实施例中同时在顺时针和逆时针方向上锁模的双向锁模光纤激光器。
图2是在实施例中图1的双向锁模光纤激光器的用于锁模的方法的流程图。
图3A示出了在实施例中的双向锁模全法线色散激光器的实验装置。
图3B示出了用图3A的实验装置测量的锁模脉冲的光谱。
图3C示出了用图3A的实验装置测量的锁模脉冲的示波器轨迹。
图4A是示出对应于图3A的双向锁模激光器的两个重复率的两个色调的光谱图。
图4B是示出了图3A的双向锁模激光器的重复率的稳定性的频率对时间的曲线图。
图4C是图3A的双向锁模激光器的重复率的功率谱密度的曲线图。
图4D是用图3A的双向锁模激光器测量的艾伦偏差的曲线图。
图5A是用图3A的双向锁模激光器测量的单边带相位噪声的曲线图。
图5B是图3A的双向锁模激光器的相对强度噪声的功率谱密度的曲线图。
图6A是示出图3A的双向锁模激光器的顺时针输出的光谱随着泵浦功率的变化而演变的曲线图。
图6B是示出图3A的双向锁模激光器的逆时针输出的光谱随着泵浦功率的变化而演变的曲线图。
图6C是用图3A的双向锁模激光器测量的作为泵浦功率函数的透射功率的曲线图。
图6D是用图3A的双向锁模激光器测量的作为泵浦功率函数的耦合比的曲线图。
图7A示出了用图3A的双向锁模激光器测量的多周期干涉图。
图7B示出了用图3A的双向锁模激光器测量的单个干涉图的放大区域。
图7C示出了图7B的单个干涉图的傅里叶光谱。
图7D比较了滤波器的两个测量透射光谱。
具体实施方式
图1示出了同时在顺时针(CW)和逆时针(CCW)两个方向上锁模的双向锁模光纤激光器100。光纤激光器100使用布置在环路110中的光纤和自由空间组件来同时产生在环路110周围沿相反方向传播的CW脉冲序列104和CCW脉冲序列102。环路110包括用作增益介质的掺杂光纤126。掺杂光纤126由泵浦激光器128泵浦，其输出(即，泵浦光)经由泵浦合束器130耦合到环路110中。环路110还包括耦合掺杂光纤126的一端到输出CCW脉冲序列102作为第一自由空间光束140(1)的第一准直器134(1)的第一光纤132。环路110还包括将泵浦合束器130耦合到第二准直器134(2)的第二光纤138，第二准直器134(2)将CW脉冲序列104作为第二自由空间光束140(2)输出。光纤132、138在本文中也被称为“无源”光纤以将它们与掺杂光纤126的有源增益区分开来。
为了实现非线性偏振旋转，双向锁模光纤激光器100包括第一偏振控制器和第二偏振控制器148(1)和148(2)。由于由光纤132和138施加脉冲序列102和104的非线性相移，第一自由空间光束140(1)是椭圆偏振的。第一偏振控制器148(1)包括第一四分之一波片152(1)，其可以被调整以将此椭圆偏振转换成线性偏振。第一偏振控制器148(1)还包括第一半波片150(1)，其可以被调整以旋转线性偏振，从而控制第一自由空间光束140(1)中被第一偏振分束器(PBS)112(1)反射的部分以形成第一输出光束120(1)。类似地，第二偏振控制器148(2)包括可以调整以将第二自由空间光束140(2)的椭圆偏振转换为线偏振的第二四分之一波片152(2)和可以被调整以旋转此线性偏振的第二半波片150(2)，从而控制被第二PBS 112(2)反射的第二自由空间光束140(2)的部分以形成第二输出光束120(2)。尽管图1将每个偏振控制器148示出为半波片150和四分之一波片152的组合，但偏振控制器148(1)和148(2)中的每一个可以由一个或多个控制偏振的其他组件(例如，电光移相器、液晶移相器、Babinet-Soleil补偿器等)构成。可替代地，第一偏振控制器148(1)可以用一个或多个压缩第一光纤132以改变其双折射的光纤压缩器以实现。第二偏振控制器148(2)可以类似地用一个或多个压缩第二光纤138以改变其双折射的光纤压缩器以实现。
为了支持具有不同重复率的同时双向锁模，双向锁模光纤激光器100被设计为具有非对称非线性相移。具体地，掺杂光纤126将非线性相移
Figure BDA0003872499340000041
施加到CCW脉冲序列102上，其中
Figure BDA0003872499340000042
是CCW方向中掺杂光纤126的有效非线性系数，PCCW是CCW脉冲序列102的功率，以及LDF是掺杂光纤126的长度。类似地，第一光纤132将非线性相移φ2＝k1γ1PCCWL1施加到CCW脉冲序列102上，其中k1是从掺杂光纤126耦合到第一光纤132的CCW脉冲序列102的功率的分数，γ1是第一光纤132的非线性系数，并且L1是第一光纤132的长度。在CCW脉冲序列102的一部分经由第一PBS 112(1)耦合出环路110之后，CCW脉冲序列102的剩余部分传播通过第二光纤138以返回到掺杂光纤126。由于第二光纤138中的功率降低，由第二光纤138施加CCW脉冲序列102的非线性相移足够小以至于可以忽略。准直器134(1)和134(2)之间并包括准直器134(1)和134(2)的自由空间组件是线性的，因此不会对脉冲序列102和104施加任何非线性相移。因此，CCW方向上的总非线性相移是
Figure BDA0003872499340000051
CW方向上的类似论点给出
Figure BDA0003872499340000052
其中
Figure BDA0003872499340000053
是掺杂光纤126在CW方向上的有效非线性系数，k2是从掺杂光纤126耦合到第二光纤138的CW脉冲序列104的功率的分数，Pcw是CW脉冲序列104的功率，以及L2是第二光纤138的长度。相移
Figure BDA0003872499340000054
和
Figure BDA0003872499340000055
是不对称的，因为
Figure BDA0003872499340000056
CCW脉冲序列102的每个脉冲在取决于
Figure BDA0003872499340000057
的CCW循环时间Δt(CCw)中绕环路110行进一次，而CW脉冲序列104的每个脉冲在取决于
Figure BDA0003872499340000058
的CW循环时间Δt(CW)中绕环路110行进一次。因此，CCW脉冲序列102具有CCW重复率
Figure BDA0003872499340000059
并且CW脉冲序列104具有顺时针重复率
Figure BDA00038724993400000510
由于
Figure BDA00038724993400000511
重复率
Figure BDA00038724993400000512
和
Figure BDA00038724993400000513
并不相同，即使脉冲序列102和104行进通过相同的环路110。通过改变由泵浦激光器128、第一偏振控制器148(1)、第二偏振控制器148(2)或其组合输出的功率，可以将重复率
Figure BDA00038724993400000514
中的差从小于0.1Hz控制到大于150Hz。重复率
Figure BDA00038724993400000515
和
Figure BDA00038724993400000516
的如此小的差对于依赖于重复率相差大约这个量的两个空间重叠脉冲序列的双梳光谱(DCS)尤其有利。
双向锁模光纤激光器100以小-dfrep特性操作。具体地，光纤激光器100被设计为具有非对称非线性相移
Figure BDA00038724993400000517
和
Figure BDA00038724993400000518
使得重复率的标准化差值dfrep小于或等于10-5。如下文更详细描述的，光纤激光器100的同时双向锁模已经在dfrep值高达3.3×10-6的情况下被实验证明。在dfrep＝3.3×10-6处观察到的稳定操作表明，对于高达10-5的dfrep值，可以实现同时双向锁模。然而，在dfrep值超过10-4的情况下操作的现有技术锁模环形激光器仅实现了单向锁模。
可以通过改变等式1和2中的任何参数来生成不对称非线性相移。例如，可以使光纤132和138的长度稍有不同(即，L1≠L2))。可替代地，第一光纤132和第二光纤138可以由不同的材料或纤芯尺寸制成(即，γ1≠γ2)。在这种情况下，光纤132和138可以具有相同的长度或不同的长度。在一个实施例中，光纤132和138中的每一个是单模光纤(例如，CorningHI1060)。在一个实施例中，L1＝0.7m并且L1＝1.2m。
可以使用具有相同标称类型和标称长度的光纤132和138来生成不对称非线性相移。当光纤132和138具有相同的长度时，光纤激光器100具有对称的腔。但是，由于切割、切割、测量等方面的缺陷，可能会导致光纤长度的微小差(例如1毫米或更短)。同样，制造变化可能会导致两根相同类型的光纤非线性系数略有不同。即使对于对称腔，这些微小的变化仍然足以确保同时双向锁模。
生成不对称非线性相移的另一种方式是改变泵浦光耦合到掺杂光纤126中的方向。图2示出了将泵浦光耦合到环路110的CCW方向的泵浦合束器130。泵浦合束器130可以替代地位于掺杂光纤126的另一端，其中泵浦合束器130将泵浦光耦合到环路110的CW方向。掺杂光纤126的单向泵浦的这些示例导致
Figure BDA0003872499340000061
和
Figure BDA0003872499340000062
不同。在其他实施例中，使用两个泵浦合束器130将泵浦光耦合到掺杂光纤126的两端。在这种情况下，可以控制耦合到掺杂光纤126的每一端的泵浦光的量以调整
Figure BDA0003872499340000063
和
Figure BDA0003872499340000064
有多少不同。
掺杂光纤126可以掺杂有镱、铒、钕、钬或另一种掺杂剂。在一个示例中，掺杂光纤126是具有两米长度的双包层掺镱光纤。在这种情况下，泵浦激光器128可以是高功率(例如，2瓦或更多)多模激光器，其输出为980nm，耦合到双包层光纤的内包层中。然而，掺杂光纤126可以具有不同的长度而不脱离本发明的范围。
在一些实施例中，光纤132和138以及掺杂光纤126都是具有匹配纤芯尺寸的大模面积、少模光纤以减少光纤非线性，从而增加脉冲能量。例如，掺杂光纤126可以是一段Nufern LMA-YDF-10/125-9M光纤，而光纤132、138中的每一个可能是一段Nufern LMA-GDF-10/125-M光纤。作为另一个示例，掺杂光纤126可以是一段Nufern LMA-YDF-20/130-130M光纤，而光纤132、138中的每一个可以是一段Nufern LMA-GDF-20/130-M光纤。由于少模光纤支持多种空间模式，这些实施例可以实现对基本空间模式、单个高阶空间模式或多个空间模式的双向锁模(即时空锁模)，从而有利于不同的应用。
在另一个实施例中，掺杂光纤126是锥形掺杂光纤，其中光纤非线性系数γ取决于沿锥形光纤长度的距离。在这种情况下，由锥形光纤施加的非线性相移为∫γ(x)Pdx，其中积分取自锥形光纤的长度。当与单向泵浦一起使用时，逐渐变细的掺杂光纤126进一步导致
Figure BDA0003872499340000065
和
Figure BDA0003872499340000066
不同。
在一些实施例中，双向锁模光纤激光器100包括在第一PBS 112(1)和第二PBS 112(2)之间的光谱带通滤波器156。带通滤波器156通过产生自幅度调制来稳定光纤激光器100的锁模操作，这允许非线性偏振演化被偏置到更高的脉冲能量。带通滤波器156可以是干涉滤波器或双折射滤波器(例如，Lyot滤波器)，其具有以脉冲序列102和104的中心波长为中心的几纳米(例如，10nm)的半峰全宽(FWHM)带宽。例如，当掺杂光纤126为长度为2米的双包层掺镱光纤时，可以选择中心波长为1070nm、FWHM带宽为10nm的带通滤波器156。
如图1所示，第一光隔离器158(1)可用于阻止第一输出光束120(1)的反射耦合回环路110，在环路110中它们会对双向锁模光纤激光器100的操作产生负面影响。类似地例如，第二光隔离器158(2)可用于阻止第二输出光束120(2)的反射耦合回环路110。自由空间采样器142可用于反射第一自由空间光束140(1)的第一部分144(例如，3％)用于监测CCW脉冲序列102。环路110还可以包括光纤耦合器136，其输出CW脉冲序列104的第二部分146(例如1％)用于监测CW脉冲序列104。第二部分146可以替代地用自由空间采样器(例如，类似于自由空间采样器142)而不是光纤耦合器136来生成。类似地，可以用光纤耦合器(例如，类似于光纤耦合器136)生成第一部分144而非自由空间采样器142。
尽管图1将光纤激光器100示出为光纤和自由空间组件的组合，但是任何一个或多个自由空间组件可以替代地实施为对应的光纤组件。这些自由空间组件包括采样器142、第一偏振控制器148(1)和第二偏振控制器148(2)、第一PBS 112(1)和第二PBS 112(2)、带通滤波器156和第一光隔离器158(1)和第二光隔离器158(2)。在一些实施例中，光纤激光器100的所有组件都是光纤的，在这种情况下，光纤激光器100是全光纤激光器。在这种情况下，准直器134(1)和134(2)是不必要的，因此可以被排除。
除了上述AND设计之外，本发明的一些实施例包括将异常色散(即负GVD)引入腔的组件。例如，可以经由光纤和/或“体”光学器件(例如，棱镜和/或光栅)引入异常色散。可以选择一定量的异常色散来补偿腔中的正常色散，使得总色散接近于零。在这种情况下，激光器在色散管理特性下操作。可替代地，异常色散的量可以相对于腔中的任何正常色散选择为大，其中激光器在孤子特性下操作。
图2是用于锁模图1的双向光纤激光器100的方法200的流程图。在块202中，光纤激光器100在CW方向上锁模，即光纤激光器100被控制以从CW方向上的连续波发出激光转变为CW锁模，在CW锁模中光纤激光器100稳定地生成CW脉冲序列104。在块204中，发生在块202之后，第一偏振控制器和第二偏振控制器148中的一个或两个被调整以同时实现CW锁模和CCW方向上的连续波发出激光。在块206中，发生在块204之后，光纤激光器100在CCW方向上额外锁模，即光纤激光器100被控制从连续波发出激光转变到CCW锁模，其中光纤激光器100稳定地生成CCW脉冲序列102。在块206之后，光纤激光器100在CW和CCW方向上都同时锁模，并且光纤激光器100同时输出CCW脉冲序列102和CW脉冲序列104。尽管图2示出了在CCW锁模之前的CW锁模，但是方法200可以替代地用在CW锁模之前的CCW锁模以实现(即，可以交换块202和206)。
在实施例中，用于控制双向锁模光纤激光器100的方法包括改变耦合到掺杂光纤126中的泵浦功率以改变CCW脉冲序列102的CCW重复率和CW脉冲序列104的CW重复率之间的差。
在实施例中，用于控制双向锁模光纤激光器100的方法包括调整第一偏振控制器和第二偏振控制器148(1)和148(2)中的一个或两个以改变CCW脉冲序列102的CCW重复率和CW脉冲序列104的CW重复率之间的差。
在实施例中，用于双向锁模光纤激光器的方法包括从光纤激光器的单个环形腔同时产生CW和CCW脉冲序列。光纤激光器(i)使用非线性偏振旋转以实现双向人工可饱和吸收，并且(ii)以小-dfrep特性配置。该方法进一步可以包括启动顺时针锁模以生成顺时针脉冲序列，以及启动逆时针锁模以生成逆时针脉冲序列。顺时针脉冲序列具有顺时针重复率，逆时针脉冲序列具有逆时针重复率，并且顺时针重复率和逆时针重复率的标准化差值可以小于10-5。
实验演示
双向锁模振荡器是一种新兴的适用于双梳应用的光源架构。其中，双向锁模光纤激光器(MLFL)因其成本效益、系统紧凑性和环境稳健性而特别有前景。然而，脉冲能量被限制在几十pJ，限制了非线性特性中的实际双梳应用。以下讨论示出了如何通过设计第一个具有人工可饱和吸收体(ASA)的双向全正态色散MLFL来打破脉冲能量限制。双向耗散孤子的生成具有>5-THz的带宽和>1-nJ的脉冲能量。对自由运行的激光性能进行了广泛的表征，并研究了双向ASA锁模的物理机制。重要的是，使用双梳光谱法测量滤光器的透射率。
双向锁模振荡器是一种光源，它在单个激光环腔中同时从反向传播方向生成两组脉冲序列。由于其固有的共模噪声消除和重复率差的被动稳定，它最近出现，因此在精密计量中实现了多种应用，诸如旋转传感、异步采样，特别是双梳光谱学，它通过其快速的数据采集、精细的光谱分辨率和高信噪比彻底改变了传统光谱学。因此，大量的研究工作致力于在各种平台上实现双向锁模振荡器。其中，双向MLFL因其独特的成本效益、系统紧凑性和环境鲁棒性优势而备受关注。
与双向应用相比，双波长MLFL在双梳应用中得到了更广泛的证明。然而，它们的波长复用原理要求两个梳子之间的光谱重叠最小。因此，需要外部放大和非线性光谱展宽来为双梳应用创建光谱重叠，这不可避免地增加了系统复杂性并降低了稳定性。此外，两个脉冲序列之间的单向腔内碰撞会引起明显的周期性扰动，并且如果需要获得梳状线限制的分辨率，则会影响双梳性能。相比之下，双向MLFL同时提供出色的光谱重叠和最小化串扰，因此是双梳应用的理想选择。
然而，到目前为止，所有双向MLFL都依赖于真正的可饱和吸收体(SA)。与非线性偏振旋转(NPR)和非线性放大环镜(NALM)等人工可饱和吸收体(ASA)相比，SA的时间响应要慢得多，并且需要孤子脉冲整形才能获得更大的带宽，这反过来又限制了可达到的脉冲能量可达几十pJ。类似地，最近也实现了包括SA和NPR的混合双向MLFL，其中NPR有助于缩短脉冲以实现更大的锁模带宽。总体而言，已经证明了具有高相互相干性和相对稳定性的自参考双向MLFL，但最大可达到的脉冲能量仍限制在50pJ。因此，双向MLFL的实际应用需要外部放大器。
nJ级的大脉冲能量在最先进的双向MLFL中无法实现，这对于各种非线性双梳应用，诸如泵浦探针光谱、异步泵浦光学参量振荡器和相干拉曼光谱成像尤为重要。这种脉冲能量限制可以通过设计双向MLFL与ASA在耗散孤子特性下锁模，诸如具有更高脉冲能量(数十nJ)、更宽光带宽和平顶光谱形状的特征的全正常色散(ANDi)激光器来打破。不幸的是，尚未在任何基于ASA的MLFL中证明双向操作。相反，有人提出双向锁模在基于ASA的MLFL中是不可行的，即使没有任何腔内隔离器，它们也总是单向运行。
下面的讨论介绍了第一次实验演示基于NPR的双向ANDi激光器的结果。在两个方向上都建立了单脉冲基本锁模，平顶光谱在1070nm处跨越超过20nm，并且输出脉冲能量大于1nJ，比最先进的双向MLFL高出一个数量级以上。基本重复频率(frep)为46MHz，并且通过调整泵浦功率和波片，两个方向的重复频率差(Δfrep)在0.1Hz至100Hz以上连续可调，不会丢失或改变锁模状态，这为适应不同的应用带来了很大的灵活性。此外，对双向ANDi激光器的自由运行频率稳定性、共模噪声消除、单边带(SSB)相位噪声和相对强度噪声(RIN)进行了综合表征和分析。此外，通过实验和数值观察和研究了两个方向之间明显不同的光谱和功率演化，阐明了腔不对称性在建立双向NPR锁模中不可或缺的作用。最后，示出了概念验证双梳光谱。
图3A示出了实验装置。由多模980nm激光器泵浦的2米双包层掺镱光纤(DC-YDF，YB1200-6/125DC)用作增益介质。泵浦通过泵浦合束器发射到DC-YDF，该合束器两端有0.3米双包层光纤(DCF，Coractive-DCF-UN-6/125-14)尾纤。腔内的其余光纤组件由左侧的0.7米HI 1060光纤和右侧的99/1光纤耦合器(两端带有0.6米HI 1060光纤尾纤)组成，用于监测顺时针(CW)方向的锁模脉冲。因此，总共0.7米和1.2米的无源光纤分别不对称地部署在增益介质的左侧和右侧。在两个准直器之间，自由空间光束采样器(3％)放置在左侧，用于监测逆时针(CCW)方向的锁模脉冲。两个四分之一波片(QWP)和两个半波片(HWP)用于偏振控制，以及两个偏振分束器(PBS)用于将激光耦合出腔。在两个PBS之间，使用了以1070nm为中心的10nm带宽高斯形状光谱滤波器(Thorlabs，FB1070-10)。两个输出端口都放置了光隔离器(ISO)，以防止任何背向反射。
通过将泵浦功率增加到1.8W，实现了双向锁模。图3B示出了各种泵浦功率的光谱。受益于耗散孤子形成特性，两个方向的光谱在20nm(5.3THz)上光谱平坦(<2dB波动)。这种宽带平顶光谱对于双梳光谱是非常理想的。在2W的泵浦功率下，CW和CCW方向的输出功率分别为50mW和72mW，对应于两个方向的脉冲能量超过1nJ。通过最大限度地减少高斯滤波器的透射损耗并使用具有更高泵浦吸收的大芯DC-YDF，可以进一步提高效率，从而降低泵浦功率要求。使用10-GHz光电探测器和20-GHz实时示波器测量时域波形，以确认两个方向基本上是锁模的，如图3C所示。
为了观察重复率差(Δfrep)，将输出组合通过50/50耦合器，并使用光电探测器和电光谱分析仪进行检测。如图4A所示，在10Hz的分辨率带宽下观察到两个具有140Hz小间距的RF音调。如图4A中的小图所示，通过将泵浦功率从1.8W改变到2.4W，Δfrep可以从110Hz连续调谐到160Hz，而不会丢失或改变锁模状态。更重要的是，可以通过旋转波片同时保持锁模以实现Δfrep从100Hz一直到0.1Hz的连续调谐。接下来，双向锁模ANDi激光器的自由运行重复率稳定性的特点是使用两个电子同步频率计数器同时测量两个方向的frep，时间为6000秒，门控时间为1秒。如图4B所示，CW方向(实线)和CCW方向(虚线)的frep均随时间显著漂移，显示出66Hz的峰间偏差。然而，从两条迹线几乎相同的趋势可以推断，大部分frep漂移是共模噪声，因此它不应该出现在Δfrep(点迹线)中。如在放大图中观察到的(参见图4B的小图)，Δfrep表现出高得多的频率稳定性，并且相应的峰间偏差被抑制了26倍至2.5Hz。为了确定共模噪声消除，对测量数据进行处理以获得frep和Δfrep两者的功率谱密度(PSD)，如图4C所示。可以清楚地观察到，对于低于0.1Hz的缓慢波动，可以实现>30dB的共模噪声消除。在更快的时间尺度上，测量值接近计数器限制，因此仅观察到仪器限制的10dB噪声抑制。为了量化Δfrep的频率稳定性，计算了它的艾伦偏差，如图4D所示。对于低于100s的门控时间，自由运行的艾伦偏差表现出τ-0.3的特征滚降，表明Δfrep在此时间尺度内主要由白色和闪烁频率噪声控制。自由运行的艾伦偏差在100秒门控时间达到其最小值110mHz，并开始以τ0.43的比例增加，该比例接近随机游走频率噪声的特征τ0.5比例。因此，长期偏差可归因于实验室中的空气扰动和温度波动。将双向ANDi激光器封装在双壁屏蔽箱中将更好地将其与环境扰动隔离开来，并进一步提高频率稳定性。此外，由于频率漂移具有随门控时间线性缩放的艾伦偏差，因此无法识别出Δfrep的漂移。
为了更深入地了解frep的来源，测量了10-GHz载波频率下CW和CCW方向的SSB相位噪声，如图5A所示。值得注意的是，两条SSB相位噪声迹线无法区分，并且对于10kHz以下的偏移频率，它们都表现出显著升高的相位噪声。此过度的相位噪声归因于高功率多模980nm激光器的泵浦功率波动，如下图所示。相位噪声也与单向锁模状态进行了比较，并且由于两个方向之间的串扰最小化，双向操作没有引起明显的退化。类似地，两个方向的测量RIN也无法区分，因此在图5B中为了清楚起见，仅示出了CW方向的RIN噪声。从1kHz到5MHz的集成RIN噪声为0.8％，比单模激光二极管泵浦的最先进的ANDi激光器高出一个数量级以上。由于ANDi激光器具有大的累积非线性相位，我们预计RIN通过自陡化引起的相位噪声是主要的噪声源之一。估计了这种相位噪声的贡献，如图5A中的虚线所示。将非线性相移作为唯一的自由拟合参数，当非线性相移为80rad，接近估计值时，计算的RIN感应相位噪声与测量的相位噪声很好地重叠。分析表明，双向ANDi激光器的SSB相位噪声受到RIN感应相位噪声的限制，可以通过有源功率稳定来很好地补偿。图5A中的短虚线通过假设从10Hz到10kHz的RIN噪声都被主动抑制到-115dB水平，绘制了计算的RIN感应相位噪声。可以实现超过40dB的改进，并且由此产生的SSB相位噪声将达到与用作超稳定主振荡器的其他自由运行MLFL相同的水平。此外，还计算了Gordon-Haus抖动，如图5A中的短虚线所示。由于ANDi激光器具有较大的腔色散，SSB相位噪声最终将受到Gordon-Haus抖动的限制，该抖动仍为30dB低于抑制的RIN感应相位噪声。因此，更长的腔长和更大的腔色散可以与大模场面积光纤一起使用，以在Gordon-Haus抖动开始限制激光器性能之前将脉冲能量进一步扩大到100nJ。
为了阐明ANDi激光器中双向NPR锁模背后的物理机制，改变泵浦功率，同时记录两个方向的光谱、输出功率和腔内功率的明显不同演变。来自CW和CCW输出端口的光谱分别在图6A和6B中示出，因为泵浦功率以100mW的步长从1.9W调整到2.5W。虽然CW输出光谱随着泵浦功率的增加而单片变宽，但CCW输出光谱仅显示出可忽略不计的变化。这种现象对于在不同波片设置下发现的所有锁模状态都是普遍的。两个方向的输出功率和腔内功率分别从输出端口测量并从监控端口估计。然后，计算两个方向的透射功率和耦合比，分别如图6C和6D中所示。CW方向的透射功率增加了42％，而CCW方向的透射功率仅增加了5％，这解释了明显不同的光谱演变。不同的透射功率演变是相反耦合比演变的直接结果，如图6D中所示。当腔内功率随着泵浦功率的增加而增加时，CCW方向的耦合比也增加，从而导致几乎恒定的透射功率。两个方向的输出耦合比的不同演变归因于腔不对称导致的不同累积非线性。更重要的是，用于CCW方向几乎恒定的透射功率和增加的耦合比(降低的透射)表明它在临界饱和功率(CSP)附近锁模，其中可饱和吸收的影响已饱和并转变为反向可饱和吸收。已经示出，CSP周围的峰值功率钳位效应会促进背景噪声的放大，从而在单向MLFL中产生类噪声脉冲。在这种情况下，围绕CSP的锁模可以减轻反向传播方向之间的增益竞争，从而导致双向锁模。
执行概念验证双梳光谱以测量OBSF的透射率。如图7A中所示，时域干涉图表示83Hz的Δfrep，选择该Δfrep是为了通过调整波片来获得最大化的非混叠带宽。单次干涉图的放大在图7B中示出，经傅里叶变换得到图7C中所示的无线电频率(RF)域中变频频谱。由于两个方向的完美频谱重叠，整个频谱被转换到RF，并且可以清楚地观察到滤波器的调制。滤波器的提取的透射率与光谱分析仪测得的透射率很好地匹配，如图7D中所示。小的失配归因于RIN噪声，在激光器在下一步进一步稳定后可以显著减轻。
特征的组合
上面描述的特征以及下面要求保护的特征可以以各种方式组合而不脱离本发明的范围。以下示例说明了上述特征和实施例的可能的非限制性组合。应当清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本实施例进行其他变化和修正：
(A1)双向锁模光纤激光器包括掺杂光纤和耦合到掺杂光纤相对端的第一无源光纤和第二无源光纤。双向锁模光纤激光器还包括第一偏振控制器，用于将从第一无源光纤的第一端发射的逆时针脉冲序列的第一逆时针偏振变换为第二逆时针偏振。双向锁模光纤激光器还包括第二偏振控制器，用于将从第二无源光纤的第二端发射的顺时针脉冲序列的第一顺时针偏振变换成第二顺时针偏振。双向锁模光纤激光器还包括用于基于第二逆时针偏振反射逆时针脉冲序列的第一部分以形成第一激光输出的第一偏振分束器，以及用于基于第二顺时针偏振反射顺时针脉冲序列的第一部分以形成第二激光输出的第二偏振分束器。透射通过第一偏振分束器的逆时针脉冲序列的剩余部分传播通过第二偏振分束器和第二偏振控制器以耦合到第二无源光纤的第二端。透射通过第二偏振分束器的顺时针脉冲序列的剩余部分传播通过第一偏振分束器和第一偏振控制器以耦合到第一无源光纤的第一端。
(A2)在(A1)所示的双向锁模光纤激光器中，掺杂光纤和第一无源光纤将第一非线性相移施加到逆时针脉冲序列上，逆时针脉冲序列具有逆时针顺时针重复率。掺杂光纤和第二无源光纤将第二非线性相移施加到顺时针脉冲序列上，顺时针脉冲序列具有顺时针重复率。第一非线性相移和第二非线性相移之间的非零差导致顺时针重复率和逆时针重复率之间的非零差。
(A3)在(A2)所示的双向锁模光纤激光器中，顺时针重复率和逆时针重复率的标准化差值小于或等于10-5。
(A4)在(A1)至(A3)所示的任一双向锁模光纤激光器中，第一无源光纤和第二无源光纤具有不同的长度。
(A5)在(A1)至(A3)所示的任一双向锁模光纤激光器中，第一无源光纤和第二无源光纤具有相似的长度。
(A6)在(A1)至(A5)所示的任一双向锁模光纤激光器中，第一无源光纤和第二无源光纤具有不同的非线性系数。
(A7)在(A1)至(A6)所示的任一双向锁模光纤激光器中，第一偏振控制器和第二偏振控制器中的每一个包括一个半波片和一个四分之一波片。
(A8)在(A1)至(A7)所示的任一双向锁模光纤激光器中，第一偏振控制器和第二偏振控制器中的每一个是可调整的。
(A9)在(A1)至(A8)所示的任一双向锁模光纤激光器中，双向锁模光纤激光器进一步包括位于第一偏振分束器和第二偏振分束器之间的带通滤波器。逆时针脉冲序列正向通过带通滤波器，以及顺时针脉冲序列以与正向相反的反向通过带通滤波器。
(A10)在(A1)至(A9)所示的任一双向锁模光纤激光器中，掺杂光纤掺杂有镱、铒、钕和钬中的一种或多种。
(A11)在(A1)至(A10)所示的任一双向锁模光纤激光器中，第一无源光纤和第二无源光纤中的每一个是单模光纤。
(A12)在(A1)至(A10)中的任一双向锁模光纤激光器中，掺杂光纤、第一无源光纤和第二无源光纤中的每一个是大模场面积光纤。
(A13)在(A12)所示的双向锁模光纤激光器中，掺杂光纤、第一无源光纤和第二无源光纤中的每一个具有相似的纤芯尺寸。
(A14)在(A1)至(A13)所示的任一双向锁模光纤激光器中，双向锁模光纤激光器进一步包括用于将泵浦光耦合到掺杂光纤中的泵浦合束器。
(A15)在(A14)所示的双向锁模光纤激光器中，双向锁模光纤激光器进一步包括用于生成泵浦光的泵浦激光器。
(B1)用于控制由(A1)至(A15)所示的任何双向锁模光纤激光器的方法，包括调整耦合到掺杂光纤中的泵浦功率以改变逆时针脉冲序列的逆时针重复率和顺时针脉冲序列的顺时针重复率之间的差。
(C1)用于控制由(A1)至(A15)所示的任何双向锁模光纤激光器的方法，包括调整第一偏振控制器和第二偏振控制器中的一个或两个，以改变逆时针脉冲序列的逆时针重复率和顺时针脉冲序列的顺时针重复率之间的差。
(D1)用于由(A1)至(A15)所示的任何双向锁模光纤激光器的锁模方法，包括对双向锁模光纤激光器的连续波顺时针光进行锁模，以生成顺时针脉冲序列。该方法还包括调整第一偏振控制器和第二偏振控制器中的一个或两个以生成连续波逆时针光，同时保持顺时针脉冲序列。该方法还包括在所述调整之后对连续波逆时针光进行锁模，以生成逆时针脉冲序列。
(E1)用于双向光纤激光器锁模的方法包括从光纤激光器的单个环形腔同时地生成顺时针脉冲序列和逆时针脉冲序列。光纤激光器利用非线性偏振旋转实现双向人工可饱和吸收。光纤激光器以小-dfrep特性配置。
(E2)在(E1)所示的方法中，该方法进一步包括启动顺时针锁模以生成顺时针脉冲序列。该方法还包括启动逆时针锁模以生成逆时针脉冲序列。
(E3)在(E1)和(E2)所示的任一方法中，顺时针脉冲序列具有顺时针重复率，逆时针脉冲序列具有逆时针重复率，并且顺时针重复率和逆时针重复率的标准化差值小于10-5。
在不脱离本发明范围的情况下，可以对上述方法和系统进行改变。因此应当注意，包含在以上描述中或在附图中示出的内容应当被解释为说明性的而不是限制性的。所附权利要求旨在覆盖本文所述的所有通用和特定特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述，就语言而言，可以说介于两者之间。

Claims (21)

1.一种双向锁模光纤激光器，包括：
掺杂光纤；
第一无源光纤和第二无源光纤，其耦合到掺杂光纤的相对端；
第一偏振控制器，用于将从第一无源光纤的第一端发射的逆时针脉冲序列的第一逆时针偏振变换为第二逆时针偏振；
第二偏振控制器，用于将从第二无源光纤的第二端发射的顺时针脉冲序列的第一顺时针偏振变换为第二顺时针偏振；
第一偏振分束器，用于基于第二逆时针偏振反射逆时针脉冲序列的第一部分以形成第一激光输出；以及
第二偏振分束器，用于基于第二顺时针偏振反射顺时针脉冲序列的第一部分以形成第二激光输出；
其中(i)透射通过第一偏振分束器的逆时针脉冲序列的剩余部分传播通过第二偏振分束器和第二偏振控制器，以耦合到第二无源光纤的第二端，以及(ii)透射通过第二偏振分束器的顺时针脉冲序列的剩余部分传播通过第一偏振分束器和第一偏振控制器，以耦合到第一无源光纤的第一端。
2.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，其中：
掺杂光纤和第一无源光纤将第一非线性相移施加到逆时针脉冲序列上，逆时针脉冲序列具有逆时针重复率；
掺杂光纤和第二无源光纤将第二非线性相移施加到顺时针脉冲序列上，顺时针脉冲序列具有顺时针重复率；以及
第一非线性相移和第二非线性相移之间的非零差导致顺时针重复率和逆时针重复率之间的非零差。
3.根据权利要求2所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述顺时针重复率和逆时针重复率的标准化差值小于或等于10-5。
4.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述第一无源光纤和所述第二无源光纤具有不同的长度。
5.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述第一无源光纤和所述第二无源光纤具有相似的长度。
6.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述第一无源光纤和所述第二无源光纤具有不同的非线性系数。
7.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器中的每一个包括一个半波片和一个四分之一波片。
8.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器中的每一个是可调整的。
9.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，
进一步包括位于第一偏振分束器和第二偏振分束器之间的带通滤波器；
其中，逆时针脉冲序列正向通过带通滤波器，并且顺时针脉冲序列以与正向相反的反向通过带通滤波器。
10.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述掺杂光纤掺杂有镱、铒、钕和钬中的一种或多种。
11.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述第一无源光纤和所述第二无源光纤中的每一个是单模光纤。
12.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述掺杂光纤、所述第一无源光纤和所述第二无源光纤中的每一个是大模场面积光纤。
13.根据权利要求12所述的双向锁模光纤激光器，其中，所述掺杂光纤、所述第一无源光纤和所述第二无源光纤中的每一个具有相似的纤芯尺寸。
14.根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器，进一步包括泵浦合束器，其用于将泵浦光耦合到所述掺杂光纤中。
15.根据权利要求14所述的双向锁模光纤激光器，进一步包括泵浦激光器，其用于生成所述泵浦光。
16.一种用于控制根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器的方法，包括：
调整耦合到掺杂光纤中的泵浦功率，以改变逆时针脉冲序列的逆时针重复率和顺时针脉冲序列的顺时针重复率之间的差。
17.一种用于控制根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器的方法，包括：
调整第一偏振控制器和第二偏振控制器中的一个或两个，以改变逆时针脉冲序列的逆时针重复率和顺时针脉冲序列的顺时针重复率之间的差。
18.一种用于对根据权利要求1所述的双向锁模光纤激光器进行锁模的方法，包括：
对所述双向锁模光纤激光器的连续波顺时针光进行锁模，以生成顺时针脉冲序列；
调整第一偏振控制器和第二偏振控制器中的一个或两个以生成连续波逆时针光，同时保持顺时针脉冲序列；以及
在所述调整之后，对连续波逆时针光进行锁模，以生成逆时针脉冲序列。
19.一种用于对光纤激光器进行双向锁模的方法，包括：
从光纤激光器的单个环形腔同时地生成顺时针脉冲序列和逆时针脉冲序列；
其中所述光纤激光器(i)使用非线性偏振旋转以实现双向人工可饱和吸收，并且(ii)以小-dfrep特性配置。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
启动顺时针锁模，以生成顺时针脉冲序列；以及
启动逆时针锁模以生成逆时针脉冲序列。
21.根据权利要求19所述的方法，其中：
顺时针脉冲序列具有顺时针重复率；
逆时针脉冲序列具有逆时针重复率；以及
顺时针重复率和逆时针重复率的标准化差值小于10-5。
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