CN115498491B - 一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器 - Google Patents

一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器，包括激光器谐振腔、准直‑偏振管理系统、可调正色散补偿装置和电热调制装置，激光器谐振腔传输的信号光通过所述准直‑偏振管理系统进入所述可调正色散补偿装置，所述可调正色散补偿装置将信号光多次反射后传输给电热调制装置，信号光到达所述电热调制装置后被原路反射回所述可调正色散补偿装置、准直‑偏振管理系统和激光器谐振腔中进行循环传输。通过本发明，可以方便快捷的对锁模耗散孤子超短脉冲的脉宽进行1~50ps的多范围调节，同时提高脉宽调谐稳定性、调谐精度以及调谐灵敏度。

Description

一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器。
背景技术
目前，针对外部调制可饱和吸收体调制深度实现脉宽调谐的手段主要分为以下几种方式：通过电场调制SESAM调制深度实现脉宽调谐，此方式大多应用在固体激光器中，系统复杂稳定性较差，在调制可饱和吸收体的调制深度时也会提高可饱和吸收体的非饱和吸收损耗，致使锁模困难。光纤激光器中通常通过电调制石墨烯薄膜以及三维狄拉克半金属的方法进行脉宽调节，但一般所采用的激光器腔内处于负色散区，前者只能维持在调Q状态下完成对脉宽的调节，后者可以在不同的脉冲状态下调节，但在孤子锁模状态下的超短脉冲调节范围很窄且精度很差，对泵浦功率的依赖度很高，在腔内器件参数有变化时，将难以完成锁模。综上所述，目前通过调制深度的变化改变脉宽的方法调谐范围多在纳秒或百皮秒量级，无法实现几皮秒以及几十皮秒量级的超短脉冲的脉宽调谐，调谐精度亟待提高。
发明内容
本发明的一个目的在于针对以上问题，提供一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器，首先，基于位于正色散区的耗散孤子脉冲的优势，利用砷化镉可饱和吸收体的稳定性，仅改变其调制深度就可以实现ps量级的大范围调谐，非可饱和吸收损耗等其他参数不会在这个过程中发生变化，保证了锁模的稳定性；其次，通过可调色散补偿装置改变净正色散量，实现了从1ps到50ps的调节范围，有效解决了目前光纤激光器系统通过调制深度的变化实现脉宽调谐的方式中存在的调谐尺度较大、调谐精度较低、操作复杂的问题。
本发明提供一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器，包括激光器谐振腔、准直-偏振管理系统、可调正色散补偿装置和电热调制装置，激光器谐振腔传输的信号光通过所述准直-偏振管理系统进入所述可调正色散补偿装置，所述可调正色散补偿装置将信号光多次反射后传输给电热调制装置，信号光到达所述电热调制装置后被原路反射回所述可调正色散补偿装置、准直-偏振管理系统和激光器谐振腔中进行循环传输；
所述可调正色散补偿装置包括平行设置的多个液晶阵列，每个液晶阵列的前、后反射面分别镀有不同反射率的膜系，将信号光多次反射后传送给所述电热调制装置；
所述电热调制装置包括生长有金属电极和砷化镉薄膜的全反射金镜衬底，用于对所述可调正色散补偿装置反射的信号光进行调制。
优选的，还包括电压与泵浦功率调节模块和泵浦源激光器，所述电压与泵浦功率调节模块用于对泵浦源激光器的泵浦功率以及电源模块输出的电压进行控制，所述电源模块分别连接所述可调正色散补偿装置和电热调制装置。
优选的，所述电压与泵浦功率调节模块用于通过对所述可调正色散补偿装置施加不同的电压，改变液晶阵列上液晶单元的光轴方向来调节净正色散量；以及所述电压与泵浦功率调节模块还用于通过对所述电热调制装置施加不同的电压，改变砷化镉薄膜的温度以改变调制深度。
优选的，所述激光器谐振腔还包括泵浦源激光器、波分复用器、偏振控制器、耦合器、环形器、增益光纤，所述泵浦源激光器与所述电压与泵浦功率调节模块连接，其输出端连接所述波分复用器的泵浦端，所述波分复用器的信号端通过偏振控制器连接所述耦合器的输入端，所述耦合器的输入端连接所述环形器第一端，所述环形器第二端连接所述准直-偏振管理系统，所述环形器第三端通过增益光纤连接所述波分复用器的输出端。
优选的，所述激光器谐振腔还包括低反射率光纤光栅、泵浦源激光器、波分复用器、偏振控制器和增益光纤，所述泵浦源激光器与所述电压与泵浦功率调节模块连接，所述泵浦源激光器输出端连接所述波分复用器的泵浦端，低反射率光纤光栅的输入端通过所述波分复用器的输出端连接增益光纤、偏振控制器和准直-偏振管理系统。
优选的，所述增益光纤为铒离子增益光纤、铥离子增益光纤或钬离子增益光纤中的一种。
优选的，所述电热调制装置的砷化镉薄膜面积范围为25~64mm2。
优选的，所述可调正色散补偿装置包括两个液晶阵列，每个液晶阵列的前反射面镀有半透半反膜，后反射面镀有高反膜。
优选的，所述准直-偏振管理系统包括光纤准直器、起偏分束器、半波片和PMD补偿片，其中，所述光纤准直器用于对输出激光进行准直，所述起偏分束器和半波片用于将激光脉冲转换为偏振光，所述PMD补偿片用于对偏振光进行偏振模色散补偿。
本发明的有益效果如下：
本发明首次使用可调正色散补偿装置以及电热调制装置对耗散孤子脉冲宽度进行调节。通过使用可调正色散补偿装置将谐振腔内色散补偿为正色散，构成对谐振腔内参数以及非线性效应容忍度更高的耗散孤子激光器。电热调制装置包括生长有金属电极和砷化镉薄膜的全反射金镜衬底，通过改变施加在两个金属电极上的反向偏压的大小对砷化镉薄膜的调制深度进行控制，利用脉冲宽度与可饱和吸收体的调制深度相关这一特性，实现ps级脉宽可调耗散孤子激光脉冲的输出，同时改变施加在可调正色散补偿装置上的电压可改变谐振腔内的净正色散量，不同的净正色散量结合不同的调制深度产生不同范围的脉宽调谐，采用这种脉宽可调方式有效提高调谐的精度和稳定性、降低调谐尺度，缩短响应时间。
将可调正色散补偿装置与电热调制装置组合成一体化系统，电热调制装置的金镜衬底亦可作为可调正色散补偿装置的反射镜，减少了空间元件的使用，降低了腔内损耗。
通过改变增益光纤的种类以及可调色散补偿装置提供的正色散从而在1.5µm和2µm处分别实现脉宽的多范围调谐，此外，还可以定制不同厚度参数的砷化镉薄膜，实现更宽的脉宽调谐或者更窄的脉冲宽度。
附图说明
图1是本发明一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器的实施例1结构示意图；
图2是本发明一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器中的准直-偏振管理系统结构示意图；
图3是本发明一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器在调节腔内净正色散以及可饱和吸收体调制深度时，在不同的净正色散量下得到的耗散孤子脉冲的脉宽调谐范围图；
图4是本发明一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器的实施例2结构示意图。
其中：1、泵浦源激光器，2、波分复用器，3、偏振控制器，4、耦合器，5、环形器，6、增益光纤，7、准直-偏振管理系统，71、光纤准直器，72、起偏分束器，73、半波片，74、PMD补偿片，8、可调正色散补偿装置，9、电热调制装置，10、电压与泵浦功率调节模块，11、低反射率光纤光栅。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本发明提供了一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器，经过试验可实现高调谐精度和稳定性、短响应时间的超短脉冲输出。图1所示为本发明一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器的实施例1结构示意图。该实施例谐振腔腔型为环形，包括泵浦源激光器1、波分复用器2、偏振控制器3、耦合器4、环形器5、增益光纤6、准直-偏振管理系统7、可调正色散补偿装置8、电热调制装置9、电压与泵浦功率调节模块10。泵浦源激光器1由电压与泵浦功率调节模块10控制，泵浦源激光器1输出端连接波分复用器2的泵浦端，波分复用器2的信号端通过偏振控制器3连接耦合器4的输入端。耦合器4的输入端连接环形器5第一端，环形器5第二端连接准直-偏振管理系统7，准直-偏振管理系统7的结构如图2所示，光纤准直器71用于对输出激光进行准直，起偏分束器72和半波片73用于将信号光激光脉冲转换为偏振光，PMD补偿片74用于对偏振光进行偏振模色散补偿。从准直-偏振管理系统7输出的信号光进入可调正色散补偿装置8中，本实施例中优选的可调正色散补偿装置8包括两个平行设置的液晶阵列，每个液晶阵列上的液晶单元前反射面上镀有一层半透半反膜，反射率为20%，后反射面上镀有一层高反膜，两液晶阵列将信号光多次反射后传输给电热调制装置9。
色散补偿量是由液晶单元的表面反射率、光轴方向和折射率来决定，在工作时，色散补偿量的调节通过对可调正色散补偿装置8施加不同的电压改变液晶单元的光轴方向来实现，信号光依次经过两个平行的液晶阵列上的液晶单元互相反射，其中每反射一次就完成一次色散补偿量的累加，单个液晶单元的色散由表示，如下述式子所示：
，其中为光速、为信号光的波长。
单个液晶阵列的相位由表示，如下述式子所示：
，其中为液晶单元前后反射面之间的光程差、为液晶单元前反射面的反射系数。
液晶单元前后反射面之间的光程差如下述式子所示：
，其中液晶材料的有效折射率、为液晶单元的腔长、为进入液晶单元的光线折射角。
液晶单元的色散主要取决于液晶单元前反射面的反射系数、液晶材料的有效折射率，液晶单元的腔长和液晶单元的光线折射角。由于液晶单元具有各向异性，所以信号光在液晶单元中传播会发生双折射现象，当利用电控双折射效应使液晶单元的光轴方向发生改变时，信号光在液晶单元中的光线折射角和有效折射率都将发生变化，进而引起色散的变化。
图3示出的是本发明一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器在调节腔内净正色散以及可饱和吸收体调制深度时，在不同的净正色散量下得到的耗散孤子脉冲的脉宽调谐范围图。通过调节电压改变谐振腔内的净色散量，使用光脉冲时延法对不同电压下可调正色散补偿装置8的两个液晶阵列提供的正色散量进行测试，将已知形状的宽度为几百ps的光脉冲输入到待测可调正色散补偿装置8，由于液晶阵列提供的正色散，光脉冲经过液晶阵列后会发生展宽，在液晶阵列输出端记录下该展宽的光脉冲波形，得到输出脉冲宽度与输入脉冲宽度的差值。测定不同频率光脉冲经过两块液晶阵列传输后的时延差，然后将测定结果进行多项式拟合，即可得到不同电压下两块液晶阵列提供的正色散量，将其与谐振腔内每个器件的尾纤以及增益光纤6提供的负色散量比对，最终可实现6个净正色散量。
本实例中，所述电热调制装置9包括生长有金属电极和砷化镉薄膜的全反射金镜衬底，本实施例中优选全反射金镜衬底上生长一层厚度为30nm的砷化镉薄膜，砷化镉薄膜具有零带隙结构，形状为正方形，面积范围为25~64mm2，本实施例中优选推荐使用的面积为25mm2，使用电子束蒸发在砷化镉薄膜上沉积两个相隔约1mm的金属电极。当谐振腔内信号光由可调正色散补偿装置8到达电热调制装置9时，信号光会与砷化镉薄膜发生相互作用，价带中的电子吸收泵浦光子跃迁到导带上，这些电子经过热化和冷却后，形成费米-狄拉克分布，遵循泡利不相容原理，价带电子占据低能量状态，空穴会占据高能量状态，同时伴随电子-空穴的复合及声子散射。当泵浦光较强时，电子持续不断地吸收光子，跃迁至导带，电子跃迁的速率大于带间弛豫速率，最终价带和导带的能量状态全部被电子和空穴占据，达到动态平衡，阻断带间跃迁。此时，砷化镉薄膜对高强度光子的吸收达到饱和，阻止进一步吸收，因此，在未对电热调制装置9进行调制时，在砷化镉薄膜可饱和吸收作用下可以在谐振腔内形成较宽脉宽的耗散孤子脉冲，而当给砷化镉薄膜上的电极施加反向偏压时，则会通过电流或者温度改变其载流子浓度，载流子浓度的增加使费米能级提高。费米能级越高，激发态越接近费米能级，从而促进激发态电子通过电子-电子(e-e)散射的更快弛豫，电子在激发态中的排空速度加快。如果在泵浦脉冲期间激发态已经清空，则可以增强光吸收，从而改变电热调制装置9上砷化镉薄膜的调制深度。因此，本发明可以通过所述电压与泵浦功率调节模块10改变施加在金属电极上的反向偏压的大小进而改变电热调制装置9上砷化镉薄膜的调制深度，随着施加电压或者温度的增加，其调制深度在温度的变化下可在35％~75％之间调节。调制深度的改变导致砷化镉薄膜可以在非线性吸收区域吸收更多的光强，从而减小初始耗散孤子脉冲的脉宽。此时信号光通过金镜将其反射回环形器5第二端，进而通过环形器5第三端以及增益光纤6返回波分复用器2，进行循环传输。
最终，在本实例中，随着所述电压与泵浦功率调节模块10对可调正色散补偿装置8上的电压进行调节，减小了谐振腔内的净正色散量，输出脉宽的范围进一步减小，最小脉宽调谐范围为1.68ps~2.45ps，最大可实现20.3ps~48.99ps的调谐。
实施例2
图4所示为本发明一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器的实施例2结构示意图，整体结构与实施例1类似，实施例2中激光器谐振腔为线型腔。
低反射率光纤光栅11的输入端与波分复用器2的输出端连接，低反射率光纤光栅11的另一端为输出端。波分复用器2输出端的信号光依次通过有增益光纤6、偏振控制器3和准直-偏振管理系统7，准直-偏振管理系统7输出的信号光通过可调正色散补偿装置8到达电热调制装置9上，使用电压与泵浦功率调节模块10施加电压控制电热调制装置9上砷化镉薄膜的调制深度，完成不同净正色散量下对耗散孤子锁模脉冲的脉宽调节。到达电热调制装置9的信号光被反射回谐振腔，完成在谐振腔内的多次循环。
由上述实施例可见，本发明提供的多范围脉宽可调超短脉冲激光器以正色散的耗散孤子激光器为基础，利用三维狄拉克材料调制深度可调的性能，在ps量级实现了几十皮秒范围的脉宽调节，在此同时，可以通过改变可调正色散补偿装置8所提供的正色散量调节腔内净正色散，实现不同范围脉宽的超短脉冲输出，最小的脉宽调节范围可至1.68ps~2.45ps，最大的脉宽调节范围可至20.3ps~48.99ps。本发明提供的多范围脉宽可调超短脉冲激光器有效解决了目前脉宽调谐方式存在的调谐尺度较大、调谐精度较低、操作复杂的问题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种多范围脉宽可调超短脉冲激光器，其特征在于，包括激光器谐振腔、准直-偏振管理系统(7)、可调正色散补偿装置(8)和电热调制装置(9)，激光器谐振腔传输的信号光通过所述准直-偏振管理系统(7)进入所述可调正色散补偿装置(8)，所述可调正色散补偿装置(8)将信号光多次反射后传输给电热调制装置(9)，信号光到达所述电热调制装置(9)后被原路反射回所述可调正色散补偿装置(8)、准直-偏振管理系统(7)和激光器谐振腔中进行循环传输；
所述可调正色散补偿装置(8)包括平行设置的多个液晶阵列，每个液晶阵列的前、后反射面分别镀有不同反射率的膜系，将信号光多次反射后传送给所述电热调制装置(9)；
所述电热调制装置(9)包括生长有金属电极和砷化镉薄膜的全反射金镜衬底，所述金属电极包括沉积在砷化镉薄膜上的两个金属电极，所述全反射金镜衬底作可调正色散补偿装置(8)的反射镜用于对所述可调正色散补偿装置(8)反射的信号光进行调制；还包括电压与泵浦功率调节模块(10)和泵浦源激光器(1)，所述电压与泵浦功率调节模块(10)用于对泵浦源激光器(1)的泵浦功率以及电源模块输出的电压进行控制，所述电源模块分别连接所述可调正色散补偿装置(8)和电热调制装置(9)；
所述电压与泵浦功率调节模块(10)用于通过对所述可调正色散补偿装置(8)施加不同的电压，改变液晶阵列上液晶单元的光轴方向来调节净正色散量；以及所述电压与泵浦功率调节模块(10)还用于通过改变施加在所述电热调制装置(9)的所述金属电极上的反向偏压的大小，改变砷化镉薄膜的温度以改变调制深度；
所述激光器谐振腔还包括低反射率光纤光栅(11)、泵浦源激光器(1)、波分复用器(2)、偏振控制器(3)和增益光纤(6)，所述泵浦源激光器(1)与所述电压与泵浦功率调节模块(10)连接，所述泵浦源激光器(1)输出端连接所述波分复用器(2)的泵浦端，低反射率光纤光栅(11)的输入端通过所述波分复用器(2)的输出端连接增益光纤(6)、偏振控制器(3)和准直-偏振管理系统(7)。
2.根据权利要求1所述的多范围脉宽可调超短脉冲激光器，其特征在于，所述增益光纤(6)为铒离子增益光纤、铥离子增益光纤或钬离子增益光纤中的一种。
3.根据权利要求1所述的多范围脉宽可调超短脉冲激光器，其特征在于，所述电热调制装置(9)的砷化镉薄膜面积范围为25～64mm2。
4.根据权利要求1所述的多范围脉宽可调超短脉冲激光器，其特征在于，所述可调正色散补偿装置(8)包括两个液晶阵列，每个液晶阵列的前反射面镀有半透半反膜，后反射面镀有高反膜。
5.根据权利要求1所述的多范围脉宽可调超短脉冲激光器，其特征在于，所述准直-偏振管理系统(7)包括光纤准直器(71)、起偏分束器(72)、半波片(73)和PMD补偿片(74)，其中，所述光纤准直器(71)用于对输出激光进行准直，所述起偏分束器(72)和半波片(73)用于将激光脉冲转换为偏振光，所述PMD补偿片(74)用于对偏振光进行偏振模色散补偿。
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