CN115603152A - 一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源 - Google Patents

一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，包括沿光路依次设置的光纤激光器、光纤放大器、非球面镜、光电导天线和太赫兹波滤波器，所述光电导天线背部粘接有透镜，光纤激光器与光纤放大器连接，光纤放大器输出的光进入非球面镜，非球面镜的输出光束照射到光电导天线上，并输出电信号，电信号经太赫兹波滤波器后滤出太赫兹波。本发明利用孤子锁模光纤激光器内谐振边带间距的可调谐性，通过光混频获得了可调太赫兹信号，避免了以往利用两个激光器泵浦太赫兹波产生系统的复杂性，以及双波长激光器作为泵浦源而导致的输出太赫兹波的不稳定，使系统结构更加紧凑、调节方便，提升了太赫兹波产生系统的光至太赫兹波的转换效率。

Description

一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源
技术领域
本发明涉及一种可调太赫兹波源，尤其涉及一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz～10THz之间的电磁波，对应的波长范围为3mm～30μm。在电磁波谱中，太赫兹波波段介于毫米波和红外光波段之间。虽然太赫兹波存在于自然界，但是由于地球大气层对太赫兹波的吸收非常明显，导致太赫兹波强度较弱。由于太赫兹波的产生及探测技术比其它波段困难，这一频段近几十年来才得到广泛的重视与开发。太赫兹波这一特殊波段在高速无线通信、安全成像、材料光谱学、天文学、生物医学等领域表现出了广阔的应用前景。
太赫兹波可以利用电子技术和光子技术获得。在电子学方面，有基于返向波管、耿式二极管振荡器的太赫兹波产生方式。另一方面，利用光子技术产生太赫兹波是太赫兹波产生技术的一个重要研究方向。例如，通过飞秒激光脉冲激发光电导天线、非线性晶体内差频或者太赫兹参量振荡器等产生太赫兹波。并且随着超快光学、超快光电器件、非线性光学晶体材料技术的发展，太赫兹波产生技术也随之取得了快速地发展。
随着太赫兹波应用领域的拓展，对于太赫兹波产生系统的性能，如可调谐性、稳定性、功率等提出了更高的需求。目前，通过将双波长光纤激光器产生的两束激光混频，以获得连续可调的太赫兹波已有报道。然而，由于两束激光的不相干性，导致混频产生的太赫兹波不稳定。基于锁模光纤激光器的太赫兹波产生系统，能够产生稳定的太赫兹波，但是该系统的光能量利用率不高。
发明内容
发明目的：本发明目的是提出一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，产生宽带可调的太赫兹波，同时保持输出太赫兹波的稳定。
技术方案：本发明包括沿光路依次设置的光纤激光器、光纤放大器、非球面镜、光电导天线和太赫兹波滤波器，所述光电导天线背部粘接有透镜，所述光纤激光器与光纤放大器连接，光纤放大器输出的光进入非球面镜，非球面镜的输出光束照射到光电导天线上，并输出电信号，电信号经太赫兹波滤波器后滤出太赫兹波。
所述光纤激光器为能产生谐振边带的孤子锁模光纤激光器。
所述光纤激光器采用环形腔结构，所述环形腔包括首尾依次相连的波分复用器、第一光纤、光环形器、第二光纤、光隔离器、光耦合器和可饱和吸收体，其中，波分复用器与泵浦源连接。
所述第一光纤为增益光纤，增益光纤为掺铒光纤。
所述增益光纤的输出端与光环形器的输入端相连，光环形器的反射端与光栅应力调谐装置相连，光环形器的输出端连接第二光纤。
所述光栅应力调谐装置为啁啾光纤光栅应力调谐装置，包括啁啾光纤光栅，啁啾光纤光栅的两端分别通过光纤夹具固定，光纤夹具通过支架连接到位移平台上，其中一个支架下部设有位移旋钮。
所述位移旋钮用以调节啁啾光纤光栅上的应力，来改变孤子锁模光纤激光器谐振边带的间距，进而改变产生太赫兹波的频率。
所述第二光纤为单模光纤，以调节激光腔腔长，保证激光器输出激光的稳定。
所述的非球面镜设置在支架顶部。
有益效果：本发明利用孤子锁模光纤激光器内谐振边带间距的可调谐性，并通过光混频获得了可调太赫兹信号，避免了以往利用两个激光器泵浦太赫兹波产生系统的复杂性，以及双波长激光器作为泵浦源而导致的输出太赫兹波的不稳定，使系统结构更加紧凑、调节方便，另一方面，得益于输出激光内谐振边带较高的强度，将更多的光能量集中到谐振边带内，提高了光能量利用率，进而提升了太赫兹波产生系统的光至太赫兹波的转换效率。
附图说明
图1是本发明的可调太赫兹波源结构示意图；
图2是本发明中产生谐振边带的孤子锁模光纤激光器示意图；
图3是本发明中啁啾光纤光栅应力调谐装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括沿光路依次设置的光纤激光器15、光纤放大器16、非球面镜17、光电导天线18和太赫兹波滤波器23，光纤激光器15为能产生谐振边带的孤子锁模光纤激光器，光纤激光器15通过单模光纤与光纤放大器16相连，光纤放大器16为掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器的输出光进入单模光纤，该单模光纤另一端的光纤头通过光纤法兰盘连接至支架24顶部的非球面镜17，光纤法兰盘放置于非球面镜的前焦点处，其输出光束20照射到光电导天线18上，光电导天线18背部粘接有超半球透镜19，用于汇聚光束，并输出电信号21，电信号21在自由空间中传输并到达太赫兹波滤波器23，通过太赫兹波滤波器23滤出所需的太赫兹波22。
如图2所示为上述产生谐振边带的孤子锁模光纤激光器，为全光纤环形腔结构，其总色散量为0.4ps/nm～25ps/nm，环形腔包括首尾依次相连的波分复用器2、增益光纤3、光环形器8、单模光纤4、光隔离器5、光耦合器6、可饱和吸收体20，其中，波分复用器2与泵浦源1连接，泵浦源1为光纤耦合输出半导体激光器，半导体激光器的输出波长为976nm，泵浦功率为0mW至600mW可调。波分复用器2为980nm/1550nm波分复用器，其工作波长应与增益光纤3的受激辐射光波长一致，增益光纤3为掺铒光纤。泵浦源1通过波分复用器2来泵浦掺铒光纤，掺铒光纤的输出端与光环形器8的输入端相连，光环形器8的反射端通过单模光纤与光栅应力调谐装置7相连，光环形器8的输出端连接单模光纤4，改变单模光纤4的长度可以改变激光腔腔长，进而保证激光器输出激光的稳定。单模光纤4的输出端与光隔离器5相连，光隔离器5用于保证光在光纤环路内单向传输；光耦合器6的耦合比为30:70，光耦合器6中70％输出端与可饱和吸收体20相连，30％输出端作为激光器的输出；可饱和吸收体20作为激光腔内的真实被动锁模器件，其还可以利用非线性偏振旋转(NPR)、非线性环形放大镜(NALM)等人工可饱和吸收体代替。可饱和吸收体20通过集成在其上的光纤尾纤熔接至环形腔内，可饱和吸收体20的输入端光纤与光耦合器6的输出端光纤相连，可饱和吸收体20的输出端光纤与波分复用器2的反射端光纤相连。
如图3所示，光栅应力调谐装置7为啁啾光纤光栅应力调谐装置，包括啁啾光纤光栅9，啾光纤光栅的波长为1544nm～1556nm，啁啾光纤光栅9的两端分别通过光纤夹具10固定，光纤夹具通过支架连接到位移平台11上，其中，位于最外端的支架下部设有位移旋钮12，通过位移旋钮12调节两侧光纤夹具10之间的距离以调节啁啾光纤光栅9上的应力，来改变孤子锁模光纤激光器谐振边带的间距，进而改变产生太赫兹波的频率。实际使用中，在3mm的位移范围内调节光纤夹具的位置，能够获得0.2THz～0.9THz可调太赫兹波，太赫兹波频率的可调谐范围受限于啁啾光纤光栅带宽及其最大承受应力。
工作原理：
利用孤子锁模光纤激光器产生谐振边带，通过改变激光腔内啁啾光纤光栅上的应力，改变输出光谱中谐振边带的间距。之后，包含谐振边带的激光照射到光电导天线上，并在光电导天线内混频，所产生的电信号通过太赫兹波滤波器进行滤波，进而获得可调谐太赫兹波。利用公式对上述工作原理进行阐述。
孤子锁模光纤激光器内强度最大的两个谐振边带的间距可以表示为：
Figure BDA0003911690570000041
其中，λ0是激光中心波长，D是腔内平均色散量，L0表示激光器腔长，τ是脉冲宽度，c是光速。该公式表明谐振边带间距与激光腔内总色散成平方根反比的关系。因此，通过改变激光腔的总色散能够改变谐振边带间距。
相较于激光腔内光纤的总色散，啁啾光纤光栅具有较大的色散量。通过将啁啾光纤光栅置于激光腔内，可以用于调控激光腔的总色散。啁啾光纤光栅的色散特性可以由失谐函数表示：
Figure BDA0003911690570000042
其中，Λ0是啁啾光纤光栅中心点的空间周期，β是传播常数，上式右边第三项为啁啾函数，可见该函数与啁啾光纤光栅长度L有关。通过在啁啾光纤光栅上施加应力，能够改变啁啾光纤光栅长度L以及空间周期Λ0，进而改变其色散量。因此，通过在啁啾光纤光栅上增加应力调谐装置，以改变其应力，进而可以实现对啁啾光纤光栅色散的调谐。之后，将该结构置于锁模光纤激光器光腔内，可实现对谐振边带间距的调节。
利用包含谐振边带的激光照射光电导天线，光谱内任意两个光信号会在光电导天线内混频，两束光信号E1和E2分别表示为
Figure BDA0003911690570000043
和
Figure BDA0003911690570000044
其中ω1和ω2表示光电场的角频率，
Figure BDA0003911690570000045
和
Figure BDA0003911690570000046
表示初相位。经过混频之后产生的电信号强度为：
Figure BDA0003911690570000047
该式表明，光混频之后产生了一个频率等于两个光信号频率之差的分量ωmix＝ω1-ω2，并且该频率分量的强度正比于两束入射光信号强度的乘积。基于该原理，如果孤子锁模光纤激光器产生的两个谐振边带的间距在太赫兹量级，那么混频之后产生对应频率的太赫兹信号。另外，在光电导天线后面需要放置太赫兹波滤波器，以滤除混频信号内不需要的电信号。

Claims (9)

1.一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，其特征在于，包括沿光路依次设置的光纤激光器、光纤放大器、非球面镜、光电导天线和太赫兹波滤波器，所述光电导天线背部粘接有透镜，所述光纤激光器与光纤放大器连接，光纤放大器输出的光进入非球面镜，非球面镜的输出光束照射到光电导天线上，并输出电信号，电信号经太赫兹波滤波器后滤出太赫兹波。
2.根据权利要求1所述的一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，其特征在于，所述光纤激光器为能产生谐振边带的孤子锁模光纤激光器。
3.根据权利要求2所述的一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，其特征在于，所述光纤激光器采用环形腔结构，所述环形腔包括首尾依次相连的波分复用器、第一光纤、光环形器、第二光纤、光隔离器、光耦合器和可饱和吸收体，其中，波分复用器与泵浦源连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，其特征在于，所述第一光纤为增益光纤。
5.根据权利要求4所述的一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，其特征在于，所述增益光纤的输出端与光环形器的输入端相连，光环形器的反射端与光栅应力调谐装置相连，光环形器的输出端连接第二光纤。
6.根据权利要求5所述的一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，其特征在于，所述光栅应力调谐装置为啁啾光纤光栅应力调谐装置，包括啁啾光纤光栅，啁啾光纤光栅的两端分别通过光纤夹具固定，光纤夹具通过支架连接到位移平台上，其中一个支架下部设有位移旋钮。
7.根据权利要求6所述的一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，其特征在于，所述位移旋钮用以调节啁啾光纤光栅上的应力。
8.根据权利要求5所述的一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，其特征在于，所述第二光纤为单模光纤。
9.根据权利要求1所述的一种基于孤子锁模光纤激光器谐振边带的可调太赫兹波源，其特征在于，所述的非球面镜设置在支架顶部。
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