CN115632301B - 基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于脉冲操控领域，更具体地，涉及一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置及方法。本发明通过对被动锁模激光器中产生超快激光脉冲的时频信息进行实时解析，并精细控制激光器增益，实现脉冲序列的人工操控，是一种高效的超快激光人工操控方法。本发明能够操控组装脉冲的脉冲数目和排布方式，实现组装脉冲的人工操控，在大容量光通信、超快激光传感等领域有很高的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于脉冲操控领域，更具体地，涉及一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置及方法。
背景技术
激光，作为人类科学发展史上的重大发现之一，在21世纪的今天得到了较为快速的发展：以超快激光为例，随着调Q、锁模、啁啾脉冲放大等一系列的技术的不断发展，脉冲峰值功率不断提高，脉宽不断压缩，较高功率的超快激光也因此在物理学、化学、生物医疗、超精细加工等研究领域有着较为广泛的应用。
在光纤激光器中，超短脉冲的优异特性，使得其在基础研究、医疗、工业等诸多领域有着广泛的应用，而超短脉冲的长期稳定是实现其广泛应用的基础，目前，在获取超短脉冲的众多方法中，被动锁模是使用的最为广泛的。对于一个被动锁模激光器而言，在一定的参数设置下，激光腔的输出状态可以长时间地保持稳定，但是输出状态是会随着激光腔的参数设置而改变，影响脉冲的性能。因此，对脉冲的实时时频信息进行观测并解析，根据解析得到的信息对光纤激光器腔的泵浦功率进行主动精细、快速调节，使其能够长期处于稳定工作状态，具有十分重要的意义，是提高光纤激光器锁模所产生的超短脉冲稳定性的一个重要基础。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置及方法。本发明通过对被动锁模激光器中产生超快激光脉冲的时频信息进行实时解析，并控制激光器增益，实现脉冲序列的人工操控，根据需求产生所需脉冲，脉冲输出更加稳定。
本发明的技术方案是：一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置，锁模激光产生模块、脉冲时频信息表征模块、脉冲状态解析控制模块；锁模激光产生模块包括增益控制部分、光隔离器、电控偏振控制器、锁模部分、第一光耦合器，光隔离器与增益光纤连接，光隔离器、电控偏振控制器、锁模部分、第一光耦合器依次连接，第一光耦合器输出分别与波分复用器和第二光耦合器输入连接；其特征在于：增益控制部分包括电控泵浦源、波分复用器、增益光纤，波分复用器分别与电控泵浦源、第一光耦合器的输出连接，波分复用器通过增益光纤与光隔离器连接，电控泵浦源输入与控制中心连接，脉冲时频信息表征模块包括第二光耦合器、色散介质，第二光耦合器输出与色散介质和第一光电探测器相连，另一路通过色散介质后与第二光电探测器相连；脉冲状态解析控制模块包括第一光电探测器、第二光电探测器、控制中心，控制中心与第一光电探测器、第二光电探测器连接。
根据如上所述的一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置，其特征在于：锁模部分为可饱和吸收体或者等效可饱和吸收体。
根据如上所述的一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置，其特征在于：第一光耦合器将脉冲分为两部分，一部分进入脉冲时频信息表征模块进行实时的时频信息解析，另一部分继续留在腔内振荡。
根据如上所述的一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置，其特征在于：控制中心对探测到的时域以及频域信息进行实时解析，根据时域信息解算出组装脉冲的脉冲强度和脉冲个数控制电控泵浦源输出的泵浦能量。
本发明还公开了一种基于激光增益控制的脉冲操控方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，由电控泵浦源产生激光，第一光耦合器依据分光比将脉冲分为两部分，一部分进入脉冲时频信息表征模块进行实时的时频信息解析，另一部分输入波分复用器在腔内振荡；
第二步，通过第二光耦合器，将激光器输出的组装脉冲分为两路，在其中一路加入合适的色散介质，使得组装脉冲的时域和频域信息能够得到实时的表征；
第三步，通过第一光电探测器探测组装脉冲的时域信息、第二光电探测器探测组装脉冲的频域信息，并由控制中心进行实时解析，当τ′＝τ时，根据解算出的脉冲间距、相对相位、以及脉冲能量差；
第四步，根据解析所得的组装脉冲时频特征，反馈控制电控泵浦源输出的泵浦能量。
根据如上所述的一种基于激光增益控制的脉冲操控方法，其特征在于：通过色散介质进行时间拉伸的公式为：
其中，ΔT为时间拉伸之后的脉冲宽度，c为真空中的光速，β2z为色散介质中的群速度色散，Δλ为组装脉冲光谱谱宽，λ为组装脉冲中心波长。
本发明的有益效果是：1、基于脉冲实时特征表征模块两路分支，一路探测脉冲时域信息，另一路同时探测脉冲的频域信息，实现对组装脉冲的时域和频域信息的实时解析。2、控制中心根据组装脉冲的时频解析结果，可精细反馈控制激光器增益控制部分。3、可根据不同的应用场景操控组装脉冲的脉冲数目和排布方式，进而实现更加稳定的脉冲输出，达到更加高效的人工操控激光的目的。
附图说明
图1是系统总框图；
图2是超快激光脉冲产生模块；
图3是脉冲时频信息表征模块；
图4是脉冲状态解析控制模块。
附图标记说明：锁模激光产生模块1、脉冲时频信息表征模块2、脉冲状态解析控制模块3、增益控制部分4、光隔离器5、电控偏振控制器6、锁模部分7、第一光耦合器8、电控泵浦源9、波分复用器10、增益光纤11、第二光耦合器12、色散介质13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、控制中心16。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置，锁模激光产生模块1、脉冲时频信息表征模块2、脉冲状态解析控制模块3。
如图2所示，本发明的锁模激光产生模块1，包括增益控制部分4、光隔离器5、电控偏振控制器6、锁模部分7、第一光耦合器8，组成了一个增益控制被动锁模光纤激光器。光隔离器5与增益光纤11连接，光隔离器5、电控偏振控制器6、锁模部分7、第一光耦合器8依次连接，第一光耦合器8输出分别与波分复用器10和第二光耦合器12输入连接。光隔离器5用于保证了激光器的单向运转，电控偏振控制器6对腔内光的偏振态进行调节。锁模部分7一般为真实可饱和吸收体或者等效可饱和吸收体，脉冲经过锁模部分7后，基于可饱和吸收效应得到可控的组装脉冲，经第一光耦合器8后，依据一定的分光比将脉冲分为两部分(分光比可为1：9，2：8，3：7等，根据设计要求确定)，一部分进入脉冲时频信息表征模块2进行实时的时频信息解析，另一部分继续留在腔内振荡。
如图2所示，增益控制部分4包括电控泵浦源9、波分复用器10、增益光纤11，波分复用器10分别与电控泵浦源9、第一光耦合器8的输出连接，波分复用器10通过增益光纤11与光隔离器5连接，电控泵浦源9输入与控制中心16连接，控制中心16对脉冲实时时频信息进行解析，控制中心16通过调节电控泵浦源9实现激光器增益的精确控制。增益控制部分4用于精细调控激光器增益，实现对组装脉冲的脉冲个数、排布方式、脉冲间距等方面的人工操控；电控泵浦源9根据控制中心16对脉冲时频信息实时解析的反馈结果精细调整合适的泵浦功率，波分复用器10将两束载有信息、但波长不同的光信号合成一束沿着单根光纤传输，增益光纤11对腔内脉冲进行光放大。
如图3所示，脉冲时频信息表征模块2包括第二光耦合器12、色散介质13，第二光耦合器12输出与色散介质13和第一光电探测器14相连。第二光耦合器12根据一定分光比将激光器输出的超快激光脉冲分成两路，一路脉冲直接与第一光电探测器14相连，将光信号转化为电信号，实现脉冲的时域信息的实时表征，另一路通过色散介质13后与第二光电探测器15相连，色散介质13基于二阶非线性效应——群速度色散对超短脉冲进行线性展宽，将脉冲的实时光谱信息映射到时域之上，得到经时间拉伸后的超短脉冲，通过第二光电探测器15由光信号转化为电信号得到频域信息，进而实现频域信息的实时表征。
脉冲状态解析控制模块3包括第一光电探测器14、第二光电探测器15、控制中心16。第一光电探测器14、第二光电探测器15分别与第二光耦合器12、色散介质13相连，依次用于探测组装脉冲的时域和频域特征。控制中心16与第一光电探测器14、第二光电探测器15连接，控制中心16对探测到的时域以及频域信息进行实时解析，根据时域信息解算出组装脉冲的脉冲强度和脉冲个数等信息，根据频域信息解算出脉冲间距和相对相位等信息。根据组装脉冲的解析结果，同目标脉冲的特征参数进行对比，反馈信号给增益控制部分4，从而精细控制激光器的泵浦能量的增减，实现脉冲能量和脉冲个数的精确操控，结合辅助调控的电控偏振控制器6，精细调控光的偏振态，实现组装脉冲时域分布和内部动态过程的精准人工操控。
本实施例的具体设备与器件：一个电控泵浦源9、一个980/1550nm波分复用器10、一根增益光纤11、一个锁模部分7、一个光隔离器5、一个电控偏振控制器6、第一光耦合器8、第二光耦合器12、一个色散介质13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、一个控制中心16。
锁模激光产生模块1(如图2)，波分复用器10有一个980nm的传输端口和两个1550nm的传输端口，980nm端口连接电控泵浦源9，其中一个1550nm端口连接增益光纤11。此外，光隔离器5、电控偏振控制器6、锁模部分7和第一光耦合器8按图2中的位置依次连接。以上搭建了一个被动锁模光纤激光器，工作时，利用增益控制部分向激光器内注入精细可控的泵浦能量，隔离器保证激光腔的单向运转，增益光纤作为增益介质；采用电控偏振控制器对腔内偏振态进行调节，协助可控的泵浦能量以及锁模部分提供的可饱和吸收效应，在被动锁模光纤激光器中产生可控的组装脉冲，实现实时光谱、脉冲个数、脉冲宽度、时间分布、脉冲能量等脉冲特征参数的精细操控。
脉冲时频信息表征模块2(如图3)，第二光耦合器12将组装脉冲分为两个部分，其中一部分表征组装脉冲的时域特征，另一部分与色散介质13相连，通过时间拉伸方法将组装脉冲的频率光谱信息映射到时域，如下：
其中，ΔT为时间拉伸之后的脉冲宽度，c为真空中的光速，β2z为色散介质中的群速度色散，Δλ为组装脉冲光谱谱宽，λ为组装脉冲中心波长。由此，组装脉冲的实时光谱被映射到了时域脉冲波形上，可以通过实时脉冲波形解算出组装脉冲的时域和频域信息。
脉冲状态解析控制模块3(如图4)，第一光电探测器14用于探测组装脉冲的时域信息，由控制中心16通过电信号的强度解算得到组装脉冲的脉冲强度和脉冲个数等时域信息，实现对组装脉冲瞬态时域特征的精确识别；第二光电探测器15用于探测组装脉冲的实时光谱信息。由于多脉冲的干涉光谱非常复杂，因此需要由控制中心16对复杂干涉光谱进行快速傅里叶变换，得到自相关曲线。以双脉冲为例，表现为三个对称的尖峰，其自相关曲线如下：
其中，I0(ω)为单个脉冲的光谱，τ是指一阶自相关出现相关峰的位置，表示双脉冲间距。第一项为中心尖峰，表示双脉冲光强的叠加，第二项为左侧尖峰，第三项为右侧尖峰。当τ′＝τ时，通过第三项来解算双脉冲的脉冲间距和相对相位。此外，对于更多脉冲的复杂自相关曲线，可以通过尖峰的个数来计算组装多脉冲的脉冲个数。若组装多脉冲等间距分布，那么N个脉冲的自相关曲线则变现为等间距分布的2N-1个尖峰；若是非等间距分布，情况会较为复杂，可通过算法还原组装多脉冲的时域分布。此外，可以从特定的尖峰解算组装脉冲之间的实时间距以及相对相位信息，进而得到组装脉冲的时域分布以及内部动态过程，实现对组装脉冲瞬态频域特征的精确识别。通过与目标脉冲的特征参数进行对比，将判别信号传输到增益控制部分4，反馈控制激光器的泵浦能量的增减，实现脉冲能量和脉冲个数的操控，结合辅助调控的电控偏振控制器6，实现组装脉冲时域分布和内部动态过程的精准人工操控。
基于激光增益控制的脉冲操控方法，通过实时解析组装脉冲的时域和频域特征，反馈控制激光器增益，
第一步，由电控泵浦源9产生激光，第一光耦合器8依据一定的分光比将脉冲分为两部分，一部分进入脉冲时频信息表征模块2进行实时的时频信息解析，另一部分继续留在腔内振荡。
第二步，通过第二光耦合器12，将激光器输出的组装脉冲分为两路，在其中一路加入合适的色散介质13，使得组装脉冲的时域和频域信息能够得到实时的表征。
第三步，通过第一光电探测器14探测组装脉冲的时域信息、第二光电探测器15探测组装脉冲的频域信息，并由控制中心16进行实时解析，当τ′＝τ时，通过解算出的脉冲间距、相对相位、以及脉冲能量差。
第四步，根据解析所得的组装脉冲时频特征，反馈精细控制电控泵浦源9输出的泵浦能量，实现组装脉冲的人工操控，对应不同的应用场景。
本发明的超短脉冲能够长期稳定，能够操控组装脉冲的脉冲数目和排布方式等，对应不同的应用场景。
脉冲在时域上的实时信息可通过光电探测器将光信号转化为电信号，接入示波器进行实时观测；至于频域上的实时信息，可通过时间拉伸的方法对脉冲的实时频域信息进行表征。作为超快激光领域的方法之一，时间拉伸可以突破传统光谱仪采样速率的限制，基于二阶非线性效应——群速度色散，用特定色散介质将一个脉冲的光谱映射到一个强度包络类似光谱的时域波形上，这样就实现了波长-时间转换。这种变换也可以称为色散傅里叶变换，色散介质通常是单模色散光纤、多模光纤、啁啾光纤布拉格光栅、色散补偿光纤等。
通过对被动锁模激光器中产生超快激光脉冲的实时时频信息进行实时观测、解析，并根据解析结果主动、精细地控制激光器的增益，进而实现对脉冲序列的数目、排布方式的人工操控，是一种较为高效的超快激光人工操控方法。其优点在于，超快激光脉冲时频信息的实时解析可以精确反映组装脉冲的当前特征，而精细控制激光器增益作为一种直接控制途径，能够操控组装脉冲的脉冲数目和排布方式等，对应不同的应用场景。本发明基于对激光器当前脉冲时频信息的实时解析，通过对激光器增益进行精细控制，实现组装脉冲的人工操控，在大容量光通信、超快激光传感等领域有很高的应用价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置，锁模激光产生模块(1)、脉冲时频信息表征模块(2)、脉冲状态解析控制模块(3)；锁模激光产生模块(1)包括增益控制部分(4)、光隔离器(5)、电控偏振控制器(6)、锁模部分(7)、第一光耦合器(8)，光隔离器(5)与增益光纤(11)连接，光隔离器(5)、电控偏振控制器(6)、锁模部分(7)、第一光耦合器(8)依次连接，第一光耦合器(8)输出分别与波分复用器(10)和第二光耦合器(12)输入连接；其特征在于：增益控制部分(4)包括电控泵浦源(9)、波分复用器(10)、增益光纤(11)，用于对激光器增益进行精细化的按需控制，波分复用器(10)分别与电控泵浦源(9)、第一光耦合器(8)的输出连接，波分复用器(10)通过增益光纤(11)与光隔离器(5)连接，电控泵浦源(9)输入与控制中心(16)连接，脉冲时频信息表征模块(2)包括第二光耦合器(12)、色散介质(13)，第二光耦合器(12)输出与色散介质(13)和第一光电探测器(14)相连，另一路通过色散介质(13)后与第二光电探测器(15)相连；脉冲状态解析控制模块(3)包括第一光电探测器(14)、第二光电探测器(15)、控制中心(16)，控制中心(16)与第一光电探测器(14)、第二光电探测器(15)连接，控制中心(16)对激光器输出组装脉冲的实时光谱和时域进行同时解析，获得组装脉冲的全场特征，包括脉冲个数、时域排布、相对相位、以及脉冲能量差；控制中心(16)对探测到的组装脉冲时域以及频域信息进行实时解析的具体方法为：当τ′＝τ时，根据解算出脉冲间距、相对相位、以及脉冲能量差，从而精准的获取组装脉冲的全场特征，通过解析组装脉冲精细时域获取组装脉冲的脉冲个数、时域排布、以及脉冲能量信息，电控泵浦源(9)根据控制中心(16)对脉冲时频信息实时解析的反馈结果调整合适的泵浦功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置，其特征在于：锁模部分(7)为可饱和吸收体或者等效可饱和吸收体，结合增益控制部分(4)与电控偏振控制器(6)对组装脉冲进行精准操控。
3.根据权利要求1所述的一种基于锁模激光增益控制的脉冲操控装置，其特征在于：第一光耦合器(8)将组装脉冲分为两部分，一部分进入脉冲时频信息表征模块(2)进行实时的时频信息解析，另一部分继续留在腔内振荡。
4.一种基于激光增益控制的脉冲操控方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，由电控泵浦源(9)产生激光，第一光耦合器(8)依据分光比将脉冲分为两部分，一部分进入脉冲时频信息表征模块(2)进行实时的时频信息解析，另一部分输入波分复用器(10)在腔内振荡；
第二步，通过第二光耦合器(12)，将激光器输出的组装脉冲分为两路，在其中一路加入合适的色散介质(13)，使得组装脉冲的时域和频域信息能够得到实时的表征；
第三步，通过第一光电探测器(14)探测组装脉冲的时域信息、第二光电探测器(15)探测组装脉冲的频域信息，并由控制中心(16)进行实时解析；通过解析组装脉冲精细时域获取组装脉冲的脉冲个数、时域排布、以及脉冲能量信息，通过解析组装脉冲实时光谱得到组装脉冲自相关曲线，当τ′＝τ时，根据解算出脉冲间距、相对相位、以及脉冲能量差，从而精准的获取组装脉冲的全场特征；
第四步，根据解析所得的组装脉冲时频特征，反馈控制电控泵浦源(9)输出的泵浦能量。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光增益控制的脉冲操控方法，其特征在于：组装脉冲时频信息实时表征为：通过使用合适的色散介质(13)将组装脉冲的频域信息映射到时域脉冲包络上：
其中，ΔT为时间拉伸之后的脉冲宽度，c为真空中的光速，β2z为色散介质中的群速度色散，Δλ为组装脉冲光谱谱宽，λ为组装脉冲中心波长；由此，可通过记录脉冲序列的实时包络来反演组装脉冲的实时光谱特性，进而解析出组装脉冲的全场特征，包括脉冲个数、时域排布、相对相位、以及脉冲能量差。
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| CN114122887A (zh) * | 2021-11-14 | 2022-03-01 | 北京工业大学 | 一种智能启动锁模与实时监测控制的全光纤超快激光器 |
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2022
- 2022-09-28 CN CN202211188654.2A patent/CN115632301B/zh active Active
Patent Citations (2)
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