CN116885539A - 生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于激光器领域，涉及生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器及方法，包括：通过光纤熔接方式依次连接的泵浦源、波分复用器、增益光纤、环形器、平行集成光纤光栅、输出耦合器、可饱和吸收体、偏振控制器和单模光纤；单模光纤的输出端尾纤与波分复用器的直通端尾纤熔接，以形成光纤环形激光谐振腔；平行集成光纤光栅用于对增益光纤产生的信号激光进行多通道滤波，生成多波长信号激光；可饱和吸收体用于对输出耦合器直通端输出的多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，生成多波长同步脉冲激光；光纤环形激光谐振腔的净色散为[−0.14ps 2,0.005ps 2]。本申请中的全光纤激光器鲁棒性高，能够高效稳定地生成多波长同步脉冲激光。
Description
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器及一种生成多波长同步脉冲激光的方法。
背景技术
多波长同步脉冲激光是一种不同中心波长的脉冲在时域上严格同步并重叠的激光，在泵浦探测、拉曼显微、光参量放大和超连续谱产生等非线性光学应用具有重要价值。
目前，产生多波长同步脉冲激光的方法有三种：第一种是利用增益介质的双峰型滤波或谐振腔双折射滤波，基于被动锁模技术产生双波长脉冲，并利用色散管理技术将谐振腔净色散调至近零，即使不同中心波长光脉冲间的群延迟差为零，以实现双波长脉冲激光的同步输出；第二种是在具有共享路径的两个被动锁模光纤谐振腔中分别产生不同中心波长的光脉冲，通过严格控制两个谐振腔的腔长差将双波长脉冲的群延迟差控制在最小范围，进一步利用双波长脉冲在共享路径中的交叉相位调制效应实现双波长脉冲的相互捕获而实现同步；第三种是在被动锁模光纤激光器中引入脉冲整形器，通过可编程的频率相位调控引入谱滤波和额外群延迟，补偿谐振腔的固有群延迟，从而实现多波长脉冲的产生和时域同步。但是第一种方法存在滤波技术可控性较低、抗环境敏感性较差的问题，第二种方法存在无法应用于单谐振腔激光器、激光器结构复杂度高、腔长差不易精确控制的问题，第三种方法存在依赖衍射光栅、空间光调制器等器件和设备，导致激光器非全光纤结构、插入损耗大、稳定性不高、应用成本高昂的问题。同时，上述三种方法均需将谐振腔净色散调至近零，才能稳定输出多波长同步脉冲激光。
因此，需要提供一种新的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器及方法。
发明内容
本申请的目的在于提供一种生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器及一种生成多波长同步脉冲激光的方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的滤波技术可控性较低、抗环境敏感性差、无法用于单谐振腔激光器、激光器结构复杂度高、成本高以及需要将谐振腔净色散调至近零等问题。
根据本申请的一个方面，提供一种生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，包括：
通过光纤熔接方式依次连接的泵浦源、波分复用器、增益光纤、环形器、平行集成光纤光栅、输出耦合器、可饱和吸收体、偏振控制器和单模光纤；所述环形器的第一端口尾纤与所述增益光纤的输出端尾纤熔接，第二端口尾纤与所述平行集成光纤光栅的尾纤熔接，第三端口尾纤与所述输出耦合器的输入端尾纤熔接，所述单模光纤的输出端尾纤与所述波分复用器的直通端尾纤熔接，以形成光纤环形激光谐振腔；
其中，所述增益光纤为掺铒光纤；所述平行集成光纤光栅用于对所述增益光纤产生的信号激光进行多通道滤波，以生成多波长信号激光；所述可饱和吸收体用于对所述输出耦合器直通端输出的多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，以生成多波长同步脉冲激光；所述光纤环形激光谐振腔中的净色散大于或等于−0.14ps2且小于或等于0.005ps2。
在本申请的示例性实施例中，所述波分复用器用于将接收到的由所述泵浦源产生的泵浦光和所述单模光纤输出的信号激光传输至所述增益光纤；所述增益光纤用于在所述泵浦光作用下对所述信号激光进行功率放大；所述输出耦合器的直通端尾纤与所述可饱和吸收体的输入端尾纤熔接，用于根据预设输出耦合比将所述多波长信号激光分为所述多波长循环信号激光和多波长输出信号激光，所述多波长输出信号激光通过所述输出耦合器的耦合端输出；所述偏振控制器用于对所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化；所述单模光纤用于对所述光纤环形激光谐振腔的净色散进行调节，以保证所述多波长同步脉冲激光的稳定性。
在本申请的示例性实施例中，所述平行集成光纤光栅是一根具有多个相互平行布拉格光栅的单模光纤，所述布拉格光栅是通过飞秒激光逐点写入法在所述单模光纤的纤芯中刻成的，并且各所述布拉格光栅具有不同的中心波长。
在本申请的示例性实施例中，所述偏振控制器为挤压式光纤偏振控制器或者三环式光纤偏振控制器；所述可饱和吸收体为半导体可饱和吸收体或者具有非线性光学可饱和吸收特性的纳米材料。
根据本申请的一个方面，提供了一种生成多波长同步脉冲激光的方法，应用于上述实施例中的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，包括：
通过所述波分复用器将所述泵浦源产生的泵浦光和所述单模光纤输出的信号光，输入至所述增益光纤；
通过所述增益光纤在所述泵浦光作用下对所述信号光进行功率放大，以生成信号激光；
通过所述环形器将所述信号激光传输至所述平行集成光纤光栅进行多通道滤波，以生成多波长信号激光，并将所述多波长信号激光传输至所述输出耦合器，以使所述输出耦合器根据所述预设输出耦合比将所述多波长信号激光分为多波长循环信号激光和多波长输出信号激光；
通过所述可饱和吸收体对所述多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，以生成多波长同步脉冲激光；
通过所述偏振控制器对所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化，并通过调节所述单模光纤的长度对所述光纤环形激光谐振腔的净色散进行调节，以获取稳定的多波长同步脉冲激光。
在本申请的示例性实施例中，所述平行集成光纤光栅包含第一滤波通道和第二滤波通道，所述第一滤波通道的中心波长与所述第二滤波通道的中心波长不同；所述通过所述环形器将所述信号激光传输至所述平行集成光纤光栅进行多通道滤波，以生成多波长信号激光，包括：
通过所述第一滤波通道和所述第二滤波通道对所述信号激光分别进行滤波，以生成双波长信号激光；
其中，所述双波长信号激光具有所述第一滤波通道的中心波长和所述第二滤波通道的中心波长。
在本申请的示例性实施例中，所述通过所述可饱和吸收体对达到可饱和吸收阈值的所述多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，以生成多波长同步脉冲激光，包括：
对所述双波长信号激光进行被动调Q，以在所述第一中心波长和所述第二中心波长处形成双波长调Q脉冲激光；
通过所述可饱和吸收体中的交叉相位调制和交叉吸收调制作用使所述双波长调Q脉冲相互捕获，以生成所述多波长同步脉冲激光。
在本申请的示例性实施例中，所述偏振控制器为挤压式光纤偏振控制器；所述通过所述偏振控制器对所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化，包括：
通过所述挤压式光纤偏振控制器改变挤压处光纤的形状，以对经过所述挤压式光纤偏振控制器的所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化。
在本申请的示例性实施例中，所述通过调节所述单模光纤的长度对所述光纤环形激光谐振腔的净色散进行调节，以获取稳定的多波长同步脉冲激光，包括：
基于所述增益光纤的长度、群速度色散以及所述单模光纤的群速度色散，对所述单模光纤的长度进行调节，以使所述光纤环形激光谐振腔的净色散大于或等于−0.14ps2且小于或等于0.005ps2。
本申请中的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，包括通过光纤熔接方式依次连接的泵浦源、波分复用器、增益光纤、环形器、平行集成光纤光栅、输出耦合器、可饱和吸收体、偏振控制器和单模光纤；环形器的第一端口尾纤与所述增益光纤的输出端尾纤熔接，第二端口尾纤与平行集成光纤光栅的尾纤熔接，第三端口尾纤与输出耦合器的输入端尾纤熔接，单模光纤的输出端尾纤与所述波分复用器的直通端尾纤熔接，以形成光纤环形激光谐振腔；其中，增益光纤为掺铒光纤；平行集成光纤光栅用于对增益光纤产生的信号激光进行多通道滤波，以生成多波长信号激光；可饱和吸收体用于对所述输出耦合器直通端输出的多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，以生成多波长同步脉冲激光；光纤环形激光谐振腔的净色散大于或等于−0.14ps2且小于或等于0.005ps2。本申请中生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，一方面由于激光器具有全光纤结构，因而具有较好的鲁棒性和抗环境敏感性，进而在生成多波长同步脉冲激光时，能够降低插入损耗、提高稳定性，并且该全光纤激光器无需依赖衍射光栅、空间光调制器等器件和设备，大大降低了激光器制造成本；另一方面本申请中的全光纤激光器是单谐振腔激光器，因此无需精准控制腔长，并且降低了激光器结构的复杂度；再一方面，本申请首次提出了将平行集成光纤光栅应用于多波长同步脉冲激光的生成，全光纤激光器中的平行集成光纤光栅能够对增益光纤产生的信号激光进行多通道滤波形成多波长信号激光，可饱和吸收体能够对多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，从而生成多波长同步脉冲激光，因此本申请中的全光纤激光器具有较高的滤波技术可控性，并且能够高效生成多波长同步脉冲激光；更重要的是，相对于现有技术方法，本申请中的方法不需要将光纤环形激光谐振腔的净色散调至近零，在大负色散时也可生成同步脉冲激光，只需保证谐振腔净色散在一定范围内即可生成多波长同步脉冲激光。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请中生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器的结构示意图。
图2A示出了本申请中包含两个布拉格光栅的平行集成光纤光栅的三维结构示意图。
图2B示出了本申请中包含两个布拉格光栅的平行集成光纤光栅的二维结构示意图。
图2C示出了本申请中包含两个布拉格光栅的平行集成光纤光栅的二维结构示意图。
图3示出了本申请中包含双滤波通道的平行集成光纤光栅的反射光谱。
图4示出了本申请中双波长调Q脉冲激光在可饱和吸收体的交叉相位调制和交叉吸收调制作用下相互捕获而形成同步脉冲的机制和过程示意图。
图5示出了本申请中生成多波长同步脉冲激光的方法的流程示意图。
图6示出了本申请中双波长调Q脉冲激光的光谱图。
图7示出了本申请中双波长同步调Q脉冲激光以及采用可调谐滤波器对双波长同步调Q脉冲激光进行输出后滤波得到的单波长调Q脉冲激光的脉冲序列。
图8示出了本申请中双波长同步调Q脉冲激光以及滤波后单波长调Q脉冲激光的脉冲形状和脉冲宽度。
图9示出了本申请中双波长同步调Q脉冲激光以及滤波后单波长调Q脉冲激光的射频频谱图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本申请的各方面变得模糊。
此外，附图仅为本申请的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
多波长同步脉冲激光对于非线性光学应用具有重要的价值，然而，由于光纤激光器中存在谐振腔色散，具有不同中心波长的多波长脉冲信号光的群速度不同，使得多波长脉冲信号光在谐振腔内传输一圈的群延迟不同，进而导致多波长脉冲信号光在谐振腔内异步传输并周期性碰撞，无法在时域同步叠加形成稳定的多波长同步脉冲激光。为了使不同中心波长的脉冲信号光在谐振腔内同步叠加并运转，需要对谐振腔色散进行控制，补偿群延迟。另外由于增益竞争，光纤激光器中多波长脉冲激光的产生也是一项挑战。
在本申请的相关技术中，有三种生成双波长脉冲激光的方法，第一种是利用增益介质的双峰型滤波或谐振腔双折射滤波，基于被动锁模技术产生双波长脉冲，并利用色散管理技术将谐振腔净色散调至近零，即使不同中心波长光脉冲间的群延迟差为零，以实现双波长脉冲激光的同步输出；第二种是在具有共享路径的两个被动锁模光纤谐振腔中分别产生不同中心波长的光脉冲，通过严格控制两个谐振腔的腔长差将双波长脉冲的群延迟差控制在最小范围，进一步利用双波长脉冲在共享路径中的交叉相位调制效应实现双波长脉冲的相互捕获而实现同步；第三种是在被动锁模光纤激光器中引入脉冲整形器，通过可编程的频率相位调控引入谱滤波和额外群延迟，补偿谐振腔的固有群延迟，从而实现多波长脉冲的产生和时域同步。
但是，这三种方法都存在相应地弊端，第一种方法存在滤波技术可控性较低、抗环境敏感性较差的问题，第二种方法存在无法应用于单谐振腔激光器、激光器结构复杂度高、腔长差不易精确控制的问题，第三种方法存在依赖于衍射光栅、空间光调制器等器件和设备，导致激光器存在非全光纤结构、插入损耗大、稳定性不高、应用成本高昂的问题。此外，三种方法均需将光纤激光谐振腔的净色散调至近零，在本领域中，通常将色散绝对值小于或等于0.01ps2的范围定义为近零。
针对相关技术中存在的问题，本申请提供了一种生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器及方法，在对本申请中的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器及方法进行详细说明之前，首先对本申请中涉及的技术名词进行解释说明：
1. 调Q：在激光器中，Q因子或品质因子是评定激光谐振腔质量好坏的指标，其定义为在激光谐振腔内储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。调Q技术是将一般输出的连续激光压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率提升几个数量级的一种技术，可以获得高峰值功率、窄脉宽的脉冲激光。
2. 被动调Q：在激光器谐振腔内设置可饱和吸收体材料或器件，利用其非线性光学可饱和吸收效应周期性地自动控制谐振腔的损耗，来获得脉冲激光的技术。
3. 多波长同步脉冲激光：是指一种不同中心波长脉冲时域上严格同步并重叠的激光。
4. 平行集成光纤光栅：是在单模光纤纤芯中利用飞秒激光逐点写入法刻写多个相互平行的布拉格光栅而制成的多通道反射式滤波器件。
5. 可饱和吸收体：是一种利用材料的非线性光学可饱和吸收效应而制成的光学器件，其透过率与光脉冲的强度呈非线性正相关。
6. 交叉相位调制：是由于非线性介质中两束光之间相互作用而导致光信号相位变化的效应，两束激光在时域上交叠通过非线性介质时会发生交叉相位调制。
7. 交叉吸收调制：是由于非线性介质中两束光之间相互作用而导致介质吸收变化的效应，两束激光在时域上交叠通过非线性介质时会发生交叉吸收调制。
接下来对本申请中的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器进行详细说明。
图1示出了生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器的结构示意图，如图1所示，全光纤激光器包括通过光纤熔接方式依次连接的泵浦源101、波分复用器102、增益光纤103、环形器104、平行集成光纤光栅105、输出耦合器106、可饱和吸收体107、偏振控制器108和单模光纤109。其中，单模光纤109的输出端尾纤与波分复用器102的直通端尾纤熔接，使得泵浦源101、波分复用器102、增益光纤103、环形器104、平行集成光纤光栅105、输出耦合器106、可饱和吸收体107、偏振控制器108和单模光纤109构成一光纤环形激光谐振腔。
在本申请的示例性实施例中，泵浦源101的输出端尾纤与波分复用器102的直通端尾纤熔接，用于产生泵浦光，并将泵浦光传输至波分复用器102中。该泵浦光可以对增益光纤进行泵浦，以将增益光纤中处于低能态的粒子激发到高能态，为生成多波长同步脉冲激光奠定基础。在本申请的实施例中，泵浦源的类型根据增益光纤类型的不同而不同，例如当增益光纤为掺铒光纤或者掺镱光纤时，可以采用980nm波段的半导体激光器作为泵浦源，当增益光纤为掺铥光纤时，可以采用1550nm波段的半导体激光器作为泵浦源，由于本申请中的增益光纤为掺铒光纤，因此采用980nm波段的半导体激光器作为泵浦源101。
在本申请的示例性实施例中，波分复用器102的直通端尾纤还与单模光纤109的输出端尾纤熔接，因此可以同时接收并传输泵浦源101产生的泵浦光和单模光纤109输出的信号光，在本申请的实施例中，在选择波分复用器时，可以根据泵浦光的中心波长和信号光的中心波长选择相应型号的波分复用器，其中单模光纤109输出的信号光的中心波长位于增益光纤103的自发辐射带宽内，在本申请的实施例中，增益光纤为1550nm波段的掺铒光纤，并且泵浦光的中心波长为980nm，因而波分复用器102可以采用980/1550nm的波分复用器。
在本申请的示例性实施例中，增益光纤103的输入端尾纤与波分复用器102的公共端尾纤熔接，用于接收波分复用器102传输的泵浦光和信号光，在泵浦光作用下增益光纤发生粒子数反转，信号光诱导受激辐射发生，信号光被放大以生成中心波长位于增益光纤增益带宽内的信号激光。在本申请的实施例中，增益光纤103为掺铒光纤。
在本申请的示例性实施例中，环形器104具有三个端口，如图1所示，三个端口分别为第一端口A、第二端口B和第三端口C，具体地，第一端口A的尾纤与增益光纤103的输出端尾纤熔接，第二端口B的尾纤与平行集成光纤光栅105的尾纤熔接，第三端口C的尾纤与输出耦合器的输入端尾纤熔接，环形器104中信号激光的传输路径为：通过第一端口A接收增益光纤103产生的信号激光，将该信号激光通过第二端口B发送至平行集成光纤光栅105，以使平行集成光纤光栅105对信号激光进行多通道滤波，生成多波长信号激光，该多波长信号激光经第二端口B进入环形器104，并通过第三端口C输出至输出耦合器106的输入端。
在本申请的示例性实施例中，平行集成光纤光栅105为一根具有多个相互平行布拉格光栅的单模光纤，该布拉格光栅是采用飞秒激光逐点写入法在单模光纤的纤芯中刻成的，并且布拉格光栅的数量可以根据实际需要设置，例如可以设置为两个、三个等等，这些相互平行的布拉格光栅具有不同的中心波长，通过具有不同中心波长的布拉格光栅对信号激光进行滤波，能够得到具有不同中心波长的多波长信号激光。在本申请的实施例中，布拉格光栅对应的中心波长为增益带宽范围内的波长，例如当增益光纤采用的是1550nm波段的掺铒光纤时，其所对应的增益带宽范围为1530~1570nm，那么可以在该增益带宽范围中选择多个波长作为不同布拉格光栅的中心波长。
图2A-2C示意性示出了包含两个布拉格光栅的平行集成光纤光栅的结构示意图，其中，图2A示意性示出了沿着单模光纤方向，在光纤纤芯上刻有两个相互平行的布拉格光栅FBG1和FBG2的三维结构示意图；图2B示意性示出了沿着单模光纤的侧剖面，在光纤纤芯上刻有两个布拉格光栅FBG1和FBG2的二维结构示意图；图2C示意性示出了沿着单模光纤的横截面，在光纤纤芯上刻有两个布拉格光栅FBG1和FBG2的二维结构示意图。
继续以采用1550nm波段的掺铒光纤作为增益光纤为例，在形成包含双滤波通道的平行集成光纤光栅时，可以从1530~1570nm范围中选择1550.1nm和1557.9nm作为两个布拉格光栅FBG1和FBG2的中心波长，图3示出了包含双滤波通道的平行集成光纤光栅的反射光谱，如图3所示，平行集成光纤光栅的反射光谱中具有两个中心波长λ1和λ2，其中，λ1=1550.1nm、反射率为16%，λ2=1557.9nm、反射率为12%，分别对应于FBG1和FBG2。
由于信号激光进入平行集成光纤光栅105后，同时输出多个不同中心波长的信号激光，因此本申请实施例中的平行集成光纤光栅为全光纤激光器既提供了多波长谐振条件，又确保了多波长信号激光在相同的几何路径中传输，相对于多谐振腔激光器而言，无需考虑腔长差对群延迟差的影响，进而降低了激光器结构的复杂性，提高了生成多波长同步脉冲激光的效率和稳定性。
在本申请的示例性实施例中，输出耦合器106能够根据预设输出耦合比将多波长信号激光分为多波长循环信号激光和多波长输出信号激光，其中预设输出耦合比为输出功率与循环功率之比，根据预设输出耦合比可以将多波长信号激光中的一部分分离出来作为多波长输出信号激光，用于测量和应用，将剩余的信号激光作为多波长循环信号激光，用于留在光纤环形激光谐振腔中维持激光运转。在输出耦合器106中，可以设置不同输出耦合比的输出端口以输出多波长循环信号激光和多波长输出信号激光，如图1所示，输出耦合器106具有两个输出端口P1和P2，其中直通端口P1的尾纤与可饱和吸收体107的输入端尾纤熔接，用于将多波长循环信号激光传输至可饱和吸收体中，耦合端口P2的尾纤用于将多波长输出信号激光输出。在本申请的实施例中，预设输出耦合比可以根据泵浦源的补偿能力进行具体设置，当泵浦源的补偿能力较高时，可以将输出功率占比提高，例如将预设输出耦合比设置为50:50、60:40、70:30，等等，当泵浦源的补偿能力较低时，则可以将循环功率占比提高，例如将预设输出耦合比设置为10:90、20:80、30:70，等等。
在本申请的示例性实施例中，可饱和吸收体107在接收到多波长循环信号激光后，可饱和吸收体的非线性光学可饱和吸收效应对多波长循环信号激光进行被动调Q调制，在多波长循环信号激光对应的中心波长处形成多波长调Q脉冲振荡，使全光纤激光器工作在被动调Q脉冲运转状态。由于多波长调Q脉冲在激光谐振腔内循环一圈的群延迟差远小于调Q脉冲的宽度，因此多波长调Q脉冲在腔内循环时会在可饱和吸收体的交叉相位调制和交叉吸收调制作用下相互捕获，实现时域同步并重叠，从而生成多波长同步脉冲激光。
以多波长循环信号激光为双波长调Q脉冲信号激光为例，图4示意性示出了双波长调Q脉冲信号激光在可饱和吸收体的交叉相位调制和交叉吸收调制作用下相互捕获而形成同步脉冲的机制和过程示意图，如图4所示，双波长调Q脉冲信号激光包含具有第一中心波长λ1的第一脉冲信号激光（λ1脉冲）和具有第二中心波长λ2的第二脉冲信号激光（λ2脉冲），由于双波长调Q脉冲信号激光在全光纤激光器的激光谐振腔中循环一圈的群延迟差Δt是ps量级的，远小于ns~μs量级的调Q脉冲的宽度Δτ，因此双波长调Q脉冲信号激光在激光谐振腔内循环时会在可饱和吸收体中发生交叉相位调制和交叉吸收调制而相互捕获，实现时域同步和重叠，进而生成双波长同步脉冲，该双波长同步脉冲为双波长单脉冲形态。
在本申请的示例性实施例中，可饱和吸收体107可以是半导体可饱和吸收体或者具有非线性光学可饱和吸收特性的纳米材料，其中，半导体可饱和吸收体可以是透射式半导体可饱和吸收体或者反射式半导体可饱和吸收体，具有非线性光学可饱和吸收特性的纳米材料例如可以是碳纳米管基薄膜、石墨烯基薄膜，还可以是其它具有非线性光学可饱和吸收特性的二维材料所制成的薄膜，等等，本申请实施例对此不作具体限定。
在本申请的示例性实施例中，偏振控制器108的输入端尾纤与可饱和吸收体107的输出端尾纤熔接，用于在接收到多波长同步脉冲激光后，对多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化，在本申请的实施例中，偏振控制器108可以是挤压式光纤偏振控制器或者三环式光纤偏振控制器，当偏振控制器108为挤压式光纤偏振控制器时，可以通过挤压光纤的方式改变挤压处光纤的形状，进而实现对经过偏振控制器108的多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗的优化，例如常规光纤的截面为圆形，通过对光纤进行挤压，可以将截面挤压为椭圆形，使得经过的多波长同步脉冲激光的偏振态发生改变，并且增大了多波长同步脉冲激光的损耗；当偏振控制器108为三环式光纤偏振控制器时，可以通过改变光纤的形状对经过偏振控制器108的多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化。
在本申请的示例性实施例中，单模光纤109的输入端尾纤与偏振控制器108的输出端尾纤熔接，用于对光纤环形激光谐振腔的净色散进行调节，以保证多波长同步脉冲激光的稳定性。在本申请的实施例中，可以通过调节单模光纤109的长度实现对光纤环形激光谐振腔净色散的调节，由于净色散除了与单模光纤109的长度和群速度色散相关，还与增益光纤103的长度和群速度色散相关，因此对于不同长度的增益光纤103，所采用的单模光纤的长度存在不同，但在本申请的实施例中，无论如何调节单模光纤109的长度，只需保证光纤环形激光谐振腔的净色散大于或等于−0.14ps2且小于或等于0.005ps2即可。
值得说明的是，多波长同步脉冲激光需要在基于全光纤激光器所构建的光纤环形激光谐振腔中进行多次循环振荡后才能生成，并不是在全光纤激光器启动时就能实时生成的。虽然需要经过多轮循环振荡才能生成多波长同步脉冲激光，但是这个耗时仅是微秒至毫秒级，对于多波长同步脉冲激光的实际应用不会产生影响。
本申请中的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，从构成形式上来说是一个光纤环形激光谐振腔，该光纤环形激光谐振腔，一方面具有结构简单、光学器件获取方便、制造成本和维护成本低的特点，另一方面，该光纤环形激光谐振腔是由全光纤构成的，鲁棒性高、插入损耗小，再一方面，全光纤激光器中采用平行集成光纤光栅进行多通道滤波，提升了滤波技术的可控性，同时本申请中的全光纤激光器还实现了在单谐振腔激光器中生成多波长同步脉冲激光，并且无需将光纤环形谐振腔的净色散调至近零，只需保持在[−0.14ps2,0.005ps2]范围内即可。
本申请还提供了一种生成多波长同步脉冲激光的方法，该方法是基于上述实施例中的全光纤激光器实现的，图5示出了该方法的流程示意图，如图5所示：
步骤S510，通过所述波分复用器将所述泵浦源产生的泵浦光和所述单模光纤输出的信号光，输入至所述增益光纤；
步骤S520，通过所述增益光纤在所述泵浦光作用下对所述信号光进行功率放大，以生成信号激光；
步骤S530，通过所述环形器将所述信号激光传输至所述平行集成光纤光栅进行多通道滤波，以生成多波长信号激光，并将所述多波长信号激光传输至所述输出耦合器，以使所述输出耦合器根据所述预设输出耦合比将所述多波长信号激光分为多波长循环信号激光和多波长输出信号激光；
步骤S540，通过所述可饱和吸收体对达到可饱和吸收阈值的所述多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，以生成多波长同步脉冲激光；
步骤S550，通过所述偏振控制器对所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化，并通过调节所述单模光纤的长度对所述光纤环形激光谐振腔的净色散进行调节，以获取稳定的多波长同步脉冲激光。
接下来，基于图1所示的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器的结构示意图，对本申请实施例中生成多波长同步脉冲激光的方法进行详细说明。
在步骤S510中，通过所述波分复用器将所述泵浦源产生的泵浦光和所述单模光纤输出的信号光，输入至所述增益光纤。
在本申请的示例性实施例中，当启动全光纤激光器时，泵浦源产生的泵浦光进入波分复用器，输入至增益光纤产生信号光，并沿着光纤环形激光谐振腔传输。当全光纤激光器运行一圈后，单模光纤输出的信号光和泵浦源生成的泵浦光同时进入波分复用器，并被传输至增益光纤中。
在步骤S520中，通过所述增益光纤在所述泵浦光作用下对所述信号光进行功率放大，以生成信号激光。
在本申请的示例性实施例中，增益光纤接收到泵浦光和信号光后，发生受激辐射光放大，产生信号激光。值得说明的是，该信号激光可能是连续信号激光，也可能是脉冲信号激光，取决于增益光纤所接收的信号光的类型，而信号光的类型则取决于上一轮输入至可饱和吸收体的信号激光的强度是否达到可饱和吸收阈值。若上一轮到达可饱和吸收体的信号激光的强度达到可饱和吸收阈值，则由单模光纤输出的信号光为脉冲信号光，进而增益光纤在泵浦光作用下对信号光进行功率放大，可以生成脉冲信号激光，若上一轮到达可饱和吸收体的信号激光的强度未达到可饱和吸收阈值，则由单模光纤输出的信号光为连续信号光，进而增益光纤在泵浦光作用下对信号光进行功率放大，生成的是连续信号激光。
在步骤S530中，通过所述环形器将所述信号激光传输至所述平行集成光纤光栅进行多通道滤波，以生成多波长信号激光，并将所述多波长信号激光传输至所述输出耦合器，以使所述输出耦合器根据所述预设输出耦合比将所述多波长信号激光分为多波长循环信号激光和多波长输出信号激光。
在本申请的示例性实施例中，增益光纤生成信号激光后，将信号激光通过环形器的第一端口尾纤输入至环形器，环形器将该信号激光通过第二端口尾纤输出至平行集成光纤光栅，平行集成光纤光栅的纤芯中设置有多个对应不同中心波长的布拉格光栅，能够对信号激光进行多通道滤波，生成多波长信号激光，接着平行集成光纤光栅将多波长信号激光通过第二端口尾纤输入至环形器，环形器将其通过第三端口尾纤输入至输出耦合器。
在本申请的示例性实施例中，输出耦合器接收到多波长信号激光后，能够根据预设输出耦合比将多波长信号激光分为多波长循环信号激光和多波长输出信号激光，其中多波长循环信号激光用于在谐振腔内维持激光运行，多波长输出信号激光用于输出，进行应用和测量。
在步骤S540中，通过所述可饱和吸收体对达到可饱和吸收阈值的所述多波长循环信号光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，以生成多波长同步脉冲激光。
在本申请的示例性实施例中，输出耦合器将多波长循环信号激光输出至可饱和吸收体，当多波长循环信号激光的强度达到可饱和吸收体的可饱和吸收阈值时，可饱和吸收体在非线性光学可饱和吸收效应作用下，对多波长循环信号激光进行被动调Q调制，以在多波长循环信号激光对应的不同中心波长处生成多波长调Q脉冲振荡。由于多波长调Q脉冲在激光谐振腔内循环一圈的群延迟差远小于调Q脉冲的宽度，因此多波长调Q脉冲在谐振腔内循环时会在可饱和吸收体的交叉相位调制和交叉吸收调制作用下相互捕获，实现时域同步和重叠，形成多波长同步脉冲激光。
在步骤S550中，通过所述偏振控制器对所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化，并通过调节所述单模光纤的长度对所述光纤环形激光谐振腔的净色散进行调节，以获取稳定的多波长同步脉冲激光。
在本申请的示例性实施例中，可饱和吸收体生成多波长同步脉冲激光后，将其传输至偏振控制器，该偏振控制器具体可以是挤压式光纤偏振控制器或者三环式光纤偏振控制器，当采用挤压式光纤偏振控制器时，通过对光纤进行挤压改变挤压处光纤的形状，以改变多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗，使全光纤激光器工作在最佳状态，当采用三环式光纤偏振控制器时，通过对光纤形状进行改变，以改变多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗，使全光纤激光器工作在最佳状态。
在本申请的示例性实施例中，为了获取稳定的多波长同步脉冲激光，还需要可以对激光谐振腔的净色散进行控制。激光谐振腔内的净色散与增益光纤的长度、群速度色散和单模光纤的长度、群速度色散相关，因此在选定增益光纤的种类和长度的情况下，只需通过调节单模光纤的长度，即可实现对激光谐振腔净色散的调节。在本申请的实施例中，增益光纤为掺铒光纤，为了保证多波长同步脉冲激光的稳定性，基于增益光纤的长度、群速度色散以及单模光纤的群速度色散，可以对单模光纤的长度进行调节，将光纤环形激光谐振腔的净色散保持在大于或等于−0.14ps2且小于或等于0.005ps2的范围内。具体理由如下：
以生成双波长同步脉冲激光为例，掺铒光纤的长度L1=3.5m、群速度色散β1=0.0213ps2/m，单模光纤长度L2=10m、群速度色散β2=−0.0217ps2/m，因此激光谐振腔的净色散为L1*β1+L2*β2=−0.14ps2，经实验发现，在该单模光纤的长度和负色散情况下，双波长调Q脉冲激光只要产生即为同步状态，对单模光纤的长度进行改变，将激光谐振腔的净色散调整至0.005ps2的过程中，双波长脉冲激光总会产生即同步，因此对于以掺铒光纤为增益光纤的全光纤激光器，可以将谐振腔净色散的取值范围设置为[−0.14ps2,0.005ps2]。
为了使本申请的技术方案更清晰，接下来以生成双波长同步脉冲激光为例，对本申请中生成多波长同步脉冲激光的方法进行说明。
生成双波长同步脉冲激光的全光纤激光器中，泵浦源采用中心波长为976nm的半导体激光器、波分复用器采用980/1550nm波分复用器、增益光纤采用1550nm波段的掺铒光纤、平行集成光纤光栅中的双滤波通道对应的反射谱中心波长分别为1550.1nm和1557.9nm、输出耦合器的输出耦合比（输出功率：循环功率）为10：90、可饱和吸收体为碳纳米管基复合物薄膜、偏振控制器为挤压式光纤偏振控制器、单模光纤和所有器件的尾纤均为1550nm波段的标准单模光纤。
基于该生成双波长同步脉冲激光的全光纤激光器，可以通过以下流程生成双波长同步脉冲激光：
首先，通过波分复用器将泵浦源生成的976nm泵浦光和上一轮单模光纤输出的1550nm波段信号光输入至掺铒光纤，在掺铒光纤中发生受激辐射光放大，生成1550nm波段的信号激光；
接着，将信号激光通过环形器的第一端口输入至环形器，接着通过环形器的第二端口将信号激光输入至平行集成光纤光栅进行双通道滤波，生成包含中心波长为1550.1nm和1557.9nm的双波长信号激光；
紧接着，将双波长信号激光通过环形器的第三端口输入至输出耦合器，根据10：90的输出耦合比对双波长信号激光进行分离，生成双波长循环信号激光和双波长输出信号激光，并将双波长输出信号激光通过输出耦合器的耦合端输出，将双波长循环信号激光通过输出耦合器的直通端输入至碳纳米管基复合物薄膜制成的可饱和吸收体中；
然后，在碳纳米管基复合物薄膜的非线性光学可饱和吸收效应作用下，在中心波长1550.1nm和1557.9nm处形成双波长调Q脉冲振荡，由于双波长调Q脉冲在光纤环形激光谐振腔内循环一圈的群延迟差远小于调Q脉冲的宽度，因此双波长调Q脉冲在激光谐振腔内循环时会在可饱和吸收体中因交叉相位调制和交叉吸收调制作用而相互捕获，实现时域同步并重叠，从而生成双波长同步脉冲激光。最后，通过挤压式光纤偏振控制器对光纤进行挤压改变挤压处光纤的形状，以优化双波长同步脉冲激光的偏振态和损耗，并将优化后的双波长同步脉冲激光输出至单模光纤，进而输出至波分复用器中，用于进行下一轮的双波长同步脉冲激光的生成和输出。
图6示出了双波长调Q脉冲激光的光谱图，如图6所示，在光谱图中显示有两个峰值，第一个峰值对应的波长为λ1=1550.1nm，第二个峰值对应的波长为λ2=1557.9nm，这与平行集成光栅光纤中设置的两个布拉格光栅的反射光谱中心波长相同，说明本申请实施例中的平行集成光栅光纤将输入的1550nm的信号激光转换为了两个波长分别为1550.1nm和1557.9nm的信号激光，在双波长同步脉冲激光的产生中起到了决定性作用。
图7示出了双波长同步调Q脉冲激光以及采用可调谐滤波器对双波长同步调Q脉冲激光进行输出后滤波得到的单波长调Q脉冲激光的脉冲序列，如图7中的（λ1+λ2）脉冲序列所示，全光纤激光器处于稳定的单脉冲运转状态，脉冲序列中相邻两脉冲之间的时间间隔为31.4μs，表明中心波长为λ1的调Q脉冲和中心波长为λ2的调Q脉冲在时域上是完全同步且重叠的；同时，如图7中的λ1脉冲序列和λ2脉冲序列所示，中心波长为λ1的单波长调Q脉冲激光的脉冲序列和中心波长为λ2的单波长调Q脉冲激光的脉冲序列中，相邻两脉冲之间的时间间隔也均为31.4μs，这也说明了构成双波长同步脉冲激光的两个单波长调Q脉冲激光是完全同步且重叠的。
图8示出了双波长同步调Q脉冲激光以及滤波后单波长调Q脉冲激光的脉冲形状和脉冲宽度，如图8所示，中心波长为λ1的单波长调Q脉冲激光和中心波长为λ2的单波长调Q脉冲激光的脉冲宽度Δτ均为2.7μs，相对于双波长的群延迟差Δt约为0.9ps而言，满足Δt＜＜Δτ，因此双波长调Q脉冲激光在光纤环形激光谐振腔内运转时因在可饱和吸收体内发生交叉相位调制和交叉吸收调制而相互捕获，形成具有单脉冲形态的双波长同步脉冲激光，其脉冲宽度为3.2μs。
双波长调Q脉冲激光的同步且重叠不仅体现在激光脉冲序列的时序图上，还体现在激光脉冲序列的频谱图上。
图9示出了双波长同步调Q脉冲激光以及滤波后单波长调Q脉冲激光的射频频谱图，如图9所示，双波长同步调Q脉冲激光、中心波长为λ1的单波长调Q脉冲激光和中心波长为λ2的单波长调Q脉冲激光的基频均为31.8kHz，区别仅在于信噪比不同，双波长同步脉冲激光的信噪比为34dB，中心波长为λ1的调Q脉冲的信噪比为25dB，中心波长为λ2的调Q脉冲的信噪比为26dB，这也说明了双波长同步脉冲激光中的两个调Q脉冲是完全同步且重叠的。
上述实施例中以生成双波长同步脉冲激光为例对本申请中生成多波长同步脉冲激光的方法进行了说明，当然在本申请的实施例中，还可以采用该全光纤激光器生成三波长同步脉冲激光、四波长同步脉冲激光，等等，只需要对平行集成光纤光栅中布拉格光栅的数量和各个布拉格光栅的中心波长进行适应性改变，同时根据增益光纤的类型对其它单模光纤及光纤器件进行改变即可，本申请实施例在此不再赘述。
本申请中生成多波长同步脉冲激光的方法，能够通过改变平行集成光纤光栅中布拉格光栅的数量和中心波长实现在单激光器谐振腔内生成多波长信号激光，使得该方法具有较高的滤波技术可控性，同时结合可饱和吸收体的被动调Q技术、交叉相位调制和交叉吸收调制效应，实现多波长调Q脉冲激光在激光器谐振腔内自动同步与重叠，并且本申请无需考虑腔长差，也不用将光纤环形激光谐振腔的净色散控制近零，在大负色散也可生成同步脉冲激光，只需控制在[−0.14ps2, 0.005ps2]即可实现多波长同步脉冲激光的生成，因而基于本申请中的全光纤激光器实现该方法，能够提高生成的多波长同步脉冲激光的稳定性、降低生成多波长同步脉冲激光的成本。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其他实施例。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。
Claims (9)
1.一种生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，其特征在于，包括：
通过光纤熔接方式依次连接的泵浦源、波分复用器、增益光纤、环形器、平行集成光纤光栅、输出耦合器、可饱和吸收体、偏振控制器和单模光纤；所述环形器的第一端口尾纤与所述增益光纤的输出端尾纤熔接，第二端口尾纤与所述平行集成光纤光栅的尾纤熔接，第三端口尾纤与所述输出耦合器的输入端尾纤熔接，所述单模光纤的输出端尾纤与所述波分复用器的直通端尾纤熔接，以形成光纤环形激光谐振腔；
其中，所述增益光纤为掺铒光纤；所述平行集成光纤光栅用于对所述增益光纤产生的信号激光进行多通道滤波，以生成多波长信号激光；所述可饱和吸收体用于对所述输出耦合器直通端输出的多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，以生成多波长同步脉冲激光；所述光纤环形激光谐振腔的净色散大于或等于−0.14ps2且小于或等于0.005ps2。
2.根据权利要求1所述的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，其特征在于：
所述波分复用器用于将接收到的由所述泵浦源产生的泵浦光和所述单模光纤输出的信号激光传输至所述增益光纤；
所述增益光纤用于在所述泵浦光作用下对所述信号激光进行功率放大；
所述输出耦合器的直通端尾纤与所述可饱和吸收体的输入端尾纤熔接，用于根据预设输出耦合比将所述多波长信号激光分为所述多波长循环信号激光和多波长输出信号激光，所述多波长输出信号激光通过所述输出耦合器的耦合端输出；
所述偏振控制器用于对所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化；
所述单模光纤用于对所述光纤环形激光谐振腔的净色散进行调节，以保证所述多波长同步脉冲激光的稳定性。
3.根据权利要求1或2所述的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，其特征在于：
所述平行集成光纤光栅是一根具有多个相互平行布拉格光栅的单模光纤，所述布拉格光栅是通过飞秒激光逐点写入法在所述单模光纤的纤芯中刻成的，并且各所述布拉格光栅具有不同的中心波长。
4.根据权利要求1或2所述的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，其特征在于：
所述偏振控制器为挤压式光纤偏振控制器或者三环式光纤偏振控制器；
所述可饱和吸收体为半导体可饱和吸收体或者具有非线性光学可饱和吸收特性的纳米材料。
5.一种生成多波长同步脉冲激光的方法，应用于如权利要求1-4任一项所述的生成多波长同步脉冲激光的全光纤激光器，其特征在于，包括：
通过所述波分复用器将所述泵浦源产生的泵浦光和所述单模光纤输出的信号光，输入至所述增益光纤；
通过所述增益光纤在所述泵浦光作用下对所述信号光进行功率放大，以生成信号激光；
通过所述环形器将所述信号激光传输至所述平行集成光纤光栅进行多通道滤波，以生成多波长信号激光，并将所述多波长信号激光传输至所述输出耦合器，以使所述输出耦合器根据所述预设输出耦合比将所述多波长信号激光分为多波长循环信号激光和多波长输出信号激光；
通过所述可饱和吸收体对达到可饱和吸收阈值的所述多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，以生成多波长同步脉冲激光；
通过所述偏振控制器对所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化，并通过调节所述单模光纤的长度对所述光纤环形激光谐振腔的净色散进行调节，以获取稳定的多波长同步脉冲激光。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述平行集成光纤光栅包含第一滤波通道和第二滤波通道，所述第一滤波通道的中心波长与所述第二滤波通道的中心波长不同；
所述通过所述环形器将所述信号激光传输至所述平行集成光纤光栅进行多通道滤波，以生成多波长信号激光，包括：
通过所述第一滤波通道和所述第二滤波通道对所述信号激光分别进行滤波，以生成双波长信号激光；
其中，所述双波长信号激光具有所述第一滤波通道对应的第一中心波长和所述第二滤波通道对应的第二中心波长。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过所述可饱和吸收体对达到可饱和吸收阈值的所述多波长循环信号激光进行被动调Q调制、交叉相位调制和交叉吸收调制，以生成多波长同步脉冲激光，包括：
对所述双波长信号激光进行被动调Q，以在所述第一中心波长和所述第二中心波长处形成双波长调Q脉冲激光；
通过所述可饱和吸收体中的交叉相位调制和交叉吸收调制作用使所述双波长调Q脉冲激光相互捕获，以生成所述多波长同步脉冲激光。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述偏振控制器为挤压式光纤偏振控制器；
所述通过所述偏振控制器对所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化，包括：
通过所述挤压式光纤偏振控制器改变挤压处光纤的形状，以对经过所述挤压式光纤偏振控制器的所述多波长同步脉冲激光的偏振态和损耗进行优化。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述通过调节所述单模光纤的长度对所述光纤环形激光谐振腔的净色散进行调节，以获取稳定的多波长同步脉冲激光，包括：
基于所述增益光纤的长度、群速度色散以及所述单模光纤的群速度色散，对所述单模光纤的长度进行调节，以使所述光纤环形激光谐振腔的净色散大于或等于−0.14ps2且小于或等于0.005ps2。
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