CN1272233A - 波长扫描激光器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及波长扫描激光器和生成激光输出的方法。根据本发明一个实施例的波长扫描脉冲激光器使用自然锁模产生中心波长连续地随时间变化脉冲输出。反之,根据本发明另一实施例的波长扫描激光器则是通过将滤波器频率变化速度调节到频率移位器的频率移位速度以扼制锁模来产生连续输出。本发明激光器可以应用于光学感测或WDM光学通讯领域。

Description

波长扫描激光器及其操作方法
所属技术领域
本发明涉及一种激光器及其操作方法，尤其是关于一种能产生带有随时间不断变化中心波长的短脉冲输出的波长扫描激光器、以及生成这种波长扫描激光脉冲的方法。
本发明还涉及生成连续输出的波长扫描激光器、以及生成这种波长扫描激光的方法。
背景技术
波长扫描激光器是一种波长随时间不断变化的光源。要产生这种波长扫描激光必须要有宽带增益传导体及波长扫描手段。最有效的波长扫描方法是随时间改变置于激光谐振器之中的波长可调滤波器的中心波长。
例如，Wysocki等人研制出了一种具有在数百赫兹频率下以大约15nm波长范围进行扫描的激光器。该波长扫描激光器使用一种掺杂纤维作增益传导体，使用一种声光滤波器作波长扫描元件(参考：OpticsLetters，Vol.15，P879，1990)。这种波长扫描激光器同波长可调激光器同样得到广泛应用。
波长扫描激光器使用于低干涉分布式传感器、频率分布式传感器和纤维光栅阵列传感器。它也可以用于在短时间内分析光学仪器的波长特性。人们希望波长扫描激光器也象普通波长可调激光器一样在光谱学、光通讯等领域中得到应用，但至今没有这方面应用实例的报告。
另一方面，一般的波长扫描激光器是由连续波而非锁模波操作的。为获得脉冲型输出，需要施以公知的活性或钝性锁模技术。在波长扫描激光器的场合，借助置于激光谐振器中纤维中心波长连续变化可以发掘出新的锁模技术。但是，从没有报告过与这种新锁模技术相关连的波长扫描激光器。
通常，激光器谐振器模是由激光往返行程相位延迟等于2π的整数倍这一条件来确定的。故此，m个谐振器模的频率值为fm＝mc/L，其中，c是光速，L是谐振器往返行程光路径。如果激光器中仅有单独一种谐振器模的话，就可以获得谱线宽度极窄的单一频率的激光。该激光输出功率相对时间变量来说就是恒定值。如果有若干谐振器模存在的话，则激光输出特性就会按着各谐振器模的振幅和路径区分为两种不同的状态。第一，如果谐振器模的振幅及路径是随时间变化的，则可获得连续波输出。这种情况下，连续波输出功率随时间而无规则变化，故被称作“模输出杂波”。第二，如果各种模的振幅和路径是恒定的，则借于相干原理可获得短脉冲输出。这种状态称为“锁模”。
有两种方法可达到锁模。在有源锁模情况下，使用振幅谐振器、路径调制器、频率移位器或类似仪器调频，使之等于轴向谐振器模中心位置的整数倍。在无源锁模的情况下，则使用饱和减振器、其它等效的光学仪器或谐振配置。
但是上述锁模方法要使用昂贵的调制器或辅之以饱和减振器。
本发明的开示
本发明目的就在于提供一种无需使用昂贵的调制器或附加的饱和减振器就能获得短激光脉冲的波长扫描脉冲式激光器，和提供一种生成这种激光脉冲的方法。
本发明另一目的在于提供一种能够获得连续波输出的波长扫描式激光器，和提供一种生成这种激光输出的方法。
为实现本发明上述目的，本发明所提供的激光器包括：
一个谐振器，它具有一个光路，在该光路中带有一个能够在宽波段之上增幅光照的光学增益传导体和一个具有最小损失中心波长范围的波长可调滤波器以及一个光强度与折射率有关的非线性传导体；
一个便于所说光学增益传导体粒子数反转的光学泵手段；
一个便于随时间连续变化所说波长可调滤波器最小损失中心波长范围的滤波器调制信号生成手段；
其中，激光器输出是锁模短脉冲型的，其中心波长随时间连续变化。
在本发明中，所说光学增益传导体可以选用以下所列任意一种：掺有单模光纤维的稀土离子、掺有单模平面波导的稀土离子以及掺有兰宝石水晶和Nd-YVO4水晶的钛。
再有，半导体增幅器可以作为光学增益传导体使用。在这种情况下，靠由电流生成器提供的电流泵激该半导体增幅器。最好是，电流强度在轴向谐振模的中心模间距或中间模间距整数倍调节电流强度，以调节半导体增幅器的增益，从而使能生成锁模的光脉冲以及能调节脉冲生成时间。
在本发明中，所说波长可调滤波器可以选用以下任意一种：声光波长可调滤波器、Fabry-Perot干涉波长可调滤波器、可通过光栅转动改变反射中心波长的反射折射光栅。
所说波长可调滤波器包括一个光束偏射手段、一个当按被控制光束方向传播或反射的光被耦合到所说谐振器时仅在有限频率范围内产生低量光损失的光学设备。在这种情况下，所说光束偏射手段可以是一种能依据声波频率控制光束方向的声光调制器。另外，该光束偏射手段也可以是一种当分割成若干光路的光束聚交于一起时依各光束相位差控制光束方向的整数倍相控阵。
另外，所说非线性传导体最好包括一段单模光纤维或能增强自相位调制效果及起饱和减振作用的半导体物质，该非线性传导体有助于锁模光脉冲生成。
当所说增益传导体是一种掺有具有高非线性系数的光纤维的稀土离子或掺有兰宝石水晶的钛时，该增益传导体可以起到非线性传导体作用。在这种情况下，就不需要附加非线性传导体。
所说谐振器最好包括一个能有助于锁模生成以及能调节光脉冲生成时间的光学振幅调制器、一个能提供振荡电信号给所说光学振幅调制器及电信号频率提供相等于轴向谐振器模的中间模间距或该间距的整数倍的调制信号生成器。
所说光学振幅调制器可以光学相位调制器来代替。
为实现上述目的，本发明提供了一种锁模激光脉冲生成方法，它包括以下步骤：
将一个谐振器、一个波长可调滤波器和一个光强度与折射率有关的非线性传导体配设在一起；
经非线性传导体传送光脉冲、通过诱导自相位调制器增加光脉冲光谱宽度；
调节所说波长可调滤波器使波长可调滤波器的最小损失波长范围能随时间而连续变化；
仅仅将被增宽了的光脉冲的特定部分进行增幅，使该特定部分的波长光谱位于最小损失波长范围内。
在上述方法中，所说波长可调滤波器被调节、使得在最大波长扫描时间下V高于临界速度Vc(＝ln(r)Δ4/b2)、故此复数个谐振器模能够同步振动。在此，V是最小损失中心波长的变化速度，Δ是谐振器模间的波长间距，b是一半最大值下的全带宽，ln(r)是各模最大与最小光强度之比r的自然对数。通常，ln(r)的值域为15～25。
在这种情况下，所说波长可调滤波器最好是按着这种方式来调节：向波长可调滤波器提供电信号，该电信号频率和/或电压连续地及周期性地在预定范围之上扫描。进一步，最好是使短电脉冲在电信号每一重复波形的前部重叠，以调节电脉冲的脉冲生成时间和有助于光脉冲生成。
为达到上述本发明另一目的，本发明提供了一种激光器，其包括：
一个谐振器，它具有一个光路，在该光路中带有一个能够在特定波段之上增幅光照的光学增益传导体和一个具有最小损失中心频率范围的波长可调滤波器以及一个使光频率移位的频率移位器；
一个便于所说光学增益传导体粒子数反转的光学泵手段；
一个便于随时间连续变化所说波长可调滤波器最小损失中心频率范围的滤波器调制信号生成手段；
一种通过在所说频率移位器中调节频率移位——实际上等于调节一个谐振器往返行程中波长可调滤波器中心频率变化——扼制光脉冲生成的手段；
其中，激光输出是连续波形，其中心频率随时间连续变化。
最好是，所说频率移位器是一个用带固定频率的振荡电信号操作的声光频率移位器，通过该电信号生成的声波对光产生折射及多普勒(Doppler)移位效果。
另外，所说频率移位器和波长可调滤波器仅由一个声光波长可调滤波器构成的。在这种情况下，为改变声光滤波器的中心频率而提供给声光滤波器的电信号中的频率变化与时间相关不大，频率移位方向和滤波器中心频率变化相同，一个谐振器周期的频率移位可以实际上等于滤波器中心频率的频率变化。
为获得上述激光，本发明提供了一种方法，它包括以下步骤：
将一个谐振器和一个频率移位器配设在一起，所说谐振器具有一个由带最小损失中心频率范围的波长可调滤波器构成的光路；
借频率移位器生成通过所说光路的光的频率移位定量fFS；
生成一个谐振器往返行程时间中波长可调滤波器中心频率的连续变化fFI；
调节波长可调滤波器，以使fFS和fFI基本具有同一值，谐振器的激光输出光谱围绕波长可调滤波器中心频率振动；
由此，光脉冲生成被扼制，激光器发射连续波。
要点是，本发明波长扫描脉冲激光器是建立在一种新发现——即通过配置在谐振器中的非线性传导体产生的足够量的非线性相位能够诱导自然锁模——之上的。
脉冲光谱通过自相位调制效果以及比连续振动分量要低的谐振器相关光损失、进而诱导锁模被加宽。根据本方法，无须使用昂贵的调制器或饱和减振器即可获得几皮秒的短恒定光脉冲。
附图的简要说明
图1A和1B是根据本发明波长扫描激光器的示意图。
图2A和2B是说明图1A和1B所示波长扫描激光器操作的图。
图3是根据本发明实施例的一种波长扫描纤维激光器的示意图。
图4是图3所示激光器的输出功率的泵功率函数曲线图。
图5A和5B是使用示波测到的图3所示激光器输出功率的照片。
图6是在分析仪器的峰值保护模下测到的激光器光谱图。
图7A是为测量图3所示波长扫描激光器的输出光谱瞬时谱线宽度而使用的设备的示意图。
图7B是当光路差为2mm时图7A所示光检波器520所测得信号的照片。
图7C是在600Hz波长扫描重复率下光路差L的曲线图。
图8A到8D是通过计算机模拟获得的图3的波长扫描纤维激光器的输出功率光谱和光脉冲曲线图。
图9A、9B是图3的波长扫描纤维激光器的脉冲宽度和谱线宽度的测量值与计算机模拟数据相比较的曲线图。
图10是根据本发明另一实施例的波长扫描激光器输出的示波器照片。
图11A和11B是根据本发明另一实施例的波长扫描激光器的应用原理图。
实施本发明的最佳方式
图1A和1B是根据本发明波长扫描激光器的示意图。图1A显示了一种线性谐振器的实例，图1B是一种环型谐振器的实例。
根据图1A，光沿着相对的反射器110和112之间的光路15向后和向前传播。在往返行程中，光强度被增益传导体120所增幅。一个光泵源122激发增益传导体120，造成能量等级间的粒子数反转，从而能发生激光器振动。符号130表示一个波长可调滤波器，它仅在预置的波长范围内传播或反射光。信号生成器132产生的电信号提供给波长可调滤波器，从而可调制中心波长。信号生成器132能提供具有变化波形的电信号给波长可调滤波器130。例如，信号生成器132能够调制波长可调滤波器130形成与时间有关的三角形波形和锯齿形波形。非线性传导体140具有折射率随入射光束能量而变化这一光学特性。例如，其系数可由如下公式所确定。
[公式1]
n＝n0+n2I
这里，n0是常数，I是光束能量，n2是非线性系数。通常，具有负数值系数的物质能够用于本例。当短脉冲光束通过非线性传导体时，传导体中某一定点的光束能量随时间而变化。非线性传导体呈称作“自相位调制效果”，这是因为脉冲前后部光频率按不同方向移位。脉冲光谱由于这一效果被大大加宽。这一光谱加宽是对本发明锁模起本质作用因素之一。
增益传导体120一端可以取代反射器110。例如，在使用半导体增幅器作增益传导体120的情况下，增幅器的面对非线性传导体一侧的表面是抗反射涂层，而另一侧表面是高反射涂层或切成直角以起反射作用。如果波长可调滤波器130采用高反射Bragg光栅的话，则可以取代反射器112。谐振器内的光学设备放于光路150内。该光路可以是一自由空间或光波导，如同一个单模光纤维。如果一个具有非线性系数的光纤维被用作光路的话，非线性传导体140就不是必需的。在图1A所示的谐振器图示中，增益传导体120、非线性传导体140、波长可调滤波器等光学设备的顺序于谐振器操作是无关紧要的。
在环型谐振器的情况下，谐振器可以使用复数个光路和反射器配置。另外，如图1B所示，可以使用光纤维作光路150，从而无须用反射器。在任何情况下，增益传导体120、非线性传导体140、波长可调滤波器130都可以象图1A所示那样来使用。再有，将光隔离体160插入循环内从而可保证行波操作。在环型谐振器的情况下，反射型增益介质或滤波器不能用。如果用于光路中的单模纤维产生足够非线性指数变化的话，则非线性传导体140就非是必需的。
上述波长扫描激光器的操作最好参照图2A和2B进行理解。
如果一个利用了带固定频率的滤波器的常规激光器包括一个同性质的增大带宽的增益传导体的话，则该激光器仅能产生一个频率最接近中心频率的谐振器模输出。
无论怎样，带连续改变中心频率的波长扫描激光器不是按常规激光器操作的。
在不带非线性传导体的波长扫描激光器实例中，激光器生成连续波输出，其光谱如图2A所示。图2A中，横轴表示光频率、纵轴表示光束能量或有效增益水平。参考图2A，增益曲线210在滤波器中心频率220处达到最大值，离开带有由滤波器带宽所确定的宽度的中心后迅速减小。在这种情况下，假设滤波器中心频率是以相对于时间的恒定的速度的频率向前移动。箭头222表示中心频率的速度向量。如果说运动速度高到不允许谐振器往返、由自然射出被增幅的一个调谐器模有能量使增益传导体饱和的话，则激光器就会在多轴向模、而非单一谐振器模下产生输出。也即，当单位时间里谐振器中心频率变量V比公式2所定义的临界速度Vc大时，激光器就会在多轴向模产生输出。
[公式2]
Vc＝ln(r)Δ4/b2
这里，Δ(＝λ2/L)是谐振器模之间波长间距，b是滤波器一半最大值(FWHM)下的全带宽，ln(r)是各模最大与最小光强度之比r的自然对数。通常，其值为15～25。
光谱曲线230显示了在预置的某一时刻下的激光光谱。曲线230具有一个比轴向模间距加宽许多的谱线宽度。曲线中心234位于偏离速度向量相反方向上的中心频率220位置处，该偏置236大约与(FWHM)2/3和V1/3成正比。
虚线240表示增益成为1时的水平。光能量在增益水平高于1的频率域处增大，反之在低于1的频率域处减小。因此，接近中心220处的光谱位置250的光能量增加，而远离中心220处的光谱位置252的光能量降低。其结果是，整个光谱曲线230在一个周期过后朝向中心220移动。即，随着上述过程不断重复，激光光谱随谐振器中心频率的移动而一起移动。随着光谱234朝向中心220移动，前部频率成份(图2A中的接近位置250的成份、其右边的成份)是由因滤波器中心频率运动而产生的增益传导体中的自然射出而生成的。由于自然射出具有杂波(其频率成份无相位关系)一样的特性，激光器生成连续波输出，该输出如增幅自然射出一样具有同样的统计特性。
另一方面，如果滤波器中心频率依相关于时间的三角波形运动的话，则激光输出波长如图2B所示那样变化。参考图2B，输出波长重复地线性增大(260)和减小(270)。波长变化重复周期不会超过由滤波器调制速度、激光增益传导体等决定的某个常数。当频率变化重复率接近激光器谐振器的张弛振荡时，则会产生大张弛振荡。因此，为增加重复率，需要具有高速操作特性的增益传导体和具有调制速度的滤波器。波长变化幅度280最大值由滤波器调制范围和增益传导体的带宽决定。掺有纤维的稀土离子的波长变化范围最大可达数十毫微米，而一些半导体或固体水晶的则可达100nm以上。
在另一实例，即带有谐振器(它含有非线性传导体)的波长扫描激光器中，在谐振器中生成的弱光脉冲的光谱如上所述，借助于非线性传导体的自相位调制效果被加宽。与自然射出不同，被加宽的光谱成份中的频率成份具有特定的相位关系。如果该被加宽的成份的强度高于滤波器中心频率范围的自然射出强度的话，则在该范围内生成的激光器光谱就每一频率成份来说具有特定关系。由于模式之间的这种特定关系而产生的锁模使得激光器能够产生脉冲输出。
由于锁模脉冲将能量传递给借光谱加宽而运动的滤波器频率范围，所以光波将减少图2中的分量236而迅速在该频率范围内增大。由于滤波器相关光损失随分量236减少而减少，故能够获得高强度光。也即是，由于脉冲成份比连续振动成份光损失小，所以脉冲成份在激光器振动期间处于优势。为达到锁模，滤波器频率中心周期非线性传导体产生的光谱成份与由增益传导体自然射出的光成份相比具有相似或较高的功率密度。为降低锁模阈值，可以使用一个带增大的非线性系数的非线性传导体或使用一个发射低自然光的低杂波形增益传导体。
该增益传导体可以由以下选出：掺有单模光纤维的稀土离子、掺有单模平面波导的稀土离子、掺有兰宝石水晶或Nd-YVO4水晶的钛。
滤波器可以由以下选用：Fabry-Perot滤波器、声光滤波器、反射型Bragg光栅、纤维Bragg光栅、由光束偏射器和反射器构成的滤波器、由波导光束偏射器和反射型Bragg光栅构成的滤波器、由波导光束偏射器和反射器构成的滤波器。
半导体饱和减振器、单模光纤维或类似设备可以用作非线性传导体。如果使用了掺有纤维的稀土离子和掺有兰宝石水晶这样的高非线性系数增益传导体的话，就不需要附加非线性传导体。
图3是根据本发明实施例的一种波长扫描纤维激光器的示意图。
掺有纤维的铒离子310被作为环型谐振器(其光路由通信等级单模纤维构成)的增益传导体所使用。掺有纤维的铒在1550nm波长下减振率大约是120dB/M。参考图3，来自激光二极管314的1470nm泵激光束被引入穿过波长分割多重纤维连接器312。被压电换能器调制的Fabry-Perot标准滤波器320(FWHM＝0.23nm，自由光谱范围＝33nm)用作滤波器。滤波器320的中心频率变量相对于提供给换能器的电压的1V变化是14nm。在该激光器的操作中，频率信号322生成了一个2V振幅的三角波，以至于滤波器中心频率在大约28nm波长范围内进行线性扫描。通过50％耦合率的纤维解耦器330获得激光输出。激光偏振受设在谐振器里的两个偏振控制器340、342控制，故与达到锁模与否无关即可获得稳定的激光输出。两个光隔离器350和352配设于增益传导体两侧以确保单向激光振动。不使用隔离器，将会产生双向锁模。谐振器的总长为17.2m，总光学损失为10dB，这包括在滤波器4dB，在输出光解耦器3dB，在两个光学隔离器0.5dB。谐振器中的所有纤维都是以硅石为基本、具有相似非线性系数。无论怎样，自相位调制以小模直径(光强度成为最高)在掺有纤维的铒离子310周围最大限地产生。该掺有纤维的铒离子310具有仅约为3.6微米的模直径，而通常的单模纤维的模半径为9微米。
图4是图3所示激光器的输出功率的泵功率函数曲线图。
虚线410表示在1550nm波长(在给滤波器加恒常电压时测到的)下的激光输出功率。线412、414显示了当给滤波器提供200Hz和600Hz的2V振幅三角波时测得的结果。在所有情况下，当泵功率接近4mV时，连续激光振动就开始发生。没有滤波器调制，能获得与泵功率成正比的激光输出功率。当调制滤波器时，一开始会获得连续振动，进而以如圆周420所示的大于25mW的泵功率获得锁模脉搏冲输出。从圆周420中线的倾斜变化可以理解：锁模的突然启动会增加激光输出功率。这一结果表明有效光损失因脉冲生成而减小。
图5A是使用一个50MHz带宽光检波器和示波器测到的图3所示激光器输出功率的照片。泵功率约为35nm。
高信号430是供给滤波器的2V振幅、250Hz频率的三角波。低信号440、442表示锁模脉冲列。虽然从照片上难以分辨出脉冲，但是通过增加供给电压可以获得输出波长增加信号440，而通过减小供给电压则可以获得波长减小信号442。脉冲列高度与波长无关，这是因为掺有纤维的铒离子的增益水平与波长变化无关。可以认为信号440、442之间的形状差异主要是由于滤波器不平衡特性造成的。在波长为27nm下的信号440、442中的脉冲数量大约分别为24100，因为谐振器往返行程为83ns，波长扫描半周期是2ms。
图5B是作为短时间刻度函数测得的图3所示激光器输出功率的照片。参考图5B，各脉冲相互间以相应于谐振器往返行程的间距450相区别，但是应该理解的是脉冲生成时刻不与电信号430同步。关于时刻的时间函数大于100ns，当将示波器电信号作为触发器使用的时候，发现所有脉冲都是在随意位置处被生成的。这使我们确信这一结论：锁模是由杂波脉冲产生的。也确信由滤波器调制带来的混乱波动也能引起这一结果。故此，有意识地控制脉冲时刻是可取的。如果一个电脉冲在每一个供给滤波器的电信号的重复波形的前部上面重叠的话，则脉冲时刻能够与生成瞬时光杂波脉冲同步。另外，增幅调制器或相位调制器可以包含在谐振器内完成相应于轴向谐振器模周期的调制，使脉冲在最大增幅时间或恒定相位时间被生成。
使用半导体增幅器作增益传导体的情况下，提供给增幅器的电流强度可以相应于轴向谐振器模周期或其整数倍进行调制。
图6是在分析仪器的峰值保护模式下测到的激光器光谱图。激光输出是按图5A所示的同样条件下产生的。参考图6，激光光谱在瞬间谱线宽度很窄，但当在长时间尺度下测量时，则峰值扫描范围从1538nm(最小波长460)到1565nm(最大波长462)达到27nm。调整提供给滤波器的信号幅度可以改变波长扫描范围。
图7A是为测量图3所示波长扫描激光器的输出光谱瞬时谱线宽度而使用的设备的示意图。根据图7A，波长扫描激光器510的输出传递给Michelso干涉仪，该输出可以用光检波器520和示波器测得。激光输出通过50％纤维耦合器530在Michelso干涉仪的两臂532、534之间被分割。该两臂之间的光路差可以借直线地移动反射器536从基准点调移约4cm。控制偏振控制器538，使反射之后汇交于耦合器530的具有相同偏振。当光路差为L时，该干涉起到一个滤波器的作用，其之于波长范围的透光率与λ2/L周期余弦函数的平方成正比。其中，λ是入射光波长。由于激光输出波长随时间变化，故光功率也在通过干涉仪之后随时间呈周期性变化。
图7B是当光路差为2mm时图7A所示光检波器520所测得信号的照片。信号的调制波长间距是1.2nm，波长扫描重复率为250Hz。由于在波长增大或减小期间大约发生了22.5个周期，故总波长范围达27nm。在每一个波长扫描前部540的强度调制周期的时间间隔都比其它部分略大，这是由于压电换能器的频率响应不够快且具有非线性特性的缘故。
图7C是在600Hz波长扫描周期下光路差L的曲线图。两条曲线550、552显示出在波长增大和减小下测得的结果。两条曲线同两条尺度比为3∶1、谱线宽度比为1∶3的Gaussian函数很吻合。由于借非线性传导体的强烈的非线性效应而产生很大的自相位调制，所以激光光谱在形状上与Gaussian函数不一致。非线性越低，则越能以Gaussian形状脉冲获得高波长扫描速度、窄滤波宽度、单一的Gaussian光谱。高泵功率将产生大的自相位调制，激光输出率将变得不稳定。这是由于激光脉冲借高非线性趋向于分割成若干脉冲波的缘故。参考图案C，可以看到：波长增大的透射率552比波长减小的透射率550随着光路差的增大而更快地减小。这表明波长增大可获得宽的激光谱线宽度。这一观察结果能够用与频率相关的三级色散效应(这是Fabry-Perot滤波器的特性之一)来解释。如上所述，当波长增大或减小时，激光光谱位置相对于滤波器中心在相反方向上被偏置。在滤波器色散期间，比滤波器中心频率高的频率域被称为不规则色散域，而较滤波器中心频率为低的频率域称作正常色散域。随着激光波长的增大，激光光谱将具有比滤波器中心频率为高的频率域。也即，不规则色散和非线性传导体的自相位调制会带来减小脉冲宽度和较宽光谱这一孤子效应。反之，随着激光波长减小，滤波器的色散将加大脉冲宽度，其结果，脉冲宽度增大、光谱变窄。在滤波器宽度窄于1的情况下，由于滤波器色散比几十米纤维得到的色散要占优势，故纤维色散可忽略不计。使用声光滤波器的情况下，滤波器没有这种不均称特性。另一方面，过大的自相位调制可能造成一个相反信号，其脉冲形状将偏离Gaussian函数。上述的不均称将变得更加复杂。
光脉冲宽度使用自相关器因第二谐波的生成而被测得。由实验得知：所有情况下的脉冲形状都与Gaussian函数相吻合。当波长交替地增大和减小时在1KHz的波长扫描重复率下测得各自的脉冲宽度，其结果表明波长减小时测得的谱线宽度较宽，宽度差约为10％。该结果与上述的波长减小时测得的谱线宽度较窄(谱线宽度差约为10％)这一结果相一致。
图8A至8D是通过计算机模拟获得的图3的波长扫描纤维激光器的输出功率光谱和光脉冲曲线图。在模拟中，谐振器光损失、掺有纤维的铒离子的增益水平、谐振器长度、纤维色散、滤波谱线宽度、非线性系数等参数都是从实际实验中使用的值中选定的。作为自由参数的非线性传导体有效长度是从最接近实际实验结果的值中选定的。该有效长度与2m铒离子中掺有的纤维长度(在谐振器中给与最大光功率的值的基础之上的纤维长度)相一致。图8A至8D的模拟结果是在28nm的波长扫描范围、250Hz重复率、2.1mW激光输出功率下获得的。图8A和8B显示出了滤波器频率在一个谐振器往返行程增加150MHz时(也即是在激光输出波长减小1.2pm时)的光谱与脉冲。图8C和图8D显示出了滤波器频率以与上述同速减小时光谱与脉冲。其清楚地表明：距离滤波器中心(即有效增益曲线中心)的光谱偏差与光谱的最大值不是简单的Gaussian型的。输出脉冲也不是简单的Gaussian型的。因波长减小和增加而带来的脉冲宽度和谱线宽度的积分别是0.43和0.47。
在非线性传导体有效长度比2m短若干倍的计算机模拟中，光谱偏移增大，光谱和脉冲都成为Gaussian型的。反之，随着有效长度增大到2m以上，光谱在经过不稳定状态之后分割成若干块，其结果是生成许多光脉冲。
图9A和9B是图3的波长扫描纤维激光器的脉冲宽度和谱线宽度的测量值与计算机模拟数据相比较的曲线图。得到的测量值与波长增大或波长减小无关。在图9A中，黑方块表示在100Hz(610)、200Hz(612)、600Hz(614)波长扫描重复率下的测量结果。横轴代表一个谐振器往返行程滤波器中心频率的光频率移动。曲线620、622分别是当波长减小和增大时获得的计算机模拟数据。
谱线宽度是分别在波长增大和减小时测得的。在图9B中，点650、652分别表示在波长增大情况下在200Hz和600Hz的波长扫描重复率下测得的谱线宽度。点654、656分别表示在波长减小情况下在相同波长扫描重复率下测得的谱线宽度。曲线660、662分别是在波长增大和减小情况下计算机的模拟结果。测得和模拟结果在绝对值上略有不同，但是它们从波长扫描速度和方向来看在偏向和偏性方面相互间是吻合的。
结果是，在本实施例中，在不使用昂贵的调制器或饱和减振器情况下获得了大约100ps宽的稳定光脉冲。
如上所述，锁模的基本条件之一是滤波器频率连续变化将偏性光学损失给激光光谱。故此，如果光谱象滤波器频率变量一样以同样速度运动的话，就不会发生锁模。在这一发现基础上，根据本发明另一实施例，一个具有产生连续输出能力的波长扫描激光器被研制出来了。
这种波长激光器可以通过在图3中的激光谐振器中的输出光解耦器330和光隔离器352之间配置声光频率移位器得到。在本实施例中，该频率移位器具有超出1550nm以上100nm宽范围的几乎恒定的透光率，由54MHz频率的振荡信号驱动，使光频率增大54MHz。借助该频率移位器，谐振器长度增加到19.2m。在波长扫描范围28nm的情况下，为便于以同频率偏移同样速度(580Hz/ms)使频率中心转移，从理论上讲应该给滤波器提供83Hz的三角波信号。
图10是根据本发明另一实施例的波长偏移激光器输出的示波器照片。当给声光频率移位器提供频率为77Hz和振幅为2V的三角波信号时可获得输出。
三角波的电压增加710与激光输出频率减小相对应。在这种情况下，脉冲借助于锁模而生成，因为滤波器中心运动方向与频率移位方向相反。
反之，三角波的电压减小720与激光输出的频率增大722相对应。这种情况下，激光频率相应滤波器运动速度移位，以至滤波器中心周围能产生激光振动。激光能借助扼制的锁模维持连续振动。如图10所示，频率相应于位置724周围的波长滤波器运动速度移位。
由于滤波器中的压电换能器的非线性特点，滤波器中心不形成完全线性扫描，如位置726处那样的位置显示出在波长扫描和频率移位之间有数赫兹之差。在此位置不发生锁模，但是激光输出功率却随着松弛的振动明显不稳定。
即，连续振动可以借助于通过调节频率移位器中频率移位量(实际上等于一个谐振器往返行程中波长可调滤波器的中心频率变化)的方式扼制光脉冲生成来实现。
操作这种波长扫描激光器的方法包括如下步骤：
首先，将一个具有最小损失中心频率范围的波长可调滤波器和一个频率移位器配置于激光谐振器；然后利用频率移位器以定量fFS移位谐振器中的光频率，以一个谐振器往返街程时间的fFI调节波长可调滤波器中心频率达到连续变化；控制波长可调滤波器使fFS和fFI基本具有同值，维持连续的激光振动；注意使fFS和fFI值相匹配，使激光器仅能在一种轴向模下振动。在这种情况下可以得到检查信号频率输出。
最终，证明了不用锁模而是通过将滤波器频率变化速度调节到频率移位器的频率移位速度就能够得到激光器振动。
图11A和11B是具有产生连续输出能力的波长扫描激光器的应用原理图。
根据图11A，波长扫描激光器810的输出沿如纤维一样的光路820走过后、穿过光学系统830。穿过光学系统830的光经光检波器840检波以分析时间范畴上光学系统830的波长特性。这样的光学系统例如包括：一个滤波器、一种象采用非线性效应的光学开关一样的光学设备、一个光栅传感器或干涉光学传感器、光学纤维通讯系统以及类似设备。借高波长扫描重复率，激光器810能够分析光学系统830的快速动态特性，这用通常的慢光谱分析仪是从未实现过的。
参考图11B，对光学系统830反射光的波长特性进行分析。将一个光束分离器850置于光路中以控制光束方向。
该激光器可以用于分析变化的光学设备或系统。所以本发明能应用于光学感测或WDM光学通讯领域。

Claims (22)

1、一种产生中心波长随时间连续变化的锁模短脉冲输出的激光器，包括：
一个谐振器，它具有一个光路，在该光路中带有一个能够在宽波段之上增幅光照的光学增益传导体和一个具有最小损失中心波长范围的波长可调滤波器以及一个光强度与折射率有关的非线性传导体；
一个便于所说光学增益传导体粒子数反转的光学泵手段；
一个便于随时间连续变化所说波长可调滤波器最小损失中心波长范围的滤波器调制信号生成手段；
其中，激光器输出是锁模短脉冲型的，其中心波长随时间连续变化。
2、按权利要求1所说的激光器，其中，所说光学增益传导体选用以下所列任意一种：掺有单模光纤维的稀土离子、掺有单模平面波导的稀大离子、以及掺有兰宝石水晶和Nd-YVO4水晶的钛。
3、按权利要求1所说的激光器，其中，所说光学增益传导体是半导体增幅器。
4、按权利要求3所说的激光器，其中，所说光学泵手段生成电流，该电流强度调制频率等于轴向谐振器模的中间模间距或该间距整数倍，具结果是半导体增幅器的增益得到调制，从而激光源生成锁模光脉冲，其脉冲生成时间得到适当调节。
5、按权利要求1所说的激光器，其中，所说波长可调滤波器选用以下任意一种：声光波长可调滤波器、Fabry-Perot干涉波长可调滤波器、通过光栅转动改变反射中心波长的反射折射光栅。
6、按权利要求1所说的激光器，其中，所说波长可调滤波器包括：
一个控制传播光方向的光束偏射手段；
一个当按被控制光束方向传播或反射的光被耦合到所说谐振器时仅在有限频率范围内产生低量光损失的光学设备。
7、按权利要求6所说的激光器，其中，所说光束偏射手段是一种能依据声波频率控制光束方向的声光调制器。
8、按权利要求6所说的激光器，其中，所说光束偏射手段是一种当分割成若干光路的光束聚交于一起时依各光束相位差控制光束方向的整数倍相控阵。
9、按权利要求1所说的激光器，其中，所说非线性传导体包括一段单模光纤维。
10、按权利要求1所说的激光器，其中，所说非线性传导体包括能增强自相位调制效果及起饱和减振作用的半导体，该非线性传导体有助于锁模光脉冲生成。
11、按权利要求1所说的激光器，其中，所说增益传导体包括一种也起到非线性传导体作用的一种光学设备。
12、按权利要求11所说的激光器，其中，所说增益传导体是一种掺有具有非线性系数变化的光纤维的稀土离子或掺有兰宝石水晶的钛。
13、按权利要求1所说的激光器，其中，所说谐振器包括：
一个能有助于锁模生成以及能调节光脉冲生成时间的光学振幅调制器；
一个能提供振荡电信号给所说光学振幅调制器及电信号频率等于轴向谐振器模的中间模间距或该间距的整数倍的调制信号生成器。
14、按权利要求1所说的激光器，其中，所说谐振器包括：
一个能有助于锁模生成以及能调节光脉冲生成时间的光学相位调制器；
一个能提供振荡电信号给所说光学相位调制器及电信号频率等于轴向谐振器模的中间模间距或该间距的整数倍的调制信号生成器。
15、一种锁模激光脉冲生成方法，它包括以下步骤：
将一个谐振器、一个波长可调滤波器和一个光强度与折射率有关的非线性传导体配设在一起；
经非线性传导体传送光脉冲、通过诱导自相位调制器增加光脉冲光谱宽度；
调节所说波长可调滤波器使波长可调滤波器的最小损失波长范围能随时间而连续变化；
仅仅将被增宽了的光脉冲的特定部分进行增幅，使该特定部分的波长光谱位于最小损失波长范围内。
16、按权利要求15所说的方法，其中，调节所说波长可调滤波器，以至于在最大波长扫描时间下V高于Vc(＝ln(r)Δ4/b2)、故此复数个谐振器模能够同步振动，在此，V是最小损失中心波长的变化速度，Δ是谐振器模间的波长间距，b是一半最大值下的全带宽，ln(r)是各模最大与最小光强度之比r的自然对数。
17、按权利要求15所说的方法，其中，向波长可调滤波器提供电信号，该电信号频率和/或电压连续地及周期性地在预定范围之上扫描。
18、按权利要求17所说的方法，其中，使短电脉冲在电信号每一重复波形的前部重叠，进而调节电脉冲的脉冲生成时间和有助于光脉冲生成。
19，一种激光器，其包括：
一个谐振器，它具有一个光路，在该光路中带有一个能够在特定波段之上增幅光照的光学增益传导体和一个具有最小损失中心频率范围的波长可调滤波器以及一个使光频率移位的频率移位器；
一个便于所说光学增益传导体粒子数反转的光学泵手段；
一个便于随时间连续变化所说波长可调滤波器最小损失中心频率范围的滤波器调制信号生成手段；
一种通过在所说频率移位器中调节频率移位——实际上等于调节一个谐振器往返行程中波长可调滤波器中心频率变化——扼制光脉冲生成的手段；
其中，激光输出是连续波形，其中心频率随时间连续变化。
20、按权利要求19所说的激光器，其中，所说频率移位器是一个用带固定频率的振荡电信号操作的声光频率移位器，通过该电信号生成的声波对光产生折射及多普勒(Doppler)移位效果。
21、按权利要求19所说的激光器，其中，所说频率移位器和波长可调滤波器仅是由一个声光波长可调滤波器构成的，为改变声光滤波器的中心频率而提供给声光滤波器的电信号中的频率变化与时间相关不大，频率移位方向和滤波器中心频率变化相同，一个谐振器往返行程的频率移位实际上等于滤波器中心频率的频率变化。
22、一种激光生成方法，它包括以下步骤：
将一个谐振器和一个频率移位器配设在一起，所说谐振器具有一个由带最小损失中心频率范围的波长可调滤波器构成的光路；
借频率移位器生成通过所说光路的光的频率移位定量fFS；
生成一个谐振器往返行程时间中波长可调滤波器中心频率的连续变化fFI；
调节波长可调滤波器，以使fFS和fFI基本具有同一值，谐振器的激光输出光谱围绕波长可调滤波器中心频率振动；
由此，光脉冲生成被扼制，激光器发射连续波。
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