CN212340435U - 高功率双光梳光谱仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率双光梳光谱系统，而且还涉及了一种高功率双光梳光谱仪的种子源系统，用于实现本发明的双光梳系统。本发明的双光梳光谱系统包括双波长锁模脉冲种子源1，信号光波分复用器2，第一光纤放大器3、第二光纤放大器4，第一压缩器5以及第二压缩器6。其中，双波长锁模脉冲种子源，波分复用器，第一放大器3、第二放大器4为全保偏光纤链路搭建，保障系统稳定性及可靠性，免疫外界环境扰动。第一压缩器5以及第二压缩器6为采用空间光栅对、棱镜对或棱栅对搭建的典型脉冲压缩装置。本发明实现了一种高平均功率、高峰值功率的飞秒光纤双光梳光谱仪系统以及一种结构简单、长期稳定可靠、免疫环境干扰、可复制的双光梳种子源；本发明可实现全保偏全光纤结构，环境稳定性好，可满足实验室外环境作业需求。

Description

高功率双光梳光谱仪系统

技术领域

本发明属于激光以及激光探测领域，具体属于一种结构简单，稳定可靠，易于操作使用的全光纤高功率双光梳光谱仪系统。

背景技术

双光梳光谱仪是一种能够实现实时快速、高精度探测的光谱分辨技术。基于两台具有微小频率差的光学频率梳，探测过程中，其中一台信号光梳穿过样品池，并保留了样品对其的吸收和相位影响信息，另一台光梳信号作为干涉光。利用两台光梳输出激光的干涉就可以恢复出样品的相关信息。双光梳光谱技术已经在诸如航空发动机燃烧场监测(201910988351.0)，水下干涉测距(201810601290.3)，三维形貌测量(201810726961.9)以及病理切片无损监测(201710772396.5)等领域实现应用。

但是，传统的双光梳系统依赖两台独立的光学频率梳实现，他们的频率和相位抖动是独立地，极大地降低了二者的相干性。为了提高双光梳系统的稳定性和精确性，必须将两台光梳分别精确锁定，并具有一定的频率差，导致每台光梳都需要复杂的信号处理和电路伺服系统。因此，双光梳系统被局限在实验室，而且只有专业人士能够操控，极大地限制了其推广应用。

近年来，双波长锁模脉冲激光器的出现引起研究人员的重点关注。双波长锁模激光器可以实现不同波长锁模脉冲的同时产生，由于两个波长的锁模脉冲起源于同一个谐振腔，二者具有天生的相干性；而且，由于不同波长的脉冲在腔内运行时，折射率差导致二者重复频率也略有差异。将其作为双光梳的种子源，可以极大地简化系统。但是，相关研究报道主要集中在掺铒光纤激光器的工作波段(1550nm)，以及基于单模光纤实现的非保偏装置。激光器的高功率可拓展性和长期稳定性、可靠性还有待进一步提高。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可实现高功率输出的双光梳光谱仪系统。目的之一是实现一种可输出高平均功率、高峰值功率的飞秒光纤双光梳光谱仪；另一个目的提供一种全保偏、全光纤结构，耗散孤子输出的双波长锁模激光器，其主要应用之一是作为双光梳光谱仪的种子源。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是

一种高功率双光梳光谱仪系统，所述系统包括双波长锁模脉冲种子源1，信号光波分复用器2，第一光纤放大器3、第二光纤放大器4，第一压缩器5以及第二压缩器6。其中，双波长锁模脉冲种子源1，波分复用器2，第一光纤放大器3、第二光纤放大器4为全保偏光纤链路搭建，保障系统稳定性及可靠性，免疫外界环境扰动。第一压缩器5以及第二压缩器6为采用空间光栅对、棱镜对或棱栅对搭建的典型脉冲压缩装置。

所述的双波长锁模脉冲种子源1包括半导体泵浦二极管LD，泵浦波分复用器，增益光纤，相移器，输出耦合器，中央分束器，角度熔接点以及带尾纤的光纤反射镜。各个光纤器件依次首尾熔接，构成谐振腔链路。

所述的信号光波分复用器2为保偏光纤分束器，用于将种子源输出的双波长锁模脉冲按中心波长分束，使两个波长的锁模脉冲在空间上分束，分别用作双光梳系统的信号光和干涉光；

所述的光纤放大器包括光隔离器、波分复用器、增益光纤；所述光纤放大器为单级或多级的级联放大器结构，依目标输出功率而定，所述增益光纤为纤芯掺杂稀土离子的波导介质，可以但不局限于镱、铒、铥、钕等稀土离子。

首先，对本发明中高功率双光梳光谱仪种子源——双波长光纤锁模脉冲振荡器的实现原理进行重点解释：

双波长锁模激光器中，谐振腔内存在多通道的滤波效应是其实现的关键要素。而单模光纤中的双折射效应正好提供了一种容易实现的多通道滤波效应，结合被动锁模机制，光纤结构的双波长锁模激光器较为常见。但是，出于稳定性及可靠性的考虑，全保偏光纤结构的双波长锁模激光器更受青睐。本发明结合保偏光纤和Lyot滤波器来实现双波长锁模激光器中的多通道滤波效应，从而实现了一种全保偏光纤结构的双波长锁模激光器。其多通道滤波效果如(以掺镱光纤工作的1030nm波段为例)：激光器谐振腔内的自发辐射(ASE)激光，具有明显的周期性多峰结构，形成了一种典型的多通道滤波效应。在足够强的泵浦光功率下，谐振腔内位于不同位置的光谱峰被同时激发。在增益和竞争的平衡下，就可以后的双波长输出的锁模脉冲。

本发明的有益效果为：

1、实现了一种高平均功率、高峰值功率的飞秒光纤双光梳光谱仪系统；

2、实现了一种结构简单、长期稳定可靠、免疫环境干扰、可复制的双光梳种子源——双波长锁模脉冲振荡器；

3、系统可实现全保偏全光纤结构，环境稳定性好，可满足实验室外环境作业需求。

附图说明

图1为本发明一种1030nm波段的高功率双光梳光谱仪系统

图2为本发明双波长锁模脉冲振荡器实施例图

图3本发明中多通道滤波效果图

图4双波长锁模脉冲种子源输出光谱图

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。

实施例1：一种1030nm波段的高功率双光梳光谱仪系统

如图1所示，一种1030nm波段的高功率双光梳光谱仪系统，其特征为：包括双波长锁模脉冲种子源1，信号光波分复用器2，第一放大器3、第二放大器4，第一压缩器5以及第二压缩器6。

所述的双波长锁模脉冲种子源1，如图2所示，包括半导体二极管(LD)11、泵浦波分复用器12、增益光纤13、相移器14、输出耦合器15、光纤分束器16、角度熔接点17以及带尾纤的光纤反射镜18。

优选地，半导体二极管(LD)11为中心波长为976nm的半导体激光二极管，输出方式为单模光纤输出，最大输出功率为600mW，作为本发明中种子源的泵浦源。

泵浦波分复用器12为三端口光纤器件，可以将泵浦光(976nm)和信号光(1030nm)共同耦合入公共端。泵浦端连接LD的输出端，公共端连接增益光纤。

增益光纤13为纤芯掺杂镱离子的光纤，作为本发明激光器中的增益介质，该光纤受泵浦光激发后可以辐射出波长覆盖1010-1100nm的自发辐射激光。

相移器14为非互易性相移元件，为相反方向传输的光提供不同的相移，形成固定的相位差，帮助非线性放大环形镜锁模脉冲的建立。

输出耦合器15为三端口的光纤耦合器。实施例中耦合器的分束比为10:90。10端用于输出锁模脉冲。

中央分束器16为四端口的光纤耦合器。分束器分束比为50：50，分束器工作波长为1030nm，慢轴工作，快轴隔离。耦合器三个光纤端口分别连接相移器输出端、波分复用器信号端、以及激光器的展宽放大器。另一个端口也可作为脉冲信号输出端。

角度熔接点17采用对轴角度熔接，即在熔接过程中保证两段光纤的快(慢)轴成45°夹角。

带尾纤的光纤反射镜18，优选为1030波段的光纤反射镜。所述的尾纤为耦合光纤，优选为PM980光纤。

所述的波分复用器2，为工作波段1039/1042nm，可以将双波长锁模脉冲种子源输出的双波长脉冲在空间分束。

所述的光纤放大器，包括光隔离器、波分复用器、增益光纤；所述光纤放大器可以为单级放大或多级级联放大结构，依目标输出功率而定。其为典型结构，本发明不再赘述。

所述的脉冲压缩器为采用空间光栅对、棱镜对或棱栅对搭建的典型脉冲压缩装置。其为典型结构，本发明不再赘述。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如将振荡器中被动锁模机制改为其他类型，如半导体可饱和吸收镜锁模或非线性偏振旋转锁模，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高功率双光梳光谱仪系统，其特征在于：所述系统包括双波长锁模脉冲种子源(1)，信号光波分复用器(2)，第一光纤放大器(3)、第二光纤放大器(4)，第一压缩器(5)以及第二压缩器(6)，其中，所述双波长锁模脉冲种子源(1)，波分复用器(2)，第一光纤放大器(3)、第二光纤放大器(4)为全保偏光纤链路搭建，所述第一压缩器(5)以及第二压缩器(6)为采用空间光栅对、棱镜对或棱栅对搭建的典型脉冲压缩装置。

2.如权利要求1所述的高功率双光梳光谱仪系统，其特征在于：所述双波长锁模脉冲种子源(1)包括半导体泵浦二极管LD，泵浦波分复用器，增益光纤，相移器，输出耦合器，中央分束器，角度熔接点以及带尾纤的光纤反射镜，各个光纤器件依次首尾熔接，构成谐振腔链路。

3.如权利要求1所述的高功率双光梳光谱仪系统，其特征在于：所述信号光波分复用器(2)为保偏光纤分束器，用于将种子源输出的双波长锁模脉冲按中心波长分束，使两个波长的锁模脉冲在空间上分束，分别用作双光梳系统的信号光和干涉光。

4.如权利要求1所述的高功率双光梳光谱仪系统，其特征在于：所述光纤放大器包括光隔离器、波分复用器、增益光纤；所述光纤放大器为单级或多级的级联放大器结构，所述增益光纤为纤芯掺杂稀土离子的波导介质。

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