一種產生皮秒雷射脈衝的方法

2023-10-28 10:09:07 1

一種產生皮秒雷射脈衝的方法
【專利摘要】本發明提供了一種產生皮秒雷射脈衝的方法，將稀土類摻雜光纖雷射器產生的定波長的連續雷射，經過高重頻調製裝置處理後，生成20～100GHz的多階倍頻信號；信號被放大後再經反常色散的高非線性光纖，形成皮秒雷射脈衝。本發明利用非線性光學孤子效應，並採用一種原只用於光纖無線通信中的全光化調製技術——載波抑制和光交錯復用濾波技術，獲取超高重頻脈衝串，而且可以通過改變邊頻和載頻的頻差使重複率可調，從而同時達到高峰值功率與高平均功率要求。
【專利說明】一種產生皮秒雷射脈衝的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種脈衝信號產生的方法，特別涉及皮秒雷射脈衝產生的方法。
【背景技術】
[0002]高功率皮秒脈衝雷射在物理學、化學、材料學、生物學、國防等領域發揮了重要作用，例如，高功率皮秒光纖雷射器在微加工和雷射投影等方面有著重要應用，並有可能成為未來高速自由空間系統的中心組件，用於衛星間甚至行星間的通信，其在超連續產生、THz波產生等領域也具有重要應用前景。雷射光源的平均功率，是皮秒雷射的薄弱環節。脈衝雷射的平均功率取決於單脈衝能量和重複頻率，而單脈衝峰值功率受到非線性效應、光損傷等因素的限制難以提高。如光纖中非線性自相位調製和受激拉曼散射的產生，限制了目前的光纖放大器輸出平均功率難以超越100W。通過使用大模場光纖等方法，可以有效降低非線性效應閾值，但是光束質量又難以保證。所以增加皮秒脈衝的重複頻率是實現高平均功率皮秒雷射的一條有效途徑。常規皮秒雷射一般是通過鎖模方法實現的。由於受到腔長的制約，重複頻率一般在幾十MHz至百MHz量級，難以再提高，而且環境的變化會導致鎖模狀態的破壞，使得雷射器不能有效工作[2]。所以如何增加重複頻率是獲得高平均功率皮秒雷射的關鍵。除此之外，如何保證高功率皮秒雷射的輸出穩定、高光束質量、器件結構緊湊、易維護等亦決定了其應用的可行性。
[0003]近年來，許多研究者力求通過增加重複頻率獲得高平均功率皮秒雷射。2006年，南安普頓大學P.Dupriez等人基於IGHz重複率的增益開關雷射二極體和主振蕩器功率放大(MOPA)方法，實現了 1060nm、20ps、321W的多模雷射輸出，但該高功率皮秒雷射器含有體空間元件，未做成全光纖化。2009年，該小組的K.K.Chen使用同樣的種子源，得到了 1060nm、20ps、100W的單模、單偏振雷射輸出。2010年K.K.Chen通過對原有系統進行改進，得到了重複率56MHz?198MHz可調的1060nm、21ps、100W的單模、單偏振雷射輸出；並探討了提高泵浦二極體有效功率，可望進一步提高輸出平均功率，但未予做出嘗試。2008年，西安光機所的劉紅軍等人使用IMHz重頻的增益開關雷射二極體，實現了 1060nm、90ps、3.5W的緊湊全光纖化輸出，2010年在原有系統上予以改善，得到了 1053?1073nm可調、150ps、10W的高光束質量的雷射輸出。2009年，國防科學技術大學的陳勝平等人採用摻鐿光纖雷射器作為注入源，引入重複頻率增加單元，將重複頻率增加八倍至478MHz，得到平均功率97W的輸出，首次採用此種方法獲得了輸出功率大幅提高的全光纖化皮秒光源。通過縮短腔長，臺灣國立交通大學的H.C.Liang等人通過3_X 3_X IOmm的NchYVO4晶體,實現了 1342nm、2?6GHz重複頻率的11.5?37ps的脈衝輸出。2011年吳聞迪等人採用對摻鐿光纖雷射器的注入雷射直接泵浦放大的方法，得到了平均功率102W、76ps、18.6MHz的大功率、但線寬很窄的皮秒雷射輸出。

【發明內容】

[0004]本發明旨在提供一種可產生高重複頻率、高功率且線寬較寬的皮秒雷射脈衝的方法。本發明通過以下方案實現:
[0005]一種產生皮秒雷射脈衝的方法，將稀土類摻雜光纖雷射器產生的定波長的連續雷射，經過高重頻調製裝置處理後，生成20~IOOGHz的多階倍頻信號；信號被放大後再經反常色散的高非線性光纖，形成皮秒雷射脈衝。所述稀土類摻雜光纖雷射器的稀土類元素選擇Er、Yb或Tm，選擇不同的摻雜稀土可獲得不同波長的連續雷射。
[0006]所述高重頻調製裝置選擇20GHz的射頻信號驅動的馬赫-曾德爾強度調製器和馬赫一曾德爾幹涉型光纖交錯復用器，產生20GHz的調幅波。
[0007]所述信號放大步驟包括預放階段和功放階段。其中預放階段可採用(2+1) X I合束器，將待放大的信號和泵浦光稱合入摻雜有源雙包層光纖中。有源雙包層光纖選擇芯徑為15 μ m、內包層直徑為130 μ m、數值孔徑分別為0.08和0.46的光纖，光纖中摻雜可採用稀土類元素離子，進一步可選擇Er3+、Yb3+、Tm3+等。採用的泵浦光功率為50W。
[0008]所述功放階段，採用(6+1) X I合束器，將經過預放階段的放大後的信號和的泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進行放大，所述有源雙包層光纖選擇芯徑為30 μ m、內包層直徑為250 μ m、數值孔徑分別為0.06和0.46的光纖，光纖中摻雜可採用稀土類元素離子，進一步可選擇Er3+、Yb3+、Tm3+等。採用的泵浦光功率為300W。
[0009]與現有產生皮秒雷射脈衝技術相比，本發明的優點如下: [0010]1.本發明中採用的高重頻裝置是借用了光纖無線通信中的載波抑制和光交錯復用濾波技術，從而實現調製頻率多階倍頻的高重頻調製，使脈衝重複率達到幾十GHz至幾個THz，產生高重頻信號。
[0011]2.基於全光化調製技術產生超高重複頻率皮秒雷射。此方法突破了基於鎖模原理的皮秒脈衝低重頻瓶頸，利用時域小尺度自聚焦形成高重頻孤子的效應，大幅度提高皮秒雷射的平均功率。
【具體實施方式】
[0012]實施例1
[0013]一種產生皮秒雷射脈衝的方法，將稀土 Yb摻雜光纖雷射器產生的I μ m連續雷射，經過由20GHz的射頻信號驅動的馬赫-曾德爾強度調製器(調製深度0.1)和馬赫一曾德爾幹涉型光纖交錯復用器，生成20~IOOGHz的多階倍頻信號。
[0014]採用(2+1) Xl合束器，將上述倍頻信號與泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進行預放。有源雙包層光纖選擇芯徑為15 μ m、內包層直徑為130 μ m、數值孔徑分別為0.08和0.46的光纖，光纖中摻雜採用Yb3+，採用的泵浦光功率為50W。
[0015]採用(6+1) Xl 合束器，將經過預放階段的放大後的信號和的泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進行功放，所述有源雙包層光纖選擇芯徑為30 μ m、內包層直徑為250 μ m、數值孔徑分別為0.06和0.46的光纖，光纖中摻雜採用Yb3+。採用的泵浦光功率為300W。
[0016]放大後的信號30W注入反常色散的高非線性多模光纖，光纖參數為:非線性係數Y = Ιδ^Ιαι 1，色散參數 β 2=-33.2ps2/km, β 3=1.26 X 10_1ps3/km, β 4=_2.75 X 10_4ps4/km,β 5=9.23 X 10_7ps5/km, β 6=-3.20 X 10_9ps6/km, β 7=9.15 X 10_12ps7/km, β 8=-1.88 X 10_14ps8/km, β 9=2.43 X lCT17ps9/km, β 10=-1.51 X lCT20ps10/km,芯徑 40um,經 26.4m 的傳輸距離形成IOOGHz重複頻率的皮秒雷射脈衝。
[0017]實施例2
[0018]與實施例1不同的是，雷射器為稀土 Er摻雜的光纖雷射器，產生波長1550nm連續雷射。放大後的信號30W注入光纖參數為:非線性係數Y = 1.1WlnT1,色散參數 β 2=-35.8ps2/km，β 3=8.I X lCT2ps3/km，β 4=_9.5 X lCT5ps4/km，β 5=2.I X lCT7ps5/km,β 6=-5.4 X lCT10ps6/km，β 7=1.3 X lCT12ps7/km，β 8=_2.5 X lCT15ps8/km, β 9=3.I X lCT18ps9/km, β 10=-1.7 X 10_21ps10/km,芯徑40um的多模光纖,經130.3m的傳輸距離形成IOOGHz重複頻率的皮秒雷射脈衝。
【權利要求】
1.一種產生皮秒雷射脈衝的方法，其特徵在於:將稀土類摻雜光纖雷射器產生的定波長的連續雷射，經過高重頻調製裝置處理後，生成20?IOOGHz的多階倍頻信號；信號被放大後再經反常色散的高非線性光纖形成皮秒雷射脈衝。
2.如權利要求1所述的產生皮秒雷射脈衝的方法，其特徵在於:所述信號放大步驟包括預放階段和功放階段。
3.如權利要求2所述的產生皮秒雷射脈衝的方法，其特徵在於:所述預放階段採用合束器，將所述倍頻信號與泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進行放大。
4.如權利要求2或3所述的產生皮秒雷射脈衝的方法，其特徵在於:所述功放階段，採用合束器，將經過預放階段的信號和泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進行放大。
5.如權利要求1?3之一所述的產生皮秒雷射脈衝的方法，其特徵在於:所述稀土類摻雜光纖雷射器的稀土類元素選擇Er、Yb或Tm。
6.如權利要求4所述的產生皮秒雷射脈衝的方法,其特徵在於:所述稀土類摻雜光纖雷射器的稀土類元素選擇Er、Yb或Tm。
7.如權利要求1?3之一所述的產生皮秒雷射脈衝的方法，其特徵在於:所述高重頻調製裝置為20GHz的射頻信號驅動的馬赫-曾德爾強度調製器和馬赫一曾德爾幹涉型光纖交錯復用器。
8.如權利要求4所述的產生皮秒雷射脈衝的方法，其特徵在於:所述高重頻調製裝置為20GHz的射頻信號驅動的馬赫-曾德爾強度調製器和馬赫一曾德爾幹涉型光纖交錯復用器。
【文檔編號】H01S3/11GK103474870SQ201310434042
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】楊華, 趙楚軍, 唐平華, 文雙春 申請人:湖南大學