一種基於光譜調節的光纖雷射器及其實現方法
2023-12-11 17:42:57 3
一種基於光譜調節的光纖雷射器及其實現方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於光譜調節的光纖雷射器及其實現方法。本發明的光纖雷射器包括：種子源、摻鉺光纖放大器、脈衝壓縮系統和倍頻濾波系統；在增益光纖的末端設置偏振控制器；脈衝壓縮系統採用稜鏡對，調節預啁啾光纖的長度，使得預啁啾光纖和稜鏡對的負色散抵消增益光纖的正色散。本發明採用通過調節預啁啾光纖長度來調節飛秒脈衝在放大前的負啁啾的大小，控制飛秒脈衝在放大前的負啁啾的大小，來控制在放大過程中的非線性效應，從而優化倍頻效率；採用在增益光纖中加入偏振控制器，調節放大器輸出脈衝的偏振度，減少由於脈衝壓縮系統的稜鏡對對信號光的反射引起的損耗，從而獲得更高的基頻光功率。
【專利說明】一種基於光譜調節的光纖雷射器及其實現方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖雷射器，具體涉及一種基於光譜調節的光纖雷射器及其實現方法。
【背景技術】
[0002]近紅外的超短脈衝在太赫茲技術，雙光子成像技術，相干反斯託克斯散射顯微技術等領域具有重大的應用價值。對於以上的應用領域，固體雷射器鈦寶石鎖模雷射器是產生飛秒脈衝的主流設備。儘管鈦寶石雷射器在科研領域上具有很廣泛的應用，但是它們也存在價格高，穩定性差，需要經常維修，對工作環境的穩定性要求苛刻等一系列無法克服的缺點。這也阻礙了鈦寶石固體雷射器的進一步發展。
[0003]近年來隨著飛秒量級的光纖雷射器的出現，也成為了飛秒固體雷射器的有力競爭對手。它的最大優點是小型化、效率高、省能源、穩定性好。被動鎖模摻鉺光纖雷射器在實驗上和理論上都被陸續證明。但是由於光在光線中傳播的時候的非線性效應以及色散會導致超短脈衝的形變，所以很提高1550nm波段的摻鉺光纖雷射器的平均功率，進而更難獲得較高的倍頻後的近紅外波段的飛秒脈衝雷射的平均功率。
[0004]目前，已經有人利用一個雙臂重複頻率為98MHz的摻鉺光纖飛秒雷射器倍頻獲得770nm波段，平均功率為120毫瓦的飛秒光纖雷射器，這類光纖雷射器通常使用啁啾型的周期性極化的鈮酸鋰倍頻晶體，商用倍頻晶體通常無法獲得較高的倍頻效率；通過多模鉺鐿共摻光纖放大器也可以獲得了類似的近紅外飛秒雷射的輸出功率。但是通過多模鉺鐿共摻光纖放大器的系統中，通常需要透鏡耦合，對環境的穩定性要求苛刻，容易丟失耦合。另外，使用大模場面積的增益光纖，容易喪失了光纖原有的柔韌特性，反而使其體積大於同類估計雷射放大器。
【發明內容】
[0005]針對以上現有技術中飛秒光纖雷射器在利用摻鉺光纖雷射器信號倍頻時利用透鏡耦合不穩定、效率沒有得到優化，利用特定啁啾型倍頻晶體等缺點，本發明提出通過調節摻鉺光纖放大器的預啁啾光纖長度來調節飛秒脈衝在放大前的啁啾，從而調節脈衝的輸出光譜和輸出脈寬的光纖雷射器及其實現方法。
[0006]本發明的一個目的在於提供一種基於光譜調節的光纖雷射器。
[0007]本發明的基於光譜調節的光纖雷射器包括:種子源、摻鉺光纖放大器、脈衝壓縮系統和倍頻濾波系統；種子源輸出脈衝，通過預啁啾光纖連接至摻鉺光纖放大器；脈衝經摻鉺光纖放大器放大後輸出至脈衝壓縮系統；經脈衝壓縮系統對脈衝壓縮後傳輸至倍頻濾波系統，得到高重頻的飛秒雷射脈衝；其中，摻鉺光纖放大器包括泵浦源、耦合器和增益光纖，在增益光纖的兩端分別設置耦合器，耦合器將泵浦源引入增益光纖；在增益光纖的末端設置偏振控制器，調節摻鉺光纖放大器輸出脈衝的偏振度；脈衝壓縮系統採用稜鏡對，調節預啁啾光纖的長度，使得預啁啾光纖和稜鏡對的負色散抵消增益光纖的正色散。[0008]利用非線性偏振旋轉鎖模NPR原理獲得摻鉺光纖鎖模雷射器作為種子源，輸出脈衝經過一段預啁啾光纖後注入摻鉺光纖放大器中，摻鉺光纖放大器採用雙向泵浦的方式泵浦；然後經過稜鏡對對脈衝進行壓縮，最後經過聚焦到倍頻濾波系統得到倍頻的飛秒脈衝雷射。預啁啾光纖採用單模光纖，提供負色散，增益光纖提供負色散。種子源的輸出脈衝，在增益光纖的放大過程中，通過自相位調製引起光譜壓縮效應和脈寬變化，本發明通過調節預啁啾光纖的長度，控制飛秒脈衝在放大前的負啁啾的大小，來控制在放大過程中的非線性效應，從而優化倍頻效率。
[0009]本發明在摻鉺光纖放大器的增益光纖的末端弓I入偏振控制器，調節摻鉺光纖放大器輸出脈衝的偏振度，使得稜鏡對的輸出脈衝的功率最大，減少由於脈衝壓縮系統的稜鏡對對信號光的反射引起的損耗，從而獲得更高的基頻光功率。
[0010]本發明的另一個目的在於提供一種基於光譜調節的光纖雷射器的實現方法。
[0011]本發明的基於光譜調節的光纖雷射器的實現方法，包括以下步驟:
[0012]I)根據實際需要，設計預啁啾光纖的長度範圍和調節間距；
[0013]2)調整預啁啾光纖的長度，種子源輸出脈衝，通過預啁啾光纖連接至摻鉺光纖放大器放大，通過增益光纖中的偏振控制器調節輸出脈衝的偏振度，以減少稜鏡對對脈衝光反射引起的損耗，放大後輸出至脈衝壓縮系統；
[0014]3)測量光譜寬度，並且測量壓縮後的脈衝寬度，調節稜鏡對之間的距離，使得壓縮後的脈衝寬度最小；
[0015]4)脈衝壓縮後傳輸至倍頻濾波系統，測量得到倍頻效率；
[0016]5)按照調節間距增加預啁啾光纖的長度，重複步驟2)?4)，直到在預啁啾光纖的長度範圍內的點都做完為止，進入步驟6)；
[0017]6)得到倍頻效率隨預啁啾光纖的長度變化的曲線圖，找到倍頻效率最高的點，以此點設置為預啁啾光纖的長度。
[0018]本發明的優點:
[0019](I)採用通過調節摻鉺光纖放大器的預啁啾光纖長度來調節飛秒脈衝在放大前的負啁啾的大小，控制飛秒脈衝在放大前的負啁啾的大小，來控制在放大過程中的非線性效應，從而優化倍頻效率；
[0020](2)採用在摻鉺光纖放大器的增益光纖中加入偏振控制器，調節放大器輸出脈衝的偏振度，減少由於脈衝壓縮系統的稜鏡對對信號光的反射引起的損耗，從而獲得更高的基頻光功率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的基於光譜調節的光纖雷射器的一個實施例的結構示意圖；
[0022]圖2為本發明的基於光譜調節的光纖雷射器在不同預啁啾光纖的長度下的脈衝寬度、光譜寬度和倍頻效率的曲線圖，其中(a)為脈衝寬度和光譜寬度隨預啁啾光纖的長度變化的曲線圖，(b)為倍頻效率隨預啁啾光纖的長度變化的曲線圖；
[0023]圖3為本發明的基於光譜調節的光纖雷射器輸出的飛秒脈衝的自相關曲線圖；
[0024]圖4為本發明的基於光譜調節的光纖雷射器輸出的飛秒脈衝的光譜圖。【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖，通過實施例對本發明做進一步說明。
[0026]如圖1所示，本實施例的基於光譜調節的光纖雷射器包括:種子源1、摻鉺光纖放大器2、脈衝壓縮系統3和倍頻濾波系統4 ;其中，摻鉺光纖放大器包括泵浦源21、耦合器22和增益光纖23 ;在增益光纖23的末端設置偏振控制器6。
[0027]圖1中，51為光纖隔離器，長度為30mm ;增益光纖23為220mm的摻鉺光纖；從摻鉺光纖放大器2輸出的脈衝經單模光纖52、光纖隔離器51、準直器71 (直徑為3.8mm)、l/4玻片72 (直徑12.7mm)、1/2玻片73 (直徑12.7mm)和方形反射鏡74 (尺寸20*20*2mm)傳播至稜鏡對3 ；31為角鏡；倍頻濾波系統4依次包括1/2玻片41 (直徑12.7mm)、凸透鏡42(焦距f=35mm,直徑=25.4mm)、倍頻晶體43 (商用銀酸鋰倍頻晶體)、凸透鏡44 (焦距=40mm,直徑=25.4mm)和濾波片45 (直徑=25.4mm)。
[0028]種子源I為利用非線性偏振旋轉鎖模NPR原理獲得重複頻率為80MHz，平均功率為5mW摻鉺光纖鎖模雷射器，輸出脈衝經過一段預啁啾光纖5，採用單模光纖，提供負色散，後注入摻鉺光纖放大器中，摻鉺光纖放大器2採用四個974nm 二極體作為泵浦源21雙向泵浦的方式泵浦，經過放大之後獲得407mW的1550nm飛秒脈衝雷射，通過摻鉺光纖作為增益光纖23中的偏振控制器6調節輸出脈衝的偏振度，使得輸出稜鏡對的脈衝的功率最大，即損耗最小；然後經過採用矽材料的稜鏡對的脈衝壓縮系統3對脈衝進行壓縮，最後經過聚焦到商用鈮酸鋰倍頻晶體獲得SOOnm附近的飛秒脈衝雷射。通過調節預啁啾光纖5的長度，可以獲得不同的放大和壓縮後基頻光1550nm飛秒脈衝的光譜寬度和脈衝寬度，這兩個指標也對於倍頻效率產生巨大的影響。
[0029]脈衝寬度和光譜寬度隨預啁啾光纖的長度變化如圖2 (a)所示，其中，曲線a為脈衝寬度隨預啁啾光纖的長度變化的曲線，曲線b為光譜寬度隨預啁啾光纖的長度變化的曲線；倍頻效率隨預啁啾光纖的長度變化如圖2 (b)所示。最後獲得的SOOnm附近飛秒脈衝的自相關曲線如圖3所示，飛秒脈衝的光譜如圖4所示。
[0030]本實施例的基於光譜調節的光纖雷射器的實現方法，包括以下步驟:
[0031]I)設計預啁啾光纖的長度範圍在2?5米之間，調節間距為調節間距Im ；
[0032]2)調整預啁啾光纖的長度，種子源輸出脈衝，通過預啁啾光纖連接至摻鉺光纖放大器放大之後獲得407mW的1550nm飛秒脈衝雷射，通過增益光纖中的偏振控制器調節輸出脈衝的偏振度，減少稜鏡對對脈衝光反射引起的損耗，放大後輸出至脈衝壓縮系統；
[0033]3)測量光譜寬度，並且測量壓縮後的脈衝寬度，調節稜鏡對之間的距離，使得壓縮後的脈衝寬度最小；
[0034]4)脈衝壓縮後傳輸至倍頻濾波系統，測量得到倍頻效率；
[0035]5)按照調節間距增加預啁啾光纖的長度，重複步驟2)?4)，直到預啁啾光纖的長度範圍內的點都做完為止，進入步驟6)
[0036]6)得到倍頻效率隨預啁啾光纖的長度變化的曲線圖，如圖2 (b)所示，找到倍頻效率最高的點為3m，從而設置為預啁啾光纖的長度為3m，光纖雷射器的倍頻效率最高。
[0037]最後需要注意的是，公布實施方式的目的在於幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於實施例所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種基於光譜調節的光纖雷射器，其特徵在於，所述光纖雷射器包括:種子源(I)、摻鉺光纖放大器(2)、脈衝壓縮系統(3)和倍頻濾波系統(4);所述種子源(I)輸出脈衝，通過預啁啾光纖(5)連接至摻鉺光纖放大器(2);脈衝經摻鉺光纖放大器(2)放大後輸出至脈衝壓縮系統(3);經脈衝壓縮系統(3)對脈衝壓縮後傳輸至倍頻濾波系統；其中，摻鉺光纖放大器(2)包括泵浦源(21)、耦合器(22)和增益光纖(23)，在所述增益光纖(23)的兩端分別設置耦合器(22)，耦合器(22)將泵浦源(21)引入增益光纖(23);在所述增益光纖(23)的末端設置偏振控制器(6)，調節摻鉺光纖放大器(2)輸出脈衝的偏振度；所述脈衝壓縮系統(3)採用稜鏡對，調節所述預啁啾光纖(5)的長度，使得預啁啾光纖和稜鏡對的負色散抵消增益光纖的正色散。
2.如權利要求1所述的光纖雷射器，其特徵在於，所述預啁啾光纖(5)採用單模光纖。
3.如權利要求1所述的光纖雷射器，其特徵在於，所述增益光纖(23)為摻鉺光纖。
4.一種基於光譜調節的光纖雷射器的實現方法，其特徵在於，所述實現方法包括以下步驟: 1)根據實際需要，設計預啁啾光纖的長度範圍和調節間距； 2)調整預啁啾光纖的長度，種子源輸出脈衝，通過預啁啾光纖連接至摻鉺光纖放大器放大，通過增益光纖中的偏振控制器調節輸出脈衝的偏振度，以減少稜鏡對對脈衝光反射引起的損耗，放大後輸出至脈衝壓縮系統； 3)測量光譜寬度，並且測量壓縮後的脈衝寬度，調節稜鏡對之間的距離，使得壓縮後的脈衝寬度最小； 4)脈衝壓縮後傳輸至倍頻濾波系統，測量得到倍頻效率； 5)按照調節間距增加預啁啾光纖的長度，重複步驟2)?4)，直到在預啁啾光纖的長度範圍內的點都做完為止，進入步驟6)； 6)得到倍頻效率隨預啁啾光纖的長度變化的曲線圖，找到倍頻效率最高的點，以此點設置為預啁啾光纖的長度。
【文檔編號】H01S3/101GK103715591SQ201410006142
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月7日 優先權日:2014年1月7日
【發明者】施可彬, 劉關玉, 楊宏, 龔旗煌 申請人:北京大學