一種高重頻鎖模光纖激光器及其產生高重頻脈沖的方法與流程

文檔序號：11810827閱讀：1276來源：國知局

本發明涉及激光技術中非線性光學領域，尤其涉及一種高重頻鎖模光纖激光器及其產生高重頻脈沖的方法。

技術背景

高重復頻率超短脈沖激光器在非線性光學、高速光采樣、光學頻率梳、高速形態測量、太赫茲波產生等許多重要的光學領域中有著廣泛的應用而備受關注。目前，主動鎖模和被動鎖模都是可以獲得高重復頻率的常用技術，但是主動鎖模需要高頻信號發生器和調制器，這無疑增加了技術的復雜性和技術成本，并且，主動鎖模的脈寬為皮秒量級。相比之下，被動鎖模光纖激光器的結構要簡單得多。在被動鎖模光纖激光器中，產生高重頻脈沖的常用方法為短腔法和諧波鎖模法。由于激光諧振腔內器件存在物理尺寸限制，短腔法能實現的重復頻率只能達到10-20GHz；而諧波鎖模法因為受環境因素影響，容易產生較大的時間啁啾和振幅抖動，穩定性低。

四波混頻，是指一個或幾個光波的光子被湮滅，同時產生了幾個不同頻率的新光子，在整個變換過程中，遵從凈能量和動量是守恒定則。通俗的說，就是兩種或三種不同波長的光混合在一起后產生新的頻率的光。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供的一種高重頻鎖模光纖激光器及其產生高重頻脈沖的方法是一種全新的方案，基于雙泵浦四波混頻產生的高重復頻率脈沖具有重復頻率高,穩定性好，重復頻率可調諧等優點。

本發明的技術方案如下：

一方面，本發明公布了一種高重頻鎖模光纖激光器，包括由波分復用器、光隔離器、光耦合器、可飽和吸收體和增益光纖順序連接的激光環形腔，連接到所述波分復用器泵浦輸入端的激光泵浦源，與第一光耦合器連接的第二光耦合器，以及連接到所述第二光耦合器的第一連續光源和第二連續光源。

所述第一光耦合器的一個輸出端連接可飽和吸收體，另一個輸出端作為激光的信號輸出。

優選地，所述第一連續光光源和第二連續光光源是從單縱模窄線寬可調諧激光器發出，兩者的波長與激光器中心波長之差皆大于5nm。

可飽和吸收體作為激光器的鎖模器件。所述增益光纖的纖芯摻雜高濃度的發光離子，發光離子為稀土離子Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺、Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺和Lu³⁺中一種或多種的組合體。所述的激光泵浦源為半導體激光器、固體激光器、光纖激光器或拉曼激光器。所述的可飽和吸收體為半導體可飽和吸收鏡，或碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯的聚合物、拓撲絕緣體、黑磷、二硫化鉬、二硒化鎢，或等效可飽和吸收體結構包括非線性偏振旋轉、非線性光纖環形鏡、非線性放大環形鏡。

另一方面，本發明公布了所述高重頻鎖模光纖激光器產生高重頻脈沖的方法，包括以下步驟：

1)由泵浦源發出的激光依次經過增益光纖與可飽和吸收體后進入光耦合器，產生的原始激光的頻率為ω₀；

2)第一連續光源向第二耦合器中注入頻率為ω₁的單縱模窄線寬連續單色光波，第二連續光源中注入頻率為ω₂的單縱模窄線寬連續單色光波，兩種單色光波具有一定波長差，且功率接近；

3)頻率分別為ω₀，ω₁，ω₂的三個光信號經光纖中的四波混頻效應在產生頻率分別為ω_a＝ω₀+ω₁-ω₂，ω_a’＝ω₀+ω₂-ω₁的新的光波分量；

4)頻率為ω_a和ω_a’的光波分量與頻率為ω₁,ω₂的光波作用，繼續產生頻率為ω_b和ω_b’的光波分量；此時，光波間的間隔頻率為Δω＝ω_a-ω₀＝ω₀-ω_a’＝ω₁-ω₂；以激光器環形腔產生的頻率為ω₀的原始激光為中心會產生以Δω為間距的等間隔邊帶，這些在頻域上等間距分布的頻率分量最終會在時域上顯示為等間距的脈沖，脈沖之間的間距Δt＝2π/Δω，最終，本激光器可以產生重復頻率f＝Δω/2π的脈沖輸出。

可以看到，脈沖間距Δω由第一連續光源和第二連續光源注入的連續單色光波間的波長差決定，由于孤量子化效應，每個脈沖的強度趨于一致。

采用上述方案后，本發明具有的顯著優點和突出進步為：利用雙泵浦四波混頻的結構實現超高重復頻率的鎖模光纖激光器，輸出的激光脈沖重復頻率最高可達1THz，脈沖寬度窄，諧波鎖模不容易產生較大的時間啁啾和振幅抖動，穩定性高。

附圖說明

圖1為本發明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器的結構示意圖；

圖2為本發明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器產生的光譜邊帶原理簡圖；

圖3為本發明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器產生的輸出光的時域圖演化圖；

圖4為本發明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器的輸出光的光譜圖；

圖5為本發明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器產生的輸出光經濾波器處理后的脈沖序列；

圖中標記：1-激光泵浦源，2-波分復用器，3-光隔離器，4-第一連續光光源，5-第二連續光光源，6-第二光耦合器，7-第一光耦合器，8-可飽和吸收體，9-增益光纖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。本發明的實施方式包括但不限于下列實施例。

實施例1

如圖1所示，一種高重頻鎖模光纖激光器，包括由波分復用器2、光隔離器3、光耦合器7、可飽和吸收體8和增益光纖9順序連接的激光環形腔，連接到波分復用器2泵浦輸入端的激光泵浦源1，與第一光耦合器7連接的第二光耦合器6，以及連接到第二光耦合器6的第一連續光源4和第二連續光源5；第一光耦合器7的一個輸出端連接可飽和吸收體8，另一個輸出端作為激光的信號輸出。

其中激光泵浦源1采用980nm的單模半導體激光器；波分復用器2為非保偏型波分復用器；光隔離器3采用偏正無關型光隔離器；第一連續光光源4和第二光光源5輸出波長遠離鎖模光纖激光器中心波長，波長分別為1508.4nm和1510nm，波長差為1.6nm；第二光耦合器6的輸入端分別為50％和50％；第一光耦合器7的輸入端分別為50％和50％，輸出端分別為95％和5％，其中5％輸出端為激光信號輸出端，95％輸出端連接諧振腔后續部件；可飽和吸收體8為半導體可飽和吸收鏡；增益光纖9為摻雜有Er³⁺的非保偏型增益光纖。

由激光泵浦源發出波長λ_pump＝980nm激光注入環形腔中，產生的原始激光的頻率為ω₀，對應波長λ₀＝1550nm；第一連續光源向第二耦合器中注入頻率為ω₁對應波長為λ₁＝1508.4nm的單縱模窄線寬連續單色光波，第二連續光源中注入頻率為ω₂對應波長為λ₂＝1510nm的單縱模窄線寬連續單色光波，兩種單色光波具有一定波長差，且功率接近；頻率分別為ω₀,ω₁,ω₂的三個光信號經四波混頻效應在第二光耦合器中產生頻率分別為ω_a＝ω₀+ω₁-ω₂，ω_a’＝ω₀+ω₂-ω₁對應波長為λ_a＝978.4nm和λ_a’＝981.6nm的新的光波分量；頻率為ω_a和ω_a’的光波分量與頻率為ω₁,ω₂的光波作用，繼續產生頻率為ω_b和ω_b’的光波分量；此時，光波間的間隔頻率為Δω＝ω_a-ω₀＝ω₀-ω_a’＝ω₁-ω₂,對應波長差為Δλ＝1.6nm；以激光器環形腔產生的頻率為ω₀的原始激光為中心會產生以Δω為間距的等間隔邊帶，這些在頻域上等間距分布的頻率分量最重會在時域上顯示為等間距的脈沖，脈沖之間的間距Δt＝2π/Δω＝5ps，最終，本激光器可以產生重復頻率f＝Δω/2π＝200GHz的脈沖輸出。