一種利用模間拍頻進行激光鎖模的新技術的制作方法

本發明屬于激光技術領域，尤其涉及一種激光鎖模技術。

背景技術：

與連續工作的激光器相比，脈沖激光能將諧振腔內存儲的能量在極短的時間內釋放輸出，使輸出激光的峰值功率比連續激光提高了幾個數量級，更能滿足實際應用的要求。特別是光纖激光器的迅速發展，最近極大地推動了脈沖光纖激光器的發展，具有一定重復頻率、高能量的脈沖光纖激光器已經成為當前人們的研究熱點之一。鎖模技術是一種獲得脈沖激光器的常用技術，通過對激光進行特殊的調制，強迫激光器中振蕩腔的各個縱模的相位鎖定，使各模式相干疊加以得到超短脈沖的技術。激光器的鎖模是獲得更短(皮秒或飛秒量級)脈沖的最有效和優選的技術之一

目前的鎖模技術主要分為主動鎖模、被動鎖模和混合鎖模三類。

主動鎖模時通過外界信號來周期性調制諧振腔參量，實現各個腔體縱模之間相位鎖定的一種鎖模技術。主動鎖模激光器主要是指在激光腔內插入主動的調制器件或外界有脈沖注入，利用這些主動因素對激光腔內光波進行調制來實現鎖模。主動鎖模又可分為以下三類：基于調制器的鎖模技術、有理數諧波鎖模技術、注入型主動鎖模技術。其中基于調制器鎖模技術的特點是從腔外加入射頻信號到腔內的調制器上，通過信號對腔體的振蕩光波產生周期性的幅度或者相位調制，從而產生鎖模脈沖。主動鎖模的主要優點是可以產生高重復頻率和頻率可調諧的鎖模脈沖，且易于同步。主要缺點是：腔長和折射率容易受到外界環境影響而導致腔內失諧，以及超模競爭和馳豫震蕩造成的脈沖抖動產生的不穩定。主動鎖模的相關參考文獻有：(1)、《electricalwavelength-tunableactivelymode-lockedfiberringlaserwithalinearlychirpedfiberbragggrating》ieeephotonicstechnologyletters,10(6)(1998):799-801.》，作者：lishengping和chant.。

被動鎖模是一種全光非線性技術，能在腔內不用調制器之類的任何有源器件的情況下實現超短脈沖輸出。其基本原理是利用光纖或其他元件中的非線性光學效應(如可飽和吸收效應)對輸入脈沖強度的依賴性，實現各縱模相位鎖定，進而產生超短光脈沖。用來實現被動鎖模的方法通常有兩種：一種是在諧振腔內加入可飽和吸收體，另一種是在腔內加入非線性光纖環形鏡(nolm)或非線性放大光纖環形鏡(nalm)，利用光纖的克爾非線性效應形成快速開關使激光器處于鎖模運轉狀態；或通過偏振控制，利用非線性偏振旋轉效應產生鎖模脈沖。采用被動鎖模技術制作的光纖激光器因具有價格低廉、結構緊湊等優點因而在皮秒級和飛秒級光源方面有著廣泛的應用。由于被動鎖模產生的鎖模脈沖重復頻率與激光腔長成反比，要實現重復頻率為ghz量級的被動鎖模，需要激光腔短至厘米量級，實現較為困難。被動鎖模參考文獻：(1)、《mechanicalexfoliationofgrapheneforthepassivemode-lockingoffiberlasers》，appliedphysicsletters,99(12)(2011):121107,作者：amosmartinez等人；(2)、《nonlinearopticalabsorptionoffew-layermolybdenμmdiselenide(mose2)forpassivelymode-lockedsolitonfiberlaser[invited]》，photonicsresearch3(3)(2015):a79-a86，作者：羅正錢等人；(3)、《solitonpolarizationdynamicsinfiberlaserspassivelymode-lockedbythenonlinearpolarizationrotationtechnique》，physicalreviewe74(2006)：046605，作者：j.wu等人。

混合鎖模就是同時結合幾種不同的鎖模機制以獲得窄脈寬，高重復頻率且穩定的孤子脈沖序列。

然而，所有這些鎖模技術都需要特定的器件(例如用于主動鎖模的聲光調制器(aom))，用于非線性偏振旋轉鏡(npr)鎖模的波片和用于被動鎖模的可飽和吸收體，可能導致復雜的激光系統或成本的顯著增加。而且光路系統復雜，不穩定性因素較多。

技術實現要素：

本發明所要解決的主要技術問題是克服背景技術中的缺陷，提供一種不需要鎖模器件就能夠進行激光鎖模的方法。

為了解決上述的技術問題，本發明提供了一種利用模間拍頻進行激光鎖模的新技術，包括如下步驟：

(1)選擇合適的泵浦源激光器、稀土摻雜增益介質及諧振腔構建稀土摻雜激光器：根據想要實現的激光波長，選擇對應該稀土摻雜增益介質中稀土離子最佳吸收波長的泵浦源激光器，根據需要實現的激光波長，選擇反射波長匹配的反射鏡器件構建諧振腔；

(2)在泵浦源激光器的光源注入所述稀土摻雜增益介質，通過稀土離子的增益獲得受激輻射波長處的激光，并在激光腔內振蕩，形成連續激光；

(3)當泵浦源激光器工作在多縱模狀態時，從射頻輸出頻譜中觀察到由模間拍頻引起的泵浦源激光器泵浦功率的周期性微弱波動；

(4)通過稀土離子的光學增益，將泵浦源激光器因模間拍頻引起的泵浦功率波動傳遞給諧振腔內的激光，使得摻稀土激光器產生的激光功率在模間拍頻頻率處產生同步周期性功率波動；

(5)選擇泵浦源激光器拍頻信號較為強烈的縱模拍頻頻率作為拍頻匹配頻率fi，滿足下面的腔頻匹配條件：

fi＝n*δfs和δfs＝c/2nl

其中δfs是諧振腔縱模間隔頻率，c是光速，n是折射率，l是要構建的諧振腔腔長，n為正整數；

(6)調整諧振腔腔長l來調諧δfs，使之精確匹配所述拍頻匹配頻率fi，滿足上式腔頻匹配條件，在n次諧波處建立穩定鎖模狀態。

在一較佳實施例中：所述諧振腔為線性腔、折疊腔和環形腔中的一種。

在一較佳實施例中：所述增益介質為稀土離子摻雜的光纖、晶體或陶瓷。

在一較佳實施例中：所述光纖的基質為石英、硅酸鹽、磷酸鹽、碲酸鹽、氟化物、硫化物中的一種；所述光纖的纖芯/包層結構為單包層或多包層結構；

所述晶體的基質為釔鋁石榴石(yag)、釔鋰氟化物(ylf)、釩酸釔晶體(yvo4)、釓鎵石榴石(ggg)中的一種；

所述稀土離子的元素包括釹、鐿、鐠、鉍、鉺、銩、鈥中的一種或多種。

在一較佳實施例中：所述諧振腔為線形諧振腔，其依次由高反射輸入鏡(3)、稀土摻雜增益介質(2)、腔頻匹配部件(5)、輸出耦合鏡(4)構成。

在一較佳實施例中：所述諧振腔為z型折疊諧振腔，依次由高反射輸入鏡(3)、稀土摻雜增益介質(2)、腔頻匹配部件(5)、第一反射鏡(6)、第二反射鏡(7)和輸出耦合鏡(4)構成；

其中稀土摻雜增益介質(2)和腔頻匹配部件(5)設置在高反射輸入鏡(3)和第一反射鏡(6)之間、第一反射鏡(6)和第二反射鏡(7)之間、第二反射鏡(7)和輸出耦合鏡(4)之間中的任意一個或兩個或三個位置；不同放置位置的稀土摻雜增益介質(2)和腔頻匹配部件(5)可以不同也可以相同。

在一較佳實施例中：所述諧振腔為環形諧振腔，其依次由輸入光波分復用器(8)、稀土摻雜增益光纖(2)、偏振控制器(11)、光隔離器(10)、輸出光耦合器(9)和腔頻匹配部件(5)構成。

在一較佳實施例中：所述高反射輸入鏡(3)用高反射光纖布拉格光柵、光纖環反射鏡、高反射光學薄膜介質鏡片代替。

所述輸出耦合鏡(4)用部分反射光纖布拉格光柵、部分反射光纖環鏡、部分反射光學薄膜介質鏡代替。

在一較佳實施例中：所述腔頻匹配部件(5)采用長度可變的光纖、延遲線或調節輸入/輸出鏡間距來控制諧振腔腔長。

在一較佳實施例中：所述高反射輸入鏡(3)、第一反射鏡(6)、第二反射鏡(7)、輸出耦合鏡(4)起到波長選擇器件或濾波器件的作用，用于控制稀土摻雜激光器輸出激光的中心波長以及輸出光譜帶寬。

用于控制稀土摻雜激光器輸出激光的中心波長以及輸出光譜帶寬。

在一較佳實施例中：所述泵浦源激光器為多縱模固體激光器、多縱模光纖激光器、多縱模半導體激光器中的一種。

在一較佳實施例中：可通過調節所述腔頻匹配部件使諧振腔頻率匹配泵浦源激光器不同的縱模拍頻頻率，從而改變鎖模激光頻率。

相較于現有技術，本發明的技術方案具備以下有益效果：

本發明將模間拍頻鎖模技術與稀土摻雜激光器相結合，通過調整諧振腔長度，使稀土激光諧振腔頻率與泵浦源的模間拍頻頻率二者精確匹配，以建立激光器的穩定鎖模。區別于傳統的鎖模激光器的工作原理，基于這種技術的鎖模激光器不需要使用任何特定的鎖模器件，并能穩定地產生鎖模激光脈沖。該技術為高性能的超快激光源提供一個很有價值的備選方案。

附圖說明

圖1為本發明的原理圖；

圖2為模間拍頻鎖模技術應用于線性腔結構的激光器裝置圖；

圖3模間拍頻鎖模技術應用于z型腔結構的激光器裝置圖；

圖4模間拍頻鎖模技術應用于環形腔結構的激光器裝置圖；

圖5模間拍頻鎖模技術應用于線性腔光纖激光器產生2μm鎖模激光實驗裝置圖；

圖6波長為1565nm泵浦源光譜；

圖7使用射頻頻譜儀觀察到的1565nm多縱模泵浦源的模間拍頻效應；

圖8應用模間拍頻技術產生的2μm鎖模激光光譜；

圖9應用模間拍頻技術產生的2μm鎖模激光脈沖序列；

圖10應用模間拍頻技術產生的2μm鎖模激光基頻頻譜；

圖11應用模間拍頻技術產生的2μm鎖模激光在0—300mhz范圍內觀察到的射頻頻譜。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

參考圖1，一種利用模間拍頻進行激光鎖模的新技術，包括如下步驟：

(1)選擇合適的泵浦源激光器1、稀土摻雜增益介質2及諧振腔構建稀土摻雜激光器，所述泵浦源激光器1為多縱模固體激光器、多縱模光纖激光器、多縱模半導體激光器中的一種。根據想要實現的激光波長，選擇對應該稀土摻雜增益介質2中稀土離子最佳吸收波長的泵浦源激光器1，根據需要實現的激光波長，選擇反射波長匹配的反射鏡器件構建諧振腔；

(2)在泵浦源激光器1的光源注入所述稀土摻雜增益介質2，通過稀土離子的增益獲得受激輻射波長處的激光，并在激光腔內振蕩，形成連續激光；

(3)當泵浦源激光器1工作在多縱模狀態時，從射頻輸出頻譜中觀察到由模間拍頻引起的泵浦源激光器1泵浦功率的周期性微弱波動；

(4)通過稀土離子的光學增益，將泵浦源激光器1因模間拍頻引起的泵浦功率波動傳遞給諧振腔內的激光，使得摻稀土激光器產生的激光功率在模間拍頻頻率處產生同步周期性功率波動；

(5)選擇泵浦源激光器拍頻信號較為強烈的縱模拍頻頻率作為拍頻匹配頻率fi，滿足下面的腔頻匹配條件：

fi＝n*δfs和δfs＝c/2nl

其中δfs是諧振腔縱模間隔頻率，c是光速，n是折射率，l是要構建的諧振腔腔長，n為正整數；

(6)調整諧振腔腔長l來調諧δfs，使之精確匹配所述拍頻匹配頻率fi，滿足上式腔頻匹配條件，在n次諧波處建立穩定鎖模狀態。

其中，所述增益介質為稀土離子摻雜的光纖、晶體或陶瓷。

上述光纖的基質為石英、硅酸鹽、磷酸鹽、碲酸鹽、氟化物、硫化物中的一種或多種；所述光纖的纖芯/包層結構為單包層或多包層結構；

上述晶體的基質為釔鋁石榴石(yag)、釔鋰氟化物(ylf)、釩酸釔晶體(yvo4)、釓鎵石榴石(ggg)中的一種；

上述稀土離子的元素包括釹、鐿、鐠、鉍、鉺、銩、鈥中的一種；

如圖2所示，所述諧振腔為線形諧振腔，其依次由高反射輸入鏡3、稀土摻雜增益介質2、腔頻匹配部件5、輸出耦合鏡4構成。

如圖3所示，所述諧振腔為z型折疊諧振腔，依次由高反射輸入鏡3、稀土摻雜增益介質2、腔頻匹配部件5、第一反射鏡6、第二反射鏡7和輸出耦合鏡(4)構成；本實施例中，其中高反射輸入鏡3與水平面垂直放置、第一反射鏡6與水平面呈一銳角夾角，第二反射鏡7與第一反射鏡6平行；

其中稀土摻雜增益介質2和腔頻匹配部件5設置在高反射輸入鏡3和第一反射鏡6之間、第一反射鏡6和第二反射鏡7之間、第二反射鏡7和輸出耦合鏡4之間中的任意一個或兩個或三個位置；不同放置位置的稀土摻雜增益介質2和腔頻匹配部件5可以不同也可以相同。

如圖4所示，所述諧振腔為環形諧振腔，其依次由輸入光波分復用器8、稀土摻雜增益光纖2、偏振控制器11、光隔離器10、輸出光耦合器9和腔頻匹配部件5構成。

上述的高反射輸入鏡3也可以用高反射光纖布拉格光柵、光纖環反射鏡、高反射光學薄膜介質鏡片代替；輸出耦合鏡4也可以用部分反射光纖布拉格光柵、部分反射光纖環鏡、部分反射光學薄膜介質鏡代替

所述腔頻匹配部件5采用長度可變的光纖、延遲線或調節輸入/輸出鏡間距來控制諧振腔腔長。

所述高反射輸入鏡3、第一反射鏡6、第二反射鏡7、輸出耦合鏡4起到波長選擇器件或濾波器件的作用，用于控制稀土摻雜激光器輸出激光的中心波長以及輸出光譜帶寬。

在一較佳實施例中：可通過調節所述腔頻匹配部件使諧振腔頻率匹配泵浦源激光器1不同的縱模拍頻頻率，從而改變鎖模激光頻率。

下文列舉了2μm模間拍頻自鎖模激光器，技術實現實驗裝置圖如圖5所示。

本實例泵浦源采用最大輸出功率為420mw的1565nm鉺/鐿共摻雙包層光纖激光器(ey-dcfl)，用于泵浦摻銩光纖(tdf)產生波長為2μm激光。1565nm鉺/鐿共摻雙包層光纖激光器(ey-dcfl)使用的增益光纖是長度為6米的鉺/鐿共摻雙包層光纖(nufern-sm-eydf-7/130),對976nm泵浦光的吸收系數為2db/m。

泵浦激光器的模間拍頻信號對模間拍頻鎖模的形成非常重要，因此有必要對1565nm泵浦源的輸出特性進行研究。

如圖6所示，泵浦源激光器的中心波長為1565.06nm，3-db線寬為0.15nm。

如圖7所示，頻譜分析儀上觀察到的1565nm多縱模泵浦源的模間拍頻效應，泵浦源激光器在連續光模式下工作，射頻探測器觀察到輸出頻譜在11.5mhz(f1)，23mhz(f2)，34.5mhz(f3)等頻率處顯示出峰值。由于0.15nm線寬光譜基本上由1600個縱模組成，所以這些頻率峰值來自于1565nm激光器的模間拍頻信號。這意味著1565nm泵浦源的輸出在這些模間拍頻(fi)處具有較為明顯的功率波動。選取功率相對較強的f3，來作為模間拍頻鎖模的匹配頻率。f3＝34.505mhz。

泵浦源激光器選用的稀土摻雜增益光纖，為長度為0.15米的高濃度摻銩單包層光纖(nufernsm-tsf-5/125)，對1560nm泵浦光的吸收系數為350db/m。2μm全光纖線形諧振腔由光纖布拉格光柵(fbg)作為高反射輸入鏡和光纖反射鏡作為輸出耦合鏡構成。

光纖布拉格光柵(fbg)在1980nm附近具有大于99％的高反射率(即t<-20db)。將自制的光纖反射鏡作為輸出鏡，輸出鏡是通過使用等離子體濺射沉積系統將sio2/ta2o5介電膜涂覆在光纖套圈上制作的。

光纖反射鏡在1980nm附近具有96.65％的反射率(即透射率t＝3.35％)。

泵浦源激光器的99％的功率通過99:1光耦合器(oc)注入摻銩光纖激光器腔內，剩余的1％功率用于實時監控。使用偏振控制器(pc)來優化激光器的工作狀態。

為了滿足腔頻匹配條件，將作為腔頻匹配部件的33.40米單模光纖(corningsmf-28e+)加入到諧振腔中。使得摻銩光纖激光器諧振腔總腔長達到35.55米，對應于2.875mhz的腔體縱模頻率間隔δfs。

當泵浦源激光器功率超過275mw時，激光器開始工作在自鎖模狀態。

使用1.3-5μmbristol光譜儀(bristol721b-ir)測量輸出的2μm鎖模激光光譜。激光波長為1.98μm。經測量2μm激光的脈沖周期為28.98ns，等于模間拍頻f3的倒數。這清楚地表明模間拍頻鎖模機制在摻銩光纖激光器中發生了作用。

當增加或減少了腔頻匹配光纖的長度。可以發現，1.98μm激光的鎖模工作狀態變得不穩定或者甚至消失，這表明諧振腔頻率不滿足匹配條件。這些結果進一步證實，只有當精確選擇腔頻匹配光纖的長度時，模間拍頻鎖模機制才能在摻銩光纖激光器中起作用。

圖8給出了1970nm-1990nm窄范圍內2μm鎖模激光光譜。中心波長為1980.35nm，3-db光譜帶寬(δε)約為0.3nm，光譜儀分辨率為0.1nm。

圖9給出了2μm鎖模單脈沖。很明顯，脈沖呈現寬度為15ns的準方波形狀。

圖10給出了模間拍頻鎖模技術產生的2μm鎖模脈沖激光的射頻輸出光譜，基頻峰值(脈沖重復頻率)為34.496mhz，與1565nm泵浦源的模間拍頻f3相匹配，并且精確地與摻銩光纖激光器諧振腔頻率(fs＝2.875mhz)的第12階諧波一致。鎖模脈沖信號信噪比(snr)大于61db，可以同使用可飽和吸收體的被動鎖模光纖激光器產生的鎖模激光snr相比擬。

圖11為在0-300mhz較寬范圍內的射頻頻譜。兩個強相鄰峰之間有11個弱射頻頻率峰，證實激光器產生的是第12階諧波鎖模。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。