一种利用模间拍频进行激光锁模的新技术的制作方法

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种激光锁模技术。

背景技术：

与连续工作的激光器相比，脉冲激光能将谐振腔内存储的能量在极短的时间内释放输出，使输出激光的峰值功率比连续激光提高了几个数量级，更能满足实际应用的要求。特别是光纤激光器的迅速发展，最近极大地推动了脉冲光纤激光器的发展，具有一定重复频率、高能量的脉冲光纤激光器已经成为当前人们的研究热点之一。锁模技术是一种获得脉冲激光器的常用技术，通过对激光进行特殊的调制，强迫激光器中振荡腔的各个纵模的相位锁定，使各模式相干叠加以得到超短脉冲的技术。激光器的锁模是获得更短(皮秒或飞秒量级)脉冲的最有效和优选的技术之一

目前的锁模技术主要分为主动锁模、被动锁模和混合锁模三类。

主动锁模时通过外界信号来周期性调制谐振腔参量，实现各个腔体纵模之间相位锁定的一种锁模技术。主动锁模激光器主要是指在激光腔内插入主动的调制器件或外界有脉冲注入，利用这些主动因素对激光腔内光波进行调制来实现锁模。主动锁模又可分为以下三类：基于调制器的锁模技术、有理数谐波锁模技术、注入型主动锁模技术。其中基于调制器锁模技术的特点是从腔外加入射频信号到腔内的调制器上，通过信号对腔体的振荡光波产生周期性的幅度或者相位调制，从而产生锁模脉冲。主动锁模的主要优点是可以产生高重复频率和频率可调谐的锁模脉冲，且易于同步。主要缺点是：腔长和折射率容易受到外界环境影响而导致腔内失谐，以及超模竞争和驰豫震荡造成的脉冲抖动产生的不稳定。主动锁模的相关参考文献有：(1)、《electricalwavelength-tunableactivelymode-lockedfiberringlaserwithalinearlychirpedfiberbragggrating》ieeephotonicstechnologyletters,10(6)(1998):799-801.》，作者：lishengping和chant.。

被动锁模是一种全光非线性技术，能在腔内不用调制器之类的任何有源器件的情况下实现超短脉冲输出。其基本原理是利用光纤或其他元件中的非线性光学效应(如可饱和吸收效应)对输入脉冲强度的依赖性，实现各纵模相位锁定，进而产生超短光脉冲。用来实现被动锁模的方法通常有两种：一种是在谐振腔内加入可饱和吸收体，另一种是在腔内加入非线性光纤环形镜(nolm)或非线性放大光纤环形镜(nalm)，利用光纤的克尔非线性效应形成快速开关使激光器处于锁模运转状态；或通过偏振控制，利用非线性偏振旋转效应产生锁模脉冲。采用被动锁模技术制作的光纤激光器因具有价格低廉、结构紧凑等优点因而在皮秒级和飞秒级光源方面有着广泛的应用。由于被动锁模产生的锁模脉冲重复频率与激光腔长成反比，要实现重复频率为ghz量级的被动锁模，需要激光腔短至厘米量级，实现较为困难。被动锁模参考文献：(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：罗正钱等人；(3)、《solitonpolarizationdynamicsinfiberlaserspassivelymode-lockedbythenonlinearpolarizationrotationtechnique》，physicalreviewe74(2006)：046605，作者：j.wu等人。

混合锁模就是同时结合几种不同的锁模机制以获得窄脉宽，高重复频率且稳定的孤子脉冲序列。

然而，所有这些锁模技术都需要特定的器件(例如用于主动锁模的声光调制器(aom))，用于非线性偏振旋转镜(npr)锁模的波片和用于被动锁模的可饱和吸收体，可能导致复杂的激光系统或成本的显著增加。而且光路系统复杂，不稳定性因素较多。

技术实现要素：

本发明所要解决的主要技术问题是克服背景技术中的缺陷，提供一种不需要锁模器件就能够进行激光锁模的方法。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种利用模间拍频进行激光锁模的新技术，包括如下步骤：

(1)选择合适的泵浦源激光器、稀土掺杂增益介质及谐振腔构建稀土掺杂激光器：根据想要实现的激光波长，选择对应该稀土掺杂增益介质中稀土离子最佳吸收波长的泵浦源激光器，根据需要实现的激光波长，选择反射波长匹配的反射镜器件构建谐振腔；

(2)在泵浦源激光器的光源注入所述稀土掺杂增益介质，通过稀土离子的增益获得受激辐射波长处的激光，并在激光腔内振荡，形成连续激光；

(3)当泵浦源激光器工作在多纵模状态时，从射频输出频谱中观察到由模间拍频引起的泵浦源激光器泵浦功率的周期性微弱波动；

(4)通过稀土离子的光学增益，将泵浦源激光器因模间拍频引起的泵浦功率波动传递给谐振腔内的激光，使得掺稀土激光器产生的激光功率在模间拍频频率处产生同步周期性功率波动；

(5)选择泵浦源激光器拍频信号较为强烈的纵模拍频频率作为拍频匹配频率fi，满足下面的腔频匹配条件：

fi＝n*δfs和δfs＝c/2nl

其中δfs是谐振腔纵模间隔频率，c是光速，n是折射率，l是要构建的谐振腔腔长，n为正整数；

(6)调整谐振腔腔长l来调谐δfs，使之精确匹配所述拍频匹配频率fi，满足上式腔频匹配条件，在n次谐波处建立稳定锁模状态。

在一较佳实施例中：所述谐振腔为线性腔、折叠腔和环形腔中的一种。

在一较佳实施例中：所述增益介质为稀土离子掺杂的光纤、晶体或陶瓷。

在一较佳实施例中：所述光纤的基质为石英、硅酸盐、磷酸盐、碲酸盐、氟化物、硫化物中的一种；所述光纤的纤芯/包层结构为单包层或多包层结构；

所述晶体的基质为钇铝石榴石(yag)、钇锂氟化物(ylf)、钒酸钇晶体(yvo4)、钆镓石榴石(ggg)中的一种；

所述稀土离子的元素包括钕、镱、镨、铋、铒、铥、钬中的一种或多种。

在一较佳实施例中：所述谐振腔为线形谐振腔，其依次由高反射输入镜(3)、稀土掺杂增益介质(2)、腔频匹配部件(5)、输出耦合镜(4)构成。

在一较佳实施例中：所述谐振腔为z型折叠谐振腔，依次由高反射输入镜(3)、稀土掺杂增益介质(2)、腔频匹配部件(5)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)和输出耦合镜(4)构成；

其中稀土掺杂增益介质(2)和腔频匹配部件(5)设置在高反射输入镜(3)和第一反射镜(6)之间、第一反射镜(6)和第二反射镜(7)之间、第二反射镜(7)和输出耦合镜(4)之间中的任意一个或两个或三个位置；不同放置位置的稀土掺杂增益介质(2)和腔频匹配部件(5)可以不同也可以相同。

在一较佳实施例中：所述谐振腔为环形谐振腔，其依次由输入光波分复用器(8)、稀土掺杂增益光纤(2)、偏振控制器(11)、光隔离器(10)、输出光耦合器(9)和腔频匹配部件(5)构成。

在一较佳实施例中：所述高反射输入镜(3)用高反射光纤布拉格光栅、光纤环反射镜、高反射光学薄膜介质镜片代替。

所述输出耦合镜(4)用部分反射光纤布拉格光栅、部分反射光纤环镜、部分反射光学薄膜介质镜代替。

在一较佳实施例中：所述腔频匹配部件(5)采用长度可变的光纤、延迟线或调节输入/输出镜间距来控制谐振腔腔长。

在一较佳实施例中：所述高反射输入镜(3)、第一反射镜(6)、第二反射镜(7)、输出耦合镜(4)起到波长选择器件或滤波器件的作用，用于控制稀土掺杂激光器输出激光的中心波长以及输出光谱带宽。

用于控制稀土掺杂激光器输出激光的中心波长以及输出光谱带宽。

在一较佳实施例中：所述泵浦源激光器为多纵模固体激光器、多纵模光纤激光器、多纵模半导体激光器中的一种。

在一较佳实施例中：可通过调节所述腔频匹配部件使谐振腔频率匹配泵浦源激光器不同的纵模拍频频率，从而改变锁模激光频率。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明将模间拍频锁模技术与稀土掺杂激光器相结合，通过调整谐振腔长度，使稀土激光谐振腔频率与泵浦源的模间拍频频率二者精确匹配，以建立激光器的稳定锁模。区别于传统的锁模激光器的工作原理，基于这种技术的锁模激光器不需要使用任何特定的锁模器件，并能稳定地产生锁模激光脉冲。该技术为高性能的超快激光源提供一个很有价值的备选方案。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为模间拍频锁模技术应用于线性腔结构的激光器装置图；

图3模间拍频锁模技术应用于z型腔结构的激光器装置图；

图4模间拍频锁模技术应用于环形腔结构的激光器装置图；

图5模间拍频锁模技术应用于线性腔光纤激光器产生2μm锁模激光实验装置图；

图6波长为1565nm泵浦源光谱；

图7使用射频频谱仪观察到的1565nm多纵模泵浦源的模间拍频效应；

图8应用模间拍频技术产生的2μm锁模激光光谱；

图9应用模间拍频技术产生的2μm锁模激光脉冲序列；

图10应用模间拍频技术产生的2μm锁模激光基频频谱；

图11应用模间拍频技术产生的2μm锁模激光在0—300mhz范围内观察到的射频频谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参考图1，一种利用模间拍频进行激光锁模的新技术，包括如下步骤：

(1)选择合适的泵浦源激光器1、稀土掺杂增益介质2及谐振腔构建稀土掺杂激光器，所述泵浦源激光器1为多纵模固体激光器、多纵模光纤激光器、多纵模半导体激光器中的一种。根据想要实现的激光波长，选择对应该稀土掺杂增益介质2中稀土离子最佳吸收波长的泵浦源激光器1，根据需要实现的激光波长，选择反射波长匹配的反射镜器件构建谐振腔；

(2)在泵浦源激光器1的光源注入所述稀土掺杂增益介质2，通过稀土离子的增益获得受激辐射波长处的激光，并在激光腔内振荡，形成连续激光；

(3)当泵浦源激光器1工作在多纵模状态时，从射频输出频谱中观察到由模间拍频引起的泵浦源激光器1泵浦功率的周期性微弱波动；

(4)通过稀土离子的光学增益，将泵浦源激光器1因模间拍频引起的泵浦功率波动传递给谐振腔内的激光，使得掺稀土激光器产生的激光功率在模间拍频频率处产生同步周期性功率波动；

(5)选择泵浦源激光器拍频信号较为强烈的纵模拍频频率作为拍频匹配频率fi，满足下面的腔频匹配条件：

fi＝n*δfs和δfs＝c/2nl

其中δfs是谐振腔纵模间隔频率，c是光速，n是折射率，l是要构建的谐振腔腔长，n为正整数；

(6)调整谐振腔腔长l来调谐δfs，使之精确匹配所述拍频匹配频率fi，满足上式腔频匹配条件，在n次谐波处建立稳定锁模状态。

其中，所述增益介质为稀土离子掺杂的光纤、晶体或陶瓷。

上述光纤的基质为石英、硅酸盐、磷酸盐、碲酸盐、氟化物、硫化物中的一种或多种；所述光纤的纤芯/包层结构为单包层或多包层结构；

上述晶体的基质为钇铝石榴石(yag)、钇锂氟化物(ylf)、钒酸钇晶体(yvo4)、钆镓石榴石(ggg)中的一种；

上述稀土离子的元素包括钕、镱、镨、铋、铒、铥、钬中的一种；

如图2所示，所述谐振腔为线形谐振腔，其依次由高反射输入镜3、稀土掺杂增益介质2、腔频匹配部件5、输出耦合镜4构成。

如图3所示，所述谐振腔为z型折叠谐振腔，依次由高反射输入镜3、稀土掺杂增益介质2、腔频匹配部件5、第一反射镜6、第二反射镜7和输出耦合镜(4)构成；本实施例中，其中高反射输入镜3与水平面垂直放置、第一反射镜6与水平面呈一锐角夹角，第二反射镜7与第一反射镜6平行；

其中稀土掺杂增益介质2和腔频匹配部件5设置在高反射输入镜3和第一反射镜6之间、第一反射镜6和第二反射镜7之间、第二反射镜7和输出耦合镜4之间中的任意一个或两个或三个位置；不同放置位置的稀土掺杂增益介质2和腔频匹配部件5可以不同也可以相同。

如图4所示，所述谐振腔为环形谐振腔，其依次由输入光波分复用器8、稀土掺杂增益光纤2、偏振控制器11、光隔离器10、输出光耦合器9和腔频匹配部件5构成。

上述的高反射输入镜3也可以用高反射光纤布拉格光栅、光纤环反射镜、高反射光学薄膜介质镜片代替；输出耦合镜4也可以用部分反射光纤布拉格光栅、部分反射光纤环镜、部分反射光学薄膜介质镜代替

所述腔频匹配部件5采用长度可变的光纤、延迟线或调节输入/输出镜间距来控制谐振腔腔长。

所述高反射输入镜3、第一反射镜6、第二反射镜7、输出耦合镜4起到波长选择器件或滤波器件的作用，用于控制稀土掺杂激光器输出激光的中心波长以及输出光谱带宽。

在一较佳实施例中：可通过调节所述腔频匹配部件使谐振腔频率匹配泵浦源激光器1不同的纵模拍频频率，从而改变锁模激光频率。

下文列举了2μm模间拍频自锁模激光器，技术实现实验装置图如图5所示。

本实例泵浦源采用最大输出功率为420mw的1565nm铒/镱共掺双包层光纤激光器(ey-dcfl)，用于泵浦掺铥光纤(tdf)产生波长为2μm激光。1565nm铒/镱共掺双包层光纤激光器(ey-dcfl)使用的增益光纤是长度为6米的铒/镱共掺双包层光纤(nufern-sm-eydf-7/130),对976nm泵浦光的吸收系数为2db/m。

泵浦激光器的模间拍频信号对模间拍频锁模的形成非常重要，因此有必要对1565nm泵浦源的输出特性进行研究。

如图6所示，泵浦源激光器的中心波长为1565.06nm，3-db线宽为0.15nm。

如图7所示，频谱分析仪上观察到的1565nm多纵模泵浦源的模间拍频效应，泵浦源激光器在连续光模式下工作，射频探测器观察到输出频谱在11.5mhz(f1)，23mhz(f2)，34.5mhz(f3)等频率处显示出峰值。由于0.15nm线宽光谱基本上由1600个纵模组成，所以这些频率峰值来自于1565nm激光器的模间拍频信号。这意味着1565nm泵浦源的输出在这些模间拍频(fi)处具有较为明显的功率波动。选取功率相对较强的f3，来作为模间拍频锁模的匹配频率。f3＝34.505mhz。

泵浦源激光器选用的稀土掺杂增益光纤，为长度为0.15米的高浓度掺铥单包层光纤(nufernsm-tsf-5/125)，对1560nm泵浦光的吸收系数为350db/m。2μm全光纤线形谐振腔由光纤布拉格光栅(fbg)作为高反射输入镜和光纤反射镜作为输出耦合镜构成。

光纤布拉格光栅(fbg)在1980nm附近具有大于99％的高反射率(即t<-20db)。将自制的光纤反射镜作为输出镜，输出镜是通过使用等离子体溅射沉积系统将sio2/ta2o5介电膜涂覆在光纤套圈上制作的。

光纤反射镜在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％的功率通过99:1光耦合器(oc)注入掺铥光纤激光器腔内，剩余的1％功率用于实时监控。使用偏振控制器(pc)来优化激光器的工作状态。

为了满足腔频匹配条件，将作为腔频匹配部件的33.40米单模光纤(corningsmf-28e+)加入到谐振腔中。使得掺铥光纤激光器谐振腔总腔长达到35.55米，对应于2.875mhz的腔体纵模频率间隔δfs。

当泵浦源激光器功率超过275mw时，激光器开始工作在自锁模状态。

使用1.3-5μmbristol光谱仪(bristol721b-ir)测量输出的2μm锁模激光光谱。激光波长为1.98μm。经测量2μm激光的脉冲周期为28.98ns，等于模间拍频f3的倒数。这清楚地表明模间拍频锁模机制在掺铥光纤激光器中发生了作用。

当增加或减少了腔频匹配光纤的长度。可以发现，1.98μm激光的锁模工作状态变得不稳定或者甚至消失，这表明谐振腔频率不满足匹配条件。这些结果进一步证实，只有当精确选择腔频匹配光纤的长度时，模间拍频锁模机制才能在掺铥光纤激光器中起作用。

图8给出了1970nm-1990nm窄范围内2μm锁模激光光谱。中心波长为1980.35nm，3-db光谱带宽(δε)约为0.3nm，光谱仪分辨率为0.1nm。

图9给出了2μm锁模单脉冲。很明显，脉冲呈现宽度为15ns的准方波形状。

图10给出了模间拍频锁模技术产生的2μm锁模脉冲激光的射频输出光谱，基频峰值(脉冲重复频率)为34.496mhz，与1565nm泵浦源的模间拍频f3相匹配，并且精确地与掺铥光纤激光器谐振腔频率(fs＝2.875mhz)的第12阶谐波一致。锁模脉冲信号信噪比(snr)大于61db，可以同使用可饱和吸收体的被动锁模光纤激光器产生的锁模激光snr相比拟。

图11为在0-300mhz较宽范围内的射频频谱。两个强相邻峰之间有11个弱射频频率峰，证实激光器产生的是第12阶谐波锁模。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。