脉冲光纤激光器及其实现时域脉冲切片的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤激光器技术领域，特别涉及一种脉冲光纤激光器及其实现时域脉 冲切片的方法。
【背景技术】
[0002] 光纤激光器中产生脉冲的方法有主动方式和被动方式。其中，主动方式是在激光 腔中加入各类调制器来产生脉冲。主动方式产生的脉冲重复率与脉冲间隔由调制器决定， 是可控的，但是其产生的脉冲宽度较大，且系统成本昂贵。被动方式则是在激光腔中引入各 类材料可饱和吸收体和类饱和吸收体来产生脉冲。被动方式产生的脉冲宽度较小，但基频 重复率一般较低。被动光纤激光器的基频重复率由腔长来决定，一般情况下是400MHz以下。 若要通过被动方式产生高重复率脉冲则需要让激光器工作在谐波锁模状态。然而，锁模脉 冲的谐波阶数与激光器的抽运功率、偏振设置等参数有密切关系，在实际工作条件下很难 实现有目的性地获得特定阶数的谐波脉冲。
[0003] 最近，有几个研究小组提出了在被动锁模光纤激光器中使用特殊的物理方法来实 现GHz量级高重复率。在激光腔中，Peccianti等人采用非线性环形微腔【文献 I .M.Peccianti et al，似1:.〇〇1111]11111.3,765(2012)】、]\^〇等人米用]\^(311-261111(161'干涉仪【文 献2.D.Mao et &1，5(^.1^?.3,3223(2013)】、0丨等人采用？&13巧-?6仰七梳状滤波器【文献 3.Y.L.Qi et al，0pt.Express 23(14) ,17720-17726(2015)】的方法通过滤波器驱动的四 波混频效应来获得高重复率脉冲串，这些方法相对于传统的被动锁模光纤激光器的谐波脉 冲状态来说，在调控脉冲重复率的操作上要容易得多。
[0004] 然而，在一些特殊的应用领域，如时域精度测量领域与纠缠编码技术，不但对脉冲 串重复率可调有要求，而且还要求相邻脉冲之间有一定的束缚能力、脉冲间距可调等特性， 以上方法并不能达到这些要求。目前，也有报道一些物理方法能实现脉冲簇之间具有一定 的束缚能力【文献4 .M· Stratmann et al ,Phys .Rev · Lett · 95( 14)，143902(2005)】和脉冲族 内脉冲间距可调【文献5.W-C.Chen et al，0pt.Fiber Technol .20(3) ,199-207(2014)】，但 是，通过这些技术获得的脉冲具有的束缚能力与脉冲间隔可调的物理特性是不可预计、不 可控制的。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个目的是提供一种在主谐振腔中设置微腔，能可控地连续调节脉冲切 片数量、间距，并使得脉冲切片成分间具有弱相干束缚能力，且可对脉冲的重复率进行精细 调节的脉冲光纤激光器以解决现有技术存在的不足。
[0006] 本发明的另一目的是提供脉冲光纤激光器实现时域脉冲切片的方法。
[0007] 本发明通过以下技术方案来实现发明目的：
[0008] -种脉冲光纤激光器，包括抽运激光器、主谐振腔和置于主谐振腔内的增益光纤， 所述主谐振腔内还设有一微腔，所述微腔包括第一腔镜、第二腔镜、单模光纤、压电陶瓷和 与压电陶瓷相连的外控电压模块，单模光纤缠绕在压电陶瓷上且两端分别与第一腔镜和第 二腔镜连接，第一腔镜和第二腔镜的另一端通过光纤分别接入光路中，由此，微腔可对主谐 振腔产生的自脉冲进行调制，其调制作用等效为激光器中的附属谐振腔对主谐振腔中产生 的脉冲进行时域与频域的二次选模选频。
[0009] 进一步地，还包括光纤耦合器、偏振相关/无关隔离器，波分复用器、第一偏振控制 器和第二偏振控制器，所述抽运激光器连接所述波分复用器的一个输入端，所述第一腔镜 连接波分复用器的另一输入端，沿所述波分复用器的输出端依次连有增益光纤、光纤耦合 器、第一偏振控制器、偏振相关/无关隔离器、第二偏振控制器和第二腔镜，所述光纤耦合器 的输出端为激光器输出端。
[0010] 进一步地，所述主谐振腔的脉冲可由可饱和吸收体、类饱和吸收体或主动调制技 术产生，所述可饱和吸收体为石墨烯、碳纳米管、黑磷、拓朴绝缘体、硫化物系列二维材料、 硒化物系列二维材料、半导体吸收体材料、金或银纳米棒一维材料、酒精或复合材料墨水； 所述类饱和吸收体由非线性偏振旋转技术、非线性环路镜技术或非线性放大环路镜技术形 成;所述主动调制技术为声光主动调制技术或电光主动调制技术。
[0011] 进一步地，所述主谐振腔形状为环形腔、"8"字形腔、"0"形腔或"％"形腔中的任意 一种或任意两种组成的复合腔。
[0012] 进一步地，所述微腔可处于主谐振腔内的任意位置。
[0013] 进一步地，所述第一腔镜和第二腔镜可为光纤光栅、光纤镀膜端面或抛光光纤端 面中的任一种或任意两种组合构成，第一腔镜和第二腔镜的反射率为4%_30%，太小的反 射率导致时域切片效果不明显，太大的反射率导致激光腔中损耗过大而影响脉冲输出质 量。
[0014] 进一步地，还包括波分复用器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、饱和吸收体反 射镜和光纤光栅，所述主谐振腔为线形腔，所述抽运激光器接所述波分复用器的一个输入 端，所述波分复用器的另一输入端依次连接增益光纤、第一偏振控制器、第一腔镜、第二腔 镜、第二偏振控制器和饱和吸收体反射镜，所述波分复用器的输出端与光纤光栅的输入端 连接，该光纤光栅的输入端为激光器输出端。
[0015] 进一步地，将上述的脉冲光纤激光器用于时域脉冲切片的方法，通过所述外控电 压模块控制施加在所述压电陶瓷上的电压大小以获得压电陶瓷的不同膨胀状态，压电陶瓷 挤压缠绕其上的单模光纤，导致单模光纤产生纵向的微小形变以增加微腔长度，从而增加 脉冲切片的时间间距，实现脉冲切片间距的动态调节。
[0016] 进一步地，所述外控电压模块为压电陶瓷提供的电压为0-20V，所述脉冲切片间距 A t与微腔长度的关系为△ t = 2nL/C(l)，其中n、C、L分别为光纤的折射率、真空中光速和微 腔长度，所述微腔的整体物理效应可近似用以下的光学传输函数T表示：
} > A，R和λ分别为微腔腔镜的吸收率、反射率 和光波波长。
[0017] 本发明的有益效果如下：
[0018] (1)能对纳秒到几十皮秒的光脉冲进行动态切片，进而获得时间间距可调、切片数 量可调、具有相干束缚特性的脉冲簇或离散脉冲串；
[0019] ⑵微腔对自脉冲的调制不受激光器谐振腔腔形、内嵌位置的影响，直接应用于各 种腔形结构的激光器中的任意位置；
[0020] (3)不受激光器的脉冲产生方式的影响，能直接对由各种物理机制(诸如材料可饱 和吸收体、类饱和吸收体的被动方式和使用调制器的主动方式)所产生的脉冲进行有效的 时域切片。
【附图说明】
[0021 ]图1是本发明脉冲光纤激光器的微腔结构示意图；
[0022] 图2是本发明实施例1的结构示意图；
[0023] 图3是本发明实施例2的结构示意图；
[0024] 图4是本发明实施例3的结构示意图；
[0025] 图5是本发明实施例4的结构示意图；
[0026] 图6是实施例1的100%切片深度的离散脉冲串的数值计算模拟结果图；
[0027] 图7是实施例1的80%切片深度的脉冲簇的数值计算模拟结果图；
[0028] 图中：Ia-第一腔镜，Ib-第二腔镜，2-单模光纤，3-压电陶瓷，4-外控电压模块，5-波分复用器，6-增益光纤，7-光纤親合器，8a_第一偏振控制器，8b_第二偏振控制器，9-偏振 相关隔离器，10-抽运激光器，11-偏振无关隔离器，12-可饱和吸收体，13-2X2光纤耦合器， 14-饱和吸收体反射镜，15-光纤光栅，16-激光器输出端。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0030] 本发明的脉冲光纤激光器中微腔的第一腔镜la、第二腔镜lb、单模光纤2、压电陶 瓷3和外控电压模块4均采用商用的器件，单模光纤2缠绕在圆柱形的压电陶瓷3上，其组合 在一起形成附属的微腔，如图1所示，外控电压模块4对压电陶瓷3施加电压调控其膨胀进而 挤压缠绕其上的单模光纤2,从而改变单模光纤纵向长度对主谐振腔中形成的自脉冲进行 调制而形成切片效果。
[0031] 波分复用器5、增益光纤6和抽运激光器10均采用商用的器件，其组合在一起产生 所需要工作波长的激光，根据工作波长为l〇〇〇nm、1310nm、1550nm或2000nm波段的要求，可 分别对应在增益光纤中掺則 3+、￥133+、？￥^￥+或1'1113+，而单模光纤2应根据工作波长选择损 耗较小的商用光纤，若工作波长为1000 nm波段范围，则选用Hi 1060单模光纤;若工作波长 为1310nm或1550nm波段范围，则选用SMF-28常规单模光纤，色散平坦光纤等;若工作波长为 2000nm波段范围，则选用SM 1950单模光纤，光纤选用的长度应根据实际切片时域间距所对 应的微腔长度来决定。
[0032] 实施例1
[0033] 如图1和图2所示，脉冲光纤激光器，包括抽运激光器10、增益光纤6,光纤耦合器7、 偏振相关隔离器9,波分复用器5、第一偏振控制器8a和第二偏振控制器8b，主谐振腔为环形 腔，主谐振腔内还设有微腔，微腔包括第一腔镜la、第二腔镜lb、单模光纤2、压电陶瓷3和与 压电陶瓷3相连的外控电压模块4,单模光纤2缠绕在压电陶瓷3上且两端分别与第一腔镜Ia 和第二腔镜Ib连接，抽运激光器10连接波分复用器5的一个输入端，第一腔镜Ia连接波分复 用器5的另一输入端，沿波分复用器5的输出端依次连接增益光纤6、光纤耦合器7、第一偏振 控制器8a、偏振相关隔离器9、第二偏振控制器8b和第二腔镜lb，光纤耦合器7的输出端为激 光器输出端16。
[0034]其中，偏振控制器和偏振相关隔离器9采用商用的器件，在两个偏振控制器之间放 置一个偏振相关隔离器9,其联合作用的物理功能是使光波的两个偏振态基于自相位调制 效应与交叉行为调制效应在主谐振腔中演化时产生偏振态的非线性演化，即非线性偏振旋 转效应，由此形成类饱和吸收体，在脉冲光