一种光脉冲产生装置的制作方法

本申请涉及光学领域，具体涉及一种光脉冲产生装置。

背景技术：

超短高功率光脉冲在眼科医学、微加工、高带宽通信系统等领域都有广泛的应用。产生超短光脉冲的方法有许多种，其中一种典型的方法是使用锁模激光器作为产生源，然而该方法成本高昂，系统结构十分复杂，且输出脉冲的峰值功率偏低。与激光光源相比，脉冲压缩方法同样可以产生超短脉冲。近年来，自相似脉冲压缩技术被广泛研究着，该技术不仅可以实现高的压缩倍数，而且压缩脉冲几乎无啁啾无基座。尽管自相似脉冲压缩技术可以获得高质量的脉冲，但是在以往的方案中，只是采用单个输入脉冲或者是对相同中心波长的脉冲序列进行压缩，对于来自不同脉冲源的不同中心波长的脉冲未作考虑。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供一种光脉冲产生装置，其包括耦合器、调制器、传导光纤；所述耦合器的输出端连接至所述调制器的输入端；所述调制器的输出端连接至所述传导光纤的输入端。所述耦合器用于接收具有不同中心波长的一个以上脉冲源，将该一个以上脉冲源合并成连续的脉冲序列并输出至所述调制器；所述调制器用于调制该脉冲序列的初始相位从而增加其初始啁啾并输出至所述传导光纤；所述传导光纤用于接收、传导来自所述调制器的脉冲序列，将其压缩成一个脉冲并输出。

与现有技术光脉冲产生装置采用来源于同一脉冲源的脉冲进行压缩的方法不同，本发明的超短高功率光脉冲产生装置利用多台皮秒激光器作为脉冲发生器，能够在较短的光纤传输线路上合并并且压缩多个中心波长不同的脉冲。本发明结合了自相似脉冲压缩的优势，利用较短的传导光纤即可获得高质量的光脉冲，为超短高功率脉冲的获取提供了又一种可行的、全新的方案。

附图说明

图1为实施例一的超短高功率光脉冲产生装置的结构示意图；

图2(a)为实施例一的超短高功率光脉冲产生装置的输入脉冲示意图；

图2(b)为实施例一的相位调制器调制两脉冲初始相位从而增加初始啁啾示意图；

图3(a)为现有技术的多脉冲压缩装置输入频谱示意图；

图3(b)为实施例一的多脉冲压缩装置输入频谱示意图；

图4为实施例一的脉冲序列在光纤中的演变示意图；

图5为实施例一的超短高功率光脉冲产生装置输出脉冲示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

实施例一：

如图1所示为本实施例的超短高功率光脉冲产生装置(多脉冲压缩装置)，其包括第一皮秒激光器101、第二皮秒激光器102、耦合器20、相位调制器30、色散指数递减光纤40。

第一皮秒激光器101的输出端与第二皮秒激光器102的输出端分别连接至耦合器20的输入端；耦合器20的输出端连接至相位调制器30的输入端；相位调制器30的输出端连接至色散指数递减光纤40的输入端。

第一皮秒激光器101与第二皮秒激光器102用于产生接近1ps的皮秒量级的激光脉冲(具体地，通过实验已经验证，脉宽值0.5-3ps范围的激光脉冲压缩后的脉冲其能量利用率在50％以上)并出射至耦合器20。本实施例中，第一皮秒激光器101产生第一激光脉冲，第二皮秒激光器102产生第二激光脉冲，第一激光脉冲与第二激光脉冲的中心波长分别为第一中心波长1550nm与第二中心波长1551nm。激光器输出脉宽也可以达到飞秒量级，但是输出脉宽受到范围限制，太小的脉宽其带来的不良效果是非线性效应较强，导致压缩脉冲效果不理想，因此本实施例采用皮秒激光器。

耦合器20接收第一激光脉冲与第二激光脉冲，将第一激光脉冲与第二激光脉冲合并到一路从而形成具有相同重复频率、峰值功率、脉宽的连续的脉冲序列并输出至相位调制器30。

相位调制器30调制耦合器20输出的脉冲序列的初始相位从而增加其初始啁啾并进一步输出至色散指数递减光纤40。

相位调制器30输出至色散指数递减光纤40的脉冲序列为升余弦形式，中心波长为1550nm的脉冲满足以下公式，

其中，u(z＝0,t)为脉冲在光纤输入端的幅值，z为脉冲传输的光纤长度，p0为初始峰值功率，t0为初始脉宽，α20为脉冲的初始啁啾，t为时间变量。具体地，初始脉宽t0＝1.3734ps(对应于全半高宽fwhm＝1ps)，初始峰值功率p0＝11.96w，相位调制器30给初始的两脉冲附加相同的初始啁啾α20＝-0.265thz²，对应的调制相位如图2(b)所示。

中心波长为1551nm的脉冲形式与中心波长为1550nm的脉冲形式相似，如公式(2)所示。

其中，δν为两脉冲的中心频率之差。本实施例设置δν＝0.1247thz，对应的中心波长之差为δλ＝1nm。然而两脉冲的中心波长之差不限于1nm，当公式(2)脉冲的中心波长设置为1548.1nm～1551.9nm，所获得的压缩脉冲效果仍然十分理想，能量利用率均为50％以上。在耦合器20输出端两脉冲之间存在一定的时延，当时延较大时，两脉冲难以结合并压缩，可以利用延迟模块103调整其中一路激光器的脉冲时延，令两脉冲的时延恰为两倍的初始脉宽t0，此时两脉冲前后沿相连，从而使得时域上输入光纤的脉冲波形如图2(a)所示。图2(a)中，两不同中心波长的脉冲的峰值功率、脉宽均相同，在一种实施方式中，在第二皮秒激光器102与耦合器20之间设置光学延迟模块103，具体可以通过控制光学延迟模块103缩小第一激光脉冲与第二激光脉冲之间的时间间隔，即光学延迟模块103在耦合器20的一端检测两脉冲之间的时延，通过调整延迟模块103可延迟其中一路脉冲的传输，从而缩小两脉冲的时延形成如图3的波形。相位调制器调制两脉冲初始相位，使其增加初始啁啾，如图2(b)所示。

色散指数递减光纤40接收、传导来自相位调制器30的脉冲序列，将其压缩成一个超短高功率光脉冲并输出(输出脉冲见图5)，其可以通过光子晶体光纤(pcf，photoniccrystalfiber)拉制而成。色散指数递减光纤40的β20＝-200ps²/km，色散衰减速率σ＝53/km，非线性系数γ＝20/w/km保持不变(影响非线性系数的因素比较多，如非线性折射率、有效模场面积等，因此在理论仿真和实验中一般保持非线性系数不变。本实施例通过保持非线性系数不变从而排除非线性折射率、有效模场面积等的影响)，总长度l＝60m。

色散指数递减光纤40的β2(z)二阶群速度色散沿着光纤指数递减，满足以下公式(3)，

β2(z)＝β20exp(-σz)(3)

其中，β2(z)为沿着光纤长度变化的二阶群速度色散，β20为光纤的初始二阶群速度色散，σ为色散衰减速率，z为脉冲在光纤中的传输距离。

色散衰减速率σ满足以下公式(4)，

σ＝α20β20(4)

其中，α20为两路脉冲共同的初始啁啾，β20为光纤的初始二阶群速度色散。

初始的两脉冲是无啁啾的，相位调制器30对这两路脉冲进行相位调制，从而增加初始啁啾α20。

如图2(a)所示为时域上输入光纤的脉冲波形，拥有相同中心波长(均为1550nm)的脉冲序列和拥有不同中心波长(1550nm和1551nm)的脉冲序列波形都表现出如图2(a)所示的样态，即拥有相同中心波长的脉冲序列和拥有不同中心波长的脉冲序列波形上是一致的。而在频域上，由于拥有不同中心波长的脉冲序列频谱会相对中心点有所偏移，两脉冲在频谱上略有偏差，偏移量跟两脉冲的中心波长差相关；如图3所示为输入的频域上的脉冲波形，图3(a)为现有技术的拥有相同中心波长的脉冲序列频谱，图3(b)为本实施例的拥有不同中心波长的脉冲序列频谱。

初始啁啾α20在脉冲序列结合和压缩阶段至关重要，初始啁啾与色散指数递减光纤中的二阶群速度色散和非线性效应共同对脉冲进行调制。如图4所示为初始拥有不同中心波长的两脉冲在色散指数递减光纤中传输段演变图。在光纤中，两脉冲在初始啁啾、二阶群速度色散和非线性效应共同作用下逐渐往中心区域移动。初始啁啾参量α20调制脉冲序列的初始相位，在时域上产生一个沿着脉冲序列前后沿连续分布的频率啁啾，二阶群速度色散和非线性效应也对脉冲序列产生频率啁啾，三者产生的频率啁啾相互作用，使得脉冲序列的前沿传输变慢，后沿传输变快，两脉冲逐渐往时间坐标中心零点靠近，在光纤20米左右处脉冲序列结合成一个脉冲。在往后的光纤传输中，啁啾和色散的作用以及色散和非线性的作用决定了脉冲的自相似孤子演变。在后续的压缩过程中，脉冲的时间带宽积逐步下降，并最终趋于0.315且在后续的传输中保持相对稳定。在光纤60米处的输出端可以获得接近无啁啾的超短高功率脉冲，脉宽值为97fs，对应的压缩倍数为10.6，峰值功率达135w，比初始功率大10倍，能量利用率达到60％(相比初始两脉冲的总能量)，时间带宽积为0.309。

如图5所示为初始两脉冲中心波长相同和不同两种情况下的光纤输出脉冲在时域上的分布，右边实线对应初始两脉冲具有不同的中心波长，左边虚线对应初始两脉冲具有相同的中心波长。在时域上，初始两脉冲中心波长不同的情况所对应的输出脉冲中心点有相对更大移动，两种情况所得到峰值功率相差不大，说明即使输入脉冲是拥有不同的中心波长，也可以结合在一起并且压缩效果也能非常理想。

超短高功率光脉冲因其在光纤通信、材料加工、生物医学等领域都有广泛的应用而备受关注。追求高质量、高功率、高能量的超短脉冲一直是研究的热点。现有技术中光脉冲产生装置只能采用单一脉冲或者是相同中心波长的脉冲序列进行压缩，尚且不能处理多个不同中心波长的脉冲。作为改进，本实施例基于自相似脉冲压缩原理设计的超短高功率光脉冲产生装置突破此局限，利用两台皮秒激光器作为脉冲源，不仅能够在较短的光纤传输线路上压缩中心波长不同的脉冲，而且所得到的结合脉冲具有近无啁啾、峰值功率高、压缩倍数大等优点。本实施例中光纤输入端的脉冲形式不限于升余弦波的形式，高斯、双曲正割形式的脉冲也可以实现结合并压缩，所获得的脉冲能量利用率很高。值得一提的是，装置的输入不限于两个脉冲源，利用三到五个脉冲源也能够实现多个脉冲的压缩，所获得脉冲的能量利用率仍然达到50％以上。本实施例一方面拓展了输入激光源的数量且系统结构简单；另一方面结合了自相似脉冲压缩的优势，为超短高功率脉冲的获取提供了又一种可行的、全新的方案。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施方式只局限于这些说明。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。