一种产生超短光脉冲的全光纤激光系统及方法与流程

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种超短脉冲光纤激光器。

背景技术：

超短脉冲光纤激光器是世界范围内的热门研究课题之一。超短脉冲光纤激光器具有光束质量好、效率高、结构紧凑、散热性好等优点，可实现窄脉宽、高峰值功率的超短脉冲输出，广泛应用于基础科学研究、高速光通信、光信号处理、微机械加工、超快激光光谱、量子相干控制、医疗和精密计量等领域。

目前为止，一般采用锁模技术实现超短脉冲的产生，锁模技术主要可以分为主动锁模和被动锁模两种方式。其中，主动锁模光纤激光器结构复杂，价格昂贵，且腔长较长，难以实现超短脉冲输出。而被动锁模光纤激光器结构简单，成本低廉，易于实现全光纤化。

被动锁模是光纤激光器获得超短脉冲的一种常用方法。它是利用可饱和吸收体的非线性损耗特性实现激光器内各模式间的相位锁定，从而产生稳定的超短光脉冲。可饱和吸收体大致分为真实可饱和吸收体和等效可饱和吸收体两类，后者是利用腔内非线性效应产生类似于真实可饱和吸收体的强度相关损耗特性，从而实现锁模。迄今为止，有多种锁模技术，如非线性偏振旋转(npr)、半导体可饱和吸收体镜(sesam)、单壁碳纳米管等，但这些技术都存在一些不足。非线性偏振旋转技术对偏振态十分敏感，稳定性较差，可重复性较低；半导体可饱和吸收体镜制作工艺复杂，生产成本较高；单壁碳纳米管可饱和吸收体制作时由于直径不可控，使得对特定激光波长具有较大的插入损耗，从而损伤阈值较低，难以实现大能量脉冲输出。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种产生超短光脉冲的全光纤激光系统。

本发明的技术方案为：一种产生超短光脉冲的全光纤激光系统，包括泵浦源、波分复用器、掺铒增益光纤、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅以及色散补偿光纤；波分复用器、掺铒增益光纤、第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅依次通过色散补偿光纤连接，构成线形谐振腔；泵浦源与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的输入端作为脉冲输出端。

优选地，泵浦源为半导体激光器或者光纤激光器，输出泵浦光的中心波长λ为：980nm。

优选地，波分复用器的波分范围为980nm/1550nm。

优选地，掺铒增益光纤的长度为1m，在1550nm附近具有正色散。

优选地，第一色散补偿光纤长度为2m，在1550nm附近具有正色散。

优选地，第二色散补偿光纤长度为2m，在1550nm附近具有正色散。

优选地，第一光纤布拉格光栅的反射中心波长为1551.6nm，带宽为1nm，反射率为97％。

优选地，第二光纤布拉格光栅的反射中心波长为1548.4nm，带宽为1nm，反射率为97％。

基于上述系统，本发明还提出了一种产生超短光脉冲的方法，具体包括以下步骤：

s1、由泵浦源发出的激光经波分复用器耦合进腔内，经过掺铒增益光纤后产生频率为ω0的连续光信号；

s2、由于第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅的反射中心波长有一定的偏移量，将在腔内引入周期性的光谱损耗调制效应，使得在光谱中心频率ω0两边产生频谱边带，设其频谱边带对应的频率与中心频率ω0之差分别为±ω，从而激发不稳定的振荡模式；

s3、当光信号经过中心频率为ω0-δω的第一光纤布拉格光栅时，频率为ω0+ω的光波分量受到损耗，此时，频率分别为ω0-ω和ω0的光波分量发生四波混频过程，从而将能量耦合到频率为ω0+ω的光波分量上，其中，δω是角频率偏移量；

s4、当光信号经过中心频率为ω0+δω的第二光纤布拉格光栅时，频率为ω0-ω的光波分量受到损耗，此时，频率分别为ω0+ω和ω0的光波分量发生四波混频过程，从而将能量耦合到频率为ω0-ω的光波分量上；

s5、周期性的重复步骤s3-s4，最终使得频谱边带内的各振荡模式实现稳定的增长，在时域上表现为连续波转变为弱脉冲序列；

s6、当泵浦源的功率超过激光阈值后，线形谐振腔内的弱脉冲信号在腔内多次经过掺铒增益光纤后得到放大。

s7、脉冲在腔内演化，其光谱由于自相位调制等非线性效应而展宽。

s8、脉冲传播到中心频率为ω0-δω的光纤布拉格光栅后，光谱在光栅带宽σ之内部分被反射，其余部分被光栅滤除；

s9、被第一光纤布拉格光栅反射的光脉冲在腔内继续演化，重复步骤s7；

s10、脉冲传播到中心频率为ω0+δω的光纤布拉格光栅，光谱在光栅带宽σ之内部分被反射，其余部分被光栅滤除；

s11、重复步骤s7-s10，经过多次周期性的光谱损耗调制，直至在腔内形成自洽演化，最终实现稳定的脉冲输出，其重复频率f满足ω＝2πf。

本发明的有益效果：本发明的系统及方法不需要在腔内引入可饱和吸收体，而是基于中心波长存在一定偏移量的两个光纤布拉格光栅提供的周期性光谱损耗调制，并在腔内增益、损耗、色散及非线性效应等共同作用下实现超短脉冲的产生。本发明所搭建的产生超短光脉冲的全光纤激光系统具有结构简单、价格低廉、稳定性好等特点。此外，输出光脉冲的重复频率f不仅与腔长有关，还与泵浦功率以及腔内色散、非线性等参数有关，因此可通过适当调节激光系统参数实现高重复频率超短脉冲的产生。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种产生超短光脉冲的全光纤激光系统结构示意图。

图2为本发明实施例输出脉冲序列。

图3为本发明实施例的输出脉冲时域图。

图4为本发明实施例的通过第一光纤布拉格光栅前的脉冲光谱图。

图5为本发明实施例的通过第一光纤布拉格光栅后的脉冲光谱图。

图6为本发明实施例的通过第二光纤布拉格光栅前的脉冲光谱图。

图7为本发明实施例的通过第二光纤布拉格光栅后的脉冲光谱图。

附图标记说明：1—泵浦源、2—波分复用器、3—第一光纤布拉格光栅、4—第一色散补偿光纤、5—掺铒增益光纤、6—第二色散补偿光纤、7—第二光纤布拉格光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

本发明实施例提供了一种产生超短光脉冲的全光纤激光系统，如图1所示，包括泵浦源1、波分复用器2、第一光纤布拉格光栅3、第一色散补偿光纤4、掺铒增益光纤5、第二色散补偿光纤6、第二光纤布拉格光栅7。其中，波分复用器2、第一光纤布拉格光栅3、掺铒增益光纤5、第二光纤布拉格光栅7依次通过色散补偿光纤连接，构成线性谐振腔；泵浦源1与波分复用器2的泵浦端连接；波分复用器2的输入端作为谐振腔的输出端。

其中，泵浦源1为半导体激光器或者光纤激光器，本发明实施例中，泵浦源1采用中心波长为980nm的单模半导体激光器。

波分复用器2的波分范围为980nm/1550nm。

掺铒增益光纤5可采用美国nufern公司生产的高增益光纤，其长度为1m，在1550nm处其色散系数β2为26ps²/km。

第一色散补偿光纤4和第二色散补偿光纤6可采用美国nufern公司生产的高性能色散补偿光纤，其总长度为4m，在1550nm处其色散系数β2为8ps²/km。

第一光纤布拉格光栅3可采用teraxion公司生产的窄带光纤光栅，其反射中心波长为1551.6nm，带宽为1nm，反射率为97％。

第二光纤布拉格光栅7可采用teraxion公司生产的窄带光纤光栅，其反射中心波长为1548.4nm，带宽为1nm，反射率为97％。

本发明中涉及的物理模型及数值模拟方法具体如下：

为了真实、准确地模拟本发明提供的系统中超短脉冲产生的演化过程，采用的物理模型充分考虑系统内各个分立器件对腔内脉冲传输的影响，并通过分步傅立叶算法进行数值求解。当光脉冲经过腔内光纤布拉格光栅时，将光场乘以该器件对应的传输方程：

式中，δω是角频率偏移量，σ是滤波器带宽，r是光栅的反射系数。

当光脉冲经过腔内光纤时，采用金兹堡-朗道方程描述脉冲在光纤中的传输特性：

式中u是脉冲振幅包络；t和z分别是时间和传输距离；i为虚数单位；β2，γ和ωg分别代表光纤色散，非线性参量和增益带宽。g是光纤增益系数，对于普通单模光纤而言，g＝0。考虑增益饱和效应，增益系数g可表示为：

g＝g0exp(-ep/es)(3)

式中g0，ep和es分别代表小信号增益系数，脉冲能量以及增益饱和能量，g0与泵浦源1的功率成正比。

对本发明提出的全光纤激光系统进行数值仿真，为了精确模拟本发明提出的系统，设置了如下仿真参数：掺铒增益光纤5长为1m，在1550nm处β2为26ps²/km；色散补偿光纤4和色散补偿光纤6的长度均为2m，在1550nm处β2均为8ps²/km；系统内掺铒增益光纤5的非线性参量γ为5.8/w/km，色散补偿光纤4和色散补偿光纤6的非线性参量γ均为3/w/km；增益带宽ωg为24nm；小信号增益g0为30db/m；增益饱和能量es为1nj。

基于上述系统，本发明提出的一种产生超短光脉冲的方法，本方法不需要插入任何可饱和吸收体器件，脉冲的形成是非线性的自组织动力学过程，由自发辐射噪声自启动形成，包括以下步骤：

s1、由泵浦源1发出的激光经波分复用器2耦合进腔内，经过掺铒增益光纤5后产生频率为ω0的连续光信号。

s2、由于第一光纤布拉格光栅3和第二光纤布拉格光栅7的反射中心波长有一定的偏移量，将在腔内引入周期性的光谱损耗调制效应，使得在光谱中心频率ω0两边ω处产生频谱边带，从而激发不稳定的振荡模式。

s3、当光信号经过中心频率为ω0-δω的第一光纤布拉格光栅3时，频率为ω0+ω的光波分量受到损耗。此时，频率分别为ω0-ω和ω0的光波分量发生四波混频过程，从而将能量耦合到频率为ω0+ω的光波分量上。

s4、当光信号经过中心频率为ω0+δω的第二光纤布拉格光栅7时，频率为ω0-ω的光波分量受到损耗。此时，频率分别为ω0+ω和ω0的光波分量发生四波混频过程，从而将能量耦合到频率为ω0-ω的光波分量上。

s5、周期性的重复步骤s3-s4，最终使得频谱边带内的各振荡模式实现稳定的增长，在时域上表现为连续波转变为弱脉冲序列。

s6、当泵浦源1的功率超过激光阈值后，系统(本发明系统均指本发明提供的一种产生超短光脉冲的全光纤激光系统)腔内的弱脉冲信号在腔内多次经过掺铒增益光纤5后得到放大。

s7、脉冲在腔内演化，其光谱由于自相位调制等非线性效应而展宽。

s8、脉冲传播到中心频率为ω0-δω的光纤布拉格光栅3后，光谱在光栅带宽σ之内部分被反射，其余部分被光栅滤除。

s9、被第一光纤布拉格光栅3反射的光脉冲在腔内继续演化，重复步骤s7。

s10、之后脉冲传播到中心频率为ω0+δω的光纤布拉格光栅7，光谱在光栅带宽σ之内部分被反射，其余部分被光栅滤除。

s11、重复步骤s7-s10，经过多次周期性的光谱损耗调制，直至在腔内形成自洽演化，最终实现稳定的脉冲输出，其重复频率f满足ω＝2πf。

对本发明提供的系统进行了数值仿真，其结果如下：

图2所示是实施例的输出脉冲序列。可以看到，脉冲稳定输出。

图3所示是实施例的输出脉冲时域形状。可以看到，脉冲时域形状为高斯型，其脉冲宽度为4.25ps。

图4所示是实施例的通过第一光纤布拉格光栅前的脉冲光谱图。可以看到，脉冲通过光栅前，光谱较宽。

图5所示是实施例的通过第一光纤布拉格光栅后的脉冲光谱图。可以看到，脉冲通过此光栅后，受到光谱滤波作用，低频部分被滤除。

图6所示是实施例的通过第二光纤布拉格光栅前的脉冲光谱图。可以看到，脉冲经过光纤的自相位调制等非线性效应，使得光谱展宽。

图7所示是实施例的通过第二光纤布拉格光栅后的脉冲光谱图。可以看到，脉冲通过此光栅后，受到光谱滤波作用，高频部分被滤除。

综上所述，本发明的系统及方法可以带来如下的效果：

(1)本发明所用器件均为普通光纤激光器所用的普通器件，都已经商用化，使得本发明的系统成本低廉。

(2)本发明采用全光纤结构，光束质量好，转换效率高，散热好，无需准直，易于调节。

(3)本发明无需引入可饱和吸收体，结构简单，稳定性好。

(4)本发明所用器件均无需考虑损伤阈值的问题，可以产生高能量的脉冲输出。

(5)本发明经过适当调节激光系统参数可实现高重复频率光脉冲的产生。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。