一种产生孤子爆发模式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，具体涉及一种产生爆发模式孤子脉冲的全光纤激光系统及方法的设计。

背景技术：

超短脉冲光纤激光器由于具有光束质量好、峰值功率高、激光与材料相互作用时间短等优点，被广泛应用于激光标记、激光微机械加工、激光除锈、脉冲激光沉积等领域。

根据材料和加工需求的不同，对激光光束的单脉冲能量、脉冲宽度、重复频率等方面的性能要求也有所不同。在高精度微加工应用中，研究人员提出使用以孤子爆发模式(solitonburst-mode)工作的激光脉冲，来减少材料散发热量的速度，从而提升烧蚀效率。孤子爆发模式是指具有mhz量级重复频率的孤子簇脉冲，且孤子簇内部的脉冲重复频率在ghz量级。由于爆发模式脉冲具有较高的脉冲峰值功率，及较低的系统平均功率，其烧蚀特性与普通高重复频率超短脉冲光纤激光器相比更优越，为材料加工领域提供了一种替代解决方案。

爆发模式脉冲主要通过在激光腔外中引入有源器件，如声光调制器(aom)、电光调制器(eom)、相位调制器(pm)或强度调制器(im)在时域调制光脉冲产生理想的种子脉冲串来获得，该方法依赖脉冲的多级放大，色散补偿与脉冲压缩，系统庞大且复杂，光源的成本也会因为有源器件的引入而增加，另外输出脉冲的能量只占总能量的少部分，能量利用率低。近年来，在非线性偏振旋转(npr)被动锁模光纤激光器中通过加大泵浦功率、以及精确调控腔内双折射、色散等参数，使由于峰值功率钳制效应而分裂的多个脉冲之间相互作用达到平衡，也能够实现稳定的孤子爆发模式，但这种方法调试难度高，同时由于采用npr锁模技术，其系统稳定性极易受外界环境影响，这也不利于系统的实际应用。

因此，我们提出了一种产生孤子爆发模式的全光纤激光系统及方法，无需使用复杂的脉冲整形技术，不依赖于电子技术，且通过简单调试就可以产生爆发模式脉冲，这将在高质量激光微加工中具有广泛的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有光纤激光器中难以直接输出爆发模式孤子脉冲的技术问题，提出了一种产生孤子爆发模式的全光纤激光系统及方法。

本发明的技术方案为：一种产生孤子爆发模式的全光纤激光系统及方法，包括依次连接的被动锁模光纤激光器、隔离器、光纤放大器、光子晶体光纤、可编程光学滤波器、第一单模光纤、耦合器和第二单模光纤；所述可编程光学滤波器用于将光子晶体光纤输出光脉冲的光谱整形为梳状；所述第一单模光纤用于将可编程光学滤波器输出的光谱为梳状的脉冲转变为时域为梳状的孤子簇光脉冲。

优选地，被动锁模光纤激光器为工作在净正色散或全正色散区的掺镱锁模光纤激光器，输出为耗散孤子脉冲，其脉冲时域形状为高斯形，对应的光谱形状近似为矩形，输出脉冲的中心波长λ为：1060nm，输出脉冲重复频率在mhz量级。

优选地，隔离器为偏振无关光隔离器，用于隔离光纤放大器的反射光波，防止反射光返回到被动锁模光纤激光器中干扰甚至破坏锁模运转。

优选地，光纤放大器为掺镱光纤放大器。

优选地，光子晶体光纤的长度为90m，在1060nm处具有近零色散。

优选地，可编程光学滤波器的滤波带宽范围满足：1nm≤fbw≤50nm。

优选地，第一单模光纤的长度为10km，在1060nm处具有正色散。

优选地，耦合器为3db光学耦合器，耦合比率为50/50。

优选地，第二单模光纤的长度为30m，在1060nm处具有正色散。

本发明还提出了一种产生孤子爆发模式的方法，包括以下步骤：

s1、被动锁模光纤激光器在增益介质光谱滤波效应、克尔非线性效应、正色散、可饱和吸收体、增益和损耗等的共同作用下，并当泵浦功率超过锁模阈值后，实现稳定的耗散孤子锁模脉冲输出，其脉冲时域形状为高斯形，对应的光谱形状近似为矩形；

s2、将被动锁模光纤激光器输出的耗散孤子脉冲输入至光纤放大器中进行功率放大，使输出的耗散孤子脉冲的能量得到进一步提高；

s3、将经光纤放大器功率放大后的耗散孤子脉冲输入至光子晶体光纤中进行传输，由于脉冲具有高峰值功率，其通过光子晶体光纤时，多种非线性效应，如：自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等共同作用，使得出射脉冲的光谱中产生许多新的频率成份，从而使频谱得到展宽，同时由于光纤具有近零色散，脉冲在传输过程中一直保持较高的峰值功率，因而持续不断地受到非线性效应的作用；最终，光子晶体光纤输出脉冲的光谱宽度相比于入射脉冲迅速展宽；

s4、将光子晶体光纤输出的展宽光谱脉冲输入至可编程光学滤波器中进行光谱滤波，使得经可编程光学滤波器输出脉冲的光谱形状变为梳状；

s5、将可编程光学滤波器输出的光谱形状为梳状的光脉冲输入至第一单模光纤中进行传输，由于光纤的群速度色散效应作用，施加给脉冲一个线性频率啁啾，脉冲的时域逐渐被展宽；当第一单模光纤长度足够长，脉冲累积的色散量足够大时，其输出脉冲的时域形状将与可编程光学滤波器输出脉冲的光谱形状相似；由于可编程光学滤波器输出脉冲的光谱为梳状，因而在积累的强色散效应作用下，第一单模光纤输出脉冲的时域形状也为梳状，且其输出的梳状脉冲之间的间隔和脉冲数目由可编程光学滤波器的滤波带宽及滤波波长间隔决定，从而实现孤子爆发模式激光脉冲输出，其孤子簇内部的脉冲数可控且脉冲重复频率在ghz量级连续可调；

s6、将第一单模光纤输出的光脉冲输入至耦合器中，它被分成两个相同的孤子簇，这两个孤子簇分别沿耦合器的两个输出臂传播，其中一个孤子簇直接输出，第二个孤子簇通过第二单模光纤产生相对于第一个孤子簇的时间延迟，通过精确控制延时量，从而最终实现输出孤子簇重复频率的倍增。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所用器件均已商用化，容易购买获得，使得本发明的方法易于实施。

(2)本发明采用全光纤结构，耦合效率高，光束质量好，散热好。

(3)本发明具有结构简单紧凑，调试简单，稳定性高等优点。

(4)本发明能实现孤子簇内部的脉冲数可控且脉冲重复频率在ghz量级连续可调的激光输出，该激光系统可直接应用于微机械加工领域，也可以作为高能量脉冲放大器的种子源。

附图说明

图1为本发明提供的一种产生孤子爆发模式的全光纤激光系统及方法。

图2为本发明实施例的经可编程光学滤波器输出脉冲的光谱形状图。

图3为本发明实施例的经第一单模光纤输出脉冲的时域形状图。

附图标记说明：1—被动锁模光纤激光器、2—隔离器、3—光纤放大器、4—光子晶体光纤、5—可编程光学滤波器、6—第一单模光纤、7—耦合器、8—第二单模光纤。

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。

本发明提供了一种产生孤子爆发模式的全光纤激光系统，如图1所示，包括依次连接的被动锁模光纤激光器1、隔离器2、光纤放大器3、光子晶体光纤4、可编程光学滤波器5、第一单模光纤6、耦合器7、和第二单模光纤8。

本发明实施例中，被动锁模光纤激光器1为工作在净正色散区的掺镱锁模光纤激光器，输出为耗散孤子脉冲，其脉冲时域形状为高斯形，对应的光谱形状近似为矩形，输出脉冲的中心波长λ为：1060nm，输出脉冲重复频率在mhz量级。

隔离器2为偏振无关光隔离器，用于隔离光纤放大器3的反射光波，防止反射光返回到被动锁模光纤激光器1中干扰甚至破坏锁模运转。

光纤放大器3为掺镱光纤放大器。

光子晶体光纤4可采用中国长飞公司生产的光子晶体光纤，其总长度为90m，在1060nm处其非线性参量γ为11/w/km，零色散波长位于：1030nm。

可编程光学滤波器5可采用美国finisar公司生产的waveshaper1000a/sp可编程光学滤波器，其滤波带宽范围满足：1nm≤fbw≤50nm。

第一单模光纤6可采用美国corning公司生产的hi1060单模光纤，其总长度为10km，在1060nm处其色散系数β2为23ps²/km。

耦合器7的输出比率为50/50。

第二单模光纤8可采用美国corning公司生产的hi1060单模光纤，其总长度为30m，在1060nm处其色散系数β2为23ps²/km。

本发明中涉及的主要工作原理具体如下：

从非线性薛定谔方程出发，不考虑光纤损耗与增益，只考虑二阶色散系数，可编程光学滤波器5输出的光谱形状为梳状的光脉冲在第一单模光纤6中的传输满足如下方程：

其中，表示光谱形状为梳状的光脉冲在光纤中某一位置z处振幅包络a(z,t)的傅里叶变换，ω0/2π表示脉冲的中心频率，z是传播距离，β2是二阶色散系数，t是以群速度传播的脉冲的参考时间长度。

通过解(1)式，可以得到在第一单模光纤6中传播的光脉冲在z处振幅包络的表达式：

当|β2z|足够大时，式(2)可以近似为：

对应的输出脉冲时域的强度表达式：

其中ω-ω0与t满足关系：

式(3)描述了光脉冲频域到时域的点对点映射现象，即第一单模光纤6输出脉冲的时域包络形状近似于经可编程光学滤波器5输入脉冲的光谱形状。当可编程光学滤波器5的滤波带宽范围满足：1nm≤fbw≤50nm时，第一单模光纤6输出总的孤子簇脉冲宽度满足：0.4ns≤δt≤19ns，并实现了孤子簇内部的脉冲重复频率在0.4ghz至20ghz范围内连续可调。

本发明还提出了一种产生孤子爆发模式的方法，包括以下步骤：

s1、被动锁模光纤激光器1在增益介质光谱滤波效应、克尔非线性效应、正色散、可饱和吸收体、增益和损耗等的共同作用下，并当泵浦功率超过锁模阈值后，实现稳定的耗散孤子锁模脉冲输出，其脉冲时域形状为高斯形，对应的光谱形状近似为矩形；

s2、将被动锁模光纤激光器1输出的耗散孤子脉冲输入至光纤放大器3中进行功率放大，使输出的耗散孤子脉冲的能量得到进一步提高；

s3、将经光纤放大器3功率放大后的耗散孤子脉冲输入至光子晶体光纤4中进行传输，由于脉冲具有高峰值功率，其通过光子晶体光纤4时，多种非线性效应，如：自相位调制、交叉相位调制、四波混频和受激拉曼散射等共同作用，使得出射脉冲的光谱中产生许多新的频率成份，从而使频谱得到展宽，同时由于光纤具有近零色散，脉冲在传输过程中一直保持较高的峰值功率，因而持续不断地受到非线性效应的作用；最终，光子晶体光纤4输出脉冲的光谱宽度相比于入射脉冲迅速展宽；

s4、将光子晶体光纤4输出的展宽光谱脉冲输入至可编程光学滤波器5中进行光谱滤波，使得经可编程光学滤波器5输出脉冲的光谱形状变为梳状；

s5、将可编程光学滤波器5输出的光谱形状为梳状的光脉冲输入至第一单模光纤6中进行传输，由于光纤的群速度色散效应作用，施加给脉冲一个线性频率啁啾，脉冲的时域逐渐被展宽；当第一单模光纤6长度足够长，脉冲累积的色散量足够大时，其输出脉冲的时域形状将与可编程光学滤波器输出脉冲的光谱形状相似；由于可编程光学滤波器5输出脉冲的光谱为梳状，因而在积累的强色散效应作用下，第一单模光纤6输出脉冲的时域形状也为梳状，且其输出的梳状脉冲之间的间隔和脉冲数目由可编程光学滤波器5的滤波带宽及滤波波长间隔决定，从而实现孤子爆发模式激光脉冲输出，其孤子簇内部的脉冲数可控且脉冲重复频率在ghz量级连续可调；

s6、将第一单模光纤6输出的光脉冲输入至耦合器7中，它被分成两个相同的孤子簇，这两个孤子簇分别沿耦合器7的两个输出臂传播，其中一个孤子簇直接输出，第二个孤子簇通过第二单模光纤8产生相对于第一个孤子簇的时间延迟，通过精确控制延时量，从而最终实现输出孤子簇重复频率的倍增。

对本发明提供的一种产生高能量矩形脉冲的方法中步骤s5进行了数值模拟，其结果如下：

图2所示是经可编程光学滤波器输出脉冲的光谱形状。从中可以清楚的看到，经过光谱整形，可编程光学滤波器输出光脉冲的光谱变为梳状。

图3所示是经第一单模光纤输出脉冲的时域形状。可以看到，通过第一单模光纤传输后，其输出脉冲时域形状变为梳状。

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。