一种重频环境稳定的脉冲激光生成方法和系统

本发明涉及激光器，具体涉及一种重频环境稳定的脉冲激光生成方法和系统。

背景技术：

1、脉冲激光生成通常使用脉冲激光器来实现，在脉冲激光的诸多应用领域中，如微波频率测量、高频微波信号生成等，重复频率的稳定性是影响频率测量精度与生成信号质量的重要因素。

2、脉冲激光器由泵浦光源和光谐振腔组成，脉冲激光的重复频率主要受光谐振腔内光程的影响，对于环形腔而言，重复频率一般为光速除以光谐振腔内光程。由于组成光谐振腔的各材料都具有热膨胀效应与热光效应，在环境温度产生变化时，光谐振腔内光程会随之变化，从而导致脉冲激光重复频率发生变化。

3、目前常见的重复频率稳定方法是在光谐振腔内加入压电陶瓷(pzt)，通过改变pzt的驱动电压来控制其拉伸长度，影响光谐振腔长度，从而控制重复频率。但这种重复频率稳定方法需要设计复杂的反馈控制电路，且需要一百伏特以上的驱动电压，具有一定安全隐患。

4、本发明能够利用提出的脉冲激光生成方法和系统，使光谐振腔内光程在环境温度变化时维持稳定，从而使得环境温度变化对脉冲激光重复频率的影响显著降低。

技术实现思路

1、本发明提供了一种重频环境稳定的脉冲激光生成方法和系统。

2、本发明提供了一种重频环境稳定的脉冲激光生成方法，包括以下步骤：

3、步骤1、搭建脉冲激光器，脉冲激光器包括泵浦光源和无光程补偿模块的光谐振腔，无光程补偿模块的光谐振腔包括泵浦光耦合器件、增益器件、锁模器件、耦合输出器件，测量无光程补偿模块的光谐振腔温度系数的正负；

4、步骤2、选择热膨胀系数与无光程补偿模块的光谐振腔温度系数符号相同的材料作为驱动材料，光程补偿模块中空间光路部分的一端位置固定于固定点1，另一端与光程补偿模块中的驱动材料的一端连接，驱动材料的另一端位置固定于固定点2，固定点1与固定点2之间的距离保持不变，驱动材料具有与光谐振腔其它部分相同的温度系数符号，在温度变化时，驱动材料长度的变化导致补偿模块中的空间光路的光程发生反向变化，补偿光谐振腔其它部分的光程变化；

5、步骤3、将光程补偿模块连接至光谐振腔内，在环境温度变化时，加入光程补偿模块后的脉冲激光器输出的脉冲激光重复频率稳定性得到提升。

6、在一个示例中，步骤1中，无光程补偿模块的光谐振腔的温度系数是环境温度每变化一个单位时，无光程补偿模块的光谐振腔内总光程变化量。

7、在一个示例中，步骤2中，光程补偿模块分为透射式补偿模块与反射式补偿模块两种。透射式补偿模块如图2所示，其中1为固定点1，2为固定点2，3为驱动材料，4为光纤准直器1，5为光纤准直器2，光纤准直器1与光纤准直器2构成空间光路，光纤准直器2位置固定于固定点1，光纤准直器1与驱动材料的一端连接，驱动材料的另一端位置固定于固定点2；反射式补偿模块如图3所示，其中1固定点1，2为固定点2，3为驱动材料，4为光纤准直器3，5为反射镜，光纤准直器3与反射镜构成空间光路，反射镜固定于固定点1，光纤准直器3与驱动材料的一端连接，驱动材料的另一端位置固定于固定点2。

8、在一个示例中，步骤2中，光程补偿模块利用空间光路，通过驱动材料的热膨胀效应，在环境温度变化时改变光纤准直器的空间位置，进而影响透射式补偿模块中光纤准直器1、2之间的距离或反射式补偿模块中光纤准直器3与反射镜之间的距离，使用热膨胀系数符号与无光程补偿模块的光谐振腔温度系数相同的驱动材料，在环境温度改变时，引入与无光程补偿模块的光谐振腔光程变化量相反的光程变化。

9、本发明提供了一种重频环境稳定的脉冲激光生成系统，包括：

10、泵浦光源和光谐振腔，光谐振腔包括泵浦光耦合器件、增益器件、锁模器件、耦合输出器件、光程补偿模块；光谐振腔中的光信号经过光程补偿模块中的空间光路部分，空间光路部分的一端位置固定于固定点1，另一端与光程补偿模块中的驱动材料的一端连接，驱动材料的另一端位置固定于固定点2，固定点1与固定点2之间的距离保持不变，驱动材料具有与光谐振腔其它部分相同的温度系数符号，在温度变化时，驱动材料长度的变化导致补偿模块中的空间光路的光程发生反向变化，补偿光谐振腔其它部分的光程变化。

11、在一个示例中，所示的泵浦光源是半导体光源、染料光源、固体光源、气体光源。

12、在一个示例中，所示的泵浦光耦合器件是二相色镜、具有二相色镜特性的薄膜、光波分复用器件。

13、在一个示例中，所示的光谐振腔是由光纤与光纤器件组成的光纤腔或空间光路与反射镜等空间光器件组成的空间腔，腔型结构是环形腔、线形腔、“8”字腔、“9”字腔。

14、在一个示例中，所示的锁模器件是具有可饱和吸收效应的材料或结构，包括碳纳米管、黑磷、石墨烯、二维材料、半导体可饱和吸收镜、光子晶体器件、非线性光纤环镜。

15、在一个示例中，所示的光程补偿模块无需脉冲激光的重复频率作为控制信号，也无需复杂的反馈控制系统，直接使用自身的热膨胀效应与热光效应进行光谐振腔内光程的补偿。

16、在一个示例中，所示的耦合输出器件具有一个输入端与两个输出端，将输入光分为两路，是分光镜、光耦合器、光波分复用器、光偏振分束器、光偏振分束棱镜。

17、本发明提出了一种重频环境稳定的脉冲激光生成方法和系统。该系统与实现方法具有以下实际应用意义：

18、1.本发明解决了环境温度变化时脉冲激光重复频率波动的问题。环境温度变化时，由于光谐振腔内各器件的热膨胀效应与热光效应，光谐振腔内光程会发生变化，导致脉冲激光重复频率变化，会对微波信号生成质量、微波信号频率测量精度产生负面影响。

19、2.本发明所提出的重频环境稳定的脉冲激光生成方法，具有结构简单、容易实现的特点，不需要复杂的反馈控制系统，也无需动态调整参数，实现难度低。

20、3.本发明所提出的重频环境稳定的脉冲激光生成系统，不含高压驱动电路，具有功耗低、安全性强的特点。且相比于目前普遍使用的利用pzt调节腔长的方法，具有工作温度范围大、成本低等优势。

技术特征：

1.一种重频环境稳定的脉冲激光生成方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的重频环境稳定的脉冲激光生成方法，其特征在于，无光程补偿模块的光谐振腔的温度系数是环境温度每变化一个单位时，无光程补偿模块的光谐振腔内总光程变化量。

3.根据权利要求1所述的重频环境稳定的脉冲激光生成方法，其特征在于，光程补偿模块分为透射式补偿模块与反射式补偿模块两种，透射式补偿模块包括驱动材料、光纤准直器1、光纤准直器2，其中光纤准直器1与光纤准直器2构成空间光路，光纤准直器2位置固定于固定点1，光纤准直器1与驱动材料的一端连接，驱动材料的另一端位置固定于固定点2，反射式补偿模块包括驱动材料、光纤准直器3、反射镜，其中光纤准直器3与反射镜构成空间光路，反射镜固定于固定点1，光纤准直器3与驱动材料的一端连接，驱动材料的另一端位置固定于固定点2。

4.根据权利要求1所述的重频环境稳定的脉冲激光生成方法，其特征在于，光程补偿模块利用空间光路，通过驱动材料的热膨胀效应，在环境温度变化时改变光纤准直器的空间位置，进而影响透射式补偿模块中光纤准直器1、2之间的距离或反射式补偿模块中光纤准直器3与反射镜之间的距离，使用热膨胀系数符号与无光程补偿模块的光谐振腔温度系数相同的驱动材料，在环境温度改变时，引入与无光程补偿模块的光谐振腔光程变化量相反的光程变化。

5.根据权利要求1所述的重频环境稳定的脉冲激光生成方法，其特征在于，光谐振腔为环形腔、线形腔、“8”字腔、“9”字腔。

6.一种重频环境稳定的脉冲激光生成系统，其特征在于，包括泵浦光源和光谐振腔，光谐振腔包括泵浦光耦合器件、增益器件、锁模器件、耦合输出器件、光程补偿模块；光谐振腔中的光信号经过光程补偿模块中的空间光路部分，空间光路部分的一端位置固定于固定点1，另一端与光程补偿模块中的驱动材料的一端连接，驱动材料的另一端位置固定于固定点2，固定点1与固定点2之间的距离保持不变，驱动材料具有与光谐振腔其它部分相同的温度系数符号，在温度变化时，驱动材料长度的变化导致补偿模块中的空间光路的光程发生反向变化，补偿光谐振腔其它部分的光程变化。

7.根据权利要求6所述的重频环境稳定的脉冲激光生成系统，其特征在于，泵浦光源是半导体光源、染料光源、固体光源、气体光源。

8.根据权利要求6所述的重频环境稳定的脉冲激光生成系统，其特征在于，光谐振腔为环形腔、线形腔、“8”字腔、“9”字腔。

9.根据权利要求6所述的重频环境稳定的脉冲激光生成系统，其特征在于，耦合输出器件是分光镜、光耦合器、光偏振分束器、光偏振分束棱镜。

10.根据权利要求6所述的重频环境稳定的脉冲激光生成系统，其特征在于，光程补偿模块中驱动材料的热膨胀系数与光谐振腔其他部分温度系数符号相同，在光谐振腔温度系数符号为正时，驱动材料是有机玻璃、硬橡胶、聚氯乙烯管材、尼龙。

技术总结
本发明公开了一种重频环境稳定的脉冲激光生成方法和系统，涉及激光器技术领域。本发明所提出的重频环境稳定的脉冲激光生成系统包括泵浦光源和光谐振腔，光谐振腔包括泵浦光耦合器件、增益器件、锁模器件、耦合输出器件、光程补偿模块，其中光程补偿模块利用与光谐振腔其他部分温度系数符号相同的材料，在环境温度变化下，引入与光谐振腔内其他部分的光程变化量符号相反的光程变化。使用本发明提出的重频环境稳定的脉冲激光生成方法，搭建腔长补偿模块并添加到光谐振腔中，能够在环境温度变化时补偿光谐振腔内其他器件导致的脉冲激光重复频率变化，以较低的成本、简单的结构使得脉冲激光的重复频率具有环境稳定性。

技术研发人员：郑铮,张一帆,赵欣,刘建胜
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13