一種產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，將稀土類摻雜光纖激光器產(chǎn)生的定波長的連續(xù)激光，經(jīng)過高重頻調(diào)制裝置處理后，生成20～100GHz的多階倍頻信號；信號被放大后再經(jīng)反常色散的高非線性光纖，形成皮秒激光脈沖。本發(fā)明利用非線性光學(xué)孤子效應(yīng)，并采用一種原只用于光纖無線通信中的全光化調(diào)制技術(shù)——載波抑制和光交錯(cuò)復(fù)用濾波技術(shù)，獲取超高重頻脈沖串，而且可以通過改變邊頻和載頻的頻差使重復(fù)率可調(diào)，從而同時(shí)達(dá)到高峰值功率與高平均功率要求。
【專利說明】一種產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種脈沖信號產(chǎn)生的方法，特別涉及皮秒激光脈沖產(chǎn)生的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率皮秒脈沖激光在物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、國防等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，例如，高功率皮秒光纖激光器在微加工和激光投影等方面有著重要應(yīng)用，并有可能成為未來高速自由空間系統(tǒng)的中心組件，用于衛(wèi)星間甚至行星間的通信，其在超連續(xù)產(chǎn)生、THz波產(chǎn)生等領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用前景。激光光源的平均功率，是皮秒激光的薄弱環(huán)節(jié)。脈沖激光的平均功率取決于單脈沖能量和重復(fù)頻率，而單脈沖峰值功率受到非線性效應(yīng)、光損傷等因素的限制難以提高。如光纖中非線性自相位調(diào)制和受激拉曼散射的產(chǎn)生，限制了目前的光纖放大器輸出平均功率難以超越100W。通過使用大模場光纖等方法，可以有效降低非線性效應(yīng)閾值，但是光束質(zhì)量又難以保證。所以增加皮秒脈沖的重復(fù)頻率是實(shí)現(xiàn)高平均功率皮秒激光的一條有效途徑。常規(guī)皮秒激光一般是通過鎖模方法實(shí)現(xiàn)的。由于受到腔長的制約，重復(fù)頻率一般在幾十MHz至百M(fèi)Hz量級，難以再提高，而且環(huán)境的變化會導(dǎo)致鎖模狀態(tài)的破壞，使得激光器不能有效工作[2]。所以如何增加重復(fù)頻率是獲得高平均功率皮秒激光的關(guān)鍵。除此之外，如何保證高功率皮秒激光的輸出穩(wěn)定、高光束質(zhì)量、器件結(jié)構(gòu)緊湊、易維護(hù)等亦決定了其應(yīng)用的可行性。
[0003]近年來，許多研究者力求通過增加重復(fù)頻率獲得高平均功率皮秒激光。2006年，南安普頓大學(xué)P.Dupriez等人基于IGHz重復(fù)率的增益開關(guān)激光二極管和主振蕩器功率放大(MOPA)方法，實(shí)現(xiàn)了 1060nm、20ps、321W的多模激光輸出，但該高功率皮秒激光器含有體空間元件，未做成全光纖化。2009年，該小組的K.K.Chen使用同樣的種子源，得到了 1060nm、20ps、100W的單模、單偏振激光輸出。2010年K.K.Chen通過對原有系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，得到了重復(fù)率56MHz?198MHz可調(diào)的1060nm、21ps、100W的單模、單偏振激光輸出；并探討了提高泵浦二極管有效功率，可望進(jìn)一步提高輸出平均功率，但未予做出嘗試。2008年，西安光機(jī)所的劉紅軍等人使用IMHz重頻的增益開關(guān)激光二極管，實(shí)現(xiàn)了 1060nm、90ps、3.5W的緊湊全光纖化輸出，2010年在原有系統(tǒng)上予以改善，得到了 1053?1073nm可調(diào)、150ps、10W的高光束質(zhì)量的激光輸出。2009年，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳勝平等人采用摻鐿光纖激光器作為注入源，引入重復(fù)頻率增加單元，將重復(fù)頻率增加八倍至478MHz，得到平均功率97W的輸出，首次采用此種方法獲得了輸出功率大幅提高的全光纖化皮秒光源。通過縮短腔長，臺灣國立交通大學(xué)的H.C.Liang等人通過3_X 3_X IOmm的NchYVO4晶體,實(shí)現(xiàn)了 1342nm、2?6GHz重復(fù)頻率的11.5?37ps的脈沖輸出。2011年吳聞迪等人采用對摻鐿光纖激光器的注入激光直接泵浦放大的方法，得到了平均功率102W、76ps、18.6MHz的大功率、但線寬很窄的皮秒激光輸出。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明旨在提供一種可產(chǎn)生高重復(fù)頻率、高功率且線寬較寬的皮秒激光脈沖的方法。本發(fā)明通過以下方案實(shí)現(xiàn):
[0005]一種產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，將稀土類摻雜光纖激光器產(chǎn)生的定波長的連續(xù)激光，經(jīng)過高重頻調(diào)制裝置處理后，生成20~IOOGHz的多階倍頻信號；信號被放大后再經(jīng)反常色散的高非線性光纖，形成皮秒激光脈沖。所述稀土類摻雜光纖激光器的稀土類元素選擇Er、Yb或Tm，選擇不同的摻雜稀土可獲得不同波長的連續(xù)激光。
[0006]所述高重頻調(diào)制裝置選擇20GHz的射頻信號驅(qū)動(dòng)的馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器和馬赫一曾德爾干涉型光纖交錯(cuò)復(fù)用器，產(chǎn)生20GHz的調(diào)幅波。
[0007]所述信號放大步驟包括預(yù)放階段和功放階段。其中預(yù)放階段可采用(2+1) X I合束器，將待放大的信號和泵浦光稱合入摻雜有源雙包層光纖中。有源雙包層光纖選擇芯徑為15 μ m、內(nèi)包層直徑為130 μ m、數(shù)值孔徑分別為0.08和0.46的光纖，光纖中摻雜可采用稀土類元素離子，進(jìn)一步可選擇Er3+、Yb3+、Tm3+等。采用的泵浦光功率為50W。
[0008]所述功放階段，采用(6+1) X I合束器，將經(jīng)過預(yù)放階段的放大后的信號和的泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進(jìn)行放大，所述有源雙包層光纖選擇芯徑為30 μ m、內(nèi)包層直徑為250 μ m、數(shù)值孔徑分別為0.06和0.46的光纖，光纖中摻雜可采用稀土類元素離子，進(jìn)一步可選擇Er3+、Yb3+、Tm3+等。采用的泵浦光功率為300W。
[0009]與現(xiàn)有產(chǎn)生皮秒激光脈沖技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下: [0010]1.本發(fā)明中采用的高重頻裝置是借用了光纖無線通信中的載波抑制和光交錯(cuò)復(fù)用濾波技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制頻率多階倍頻的高重頻調(diào)制，使脈沖重復(fù)率達(dá)到幾十GHz至幾個(gè)THz，產(chǎn)生高重頻信號。
[0011]2.基于全光化調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生超高重復(fù)頻率皮秒激光。此方法突破了基于鎖模原理的皮秒脈沖低重頻瓶頸，利用時(shí)域小尺度自聚焦形成高重頻孤子的效應(yīng)，大幅度提高皮秒激光的平均功率。
【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例1
[0013]一種產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，將稀土 Yb摻雜光纖激光器產(chǎn)生的I μ m連續(xù)激光，經(jīng)過由20GHz的射頻信號驅(qū)動(dòng)的馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器(調(diào)制深度0.1)和馬赫一曾德爾干涉型光纖交錯(cuò)復(fù)用器，生成20~IOOGHz的多階倍頻信號。
[0014]采用(2+1) Xl合束器，將上述倍頻信號與泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進(jìn)行預(yù)放。有源雙包層光纖選擇芯徑為15 μ m、內(nèi)包層直徑為130 μ m、數(shù)值孔徑分別為0.08和0.46的光纖，光纖中摻雜采用Yb3+，采用的泵浦光功率為50W。
[0015]采用(6+1) Xl 合束器，將經(jīng)過預(yù)放階段的放大后的信號和的泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進(jìn)行功放，所述有源雙包層光纖選擇芯徑為30 μ m、內(nèi)包層直徑為250 μ m、數(shù)值孔徑分別為0.06和0.46的光纖，光纖中摻雜采用Yb3+。采用的泵浦光功率為300W。
[0016]放大后的信號30W注入反常色散的高非線性多模光纖，光纖參數(shù)為:非線性系數(shù)Y = Ιδ^Ιαι 1，色散參數(shù) β 2=-33.2ps2/km, β 3=1.26 X 10_1ps3/km, β 4=_2.75 X 10_4ps4/km,β 5=9.23 X 10_7ps5/km, β 6=-3.20 X 10_9ps6/km, β 7=9.15 X 10_12ps7/km, β 8=-1.88 X 10_14ps8/km, β 9=2.43 X lCT17ps9/km, β 10=-1.51 X lCT20ps10/km,芯徑 40um,經(jīng) 26.4m 的傳輸距離形成IOOGHz重復(fù)頻率的皮秒激光脈沖。
[0017]實(shí)施例2
[0018]與實(shí)施例1不同的是，激光器為稀土 Er摻雜的光纖激光器，產(chǎn)生波長1550nm連續(xù)激光。放大后的信號30W注入光纖參數(shù)為:非線性系數(shù)Y = 1.1WlnT1,色散參數(shù) β 2=-35.8ps2/km，β 3=8.I X lCT2ps3/km，β 4=_9.5 X lCT5ps4/km，β 5=2.I X lCT7ps5/km,β 6=-5.4 X lCT10ps6/km，β 7=1.3 X lCT12ps7/km，β 8=_2.5 X lCT15ps8/km, β 9=3.I X lCT18ps9/km, β 10=-1.7 X 10_21ps10/km,芯徑40um的多模光纖,經(jīng)130.3m的傳輸距離形成IOOGHz重復(fù)頻率的皮秒激光脈沖。
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，其特征在于:將稀土類摻雜光纖激光器產(chǎn)生的定波長的連續(xù)激光，經(jīng)過高重頻調(diào)制裝置處理后，生成20?IOOGHz的多階倍頻信號；信號被放大后再經(jīng)反常色散的高非線性光纖形成皮秒激光脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，其特征在于:所述信號放大步驟包括預(yù)放階段和功放階段。
3.如權(quán)利要求2所述的產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，其特征在于:所述預(yù)放階段采用合束器，將所述倍頻信號與泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進(jìn)行放大。
4.如權(quán)利要求2或3所述的產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，其特征在于:所述功放階段，采用合束器，將經(jīng)過預(yù)放階段的信號和泵浦光耦合入摻雜有源雙包層光纖中進(jìn)行放大。
5.如權(quán)利要求1?3之一所述的產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，其特征在于:所述稀土類摻雜光纖激光器的稀土類元素選擇Er、Yb或Tm。
6.如權(quán)利要求4所述的產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法,其特征在于:所述稀土類摻雜光纖激光器的稀土類元素選擇Er、Yb或Tm。
7.如權(quán)利要求1?3之一所述的產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，其特征在于:所述高重頻調(diào)制裝置為20GHz的射頻信號驅(qū)動(dòng)的馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器和馬赫一曾德爾干涉型光纖交錯(cuò)復(fù)用器。
8.如權(quán)利要求4所述的產(chǎn)生皮秒激光脈沖的方法，其特征在于:所述高重頻調(diào)制裝置為20GHz的射頻信號驅(qū)動(dòng)的馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器和馬赫一曾德爾干涉型光纖交錯(cuò)復(fù)用器。
【文檔編號】H01S3/11GK103474870SQ201310434042
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】楊華, 趙楚軍, 唐平華, 文雙春 申請人:湖南大學(xué)