CN106654829A - 一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，涉及参量振荡器、激光器领域。该振荡器包括：可调谐激光器、隔离器、强度调制器、第一放大器、滤波器、相位调制器、第二放大器、第一偏振控制器、环形器、啁啾光纤光栅、波分复用器、高非线性光纤、光纤耦合器和第二偏振控制器。本发明采用时间透镜系统压缩光脉冲，实现重复频率、工作波长可调谐的超短脉冲光源，重复频率由施加在时间透镜上的射频信号决定，极易与参量振荡器同步。使用时间透镜光源的重复频率、波长可调谐特性，结合时间色散调谐和泵浦波长调谐机制，光纤参量振荡器能够实现可调谐宽工作波段、高脉冲质量的超短脉冲激光输出。

Description

一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器

技术领域

本发明涉及参量振荡器、激光器领域，更具体的涉及一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器。

背景技术

超短脉冲光源（皮秒、飞秒量级）已经成为现代科学和生产不可或缺的工具，广泛应用于各个科研和工业领域，如非线性光学、超快光谱学、生物光学、光化学、微纳加工等。如何研制高性能的可调谐超短脉冲激光源已成为开启诸多激动人心应用的当务之急。

在典型的非线性参量过程中，如四波混频（Four-wave mixing）中，一束高功率的泵浦光和一束信号光在非线性介质中相互作用产生一束闲频光，泵浦光能量同时向信号光和闲频光转移，实现增益放大。将非线性介质置于谐振腔中，使用高功率的泵浦光激励，满足相位匹配条件的一对自发辐射噪声将作为信号光和闲频光，在谐振过程中获得增益。当腔内增益大于损耗时得到信号光和闲频光输出，这就是光学参量振荡器。光学参量振荡器具有很多优势，包括增益波段仅受限于介质的透明窗口；具有大增益带宽，可以支持宽波段可调谐激光工作；参量过程响应时间为飞秒量级，同时适用于连续和脉冲激光。

为了产生超短光脉冲，参量振荡器必须与泵浦脉冲光源保持同步。通常的做法是采用光学可调延迟线调节腔长，保证同步性并实现一定的波长调谐。但腔长调节会给谐振腔带来不稳定性，且可调范围有限，限制了超短脉冲光学参量振荡器的工作波长范围和重复频率范围。

综上所述，现有技术中的超短脉冲光学参量振荡器，存在波长、重复频率可调谐范围有限的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，用以解决现有技术中存在超短脉冲光学参量振荡器的波长、重复频率可调范围有限的问题。

本发明实施例提供.一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，包括基于时间透镜的泵浦光源单元、放大和啁啾单元、振荡腔单元，所述的基于时间透镜的泵浦光源单元与放大和啁啾单元相连，放大和啁啾单元与振荡腔单元相连；基于时间透镜的泵浦光源单元产生C波段的连续激光经过强度和相位调制后，产生所需重复频率的初始宽脉冲序列引入放大和啁啾单元，得到脉宽小于1ps的超短光脉冲；超短光脉冲在谐振腔单元将满足相位匹配条件的一对自发辐射噪声获得增益成为信号光和闲频光，调节基于时间透镜的泵浦光源单元的泵浦脉冲光源与振荡腔单元的光纤耦合输出的激光脉冲同步，其中信号光将在腔内谐振，闲频光则作为参量激光输出。

较佳地，光纤参量振荡器的重复频率由施加在基于时间透镜的泵浦光源单元的射频RF信号决定，激光波长通过可调谐激光器调节。。

较佳地，所述的基于时间透镜的泵浦光源单元包括可调谐激光器、所述隔离器、所述强度调制器、所述第一放大器、所述滤波器和所述相位调制器依次相连构成。

较佳地，所述的放大和啁啾单元包括第二放大器、第一偏振控制器、环形器和啁啾光纤光栅依次相连构成。

较佳地，所述第一偏振控制器的输出端与环形器第一端口连接，环形器第二端口与所述啁啾光纤光栅连接，环形器第三端口与振荡腔单元连接。

较佳地，所述的振荡腔单元包括波分复用器、高非线性光纤、光纤耦合器和第二偏振控制器；其中放大和啁啾单元与波分复用器第一端口连接；波分复用器第二端口通过所述高非线性光纤与光纤耦合器第一端连接，光纤耦合器第三端口通过所述第二偏振控制器与光纤耦合器第二端连接，参量振荡器第三端输出闲频光。

较佳地，所述相位调制器包括多个相位调制器，且多个相位调制器串接。

较佳地，可调谐超短脉冲光纤参量振荡器采用泵浦波长调谐法或时间色散调谐法进行波长调谐，具体为：

（1）泵浦波长调谐法

调节基于时间透镜的泵浦光源单元中光源的激光波长，即可在中红外波段产生不同波长的超短脉冲光，辅助微调泵浦脉冲光的重复频率，使得参量振荡器必须与泵浦脉冲光源保持同步。

（2）时间色散调谐法调

调谐泵浦光脉冲的重复频率可选择不同波长信号光谐振，当泵浦脉冲光入射非线性光纤，在参量增益范围内将产生一系列不同波长的信号光和闲频光，由于光纤色散的存在，不同波长的光分量在参量振荡器腔内的往返时间不同，仅当往返时间是泵浦脉冲周期整数倍时，该波长的光分量得到最大增益并实现谐振。

本发明实施例中，提供一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，与现有技术相比，其有益效果如下：

1、本发明将基于时间透镜的超短脉冲泵浦光源和非线性光纤谐振腔结合，实现了可调谐的超短脉冲光纤参量振荡器。进一步，本发明采用时间透镜（time lens）系统压缩光脉冲，实现重复频率、工作波长可调谐的超短脉冲光源，其中，重复频率由施加在时间透镜上的射频信号决定，极易与参量振荡器同步；波长由可调谐激光器决定。

2、本发明使用时间透镜光源的重复频率、波长可调谐特性，结合时间色散调谐和泵浦波长调谐机制，光纤参量振荡器能够实现宽工作波段、高脉冲质量的超短脉冲激光输出，即解决了超短脉冲光学参量振荡器的波长、重复频率可调范围有限的问题。

3、相对于常见的光学参量振荡器多采用铌酸锂（LiNbO3）、磷酸二氢钾（KDP）等晶体作为非线性介质，激光输出波长覆盖从紫外到中红外的各个光波段。但由于非线性晶体具有各向异性，因此需要通过改变晶体折射率或泵浦光入射角度来调谐激光输出波长，系统复杂、维护困难，并限制了激光源性能的进一步提高。本发明型采用高非线性光纤作为非线性介质构建光纤光学参量振荡器，其调谐性、实用性和稳定性均有了本质性的进步。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的亚碲酸盐玻璃光纤典型色散图；

图3为本发明实施例提供的满足相位匹配条件的信号光和闲频光随泵浦光波长变化的变换关系图；

图4为发明实施例提供的一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器输出光谱图。

附图标记说明：

101-可调谐激光器，102-隔离器，103-强度调制器，104-第一放大器，105-滤波器，106-相位调制器，107-第二放大器，108-第一偏振控制器，109-环形器，1091-环形器第一端口，1092-环形器第二端口，1093-环形器第三端口，110-啁啾光纤光栅，111-波分复用器，1111-波分复用器第一端口，1112-波分复用器第二端口，1113-波分复用器第三端口，112-高非线性光纤，113-光纤耦合器，1131-光纤耦合器第一端口，1132-光纤耦合器第二端口，1133-光纤耦合器第三端口，114-第二偏振控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器结构示意图。如图1所示，该振荡器包括：可调谐激光器101、隔离器102、强度调制器103、第一放大器104、滤波器105、相位调制器106、第二放大器107、第一偏振控制器108、环形器109、啁啾光纤光栅110、波分复用器111、高非线性光纤112、光纤耦合器113和第二偏振控制器114。

具体地，可调谐激光器101与隔离器102、强度调制器103、第一放大器104、滤波器105、相位调制器106、第二放大器107和第一偏振控制器108依次连接；第一偏振控制器108的输出端与环形器第一端口1091连接，环形器第二端口1092与啁啾光纤光栅110连接，环形器第三端口1093与波分复用器第一端口1111连接；波分复用器第二端口1112通过高非线性光纤112与光纤耦合器第一端1131连接，波分复用器第三端口1113通过第二偏振控制器114与光纤耦合器第二端1132连接，光纤耦合器第三端1133输出闲频光。

需要说明的是，本发明将基于时间透镜的超短脉冲泵浦光源和非线性光纤谐振腔结合，实现了可调谐的超短脉冲光纤参量振荡器。进一步，本发明采用时间透镜（timelens）系统压缩光脉冲，实现重复频率、工作波长可调谐的超短脉冲光源，其中，重复频率由施加在时间透镜上的射频信号决定，极易与参量振荡器同步，波长由可调谐激光器决定。使用时间透镜光源的重复频率、波长可调谐特性，结合时间色散调谐和泵浦波长调谐机制，光纤参量振荡器能够实现宽工作波段、高脉冲质量的超短脉冲激光输出，即解决了超短脉冲光学参量振荡器的波长、重复频率可调范围有限的问题。

进一步，本发明采用高非线性光纤作为非线性介质构建光纤光学参量振荡器，其调谐性、实用性和稳定性均有了本质性的进步。

本发明实施例提供的一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，其工作原理如下：

本发明采用可调谐激光器101、隔离器102、强度调制器103、第一放大器104、滤波器105和相位调制器106构成基于时间透镜的高能量超短脉冲泵浦光源。具体地，通过可调谐激光器101产生C波段的连续激光，经过强度调制器103得到所需重复频率的初始宽脉冲序列，并使用多个串联的相位调制器给初始宽脉冲序列引入特定相位啁啾。

本发明通过第二放大器107、第一偏振控制器108、环形器109和啁啾光纤光栅110对泵浦光源进行放大和啁啾，得到脉宽小于1ps的超短光脉冲，其中，时间透镜脉冲光源的重复频率由射频RF信号决定，激光波长由可调谐激光器决定，因此实现了重复频率、波长皆可大范围调谐的脉冲激光输出。

本发明通过波分复用器111、高非线性光纤112、光纤耦合器113和第二偏振控制器114构成振荡腔，经过放大和啁啾的泵浦光入射高非线性光纤112后，满足相位匹配条件的一对自发辐射噪声将获得增益成为信号光和闲频光，调节泵浦脉冲光源与光纤耦合器113输出的激光脉冲同步，则其中信号光将在腔内谐振，闲频光则作为参量激光输出。

需要说明的是，本发明中涉及的光纤参量振荡器的理论模型如下所示：

在非线性参量过程中，使用高功率的泵浦光激励非线性光纤，泵浦光能量向其它频率转移并产生参量增益。某个频率的参量过程发生效率取决于相位匹配条件，表达式如下：

（1）

其中，、分别为距离泵浦光的频率差、光纤色散参数。控制相位失配量在范围可以有效提高参量过程效率，当时参量增益达到最大，其中，、分别为光纤非线性系数、泵浦光功率。选择且，即把泵浦光频率置于正常色散区域，通过参量过程将产生以泵浦光频率为中心、位置对称的一对增益带。增益带距离泵浦光的频率差为：

（2）

其中，非线性光纤的零色散点频率是确定的，因此通过改变泵浦光频率可以调节参量增益带的频率位置，从而实现信号光和闲频光波长调谐。将非线性光纤置于谐振腔中，考虑谐振腔仅对信号光产生谐振的情况，可以得到该光纤光学参量振荡器的耦合波方程如下：

（3）

（4）

（5）

考虑仅有信号光在振荡器中谐振，关于信号光和泵浦光的边界条件为：

（6）

（7）

其中、分别为非线性光纤长度、信号光在谐振腔中单次循环损耗。

图2为本发明实施例提供的亚碲酸盐玻璃光纤典型色散图；图3为本发明实施例提供的满足相位匹配条件的信号光和闲频光随泵浦光波长变化的变换关系图。结合图2，如图3所示，本发明采用掺铒光纤激光器作为泵浦，调节泵浦光波长从1565nm到1522nm，闲频光波长从2μm调谐至3μm，信号光相应从1286nm变化到1020nm。其中，图3中的标号301表示信号光，标号302表示闲频光。

本发明中超短脉冲光纤参量振荡器的波长调谐可以通过以下两种机制实现：

（1）泵浦波长调谐法。通过小范围调节泵浦光波长可以实现闲频光在中红外波段的大范围调谐，如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器输出光谱图。因此，调节时间透镜光源的激光波长，即可在中红外波段产生不同波长的超短脉冲光，并且需要辅助微调泵浦脉冲光的重复频率，使得参量振荡器必须与泵浦脉冲光源保持同步。

需要说明的是，图4中401标号表示波长为1538nm的泵浦光源产生的输出光曲线，402表示波长为1540nm的泵浦光源产生的输出光曲线，403表示波长为1548nm的泵浦光源产生的输出光曲线。

（2）时间色散调谐法。当泵浦脉冲光入射非线性光纤，在参量增益范围内将产生一系列不同波长的信号光和闲频光。由于光纤色散的存在，不同波长的光分量在参量振荡器腔内的往返时间不同，仅当往返时间是泵浦脉冲周期整数倍时，该波长的光分量得到最大增益并实现谐振。因此，调谐泵浦光脉冲的重复频率可以选择不同波长信号光谐振，从而实现光纤参量振荡器的输出波长调谐。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，其特征在于：包括基于时间透镜的泵浦光源单元、放大和啁啾单元、振荡腔单元，所述的基于时间透镜的泵浦光源单元与放大和啁啾单元相连，放大和啁啾单元与振荡腔单元相连；基于时间透镜的泵浦光源单元产生C波段的连续激光经过强度和相位调制后，产生所需重复频率的初始宽脉冲序列引入放大和啁啾单元，得到脉宽小于1ps的超短光脉冲；超短光脉冲在谐振腔单元将满足相位匹配条件的一对自发辐射噪声获得增益成为信号光和闲频光，调节基于时间透镜的泵浦光源单元的泵浦脉冲光源与振荡腔单元的光纤耦合输出的激光脉冲同步，其中信号光将在腔内谐振，闲频光则作为参量激光输出。

2.如权利要求1所述的可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，其特征在于：光纤参量振荡器的重复频率由施加在基于时间透镜的泵浦光源单元的射频RF信号决定，激光波长通过可调谐激光器调节。

3.如权利要求1或2所述的可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，其特征在于：所述的基于时间透镜的泵浦光源单元包括可调谐激光器（101）、所述隔离器（102）、所述强度调制器（103）、所述第一放大器（104）、所述滤波器（105）和所述相位调制器（106）依次相连构成。

4.如权利要求1或2所述的可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，其特征在于：所述的放大和啁啾单元包括第二放大器（107）、第一偏振控制器（108）、环形器（109）和啁啾光纤光栅（110）依次相连构成。

5.如权利要求4所述的可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，其特征在于：所述第一偏振控制器（108）的输出端与环形器第一端口（1091）连接，环形器第二端口（1092）与所述啁啾光纤光栅（110）连接，环形器第三端口（1093）与振荡腔单元连接。

6.如权利要求1所述的可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，其特征在于：所述的振荡腔单元包括波分复用器（111）、高非线性光纤（112）、光纤耦合器（113）和第二偏振控制器（114）；其中放大和啁啾单元与波分复用器第一端口（1111）连接；波分复用器第二端口（1112）通过所述高非线性光纤（112）与光纤耦合器第一端（1131）连接，光纤耦合器第三端口（1113）通过所述第二偏振控制器（114）与光纤耦合器第二端（1132）连接，参量振荡器第三端（1133）输出闲频光。

7.如权利要求3所述的可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，其特征在于：所述相位调制器（106）包括多个相位调制器，且多个相位调制器串接。

8.如权利要求1所述的可调谐超短脉冲光纤参量振荡器，其特征在于采用泵浦波长调谐法或时间色散调谐法进行波长调谐，具体为：

（1）泵浦波长调谐法

调节基于时间透镜的泵浦光源单元中光源的激光波长，即可在中红外波段产生不同波长的超短脉冲光，辅助微调泵浦脉冲光的重复频率，使得参量振荡器必须与泵浦脉冲光源保持同步；

（2）时间色散调谐法调

调谐泵浦光脉冲的重复频率可选择不同波长信号光谐振，当泵浦脉冲光入射非线性光纤，在参量增益范围内将产生一系列不同波长的信号光和闲频光，由于光纤色散的存在，不同波长的光分量在参量振荡器腔内的往返时间不同，仅当往返时间是泵浦脉冲周期整数倍时，该波长的光分量得到最大增益并实现谐振。