在被动锁模激光器中实现波长和重复频率同步可

发布者:admin 发布时间:2019-10-23 03:34 浏览次数:

  本发明涉及被动锁模激光器领域,具体涉及在被动锁模激光器中实现波长和重复频率同步可调的方法。

  飞秒激光的波长和重复频率可调谐特性将其应用拓展到精密气体探测、气体光谱分析、频率标定、非线性生物光子学等领域。实现锁模飞秒激光的波长和重频可调谐可以按照主动锁模和被动锁模这两种类型分为两个思路。对于主动锁模激光器,改变电信号调制的频率来改变飞秒脉冲的重复频率,能直接实现激光波长在一定范围内可调谐。这种方法的优点是调谐范围大(对重复频率)、操作直观。但是,由于引入了复杂的电学设备,它无疑将增加成本和系统的复杂性。对于被动锁模激光器,因为被动锁模本身不需要外接电调制信号,系统结构简单,所以可以直接通过调控光学元件,如激光谐振腔或者增益,来实现重频和波长的可调谐。

  目前在被动锁模激光器实现调谐的方法主要有两个。一是通过改变系统偏振态来改变谐振腔内由光学器件引入的偏振损耗,调节腔内功率,最终实现对输出波长和重频的调节。但这种调谐非常有限,波长的可调谐范围非常小,重频的变化更是微弱到可以忽略。二是通过改变激光增益光纤或者反射光栅的温度来调控激光腔的腔长或者反射波长,进而改变重复频率和激光波长。但是这种由于温度变化引起的腔长变化往往在微米量级,应用于重频在几十兆赫兹的常规被动锁模激光器上时,由于谐振腔腔长普遍在十米到几十米的范围内,腔长的相对变化极其微小,调节的重复频率范围非常有限。此外,改变反射光栅的办法很难实现激光波长和重复频率的同步调谐,这在一定程度上影响了实际应用。

  在上述背景下,本发明提出了一种可同步调谐激光波长和重复频率、可获得较大调谐范围的新方法。本方法非常简单、容易实现,仅需要机械调整一段光纤和半导体可饱和吸收镜的耦合角度。本方法不受腔长的限制,适用于所有被动锁模飞秒激光器,但特别对于超短腔(10cm)的被动锁模飞秒激光器,其调谐的范围和敏感度可以大幅度提升,因此更适合于高重频飞秒激光的输出波长和重复频率。总之,本方法为飞秒激光波长和重复频率的调谐提供了新的思路,具有较大应用潜力。

  本发明的目的之一在于提出了在被动锁模激光器中实现波长和重复频率同步可调的方法,其对飞秒激光波长和重复频率的调谐范围远大于常规的对被动锁模激光器的调谐方法,且非常简单,容易实现。

  在被动锁模激光器中实现波长和重复频率同步可调的方法,其将激光谐振腔中的一段光纤和半导体可饱和吸收镜分别固定在多维调整架上,旋转多维调整架中转动平台的千分尺,调整这段光纤和半导体可饱和吸收镜的耦合角度,从而实现激光波长和重复频率的调谐。

  进一步的,本发明所述的方法采用的装置,包括从左到右依次是激光二极管、偏振控制器、波分复用器、二色镜、穿一段光纤的陶瓷管、半导体可饱和吸收镜,还包括隔离器和多维调整架;波分复用器还与隔离器连接,隔离器的输出作为激光输出端;穿一段光纤的陶瓷管安装在多维调整架上。

  进一步的,陶瓷管的内径与光纤的外径相同,一段光纤穿于陶瓷管内;陶瓷管的端面磨平后经过镜面抛光处理。

  进一步的,本发明所述的方法采用的另一装置,包括顺时针方向依次是激光二极管、波分复用器、增益光纤、耦合器的输出作为激光输出端、隔离器、偏振控制器、环形器,还包括穿一段光纤的玻璃管、多维调整架和半导体可饱和吸收镜;环形器还与波分复用器、穿一段光纤的玻璃管的一端连接;穿一段光纤的玻璃管安装在多维调整架上;穿一段光纤的玻璃管的另一端与半导体可饱和吸收镜连接。

  本发明将利用可饱和吸收体被动锁模的激光器谐振腔中的一段有源光纤或无源光纤的一端抛成镜面,并固定在多维调整架上。将半导体可饱和吸收镜安装在固定支架上,通过旋转多维调整架中转动平台的千分尺,机械调整所述一段光纤和半导体可饱和吸收镜的耦合角度,从而同步调谐被动锁模激光的波长和重复频率。重复频率的调谐范围可高达1MHz。

  本发明调谐被动锁模激光器的激光波长和重复频率的方法非常简单,易于实施。只需要通过机械方式旋转多维调整架中转动平台的千分尺,即可实现激光波长和重复频率的高精度同步调谐,重频的调节范围更是高达1MHz。与使用压电陶瓷或光纤光栅的方法相比,此方法的装置更加简单紧凑。

  本发明适用范围广,不受激光器波长的限制,同时适用于保偏结构的被动锁模激光腔和非保偏的被动锁模激光腔。

  下面结合实施例及附图,对本发明做进一步的详细说明。但本发明的实施方式不限于此。

  图1为本实施例的被动锁模激光器的飞秒激光波长和重复频率可调的结构图,从左到右依次是激光二极管1、偏振控制器2、波分复用器7、二色镜3、穿一段光纤的陶瓷管8、半导体可饱和吸收镜4,波分复用器7还与隔离器6连接,隔离器6的输出作为激光输出端5;穿一段光纤的陶瓷管8安装在多维调整架9上。其中多维调整架可以采用日本神津精机(KOHZU)的手动精密调心单元,通过调节多维调整架的精度0.0059°的θy轴,使穿一段光纤的陶瓷管8与半导体可饱和吸收镜4的相对角度逐渐改变,即可实现激光波长和重复频率的同步可调。其中陶瓷管的内径与光纤的外径相同,一段光纤穿于陶瓷管内。陶瓷管的端面磨平后进行镜面抛光处理,将抛光后的陶瓷管固定于多维调整架9。

  二色镜对泵浦光的透过率为95%,对信号光的透过率为5%。通过旋转多维调整架9中转动平台的千分尺,机械调整穿一段光纤的陶瓷管8和半导体可饱和吸收镜4的耦合角度,从而同步调谐激光波长和重复频率。

  图2为本实施例的被动锁模激光器的飞秒激光波长和重复频率可调的结构图,顺时针方向依次是激光二极管1、波分复用器7、增益光纤10、耦合器11的输出作为激光输出端5、隔离器6、偏振控制器2、环形器12,环形器12还与波分复用器7、穿无源光纤的玻璃管13的一端连接,穿无源光纤的玻璃管13安装在多维调整架9上,穿无源光纤的玻璃管13的另一端与半导体可饱和吸收镜4连接。其中,玻璃管的内径与光纤的外径相同,光纤穿于玻璃管内。玻璃管的端面磨平后进行镜面抛光处理,将抛光后的玻璃管固定于多维调整架9。

  耦合器11采用95:5的耦合比,耦合器11的5%输出作为激光输出端5,系统信号光的输出为5%。通过旋转多维调整架9中转动平台的千分尺,机械调整穿无源光纤的玻璃管13和半导体可饱和吸收镜4的耦合角度,从而同步调谐激光波长和重复频率。

  测试例中,机械调整一段光纤和半导体可饱和吸收镜的耦合角度,实现同步调谐被动锁模激光器的激光波长和重复频率理论机理如下:

  图3为本发明实施例中的耦合角度调谐原理图。由于旋转多维调整架中转动平台的千分尺,穿一段光纤的陶瓷管端面和半导体可饱和吸收镜会存在耦合角度和空气间隙,使整个激光谐振腔腔长发生变化,导致重复频率改变。从光纤端面出射的激光在重新返回这段光纤中会发生滤波效应,使激光波长可以调谐。对于同步调谐激光波长和重复频率,在数学上可用下列函数描述:

  其中,f为激光器重复频率,c、n和L分别是光速、折射率、谐振腔腔长。机械调整这段光纤和半导体可饱和吸收镜的耦合角度,使整个激光谐振腔的腔长发生变化,导致重复频率改变。

  由于机械调整耦合角度,这段光纤相对于半导体可饱和吸收镜会发生倾斜,导致出射激光返回光纤平面时会存在偏差x1,相应的描述函数:

  其中,x1为激光返回光纤平面时的偏差,x0为垂直于光纤端面到可饱和吸收镜入射点的距离,θ和w分别为出射激光的入射角和频率,n2和d分别为可饱和吸收镜的折射率和厚度,n′2为n2对w的一阶导数。由于n′2大于0,更低的光频率对应更大的偏差x1,因此长波长的光在调节角度的过程中容易被滤掉,使光谱中心波长发生调谐。

  图4、图5分别为测试例中的被动锁模激光器的激光波长、重复频率随着耦合角度调谐的相关图。测试例中,锁模激光腔的等效长度为3cm,根据光速c、腔长L、基频重复频率f与光纤折射率n的关系f=c/(2nL)计算可知,该激光腔的基频重复频率约为3.2GHz。从光谱图和频谱图中可以看出,机械调整增益光纤和半导体可饱和吸收镜的耦合角度,可实现同步调谐激光波长和重复频率,重复频率可以从3.19331965GHz调谐到3.19338015GHz,调谐范围为60.5KHz;光谱峰值波长可以从1591.4nm调谐到1586.1nm,调谐范围为5.3nm。图6为中心波长1590nm的脉冲光谱;图7为图6脉冲光谱的局部放大图,可以看到光谱中的纵模间距,对应脉冲基重频3.2GHz;图8为脉冲的自相关图,脉冲宽度639fs,说明脉宽较窄。

  上述测试例为本发明的实施方式之一,但本发明的实施方式并不受所述实施例与测试例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。


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