一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统及方法，旨在解决现有被动锁模光纤激光器难以产生稳定的高重复频率飞秒脉冲的技术问题。所述系统包括单模激光器(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)、微波源(4)、第一隔离器(5)、光纤放大器(6)、第二隔离器(7)、第一色散位移光纤(8)、普通单模光纤‑高非线性光纤组件(9)和第二色散位移光纤(10)。本发明专利技术具有结构简单紧凑、稳定性好等优点。通过调节微波源输出信号的频率和光纤放大器的输出功率，能实现高重复频率的飞秒激光脉冲输出，且输出脉冲的重复频率可调，这大大降低了系统的成本，在应用上可直接作为高重复频率飞秒脉冲光源使用。

【技术实现步骤摘要】
一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统及方法
本专利技术属于激光
，具体涉及一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统及方法的设计。
技术介绍
高重复频率飞秒脉冲光源在高速光通信系统、光信号处理、高速光学采样、光学频率梳、太赫兹波产生和材料加工等领域均有着重要的应用，是国际上的研究热点之一。早期的高重复频率飞秒脉冲主要是由钛宝石激光器产生，其输出脉冲具有高功率和窄脉宽等优点。然而，由于钛宝石激光器需要水冷以及空间分立器件的准直，使得其无法满足光学系统小型化、低成本的要求。光纤激光器因具有小型化、能量转换效率高、散热好和无需准直等诸多优点，是钛宝石激光器的理想替代者。近年来，被动锁模光纤激光器由于其良好的稳定性、小巧的体积、方便携带、成本低等优点而越来越受到人们的青睐。被动锁模是指利用谐振腔中的光纤或其它器件的非线性光学效应对输入脉冲的强度依赖性，实现激光器内各纵模间的相位锁定，进而输出稳定的飞秒光脉冲。目前，被动锁模光纤激光器主要采用两种方法来产生高重复频率的飞秒脉冲：基频锁模或谐波锁模。对于基频锁模，锁模光纤激光器的重复频率与腔长成反比，因此，要提高光纤激光器的重复频率就要缩短谐振腔的长度。然而，由于缩短了激光器的腔长，意味着增益介质(掺杂光纤)也会变短，而普通增益光纤的掺杂浓度较低、增益系数较小，这会造成光脉冲在激光腔中得不到足够的增益；同时，短腔中由于单位时间腔内脉冲数目增加，单个脉冲能量减少，可能会造成腔内非线性效应不足，从而导致激光器无法锁模。此外，一般的被动锁模光纤激光器由若干分立的光纤型元器件组成，如波分复用器、隔离器和输出耦合器等，这些元器件一般具有5cm左右的封装长度，且器件之间的熔接也需要一定长度的尾纤，从而限制了谐振腔长度所能达到的最小值，这不利于进一步提高光纤激光器的重复频率。基于以上原因，当前利用基频锁模技术所能实现的脉冲重复频率大多小于500MHz，这远远不能满足目前许多应用领域对高重复频率脉冲光源特别是重复频率在几GHz甚至几十GHz的脉冲光源的需要。尽管采用谐波锁模技术能够获得GHz量级的光脉冲，但由于谐波锁模的特性使得输出脉冲序列具有较大的时间抖动和强度抖动，同时，由于泵浦起伏引入的扰动也会使输出脉冲的稳定性变差，限制了其在光电子学领域的应用。因此，需要开发新技术来实现高重复频率的飞秒脉冲光源，满足现代众多科学应用领域的实际需要，特别是高速光学采样和光学频率梳等对低时间抖动、高重复频率脉冲光源的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有被动锁模光纤激光器中难以产生稳定的高重复频率飞秒脉冲的技术问题，提出了一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统及方法。本专利技术的技术方案为：一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，包括单模激光器、偏振控制器、电光强度调制器、微波源、第一隔离器、光纤放大器、第二隔离器、第一色散位移光纤、普通单模光纤-高非线性光纤组件以及第二色散位移光纤；单模激光器、偏振控制器、电光强度调制器、第一隔离器、光纤放大器、第二隔离器、第一色散位移光纤、普通单模光纤-高非线性光纤组件和第二色散位移光纤依次连接；所述微波源与电光强度调制器连接。优选地，单模激光器为分布反馈式激光器，输出光载波信号的中心波长λ0为：1550nm。优选地，电光强度调制器为马赫-曾德尔电光调制器。优选地，微波源的输出信号频率范围满足：10GHz≤fRF≤40GHz。优选地，光纤放大器为掺铒光纤放大器。优选地，第一色散位移光纤的长度为1km，其零色散波长位于1550nm附近。优选地，普通单模光纤-高非线性光纤组件是由8组呈周期性分布的普通单模光纤(SMF)和高非线性光纤(HNLF)成对串联构成，该光纤组件具有色散系数渐减和非线性系数渐增的特性。优选地，第二色散位移光纤的长度为2km，其零色散波长位于1550nm附近。本专利技术还提出了一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生方法，包括以下步骤：S1、利用单模激光器产生一个中心波长为1550nm的光载波信号，并通过调节偏振控制器稳定输出光信号的偏振态；S2、利用微波源输出一个频率在10～40GHz范围可调的微波信号，将其加载到电光强度调制器的驱动电极上；S3、将单模激光器产生的光载波信号输入到电光强度调制器中，利用加载在电光强度调制器驱动电极上的微波信号进行调制，使得电光强度调制器输出双边带调制光信号；S4、将电光强度调制器输出的光调制信号输入至光纤放大器中进行功率放大；S5、将光纤放大器输出的光信号输入至第一色散位移光纤中进行传输，入射的调制光信号在光纤中的四波混频效应作用下，产生新的高阶频谱边带；S6、将第一色散位移光纤输出的光信号输入至普通单模光纤-高非线性光纤组件中进行传输。当光信号在该光纤组件的高非线性光纤中传输时，光纤中的自相位调制效应占支配地位，使得光信号产生由自相位调制感应的频率啁啾；当光信号在该光纤组件的普通单模光纤中传输时，光纤中的群速度色散效应占支配地位，啁啾光信号在反常色散的作用下被逐渐窄化。在色散和非线性效应交替作用下，第一色散位移光纤输出的光信号在普通单模光纤-高非线性光纤组件中传输时被逐渐整形成高重复频率的亚皮秒激光脉冲。S7、将普通单模光纤-高非线性光纤组件输出的亚皮秒激光脉冲输入至第二色散位移光纤中进行传输，由于普通单模光纤-高非线性光纤组件与第二色散位移光纤存在较大的色散失配，使得普通单模光纤-高非线性光纤组件输出的亚皮秒激光脉冲在第二色散位移光纤中传输时被进一步整形压缩为脉宽更短的飞秒激光脉冲，其重复频率等于微波源输出微波信号的频率。通过调节微波信号的频率和光纤放大器的输出功率，能够产生重复频率在10～40GHz范围可调的飞秒激光脉冲。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术所用器件均为普通器件，都已经商用化，使得本专利技术的方法易于实施。(2)本专利技术具有结构简单紧凑，操作方便快捷，稳定性好等优点。(3)本专利技术通过调节微波源输出信号的频率和光纤放大器的输出功率，能实现重复频率可调的飞秒激光脉冲输出，大大降低了系统的成本，增强了该系统的适用范围。附图说明图1为本专利技术提供的一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统结构示意图。图2是本专利技术提供的普通单模光纤-高非线性光纤组件结构示意图。图3为本专利技术实施例中普通单模光纤-高非线性光纤组件的|β2|值随光纤长度的分布特性。图4为本专利技术实施例中普通单模光纤-高非线性光纤组件的γ值随光纤长度的分布特性。图5为本专利技术实施例中当微波信号的频率fRF取40GHz时，经光纤放大器放大后的调制光信号光谱图。图6为本专利技术实施例中当微波信号的频率fRF取30GHz时，经光纤放大器放大后的调制光信号光谱图。图7为本专利技术实施例中当微波信号的频率fRF取40GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲时域图。图8为本专利技术实施例中当微波信号的频率fRF取30GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲时域图。图9为本专利技术实施例中当微波信号的频率fRF取40GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲光谱图。图10为本专利技术实施例中当微波信号的频率fRF取30GHz时，经第二色散位移光纤输出的高重复频率飞秒脉冲光谱图。附图标记说明：1—单模激光器、2—偏振控制器、3—电光强度调制器、4—微波源、5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，包括单模激光器(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)、微波源(4)、第一隔离器(5)、光纤放大器(6)、第二隔离器(7)、第一色散位移光纤(8)、普通单模光纤‑高非线性光纤组件(9)和第二色散位移光纤(10)；所述单模激光器(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)、第一隔离器(5)、光纤放大器(6)、第二隔离器(7)、第一色散位移光纤(8)、普通单模光纤‑高非线性光纤组件(9)和第二色散位移光纤(10)依次连接；所述微波源(4)与电光强度调制器(3)连接。

【技术特征摘要】
1.一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，包括单模激光器(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)、微波源(4)、第一隔离器(5)、光纤放大器(6)、第二隔离器(7)、第一色散位移光纤(8)、普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)和第二色散位移光纤(10)；所述单模激光器(1)、偏振控制器(2)、电光强度调制器(3)、第一隔离器(5)、光纤放大器(6)、第二隔离器(7)、第一色散位移光纤(8)、普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)和第二色散位移光纤(10)依次连接；所述微波源(4)与电光强度调制器(3)连接。2.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述单模激光器(1)为分布反馈式激光器，输出连续信号光的中心波长λ0为：1550nm。3.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述电光强度调制器(3)为马赫-曾德尔电光调制器。4.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述微波源(4)的输出信号频率范围满足：10GHz≤fRF≤40GHz。5.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述光纤放大器(6)为掺铒光纤放大器。6.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第一色散位移光纤(8)的长度为1km，其零色散波长位于1550nm附近。7.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述普通单模光纤-高非线性光纤组件(9)是由8组呈周期性分布的普通单模光纤(SMF)和高非线性光纤(HNLF)成对串联构成，该光纤组件具有色散系数渐减和非线性系数渐增的特性。8.根据权利要求1所述的高重复频率的飞秒激光脉冲产生系统，其特征在于，所述第二色散位移光纤(10)的长度为2km，其零色散波长位于1550nm附近。9.一种高重复频率的飞秒激光脉冲产生方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜文雄，李和平，王壮，李俊文，张旨遥，刘永，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51