一种光谱域与时域可编程调谐激光器及调谐方法技术

本发明专利技术公开了一种光谱域与时域可编程调谐激光器及调谐方法。由可编程任意波形发生电路产生信号源，经射频功率放大器后作为声光可调谐滤波器的驱动信号。通过程序控制激励不同的驱动信号，改变滤波器透过特性，使激光器工作在连续或主动调Q模式。在连续激光工作模式，当调节可编程任意波形发生电路使驱动信号为单频正弦波时，激光器在整个掺杂光纤增益谱区实现单波长快速调谐输出；当驱动信号为多个频率正弦波合成时，激光器可实现多波长输出且每个波长位置与强度可调；在主动调Q模式，通过可编程任意波形发生电路控制驱动信号可获得调谐单/多波长脉冲输出，且脉冲周期可调。此外，每个脉冲光谱可通过程序控制，实现单/多波长切换输出。切换输出。切换输出。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱域与时域可编程调谐激光器及调谐方法


[0001]本专利技术涉及激光
，特别涉及一种光谱域与时域可编程调谐激光器及调谐方法。

技术介绍

[0002]光纤激光器以其辐射光谱范围广、电光转换效率高、散热性能好、稳定度高等特点已成功应用于工业加工、科学研究以及国防军事等多个领域。其中，影响光纤激光器应用范围和功能性的两个重要特征，即光谱与脉冲特性。利用波长可调谐激光可有效开展传感探测、光谱分析等研究应用，是近年来众多学者的研究热点。大多数光谱控制元件利用光的干涉或衍射特性，通过改变光路长度或衍射方向来实现波长调谐。其中，干涉型方式通过改变材料折射率和几何路径长度来实现波长调谐。然而，折射率的变化通常依赖于材料的应变或热响应，而几何路径长度的变化通常是通过移动或倾斜光学元件来获得的。缓慢的热响应和机械疲劳将不可避免地降低波长调谐速度和可靠性。类似地，传统的基于衍射的光学设备利用旋转台、微机电镜或移动狭缝仅耦合输出光谱的一部分，以实现光谱过滤和调谐。移动元件将不可避免地使系统容易受到振动的影响，并可能阻碍它们在恶劣环境中的实际应用。此外，为了产生脉冲激光，需要另一种时间调制机制或设备来实现周期性截止，从而实现调Q或/和锁模激光脉冲输出。这些都将不可避免地增加系统成本和复杂性。
[0003]与以上方法不同的是，利用声光可调滤波器(AOTF)同时作为滤波器件能实现灵活的波长调谐。AOTF允许在较宽的光谱范围内快速调谐，相对于其他波长调谐技术的优势包括响应速度更快，避免机械疲劳，以及摒弃了移动元件转而依靠可编程调控。基于该器件已成功在连续与锁模激光领域实现可靠的波长调谐输出，然而其脉冲特性如重复频率、脉冲宽度等依然受限于腔结构而无法在线调谐，极大的制约了激光器的应用。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术手段的不足，本专利技术提出一种光谱域与时域可编程调谐激光器及调谐方法。基于声光可调滤波器同时作为滤波和主动调Q器件，搭建全保偏光纤激光器来实现灵活的波长与脉冲调制，同时降低激光系统的复杂程度和成本。本专利技术系统为全保偏、全光纤化环形腔结构，如图1所示，其包括半导体泵浦激光管1、波分复用器2、掺杂光纤3、隔离器4、耦合器5、可编程任意波形发生电路6、射频功率放大器7、声光可调谐滤波器8。半导体泵浦激光管1通过波分复用器2耦合到掺杂光纤3中，为激光器系统提供增益；掺杂光纤3两端分别与波分复用器2和隔离器4的入射端尾纤熔接，隔离器4的输出端口与声光可调谐滤波器8的尾纤熔接，声光可调谐滤波器8的驱动信号来源于可编程任意波形发生电路6，其产生的信号源经射频功率放大器7后由电缆注入到声光可调谐滤波器8的调制端口，声光可调谐滤波器8的另一端与耦合器5的尾纤熔接，使激光腔内的一部分能量由输出端口输出，另一部分能量则通过耦合器与波分复用器2的尾纤熔接返回到腔内；
[0005]所述可调谐激光器中，使用导体泵浦激光管1输出稳波长连续激光作为泵浦源，注
入到掺杂光纤3提供增益，最终产生的连续或脉冲激光由声光可调谐滤波器8工作在连续或者主动调Q模式决定。
[0006]所述可调谐激光器中，波分复用器2将泵浦光耦合到增益光纤中，根据掺杂光纤3不同使用不同波段的波分复用器，掺杂元素为铒、镱、铥、铒镱共掺或铥钬共掺。
[0007]所述可调谐激光器中，掺杂光纤3可以根据惨杂浓度需求选取高掺杂或低掺杂类型，结构为单包层或双包层。
[0008]所述可调谐激光器中，声光可调谐滤波器8的输入、输出端口带有保偏的尾纤，根据不同波段的使用需求所用的尾纤为PM980、PM1550或PM1950。
[0009]所述可调谐激光器中，声光可调谐滤波器8的工作模式由可编程任意波形发生电路6产生的驱动信号源决定，而可编程任意波形发生电路6的输出信号可以通过程序进行快速调节。
[0010]所述可调谐激光器中，可编程任意波形发生电路6产生由正弦波合成的射频信号，经射频放大器7提升其功率水平并以此作为声光可调谐滤波8的驱动信号，该信号直接决定了滤波器的透过率特性，包括通道数，每个通道的中心波长及其透过率。通过改变驱动信号的这三个主要特征，激光器可以在以下五个模式工作：
[0011]1.单波长可调谐连续激光
[0012]当可编程任意波形发生电路6产生的驱动信号为单个频率的连续正弦波时，声光可调谐滤波器8工作在连续单通道模式。在此工作模式下，获得的连续激光光谱仅包含单个波长。通过改变正弦波的频率，可实现激光波长在掺杂光纤增益谱内的宽范围调谐输出；而调节正弦波的幅值可以改变滤波器的透过率，从而影响激光器的振荡阈值和输出功率。
[0013]2.多波长可调谐连续激光
[0014]针对特定的应用场景如波分复用通信与多光谱探测，需要激光器同时输出多个波长成分的光谱。本专利技术中，通过程序控制将可编程任意波形发生电路6产生的驱动信号由单个频率正弦波变成由多个正弦波合成的新的周期信号，声光可调谐滤波器8也由单通道模式切换到多通道模式。在该模式下，由于多个波长在声光可调谐滤波器8中的透过率较高且均有增益，因此可以同时起振，形成稳定的多波长连续激光输出。除了波长可调谐，通过改变每个正弦波频率成分的振幅，还可形成其相对强度的差异，由此可以补偿后续功率放大过程中的增益不平坦问题。
[0015]3.单波长可调谐脉冲激光
[0016]当可编程任意波形发生电路6产生的正弦波幅值是固定值时，系统输出连续光，而当利用方波对正弦波的振幅进行周期性调制时，声光可调谐滤波器8可以作为主动调Q器件使激光器切换到脉冲工作模式运行。同样的，在单个振幅调制周期内，当信号光为单个频率的正弦波时，滤波器工作在单通道模式，激光器输出单波长脉冲激光。该模式下的两个参数，即激光波长和输出功率，可以分别通过改变正弦波的频率和最大幅值来实现。激光脉冲的周期则可以通过改变振幅调制信号的重复频率实现，脉冲宽度主要由重复频率和增益决定。基于此，由程序编写控制还可得到由多个非周期脉冲组成的长周期序列，这对脉冲在时域编码的应用具有重要价值。
[0017]4.多波长可调谐脉冲激光
[0018]利用可编程任意波形发生电路6将单波长脉冲激光的单一频率正弦波驱动信号转
换成由多个频率正弦波合成的周期信号，即可实现声光滤波器单通道向多通道工作模式的转换，由此获得多波长的脉冲激光输出。在该模式下，激光器运行的通道数、每个通道输出的波长与强度、以及脉冲周期调节可通过改变正弦波的频率、最大幅值和调制周期来实现。此外，激光器处于双波长脉冲模式时，会在增益区产生明显的四波混频效应，而级联的四波混频波长序列将为本系统获取梳状光谱激光提供可行性。
[0019]5.交替波长调谐脉冲激光
[0020]单波长与多波长脉冲激光运行模式下的每个脉冲光谱成分均相同，然而在差分探测应用中则需要使两个相邻脉冲的光谱分量有所差异，即实现光谱交替的脉冲激光输出。本专利技术提出利用可编程任意波形发生电路6以两个或者多个脉冲作为一组新的周期，周期内每个脉冲对应的驱动信号通过程序进行切本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光谱域与时域可编程调谐激光器，包括半导体泵浦激光管(1)、波分复用器(2)、掺杂光纤(3)、隔离器(4)、耦合器(5)、可编程任意波形发生电路(6)、射频功率放大器(7)、声光可调谐滤波器(8)，其特征在于：所述的半导体泵浦激光管(1)发出的激光经波分复用器(2)耦合至掺杂光纤(3)中，掺杂光纤(3)两端分别与波分复用器(2)合束端和隔离器(4)的入射端尾纤熔接，隔离器(4)的输出端口与声光可调谐滤波器(8)的尾纤熔接，声光可调谐滤波器(8)的驱动信号来源于可编程任意波形发生电路(6)，其产生的信号源经射频功率放大器(7)提升功率后由SMA接口注入到声光可调谐滤波器(8)的调制端，声光可调谐滤波器(8)的另一端与耦合器(5)的尾纤熔接，使激光腔内的一部分能量由输出端口输出，另一部分能量则通过耦合器与波分复用器(2)的尾纤熔接返回到腔内，激光器系统中的光纤均为保偏结构。2.根据权利要求1所述的一种光谱域与时域可编程调谐激光器及调谐方法，其特征在于，所述的掺杂光纤(3)为单包层或双包层光纤，根据工作波段选用掺杂元素为铒、镱、铥、铒镱共掺或铥钬共掺的光纤。3.根据权利要求1所述的一种光谱域与时域可编程调谐激光器及调谐方法，其特征在于，所述的隔离器(4)为快轴截止、慢轴工作的宽带单向隔离器，其在整个增益谱内的隔离度均超过15dB。4.根据权利要求1所述的一种光谱域与时域可编程调谐激光器及调谐方法，其特征在于，所述的声光可调谐滤波器(8)的输入、输出端口带有保偏尾纤，所用的尾纤为PM980、PM1550或PM1950。5.一种光谱域与时域可编程调谐激光器的调谐方法，其特征在于所述的调谐方法如下：1)调谐方法一：单波长连续激光；利用可编程任意波形发生电路(6)产生单个频率的连续正弦波作为声光可调谐滤波器(8)的驱动信号源，使声光可调谐滤波器(8)工作在连续单通道模式；在此工作模式下，获得的连续激光光谱仅包含单个波...

【专利技术属性】
技术研发人员：乐文杰，陈滔，孔伟，陈新，何志平，舒嵘，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：