專利名稱：全光控精確同步多種波長飛秒、皮秒、納秒激光脈沖的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超快激光技術領域，具體涉及的是多種波長飛秒、皮秒、納 秒脈沖激光采用全光學方法同步的技術。
背景技術：
隨著激光技術的發(fā)展，人類對激光的認識愈加深刻，對激光可控參數(shù)的
要求越來越高。隨著調Q、鎖模脈沖激光的出現(xiàn)，激光的峰值功率密度已經(jīng)可 以突破1021W/cm2，并且在向更高的能量邁進。在提高激光功率的同時，人類 對激光特性的可操控精度也越來越精確?？茖W家已經(jīng)可以將兩束或者多束激 光脈沖的相對時間抖動控制在飛秒、甚至阿秒量級。同步激光，顧名思義， 兩束激光脈沖在時間上保持同步，而且相對延遲精確可控，同步激光的波長 按照應用材料的需要可供選擇。傳統(tǒng)的激光同步技術是兩束激光在固體激光 增益介質或者高非線性材料中發(fā)生非線性作用，利用交叉相位調制實現(xiàn)激光 同步。此時的兩束激光的有效折射率不僅與它們的波長有關，而且還與它們 的強度有關。傳統(tǒng)的激光同步技術需要兩束激光在非線性介質上的重疊性非 常好，以保證足夠的強度調制關系，并且需要嚴格的控制腔內群速度色散。 共用一塊非線性介質的激光器結構，使得傳統(tǒng)激光同步技術只適合于波長單 一或者僅僅相差幾十納米，波長可調范圍非常有限，也無法實現(xiàn)飛秒、皮秒、 納秒可調脈寬的脈沖同步。另外，傳統(tǒng)的同步激光器的空間排布非常困難， 緊湊的空間排布無法實現(xiàn)遠程同步控制。
隨著科技、軍事技術、民用醫(yī)療、通信技術的發(fā)展，多種波長、寬可調 范圍的同步激光技術亟待發(fā)展。激光同步技術在軍事、醫(yī)療和民用都有著的 廣泛的應用領域，如激光快點火核聚變、激光自動導向系統(tǒng)、激光測距、激 光加工等等?？蛇x擇的多種波長的同步激光將極大的擴充激光技術的應用領 域，可控制輸出脈沖寬度的激光將在激光技術的縱身的應用更加深入。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種全光控精確同步多 種波長飛秒、皮秒、納秒激光脈沖的方法，該方法采用注入鎖定的激光同步 結構，以飛秒脈沖激光器的輸出為控制光，將其注入光纖環(huán)形激光器中，利 用光纖的非線性效應，交叉相位調制或者增益調制控制，實現(xiàn)激光同步。另 外，飛秒脈沖控制光經(jīng)過分束器分束，可以控制多臺光纖環(huán)形激光器，實現(xiàn) 一束飛秒激光與多束波長不同，脈寬不同的激光同步。
本發(fā)明目的實現(xiàn)由以下技術方案完成
一種全光控精確同步多種波長飛秒、皮秒、納秒激光脈沖的方法， 其特征是在于所述方法采用注入鎖定的激光同步結構，以飛秒脈沖激光 器的輸出光為控制光，將其注入光纖環(huán)形激光器中，利用超短脈沖在光纖 中傳播時的非線性效應，及交叉相位調制或者增益調制控制，實現(xiàn)多波長的 激光同步。
所述飛秒脈沖控制光經(jīng)過分束器分束，再經(jīng)由波分復用器引入不同的 光纖環(huán)形激光器分別注入并控制多臺光纖環(huán)形激光器。
所述光纖環(huán)形激光器采用摻雜稀土離子的特種光纖作為增益介質， 由光學隔離器實現(xiàn)激光的單向傳輸，由偏振控制裝置實現(xiàn)激光器的脈沖。
所述光纖環(huán)形激光器包含一個調節(jié)激光器腔長的平移臺，以及兩個 完成激光由光纖進入到空間的準直器，通過調整平移臺，改變環(huán)形激光器 的空間部分的長度，改變整個激光器的腔長，從而實現(xiàn)多波長激光同步。
本發(fā)明的優(yōu)點在于飛秒脈沖注入的光纖長度可以任意設置，即可實現(xiàn)遠 距離的激光脈沖同步；根據(jù)所選環(huán)形激光器的增益光纖摻雜元素不同，可以 實現(xiàn)多種波長激光脈沖的同步；通過控制光纖環(huán)形激光器腔長的平移臺，可 以實現(xiàn)皮秒到納秒可調寬度的鎖模脈沖輸出，輸出脈沖與注入飛秒脈沖保持 同步，可以控制多臺光纖環(huán)形激光器，實現(xiàn)一束飛秒激光與多束波長不同， 脈寬不同的激光同步。
附圖l本發(fā)明原理框架圖；附圖2本發(fā)明實施例一原理示意圖； 附圖3本發(fā)明實施例二原理示意圖。 具體技術方案
以下結合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關特征作進一步詳細說 明，以便于同行業(yè)技術人員的理解
如圖1—3所示，附圖中的總參考標號1一30分別表Ti 激光器或Cr :F 激光器l、透鏡2、單模光纖3、波分復用器4、半導體激光器5、波分復用器 6、摻鉺光纖7、平移臺8、耦合器9、四分之一玻片IO、半玻片ll、偏振分 束器12、光學隔離器13、四分之一玻片14、耦合器15、激光輸出16、光纖 分束器17、波分復用器18、泵浦源19、波分復用器20、摻鐿光纖21、平移 臺22、耦合器23、四分之一玻片24、半玻片25、偏振分束器26、光學隔離 器27、四分之一玻片28、耦合器29、激光輸出30。
飛秒脈沖控制激光可采用摻鈦藍寶石激光器(Ti:S)、鎂橄欖石激光器 (Cr:F)，摻鐿光纖激光器(Yb-fiber)等任意波長飛秒脈沖激光器，傳統(tǒng) 固體激光器和光纖激光器皆可。
飛秒脈沖通過透鏡耦合方式注入一根普通的單模光纖中，光纖分束器進 行分束，再經(jīng)由波分復用器(WDM)引入不同的光纖環(huán)形激光器。其中的單模光 纖為普通光纖，不受局限。
光纖環(huán)形激光器采用摻雜稀土離子的特種光纖作為增益介質，由光學隔 離器實現(xiàn)激光的單向傳輸，由偏振控制裝置實現(xiàn)激光器的脈沖工作方式。稀 土光纖為摻雜稀土離子的任意種類的光纖，可以是單一摻雜也可以是多種稀 土離子共摻，只需根據(jù)增益帶寬范圍進行不同的選擇，如摻鐿(Yb)光纖、摻 鉺(Er)光纖、摻釹(Nd)光纖、摻銩(Tm)光纖。
光纖環(huán)形激光器包含一個調節(jié)激光器腔長的平移臺，及兩個完成激光由 光纖進入到空間的準直器。通過調整平移臺可以改變環(huán)形激光器的空間部分 的長度，進而改變整個激光器的腔長。
光纖環(huán)形激光器可以實現(xiàn)自啟動鎖模脈沖輸出。在注入飛秒脈沖控制光 束后，可實現(xiàn)由交叉相位調制和增益調制控制的激光脈沖輸出。輸出脈沖與注入飛秒脈沖保持時間同步關系，輸出脈沖寬度受到輸入脈沖、偏振控制裝 置及平移臺的控制。
多種波長的選擇性由光纖環(huán)形激光器內的增益介質所決定，采用不同摻 雜離子的光纖輸出不同波長的激光。通過控制光纖環(huán)形激光器的激光脈沖的 偏振狀態(tài)及脈沖之間的相位失匹，實現(xiàn)皮秒、納秒寬可調范圍的激光輸出。
實施例一利用Ti:S激光和摻鉺光纖實現(xiàn)激光同步。
本方案實現(xiàn)的是一臺飛秒脈沖激光器與一臺光纖環(huán)形激光器的同步，該 光纖環(huán)形激光器的輸出脈沖寬度在皮秒到納秒范圍內可調。例如，飛秒脈沖 激光器為Ti:S激光器，光纖環(huán)形激光器為摻鉺光纖激光器。同步輸出脈沖為 的800nm中心波長的Ti:S飛秒激光脈沖與1550nm中心波長的慘鉺光纖激光 脈沖，此1550nm的激光脈沖寬度在皮秒到納秒范圍內可調。
如圖2所示，具體的實施方法步驟如下
(1) 將Ti :S激光器1輸出的飛秒脈沖激光通過透鏡2耦合進單模光纖3。
(2) 飛秒脈沖激光經(jīng)波分復用器4耦合入光纖環(huán)形激光器。
(3) 步驟(2)中的光纖環(huán)形激光器以波長976nm的半導體激光器5為泵浦源。 由波分復用器6把泵浦光耦合如光纖環(huán)形激光器。
(4) 摻雜增益光纖7為慘鉺光纖。
(5) 步驟(2)中的光纖環(huán)形激光器內的激光由耦合器9實現(xiàn)光纖到空間的轉換。
(6) 平移臺8控制耦合器9的位置移動。
(7) 步驟(2)中的光纖激光器內的空間光通過四分之一玻片10、 14和半玻片 11控制激光的偏振狀態(tài)。光纖激光器的單向運轉由光學隔離器13完成，并由 偏振分束器12進行激光輸出16。 '
(8) 光纖激光器內的空間光經(jīng)由耦合器15完成空間到光纖的轉換。
(9) 光纖環(huán)形激光器不注入飛秒脈沖。通過控制偏振片10、 11和14實現(xiàn) 光纖激光器的自啟動鎖模。調整光纖激光器的腔長，使得光纖激光器與飛秒 脈沖激光器工作在同一重復頻率下，重復頻率的誤差小于lOKHz。
(抑將飛秒脈沖注入激光后，調整偏振片IO、 11和14，并略微調整平移臺
68，以實現(xiàn)兩激光器的同步工作。
(ll)同步工作與否可以通過高速光電探測器和示波器判斷。當在示波器上 觀察到的兩列鎖模脈沖無相對漂移時，說明兩激光器進入同步工作狀態(tài)。此 時的光纖環(huán)形激光器的輸出脈沖寬度為皮秒量級。
(邊通過調整平移臺8的位置，改變光纖激光的腔長，進而減弱了飛秒脈
沖與光纖激光器腔內脈沖的相互作用，使得光纖激光器進入臨界失匹工作狀 態(tài)。光纖激光器輸出脈沖寬度將會變寬，將會達到納秒脈沖輸出。
實施例二利用Cr:F激光同步摻鉺、摻鐿兩臺光纖環(huán)形激光器。 本方案實現(xiàn)的是一臺飛秒脈沖激光器與兩臺光纖環(huán)形激光器的同步。兩 臺光纖環(huán)形激光器的輸出波長可以相同，也可以不同，輸出脈沖寬度皆可在 皮秒到納秒范圍內可調。例如，飛秒脈沖激光器為Cr:F激光器，兩臺環(huán)形光 纖激光器分別選擇摻鐿光纖激光器和摻鉺光纖激光器。同步輸出脈沖為 1250nm中心波長的Cr:F飛秒脈沖激光與1040nm中心波長的摻鐿光纖激光脈 沖和1550nm中心波長的摻鉺光纖激光脈沖。摻鐿光纖激光和摻鉺光纖激光的 脈沖寬度在皮秒到納秒范圍內獨立可調。
如圖3所示，本方案采用的方法步驟如下
(1) 將Cr:F激光器1輸出的飛秒脈沖激光通過透鏡2耦合進單模光纖3。
(2) 飛秒脈沖激光經(jīng)過光纖分束器17分為兩束。
(3) 步驟(2)中的兩束激光中的一束經(jīng)波分復用器4耦合入摻鉺光纖7環(huán)形 激光器。
(4) 步驟(2)中的兩束激光中的另外一朿經(jīng)波分復用器18耦合入摻鐿光纖21 環(huán)形激光器。
(5) 以波長976nm的半導體激光器5、 19為泵浦源，由波分復用器6、 20
把泵浦光耦合如光纖環(huán)形激光器。
(6) 步驟(3)中的光纖激光器內的激光由耦合器9、 23實現(xiàn)光纖到空間的轉換。
(7) 平移臺8、 22控制耦合器9、 23的位置移動。
(8) 步驟(3)中的光纖激光器內的空間光通過四分之一玻片10、 14和半玻片
711控制激光的偏振狀態(tài)。光纖激光器的單向運轉由光學隔離器13完成，并由 偏振分束器12進行激光輸出16。步驟(4)中的光纖激光器內的空間光通過四分 之一玻片24、 28和半玻片25控制激光的偏振狀態(tài)。光纖激光器的單向運轉 由光學隔離器27完成，并由偏振分束器26進行激光輸出30。
(g)光纖激光器內的空間光經(jīng)由耦合器15、 29完成空間到光纖的轉換。
(10) 光纖環(huán)形激光器不注入飛秒脈沖。通過控制偏振片10、 11和14實現(xiàn) 步驟(S)中光纖激光器的自啟動鎖模。調整光纖激光器的腔長，使得光纖激光 器與飛秒脈沖激光器工作在同一重復頻率下，重復頻率的誤差小于10KHz。通 過控制偏振片24、 25和28實現(xiàn)步驟(4)中光纖環(huán)形激光器的自啟動鎖模。調
整光纖激光器的腔長，使得光纖激光器與飛秒脈沖激光器工作在同一重復頻 率下，重復頻率的誤差小于10KHz。
(11) 將飛秒脈沖注入激光后，調整偏振片IO、 11和14，并略微調整平移臺 8，實現(xiàn)Cr:F激光器1與步驟(3)中光纖環(huán)形激光器同步工作。調整偏振片24、 25和28，并略微調整平移臺22，實現(xiàn)Cr:F激光器1與步驟(4)中光纖環(huán)形激 光器同步工作。
(切同步工作與否可以通過高速光電探測器和示波器判斷。當在示波器上 觀察到的Cr:F激光與所述(3)光纖激光的兩列鎖模脈沖無相對漂移時，說明兩
激光器進入同步工作狀態(tài)。此時所述(3)光纖環(huán)形激光器的輸出脈沖寬度為皮 秒量級。當在示波器上觀察到的Cr:F激光與所述(4)光纖激光的兩列鎖模脈沖 無相對漂移時，說明兩激光器進入同步工作狀態(tài)。此時所述(3)光纖環(huán)形激光 器的輸出脈沖寬度為皮秒量級。由于所述(3)摻鉺光纖激光和所述(4)摻鐿光纖 激光分別與Cr:F激光同步，那么所述(3)摻鉺光纖環(huán)形激光器和所述(4)摻鐿光 纖激光保持同步。
C13)通過調整平移臺8的位置，改變光纖激光的腔長，進而減弱了飛秒脈 沖與步驟(3)中摻鉺光纖激光器腔內脈沖的相互作用，使得光纖激光器進入臨 界失匹工作狀態(tài)。所述(3)摻鉺光纖環(huán)形激光器輸出脈沖寬度將會變寬，將會 達到納秒脈沖輸出。通過調整平移臺22的位置，改變光纖激光的腔長，進而 減弱了飛秒脈沖與步驟(4)中摻鐿光纖環(huán)形激光器腔內脈沖的相互作用，使得光纖激光器進入臨界失匹工作狀態(tài)。步驟(4)的摻鐿光纖環(huán)形激光器輸出脈沖 寬度將會變寬，將會達到納秒脈沖輸出。
(14)由于步驟(3)中摻鉺光纖激光和步驟(4)中摻鐿光纖激光與Cr:F激光，通 過步驟(2)-(U)中分別獨立的控制系統(tǒng)，兩臺光纖環(huán)形激光器可以獨立調整輸出 脈沖參數(shù)，如波長、脈沖寬度，輸出功率等。
實施例三
本方案實現(xiàn)的是一臺飛秒脈沖激光器與多臺光纖環(huán)形激光器的同步，任 意波長飛秒脈沖與多路任意波長皮秒、納秒脈沖的同步。具體實施方案與實 施例二類似。
本領域技術人員顯然可以認識到，所述飛秒脈沖激光器不局限于鈦寶石 激光器，其它任何能在光纖中產(chǎn)生強非線性效應的飛秒脈沖激光器皆可。光 纖環(huán)形激光器的增益光纖不局限于摻鐿、鉺、銩、釹四種光纖，具有類似增 益效用的稀土光纖皆可。
權利要求
1、一種全光控精確同步多種波長飛秒、皮秒、納秒激光脈沖的方法，其特征是在于所述方法采用注入鎖定的激光同步結構，以飛秒脈沖激光器的輸出光為控制光，將其注入光纖環(huán)形激光器中，利用超短脈沖在光纖中傳播時的非線性效應，及交叉相位調制或者增益調制控制，實現(xiàn)多波長的激光同步。
2、 根據(jù)權利要求l所述的一種全光控精確同步多種波長飛秒、皮 秒、納秒激光脈沖的方法，其特征是在于所述飛秒脈沖控制光 經(jīng)過分束器分束，再經(jīng)由波分復用器引入不同的光纖環(huán)形激光 器分別注入并控制多臺光纖環(huán)形激光器。
3、 根據(jù)權利要求l所述的一種全光控精確同步多種波長飛秒、皮 秒、納秒激光脈沖的方法，其特征是在于所述光纖環(huán)形激光器 采用摻雜稀土離子的特種光纖作為增益介質，由光學隔離器實 現(xiàn)激光的單向傳輸，由偏振控制裝置實現(xiàn)激光器的脈沖。
4、 根據(jù)權利要求l所述的一種全光控精確同步多種波長飛秒、皮 秒、納秒激光脈沖的方法，其特征是在于所述光纖環(huán)形激光器 包含一個調節(jié)激光器腔長的平移臺，以及兩個完成激光由光纖 進入到空間的準直器，通過調整平移臺，改變環(huán)形激光器的空 間部分的長度，改變整個激光器的腔長，從而實現(xiàn)多波長激光 同步。
全文摘要
本發(fā)明涉及超快激光技術領域，具體涉及一種全光控精確同步多種波長飛秒、皮秒、納秒激光脈沖的方法，該方法采用注入鎖定的激光同步結構，以飛秒脈沖激光器的輸出光為控制光，將其注入光纖環(huán)形激光器中，利用光纖的非線性效應，交叉相位調制或者增益調制控制，實現(xiàn)激光同步，其優(yōu)點是飛秒脈沖注入的光纖長度可以任意設置，即可實現(xiàn)遠距離的激光脈沖同步；根據(jù)所選環(huán)形激光器的增益光纖摻雜元素不同，可以實現(xiàn)多種波長激光脈沖的同步；通過控制光纖環(huán)形激光器腔長的平移臺，可以實現(xiàn)皮秒到納秒可調寬度的鎖模脈沖輸出，輸出脈沖與注入飛秒脈沖保持同步，可以控制多臺光纖環(huán)形激光器，實現(xiàn)一束飛秒激光與多束波長不同，脈寬不同的激光同步。
文檔編號G02F1/37GK101477289SQ20091004553
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權日2009年1月19日
發(fā)明者曾和平, 李文雪, 強 郝, 明 閆, 瑤 黎 申請人:華東師范大學