本發(fā)明涉及激光技術(shù)中非線性光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種高重頻鎖模光纖激光器及其產(chǎn)生高重頻脈沖的方法。

技術(shù)背景

高重復(fù)頻率超短脈沖激光器在非線性光學(xué)、高速光采樣、光學(xué)頻率梳、高速形態(tài)測(cè)量、太赫茲波產(chǎn)生等許多重要的光學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用而備受關(guān)注。目前，主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模都是可以獲得高重復(fù)頻率的常用技術(shù)，但是主動(dòng)鎖模需要高頻信號(hào)發(fā)生器和調(diào)制器，這無(wú)疑增加了技術(shù)的復(fù)雜性和技術(shù)成本，并且，主動(dòng)鎖模的脈寬為皮秒量級(jí)。相比之下，被動(dòng)鎖模光纖激光器的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單得多。在被動(dòng)鎖模光纖激光器中，產(chǎn)生高重頻脈沖的常用方法為短腔法和諧波鎖模法。由于激光諧振腔內(nèi)器件存在物理尺寸限制，短腔法能實(shí)現(xiàn)的重復(fù)頻率只能達(dá)到10-20GHz；而諧波鎖模法因?yàn)槭墉h(huán)境因素影響，容易產(chǎn)生較大的時(shí)間啁啾和振幅抖動(dòng)，穩(wěn)定性低。

四波混頻，是指一個(gè)或幾個(gè)光波的光子被湮滅，同時(shí)產(chǎn)生了幾個(gè)不同頻率的新光子，在整個(gè)變換過(guò)程中，遵從凈能量和動(dòng)量是守恒定則。通俗的說(shuō)，就是兩種或三種不同波長(zhǎng)的光混合在一起后產(chǎn)生新的頻率的光。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種高重頻鎖模光纖激光器及其產(chǎn)生高重頻脈沖的方法是一種全新的方案，基于雙泵浦四波混頻產(chǎn)生的高重復(fù)頻率脈沖具有重復(fù)頻率高,穩(wěn)定性好，重復(fù)頻率可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一方面，本發(fā)明公布了一種高重頻鎖模光纖激光器，包括由波分復(fù)用器、光隔離器、光耦合器、可飽和吸收體和增益光纖順序連接的激光環(huán)形腔，連接到所述波分復(fù)用器泵浦輸入端的激光泵浦源，與第一光耦合器連接的第二光耦合器，以及連接到所述第二光耦合器的第一連續(xù)光源和第二連續(xù)光源。

所述第一光耦合器的一個(gè)輸出端連接可飽和吸收體，另一個(gè)輸出端作為激光的信號(hào)輸出。

優(yōu)選地，所述第一連續(xù)光光源和第二連續(xù)光光源是從單縱模窄線寬可調(diào)諧激光器發(fā)出，兩者的波長(zhǎng)與激光器中心波長(zhǎng)之差皆大于5nm。

可飽和吸收體作為激光器的鎖模器件。所述增益光纖的纖芯摻雜高濃度的發(fā)光離子，發(fā)光離子為稀土離子Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺、Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺、Ho³⁺和Lu³⁺中一種或多種的組合體。所述的激光泵浦源為半導(dǎo)體激光器、固體激光器、光纖激光器或拉曼激光器。所述的可飽和吸收體為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，或碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯的聚合物、拓?fù)浣^緣體、黑磷、二硫化鉬、二硒化鎢，或等效可飽和吸收體結(jié)構(gòu)包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)、非線性光纖環(huán)形鏡、非線性放大環(huán)形鏡。

另一方面，本發(fā)明公布了所述高重頻鎖模光纖激光器產(chǎn)生高重頻脈沖的方法，包括以下步驟：

1)由泵浦源發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)增益光纖與可飽和吸收體后進(jìn)入光耦合器，產(chǎn)生的原始激光的頻率為ω₀；

2)第一連續(xù)光源向第二耦合器中注入頻率為ω₁的單縱模窄線寬連續(xù)單色光波，第二連續(xù)光源中注入頻率為ω₂的單縱模窄線寬連續(xù)單色光波，兩種單色光波具有一定波長(zhǎng)差，且功率接近；

3)頻率分別為ω₀，ω₁，ω₂的三個(gè)光信號(hào)經(jīng)光纖中的四波混頻效應(yīng)在產(chǎn)生頻率分別為ω_a＝ω₀+ω₁-ω₂，ω_a’＝ω₀+ω₂-ω₁的新的光波分量；

4)頻率為ω_a和ω_a’的光波分量與頻率為ω₁,ω₂的光波作用，繼續(xù)產(chǎn)生頻率為ω_b和ω_b’的光波分量；此時(shí)，光波間的間隔頻率為Δω＝ω_a-ω₀＝ω₀-ω_a’＝ω₁-ω₂；以激光器環(huán)形腔產(chǎn)生的頻率為ω₀的原始激光為中心會(huì)產(chǎn)生以Δω為間距的等間隔邊帶，這些在頻域上等間距分布的頻率分量最終會(huì)在時(shí)域上顯示為等間距的脈沖，脈沖之間的間距Δt＝2π/Δω，最終，本激光器可以產(chǎn)生重復(fù)頻率f＝Δω/2π的脈沖輸出。

可以看到，脈沖間距Δω由第一連續(xù)光源和第二連續(xù)光源注入的連續(xù)單色光波間的波長(zhǎng)差決定，由于孤量子化效應(yīng)，每個(gè)脈沖的強(qiáng)度趨于一致。

采用上述方案后，本發(fā)明具有的顯著優(yōu)點(diǎn)和突出進(jìn)步為：利用雙泵浦四波混頻的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超高重復(fù)頻率的鎖模光纖激光器，輸出的激光脈沖重復(fù)頻率最高可達(dá)1THz，脈沖寬度窄，諧波鎖模不容易產(chǎn)生較大的時(shí)間啁啾和振幅抖動(dòng)，穩(wěn)定性高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器產(chǎn)生的光譜邊帶原理簡(jiǎn)圖；

圖3為本發(fā)明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器產(chǎn)生的輸出光的時(shí)域圖演化圖；

圖4為本發(fā)明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器的輸出光的光譜圖；

圖5為本發(fā)明公布的一種高重頻鎖模光纖激光器產(chǎn)生的輸出光經(jīng)濾波器處理后的脈沖序列；

圖中標(biāo)記：1-激光泵浦源，2-波分復(fù)用器，3-光隔離器，4-第一連續(xù)光光源，5-第二連續(xù)光光源，6-第二光耦合器，7-第一光耦合器，8-可飽和吸收體，9-增益光纖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種高重頻鎖模光纖激光器，包括由波分復(fù)用器2、光隔離器3、光耦合器7、可飽和吸收體8和增益光纖9順序連接的激光環(huán)形腔，連接到波分復(fù)用器2泵浦輸入端的激光泵浦源1，與第一光耦合器7連接的第二光耦合器6，以及連接到第二光耦合器6的第一連續(xù)光源4和第二連續(xù)光源5；第一光耦合器7的一個(gè)輸出端連接可飽和吸收體8，另一個(gè)輸出端作為激光的信號(hào)輸出。

其中激光泵浦源1采用980nm的單模半導(dǎo)體激光器；波分復(fù)用器2為非保偏型波分復(fù)用器；光隔離器3采用偏正無(wú)關(guān)型光隔離器；第一連續(xù)光光源4和第二光光源5輸出波長(zhǎng)遠(yuǎn)離鎖模光纖激光器中心波長(zhǎng)，波長(zhǎng)分別為1508.4nm和1510nm，波長(zhǎng)差為1.6nm；第二光耦合器6的輸入端分別為50％和50％；第一光耦合器7的輸入端分別為50％和50％，輸出端分別為95％和5％，其中5％輸出端為激光信號(hào)輸出端，95％輸出端連接諧振腔后續(xù)部件；可飽和吸收體8為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡；增益光纖9為摻雜有Er³⁺的非保偏型增益光纖。

由激光泵浦源發(fā)出波長(zhǎng)λ_pump＝980nm激光注入環(huán)形腔中，產(chǎn)生的原始激光的頻率為ω₀，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ₀＝1550nm；第一連續(xù)光源向第二耦合器中注入頻率為ω₁對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ₁＝1508.4nm的單縱模窄線寬連續(xù)單色光波，第二連續(xù)光源中注入頻率為ω₂對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ₂＝1510nm的單縱模窄線寬連續(xù)單色光波，兩種單色光波具有一定波長(zhǎng)差，且功率接近；頻率分別為ω₀,ω₁,ω₂的三個(gè)光信號(hào)經(jīng)四波混頻效應(yīng)在第二光耦合器中產(chǎn)生頻率分別為ω_a＝ω₀+ω₁-ω₂，ω_a’＝ω₀+ω₂-ω₁對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為λ_a＝978.4nm和λ_a’＝981.6nm的新的光波分量；頻率為ω_a和ω_a’的光波分量與頻率為ω₁,ω₂的光波作用，繼續(xù)產(chǎn)生頻率為ω_b和ω_b’的光波分量；此時(shí)，光波間的間隔頻率為Δω＝ω_a-ω₀＝ω₀-ω_a’＝ω₁-ω₂,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)差為Δλ＝1.6nm；以激光器環(huán)形腔產(chǎn)生的頻率為ω₀的原始激光為中心會(huì)產(chǎn)生以Δω為間距的等間隔邊帶，這些在頻域上等間距分布的頻率分量最重會(huì)在時(shí)域上顯示為等間距的脈沖，脈沖之間的間距Δt＝2π/Δω＝5ps，最終，本激光器可以產(chǎn)生重復(fù)頻率f＝Δω/2π＝200GHz的脈沖輸出。

可以看到，脈沖間距Δt由第一連續(xù)光源和第二連續(xù)光源注入的連續(xù)單色光波間的波長(zhǎng)差決定，由于孤子量子化效應(yīng)，每個(gè)脈沖的強(qiáng)度趨于一致。脈沖的演化圖如圖2所示，觀測(cè)到的輸出脈沖光譜圖如圖3所示。待脈沖穩(wěn)定之后，可用濾波器講兩個(gè)連續(xù)光信號(hào)濾去，得到光滑的脈沖輸出曲線。

如上所述即為本發(fā)明的實(shí)施例。上述實(shí)施例以及實(shí)施例中的具體參數(shù)僅是為了清楚表述發(fā)明人的發(fā)明驗(yàn)證過(guò)程，并非用以限制本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍，本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍仍然以其權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)，凡是運(yùn)用本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。