本發(fā)明涉及一種基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光纖結(jié)構(gòu)2μm波段重復(fù)頻率可調(diào)諧鎖模激光器，屬于激光器制造技術(shù)領(lǐng)域，該激光器可應(yīng)用于激光三維成像、激光通信、遙感、激光雷達(dá)等諸多領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光纖激光器閾值低，效率高，線寬窄，體積小，可調(diào)諧和性價比高，是目前最主要的激光技術(shù)之一。2μm摻銩光纖激光器輸出人眼安全波段激光，在雷達(dá)、激光醫(yī)療、光電對抗以及特殊材料加工等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。2μm波段光纖激光器是目前最具前景的激光技術(shù)之一，在激光醫(yī)療，氣體檢測，自由空間光通信等方面具有廣泛的應(yīng)用。運行在2μm波段的雙波長光纖激光器更因其在微波光子學(xué)、光器件檢測方面擁有獨特的優(yōu)勢而逐漸受人們關(guān)注。

中國專利“一種具有寬重復(fù)頻率調(diào)諧范圍的小型化光纖飛秒激光器”，公開號為CN104638501A，該裝置結(jié)構(gòu)如下：

一種具有寬重復(fù)頻率調(diào)諧范圍的小型化光纖飛秒激光器，其特征在于，包括基于混合鎖模機(jī)制的重復(fù)頻率可調(diào)摻鉺光纖激光器、重復(fù)頻率鎖定系統(tǒng)以及計算機(jī)控制系統(tǒng)，其中：

所述基于混合鎖模機(jī)制的重復(fù)頻率可調(diào)摻餌光纖激光器包括依次設(shè)置在泵浦源出射光路上的通過單模光纖連接起來組成環(huán)形激光腔的波分復(fù)用器、粘有壓電陶瓷的摻餌光纖、光隔離器、半導(dǎo)體可飽和吸收體、光學(xué)延遲線以及設(shè)置在光學(xué)延遲線的左右準(zhǔn)直透鏡之間的非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件，通過非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件尋找最優(yōu)的偏振狀態(tài)從而實現(xiàn)鎖模，鎖模激光以空間光輸出；所述重復(fù)頻率鎖定系統(tǒng)包括接所述空間光將其分為兩束的藕合器，以及依次設(shè)置于其中一束光路上的光電探測器，1:2的分光器，濾波器、放大器、相位探測器，比例積分器和高壓放大器；所述相位探測器；由一個混頻器和一個低通濾波器組成，該混頻器連接鎖定在鉚鐘上的本地振蕩器輸出的本地振蕩信號，放大器輸出的電信號與該本地振蕩信號進(jìn)行混頻再由低通濾波器取出差頻信號，該差頻信號即誤差信號，誤差信號再通過比例積分器變?yōu)殡妷盒盘枺罱K通過高壓放大器得到高壓信號，該高壓信號用于控制壓電陶瓷改變所述摻餌光纖激光器的腔長，從而抑制重復(fù)頻率的短期波動，使輸出激光的重復(fù)頻率穩(wěn)定；所述計算機(jī)控制系統(tǒng)包括計算機(jī)和頻率計，頻率計接1:2的分光器輸出信號的一路以及鉚鐘將其頻率輸入至計算機(jī)，計算機(jī)還通過數(shù)據(jù)采集卡接收比例積分器的輸出，計算機(jī)通過判斷比例積分器的的輸出來對光學(xué)延遲線進(jìn)行控制，實現(xiàn)所述摻餌光纖激光器腔長的增大或減小，補(bǔ)償輸出激光重復(fù)頻率的長期大范圍波動。在該發(fā)明具有寬重復(fù)頻率調(diào)諧范圍的小型光纖飛秒激光器中，可自動控制的光學(xué)延時線最大可以改變激光腔長約5.5cm，從而可以得到101.29MHz-103.02MHz的重復(fù)頻率調(diào)諧范圍。

然而，該結(jié)構(gòu)有部分空間光傳輸，非全光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計使得光纖需要與各種功能器件的自由空間耦合，這就需要增加一定數(shù)量的透鏡和光路對準(zhǔn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所以其易受外界環(huán)境干擾、實用性差。另外由于單純依靠壓電陶瓷改變激光器諧振腔長度較小，導(dǎo)致重復(fù)頻率可調(diào)諧范圍較小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)2μm波段重脈沖激光器重復(fù)頻率調(diào)諧范圍較窄，易受外界干擾的問題，提出了一種全光纖結(jié)構(gòu)重復(fù)頻率可調(diào)摻銩鎖模光纖激光器，其得到276-312MHz的重復(fù)頻率可調(diào)諧范圍。

本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

重復(fù)頻率可調(diào)摻銩鎖模光纖激光器，其特征是，其由半導(dǎo)體激光器泵浦源、摻鉺光纖放大器、波分復(fù)用器、摻銩光纖、重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器、壓電陶瓷驅(qū)動器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、保偏隔離器、80:20的寬帶耦合器、90:10寬帶耦合器、模式鎖定組件及穩(wěn)頻裝置組成；

半導(dǎo)體激光器泵浦源與摻鉺光纖放大器相接，摻鉺光纖放大器的輸出端與波分復(fù)用器的a端相連，將泵浦光注入到環(huán)形腔中；波分復(fù)用器的c端與與摻銩光纖一端相連；摻銩光纖的另一端與與重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器的一端相連，壓電陶瓷驅(qū)動器作用在重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器上；

重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器的另一端連接第一偏振控制器，第一偏振控制器與保偏隔離器的輸入端相連；

偏振隔離器的輸出端與第二偏振控制器相連；第二偏振控制器與80:20寬帶耦合器的d端相連，80:20寬帶耦合器的e端與模式鎖定組件的一端相連，模式鎖定組件的另一端與波分復(fù)用器的b端相連接構(gòu)成環(huán)形腔結(jié)構(gòu)；80:20寬帶耦合器的f端與90:10寬帶耦合器的G端相連，90:10寬帶耦合器的H端與穩(wěn)頻裝置相連，90:10寬帶耦合器的I端作為激光器的輸出端。

本發(fā)明的有益效果是：全光纖結(jié)構(gòu)重復(fù)頻率可調(diào)摻銩鎖模光纖激光器，其重復(fù)頻率可調(diào)諧范圍是276-312MHz，寬度達(dá)到36MHz，克服了現(xiàn)有2μm波段重復(fù)頻率可調(diào)脈沖光纖激光器非全光纖、易受外界環(huán)境干擾、調(diào)諧范圍窄、成本較高的特點。首先，重復(fù)頻率可調(diào)的鎖模光纖激光器在光通信及光學(xué)測量領(lǐng)域有重要應(yīng)用；其次，本發(fā)明采用腔內(nèi)兩個PZT的方式，同時實現(xiàn)重復(fù)拍年率寬調(diào)諧和重復(fù)頻率鎖定的目的，得到的重復(fù)頻率可調(diào)諧的脈沖激光輸出；最后，本發(fā)明采用全光纖結(jié)構(gòu)，損耗低，性能穩(wěn)定，易于與光纖系統(tǒng)集成。且成本較低，具有較高的性價比。

附圖說明

圖1為本發(fā)明重復(fù)頻率可調(diào)摻銩鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述穩(wěn)頻裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明所述重頻276MHz的脈沖時域圖。

圖4為本發(fā)明所述重頻312MHz的脈沖時域圖。

圖5為本發(fā)明所述Kelly邊帶光譜圖。

圖6為本發(fā)明所述單脈沖時域圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，重復(fù)頻率可調(diào)摻銩鎖模光纖激光器，其由波長為1565nm的半導(dǎo)體激光器1作為泵浦源、摻鉺光纖放大器2、波分復(fù)用器3、摻銩光纖4、重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器5、壓電陶瓷驅(qū)動器6、第一偏振控制器7、第二偏振控制器9、保偏隔離器8、80:20的寬帶耦合器10、90:10寬帶耦合器11、模式鎖定組件12及穩(wěn)頻裝置13組成。重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器5由第一壓電陶瓷以及纏繞在其上面的保偏光纖組成。模式鎖定組件12為第二壓電陶瓷和纏繞其上面的單模光纖組成。

半導(dǎo)體激光器泵浦源1與摻鉺光纖放大器2相接，將泵浦功率設(shè)置為30dBm。摻鉺光纖放大器2的輸出端與波分復(fù)用器3的a端相連，將泵浦光注入到環(huán)形腔中。波分復(fù)用器3的c端與摻銩光纖4一端相連，摻銩光纖作為增益介質(zhì)由此而產(chǎn)生2μm增益信號。摻銩光纖4的另一端與與重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器5的一端相連，壓電陶瓷驅(qū)動器6作用在重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器5，用于改變保偏光纖的長度，由于保偏光纖具有較高的雙折射系數(shù)，所以其長度的細(xì)小改變會引起重復(fù)頻率發(fā)生較大的變化，利用這一特點實現(xiàn)重復(fù)頻率的寬調(diào)諧。

重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器5的另一端連接第一偏振控制器7，第一偏振控制器7與保偏隔離器8的輸入端相連，從而保證了光信號在諧振腔中的單項運轉(zhuǎn)。偏振隔離器8的輸出端與第二偏振控制器9相連，兩個偏振控制器和偏振隔離器8是實現(xiàn)穩(wěn)定脈沖輸出的關(guān)鍵?；诜蔷€性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)多波長鎖模光纖激光器在工作時存在傳輸系數(shù)隨光強(qiáng)增加而變大或變小兩個區(qū)域，這兩個區(qū)域分別稱為正反饋區(qū)和負(fù)反饋區(qū)。其實質(zhì)就是當(dāng)泵浦功率從零開始逐漸增加時，激光器工作在正反饋區(qū)域即傳輸系數(shù)隨光強(qiáng)增加而變大，此時腔內(nèi)模式競爭較為激烈，不易產(chǎn)生穩(wěn)定的多波長激光輸出。當(dāng)泵浦功率達(dá)到鎖模閾值時，調(diào)整偏振控制器可以使激光器進(jìn)入被動鎖模狀態(tài)。其被動鎖模的原理類似于可飽和吸收體的作用，低強(qiáng)度的光被吸收繼續(xù)在腔內(nèi)振蕩，高強(qiáng)度的光可以通過，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的脈沖激光輸出。

第二偏振控制器9與80:20寬帶耦合器10的d端相連，80:20寬帶耦合器10的e端與模式鎖定組件12中的單模光纖的一端相連，單模光纖的另一端與波分復(fù)用器3的b端相連接構(gòu)成環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，e端為耦合器10的80％端，f端為耦合器10的20％，耦合器10的20％輸出腔外，耦合器10的80％留在腔內(nèi)循環(huán)振蕩。80:20寬帶耦合器10的f端與90:10寬帶耦合器11的G端相連，90:10寬帶耦合器11的H端與穩(wěn)頻裝置13相連，90:10寬帶耦合器11的I端作為激光器的輸出端。H端為90:10寬帶耦合器11的90％端，I端為90:10寬帶耦合器11的10％端。各器件連接均采用光纖熔接。

如圖2所示，穩(wěn)頻裝置13包括光電二極管13-1、帶通濾波放大器13-2、混頻器13-3、低通濾波器13-4、比例-微分-積分電路13-5、壓電陶瓷驅(qū)動電路13-6、壓電陶瓷13-7、射頻信號源13-8和10MHz射頻信號13-9，光電二極管13-1與帶通濾波放大器13-2相連，帶通濾波放大器13-2的另一端連接混頻器13-3的輸入端j，另一路10MHz射頻信號13-9通過射頻信號源13-8產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號接入混頻器13-3的輸入端k，混頻器的輸出端l連接低通濾波器13-4，低通濾波器13-4的另一端連接比例-微分-積分電路13-5，然后比例-微分-積分電路13-5控制壓電陶瓷驅(qū)動電路13-6，壓電陶瓷驅(qū)動電路13-6連接壓電陶瓷13-7，最終形成完整的穩(wěn)頻裝置。

光電二極管13-1與帶通濾波器放大器13-2相連，由光電二極管探測后輸出電脈沖信號，在射頻頻譜儀上可觀察到以重復(fù)頻率f_r為基頻，各級次的諧波頻率mf_r，m為整數(shù)。相比于基頻信號，高級次諧波成分可鑒別出的相位誤差量更大，鎖定精度也更高。一般而言，選用m級次的高頻諧波進(jìn)行反饋鎖定，鎖定后頻率精度也會提高m倍。但受限于光電探測器的響應(yīng)帶寬，超過GHz以上的高次諧波往往很難被有效探測。在實驗中，我們選用480MHz帶通濾波器濾取出8f_r單頻正弦波信號進(jìn)行頻率鎖定。由于f_r信號自身信噪比高、線寬窄，因此采用混頻器(或模擬鑒相器)就能實現(xiàn)高精度的頻率鎖定，可避免數(shù)字鑒相器模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程的影響。帶通濾波器放大器13-2另一端連接混頻器13-3的輸入端j，另一路10MHz射頻信號13-9通過射頻信號源13-8產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號接入混頻器13-3的輸入端k，獲取與8f_r單頻正弦波信號低頻誤差信號?；祛l器13-3的輸出端l連接低通濾波器13-4，低通濾波后干凈的誤差信號由比例－微分－積分電路(PID)13-5調(diào)節(jié)信號幅度，進(jìn)行動態(tài)控制。然后比例-微分-積分電路13-5控制壓電陶瓷驅(qū)動電路13-6，壓電陶瓷驅(qū)動電路13-6連接壓電陶瓷13-7，最后由高壓放大電路將誤差信號幅度放大至近百伏，驅(qū)動壓電陶瓷13-7控制腔長的變化，實現(xiàn)重復(fù)頻率的鎖定。

如圖3、圖4所示，通過改變重復(fù)頻率調(diào)節(jié)器5的保偏光纖的長度，分別得到了重頻為276MHz和312MHz的脈沖時域圖，可調(diào)諧范圍達(dá)到36MHz。通過光譜分析儀得到Kelly邊帶光譜圖，如圖5所示。將輸出信號接入2μm波段光電探測器，探測器的帶寬為10GHz，將探測器的輸出端接入示波器中，示波器型號為Agilent DSO-X 93204A，帶寬32GHz，采樣率為80GSa/s，得到如圖6所示的單脈沖時域圖，脈沖寬度為617ps。