本發(fā)明涉及光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種復(fù)合腔光纖激光器及其實(shí)現(xiàn)異種脈沖格式相干調(diào)制的方法。

背景技術(shù)：

多脈沖現(xiàn)象是鎖模光纖激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的普遍現(xiàn)象與本征屬性。多脈沖的產(chǎn)生機(jī)理，一般被認(rèn)為是色散、非線性、增益、損耗以及腔內(nèi)飽和吸收效應(yīng)的聯(lián)合作用的結(jié)果，對(duì)于同一激光器，可以通過(guò)改變偏振設(shè)置、抽運(yùn)功率來(lái)獲得多脈沖激光。然而在激光器的參數(shù)調(diào)節(jié)過(guò)程中，多脈沖的產(chǎn)生、簇包絡(luò)結(jié)構(gòu)以及時(shí)域分布是隨機(jī)出現(xiàn)的、不可預(yù)計(jì)的、不可控制的。為此，多脈沖激光的研究工作更多的是停留在原理性的探討上，在技術(shù)應(yīng)用上很少涉及。最近，人們意識(shí)到在激光器中引入主動(dòng)介入的濾波效應(yīng)或調(diào)制功能器件，可實(shí)現(xiàn)部分可控的脈沖產(chǎn)生?，F(xiàn)已報(bào)道的主動(dòng)介入的濾波效應(yīng)或調(diào)制功能器件的方法有：內(nèi)嵌Fabry–Pérot濾波器【文獻(xiàn)1.Y.L.Qi et al,Opt.Express 23,17720(2015)】、Lyot濾波器【文獻(xiàn)2.S.Liu et al,IEEE Photon.Technol.Lett.28,864(2016)】、微型共振腔(microing resonator)【文獻(xiàn)3.M.Peccianti et al,Nat.Commun.3,765(2012)】或Mach-Zehnder干涉儀【文獻(xiàn)4.D.Mao et al,Sci.Rep.3,3223(2013)】等。

常見(jiàn)的多脈沖現(xiàn)象，如孤子雨、孤子分子、怪波等，所形成的脈沖團(tuán)簇是由同種脈沖格式組成。然而，最新的研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn)，同一激光器不僅能產(chǎn)生同種脈沖格式的多脈沖現(xiàn)象，而且也能產(chǎn)生異種脈沖格式的多脈沖現(xiàn)象。異種脈沖格式之間相互作用不呈現(xiàn)出明顯的相干性，其原因在于異種脈沖格式產(chǎn)生于同一透射率函數(shù)的不同透射峰，因此它們的相位很難鎖定。如在“8”字形NALM腔激光器中獲得的孤子分子與方波類噪聲共存的多脈沖疊加態(tài)【文獻(xiàn)5.Y.-Q.Huang et al,Opt.Lett.41,4056(2016)】、在環(huán)形腔激光器中獲得的常規(guī)孤子與耗散孤子共存的多脈沖疊加態(tài)【文獻(xiàn)6.D.Mao et al,Opt.Lett.38,3190(2013)】，以及在復(fù)合腔激光器中獲得的調(diào)Q鎖模與方波類噪聲共存的多脈沖疊加態(tài)【文獻(xiàn)7.T.Qiao et al,Opt.Express 24,18755(2016)】。這些異種脈沖格式共存疊加態(tài)僅是時(shí)域上的簡(jiǎn)單疊加，并不存在著明顯的相干相互作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種主腔與子腔共享增益光纖且通過(guò)在子腔內(nèi)設(shè)置拉錐增益光纖而明顯提高激光器輸出的異種脈沖格式間相互作用的復(fù)合腔光纖激光器以解決現(xiàn)有技術(shù)的不足。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供復(fù)合腔光纖激光器實(shí)現(xiàn)異種脈沖格式相干調(diào)制的方法。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的：

復(fù)合腔光纖激光器，包括主腔和內(nèi)嵌于所述主腔內(nèi)的子腔，所述主腔包括抽運(yùn)光源、波分復(fù)用器、增益光纖、光纖耦合器和偏振控制器，其特征在于：所述增益光纖為帶有平面光纖端面的拉錐增益光纖且設(shè)于子腔內(nèi)，主腔與子腔共用增益光纖且通過(guò)光纖端面的空間準(zhǔn)直耦合進(jìn)行對(duì)接而實(shí)現(xiàn)光路連通，由此，主腔與子腔通過(guò)共享相同增益光纖的方式使得復(fù)合腔光纖激光器的結(jié)構(gòu)更為緊湊，同時(shí)通過(guò)調(diào)整偏振控制器與抽運(yùn)功率使子腔和主腔分別基于不同的脈沖產(chǎn)生機(jī)制產(chǎn)生的異種脈沖格式間實(shí)現(xiàn)相干調(diào)制。

進(jìn)一步地，所述主腔為環(huán)形腔、線形腔、“8”字形腔，“σ”形腔、“％”形腔或“9”字形腔中的任意一種，光纖耦合器為Y型或X型。

進(jìn)一步地，所述主腔為環(huán)形腔且還設(shè)有光纖隔離器和鎖模器，光纖耦合器為Y型，所述抽運(yùn)光源與波分復(fù)用器的抽運(yùn)信號(hào)端連接，波分復(fù)用器的合波端與子腔的一個(gè)端面連接，子腔的另一個(gè)端面依次連接光纖耦合器，偏振控制器、光纖隔離器和鎖模器，所述的光纖耦合器的輸出端為激光器輸出端。

進(jìn)一步地，所述增益光纖為一體型或倏逝波型拉錐增益光纖；所述倏逝波型拉錐增益光纖是將一根增益光纖加熱通過(guò)拉錐系統(tǒng)拉錐并拉斷為一對(duì)光纖錐，再使用光纖耦合系統(tǒng)使得兩個(gè)熔斷光纖錐相互靠近，兩個(gè)光纖錐均包括錐體端和非錐體端，光纖錐芯徑小于10μm，光纖錐錐體長(zhǎng)度為0.1～3cm，兩個(gè)光纖錐的錯(cuò)位空間間隙為10～300μm；所述一體型拉錐增益光纖是將一根增益光纖加熱通過(guò)拉錐系統(tǒng)使光纖在拉錐過(guò)程中間段芯徑變小但未拉斷而制成。

進(jìn)一步地，所述子腔內(nèi)設(shè)有由平整的平面光纖端面形成的第一腔鏡和第二腔鏡，第一腔鏡和第二腔鏡的光反射率為20％～40％。子腔腔鏡反射率是決定主腔與子腔能否同時(shí)起振和能否同時(shí)產(chǎn)生獨(dú)立的異種脈沖格式的先決條件，如子腔腔鏡反射率太大，將會(huì)使得子腔的增益競(jìng)爭(zhēng)能力比主腔的增益競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)，導(dǎo)致只有子腔能起振，而如果子腔腔鏡反射率太小，將會(huì)使得子腔的增益競(jìng)爭(zhēng)能力比主腔的增益競(jìng)爭(zhēng)能力弱，導(dǎo)致只有主腔能起振。

進(jìn)一步地，所述第一腔鏡和第二腔鏡構(gòu)成Fabry–Pérot子腔。

進(jìn)一步地，所述主腔為線形腔且子腔內(nèi)還設(shè)有半導(dǎo)體飽和吸收鏡，半導(dǎo)體飽和吸收鏡與增益光纖的非拉錐端粘貼連接，光纖耦合器為X型，光纖耦合器的兩個(gè)輸出端連接形成一個(gè)閉環(huán)，一個(gè)輸入端作為整個(gè)激光器的輸出端，另一個(gè)輸入端與波分復(fù)用器的抽運(yùn)信號(hào)端連接，波分復(fù)用器的合波端依次連接偏振控制器和子腔腔鏡，所述增益光纖為一體型或倏逝波型拉錐增益光纖。

進(jìn)一步地，所述光纖耦合器的分光比為90:10～60:40，所述半導(dǎo)體飽和吸收鏡與光纖耦合器分別構(gòu)成主腔的兩個(gè)腔鏡。

進(jìn)一步地，所述鎖模器為材料飽和吸收體鎖模器或類飽和吸收體鎖模器中的任一種或二者的組合；所述材料飽和吸收體鎖模器為石墨烯、碳納米管、黑磷、拓?fù)浣^緣體、硫化物系列二維材料、硒化物系列二維材料、半導(dǎo)體飽和吸收體材料、金納米線一維材料、銀納米線一維材料、酒精或復(fù)合材料墨水等具有光學(xué)飽和吸收效應(yīng)的實(shí)體材料；所述類飽和吸收體鎖模器為通過(guò)非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)(NPR)、非線性環(huán)路鏡技術(shù)(NOLM)或非線性放大環(huán)路鏡技術(shù)(NALM)實(shí)現(xiàn)的類飽和吸收效應(yīng)。

上述的復(fù)合腔光纖激光器實(shí)現(xiàn)異種脈沖格式相干調(diào)制的方法，包括以下步驟：

S1、將增益光纖的非錐體端面與單模光纖的打磨端面進(jìn)行空間準(zhǔn)直對(duì)接使通光效率大于62％，再進(jìn)行溶膠粘貼固化以形成穩(wěn)定的子腔；

S2、旋轉(zhuǎn)偏振控制器的手柄角度與手柄的擠壓強(qiáng)度，并調(diào)節(jié)抽運(yùn)功率使主腔與子腔的激光脈沖具有相同的波長(zhǎng)，從而使異種脈沖格式產(chǎn)生共振相互作用；

S3、改變光纖錐錐體重疊區(qū)長(zhǎng)度和錐體緩度來(lái)改變子腔產(chǎn)生的脈沖參數(shù)使子腔產(chǎn)生的控制脈沖對(duì)主腔產(chǎn)生的信號(hào)脈沖進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

本發(fā)明提供的復(fù)合腔光纖激光器，具有以下有益效果：

1、主腔內(nèi)嵌有子腔，二者共享增益介質(zhì)且基于獨(dú)立的脈沖產(chǎn)生機(jī)制同時(shí)產(chǎn)生各自的脈沖格式，可以通過(guò)改變子腔的參數(shù)來(lái)改變子腔產(chǎn)生的脈沖參數(shù)(如重復(fù)率、脈寬、時(shí)域空間分布)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)子腔產(chǎn)生的控制脈沖對(duì)主腔產(chǎn)生的信號(hào)脈沖的動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)同波長(zhǎng)的異種脈沖格式構(gòu)成的多脈沖激光相干疊加態(tài)，解決了同種脈沖格式因很難快速而準(zhǔn)確地分辨出控制脈沖與信號(hào)脈沖所形成多脈沖相干疊加態(tài)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的精準(zhǔn)光場(chǎng)控制的問(wèn)題；

2、對(duì)Fabry–Pérot子腔中的高摻增益介質(zhì)進(jìn)行拉錐，可以獲得增強(qiáng)型的偏振、非線性和濾波效應(yīng)，偏振增益濾波拉錐子腔不僅放大了脈沖、抑制了噪聲，而且還增強(qiáng)了光脈沖的非線性效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了異種脈沖格式之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有激光器中難以實(shí)現(xiàn)的異種脈沖格式的相干作用與共振操控，脈沖間的相互作用處于共振狀態(tài)時(shí)，其相互束縛、相互牽引的能力比非相干狀態(tài)時(shí)更為強(qiáng)烈，可以達(dá)到良好的光場(chǎng)操控效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明復(fù)合腔光纖激光器實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明復(fù)合腔光纖激光器實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明復(fù)合腔光纖激光器實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1—抽運(yùn)光源，2—波分復(fù)用器，3a—倏逝波型拉錐增益光纖，3b—一體型拉錐增益光纖，4—子腔，5a—第一腔鏡，5b—第二腔鏡，6—光纖隔離器，7a—第一偏振控制器，7b—第二偏振控制器，8—光纖耦合器，9—鎖模器，10—激光器輸出端，11—半導(dǎo)體飽和吸收鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

本發(fā)明的復(fù)合腔光纖激光器中，抽運(yùn)光源、波分復(fù)用器、光纖隔離器、偏振控制器、光纖耦合器和增益光纖均采用商用器件，根據(jù)工作波長(zhǎng)為1000nm、1310nm、1550nm和2000nm波段的要求，可分別對(duì)應(yīng)在增益光纖中摻Nd³⁺、Yb³⁺、Pr³⁺、Er³⁺或Tm³⁺。

實(shí)施例1

如圖1所示，復(fù)合腔光纖激光器，包括主腔和內(nèi)嵌于主腔內(nèi)的子腔4，主腔包括抽運(yùn)光源1、波分復(fù)用器2、增益光纖、光纖耦合器8和偏振控制器，增益光纖為帶有平面光纖端面的拉錐增益光纖且設(shè)于子腔4內(nèi)，主腔與子腔4共用增益光纖且通過(guò)光纖端面的空間準(zhǔn)直耦合進(jìn)行對(duì)接而實(shí)現(xiàn)光路連通。

其中，主腔為環(huán)形腔且還設(shè)有光纖隔離器6和鎖模器9，為了使相干作用更為明顯、實(shí)驗(yàn)操作調(diào)節(jié)更為容易設(shè)置兩個(gè)偏振控制器，光纖耦合器8為Y型，抽運(yùn)光源1與波分復(fù)用器2的抽運(yùn)信號(hào)端連接，波分復(fù)用器2的合波端與子腔4的一個(gè)端面連接，子腔4的另一個(gè)端面依次連接光纖耦合器8，第一偏振控制器7a、光纖隔離器6、第二偏振控制器7b和鎖模器9，光纖耦合器8的輸出端為整個(gè)激光器輸出端10，子腔4內(nèi)設(shè)有由平整的平面光纖端面形成的第一腔鏡5a和第二腔鏡5b，第一腔鏡5a和第二腔鏡5b的光反射率為20％～40％，第一腔鏡5a和第二腔鏡5b構(gòu)成Fabry–Pérot子腔。

此外，增益光纖為倏逝波型拉錐增益光纖3a，倏逝波型拉錐增益光纖3a是將一根增益光纖加熱通過(guò)拉錐系統(tǒng)拉錐并拉斷為一對(duì)光纖錐，再使用光纖耦合系統(tǒng)使得兩個(gè)熔斷光纖錐相互靠近，兩個(gè)光纖錐均包括錐體端和非錐體端，光纖錐芯徑小于10μm，光纖錐錐體長(zhǎng)度為0.1～3cm，兩個(gè)光纖錐的錯(cuò)位空間間隙為10～300μm；基于倏逝波傳輸理論，光波將從一個(gè)增益光纖錐耦合進(jìn)另一個(gè)增益光纖錐，光纖錐的錐體緩度以及錐體重疊區(qū)長(zhǎng)度的參數(shù)選擇，會(huì)產(chǎn)生不同的光纖雙折射參數(shù)，雙折射參數(shù)可達(dá)10^-6～10^-5量級(jí)之間，從而使得光波經(jīng)過(guò)不同的錐體參數(shù)的光纖錐時(shí)呈現(xiàn)不同的偏振特性，由于拉錐光纖的幾何尺寸比單模光纖要小很多，導(dǎo)致光纖的非線性系數(shù)增強(qiáng)。

鎖模器9為材料飽和吸收體鎖模器，為具有光學(xué)飽和吸收效應(yīng)的石墨烯，其作用是基于光學(xué)飽和吸收效應(yīng)在激光器中產(chǎn)生自啟動(dòng)光脈沖，光學(xué)飽和吸收鎖模器可以通過(guò)物理超聲分散做成光學(xué)薄膜或通過(guò)熱泳法將光學(xué)飽和吸收材料沉積在光纖端面上而制得；鎖模器9也可以用類飽和吸收體鎖模器，采用兩個(gè)偏振控制器之間放置一個(gè)偏振敏感的光纖隔離器6的組合方式，其物理功能是產(chǎn)生類飽和吸收作用，即光波在激光器中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)因光波偏振態(tài)演化與強(qiáng)度有關(guān)表現(xiàn)為光波演化的非線性偏振旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，偏振敏感的光纖隔離器6作為偏振光波強(qiáng)度的甄別器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定偏振態(tài)光波的飽和吸收作用，從而在激光器中產(chǎn)生自啟動(dòng)脈沖，這樣，兩個(gè)偏振控制器之間放置一個(gè)偏振敏感的光纖隔離器6的組合就形成了等效的鎖模器9，此時(shí)激光器中的材料鎖模器可以去掉或保留，但如果光纖隔離器6為偏振非敏感型的，與兩個(gè)偏振控制器則不能構(gòu)成類飽和吸收效應(yīng)，激光器中的材料鎖模器一定要存在。

使用本實(shí)施例的復(fù)合腔光纖激光器實(shí)現(xiàn)異種脈沖格式相干調(diào)制的方法，包括以下步驟：

S1、將增益光纖的非錐體端面與單模光纖的打磨端面進(jìn)行空間準(zhǔn)直對(duì)接使通光效率大于62％，使主腔與子腔4具有相當(dāng)?shù)脑鲆娓?jìng)爭(zhēng)能力，兩腔能同時(shí)起振，再進(jìn)行溶膠粘貼固化以形成穩(wěn)定的子腔4；

S2、旋轉(zhuǎn)第一偏振控制器7a和第二偏振控制器7b中手柄角度與手柄的擠壓強(qiáng)度，并調(diào)節(jié)抽運(yùn)功率使主腔與子腔4的激光脈沖具有相同的波長(zhǎng)，從而使異種脈沖格式產(chǎn)生共振相互作用；

S3、改變光纖錐錐體重疊區(qū)長(zhǎng)度和錐體緩度來(lái)改變子腔產(chǎn)生的脈沖參數(shù)使子腔產(chǎn)生的控制脈沖對(duì)主腔產(chǎn)生的信號(hào)脈沖進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

其中，主腔的脈沖產(chǎn)生機(jī)制是基于NPR的類飽和吸收效應(yīng)，而子腔4的脈沖產(chǎn)生機(jī)制是增益濾波與非線性效應(yīng)的聯(lián)合作用形成的類飽和吸收效應(yīng)，主腔和子腔基于各自獨(dú)立的脈沖產(chǎn)生機(jī)制分別產(chǎn)生不同的脈沖格式，而選擇不同接入的子腔4(即選擇不同的子腔4中增益光纖錐的錐體緩度、和錐體耦合長(zhǎng)度)可獲得物理參數(shù)不同的子腔脈沖；

調(diào)節(jié)偏振控制器可以改變激光器內(nèi)的偏振設(shè)置，使得主腔與子腔4各自產(chǎn)生的異種脈沖格式在時(shí)域上產(chǎn)生重疊、在頻域上具有相同的波長(zhǎng)。當(dāng)主腔和子腔4產(chǎn)生的不同脈沖格式在激光器中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在著穩(wěn)定的時(shí)域重疊時(shí)，基于非線性效應(yīng)異種脈沖就存在著直接的相干作用，這種異種脈沖之間的相干作用與光場(chǎng)控制是通過(guò)改變抽運(yùn)光源的功率而動(dòng)態(tài)可調(diào)的，當(dāng)異種脈沖格式具有相同的波長(zhǎng)和相同的相位差時(shí)，異種脈沖格式之間的相互作用將處于共振相干狀態(tài)，這樣，子腔4產(chǎn)生的脈沖格式就對(duì)主腔產(chǎn)生的另一脈沖格式進(jìn)行相干調(diào)制與光場(chǎng)控制。

實(shí)施例2

如圖2所示，與實(shí)施例1的不同之處在于，F(xiàn)abry–Pérot子腔內(nèi)的增益光纖為一體型增益光纖錐3b，一體型拉錐增益光纖3b是將一根增益光纖加熱通過(guò)拉錐系統(tǒng)使光纖在拉錐過(guò)程中間段芯徑變小但未拉斷而制成，光纖錐芯徑為20～80μm，一體型拉錐增益光纖3b相比倏逝波型拉錐增益光纖3a其制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單且損耗小，無(wú)需對(duì)拉錐光纖錐對(duì)進(jìn)行空間錯(cuò)位耦合，但一體化型增益光纖錐子腔同樣具有增強(qiáng)的非線性、偏振效應(yīng)以及濾波效應(yīng)。

使用本實(shí)施例的復(fù)合腔光纖激光器實(shí)現(xiàn)異種脈沖格式相干調(diào)制的方法與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例3

如圖3所示，復(fù)合腔光纖激光器，包括主腔和內(nèi)嵌于主腔內(nèi)的子腔4，主腔包括抽運(yùn)光源1、波分復(fù)用器2、增益光纖、光纖耦合器8和偏振控制器，增益光纖為帶有平面光纖端面的拉錐增益光纖且設(shè)于子腔4內(nèi)，主腔與子腔4共用增益光纖，主腔為線形腔且子腔4內(nèi)還設(shè)有半導(dǎo)體飽和吸收鏡11，半導(dǎo)體飽和吸收鏡11與增益光纖的非拉錐端粘貼連接，光纖耦合器8為X型，光纖耦合器8的兩個(gè)輸出端連接形成一個(gè)閉環(huán)，一個(gè)輸入端作為整個(gè)的激光器輸出端10，另一個(gè)輸入端與波分復(fù)用器2的抽運(yùn)信號(hào)端連接，波分復(fù)用器2的合波端依次連接偏振控制器和子腔腔鏡，增益光纖為倏逝波型拉錐增益光纖3a。

其中，光纖耦合器8的分光比為90:10～60:40，半導(dǎo)體飽和吸收鏡11為主腔和子腔4的共同腔鏡，半導(dǎo)體飽和吸收鏡11與光纖耦合器8分別構(gòu)成主腔的兩個(gè)腔鏡，半導(dǎo)體飽和吸收鏡11和平面光纖端面分別構(gòu)成Fabry–Pérot子腔的第一腔鏡5a和第二腔鏡5b，第一腔鏡5a和第二腔鏡5b的光反射率為20％～40％，此外，半導(dǎo)體飽和吸收鏡11還作為鎖模器使得激光器產(chǎn)生自啟動(dòng)脈沖。

使用本實(shí)施例的復(fù)合腔光纖激光器實(shí)現(xiàn)異種脈沖格式相干調(diào)制的方法與實(shí)施例1相同。

以上所述的僅是本發(fā)明的一些實(shí)施方式。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。