本發(fā)明涉及光纖激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊的全光纖亞百飛秒超短脈沖產(chǎn)生裝置。

背景技術(shù)：

超短光脈沖在超快光學(xué)診斷、光學(xué)精密測(cè)量、精密機(jī)械加工、激光醫(yī)療和生物工程等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，同時(shí)也是非線性光學(xué)、超快光學(xué)等研究方向的前沿課題。其中，亞百飛秒超短脈沖具有極窄的脈寬、超寬的光譜、極高的峰值功率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光頻梳、分子瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)、以及非線性光學(xué)等研究領(lǐng)域。目前通常使用的亞百飛秒超短脈沖激光源是基于鈦寶石固體激光器實(shí)現(xiàn)的，得益于其超寬的增益帶寬和較小的色散，有助于百飛秒脈沖的產(chǎn)生。然而，固體激光器體積龐大、造價(jià)昂貴，對(duì)工作環(huán)境的溫度和濕度有嚴(yán)格要求，且由空間光路構(gòu)成，系統(tǒng)復(fù)雜，鎖模狀態(tài)對(duì)外界環(huán)境敏感，維護(hù)困難。這些問(wèn)題限制了超短脈沖固體激光器的普及和推廣，使其主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。光纖激光器以摻稀土元素光纖作為增益介質(zhì)，與傳統(tǒng)固體激光器相比，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是目前超短脈沖激光技術(shù)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)研究課題。

目前在光纖激光器中產(chǎn)生飛秒脈沖具有比較成熟的方案，已有不少?gòu)S家已推出飛秒光纖激光器的產(chǎn)品。它們通常以負(fù)色散光纖激光器中產(chǎn)生的傳統(tǒng)孤子作為種子源，具有500fs以上的脈沖寬度。在光纖激光器中產(chǎn)生亞百飛秒超短脈沖的方式通常是通過(guò)色散管理將諧振腔的凈色散控制在零色散附近，使激光器支持展寬脈沖的形成。展寬脈沖具有較寬的光譜寬度，在適當(dāng)條件下，經(jīng)過(guò)色散元件壓縮能夠獲得脈寬在百飛秒以下的超短脈沖。但這一方案存在以下幾個(gè)問(wèn)題：首先，當(dāng)激光諧振腔的色散近零時(shí)，激光器內(nèi)的高階色散等會(huì)對(duì)脈沖演化產(chǎn)生明顯作用，同時(shí)諧振腔對(duì)外界環(huán)境的擾動(dòng)更加敏感，不利于激光器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作；其次，受到光纖諧振腔內(nèi)的非線性效應(yīng)的限制，展寬脈沖的脈沖能量一般在1nj以下，平均功率不超過(guò)1mw，這極大限制了激光器的應(yīng)用范圍，而且在后續(xù)放大裝置中，較小的功率水平也會(huì)對(duì)輸出脈沖的信噪比產(chǎn)生不利的影響；還有鎖模技術(shù)對(duì)亞百飛秒超短脈沖光纖激光器的限制，實(shí)驗(yàn)室中通常采用的非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)和非線性光學(xué)環(huán)形鏡技術(shù)無(wú)法滿足激光器自啟動(dòng)和抗干擾的要求，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡能夠?qū)崿F(xiàn)鎖模光纖激光器的自啟動(dòng)，但在價(jià)格、損傷閾值以及工作帶寬上有諸多限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有全光纖結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)緊湊、實(shí)施方便的亞百飛秒超短脈沖產(chǎn)生裝置，可以為工業(yè)加工、醫(yī)療、國(guó)防軍事等領(lǐng)域提供一種環(huán)境穩(wěn)定的亞飛秒超短脈沖源。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種結(jié)構(gòu)緊湊的全光纖亞百飛秒超短脈沖產(chǎn)生裝置，包括通過(guò)單模光纖依次連接的耗散孤子振蕩器、輸出隔離部分、預(yù)壓縮部分、放大和非線性壓縮部分；所述預(yù)壓縮部分引入負(fù)色散，預(yù)壓縮部分提供的負(fù)啁啾量小于輸入脈沖的正啁啾量；所述放大和非線性壓縮部分由波分復(fù)用器和增益光纖構(gòu)成，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的放大和非線性壓縮。

進(jìn)一步地，所述耗散孤子振蕩器包括波分復(fù)用器、增益光纖(如摻鉺、鐿、銩光纖等)、輸出耦合器、偏振無(wú)關(guān)隔離器和單壁碳納米管鎖模器件，它們通過(guò)單模光纖依次連接形成環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器與波分復(fù)用器連接，提供泵浦能量；上述器件間均采用光纖熔接連接；所述散耗散孤子振蕩器的諧振腔內(nèi)凈色散為正，利用單壁碳納米管鎖模器件實(shí)現(xiàn)鎖模。

進(jìn)一步地，所述輸出隔離部分通過(guò)光纖隔離器或三端口環(huán)形器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述預(yù)壓縮部分由可以提供負(fù)色散的色散元件構(gòu)成，可采用光纖光柵、色散光纖、光子晶體光纖或微納光纖。

進(jìn)一步地，所述放大和非線性壓縮部分，波分復(fù)用器和增益光纖構(gòu)成放大器，使用與波分復(fù)用器連接的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源；放大器輸出后可連接不同長(zhǎng)度的非線性光纖，用于優(yōu)化輸出結(jié)果；上述器件間均采用光纖熔接連接。

進(jìn)一步地，所述非線性光纖可采用單模光纖、光子晶體光纖或微納光纖。

進(jìn)一步地，放大和非線性壓縮部分中使用的波分復(fù)用器和增益光纖應(yīng)與耗散孤子振蕩器相對(duì)應(yīng)。

進(jìn)一步地，增益光纖和非線性光纖長(zhǎng)度、輸出耦合器分束比、色散元件色散大小等可根據(jù)實(shí)際情況(與種子源脈沖特性、泵浦功率、輸出功率等有關(guān))進(jìn)行調(diào)節(jié)。

一種產(chǎn)生亞百飛秒超短脈沖的方法，該方法包括：首先通過(guò)耗散孤子振蕩器產(chǎn)生具有較大能量和正啁啾的脈沖；其次，將脈沖通過(guò)輸出隔離部分，防止反向傳輸?shù)墓鈱?duì)耗散孤子振蕩器產(chǎn)生影響；然后，使脈沖通過(guò)預(yù)壓縮部分，將脈沖寬度壓縮，提高脈沖峰值功率；最后，通過(guò)放大和非線性壓縮部分，提高脈沖能量，利用非線性過(guò)程使脈沖光譜展寬、脈寬壓縮，得到亞百飛秒超短脈沖。

本發(fā)明的有益效果是：

1、該全光纖亞百飛秒超短脈沖產(chǎn)生裝置所用器件為構(gòu)造光纖激光器或放大器所用的通用器件，可商品化，成本低廉。

2、該耗散孤子振蕩器采用碳納米管作為制作鎖模器件的材料，具有生產(chǎn)成本低、制作方法簡(jiǎn)單、飽和閾值低、以及鎖模運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其能夠?yàn)閬啺亠w秒超短脈沖產(chǎn)生裝置提供環(huán)境穩(wěn)定的種子源，提高裝置整體的穩(wěn)定性。

3、該全光纖亞百飛秒超短脈沖產(chǎn)生裝置利用高能量耗散孤子作為種子源，利用放大和非線性壓縮實(shí)現(xiàn)光譜展寬和脈沖壓縮，相比利用展寬脈沖獲得的亞百飛秒脈沖具有高得多的脈沖能量和峰值功率，可以有更廣泛的應(yīng)用前景。

4、該全光纖亞百飛秒超短脈沖產(chǎn)生裝置具有全光纖結(jié)構(gòu)，因此具有較為緊湊的結(jié)構(gòu)，有利于產(chǎn)生裝置實(shí)現(xiàn)小型化。

5、該全光纖亞百飛秒超短脈沖產(chǎn)生裝置的技術(shù)方案對(duì)于各個(gè)波段都適用，使用的元器件都很容易獲得，因此有助于在多個(gè)波段亞百飛秒脈沖的實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中耗散孤子振蕩器實(shí)施方案示意圖；

圖3為本發(fā)明的實(shí)施方案示意圖；

圖4中，(a)為耗散孤子振蕩器輸出脈沖的光譜圖，(b)為自相關(guān)曲線；

圖5中，(a)為輸出亞百飛秒脈沖的光譜圖，(b)為自相關(guān)曲線；

圖中，101—耗散孤子振蕩器；102—輸出隔離部分；103—預(yù)壓縮部分；104—放大和非線性壓縮部分；201—第一波分復(fù)用器；202—第一增益光纖；203—輸出耦合器；204—偏振無(wú)關(guān)隔離器；205—單壁碳納米管鎖模器件；206—第一泵浦光源；301—三端口環(huán)形器；302—單模光纖；303—摻鉺光纖；304—第二波分復(fù)用器；305—第二泵浦光源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種結(jié)構(gòu)緊湊的全光纖亞百飛秒超短脈沖產(chǎn)生裝置，包括通過(guò)單模光纖依次連接的耗散孤子振蕩器101、輸出隔離部分102、預(yù)壓縮部分103和放大和非線性壓縮部分104；所述預(yù)壓縮部分103引入負(fù)色散，預(yù)壓縮部分103提供的負(fù)啁啾量小于輸入脈沖的正啁啾量。

如圖2所示，耗散孤子振蕩器101包括波第一波分復(fù)用器201、第一增益光纖202、輸出耦合器203、偏振無(wú)關(guān)隔離器204、單壁碳納米管鎖模器件205和第一泵浦光源206，它們通過(guò)單模光纖連接形成環(huán)形腔結(jié)構(gòu)；第一泵浦光源206選用工作波長(zhǎng)為976nm的單模半導(dǎo)體激光器，通過(guò)980nm/1550nm第一波分復(fù)用器201為第一增益光纖202提供泵浦；第一增益光纖202采用型號(hào)nufernedfc-980-fc的摻鉺光纖，在1550nm處色散系數(shù)為-16ps/nm/km，長(zhǎng)度為12m；輸出耦合器203的輸出比為40％；單壁碳納米管鎖模器件205是基于單壁碳納米管制備的可飽和吸收體；器件尾纖及腔內(nèi)其他單模光纖長(zhǎng)度約為5.5m，在1550nm處色散系數(shù)d約為17ps/nm/km。光在耗散孤子振蕩器101內(nèi)循環(huán)往復(fù)，依次通過(guò)第一波分復(fù)用器201、第一增益光纖202、輸出耦合器203、偏振無(wú)關(guān)隔離器204、單壁碳納米管鎖模器件205，在一定泵浦功率下，耗散孤子振蕩器101自啟動(dòng)鎖模，形成的耗散孤子脈沖通過(guò)輸出耦合器203進(jìn)入輸出隔離部分102，使得向后傳輸?shù)墓鉄o(wú)法進(jìn)入耗散孤子振蕩器101中。

如圖3所示，輸出隔離部分102是通過(guò)一個(gè)三端口環(huán)形器301來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將三端口環(huán)形器a端口作為輸入端口，與輸出耦合器203的40％輸出端連接，將b端口作為輸出端口，與預(yù)壓縮部分103相連，反向傳輸?shù)墓鈺?huì)通過(guò)c端口輸出到光路以外，實(shí)現(xiàn)最大程度的隔離。預(yù)壓縮部分103選用普通的單模光纖302作為色散元件提供負(fù)色散，單模光纖302長(zhǎng)度為65m。放大和非線性壓縮部分104包括依次連接的摻鉺光纖303、第二波分復(fù)用器304和第二泵浦光源305；第二泵浦光源305選用工作波長(zhǎng)為976nm的單模半導(dǎo)體激光器，通過(guò)980nm/1550nm第二波分復(fù)用器304為摻鉺光纖303提供泵浦；摻鉺光纖303的型號(hào)為nufernedfc-980-fc，長(zhǎng)度為4.5m；將第二波分復(fù)用器304的尾纖作為非線性光纖實(shí)現(xiàn)最終的脈沖壓縮，尾纖長(zhǎng)度為1.6m。預(yù)壓縮后的脈沖進(jìn)入放大和非線性壓縮部分104，光脈沖首先通過(guò)摻鉺光纖303，脈沖能量被放大；由于較強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)，光譜寬度增加，脈沖寬度進(jìn)一步變窄，峰值功率提高；最后經(jīng)過(guò)一段非線性光纖，將脈沖壓縮至最窄。

本發(fā)明工作原理如下：

本發(fā)明中使用耗散孤子振蕩器作為種子源，通過(guò)色散管理技術(shù)調(diào)節(jié)振蕩器中色散光纖的長(zhǎng)度，使振蕩器的凈色散值為凈正色散，耗散孤子是正色散、三階非線性、濾波效應(yīng)、增益和損耗等的綜合作用的結(jié)果。耗散孤子振蕩器采用基于單壁碳納米管的鎖模器件實(shí)現(xiàn)鎖模，單壁碳納米管具有較小的飽和閾值功率和皮秒量級(jí)的恢復(fù)時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)鎖模的自啟動(dòng)。耗散孤子振蕩器輸出的脈沖具有較大的正啁啾，可以通過(guò)負(fù)色散補(bǔ)償正啁啾將脈沖寬度壓縮。本發(fā)明中使用具有負(fù)色散的色散元件將脈沖寬度從幾十皮秒壓縮至幾個(gè)皮秒，提高峰值功率，增強(qiáng)脈沖在放大和非線性壓縮部分傳輸時(shí)的非線性效應(yīng)。在放大和非線性壓縮部分，脈沖在增益光纖中進(jìn)一步被放大，同時(shí)由于其較高的峰值功率，脈沖光譜被非線性展寬，脈沖寬度被進(jìn)一步壓縮。得益于光譜寬度的展寬，能夠獲得比種子源更窄的脈沖寬度。通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦功率的大小、增益光纖和非線性光纖的長(zhǎng)度得到亞百飛秒的脈沖。

本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

當(dāng)泵浦功率約30mw時(shí)，耗散孤子振蕩器可以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)鎖模，將泵浦功率升至約90mw時(shí)，在耗散孤子振蕩器中得到功率最大的單脈沖輸出，平均輸出功率為約6mw。此時(shí)脈沖的光譜和自相關(guān)曲線如圖4所示，光譜具有近似矩形的包絡(luò)，反映了它的耗散孤子特性，其半高全寬為11.8nm，中心波長(zhǎng)為1565nm。脈沖寬度約為18ps，時(shí)間帶寬積為26，可以說(shuō)明此時(shí)的脈沖具有很大的正啁啾。若假設(shè)其為高斯型脈沖，該耗散孤子脈沖對(duì)應(yīng)的變換極限脈沖寬度約為0.3ps。將耗散孤子脈沖通過(guò)隔離器、預(yù)壓縮部分、放大和非線性壓縮部分后，可以得到亞百飛秒超短脈沖。當(dāng)放大和非線性壓縮部分的泵浦功率約150mw時(shí)，得到的脈沖如圖5所示，平均輸出功率約為26mw。圖5(a)為輸出脈沖的光譜圖，相比圖4(a)中的光譜，其光譜形狀已經(jīng)失去矩形的特征，光譜寬度被在很大程度上展寬。圖5(b)為輸出脈沖的自相關(guān)曲線，脈沖寬度約為95fs。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊的全光纖亞百飛秒超短脈沖產(chǎn)生裝置，其具有全光纖結(jié)構(gòu)，基于單壁碳納米管鎖模的耗散孤子光纖激光器，對(duì)外界環(huán)境的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的抵抗力，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的輸出亞百飛秒脈沖。該裝置中獲得的脈沖具有較高的脈沖能量和峰值功率，在非線性光學(xué)、超快光學(xué)檢測(cè)、光頻梳等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。