一种产生高能量孤子簇脉冲的光纤激光系统

1.本发明属于激光技术领域，具体涉及一种产生高能量孤子簇脉冲的光纤激光系统的设计。


背景技术：

2.自1960年第一台红宝石激光器问世以来，以激光器为基础的激光技术已经广泛应用于科技、军事、经济和日常生活等诸多领域，极大地推动了社会的发展和生产力的进步。其中，光纤激光器由于其体积小、光束质量好、结构紧凑、可靠性高和无需空间准直等优点，被广泛应用于光谱学、高速光通信、燃烧诊断和激光微机械加工等领域。
3.孤子簇脉冲作为被动锁模光纤激光器中的一种重要现象，已经得到了广泛的关注。相比于单脉冲锁模光纤激光器而言，内部亚脉冲重复频率和孤子数量可调的孤子簇光纤激光器在材料加工、传感以及光与物质相互作用等领域的应用需求更加广泛。特别是在材料加工领域，对于某些特殊材料，当单孤子脉冲能量保持不变时，仅仅通过改变孤子簇内部亚脉冲重复频率和孤子数量就可以实现对加工速度的精确控制。目前，利用锁模光纤激光器直接输出孤子簇脉冲的方案较为常见，通过精确调控腔内增益、双折射和色散等参数，研究人员已经在非线性偏振旋转、非线性光纤环形镜以及真实可饱和吸收体锁模光纤激光器中实现了孤子簇脉冲输出，但是孤子簇脉冲对实验条件和外界环境非常敏感，其状态很容易发生改变或被破坏，当泵浦功率发生改变时，孤子簇内部亚脉冲的数量和脉冲间隔会发生改变，因此，该方案不利于实际应用。尽管利用电光调制器等对种子源进行时域调制，可以产生孤子簇脉冲。然而，这种方案要求种子源的脉宽在纳秒量级，其峰值功率的波动会影响孤子簇脉冲的性能，限制了此方案在材料加工、光传感和光信号处理等领域的应用。
4.因此，需要开发新技术来实现高能量孤子簇脉冲光源，来满足现代众多科学应用领域的需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有光纤激光器中难以实现高能量孤子簇脉冲输出的技术问题，提出了一种产生高能量孤子簇脉冲的光纤激光系统。
6.本发明的技术方案为：一种产生高能量孤子簇脉冲的光纤激光系统，包括锁模光纤激光器、第一光纤环形器、啁啾光纤布拉格光栅、马赫-曾德尔调制器、任意波形发生器、第二光纤环形器、泵浦源、耦合器、第一波分复用器、第一掺镱光纤、光纤滤波器、第二波分复用器、第二掺镱光纤；所述锁模光纤激光器、第一光纤环形器、马赫-曾德尔调制器、第二光纤环形器、第一波分复用器、第一掺镱光纤、光纤滤波器、第二波分复用器、第二掺镱光纤依次连接；所述啁啾光纤布拉格光栅的前向输入端和后向输入端分别与第一光纤环形器和第二光纤环形器连接，当光脉冲由前向输入端入射啁啾光纤布拉格光栅后，其反射光获得线性正啁啾，脉冲宽度被拉伸，当光脉冲由后向输入端入射啁啾光纤布拉格光栅后，其反射光获得等量线性负啁啾，抵消光脉冲在啁啾光纤布拉格光栅前向输入端获得的线性正啁
啾；所述任意波形发生器与马赫-曾德尔调制器连接，它们的组合用于对拉伸后的脉冲信号施加强度调制；所述耦合器的输入端与泵浦源连接，其输出端分别与第一波分复用器和第二波分复用器连接；所述第一掺镱光纤和第二掺镱光纤分别用于对脉冲进行预放大和再放大；所述光纤滤波器用于滤除放大自发辐射噪声。
7.优选的，锁模光纤激光器为工作在全正色散区的耗散孤子掺镱锁模光纤激光器，其输出脉冲的时域形状为高斯形，对应的光谱形状为矩形，输出脉冲的中心波长为1060nm。
8.优选的，啁啾光纤布拉格光栅的反射中心波长为1060nm，3db带宽为10nm，反射率为99％，啁啾光纤布拉格光栅对前向输入端反射光提供的总色散量为230ps2，对后向输入端反射光提供的总色散量为-230ps2。
9.优选的，马赫-曾德尔调制器的工作波长为1060nm，其调制带宽为50ghz。
10.优选的，耦合器为1
×
2耦合器，其工作波长为980nm。
11.优选的，第一波分复用器和第二波分复用器的工作波长均为980nm/1060nm。
12.优选的，第一掺镱光纤和第二掺镱光纤在1060nm处均具有正色散。
13.优选的，光纤滤波器为带通滤波器，其中心波长为1060nm，10db带宽为10nm。
14.本发明的有益效果是：
15.(1)本发明所用器件均已商用化，容易购买获得，使得本发明的方法易于实施。
16.(2)本发明通过调节任意波形发生器输出信号的基频频率和谐波数量，分别实现孤子簇内部亚脉冲重复频率以及脉冲数量可调，大大降低了系统成本，增强了该系统的适用范围。
17.(3)本发明具有调试简单，稳定性高等优点。
附图说明
18.图1为本发明提供的一种产生高能量孤子簇脉冲的光纤激光系统结构示意图。
19.图2为所述锁模光纤激光器输出脉冲的时域形状图。
20.图3所示是孤子簇内部亚脉冲重复频率为25ghz，且任意波形发生器输出信号的谐波数量为5时，第二掺镱光纤13处输出脉冲的时域图。
21.图4所示是孤子簇内部亚脉冲重复频率为50ghz，且任意波形发生器输出信号的谐波数量为7时，第二掺镱光纤13处输出脉冲的时域图。
22.附图标记说明：1—锁模光纤激光器、2—第一光纤环形器、3—啁啾光纤布拉格光栅、4—马赫-曾德尔调制器、5—任意波形发生器、6—第二光纤环形器、7—泵浦源、8—耦合器、9—第一波分复用器、10—第一掺镱光纤、11—光纤滤波器、12—第二波分复用器、13—第二掺镱光纤、a，b，c—光纤环形器的三个端口。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
24.本发明提供了一种产生高能量孤子簇脉冲的光纤激光系统，如图1所示，包括锁模光纤激光器1、第一光纤环形器2、啁啾光纤布拉格光栅3、马赫-曾德尔调制器4、任意波形发生器5、第二光纤环形器6、泵浦源7、耦合器8、第一波分复用器9、第一掺镱光纤10、光纤滤波器11、第二波分复用器12、第二掺镱光纤13；所述锁模光纤激光器1、第一光纤环形器2、马
赫-曾德尔调制器4、第二光纤环形器6、第一波分复用器9、第一掺镱光纤10、光纤滤波器11、第二波分复用器12、第二掺镱光纤13依次连接；所述啁啾光纤布拉格光栅3的前向输入端和后向输入端分别与第一光纤环形器2和第二光纤环形器6连接，当光脉冲由前向输入端入射啁啾光纤布拉格光栅3后，其反射光获得线性正啁啾，脉冲宽度被拉伸，当光脉冲由后向输入端入射啁啾光纤布拉格光栅3后，其反射光获得等量线性负啁啾，抵消光脉冲在啁啾光纤布拉格光栅3前向输入端获得的线性正啁啾；所述任意波形发生器5与马赫-曾德尔调制器4连接，它们的组合用于对拉伸后的脉冲信号施加强度调制；所述耦合器8的输入端与泵浦源7连接，其输出端分别与第一波分复用器9和第二波分复用器12连接；所述第一掺镱光纤10和第二掺镱光纤13分别用于对脉冲进行预放大和再放大；所述光纤滤波器11用于滤除放大自发辐射噪声。
25.本实施例中，锁模光纤激光器1为工作在全正色散区的耗散孤子掺镱锁模光纤激光器，其输出脉冲的时域形状为高斯形，对应的光谱形状为矩形，输出脉冲的中心波长为1060nm。
26.本实施例中，啁啾光纤布拉格光栅3可采用teraxion公司psw-dmr型号的啁啾光纤布拉格光栅，反射中心波长为1060nm，3db带宽为10nm，反射率为99％，啁啾光纤布拉格光栅3对前向输入端反射光提供的总色散量为230ps2，对后向输入端反射光提供的总色散量为-230ps2。
27.本实施例中，马赫-曾德尔调制器4可采用eospace公司的铌酸锂(linbo3)电光马赫-曾德尔调制器，其工作波长在1060nm附近，其调制带宽为50ghz。
28.本实施例中，任意波形发生器5可采用rohde&schwarz公司的awg，输出信号频率连续可调。
29.本实施例中，第一掺镱光纤10和第二掺镱光纤13采用nufern公司生产的增益光纤，在1060nm处具有正色散。
30.本实施例中，光纤滤波器11的中心波长为1060nm，10db带宽为10nm。
31.本发明中涉及的物理模型及数值仿真方法具体如下：
32.为了真实、准确地模拟本发明提供的系统中孤子簇脉冲的产生和演化过程，采用的物理模型充分考虑系统内各个器件对脉冲传输的影响，并通过分步傅立叶算法进行数值求解。当光脉冲经过受任意波形发生器5控制的马赫-曾德尔调制器时，将光场乘以该器件对应的传输方程：
[0033][0034]
其中n是任意波形发生器5输出信号的谐波数量，m代表谐波信号的级次，ω是信号基频。
[0035]
当光脉冲经过光纤时，采用金兹堡-朗道方程描述脉冲在光纤中的传输特性：
[0036][0037]
式中u是脉冲振幅包络；t和z分别是时间和传输距离；i为虚数单位；β2，γ和ωg分
别代表光纤色散，非线性参量和增益带宽。g是光纤增益系数，对于普通单模光纤而言，g＝0。
[0038]
对本发明的具体原理及数值仿真结果如下：
[0039]
本发明提供的一种产生高能量孤子簇脉冲的光纤激光系统中，锁模光纤激光器1产生的光脉冲经过第一光纤环形器2，由前向输入端进入啁啾光纤布拉格光栅3，反射后的光脉冲受到足够的正色散效应的作用，满足时间远场近似条件，脉冲被拉伸，其时域波形具有和自身光谱相同的强度包络；拉伸后的光脉冲进入马赫-曾德尔调制器4，光脉冲时域包络出现调制结构(该调制包络与孤子簇脉冲的频域包络相似)；随后调制后的光脉冲经过第二光纤环形器6，由后向输入端进入啁啾光纤布拉格光栅3，反射后的光脉冲获得等量的负色散，完全补偿脉冲在前向输入端反射时获得的线性正啁啾(等效于傅里叶逆变换)，此时第二光纤环形器6的c端口输出的脉冲为孤子簇脉冲；通过调节任意波形发生器输出信号的基频频率和谐波数量，能分别实现孤子簇内部亚脉冲重复频率以及脉冲数量可调；随后，孤子簇脉冲进入由泵浦源7、耦合器8、第一波分复用器9、第一掺镱光纤10和光纤滤波器11构成的第一级放大系统进行预放大以及放大自发辐射噪声的滤除；最后，孤子簇脉冲进入由泵浦源7、耦合器8、第二波分复用器12和第二掺镱光纤13组成的第二级放大系统进行再放大，得到高能量孤子簇脉冲。
[0040]
对本发明提供的产生高能量孤子簇脉冲的光纤激光系统进行了数值模拟，其结果如下：
[0041]
图2所示是锁模光纤激光器输出脉冲的时域形状。可以看出脉冲的时域形状为高斯形。
[0042]
图3所示是孤子簇内部亚脉冲重复频率为25ghz，且任意波形发生器输出信号的谐波数量为5时，第二掺镱光纤13处输出脉冲的时域图。
[0043]
图4所示是孤子簇内部亚脉冲重复频率为50ghz，且任意波形发生器输出信号的谐波数量为7时，第二掺镱光纤13处输出脉冲的时域图。
[0044]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。