相位噪声可控的低重复频率飞秒激光脉冲的产生方法

摘要

一种相位噪声可控的低重复频率飞秒激光脉冲的产生方法，其特征在于，利用共振增强的交叉吸收调制或交叉相位调制方法，将一台高重复频率窄脉宽的从属光纤激光器同步于一台低重复频率的主控激光器；同步后，该从属光纤激光器的重复频率被锁定在低重复频率的主控激光器上；这种全光同步技术不破坏脉冲间的相位关系，同步后的从属激光脉冲的相位噪声可以通过锁相电路有效地抑制。本发明的优点就在于，可以在不破坏激光脉冲的相位噪声可控性和不展宽脉冲宽度的前提下降低激光器重复频率。此外，此方法适用于多种类型的光纤激光器，适用范围广，使用方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的低重复频率飞秒激光的产生方法，属于超强超快激光技术领域。该方法结合了光纤激光器技术和激光器时间同步技术，实现了相位噪声可控的低重复频率飞秒光纤激光器。

背景技术

相位噪声可以抑制的低重复频率飞秒激光器在科研和生产领域都有极为重要的实用价值。因为在能量总量一定的情况下，低重复频率的激光器相对于高重复频率的激光器具有更高的单脉冲能量，所以高能物理，高阶非线性光学，以及其它光与物质相互作用的诸多领域都需要这种高能超快激光器的支持。尤其在精密激光光谱领域，激光器的相位噪声特性对光谱的精确度起着至关重要的影响。同时，这样的高能激光光源在激光加工，纳米材料研究，产品检测，医疗等实际生产生活中也具有不可替代的作用。

目前，获得低重复频率飞秒激光脉冲的方法主要是利用普克尔盒(或声光调制晶体)的选脉冲的作用和激光放大器的光脉冲放大技术。以一般的钛宝石激光器为例来说，种子光来自重复频率为数十兆赫兹的飞秒激光振荡器，经过普克尔盒(或声光调制晶体)后被挑选出重复频率为数千赫兹的脉冲序列，然后进入放大器被放大到数瓦甚至数百瓦的平均功率。普克尔盒(或声光调制晶体)由电信号控制，电信号的工作频率是种子光振荡器的重复频率的1/N倍。放大器通常采用的是光啁啾参量放大技术或者是多通光参量放大技术。前者是将普克尔盒(或声光调制晶体)选择出的飞秒种子光脉冲在时域上由于频率成分的不同而被展宽，再经过激发态的增益介质后被放大，最后通过压缩器(光栅对，棱镜对，啁啾镜，等等)被压缩到超短脉冲宽度。一般种子光被逐级放大到光啁啾参量放大系统的饱和增益后经倒空腔输出。后者是使种子光多次经过光啁啾参量放大器，充分利用放大器的增益能量。但是通过上述方式得到的低重复频率的激光脉冲，彼此之间失去了确定的连续的相位关系，对激光脉冲相位噪声的控制制造了极大的困难。这相位关系的破坏主要是因为普克尔盒(或声光调制晶体)在选脉冲过程中机械地切断了脉冲与脉冲之间的联系，使每个选择出来的种子脉冲彼此独立。

另一种获得低重复频率激光脉冲的方法是使用激光腔长达数百米的光纤激光器。因为重复频率f＝nc/L，c为光在真空中的传播速度，n为介质折射率，L为激光腔的物理长度，所以增加激光腔长度可以减少激光器的重复频率。但是因为光纤中具有极强的非线性效应，所以低重复频率的光纤激光器无法输出飞秒激光，并且输出脉冲也很难被压缩器压缩到超短脉冲。

综上所述，产生相位噪声可控的低重复频率的飞秒激光脉冲仍需要新的技术支持。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供了一种能够降低激光器重复频率但又不破坏脉冲彼此之间的连贯性的方法。

本发的明目由以下技术方案实现：

一种相位噪声可控的低重复频率飞秒激光脉冲的产生方法，其特征在于，利用共振增强的交叉吸收调制或交叉相位调制方法，将一台高重复频率窄脉宽的从属光纤激光器同步于一台低重复频率的主控激光器；同步后，该从属光纤激光器的重复频率被锁定在低重复频率的主控激光器上；这种全光同步技术不破坏脉冲间的相位关系，同步后的从属激光脉冲的相位噪声可以通过锁相电路有效地抑制。

所述的交叉吸收调制方法是指，采用一段共振介质，介质的折射率随着介质对共振光的吸收情况而改变，这种改变可以反映在介质对通过其中的光的偏振方向的改变；所述的交叉相位调制方法是指，因为两束或者更多束光场在介质中传输时，它们将与介质中的非线性效应发生互作用，此时光波的有效折射率不仅与此波本身的强度有关，也与同时传输的其它光波的强度有关，光波会获得一个与多光束强度相关的非线性相位，因此从属激光器将会受到来自主控激光器的共振光脉冲的调制，从而实现两台激光器的同步；同步后，从属光纤激光器的重复频率等于主控激光器的重复频率。

所采用的从属激光器为8字腔结构的光纤激光器，由主环和从属的sagnac环通过耦合器连接构成，在该主环上装有光隔离器、耦合输出器和偏振控制器；在该sagnac环上安装有作为泵浦源的半导体激光器、增益介质和具有交叉吸收调制或交叉吸收调制效应的共振介质，该sagnac环分别通过一波分复用器与所述的从属光纤激光器和主控激光器连接。

所述的耦合输出器反向安装在所述的主环上，光在主环沿着某一方向传播，正常情况下耦合输出器无光输出，当同步脉冲注入时，将有一部分光被sagnac环返回，沿着反方向传播，最后通过反方向安装的耦合输出器输出。

所述的增益介质和共振介质为掺杂光纤激光器。

本发明一方面利用8字腔光纤激光器产生高重复频率并且相位噪声可控的飞秒激光脉冲；另一方面利用共振吸收增强的交叉吸收调制或交叉吸收调制作用将该光纤激光器同步于一台低重复频率的激光器，实现降低光纤激光器重复频率的作用。

本发明的优点就在于，可以在不破坏激光脉冲的相位噪声可控性和不展宽脉冲宽度的前提下降低激光器重复频率。此外，此方法适用于多种类型的光纤激光器，适用范围广，使用方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中符号分别表示：A1为光隔离器，A2为耦合输出器，A3为两进两出的50∶50的耦合器(进出的四个端口分别为1、4和2、3)，A4为偏振控制器，A5为激光输出端，B1为980nm半导体激光器(光纤激光器的泵浦源)，B2为980nm/1064nm波分复用器，B3为一段0.5m长的掺镱光纤(增益介质)，B4为一段0.2m长的掺铒光纤(共振介质)，B5为800nm/1064nm波分复用器，B6为偏振控制器，C为一台重复频率为250kHz的钛宝石激光器。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。

参见图1，本发明一种相位噪声可控的低重复频率飞秒激光脉冲的产生方法，其特征在于，利用共振增强的交叉吸收调制或交叉相位调制方法，将一台高重复频率窄脉宽的从属光纤激光器(由主环A和一个sagnac环B组成的8字腔结构的光纤激光器)同步于一台低重复频率的主控激光器C；同步后，该从属光纤激光器的重复频率被锁定在低重复频率的主控激光器C上；这种全光同步技术不破坏脉冲间的相位关系，同步后的从属激光脉冲的相位噪声可以通过锁相电路有效地抑制。

所述的交叉吸收调制方法是指，采用一段共振介质，介质的折射率随着介质对共振光的吸收情况而改变，这种改变可以反映在介质对通过其中的光的偏振方向的改变；所述的交叉相位调制方法是指，因为两束或者更多束光场在介质中传输时，它们将与介质中的非线性效应发生互作用，此时光波的有效折射率不仅与此波本身的强度有关，也与同时传输的其它光波的强度有关，光波会获得一个与多光束强度相关的非线性相位，因此从属激光器将会受到来自主控激光器的共振光脉冲的调制，从而实现两台激光器的同步；同步后，从属光纤激光器的重复频率等于主控激光器的重复频率。

所述的共振吸收增强的交叉吸收调制效应，是指共振介质中的掺杂离子在吸收了共振光子后，由原先的基态(I1)被泵浦到高激发态(I2)。因为基态与激发态的折射率并不相同，所以对经过这段共振介质的光束的性质也会产生不同的影响。其中偏振态就是一个受到介质折射率改变影响的光束性质。因为这种影响是一束光通过共振吸收介质间接对另一光束性质的改变，所以被称作交叉吸收调制；所诉的交叉相位调制是指因为两束或者更多束光场在介质中传输时，他们将同介质中的非线性效应发生互作用，此时光波的有效折射率不仅与此波本身的强度有关，也与同时传输的其它光波的强度有关，光波会获得一个与多光束强度相关的非线性相位。

基于这种交叉吸收调制或交叉相位调制作用，可以通过调节光纤激光器中sagnac环内光的偏振态，使光在没有共振光的时候全部通过sagnac环，重新进入主环，完成一次振荡；而在共振光经过共振介质时，共振光引起sagnac环内激光的偏振态改变的时候，有部分激光通过sagnac环，继续进入主环，而另一部分则沿sagnac环原路返回。返回的激光通过一个反向耦合输出器输出。这样，只有在共振光脉冲被注入sagnac环时，光纤激光器的反向输出器才有激光输出，从而降低了光纤激光器的重复频率。

因为光纤激光器中始终有激光通过sagnac环回到主环，完成振荡，所以光纤激光器输出的激光脉冲之间的相位是连续的，相位噪声也是可以通过锁相环电路抑制的。

如附图1所示，所采用的从属光纤激光器为8字腔结构的光纤激光器，8字腔激光器具有一个主环A和一个sagnac环B，中间由两进两出的50∶50光纤耦合器A3链接在一起。Sagnac环B又称sagnac环形镜，其特征在于输入的光根据其偏振态和能量的不同在环形镜内受到的非线性作用也不相同，而这种不同又会影响到注入光经过环形镜后透过的能量和被返回的能量的比。

从属激光器的腔长为3米，未同步前的重复频率为80MHz。通过调节偏振控制器A4和B6，可以实现光纤激光器的锁模输出(从激光输出端A5输出)，输出脉冲的中心波长在1064nm处，输出脉冲的宽度为30fs。该实施例中采用的主控激光器为中心波长为800nm的钛宝石激光器C，其重复频率为250kHz。主控脉冲序列通过波分复用器B5被注入从属光纤激光器，然后经过0.2m长的掺铒光纤B4，引发交叉吸收调制调制作用，控制从属光纤激光器的输出。同步后，掺镱光纤激光器B3的重复频率被降为250kHz，输出激光脉冲小于50fs。

除了以上实施例所提到的掺镱光纤B3以外，本方法还可以应用于掺铒、掺铥等各种掺杂光纤激光器。操作中只需要改变激光器的增益介质和选择相应波长的光纤器件便可。

本发明涉及以下技术：

首先是基于交叉吸收调制作用的同步技术。掺铒光纤B4中的三价铒离子在吸收了钛宝石激光器C的800nm的光子后，由原先的基态(4I1_15/2)被泵浦到高激发态(4I_9/2)。因为这两个能级态的折射率并不相同，所以经过这段掺铒光纤B4的光束的偏振态会发生偏转，其效果相当于周期性地调节一个偏振控制器，其周期的频率就是钛宝石激光器C的重复频率。因为8字腔中激光偏振态决定了激光器的输出，调节激光偏振就等于调节激光器的输出，所以钛宝石激光器C利用这种交叉吸收调制效应控制了从属地位的光纤激光器的输出频率。基于交叉相位调制的同步技术。实验中使主控激光器激光脉冲注入从属激光器中，在两束激光中产生的交叉相位调制引入受控激光器的非线性偏振的旋转，导致了主控激光器利用这种交叉相位调制效应控制了从属地位的光纤激光器的输出频率。

其次就是8字型结构的光纤激光器的锁模技术。其中掺镱光纤B3为增益光纤，掺铒光纤B4为共振光纤，用于提供交叉吸收调制效应。该腔型的激光器的锁模原理是：主环A的光经过一个耦合器A3进入sagnac环B后被分成幅度相等，传播方向相反的两部分；提供增益的掺镱光纤B3被放置在靠近耦合器A3的一边，使得一路光刚进入sagnac环B就被放大，另一路则在离开sagnac环B时候被放大，两路光根据被放大顺序的先后受到了来自单模光纤的不同程度的非线性偏振旋转作用，彼此干涉后，某一种模式的光将以最高的透过率通过sagnac环B，因为它最符合sagnac环B输出所需的偏振态。这样符合sagnac环B要求的光不断振荡，被放大，就实现了从属光纤激光器的锁模。

最后是从属光纤激光器的反向输出技术。光纤激光器中，光在主环A沿着某一方向(图1为顺时针方向)传播。因为耦合输出器A2反方向安装，所以正常情况下激光器无光输出。当交叉吸收调制同步脉冲注入时，将有一部分光被sagnac环B返回，这样主环A内就有一部分反向传播的光，此时激光便可以从耦合输出器A2输出。

该方法利用交叉吸收调制或交叉相位调制技术，将一台高重复频率的飞秒光纤激光器(从属激光器)同步于一台低重复频率的激光器(主控激光器)。主控激光器的重复频率是从属激光器的1/N倍。同步实现后，从属激光器的重复频率与主控激光器一致。因为飞秒光纤激光器的腔长没有增加，所以其输出的脉冲宽度在非线性效应作用也不会有明显变化。另外，飞秒脉冲始终在光纤激光器中振荡，脉冲序列没有被破坏，也就保证了低重复频率脉冲的相位噪声的可控制性。