一種復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，包括第一級鎖模單元，所述第一級鎖模單元包括沿激光脈沖進(jìn)入方向依次設(shè)置的第一色散器件、第一鎖模器和第二色散器件，所述第一色散器件和所述第二色散器件的色散相反。通過匹配使用色散相反的色散器件使得鎖模激光器腔內(nèi)脈沖在經(jīng)過鎖模器時時域脈寬得到調(diào)控，改善了鎖模器的性能；并通過鎖模單元的不同形式的組合以及實時參量的反饋實現(xiàn)了對鎖模總體特性的優(yōu)化。
【專利說明】一種復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鎖模激光器領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]超短脈沖可以完成一般的激光技術(shù)所不能完成的工作，在信息、能源、環(huán)境和醫(yī)療究等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。產(chǎn)生超短脈沖的光源通常是鎖模脈沖激光器，而鎖模器是鎖模脈沖激光器的核心器件，如圖1所示。
[0003]鎖模器是一種對于不同輸入光功率呈現(xiàn)非線性損耗的器件，如圖10所示，其基本原理是通過在激光器腔內(nèi)引入了非線性損耗而對輸入的光脈沖產(chǎn)生作用，使脈沖在時域上變得更窄，如圖11所示，且可以抑制低功率噪聲以及連續(xù)波激光的出現(xiàn)。
[0004]但是這種非線性損耗特性是在一定的功率范圍內(nèi)保持正常工作的。當(dāng)脈沖功率超出一定的限度時鎖模器就會呈現(xiàn)“過飽和”效應(yīng)，即當(dāng)輸入光功率進(jìn)一步增加的時候，損耗不再隨功率的增加而減小，反而呈現(xiàn)損耗隨功率增加而增大的趨勢，如圖12所示。進(jìn)一步增大輸入光功率會造成鎖模器的損傷，造成鎖模激光器系統(tǒng)的性能劣化，主要表現(xiàn)為鎖模激光器的脈沖不穩(wěn)定、混沌以及在腔內(nèi)出現(xiàn)多脈沖等現(xiàn)象，而無法維持穩(wěn)定的高功率單脈沖輸出。
[0005]目前針對“過飽和”效應(yīng)的策略主要有以下兩種:
[0006]最直接的方法是制作鎖模器件的時候使得器件具有更高的過飽和功率閾值，而這種改變的實現(xiàn)是有難度的，一方面由于工藝限制這種調(diào)整對于鎖模器過飽和閾值的提高總是有限的，另一方面鎖模器一旦制作完成其特性就不能變化，即鎖模器不能進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化。
[0007]也可以采用級聯(lián)方法構(gòu)建復(fù)合型鎖模器來保證鎖模激光器啟動和高功率工作特性，但是該方法的實現(xiàn)存在困難，如對于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模器，可以通過采用多個非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模器進(jìn)行組合來修改鎖模器的非線性飽和吸收特性曲線，使得鎖模器能夠在相對更寬的功率范圍內(nèi)保持鎖模特性，但是該類型的鎖模器的特性的設(shè)定需要精確調(diào)整偏振器件的角度，而激光器腔內(nèi)的其他器件會帶來偏振的不確定性，當(dāng)環(huán)境溫度變化以及光纖應(yīng)力變化時就會造成鎖模器特性的變化，尤其這種級聯(lián)器件當(dāng)所采用的級聯(lián)器件的數(shù)量增加時就變得更為敏感，而且同時給器件調(diào)整造成了的極大困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于此，本發(fā)明提供一種復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，旨在保證鎖模器輸出穩(wěn)定的高功率脈沖的前提下實現(xiàn)鎖模器的特性可調(diào)。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體為:一種復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，包括第一級鎖模單元，所述第一級鎖模單元包括沿激光脈沖進(jìn)入方向依次設(shè)置的第一色散器件、第一鎖模器和第二色散器件，所述第一色散器件和所述第二色散器件的色散相反。
[0010]上述復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)還包括第二級鎖模單元，所述第二級鎖模單元包括沿激光脈沖進(jìn)入方向依次設(shè)置的第三色散器件、第二鎖模器和第四色散器件，所述第三色散器件和所述第四色散器件的色散相反；所述第一級鎖模單元和第二級鎖模單元組合相連。
[0011]上述復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)中，所述第一級鎖模單元和第二級鎖模單元為級聯(lián)組合，所述級聯(lián)組合的方式為:所述第二色散器件與所述第三色散器件相連接。
[0012]上述復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)中，所述第一級鎖模單元和第二級鎖模單元為嵌套組合，所述嵌套組合的方式為:所述第二級鎖模單元設(shè)于所述第一鎖模器與所述第一色散器件之間或者所述第一鎖模器與所述第二色散器件之間。
[0013]上述復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)還包括第二級鎖模單元和第三級鎖模單元，所述第二級鎖模單元包括沿激光脈沖進(jìn)入方向依次設(shè)置的第三色散器件、第二鎖模器和第四色散器件，所述第三色散器件和所述第四色散器件的色散相反，所述第三級鎖模單元包括沿激光脈沖進(jìn)入方向依次設(shè)置的第五色散器件、第三鎖模器和第六色散器件，所述第五色散器件和所述第六色散器件的色散相反；所述第一級鎖模單元、所述第二級鎖模單元和所述第三級鎖模單元相連接。
[0014]上述復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)中，所述第二級鎖模單元和第三級鎖模單元嵌套組合，所述嵌套組合的方式為:所述第三級鎖模單元設(shè)于所述第二鎖模器與所述第三色散器件之間或者所述第二鎖模器與所述第四色散器件之間，所述第二級鎖模單元和第三級鎖模單元組合為第四級鎖模單元，所述第一級鎖模單元和所述第四級鎖模單元級聯(lián)組合，所述級聯(lián)組合的方式為:所述第二色散器件與所述第三色散器件相連。
[0015]上述復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)中，所述第二級鎖模單元和第三級鎖模單元級聯(lián)組合，所述級聯(lián)組合的方式為:所述第四色散器件與所述第五色散器件相連，所述第二級鎖模單元和第三級鎖模單元組合為第四級鎖模單元，所述第一級鎖模單元和所述第四級鎖模單元嵌套組合，所述嵌套組合的方式為:所述第四級鎖模單元設(shè)于所述第一鎖模器與所述第一色散器件之間或者所述第一鎖模器與所述第二色散器件之間。
[0016]上述復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)還包括色散調(diào)控裝置，所述色散調(diào)控裝置與鎖模單元相連接。
[0017]上述復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)中，鎖模單元設(shè)有耦合器，所述色散調(diào)控裝置與耦合器以及鎖模器兩側(cè)的色散器件相連，所述色散調(diào)控裝置通過耦合器來監(jiān)測激光器腔內(nèi)的脈沖參量變化，根據(jù)脈沖參量變化動態(tài)調(diào)整每個鎖模器兩側(cè)的色散器件的色散量。
[0018]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:
[0019]本發(fā)明的鎖模系統(tǒng)通過色散器件將進(jìn)入鎖模器的脈沖進(jìn)行時域展寬(壓縮)脈沖經(jīng)過鎖模器之后再由反向啁啾器件對脈沖壓縮(拉伸)；對進(jìn)入鎖模器的脈沖進(jìn)行拉伸和壓縮處理，實現(xiàn)了對鎖模器特性的優(yōu)化，并利用不同形式的組合以及更進(jìn)一步的實時參量反饋實現(xiàn)了對鎖?？傮w特性的優(yōu)化，提高了鎖模激光器在具有高脈沖功率時的穩(wěn)定性，通過鎖模單元之間的組合，可以保證脈沖瞬時功率較低時仍可以提供足夠的損耗變化量，保證了自啟動性能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]當(dāng)結(jié)合附圖考慮時，能夠更完整更好地理解本發(fā)明。此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0021]圖1為基本鎖模激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明一種脈沖啁啾鎖模器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為增加色散器件前后的鎖模器損耗曲線對比圖；
[0024]圖4為本發(fā)明一種級聯(lián)組合方式的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖5為本發(fā)明一種嵌套組合方式的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖6為本發(fā)明一種嵌套和級聯(lián)聯(lián)合組合方式的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖7為本發(fā)明另一種嵌套和級聯(lián)聯(lián)合組合方式的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖8為本發(fā)明一種自動參量實時控制的鎖模器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖9為多個鎖模單元組合構(gòu)造任意所需的鎖模特性曲線的原理示意圖；
[0030]圖10為基本鎖模器的非線性損耗曲線圖；
[0031]圖11為脈沖經(jīng)過基本鎖模器前后的形狀變化曲線圖；
[0032]圖12為傳統(tǒng)的基本鎖模激光器損耗過飽和的曲線圖。
[0033]其中:
[0034]圖3中的實線為增加色散器件之前的鎖模器損耗曲線，虛線為增加色散器件之后的鎖模器損耗曲線。
[0035]圖11中的實線為經(jīng)過鎖模器之前的脈沖形狀，虛線為經(jīng)過鎖模器之后的脈沖形狀。

【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0037]傳統(tǒng)的基本鎖模器的非線性損耗如圖10所示，當(dāng)脈沖經(jīng)過該鎖模器的時候，從時域上看脈沖不同的時刻對應(yīng)著不同的功率，當(dāng)此脈沖經(jīng)過鎖模器的時候，對于脈沖的不同高度鎖模器的損耗是不相同的，脈沖峰值處由于功率高所受損耗就小，而位于脈沖的起始和結(jié)束的邊沿處因功率低而受到相對更大的損耗，這樣在脈沖經(jīng)過鎖模器之后就會使得脈沖的光功率分布進(jìn)一步向高峰值功率處集中，從而達(dá)到脈沖壓縮的目的，經(jīng)過鎖模器前后的脈沖形狀變化如圖11所示。
[0038]但是這種非線性損耗特性是在一定的功率范圍內(nèi)保持正常工作的。當(dāng)脈沖功率超出一定的限度時鎖模器就會偏離理想的特性曲線，如圖12所示，當(dāng)輸入光功率在最低點所對應(yīng)的位置進(jìn)一步增加的時候，損耗不再隨功率的增加而減小，鎖模激光器的功率出現(xiàn)“過飽和”效應(yīng)，使得鎖模器對高功率脈沖呈現(xiàn)高損耗而無法維持理想的脈沖窄化和抑制噪聲及連續(xù)波的作用。
[0039]實施例1
[0040]如圖2所示的一種復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，為實現(xiàn)對經(jīng)過鎖模器的光脈沖的功率調(diào)控，在鎖模激光器腔內(nèi)的激光脈沖進(jìn)入鎖模器之前，先讓其進(jìn)入一個具有正向色散器件(第一色散器件)然后再通過鎖模器，使得光脈沖在該器件作用下在時域展寬，從而使得脈沖瞬時功率降低；這是因為光脈沖在經(jīng)過鎖模器這種功率依賴型的損耗器時所受的損耗是和脈沖時域展寬情況密切相關(guān)的，損耗特性可以由展寬量來控制。這樣，通過第一色散器件將脈沖展寬，降低脈沖瞬時功率就可以從而保證鎖模器不會進(jìn)入過飽和區(qū)而造成鎖模激光器輸出脈沖的性能劣化。經(jīng)過鎖模器之后用再利用另一個具有反向色散器件(第二色散器件)，使得脈沖再次壓縮以便使脈沖在腔內(nèi)的非線性和色散等各種因素的平衡得以維持以保證腔內(nèi)的脈沖特性。增加色散器件前后的鎖模器損耗曲線對比如圖3所示，可以看出損耗的過飽和特性明顯改善。
[0041]為了進(jìn)一步保證鎖模器在易于啟動的前提下能夠獲得高功率的脈沖，本發(fā)明進(jìn)一步提出兩種優(yōu)選方案。
[0042]實施例2
[0043]如圖4所示的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)表示的是多級鎖模單元級聯(lián)使用的狀況，上一級鎖模單元的反向色散器件與下一級鎖模單元的正向色散器件相連接，不交叉依次順連而成?；締卧鐖D4所示，第一級鎖模單元的第二色散器件與第二級鎖模單元的第三色散器件相連接。
[0044]實施例3
[0045]如圖5所示的鎖模器系統(tǒng)，各級鎖模單元之間嵌套組合，即鎖模單元分為母鎖模單元和子鎖模單元，子鎖模單元置于母鎖模單元兩側(cè)的任一色散器件與鎖模器之間。同時子鎖模單元可以進(jìn)一步作為母鎖模單元，即子鎖模單元的色散器件和鎖模器之間還可以再次嵌套入子鎖模單元?；镜慕M合方式如圖5所示，第二級鎖模單元置于第一鎖模器與第二色散器件之間。
[0046]實施例4
[0047]在實施例2與3的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步地，任意經(jīng)級聯(lián)組合形成的復(fù)合式鎖模器可以作為嵌套組合中的基本單元；同理，任意經(jīng)嵌套組合形成的復(fù)合式鎖模器也可以作為級聯(lián)組合中的基本單元。基本的組合方式如圖6和圖7所示:
[0048]圖6中，先將第三級鎖模單元嵌套入第二級鎖模單元中之后，再將第一鎖模單元與上述經(jīng)嵌套形成的組合進(jìn)行級聯(lián)組合；
[0049]圖7中，先將第二級鎖模單元與第三級鎖模單元級聯(lián)之后，再將上述經(jīng)級聯(lián)形成的組合嵌套入第一鎖模單元中。
[0050]另外，無論以哪種方式對鎖模單元進(jìn)行組合，如果相鄰的位置出現(xiàn)了多個色散器件，則可以將其合并為一個色散器件。
[0051]鎖模脈沖激光器的脈沖產(chǎn)生有賴于鎖模器的非線性損耗，只有當(dāng)鎖模器對高功率呈現(xiàn)低損耗，而低功率呈現(xiàn)高損耗的時候才能使得激光器內(nèi)的微小功率波動“成長”為光脈沖。鎖模器的非線性損耗曲線的斜率(損耗/功率)越大，這種效應(yīng)越明顯，當(dāng)單獨使用一級鎖模單元的時候(實施例1)，雖然可以利用色散器件改善鎖模器的過飽和特性但同時會造成非線性損耗斜率的變緩(如圖3所示)，這時如果級聯(lián)多個鎖模器總的鎖模系統(tǒng)的損耗曲線為各級鎖模曲線的疊加，就可以克服單獨一級單元造成的斜率變緩效應(yīng)(實施例2、3以及對實施例2和3進(jìn)一步組合的實施例4中的兩種情況)。
[0052]實施例5
[0053]在上述4個實施例中，可以通過啁啾調(diào)控裝置來實現(xiàn)鎖模器兩側(cè)的色散器件的色散量的動態(tài)可調(diào)，進(jìn)一步提高鎖模激光器的性能。其實現(xiàn)方法如圖8所示，在鎖模激光器的腔內(nèi)使用小分光比的耦合器用來來監(jiān)測激光器腔內(nèi)的脈沖變化，啁啾調(diào)控裝置通過脈沖變化實時調(diào)整和控制正向色散器件和反向色散器件的色散量，實現(xiàn)系統(tǒng)的參量動態(tài)化。根據(jù)傅里葉級數(shù)展開的原理，利用色散器件調(diào)整鎖模曲線的周期(假設(shè)基礎(chǔ)鎖模器的曲線為正弦和余弦型)，將多個不同周期的鎖模單元進(jìn)行組合，構(gòu)造出任意損耗特性曲線的鎖模系統(tǒng)，如圖9所示，基本鎖模器特性曲線如左圖所示，由相同的基本鎖模器匹配使用不同的色散器件構(gòu)造出不同“周期”的特性曲線如中圖所示，根據(jù)該原理組合出所需的任意特性的曲線如右圖所示。給鎖模激光器的設(shè)計帶來極大的設(shè)計余量，尤其適用于集成光學(xué)鎖模系統(tǒng)。
[0054]如上所述，對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了詳細(xì)地說明，顯然，只要實質(zhì)上沒有脫離本發(fā)明的發(fā)明點及效果、對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的變形，也均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，其特征在于，包括第一級鎖模單元，所述第一級鎖模單元包括沿激光脈沖進(jìn)入方向依次設(shè)置的第一色散器件、第一鎖模器和第二色散器件，所述第一色散器件和所述第二色散器件的色散相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二級鎖模單元，所述第二級鎖模單元包括沿激光脈沖進(jìn)入方向依次設(shè)置的第三色散器件、第二鎖模器和第四色散器件，所述第三色散器件和所述第四色散器件的色散相反；所述第一級鎖模單元和第二級鎖模單元組合相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一級鎖模單元和第二級鎖模單元為級聯(lián)組合，所述級聯(lián)組合的方式為:所述第二色散器件與所述第三色散器件相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一級鎖模單元和第二級鎖模單元為嵌套組合，所述嵌套組合的方式為:所述第二級鎖模單元設(shè)于所述第一鎖模器與所述第一色散器件之間或者所述第一鎖模器與所述第二色散器件之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二級鎖模單元和第三級鎖模單元，所述第二級鎖模單元包括沿激光脈沖進(jìn)入方向依次設(shè)置的第三色散器件、第二鎖模器和第四色散器件，所述第三色散器件和所述第四色散器件的色散相反，所述第三級鎖模單元包括沿激光脈沖進(jìn)入方向依次設(shè)置的第五色散器件、第三鎖模器和第六色散器件，所述第五色散器件和所述第六色散器件的色散相反；所述第一級鎖模單元、所述第二級鎖模單元和所述第三級鎖模單元相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，其特征在于，所述第二級鎖模單元和第三級鎖模單元嵌套組合，所述嵌套組合的方式為:所述第三級鎖模單元設(shè)于所述第二鎖模器與所述第三色散器件之間或者所述第二鎖模器與所述第四色散器件之間，所述第二級鎖模單元和第三級鎖模單元組合為第四級鎖模單元，所述第一級鎖模單元和所述第四級鎖模單元級聯(lián)組合，所述級聯(lián)組合的方式為:所述第二色散器件與所述第三色散器件相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，其特征在于，所述第二級鎖模單元和第三級鎖模單元級聯(lián)組合，所述級聯(lián)組合的方式為:所述第四色散器件與所述第五色散器件相連，所述第二級鎖模單元和第三級鎖模單元組合為第四級鎖模單元，所述第一級鎖模單元和所述第四級鎖模單元嵌套組合，所述嵌套組合的方式為:所述第四級鎖模單元設(shè)于所述第一鎖模器與所述第一色散器件之間或者所述第一鎖模器與所述第二色散器件之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，其特征在于，還包括色散調(diào)控裝置，所述色散調(diào)控裝置與鎖模單元相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的復(fù)合型鎖模器系統(tǒng)，其特征在于，鎖模單元設(shè)有耦合器，所述色散調(diào)控裝置與耦合器以及鎖模器兩側(cè)的色散器件相連，所述色散調(diào)控裝置通過耦合器來監(jiān)測激光器腔內(nèi)的脈沖參量變化，根據(jù)脈沖參量變化動態(tài)調(diào)整每個鎖模器兩側(cè)的色散器件的色散量。
【文檔編號】H01S3/098GK104242032SQ201410391878
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月11日
【發(fā)明者】魏淮 申請人:北京交通大學(xué)