申请/专利权人：华南师范大学

申请日：2019-05-06

公开（公告）日：2021-04-13

公开（公告）号：CN110061410B

主分类号：H01S3/098(20060101)

分类号：H01S3/098(20060101);H01S3/11(20060101);H01S3/10(20060101);H01S3/067(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.13#授权;2019.08.20#实质审查的生效;2019.07.26#公开

摘要：本申请涉及一种锁模振荡器，包括至少两个放大器，首尾相连形成光信号环路，放大器用于对在光信号环路内传输的脉冲信号进行放大处理；任一放大器包括调制器；调制器用于调制对应的放大器的泵浦光，并将调制后的泵浦光输入至光信号环路；调制后的泵浦光在光信号环路内引入噪声，噪声起振后经过多圈传输后形成脉冲信号；接入光信号环路的至少两个滤波器；滤波器用于对在光信号环路内传输的脉冲信号进行滤波处理；接入光信号环路的隔离器；隔离器用于限定在光信号环路内传输的脉冲信号的传输方向；接入光信号环路的耦合器；耦合器用于将在光信号环路内传输的脉冲信号耦合输出，本申请结构简单，能获取稳定运转的高能量、高峰值功率的脉冲。

主权项：1.一种锁模振荡器，其特征在于，包括：至少两个放大器，首尾相连形成光信号环路；所述放大器用于对在所述光信号环路内传输的脉冲信号进行放大处理；其中，任一所述放大器包括调制器；所述调制器用于调制对应的所述放大器的泵浦光，并将调制后的泵浦光输入至所述光信号环路；所述调制后的泵浦光在所述光信号环路内引入噪声，噪声起振后经过多圈传输后形成所述脉冲信号；接入所述光信号环路的至少两个滤波器；所述滤波器用于对在所述光信号环路内传输的脉冲信号进行滤波处理；其中，相邻的所述滤波器之间间隔一个所述放大器；各所述滤波器的中心波长均不相同；接入所述光信号环路的隔离器；所述隔离器用于限定在所述光信号环路内传输的脉冲信号的传输方向；接入所述光信号环路的耦合器；所述耦合器用于对在所述光信号环路内传输的脉冲信号进行耦合输出；还包括至少两个微纳光纤；各所述微纳光纤分别接入所述光信号环路，其中，相邻的所述微纳光纤之间间隔一个所述放大器和一个所述滤波器；所述锁模振荡器为全光纤结构；各所述滤波器的中心波长以预设规则设置；所述预设规则为以包含所述调制器的所述放大器为起点、沿所述脉冲信号循环一圈的方向依次减少10纳米；各所述滤波器的带宽不重叠。

全文数据：锁模振荡器技术领域本申请涉及激光器技术领域，特别是涉及一种锁模振荡器。背景技术锁模技术是光学里一种用于产生极短时间激光脉冲的技术，脉冲的长度可达皮秒甚至飞秒，锁模技术的理论基础是在激光共振腔中的不同模式引入固定的相位关系，其产生的激光被称为锁相激光或锁模激光。目前，利用上述理论设计制造可获得高稳定性、高能量、高峰值功率脉冲的振荡器，例如Mamyshev锁模振荡器，但是，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统锁模振荡器的结构复杂，生产成本高。发明内容基于此，有必要针对传统锁模振荡器的结构复杂，生产成本高的问题，提供一种锁模振荡器。为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种锁模振荡器，包括：至少两个放大器，首尾相连形成光信号环路，放大器用于对在光信号环路内传输的脉冲信号进行放大处理；其中，任一放大器包括调制器；调制器用于调制对应的放大器的泵浦光，并将调制后的泵浦光输入至光信号环路；调制后的泵浦光在光信号环路内引入噪声，噪声起振后经过多圈传输后形成脉冲信号；接入光信号环路的至少两个滤波器；滤波器用于对在光信号环路内传输的脉冲信号进行滤波处理；其中，相邻的滤波器之间间隔一个放大器；各滤波器的中心波长均不相同；接入光信号环路的隔离器；隔离器用于限定在光信号环路内传输的脉冲信号的传输方向；接入光信号环路的耦合器；耦合器用于将在光信号环路内传输的脉冲信号耦合输出。在其中一个实施例中，各滤波器的带宽不重叠。在其中一个实施例中，各滤波器的中心波长以预设规则设置；预设规则为以包含调制器的放大器为起点、沿脉冲信号循环一圈的方向依次减少10纳米。在其中一个实施例中，滤波器为5纳米带宽的滤波器。在其中一个实施例中，放大器的数量与滤波器的数量相同。在其中一个实施例中，放大器包括泵浦源、波分复用器以及掺杂光纤；泵浦源连接波分复用器；波分复用器、掺杂光纤依次交替连接形成光信号环路；调制器连接在对应的泵浦源与波分复用器之间。在其中一个实施例中，掺杂光纤为掺镱光纤、掺铥光纤或掺铒光纤。在其中一个实施例中，泵浦源为对应掺镱光纤和掺铒光纤的980纳米的泵浦源或对应掺铥光纤的1550纳米的泵浦源。在其中一个实施例中，还包括至少两个微纳光纤；各所述微纳光纤分别接入所述光信号环路，其中，相邻的所述微纳光纤之间间隔一个所述放大器和一个所述滤波器。微纳光纤的一端连接对应的掺杂光纤，另一端连接对应的滤波器。在其中一个实施例中，还包括偏振控制器；偏振控制器接入光信号环路。上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：本申请通过至少两个放大器首尾相连形成光信号环路，放大器循环地对光信号环路中的脉冲信号进行放大处理，利用调制器让本申请锁模振荡器起振，利用至少两个滤波器循环地对光信号环路中的脉冲信号进行滤波，并通过隔离器保证光信号环路的脉冲信号朝一个方向传输，最终利用耦合器将光信号环路中的脉冲信号耦合一路输出，得到稳定运转的高能量、高峰值功率的脉冲，本申请锁模振荡器结构简单，易于搭建，并能获取稳定运转的高能量、高峰值功率的脉冲。附图说明图1为一个实施例中锁模振荡器的第一结构示意图；图2为一个实施例中放大器的第一结构示意图；图3为一个实施例中放大器的第二结构示意图；图4为一个实施例中锁模振荡器的第二结构示意图；图5为一个实施例中锁模振荡器的第三结构示意图。具体实施方式为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。为了解决传统锁模振荡器的结构复杂，生产成本高的问题，在一个实施例中，如图1所示，提供了一种锁模振荡器，包括：至少两个放大器11，首尾相连形成光信号环路，各放大器11用于对在光信号环路内传输的脉冲信号进行放大处理；其中，任一放大器11包括调制器111；调制器111用于调制对应的放大器11的泵浦光，并将调制后的泵浦光输入至光信号环路；调制后的泵浦光在光信号环路内引入噪声，噪声起振后经过多圈传输后形成脉冲信号；接入光信号环路的至少两个滤波器13；滤波器13用于对在光信号环路内传输的脉冲信号进行滤波处理；其中，相邻的滤波器13之间间隔一个放大器11；各滤波器13的中心波长均不相同；接入光信号环路的隔离器15，隔离器15用于限定在光信号环路内传输的脉冲信号的传输方向；接入光信号环路的耦合器17，耦合器17用于将在光信号环路内传输的脉冲信号耦合输出。需要说明的是，放大器用于对光信号环路内传输的脉冲信号进行放大处理，具体的，放大处理是指为脉冲信号提供增益，使其光谱得到展宽，能量得到增加，以保证光信号环路内传输的脉冲信号的质量。其中，光信号环路是指各放大器首尾相连形成脉冲信号的传输回路，脉冲信号经各放大器循环处理。进一步的，其中一个放大器包括用于调制泵浦光的调制器。具体调制过程为：调制器对泵浦光进行调制，在光信号环路中运转的连续光信号的时域上加入噪声，当随机某一时刻该噪声足够大，经过增益和非线性效应后，加入噪声后的连续光信号的光谱展宽量使其能够通过整个光信号环路时，锁模振荡器得到脉冲起振，随后脉冲经过各放大器、滤波器等器件处理后其光谱会展宽、强度会变大、脉宽会变窄得到高峰值功率的脉冲信号，利用调制器使锁模振荡器起振比腔外注入脉冲起振更加便捷。在一个示例中，如图2所示，放大器11包括泵浦源113、波分复用器115以及掺杂光纤117；泵浦源113连接波分复用器115；波分复用器115、掺杂光纤117依次交替连接形成光信号环路；调制器111连接在对应的泵浦源113与波分复用器115之间。其中，泵浦源用于对激光工作物质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转，根据激光工作物质和激光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装置，例如光学激励光泵浦、气体放电激励、化学激励、核能激励等。进一步的，可根据具体需要选择不同中心波长的泵浦源，在一个示例中，泵浦源为对应掺镱光纤和掺铒光纤的980纳米的泵浦源。在另一示例中，泵浦源为对应掺铥光纤的1550纳米的泵浦源。波分复用器用于将一系列载有信息，但波长不同的光信号合成一束沿着单根光纤传输的光信号。掺杂光纤是指向常规传输光纤的石英玻璃基质中掺入稀土元素的特种光纤，常规光纤掺入稀土元素后成为具备放大功能的主动光纤，因此，经过泵浦源的掺杂光纤可以产生相应波段的激光或对其内传输的相应波段的脉冲信号进行放大，进一步的，掺入不同稀土元素的掺杂光纤可产生不同波段的激光，对不同波段的脉冲信号具有放大功能。在一个示例中，掺杂光纤为掺镱光纤、掺铥光纤或掺铒光纤。掺镱光纤可得到1.0微米的脉冲信号，掺铥光纤可得到1.6-2.0微米的脉冲信号，掺铒光纤可得到1.5微米的脉冲信号。在又一个示例中，如图3所示，锁模振荡器还包括至少两个微纳光纤119；各微纳光纤119分别接入光信号环路，其中，相邻的微纳光纤119之间间隔一个放大器11和一个滤波器13。进一步的，微纳光纤的数量等于放大器的数量。其中，由于微纳光纤的纤芯直径小，非线性系数高，因此脉冲信号经过微纳光纤会积累较强的非线性效应其中主要起作用的是自相位调制效应。在自相位调制效应的作用下，其内传输的脉冲信号的频谱发生展宽，使得脉冲信号的频谱范围能够覆盖下一个滤波器的滤波范围，而且可以减低泵浦源的功耗，减少产生高能量、高峰值功率的脉冲信号过程中的能量消耗。滤波器用于对脉冲信号的光谱进行滤波，通过在振荡器内设置中心波长互不重叠的滤波器来筛选高峰值功率的脉冲信号使其在光信号环路内振荡高峰值功率的脉冲信号经过增益和非线性效应可以使光谱展宽到足够宽，能够通过各滤波器，并在光信号环路中振荡，并使小强度的脉冲损耗掉。滤波器滤除滤波范围之外的信号，其滤波范围由滤波器的中心波长和带宽决定。在每个放大器的信号输出端都至少连接一个滤波器，对放大器输出的脉冲信号进行滤波，将滤波后的脉冲信号传输给下一个放大器。锁模振荡器中的各滤波器的中心波长各不相同，可抑制光信号环路中的连续光信号的传输，从而有利于锁模振荡器产生高能量、高峰值功率的脉冲信号。放大器的数量与滤波器的数量相同，即给一个放大器配置一个滤波器。在一个示例中，各滤波器的带宽不重叠。即各滤波器的滤波范围各不相同也不重叠，从而可产生高峰值功率的脉冲信号，进一步的，各滤波器的滤波间隔越远，可以产生的脉冲信号的峰值功率越高。在一个又示例中，各滤波器的中心波长以预设规则设置；预设规则为以包含调制器的放大器为起点、沿脉冲信号循环一圈的方向依次减少10纳米，经过大量的实验，选用中心波长相差10纳米的滤波器，不仅可以较容易地起振，还可有效提高脉冲信号信噪比，得到稳定的高峰值功率脉冲，例如，有三个滤波器，以包含调制器的放大器为起点，分别为第一个滤波器、第二个滤波器以及第三个滤波器，第一个滤波器的中心波长为1065纳米，第二个滤波器的中心波长为1055纳米，第三个滤波器的中心波长为1045纳米。需要说明的是，沿脉冲信号循环一圈的方向是指脉冲信号从包含调制器的放大器出发，循环一圈再回到该放大器。滤波器的带宽可根据实际需求选择，在一个示例中，滤波器为5纳米带宽的滤波器。隔离器用于限定在光信号环路内传输的脉冲信号的传输方向，保证脉冲信号在光信号环路中朝一个方向传输，有利于产生高能量、高峰值功率的脉冲。耦合器用于将光信号环路中的脉冲信号耦合出一路输出，获得高能量、高峰值功率的脉冲。在一个示例中，耦合器可选用5050、3070或2080比例的耦合器，5050比例的耦合器即1:1耦合器，将光信号按1:1的比例分成两路相同的光信号；3070比例的耦合器即3:7耦合器，将光信号按3:7的比例分成两路光信号；2080比例的耦合器即1:4耦合器，将光信号按1:4的比例分成两路光信号。具体的，耦合器将包含调制器的放大器之前的脉冲信号通过耦合器耦合输出，获得高能量、高峰值功率的脉冲。本申请锁模振荡器的各实施例中，通过至少两个放大器首尾相连形成光信号环路，放大器循环地对光信号环路中的脉冲信号进行放大处理，利用调制器让本申请锁模振荡器起振，利用至少两个滤波器循环地对光信号环路中的脉冲信号进行滤波，并通过隔离器保证光信号环路的脉冲信号朝一个方向传输，最终利用耦合器将光信号环路中的脉冲信号耦合一路输出，得到稳定运转的高能量、高峰值功率的脉冲，本申请锁模振荡器结构简单，易于搭建，并能获取稳定运转的高能量、高峰值功率的脉冲。在一个实施例中，如图4所示，至少两个放大器11，首尾相连形成光信号环路，各放大器11用于对在光信号环路内传输的脉冲信号进行放大处理；其中，任一放大器11包括调制器111；任一放大器11包括调制器111；调制器111用于调制对应的放大器11的泵浦光，并将调制后的泵浦光输入至光信号环路；调制后的泵浦光在光信号环路内引入噪声，噪声起振后经过多圈传输后形成脉冲信号；接入光信号环路的至少两个滤波器13；滤波器13用于对在光信号环路内传输的脉冲信号进行滤波处理；其中，相邻的滤波器13之间间隔一个放大器11；各滤波器13的中心波长均不相同；至少两个微纳光纤119；各微纳光纤119分别接入光信号环路，其中，相邻的微纳光纤119之间间隔一个放大器11和一个滤波器13；接入光信号环路的隔离器15，用于限定在光信号环路内传输的脉冲信号的传输方向；接入光信号环路的耦合器17，用于将在光信号环路内传输的脉冲信号耦合输出；还包括偏振控制器19；偏振控制器19接入光信号环路。需要说明的是，偏振控制器用于优化脉冲信号在光信号环路中的偏振态，从而优化输出的脉冲信号的质量。本申请锁模振荡器的各实施例中，利用偏振控制器优化光信号环路中的脉冲信号，从而保证获得高能量、高峰值功率的脉冲。为了进一步理解本申请锁模振荡器的结构及其工作原理，现以具体实施例进行说明，如图5所示，锁模振荡器包括：第一放大器，第一放大器包括第一980纳米泵浦源、调制器、第一波分复用器以及第一掺镱光纤；第二放大器，第二放大器包括第二980纳米泵浦源、第二波分复用器以及第二掺镱光纤；第一微纳光纤和第二微纳光纤；第一滤波器，第一滤波器的中心波长为1065纳米，带宽为5纳米；第二滤波器，第二滤波器的中心波长为1055纳米，带宽为5纳米；锁模振荡器还包括隔离器、偏振控制器、5050的耦合器；其中，第一波分复用器、第一掺镱光纤、隔离器、第一微纳光纤、第一滤波器、第二波分复用器、第二掺镱光纤、偏振控制器、第二微纳光纤、5050的耦合器、第二滤波器依次首尾相连形成光信号环路；第一980纳米泵浦源通过调制器连接第一波分复用器；第二980纳米泵浦源连接第二波分复用器。现举例说明本实施锁模振荡器的工作原理：调制器调制泵浦光，使光信号环路内产生噪声，使得锁模振荡器起振，中心波长为1060纳米的脉冲信号在第一掺镱光纤中传输时，在第一980纳米泵浦源的激励下其能量会得到放大，放大后的脉冲信号传输给第一微纳光纤中，因为第一微纳光纤的纤芯直径较小，非线性系数高，因此脉冲信号具有较强的非线性效应其中主要起作用的是自相位调制效应，在自相位调制的作用下，脉冲信号频谱展宽，频谱展宽后的脉冲信号随后被第一滤波器过滤，脉冲能量降低，中心波长变为1065纳米。过滤后的脉冲信号随后进入第二掺镱光纤得到放大，再经过第二微纳光纤的高非线性效应的作用进一步展宽频谱，使得此时频谱的宽度足够宽，覆盖第二滤波器的滤波范围，再经过第二滤波器过滤后，脉冲中心波长变为1055纳米，在第二滤波器前设置一个耦合器，能使得脉冲在被过滤之前输出，得到稳定运转的高能量高峰值功率脉冲。本申请锁模振荡器的各实施例中，采用全光纤结构提高了锁模振荡器的集成化程度，并提升了锁模振荡器的稳定性。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

权利要求：1.一种锁模振荡器，其特征在于，包括：至少两个放大器，首尾相连形成光信号环路；所述放大器用于对在所述光信号环路内传输的脉冲信号进行放大处理；其中，任一所述放大器包括调制器；所述调制器用于调制对应的所述放大器的泵浦光，并将调制后的泵浦光输入至所述光信号环路；所述调制后的泵浦光在所述光信号环路内引入噪声，噪声起振后经过多圈传输后形成所述脉冲信号；接入所述光信号环路的至少两个滤波器；所述滤波器用于对在所述光信号环路内传输的脉冲信号进行滤波处理；其中，相邻的所述滤波器之间间隔一个所述放大器；各所述滤波器的中心波长均不相同；接入所述光信号环路的隔离器；所述隔离器用于限定在所述光信号环路内传输的脉冲信号的传输方向；接入所述光信号环路的耦合器；所述耦合器用于对在所述光信号环路内传输的脉冲信号进行耦合输出。2.根据权利要求1所述的锁模振荡器，其特征在于，各所述滤波器的带宽不重叠。3.根据权利要求2所述的锁模振荡器，其特征在于，各所述滤波器的中心波长以预设规则设置；所述预设规则为以包含所述调制器的所述放大器为起点、沿所述脉冲信号循环一圈的方向依次减少10纳米。4.根据权利要求3所述的锁模振荡器，其特征在于，所述滤波器为5纳米带宽的滤波器。5.根据权利要求1所述的锁模振荡器，其特征在于，所述放大器的数量与所述滤波器的数量相同。6.根据权利要求1所述的锁模振荡器，其特征在于，所述放大器包括泵浦源、波分复用器以及掺杂光纤；所述泵浦源连接所述波分复用器；所述波分复用器、所述掺杂光纤依次交替连接形成所述光信号环路；所述调制器连接在对应的所述泵浦源与所述波分复用器之间。7.根据权利要求6所述的锁模振荡器，其特征在于，所述掺杂光纤为掺镱光纤、掺铥光纤或掺铒光纤。8.根据权利要求7所述的锁模振荡器，其特征在于，所述泵浦源为对应所述掺镱光纤和所述掺铒光纤的980纳米的泵浦源或对应所述掺铥光纤的1550纳米的泵浦源。9.根据权利要求1至8任意一项所述的锁模振荡器，其特征在于，还包括至少两个微纳光纤；各所述微纳光纤分别接入所述光信号环路，其中，相邻的所述微纳光纤之间间隔一个所述放大器和一个所述滤波器。10.根据权利要求1至8任意一项所述的锁模振荡器，其特征在于，还包括偏振控制器；所述偏振控制器接入所述光信号环路。

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