一种谱受限傅里叶域锁模光纤激光器的制作方法

本发明属于光纤激光、超快光学以及非线性光学领域，尤其是高速离散扫描的超短锁模激光脉冲现象，在宽带波分复用光纤通信、光纤传感等领域具有优秀的研究价值和潜在应用，更具体地，涉及一种谱受限傅里叶域锁模光纤激光器。

背景技术

波长是光的一个基本物理量，也是光电信息技术及其相关领域一个重要的应用维度，据此可以实现超大容量的高速光通信和传感网络。分布式传感领域，以及相干成像系统中，傅里叶域锁模光纤激光器可以产生较高扫描频率的脉冲激光，其信号解调能力具有特殊的应用潜力。对比传统的可调谐光纤激光器，傅里叶域锁模光纤激光器具备较宽的光谱带宽、较高的工作频率及较短的脉冲宽度，作为特种激光光源对上述应用十分关键，具有非常重要的研究意义和应用价值。

目前主要的商用可调谐光纤激光器采用电控可调滤波器实现中心波长的调节，这种方法不仅破坏了全光纤的激光谐振腔结构，同时限制了调谐速率、调谐范围和激光器的性能。传统的傅里叶域锁模光纤激光器在此基础之上提高了工作频率，改进了光束质量，但是激光器能量被分散在了宽带的连续波中，光谱由扫频器决定。因此谱受限傅里叶域锁模光纤激光器作为升级方案，对能量的利用效率更高，同时由于引入了波长二次选择的机制，使得激光器具备信号精确解调的能力，发挥出特有的应用潜力。

综上所述，现阶段商品化可调谐激光器结构普遍基于可调滤波器实现波长扫描，其扫描速度慢、光束质量不高、功能较少、适用面有限。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种谱受限傅里叶域锁模光纤激光器，由此解决传统傅里叶域锁模光纤激光器性能受限的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种谱受限傅里叶域锁模光纤激光器，包括：光环形器、偏振控制器、可饱和吸收体、波长扫描驱动模块、色散管理延时模块、光学增益模块及输出模块；

所述光环形器的第一端口与所述偏振控制器的第一端相连，所述光环形器的第二端口与所述可饱和吸收体相连，所述光环形器的第三端口与所述输出模块的第一端相连；所述偏振控制器的第二端与所述波长扫描驱动模块的第一端相连；所述波长扫描驱动模块的第二端与所述色散管理延时模块的第一端连接，所述色散管理延时模块的第二端与所述光学增益模块的第一端连接，所述光学增益模块的第二端与所述输出模块的第二端连接；

所述光学增益模块，用于为激光器注入泵浦光能量，为激光器的正常运作提供光学增益放大机制；

所述光环形器，用于将所述第一端口的输入光通过所述第二端口传输至所述可饱和吸收体后，将所述可饱和吸收体的输出光从所述第二端口馈送至所述第三端口；

所述可饱和吸收体，用于实现激光器的自启动锁模，同时能压缩激光脉冲线宽，从而获得超短激光脉冲；

所述偏振控制器，用于改变激光器内部光路的局部偏振状态，以实现激光脉冲的锁模运转及锁模状态的调节和切换；

所述色散管理延时模块，用于提供色散管理机制，增加激光的绕行时间，降低激光器谐振频率；

所述波长扫描驱动模块，用于产生波长扫描驱动信号，并利用所述波长扫描驱动信号对激光脉冲波长进行滤波扫描，最终从所述输出模块输出高速扫频的超短傅里叶域锁模脉冲，其中，所述波长扫描驱动信号的频率与激光器的工作基腔谐振频率相匹配。

优选地，所述波长扫描驱动模块包括：波长扫描模块及波长扫描驱动信号发生模块；

所述波长扫描驱动信号发生模块，用于产生频率与激光器的工作基腔谐振频率相匹配的波长扫描驱动信号，并基于所述波长扫描驱动信号驱动所述波长扫描模块对激光脉冲波长进行滤波扫描，使得激光器的谐振腔长跟随工作重复频率周期变化。

优选地，所述波长扫描驱动信号发生模块包括：波形发生模块、编码控制模块及频谱采集分析模块；

所述频谱采集分析模块，用于采集并分析激光器的工作基腔重复频率，将分析数据传输给所述编码控制模块；

所述编码控制模块，用于根据所述频谱采集分析模块上传的激光器的工作基腔频率数据进行编码，并将编译完成的控制码传输至所述波形发生模块；

所述波形发生模块，用于根据所述编码控制模块输送的控制码产生相应频率和波形的波长扫描驱动信号，为激光器稳定运行引入了负反馈机制。

优选地，所述波长扫描模块的工作方式为电压驱动，由敏感压电陶瓷构成，扫描方式为离散扫描，工作时，压电陶瓷依据所述波长扫描驱动信号解调得到的电压信号调节自身震动特性，使得激光器的谐振腔长跟随工作重复频率周期性离散变化，进而对激光波长进行离散扫描，最终输出周期性的谱受限离散波长激光脉冲。

优选地，所述可饱和吸收体的工作方式为被动反射式，其结构是在半导体反射镜上生长具备可饱和吸收性质的半导体薄膜，工作时，在强光下，所述可饱和吸收体激发漂白效应，大部分光能量可无损透过半导体薄膜到达所述半导体反射镜表面，之后再次反射回激光器中；在弱光下，所述可饱和吸收体体现出不饱和吸收特性，弱光被吸收损耗，进而使得脉宽逐渐变窄。

优选地，所述色散管理延时模块，通过色散介质调节对入射光脉冲引入的时延，使得激光器内激光脉冲循环时间延长，降低工作重复频率，匹配所述波长扫描模块的扫描频率，同时对各离散波长分量激光进行色散管理，以使得各离散波长分量激光获得相同的腔内循环时间。

优选地，所述激光器还包括：第一光隔离器与第二光隔离器；

所述第一光隔离器分别与所述光学增益模块及所述输出模块连接，所述第二光隔离器分别与所述光学增益模块及所述色散管理延时模块连接；

所述第一光隔离器及所述第二光隔离器均用于保持激光器内部激光的单向传输，同时降低扰动因素的影响。

优选地，所述输出模块包括：光耦合器；

所述光耦合器的第一端口与所述光环形器的第三端口连接，所述光耦合器的第三端口与所述第二光隔离器连接，所述光耦合器的第二端口为10％分光比例端口，用于耦合输出锁模激光脉冲，连接外部测试设备，所述光耦合器的第一端口与所述光耦合器的第三端口分光比例为90％。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过色散管理延时模块，腔内激光的绕行时间被增加，激光器谐振频率被降低，使得波长扫描驱动信号发生模块、波长扫描模块的频率与激光腔谐振频率相匹配，此时傅立叶域锁模激光腔内各扫描波长激光绕行一周回到波长扫描模块时与其透波长一致，恰好可再次通过，进入一种准静态扫频模式即傅立叶域锁模工作状态，各波长激光能量存储于色散管理延时模块中，可实现高波长扫描频率、窄脉冲线宽、超短激光脉宽等优势。

2、本发明结构为全光纤结构，无需任何外部滤波器件或者调谐器件，具有光束质量好、抗电磁干扰、转化效率高、稳定性好、可实现性高、结构紧凑、成本低廉、易于散热和维护多种特点。

3、超短脉冲，输出皮秒或亚皮秒时间量级的超短锁模脉冲激光，可作为优质超快种子光源。

4、高速扫频，自带信号解调能力，适用面广，具有丰富的科学研究意义和工程应用价值。

5、可实现宽带调谐范围，灵活性强，可应用于宽带、高速光纤分布式传感等诸多领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种激光器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种波长扫描驱动信号发生模块的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种波长扫面原理图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为光环形器、2为偏振控制器、3为可饱和吸收体、4为波长扫描模块、5为波长扫描驱动信号发生模块、6为色散管理延时模块、7为第一光隔离器、8为光学增益模块、9为第二光隔离器、10为光耦合器、11为波形发生模块、12为编码控制模块、13为频谱采集分析模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”及“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

本发明提出了一种波长可调谐，扫频速度高的超快谱受限傅里叶域锁模光纤激光器，其包括波长扫描驱动信号发生模块以及由光学增益模块、光隔离器、色散管理延时模块、波长扫描模块、偏振控制器、光耦合器、光环形器、可饱和吸收体连接而成的环形激光谐振腔。该谱受限傅里叶域锁模光纤激光器通过离散波长扫描技术对扫描波长进行了选择，当加载的波长扫描驱动信号频率为基腔频率整数倍时，对应选择波长起振，最终只耦合输出特定波长的超短锁模激光脉冲，时域上表现为周期性脉冲序列，频谱上为离散光谱序列。对比主流传统傅立叶域锁模激光器，该谱受限傅里叶域锁模光纤激光器可实现高波长扫描频率、窄脉冲线宽、超短激光脉宽等优势，其谱域波长与时域脉冲序列具备对应关系，这一特性使得本发明的谱受限傅里叶域锁模光纤激光器可便利地解调时域信号，在光纤传感、成像等领域拥有优良应用前景。综上所述，本发明的谱受限傅里叶域锁模光纤激光器使用便利、无需准直、搭建简单、光束质量高、功能较多，能够提供高速扫描、超短脉冲、超窄线宽的孤子脉冲激光，与目前主流方案相比具备紧凑的光路结构、丰富的输出特性和多样的应用功能，在传感技术与光学弱相干成像等科学研究和工程应用领域具备较高实用价值。扩展该领域光纤激光器的应用灵活性，构建出高速扫频锁模光纤激光解决方案。

如图1所示为本发明实施例提供的一种谱受限傅里叶域锁模光纤激光器的结构示意图，包括：光环形器1、偏振控制器2、可饱和吸收体3、波长扫描驱动模块、色散管理延时模块6、光学增益模块8及输出模块；

光环形器1为非互易性单向循环的光路传输元件，其第一端口1a与偏振控制器2的第一端相连，光环形器1的第二端口1b与可饱和吸收体3相连，光环形器1的第三端口1c与输出模块的第一端相连；偏振控制器2的第二端与波长扫描驱动模块的第一端相连；波长扫描驱动模块的第二端与色散管理延时模块6的第一端连接，色散管理延时模块6的第二端与光学增益模块8的第一端连接，光学增益模块8的第二端与输出模块的第二端连接；

光学增益模块8，用于为激光器注入泵浦光能量，为激光器的正常运作提供光学增益放大机制；

具体地，光学增益模块8的内部光学泵浦为激光器提供持续的能量注入，增益介质吸收泵浦光功率对模块输入光进行增益放大，经过模块放大、整形、恢复输出强度放大的激光脉冲，工作时，调节光学泵浦强度从而控制光学增益大小，改变激光器锁模工作状态，其中，泵浦源为电流驱动的激光二极管，工作时，可调节驱动电流大小同步调节输出泵浦光功率大小，实现激光器性能参数的调控。

光环形器1，用于将第一端口1a的输入光通过第二端口1b传输至可饱和吸收体3后，将可饱和吸收体3的输出光从第二端口1b馈送至第三端口1c；可饱和吸收体3，用于实现激光器的自启动锁模，同时能压缩激光脉冲线宽，从而获得超短激光脉冲；偏振控制器2，用于改变激光器内部光路的局部偏振状态，以实现激光脉冲的锁模运转及锁模状态的调节和切换；色散管理延时模块6，用于提供色散管理机制，增加激光的绕行时间，降低激光器谐振频率；波长扫描驱动模块，用于产生波长扫描驱动信号，并利用波长扫描驱动信号对激光脉冲波长进行滤波扫描，最终从输出模块输出高速扫频的超短傅里叶域锁模脉冲，其中，波长扫描驱动信号的频率与激光器的工作基腔谐振频率相匹配。

在本发明实施例中，波长扫描驱动模块包括：波长扫描模块4及波长扫描驱动信号发生模块5；

波长扫描驱动信号发生模块5，用于产生频率与激光器的工作基腔谐振频率相匹配的波长扫描驱动信号，并基于波长扫描驱动信号驱动波长扫描模块4对激光脉冲波长进行滤波扫描，使得激光器的谐振腔长跟随工作重复频率周期变化。

在本发明实施例中，波长扫描驱动信号发生模块5包括：波形发生模块11、编码控制模块12及频谱采集分析模块13；

频谱采集分析模块13，用于采集并分析激光器的工作基腔重复频率，将分析数据传输给编码控制模块12；编码控制模块12，用于根据频谱采集分析模块13上传的激光器的工作基腔频率数据进行编码，并将编译完成的控制码传输至波形发生模块11；波形发生模块11，用于根据编码控制模块12输送的控制码产生相应频率和波形的波长扫描驱动信号，为激光器稳定运行引入了负反馈机制。

在本发明实施例中，波长扫描模块4的工作方式为电压驱动，由敏感压电陶瓷构成，扫描方式为离散扫描，工作时，压电陶瓷依据波长扫描驱动信号解调得到的电压信号调节自身震动特性，使得激光器的谐振腔长跟随工作重复频率周期性离散变化，进而对激光波长进行离散扫描，最终输出周期性的谱受限离散波长激光脉冲。

在本发明实施例中，可饱和吸收体3的工作方式为被动反射式，其结构是在半导体反射镜上生长具备可饱和吸收性质的半导体薄膜，工作时，在强光下，可饱和吸收体3激发漂白效应，大部分光能量可无损透过半导体薄膜到达半导体反射镜表面，之后再次反射回激光器中；在弱光下，可饱和吸收体3体现出不饱和吸收特性，弱光被吸收损耗，由于吸收了脉冲前沿，脉宽会逐渐变窄。

在本发明实施例中，色散管理延时模块6，通过色散介质调节对入射光脉冲引入的时延，使得激光器内激光脉冲循环时间延长，降低工作重复频率，匹配波长扫描模块4的扫描频率，同时对各离散波长分量激光进行色散管理，以使得各离散波长分量激光获得相同的腔内循环时间。

在本发明实施例中，该激光器还包括：第一光隔离器7与第二光隔离器9；

第一光隔离器7分别与光学增益模块8及输出模块连接，第二光隔离器9分别与光学增益模块8及色散管理延时模块6连接；第一光隔离器7及第二光隔离器9均用于保持激光器内部激光的单向传输，同时降低扰动因素的影响。

在本发明实施例中，输出模块包括：光耦合器10；

光耦合器10的第一端口10a与光环形器1的第三端口连接，光耦合器10的第三端口10c与第二光隔离器9连接，光耦合器10的第二端口10b为10％分光比例端口，用于耦合输出锁模激光脉冲，连接外部测试设备，光耦合器10的第一端口10a与光耦合器10的第三端口10c分光比例为90％。

以下结合具体实例对本发明激光器应用进行说明。

实施过程中需要的实施器件和设备有：一个工作波长范围1530nm～1565nm，小信号增益大于30db，色散小于0.06ps/nm，噪声系数小于5db的掺铒光纤放大器、一个偏振控制器、一个3端口光环形器、一个中心波长1550nm，调制深度2％，弛豫时间2ps的半导体可饱和吸收反射镜、一个分光比10:90的2*1光耦合器、两个光隔离器、若干二阶色散系数为-150ps/(nm·km)的色散介质、若干色散系数为17ps/(nm·km)的单模光纤、一个最大调节范围600ps，精度10fs的可调光纤延时线、一个高速压电陶瓷可调滤波器以及一台高精度光谱分析仪、一台高速示波器、一台商用自相关仪、一台频谱分析仪、一个高速光电探测器、一台计算机、一个信号发生器。

其中，掺铒光纤放大器，为激光器提供光学增益放大，工作时，可调节驱动电流大小改变掺铒光纤放大器对输入光的放大效果，实现激光器性能参数的调控。

偏振控制器具有角度可调模块，模块内部缠绕着1550nm标准单模光纤，调节模块摆动的角度可以控制激光器内部偏振状态，可实现激光脉冲的锁模、调节。

光环形器为单向环形工作方式，用于连接主腔和半导体可饱和吸收反射镜，工作时，光环形器第一端口1a输入的光脉冲会馈送至第二端口1b输出到达半导体可饱和吸收反射镜，反射之后从第二端口1b输入馈送至第三端口输出返回主腔。

光耦合器具有3个端口，分光比例分别为9:1，10％分光比例端口用于输出锁模激光，剩余端口连接激光器其他部件。

光隔离器连接在掺铒光纤放大器两侧，降低噪声等扰动因素的影响，保持激光器内部激光的单向传输。

色散介质和可调光纤延时线为激光器的引入色散管理，控制不同波长光波的群速度色散分布，匹配腔内循环时间，而增加腔内激光的绕行时间，降低激光器谐振频率。

如图2所示，频谱分析仪、计算机和信号发生器组成驱动信号发生模块用于下达波长扫描指令，其中，频谱分析仪采集处理激光器工作频率，并将数据输入计算机中编译成控制码，控制码输送给信号发生器产生相应的驱动信号，信号频率匹配激光器工作频率，波形为周期阶梯波。

该激光器工作时，高速压电陶瓷可调滤波器接收波长扫描驱动信号，进行离散扫描，调节震动特性，使得光路长度跟随工作频率周期变化，获得离散的傅里叶域锁模脉冲，此波长扫描原理如图3所示。

其中，图3纵轴为一种宽谱激光特征光谱，横轴上方的阶梯波形为离散波长扫描信号，下方为时域上产生的激光脉冲序列。当压电陶瓷(波长扫描模块)依据此阶梯波形扫描时，在半个扫描周期的t1～t5时间内，波长依次从λ1～λ5变化(这一过程是不连续的)，即t1时刻时域上输出λ1波长的激光脉冲。因此在一个完整扫描周期，波长来回各扫描一次，时域输出效率翻倍。如果提高阶梯信号频率，可以进一步提高输出波长的调谐速率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。