一种Mamyshev型超短脉冲激光振荡器及起振方法与流程

本发明涉及激光振荡器领域，具体而言，涉及一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器及起振方法。

背景技术：

超短脉冲激光，一般指脉宽为皮秒和飞秒量级的激光脉冲，具有窄脉宽、高峰值功率的特点，在飞秒化学、生物成像、材料切割、微纳加工、激光医疗等科研和应用领域发挥着重要作用。锁模激光器是产生超短脉冲激光的主要技术方法，根据增益介质的形态，目前市场上主流的锁模激光器可分为两类：固体激光器和光纤激光器。与固体锁模激光器相比，光纤锁模激光器具有结构紧凑、成本低廉、使用方便等优势。在相关技术中的被动锁模光纤激光器，依赖于使用可饱和吸收体材料(如半导体可饱和吸收体、碳纳米管、石墨烯、黑磷等)或者等效可饱和吸收体(如非线性偏振旋转、非线性光纤环形镜等非线性技术)。可饱和吸收体材料在长期使用过程中，有被高峰值功率的激光脉冲损伤的风险，无法保证激光器的长期使用寿命，而等效可饱和吸收体又容易受环境扰动影响，无法保证激光器的长期稳定性。与相关技术中锁模光纤激光器相比，mamyshev振荡器是在mamyshev再生器基础上发展而来的超短脉冲产生技术，通过结合光纤中的光谱展宽和滤波器的光谱滤波效应，可产生稳定的超短脉冲。然而，现有的mamyshev振荡器技术无法像相关技术中被动锁模光纤激光器一样实现自启动，通常需要外部注入种子激光、调制泵浦激光、或通过手动调节辅助空间光路引入扰动等方法来实现激光振荡，给使用带来了不便。

针对相关技术中，mamyshev振荡器技术无法自启动的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

针对相关技术中，mamyshev振荡器技术无法自启动的问题，本发明提供了一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器及起振方法，以至少解决上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器，所述振荡器包括：第一泵浦激光器1、第二泵浦激光器10、第一回路和第二回路；

第一波分复用器2、第一掺杂增益光纤3、光纤隔离器4、第一光纤带通滤波器5、第一光纤分束器6、光开关7、可饱和吸收体8和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成所述第一回路，所述第一波分复用器2的泵浦端连接所述第一泵浦激光器1的输出端；

所述第一波分复用器2、所述第一掺杂增益光纤3、所述光纤隔离器4、所述第一光纤带通滤波器5、所述第一光纤分束器6、第二波分复用器11、第二掺杂增益光纤12、第二光纤带通滤波器15和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成所述第二回路，所述第二波分复用器11的泵浦端连接所述第二泵浦激光器10的输出端；

其中，第一泵浦激光器1和第二泵浦激光器10通电后，所述第一回路产生初始超短脉冲，所述初始超短脉冲通过第一光纤分束器6进入所述第二回路，脉冲在所述第二回路起振后，所述脉冲在所述第二回路运行。

在其中一个实施例中，所述第一波分复用器2、所述第一掺杂增益光纤3、所述光纤隔离器4、所述第一光纤带通滤波器5、所述第一光纤分束器6、第二波分复用器11、第二掺杂增益光纤12、高非线性光纤13、第三光纤分束器14、第二光纤带通滤波器15和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成所述第二回路。

在其中一个实施例中，所述高非线性光纤13有利于进一步展宽脉冲光谱，使第一回路产生的脉冲光可以更加容易地透过第二光纤带通滤波器15。

在其中一个实施例中，所述第三光纤分束器14用于输出宽光谱激光脉冲，第二光纤分束器9用于输出窄光谱激光脉冲。

在其中一个实施例中，所述光开关7为带光纤尾纤的声光调制器或电光调制器。

在其中一个实施例中，所述光开关7在接通电源后先处于通光状态，在所述第二回路起振后，所述光开关7处于关闭状态无法通光，所述第一回路处于断开状态。

在其中一个实施例中，所述可饱和吸收体8为带光纤尾纤封装的具有可饱和吸收功能的材料，所述可饱和吸收体8包括以下之一：半导体可饱和吸收体、碳纳米管、石墨烯和黑磷，或者，所述可饱和吸收体8为带光纤尾纤封装的非材料类型的等效可饱和吸收体，所述可饱和吸收体8包括以下之一：非线性偏振旋转和非线性光纤环形镜光路结构。

在其中一个实施例中，所述可饱和吸收体8包括：第一光纤偏振控制器801、光纤起振器802和第二光纤偏振控制器803。

在其中一个实施例中，所述第一掺杂增益光纤3和第二掺杂增益光纤12为同一种稀土元素掺杂光纤，所述稀土元素掺杂光纤包括以下之一：掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤。

在其中一个实施例中，所述第一光纤带通滤波器5的透射波长范围均在所述第一掺杂增益光纤3和第二掺杂增益光纤12的增益范围之内，所述第二光纤带通滤波器15透射波长范围在所述第一掺杂增益光纤3和第二掺杂增益光纤12的增益范围之内，所述第一光纤带通滤波器5和所述第二光纤带通滤波器15的透射波长区域不重合，用于抑制第二回路中产生初始连续激光。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器的起振方法，所述振荡器包括：第一泵浦激光器1、第二泵浦激光器10、第一回路和第二回路；

第一波分复用器2、第一掺杂增益光纤3、光纤隔离器4、第一光纤带通滤波器5、第一光纤分束器6、光开关7、可饱和吸收体8和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成所述第一回路，所述第一波分复用器2的泵浦端连接所述第一泵浦激光器1的输出端；

所述第一波分复用器2、所述第一掺杂增益光纤3、所述光纤隔离器4、所述第一光纤带通滤波器5、所述第一光纤分束器6、第二波分复用器11、第二掺杂增益光纤12、第二光纤带通滤波器15和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成所述第二回路，所述第二波分复用器11的泵浦端连接所述第二泵浦激光器10的输出端；

第一泵浦激光器1和第二泵浦激光器10通电后，所述第一回路产生初始超短脉冲；

所述初始超短脉冲通过第一光纤分束器6进入所述第二回路，脉冲在所述第二回路起振，所述脉冲在所述第二回路运行；

在所述光开关7切换到关闭状态，所述第一回路断开。

通过本发明，提供了一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器，所述振荡器包括：第一泵浦激光器1、第二泵浦激光器10、第一回路和第二回路；第一波分复用器2、第一掺杂增益光纤3、光纤隔离器4、第一光纤带通滤波器5、第一光纤分束器6、光开关7、可饱和吸收体8和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成所述第一回路，所述第一波分复用器2的泵浦端连接所述第一泵浦激光器1的输出端；所述第一波分复用器2、所述第一掺杂增益光纤3、所述光纤隔离器4、所述第一光纤带通滤波器5、所述第一光纤分束器6、第二波分复用器11、第二掺杂增益光纤12、第二光纤带通滤波器15和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成所述第二回路，所述第二波分复用器11的泵浦端连接所述第二泵浦激光器10的输出端；其中，第一泵浦激光器1和第二泵浦激光器10通电后，所述第一回路产生初始超短脉冲，所述初始超短脉冲通过第一光纤分束器6进入所述第二回路，脉冲在所述第二回路起振后，所述脉冲在所述第二回路运行，解决了mamyshev振荡器技术无法自启动的问题，实现了mamyshev振荡器的自启动。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器的结构框图一；

图2是根据本发明实施例的一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器的结构框图二；

图3是根据本发明实施例的一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器的起振方法的流程图；

图4是根据发明实施例的饱和吸收体的结构框图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的实施例提供了一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器，图1是根据本发明实施例的一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器的结构框图一，如图1所示，该振荡器包括：第一泵浦激光器1、第二泵浦激光器10、第一回路和第二回路；

第一波分复用器2、第一掺杂增益光纤3、光纤隔离器4、第一光纤带通滤波器5、第一光纤分束器6、光开关7、可饱和吸收体8和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成该第一回路，该第一波分复用器2的泵浦端连接该第一泵浦激光器1的输出端；

该第一波分复用器2、该第一掺杂增益光纤3、该光纤隔离器4、该第一光纤带通滤波器5、该第一光纤分束器6、第二波分复用器11、第二掺杂增益光纤12、第二光纤带通滤波器15和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成该第二回路，该第二波分复用器11的泵浦端连接该第二泵浦激光器10的输出端；

其中，第一泵浦激光器1和第二泵浦激光器10通电后，该第一回路产生初始超短脉冲，该初始超短脉冲通过第一光纤分束器6进入该第二回路，脉冲在该第二回路起振后，该脉冲在该第二回路运行。

通过上述mamyshev型超短脉冲激光振荡器，第一光纤分束器6将腔内光路分为两路，一路光路依次连接光开关7和可饱和吸收体8，称为第一支路，该第一支路作为mamyshev振荡器起振辅助光路，用于产生初始脉冲，有助于mamyshev振荡器自启动。另一路光路连接第二波分复用器11、第二掺杂增益光纤12和第二光纤带通滤波器15，称为第二支路。随后第一支路和第二支路分别连接第二光纤分束器9的两个输入端，第二光纤分束器9的一路输出端连接第一波分复用器2的信号端构成封闭回路，第二光纤分束器9的另一路输出端可作为激光输出端。第一泵浦激光器1通过第一波分复用器2的泵浦端连接第一泵浦激光器1的输出端，第二泵浦激光器10通过第二波分复用器11的泵浦端连接第二泵浦激光器10，上述所有器件均通过光纤熔接连接，解决了mamyshev振荡器技术无法自启动的问题，实现了mamyshev振荡器的自启动。

在一个实施例中，图2是根据本发明实施例的一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器的结构框图二，如图2所示，该第一波分复用器2、该第一掺杂增益光纤3、该光纤隔离器4、该第一光纤带通滤波器5、该第一光纤分束器6、第二波分复用器11、第二掺杂增益光纤12、高非线性光纤13、第三光纤分束器14、第二光纤带通滤波器15和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成该第二回路，而当第一回路产生初始飞秒脉冲后，会有部分脉冲通过第一光纤分束器6进入该第二回路的第二支路，脉冲功率经过第二增益光纤12将会得到有效放大，同时因为自相位调制作用，脉冲光谱宽度将获得展宽，在进入高非线性光纤13后其光谱范围进一步展宽，达到覆盖第二光纤带通滤波器15的透射范围，此时脉冲将可以透过第二光纤带通滤波器15，随后脉冲经过第一掺杂增益光纤3，功率再次得到放大，同时由于自相位调制作用脉冲光谱获得展宽，可以覆盖第一带通滤波器5的透射范围，从而可以透过第一带通滤波器5，至此脉冲可以在第二回路中实现循环并起振。在高非线性光纤13后设置第三光纤分束器14用于输出宽光谱激光脉冲，第二光纤分束器9用于输出窄光谱激光脉冲。

在一个实施例中，该光开关7为带光纤尾纤的声光调制器或电光调制器，可通过驱使电路控制光开关7是否通光，该光开关7在接通电源后先处于通光状态，在该第二回路起振后，该光开关7处于关闭状态无法通光，该第一回路处于断开状态，而腔内脉冲仍可通过第二回路稳定运行，在mamyshev振荡器起振后，光开关7切换到关闭状态，起振辅助光路处于断开状态，因此其不再影响激光器的后续运行，同时整套系统具有全光纤结构，无需光路校准，使得激光器的长期运行稳定性得到保证。

在一个实施例中，该可饱和吸收体8为带光纤尾纤封装的具有可饱和吸收功能的材料，该可饱和吸收体8包括半导体可饱和吸收体、碳纳米管、石墨烯和黑磷等，当使用饱和吸收体材料时，由于其实际工作时间很短，因此有助于延长其使用寿命。

在一个实施例中，该可饱和吸收体8为带光纤尾纤封装的非材料类型的等效可饱和吸收体，该可饱和吸收体8包括非线性偏振旋转和非线性光纤环形镜光路结构等，由于mamyshev振荡器最终产生振荡的激光特性与初始脉冲无关，当使用等效可饱和吸收体时，由于其仅用于产生初始脉冲，随后便处于关闭状态，因此等效可饱和吸收体的环境敏感性可以忽略。

在一个实施例中，该第一掺杂增益光纤3和第二掺杂增益光纤12为同一种稀土元素掺杂光纤，所述稀土元素掺杂光纤包括以下之一：掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤。

在一个实施例中，该第一光纤带通滤波器5的透射波长范围均在该第一掺杂增益光纤3和第二掺杂增益光纤12的增益范围之内，该第二光纤带通滤波器15透射波长范围在该第一掺杂增益光纤3和第二掺杂增益光纤12的增益范围之内，该第一光纤带通滤波器5和该第二光纤带通滤波器15的透射波长区域不重合，用于抑制第二回路中产生初始连续激光。

在本发明的一个实施例中，提供了一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器的起振方法，该振荡器包括：第一泵浦激光器1、第二泵浦激光器10、第一回路和第二回路；第一波分复用器2、第一掺杂增益光纤3、光纤隔离器4、第一光纤带通滤波器5、第一光纤分束器6、光开关7、可饱和吸收体8和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成该第一回路，该第一波分复用器2的泵浦端连接该第一泵浦激光器1的输出端；该第一波分复用器2、该第一掺杂增益光纤3、该光纤隔离器4、该第一光纤带通滤波器5、该第一光纤分束器6、第二波分复用器11、第二掺杂增益光纤12、第二光纤带通滤波器15和第二光纤分束器9依次连接构成闭合回路形成该第二回路，该第二波分复用器11的泵浦端连接该第二泵浦激光器10的输出端；图3是根据本发明实施例的一种mamyshev型超短脉冲激光振荡器的起振方法的流程图，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤s302，第一泵浦激光器1和第二泵浦激光器10通电后，该第一回路产生初始超短脉冲；

步骤s304，该初始超短脉冲通过第一光纤分束器6进入该第二回路，脉冲在该第二回路起振，该脉冲在该第二回路运行；

步骤s306，在该光开关7切换到关闭状态，该第一回路断开。

通过上述步骤s302至步骤s306，mamyshev激光振荡器引入第一回路的起振辅助光路，实现了mamyshev振荡器自启动，解决了mamyshev振荡器技术无法自启动的问题，实现了mamyshev振荡器的自启动。

下面结合具体应用的场景对本发明进行详细说明。

在一个实施例中，泵浦激光器1和泵浦激光器10为带尾纤输出的单模半导体激光器，其中心波长为976nm，最高输出功率700mw。

第一波分复用器2和第二波分复用器11分别为980/1550nm波分复用器。

光纤隔离器4工作波长范围为1530-1590nm。

第一掺杂增益光纤3和第二掺杂增益光纤12均为掺铒光纤。

第一带光纤通滤波器5中心波长为1550nm，3db通带宽度为3nm，第二带通滤波器15中心波长为1560nm，3db通带宽度为3nm。

光开关7为声光调制器，可通过驱动电路控制其是否通光。

饱和吸收体8为带尾纤的半导体可饱和吸收体，用于产生初始脉冲。

第一光纤分束器6为1×2型，工作波段1530-1590nm，其将腔内光路分为两路。

第二光纤分束器9为2×2型，工作波段1530-1590nm，其两个输入端分别连接半导体可饱和吸收体8和第二带通滤波器15，一路输出端接入第一波分复用器2的信号端，构成封闭回路，另一路输出端作为窄光谱脉冲输出端。

第三光纤分束器14为1×2型，工作波段1530-1590nm，用于输出宽光谱的激光脉冲。

本实施例的mamyshev型超短脉冲激光振荡器工作原理如下：泵浦激光器1和泵浦激光器10接通电源后，第一波分复用器2、第一掺杂增益光纤3、光纤隔离器4、第一光纤带通滤波器5、第一光纤分束器6、光开关7、可饱和吸收体8和第二光纤分束器9所构成的闭合回路，称之为第一回路，其即为被动锁模光纤激光器环形腔结构，可产生初始飞秒脉冲序列。第一波分复用器2、第一掺杂增益光纤3、光纤隔离器4、第一光纤带通滤波器5、第一光纤分束器6、第二波分复用器11、第二掺杂增益光纤12、高非线性光纤13、第三光纤分束器14、第二光纤带通滤波器15和第二光纤分束器9所构成的闭合回路，称之为第二回路，由于第一光纤带通滤波器5和第二光纤带通滤波器15的透射波长范围不重合，因此该回路初始时刻不能产生激光振荡。而当第一回路产生中心波长为1550nm的初始飞秒脉冲后，会有部分脉冲通过第一光纤分束器6进入第二支路，随后脉冲功率将会得到有效放大，同时因为自相位调制作用，脉冲光谱宽度将获得展宽，在进入高非线性光纤13后其光谱范围进一步展宽，范围覆盖1560nm，此时脉冲将可以透过第二带通滤波器15，随后该中心波长为1560nm的脉冲在经过第一掺杂增益光纤3后，功率得到进一步放大，同时由于自相位调制作用，其光谱范围得到展宽，可以覆盖第一光纤带通滤波器5的透射范围，从而可以透过第一光纤带通滤波器5，至此脉冲可以在第二回路中实现循环并起振。随后声光调制器切换到关闭状态无法通光，第一回路断开，而腔内脉冲仍可通过第二回路稳定运行。

在另一个实施例中，本实施例所用饱和吸收体8并非饱和吸收体材料，而是非线性偏振旋转光路，图4是根据发明实施例的饱和吸收体的结构框图，如图4所示，包括第一光纤偏振控制器801，光纤起偏器802，第二光纤偏振控制器803。

泵浦激光器1和泵浦激光器10为带尾纤输出的单模半导体激光器，其中心波长为976nm，最高输出功率700mw。

第一波分复用器2和第二波分复用器11为980/1064nm波分复用器。

光纤隔离器4工作波长范围为1020-1080nm，为偏振无关隔离器。

第一掺杂增益光纤3和第二掺杂增益光纤12均为掺镱光纤。

第一带光纤通滤波器中心波长为1050nm，3db通带宽度为3nm，第二带通滤波器中心波长为1060nm，3db通带宽度为3nm。

光开关7为声光调制器，可通过驱动电路控制其是否通光。

饱和吸收体8为带尾纤的半导体可饱和吸收体，用于产生初始脉冲。

第一光纤分束器6为1×2型，工作波段1020-1080nm，其将腔内光路分为两路。

第二光纤分束器9为2×2型，工作波段1020-1080nm，其两个输入端分别连接半导体可饱和吸收体8和第二带通滤波器15，一路输出端接入第一波分复用器2的信号端，构成封闭回路，另一路输出端作为窄光谱脉冲输出端。

第三光纤分束器14为1×2型，工作波段1020-1080nm，用于输出宽光谱的激光脉冲。

本实施例的mamyshev型超短脉冲激光振荡器工作原理如下：泵浦激光器1和10接通电源后，第一波分复用器2，第一掺杂增益光纤3，光纤隔离器4，第一光纤带通滤波器5，第一光纤分束器6，光开关7，第一光纤偏振控制器801，光纤起偏器802，第二光纤偏振控制器803，第二光纤分束器9所构成的闭合回路，称之为第一回路，其即为普通的被动锁模光纤激光器环形腔结构，可产生初始飞秒脉冲序列。而第一波分复用器2，第一掺杂增益光纤3，光纤隔离器4，第一光纤带通滤波器5，第一光纤分束器6，第二波分复用器11，第二掺杂增益光纤12，高非线性光纤13，第三光纤分束器14，第二光纤带通滤波器15，第二光纤分束器9所构成的闭合回路，称之为第二回路，由于第一光纤带通滤波器5和第二光纤带通滤波器15的透射波长范围不重合，因此该回路初始时刻不能产生激光振荡。而当第一回路产生中心波长为1050nm的初始飞秒脉冲后，会有部分脉冲通过第一光纤分束器6进入第二支路，随后脉冲功率将会得到有效放大，同时因为自相位调制作用，脉冲光谱宽度将获得展宽，在进入高非线性光纤后其光谱范围进一步展宽，范围覆盖1060nm，此时脉冲将可以透过第二带通滤波器15，随后该中心波长为1060nm的脉冲在经过第一掺杂增益光纤3后，功率得到进一步放大，同时由于自相位调制作用，其光谱范围得到展宽，可以覆盖第一光纤带通滤波器5的透射范围，从而可以透过第一光纤带通滤波器5，至此脉冲可以在第二回路中实现循环并起振。在腔内循环并得到起振，随后声光调制器切换到关闭状态无法通光，第一回路断开，而腔内脉冲仍可通过第二回路稳定运行。

以上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。

以上该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发明专利范围的限制。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。