一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法与流程

本发明涉及超快激光，更具体地，涉及一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法。

背景技术：

1、克尔谐振器是支持研究复杂非线性光学现象的最简单系统之一。近年来因其在产生超短光脉冲和光学频率梳方面的应用价值而引起了国内外的广泛关注。光频梳现在已经在众多应用中发挥了不可替代的作用，例如光谱学、光子-微波频率合成、绝对距离测量、阿秒脉冲生成以及天文光谱仪校准等。基于非线性光学微腔的被动克尔谐振器具有体积小、非线性系数高、易于集成的特点，包括已经被证实可以用于光频梳的产生，在结构尺寸和驱动光功率方面展示出相比光纤激光器巨大的优势，特别是在重复频率方面，可以获得高达百ghz至thz的重复频率。在宏观尺度上，在克尔被动增强腔中，减少的非线性材料可以在更高的能量水平下实现对脉冲的高质量压缩。克尔谐振器脉冲生成的最早实验是在基于光纤的被动谐振腔中，而最近的研究已经展示了光纤被动谐振腔长程相互作用、时空孔隙不稳定性和时间探针等新的应用。同时，其他微腔谐振器相比，光纤提供了出色的热管理性能、严格的单模传输模式、极低的波导损耗以及成熟的高质量光学元件。

2、克尔谐振器由连续波激光器驱动，并通过参量频率转换产生宽带宽的腔模振荡。为了在腔模式之间建立时间相干性和规则的相位关系，克尔谐振器必须获得相位锁定。类似于基于增益介质的激光系统一样，克尔谐振器通过在腔内形成光学孤子实现锁模。克尔谐振器中最常见的孤子锁模与激光系统中的机制相关，即脉冲是通过负群速度色散和克尔非线性相位之间的平衡形成的，虽然相关，但宽带激光增益和克尔谐振器中的纵模间隔非常重要，现有的技术方案难以支撑宽带的孤子产生，而广泛应用于锁模激光器的色散管理孤子技术能否适用于克尔谐振器，获得更宽光谱覆盖范围的超短脉冲，任然缺乏技术验证。虽然基于光纤的被动克尔谐振器可以支持任意波长和重复频率的脉冲，但这些脉冲的脉冲宽度比锁模激光器产生的脉冲要宽。如何将色散管理孤子技术应用于被动光纤克尔谐振器，克服当前微腔克尔光频梳重复频率难以降低至ghz一下的技术难题，成为推动超短脉冲激光器应用的重要研究内容。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种色散管理孤子脉冲产生装置，包括泵浦激光器、第一保偏光纤环形器、第一保偏光纤光栅、辅助谐振激光器、色散管理被动谐振腔、第二保偏光纤环形器、第二保偏光纤光栅和锁相环；

3、所述泵浦激光器，用于提供产生克尔效应所需的泵浦激光，并通过所述第一保偏光纤环形器的输入端口入射至所述第一保偏光纤环形器；

4、所述辅助谐振激光器，用于产生辅助谐振激光，并入射至所述第一保偏光纤光栅，为所述色散管理被动谐振腔提供激励脉冲；

5、所述第一保偏光纤环形器，用于约束泵浦激光和辅助谐振激光的传输方向；

6、所述第一保偏光纤光栅，用于将泵浦激光和辅助谐振激光同时耦合到色散管理被动谐振腔中；

7、所述色散管理被动谐振腔，用于在克尔非线性效应、色散和参量增益的作用下形成色散管理孤子脉冲，并将形成的色散管理孤子脉冲通过输出端口输出，耦合至第二保偏光纤环形器中；

8、第二保偏光纤光栅，用于将残余的泵浦激光反射到第二保偏光纤环形器中，作为参考光与色散管理孤子脉冲拍频，产生用于反馈控制泵浦激光器的误差信号；

9、所述锁相环，用于根据所述误差信号反馈调控泵浦激光器输出泵浦激光的相位，使其和色散管理被动谐振腔的本征谐振频率精密锁定，获得稳定的色散管理孤子脉冲，并由第二保偏光纤光栅输出。

10、在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。

11、可选的，所述辅助谐振激光器生成的辅助谐振激光的重复频率低于所述色散管理被动谐振腔的光谱自由程。

12、可选的，所述泵浦激光器为具有mhz至ghz重复频率的窄线宽激光器，其频域上具有单频窄线宽特性，时域上表现为ns级的光脉冲；所述泵浦激光器为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。

13、可选的，所述辅助谐振激光器为具有mhz至ghz重复频率的脉冲激光器，其重复频率低于泵浦激光器；所述辅助谐振激光器为光纤激光器、半导体激光器或固体激光器。

14、可选的，所述色散管理被动谐振腔包括第一光纤耦合器、第一正色散光纤、负色散光纤和第二光纤耦合器；

15、泵浦激光和辅助谐振激光耦合进入所述色散管理被动谐振腔内，经过第一光纤耦合器和第一正色散光纤进入第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的大分光比输出端输出的脉冲激光经过所述负色散光纤，并通过所述第一光纤耦合器的第二输入端口注入到所述色散管理谐振腔内，所述第二光纤耦合器的小分光比端口耦合输出色散管理孤子脉冲。

16、可选的，所述色散管理被动谐振腔内的总色散量由所述第一正色散光纤和所述负色散光纤控制，根据所述色散管理被动谐振腔的尾纤长度决定所述第一正色散光纤和所述负色散光纤的比例，所述色散管理被动谐振腔的总腔长决定形成色散管理孤子脉冲的重复频率。

17、可选的，所述色散管理被动谐振腔包括第三光纤耦合器、第二正色散光纤、光纤环形腔、啁啾光纤光栅和第四光纤耦合器；

18、泵浦激光和辅助谐振激光耦合进入所述色散管理被动谐振腔内，经过第三光纤耦合器和第二正色散光纤进入第四光纤耦合器；所述第四光纤耦合器的大分光比输出端输出的脉冲激光通过所述光纤环形器耦合进入所述啁啾光纤光栅中，所述啁啾光纤光栅引入的正色散，经过反射后由所述光纤环形器输出，再次经过所述第三光纤耦合器注入到所述色散管理谐振腔内，所述第四光纤耦合器的小分光比端口耦合输出色散管理孤子脉冲。

19、可选的，所述色散管理被动谐振腔内的总色散量由所述第二正色散光纤和提供负色散的啁啾光纤光栅控制，根据所述色散管理被动谐振腔的尾纤长度和第二正色散光纤长度决定所述啁啾光纤光栅的啁啾量，所述色散管理被动谐振腔的总腔长决定形成色散管理孤子脉冲的重复频率。

20、根据本发明的第二方面，提供了一种色散管理孤子脉冲产生方法，包括：

21、泵浦激光器产生克尔效应所需的泵浦激光，并耦合到第一保偏光纤环形器中，经过第一保偏光纤光栅反射，同时辅助谐振激光器产生辅助谐振激光入射至第一保偏光纤光栅；在第一保偏光纤光栅滤波作用下，泵浦激光和辅助谐振激光同时耦合到色散管理被动谐振腔中，在克尔非线性效应、色散和参量增益的作用下形成色散管理孤子脉冲；色散管理孤子脉冲由色散管理被动谐振腔的输出端口输出，耦合至第二保偏光纤环形器，使用第二保偏光纤光栅将残余的泵浦激光反射到第二保偏光纤环形器，作为参考光与形成的色散管理孤子脉冲拍频，产生用于反馈控制泵浦激光器的误差信号，通过锁相环反馈调控泵浦激光器输出泵浦激光的相位，使其和色散管理被动谐振腔的本征谐振频率精密锁定，获得稳定的色散管理孤子脉冲，并由第二保偏光纤光栅输出。

22、本发明提供的一种色散管理孤子脉冲产生装置及产生方法，采用色散平衡的被动光纤谐振腔提供超短脉冲所需的克尔非线性效应和参量增益，将驱动激光的谐振频率锁定到被动谐振腔上，借助参量增益宽增益谱和保偏光纤抗干扰能力强的特性，实现抗环境噪声干扰的宽带色散管理孤子产生新方式，基于该装置可以获得重复频率mhz-ghz的超短脉冲。