一种基于模分复用的时空锁模多模光纤激光器

本发明属于光纤激光器领域，更具体地，涉及一种基于模分复用的时空锁模多模光纤激光器。

背景技术：

1、超快激光技术在科学研究、工业制造、精密测量、军事国防等领域有着广泛的应用。光纤激光器具有效率高、光束质量好、结构紧凑、易于散热、可柔性操作等突出优势，是一种发展迅速超快激光技术。其中，基于多模光纤的时空锁模超快激光器与基于单模光纤的超快激光器相比更具性能优势。例如，多模光纤拥有比单模光纤更大的模场面积，能克服更大的非线性积累相移，因而多模光纤激光器可产生更高能量和峰值功率的激光脉冲。再者，多模光纤激光器具有多个横模的横向空间自由度，有实现空间维度调控的激光输出的特质。

2、单模光纤锁模超快激光器谐振腔中只支持单一横向空间模式传输，激光器设计需要考虑单模色度色散、增益和损耗，锁模过程只需单一横向空间模式的纵向时间锁定。当单模光纤锁模超快激光器工作在反常色散区间时，谐振腔中的非线性相互作用可以平衡模式色度色散，在有效的泵浦增益和可饱和吸收体锁模器作用下腔中自发产生和维持传统光孤子锁模状态。当单模光纤锁模超快激光器工作在全正色散区间时，谐振腔中的非线性相互作用不能平衡模式色度色散，需要加入光谱滤波器限制模式色度色散，激光器一般运行在耗散型孤子锁模状态或自相似孤子锁模状态。

3、多模光纤不仅存在横向空间模式的色度色散，而且也存在横向空间模式的模间色散，即不同横向空间模式的群速度和群速度色散的差异。模间色散容易引起模式不同步，模式走离现象。因此，与单模单模光纤锁模超快激光器相比，多模光纤锁模超快激光器腔中支持多个横向空间模式运行，锁模过程不仅需要每个横向空间模式的纵向时间锁定，而且不同横向空间模式之间也要相位锁定，实现不同横向空间模式的同步。根据目前的文献报道，多模光纤锁模超快激光器常常采用了空间滤波器来抑制模间色散，并建立多模锁定激光输出。折射率渐变型多模光纤的模间色散比较小，利于多模锁定，因而目前多模光纤锁模激光器大多采用渐变折射率光纤。与折射率渐变型多模光纤相比，折射率阶跃型多模光纤的模间色散比较大，模式走离会导致时空锁模困难。

4、利用多模光纤激光器的横向空间自由度调控的激光输出是一个研究方向。由于多个横向空间模式的存在，多模光纤锁模超快激光器输出的激光呈现散斑分布，光束质量比较低。通过调整激光谐振腔的色散，增强腔内非线性相互作用，使非线性多模克尔自净效应参与锁模过程，可以得到类高斯型超快光束，提高多模脉冲质量。利用遗传算法配合空间光调制器可以对激光器腔内光束进行波前整形来调控输出光功率，光束质量和波长迁移。如果可以精确调控多模光纤激光器谐振腔中的每一个横向空间模式，就可以实现对激光器输出激光光束的脉冲宽度，脉冲能量以及脉冲横向空间功率分布的精准调控，这将是多模光纤锁模超快激光器的一个性能突破。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的局限性，本发明的目的在于提供一种基于模分复用的时空锁模多模光纤激光器，不仅突破了传统技术方案无法精准调控横向空间模式的限制，而且突破多模光纤大模间色散引起的横向空间模式走离对时空锁模的限制，实现对锁模脉冲光束模式功率分布和光束质量的调控，填补相关技术的空白。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于模分复用的时空锁模多模光纤激光器，包括多模光纤干路和置于其中的模式复用解复用模块，其中，

3、所述多模光纤干路包括依次连接的第一多模光纤、输出耦合器、第二多模光纤、空间滤波器和第三多模光纤，其中，所述输出耦合器置于第一多模光纤和第二多模光纤之间，用于耦合输出激光；所述空间滤波器置于所述第二多模光纤和所述第三多模光纤之间，用于调整光通过两个多模光纤连接处横向空间模式的耦合效率；

4、所述模式复用解复用模块包括依次连接的一个1×n模式解复用器、n个单模光纤支路、和一个n×1模式复用器，所述1×n模式解复用器用于将所述多模光纤干路中的多个横向模式解开并输出到所述n个单模光纤支路，所述n×1模式复用器用于将n个单模光纤支路耦合输入到所述多模光纤干路；

5、所述n个单模光纤支路的每一条支路包括一个光学时延器和一个单模光纤锁模模块，相互之间由单模光纤熔接连接；单模光纤锁模模块单独控制所在支路的单一横向空间模式在纵向时间维度的锁定，在输出耦合器的第二输出端得到单模锁定脉冲；光学时延器用于调谐不同单模光纤支路的激光重复频率，实现多横向空间模式在时间维度和空间维度的同时锁定，在输出耦合器的第二输出端得到多模时空锁定脉冲；

6、所述连接方式采用光纤熔接或空间耦合的方式。

7、优选地，所述第一多模光纤，第二多模光纤和第三多模光纤为同一种折射率阶跃型或折射率渐变型光纤，模式数量为m，多模光纤模式数量大于或等于所述单模光纤支路的数目n，即m≥n，其中，当m＝n时，所述模式复用解复用模块完全控制多模光纤干路中的模式，当m＞n时，所述模式复用解复用模块部分控制多模光纤干路中的模式；当m较小时，所述第一多模光纤和第二多模光纤或称为少模光纤。

8、优选地，所述空间滤波器置于所述第二多模光纤和所述第三多模光纤之间，用于调整光通过两个多模光纤连接处不同横向模式的耦合效率，所述空间滤波器由所述第二多模光纤和第三多模光纤错位熔接形成，或由所述第二多模光纤和第三多模光纤中间错位熔接一段单模或少模光纤形成，或由所述第二多模光纤和第三多模光纤中间插入小孔光阑形成，或由局部机械拉伸、弯曲、和扭转形变的所述第二多模光纤或第三多模光纤形成。

9、优选地，所述1×n模式解复用器和n×1模式复用器的类型为全光纤定向耦合器，或为全光纤光子灯笼，或为硅基光波导，或为飞秒直写的玻璃基波导。

10、优选地，所述光学时延器为手动可调光学时延器，或为电控可调光学时延器。所述光学时延器的最大调节范围为600皮秒；所述n个单模光纤支路的每一条支路的最大长度差为12厘米。

11、优选地，所述单模光纤锁模模块的元件包括泵浦源、输入耦合器、单模有源光纤、可饱和吸收体、和功率控制器，所述均为单模器件，依次由单模光纤熔接连接；所述泵浦源、输入耦合器、有源光纤、和功率控制器用于控制单路锁模增益；所述可饱和吸收体用于产生和维持单路单模锁定；所述单模光纤锁模模块的作用为实现单一模式的锁模，因此只要能满足这一功能，单模光纤锁模模块的具体元件种类和数量可做调整。

12、优选地，所述单模有源光纤为纤芯区稀土掺杂光纤，掺杂的稀土离子包含铒、钕或铥。

13、优选地，所述可饱和吸收体为石墨烯可饱和吸收体，或为碳纳米管可饱和吸收体，或为偏振光旋转可饱和吸收体。

14、基于模分复用的时空锁模多模光纤激光器的锁模方法的原理在于：

15、所述单模光纤锁模模块单独控制所在支路的单一横向空间模式在纵向时间维度的锁定，在输出耦合器输出端得到单模锁定脉冲；

16、所述空间滤波器调整和控制光通过两个多模光纤连接处横向空间模式的耦合效率，促使不同横向空间模式之间产生线性和非线性相互作用；

17、所述光学时延器用于调谐不同单模光纤支路的激光重复频率，增强不同横向空间模式脉冲之间的线性和非线性相互作用，实现多横向空间模式在时间维度和空间维度的同时锁定，在输出耦合器输出端得到多模时空锁定脉冲。

18、基于模分复用的时空锁模多模光纤激光器的锁模步骤包括：

19、第一步，单独泵浦一条所述单模光纤支路，该支路损耗调到最小值，此时其他支路功率损耗处于最大值，调整单模光纤锁模系统，实现单路独立锁模，获得激光器单脉冲重复频率fn，n为1，2到n；

20、第二步，调节所诉单模光纤支路中的光学时延器，使支路的fn为相同值；

21、第三步，同时泵浦多个或全部单模光纤支路，进一步精确调节光学时延器，实现多个横向空间模式时空锁模。

22、本发明通过模分复用解复用的方案首先使多模光纤中的每个横向空间模式在对应单模光纤支路中锁定，通过光学时延器和空间滤波器使多个单模光纤支路所控制的横向空间模式建立联系，进而形成时空锁模。本发明锁模方法不限于激光器的腔形，不限于环形腔，线性腔，8字形腔或9字形腔，凡涉及到本发明锁模方法的激光器应均属于本专利的保护范围内。

23、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

24、有益效果：

25、1、本发明提出的时空锁模激光器实现了对横向模式的精准调控，具有开创性和指导性，在此之前从未有过任何方法和装置能如此精确地调控激光谐振腔中的横向空间模式；本方法实现了对不同横向空间模式的增益和时延调节，从而实现对输出脉冲光束的脉宽、能量和功率分布的控制。

26、2、本发明提出的时空锁模激光器突破了多模光纤模间色散引和模式走离对时空锁模的限制，适用于大模间色散折射率阶跃型多模光纤，弱化了目前时空锁模多模光纤激光器方案对折射率渐变型多模光纤的依赖。