全光控精确同步多种波长飞秒、皮秒、纳秒激光脉冲的方法

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及的是多种波长飞秒、皮秒、纳秒脉冲激光采用全光学方法同步的技术。

背景技术

随着激光技术的发展，人类对激光的认识愈加深刻，对激光可控参数的要求越来越高。随着调Q、锁模脉冲激光的出现，激光的峰值功率密度已经可以突破10²¹W/cm²，并且在向更高的能量迈进。在提高激光功率的同时，人类对激光特性的可操控精度也越来越精确。科学家已经可以将两束或者多束激光脉冲的相对时间抖动控制在飞秒、甚至阿秒量级。同步激光，顾名思义，两束激光脉冲在时间上保持同步，而且相对延迟精确可控，同步激光的波长按照应用材料的需要可供选择。传统的激光同步技术是两束激光在固体激光增益介质或者高非线性材料中发生非线性作用，利用交叉相位调制实现激光同步。此时的两束激光的有效折射率不仅与它们的波长有关，而且还与它们的强度有关。传统的激光同步技术需要两束激光在非线性介质上的重叠性非常好，以保证足够的强度调制关系，并且需要严格的控制腔内群速度色散。共用一块非线性介质的激光器结构，使得传统激光同步技术只适合于波长单一或者仅仅相差几十纳米，波长可调范围非常有限，也无法实现飞秒、皮秒、纳秒可调脉宽的脉冲同步。另外，传统的同步激光器的空间排布非常困难，紧凑的空间排布无法实现远程同步控制。

随着科技、军事技术、民用医疗、通信技术的发展，多种波长、宽可调范围的同步激光技术亟待发展。激光同步技术在军事、医疗和民用都有着的广泛的应用领域，如激光快点火核聚变、激光自动导向系统、激光测距、激光加工等等。可选择的多种波长的同步激光将极大的扩充激光技术的应用领域，可控制输出脉冲宽度的激光将在激光技术的纵身的应用更加深入。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种全光控精确同步多种波长飞秒、皮秒、纳秒激光脉冲的方法，该方法采用注入锁定的激光同步结构，以飞秒脉冲激光器的输出为控制光，将其注入光纤环形激光器中，利用光纤的非线性效应，交叉相位调制或者增益调制控制，实现激光同步。另外，飞秒脉冲控制光经过分束器分束，可以控制多台光纤环形激光器，实现一束飞秒激光与多束波长不同，脉宽不同的激光同步。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种全光控精确同步多种波长飞秒、皮秒、纳秒激光脉冲的方法，其特征是在于所述方法采用注入锁定的激光同步结构，以飞秒脉冲激光器的输出光为控制光，将其注入光纤环形激光器中，利用超短脉冲在光纤中传播时的非线性效应，及交叉相位调制或者增益调制控制，实现多波长的激光同步。

所述飞秒脉冲控制光经过分束器分束，再经由波分复用器引入不同的光纤环形激光器分别注入并控制多台光纤环形激光器。

所述光纤环形激光器采用掺杂稀土离子的特种光纤作为增益介质，由光学隔离器实现激光的单向传输，由偏振控制装置实现激光器的脉冲。

所述光纤环形激光器包含一个调节激光器腔长的平移台，以及两个完成激光由光纤进入到空间的准直器，通过调整平移台，改变环形激光器的空间部分的长度，改变整个激光器的腔长，从而实现多波长激光同步。

本发明的优点在于飞秒脉冲注入的光纤长度可以任意设置，即可实现远距离的激光脉冲同步；根据所选环形激光器的增益光纤掺杂元素不同，可以实现多种波长激光脉冲的同步；通过控制光纤环形激光器腔长的平移台，可以实现皮秒到纳秒可调宽度的锁模脉冲输出，输出脉冲与注入飞秒脉冲保持同步，可以控制多台光纤环形激光器，实现一束飞秒激光与多束波长不同，脉宽不同的激光同步。

附图说明

附图1本发明原理框架图；

附图2本发明实施例一原理示意图；

附图3本发明实施例二原理示意图。

具体技术方案

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1—3所示，附图中的总参考标号1—30分别表：Ti:S激光器或Cr:F激光器1、透镜2、单模光纤3、波分复用器4、半导体激光器5、波分复用器6、掺铒光纤7、平移台8、耦合器9、四分之一玻片10、半玻片11、偏振分束器12、光学隔离器13、四分之一玻片14、耦合器15、激光输出16、光纤分束器17、波分复用器18、泵浦源19、波分复用器20、掺镱光纤21、平移台22、耦合器23、四分之一玻片24、半玻片25、偏振分束器26、光学隔离器27、四分之一玻片28、耦合器29、激光输出30。

飞秒脉冲控制激光可采用掺钛蓝宝石激光器(Ti:S)、镁橄榄石激光器(Cr:F)，掺镱光纤激光器(Yb-fiber)等任意波长飞秒脉冲激光器，传统固体激光器和光纤激光器皆可。

飞秒脉冲通过透镜耦合方式注入一根普通的单模光纤中，光纤分束器进行分束，再经由波分复用器(WDM)引入不同的光纤环形激光器。其中的单模光纤为普通光纤，不受局限。

光纤环形激光器采用掺杂稀土离子的特种光纤作为增益介质，由光学隔离器实现激光的单向传输，由偏振控制装置实现激光器的脉冲工作方式。稀土光纤为掺杂稀土离子的任意种类的光纤，可以是单一掺杂也可以是多种稀土离子共掺，只需根据增益带宽范围进行不同的选择，如掺镱(Yb)光纤、掺铒(Er)光纤、掺钕(Nd)光纤、掺铥(Tm)光纤。

光纤环形激光器包含一个调节激光器腔长的平移台，及两个完成激光由光纤进入到空间的准直器。通过调整平移台可以改变环形激光器的空间部分的长度，进而改变整个激光器的腔长。

光纤环形激光器可以实现自启动锁模脉冲输出。在注入飞秒脉冲控制光束后，可实现由交叉相位调制和增益调制控制的激光脉冲输出。输出脉冲与注入飞秒脉冲保持时间同步关系，输出脉冲宽度受到输入脉冲、偏振控制装置及平移台的控制。

多种波长的选择性由光纤环形激光器内的增益介质所决定，采用不同掺杂离子的光纤输出不同波长的激光。通过控制光纤环形激光器的激光脉冲的偏振状态及脉冲之间的相位失匹，实现皮秒、纳秒宽可调范围的激光输出。

实施例一：利用Ti:S激光和掺铒光纤实现激光同步。

本方案实现的是一台飞秒脉冲激光器与一台光纤环形激光器的同步，该光纤环形激光器的输出脉冲宽度在皮秒到纳秒范围内可调。例如，飞秒脉冲激光器为Ti:S激光器，光纤环形激光器为掺铒光纤激光器。同步输出脉冲为的800nm中心波长的Ti:S飞秒激光脉冲与1550nm中心波长的掺铒光纤激光脉冲，此1550nm的激光脉冲宽度在皮秒到纳秒范围内可调。

如图2所示，具体的实施方法步骤如下：

(1)将Ti:S激光器1输出的飞秒脉冲激光通过透镜2耦合进单模光纤3。

(2)飞秒脉冲激光经波分复用器4耦合入光纤环形激光器。

(3)步骤(2)中的光纤环形激光器以波长976nm的半导体激光器5为泵浦源。由波分复用器6把泵浦光耦合如光纤环形激光器。

(4)掺杂增益光纤7为掺铒光纤。

(5)步骤(2)中的光纤环形激光器内的激光由耦合器9实现光纤到空间的转换。

(6)平移台8控制耦合器9的位置移动。

(7)步骤(2)中的光纤激光器内的空间光通过四分之一玻片10、14和半玻片11控制激光的偏振状态。光纤激光器的单向运转由光学隔离器13完成，并由偏振分束器12进行激光输出16。

(8)光纤激光器内的空间光经由耦合器15完成空间到光纤的转换。

(9)光纤环形激光器不注入飞秒脉冲。通过控制偏振片10、11和14实现光纤激光器的自启动锁模。调整光纤激光器的腔长，使得光纤激光器与飞秒脉冲激光器工作在同一重复频率下，重复频率的误差小于10KHz。

(10)将飞秒脉冲注入激光后，调整偏振片10、11和14，并略微调整平移台8，以实现两激光器的同步工作。

(11)同步工作与否可以通过高速光电探测器和示波器判断。当在示波器上观察到的两列锁模脉冲无相对漂移时，说明两激光器进入同步工作状态。此时的光纤环形激光器的输出脉冲宽度为皮秒量级。

(12)通过调整平移台8的位置，改变光纤激光的腔长，进而减弱了飞秒脉冲与光纤激光器腔内脉冲的相互作用，使得光纤激光器进入临界失匹工作状态。光纤激光器输出脉冲宽度将会变宽，将会达到纳秒脉冲输出。

实施例二：利用Cr:F激光同步掺铒、掺镱两台光纤环形激光器。

本方案实现的是一台飞秒脉冲激光器与两台光纤环形激光器的同步。两台光纤环形激光器的输出波长可以相同，也可以不同，输出脉冲宽度皆可在皮秒到纳秒范围内可调。例如，飞秒脉冲激光器为Cr:F激光器，两台环形光纤激光器分别选择掺镱光纤激光器和掺铒光纤激光器。同步输出脉冲为1250nm中心波长的Cr:F飞秒脉冲激光与1040nm中心波长的掺镱光纤激光脉冲和1550nm中心波长的掺铒光纤激光脉冲。掺镱光纤激光和掺铒光纤激光的脉冲宽度在皮秒到纳秒范围内独立可调。

如图3所示，本方案采用的方法步骤如下：

(1)将Cr:F激光器1输出的飞秒脉冲激光通过透镜2耦合进单模光纤3。

(2)飞秒脉冲激光经过光纤分束器17分为两束。

(3)步骤(2)中的两束激光中的一束经波分复用器4耦合入掺铒光纤7环形激光器。

(4)步骤(2)中的两束激光中的另外一束经波分复用器18耦合入掺镱光纤21环形激光器。

(5)以波长976nm的半导体激光器5、19为泵浦源，由波分复用器6、20把泵浦光耦合如光纤环形激光器。

(6)步骤(3)中的光纤激光器内的激光由耦合器9、23实现光纤到空间的转换。

(7)平移台8、22控制耦合器9、23的位置移动。

(8)步骤(3)中的光纤激光器内的空间光通过四分之一玻片10、14和半玻片11控制激光的偏振状态。光纤激光器的单向运转由光学隔离器13完成，并由偏振分束器12进行激光输出16。步骤(4)中的光纤激光器内的空间光通过四分之一玻片24、28和半玻片25控制激光的偏振状态。光纤激光器的单向运转由光学隔离器27完成，并由偏振分束器26进行激光输出30。

(9)光纤激光器内的空间光经由耦合器15、29完成空间到光纤的转换。

(10)光纤环形激光器不注入飞秒脉冲。通过控制偏振片10、11和14实现步骤(3)中光纤激光器的自启动锁模。调整光纤激光器的腔长，使得光纤激光器与飞秒脉冲激光器工作在同一重复频率下，重复频率的误差小于10KHz。通过控制偏振片24、25和28实现步骤(4)中光纤环形激光器的自启动锁模。调整光纤激光器的腔长，使得光纤激光器与飞秒脉冲激光器工作在同一重复频率下，重复频率的误差小于10KHz。

(11)将飞秒脉冲注入激光后，调整偏振片10、11和14，并略微调整平移台8，实现Cr:F激光器1与步骤(3)中光纤环形激光器同步工作。调整偏振片24、25和28，并略微调整平移台22，实现Cr:F激光器1与步骤(4)中光纤环形激光器同步工作。

(12)同步工作与否可以通过高速光电探测器和示波器判断。当在示波器上观察到的Cr:F激光与所述(3)光纤激光的两列锁模脉冲无相对漂移时，说明两激光器进入同步工作状态。此时所述(3)光纤环形激光器的输出脉冲宽度为皮秒量级。当在示波器上观察到的Cr:F激光与所述(4)光纤激光的两列锁模脉冲无相对漂移时，说明两激光器进入同步工作状态。此时所述(3)光纤环形激光器的输出脉冲宽度为皮秒量级。由于所述(3)掺铒光纤激光和所述(4)掺镱光纤激光分别与Cr:F激光同步，那么所述(3)掺铒光纤环形激光器和所述(4)掺镱光纤激光保持同步。

(13)通过调整平移台8的位置，改变光纤激光的腔长，进而减弱了飞秒脉冲与步骤(3)中掺铒光纤激光器腔内脉冲的相互作用，使得光纤激光器进入临界失匹工作状态。所述(3)掺铒光纤环形激光器输出脉冲宽度将会变宽，将会达到纳秒脉冲输出。通过调整平移台22的位置，改变光纤激光的腔长，进而减弱了飞秒脉冲与步骤(4)中掺镱光纤环形激光器腔内脉冲的相互作用，使得光纤激光器进入临界失匹工作状态。步骤(4)的掺镱光纤环形激光器输出脉冲宽度将会变宽，将会达到纳秒脉冲输出。

(14)由于步骤(3)中掺铒光纤激光和步骤(4)中掺镱光纤激光与Cr:F激光，通过步骤(2)-(11)中分别独立的控制系统，两台光纤环形激光器可以独立调整输出脉冲参数，如波长、脉冲宽度，输出功率等。

实施例三：

本方案实现的是一台飞秒脉冲激光器与多台光纤环形激光器的同步，任意波长飞秒脉冲与多路任意波长皮秒、纳秒脉冲的同步。具体实施方案与实施例二类似。

本领域技术人员显然可以认识到，所述飞秒脉冲激光器不局限于钛宝石激光器，其它任何能在光纤中产生强非线性效应的飞秒脉冲激光器皆可。光纤环形激光器的增益光纤不局限于掺镱、铒、铥、钕四种光纤，具有类似增益效用的稀土光纤皆可。