CN107248691A - 基于数字微镜装置的可编程控制的超短脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字微镜装置的可编程控制的超短脉冲光纤激光器，包括泵浦光路和谐振腔；其中，谐振腔内设有由衍射光栅、柱透镜和数字微镜装置构成的色散可调的可编程滤波器；数字微镜装置与柱透镜之间的距离等于柱透镜的焦距；光束经过衍射光栅衍射后，光谱横向展开，经过柱透镜后到达数字微镜装置；信号光经数字微镜装置进行光谱调制后依次返回柱透镜和衍射光栅，最终返回至增益光纤形成环腔。本发明激光器的优点在于不仅可以灵活调节腔内色散量，而且能够通过编程精确控制滤波中心波长和滤波带宽，从而实现对激光器输出超短脉冲特性的控制，操作方便，适用范围广。

Description

基于数字微镜装置的可编程控制的超短脉冲光纤激光器

技术领域

本发明涉及超短脉冲激光技术领域，具体涉及一种基于数字微镜装置构成的可编程滤波且色散连续可调的超短脉冲光纤激光器。

背景技术

被动锁模的超短脉冲光纤激光器具有成本低廉，结构简单，工作稳定，散热性能好,输出光束质量高等优点，近些年来得到广泛关注和发展。总体上来说，非线性过程在这种激光器中起着很重要的作用，但同时增益与损耗、色散与非线性之间的互相作用也可以用来对腔内的动力学过程进行控制，从而形成不同的锁模区域。根据激光器腔内的净色散量大小由负到正，大体上可以将其分为孤子锁模域、色散管理孤子锁模域以及耗散孤子锁模域，不同色散域的锁模脉冲有着各自的特点和不同的应用。

孤子锁模的光纤激光器工作在大的净负色散域内，受到孤子面积理论限制，稳定的孤子锁模的脉冲宽度和脉冲能量都受到严格限制，过大的能量必然导致孤子***。为提高脉冲能量，人们吸取了通信***中色散管理的概念，提出了色散管理孤子锁模方式，在腔内同时引入大小近似的正色散和负色散，使脉冲在腔内交替展宽压缩，从而降低了脉冲峰值功率，增加了脉冲平均宽度，减弱了非线性效应，提高了脉冲能量。耗散孤子锁模光纤激光器腔内仅有正色散器件或者有着很强的净正色散量，脉冲的能量可以进一步提高而不致于积累过高的非线性相移而产生***，通过在腔内人为的引入频谱滤波元件将高度啁啾脉冲的光谱调制转化成振幅调制以实现同非线性相移之间的平衡从而实现稳定的锁模。

然而目前为止被动锁模光纤激光器受限于其可重构性，即为了获得不同的输出脉冲宽度、单脉冲能量等往往需要对激光腔结构进行非常大的改动，而且往往是需要重新设计激光腔以满足新的输出参数。如何灵活的调控激光腔内的色散以及选择合适的滤波器成为解决这一问题的关键。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种基于数字微镜装置(Digital MicromirrorDevice，DMD)的可编程控制的超短脉冲光纤激光器，该激光器不仅可以通过编程实现调谐以及灵活选择滤波带宽，并且能够在很大范围内由正到负地对腔内色散量进行连续调节，从而能够实现对激光器输出脉冲特性的控制。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于数字微镜装置的可编程控制的超短脉冲光纤激光器，包括泵浦光路和谐振腔；一个带多模光纤输出的二极管泵浦激光源输出的泵浦光依次经过第一非球面透镜，第一双色镜以及第二非球面透镜后注入增益光纤中；所述谐振腔内，设有一用以保证信号光的单向运转的光学隔离器；所述增益光纤输出的信号光经过第二非球面透镜，依次经过第一双色镜、第二双色镜、第一反射镜组后，再通过第一半波片、第一四分之一波片、偏振分束器、所述光学隔离器和第二半波片后进入一滤波器，所述滤波器是由衍射光栅、柱透镜和数字微镜装置构成的色散可调的可编程滤波器；所述数字微镜装置与所述柱透镜之间的距离等于所述柱透镜的焦距；光束经过衍射光栅衍射后，光谱横向展开，经过所述柱透镜后到达所述数字微镜装置；信号光经所述数字微镜装置进行光谱调制后依次返回所述柱透镜和衍射光栅，再依次经第三全反射镜后通过第二四分之一波片、第二反射镜组、第三双色镜，第四双色镜，第三非球面透镜返回至所述增益光纤，从而形成环腔。

进一步讲，所述第一反射镜组和第二反射镜组均有多个全反射镜构成。所述增益光纤为掺镱大模场光子晶体光纤或者是掺镱双包层光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中的衍射光栅，柱透镜和DMD组合构成的滤波器，其滤波中心波长和滤波带宽通过编程控制，具有很宽的调谐范围和很高的光谱分辨率，精确度高；同时通过前后移动改变光栅与柱透镜之间的间距可以实现对群延迟色散由正到负的连续调节，操作方便，有利于激光器输出参数的调节和优化。由于DMD损伤阈值高，与相同光学涂覆的反射镜相同，可以轻易承受瓦量级的平均功率和百纳焦的单脉冲能量。DMD成本低，因而激光器结构简单，造价低廉。

附图说明

图1是本发明基于DMD的可编程控制的超短脉冲光纤激光器的构成图；

图2是本发明中色散可调的可编程滤波器的色散特性分析示意图；

图3是实施例中群速度色散随光栅与柱透镜之间的间距变化关系曲线图。

图中：

1-二极管泵浦激光源 2-第一非球面透镜 3-第一双色镜

4-第二非球面透镜 5-增益光纤 6-第二双色镜

7-第一全反射镜 8-第二全反射镜 9-第一四分之一波片

10-第一半波片 11-偏振分束器 12-光学隔离器

13-第二半波片 14-第三全反射镜 15-衍射光栅

16-柱透镜 17-DMD 18-第二四分之一波片

19-第四全反射镜 20-第三双色镜 21-第四双色镜

22-第三非球面透镜

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明的设计思路是：基于环形腔结构，借助非线性偏振旋转技术和光谱滤波器实现稳定锁模。其中，光谱滤波器由衍射光栅，柱透镜和DMD共同构成，可通过编程精确控制光谱滤波的中心波长和滤波带宽，并且其色散量由正到负连续可调。

本发明提供的一种基于DMD的可编程控制的超短脉冲光纤激光器，包括泵浦光路和谐振腔。

如图1所示，一个带多模光纤输出的二极管泵浦激光源1输出的泵浦光依次经过第一非球面透镜2，第一双色镜3以及第二非球面透镜4后注入增益光纤5中。所述增益光纤5为掺镱大模场光子晶体光纤或者是掺镱双包层光纤。

所述谐振腔内，设有一用以保证信号光的单向运转的光学隔离器12；所述增益光纤5输出的信号光经过第二非球面透镜4，依次经过第一双色镜3、第二双色镜6、第一反射镜组后，再通过第一半波片9、第一四分之一波片10、偏振分束器11、所述光学隔离器12和第二半波片13后进入一滤波器，所述滤波器是由衍射光栅15、柱透镜16和数字微镜装置(DMD)17构成的色散可调的可编程滤波器；所述DMD17与所述柱透镜16之间的距离等于所述柱透镜16的焦距；光束经过衍射光栅15衍射后，光谱横向展开，经过所述柱透镜16后到达所述DMD17；信号光经所述DMD进行光谱调制后依次返回所述柱透镜16和衍射光栅15，再依次经第三全反射镜14后通过第二四分之一波片18、第二反射镜组、第三双色镜20，第四双色镜21，第三非球面透镜22返回至所述增益光纤5，从而形成环腔。

本发明实施例中，所述第一反射镜组由第一全反射镜7和第二全反射镜8构成，当然，并不限于此结构，可以根据光路走向设定；同理，虽然本发明实施例中的第二反射镜组仅包括有第四全反射镜19，但也可以根据光路的走向设定。

另外，谐振腔中的第一半波片9和第一四分之一波片10可以调换位置，但并不影响本发明的实施。

本发明中采用的DMD，是美国德州仪器(TI)公司开发的数字微镜装置，它是一种二维的微反射镜阵列，并且可以独立控制每一微反射镜沿其对角线顺时针或者逆时针方向旋转12度，从而控制每一个微反射镜上的光返回方向。

本发明中色散可调的可编程滤波器滤波效果的实现是：信号光的各光谱成分经过衍射光栅15和柱透镜16后，在横向上成像在DMD17上，因此可以对DMD17每一列上的光谱成分分别进行强度调制。通过在DMD17上加载相应的调制图像，可以实现中心波长及带宽可调的滤波效果。

下面对本发明中色散可调的可编程滤波器的色散特性进行分析。由于DMD17本身即相当于一个闪耀光栅，因此需要考虑DMD17引入的额外角色散。

假设入射光中心波长为λ₀，θ₀为衍射光栅15的利特罗角，衍射光栅15周期为d_G，柱透镜16焦距为f，DMD17等效的光栅周期为d_D，入射光对应DMD17的m级衍射级次，γ为DMD17对应的利特罗角。注意如前所述，所述DMD17与所述柱透镜16之间的距离OH一直保持为柱透镜16的焦距f。

下面采用光线追迹法进行分析，如图2所示，入射光同衍射光栅15相交于A，θ₀为入射光与衍射光栅15法线之间的夹角，且θ₀大小等于光栅的利特罗角。

对于入射光中心波长λ₀来说，假设其经衍射光栅15衍射后同柱透镜16相交于柱透镜16中心O点，之后沿直线传输，同DMD17交于H点，由于入射光沿利特罗角入射，所以由光栅衍射公式可知AH同衍射光栅15法线夹角也为θ₀。

下面分析信号光光谱成分中的任意波长λ：对于波长为λ的光线来说，假设其经衍射光栅15衍射后同柱透镜16相交于B点，沿AB方向传播经柱透镜16折射后与DMD17相交于C点，而后经DMD17衍射后同柱透镜16相交于D点，再经过柱透镜16折射后同衍射光栅15相交于E点，而后经衍射光栅15衍射后出射。

假设BC的延长线同AH的延长线相交于F点，CD的延长线同AH相交于G点。

其中

θ₀可通过光栅的利特罗条件，即入射角等于衍射角而求得。

γ可通过DMD17对应的利特罗条件，即入射角等于衍射角而求得。

θ₁为AB同AH的夹角，可通过光栅衍射公式求得。

θ₂为BC同AH平行线的夹角，大小等于∠BFA，可通过透镜的变换关系求得。

θ₃为CD同AH平行线的夹角，大小等于∠CGH，可通过DMD17对应的衍射公式求得。

θ₄为DE同AH平行线的夹角，可通过透镜的变换关系求得。

θ₅为出射光同衍射光栅15法线之间的夹角，可通过光栅的衍射公式求得。

所以，对于任意波长λ所对应的的光线来说，其在该滤波器***中传输的总有效光程P为：

P＝AB+BC+CD+DE-AE·sinθ₅

令

l＝OA

d＝OH

l₃＝OG

由于：

2sinθ₀＝λ/d_G

sinθ₀+sin(θ₀+θ₁)＝λ/d_G

θ₂＝(1-l/f)·θ₁

2sinγ＝mλ₀/d_D

sin(γ-θ₃)+sin(θ₂+γ)＝mλ₀/d_D

AB＝l/cosθ₁

CD＝BC·cosθ₂/cosθ₃

sinθ₅+sin(θ₀+θ₄)＝λ/d_G

利用以上公式就可以将光程P求出。假设经该滤波器***后出射光相位大小为φ，频率大小为ω，光速大小为c，则光线经过该***后产生的群延迟及二阶色散分别为：

其中，

ω＝2π·λ/c

以1200/mm的衍射光栅15，f＝15cm的柱透镜16和DLP4500的DMD17为例，其群速度色散随光栅与柱透镜之间的间距变化关系可由公式(1)得出，图3示出了该实施例中的群速度色散随光栅同柱透镜距离变化的关系，可以看出，通过前后移动改变光栅与柱透镜之间的间距可以实现对群延迟色散由正到负的连续调节。

此外，所述滤波器***的色散调节功能与滤波功能互相之间并不影响。因为对于某一波长的单色光成分来说，经过衍射光栅15后其衍射角度相同，所以在调节色散过程中，无论衍射光栅15同柱透镜16的距离如何变化，只要保持DMD17和柱透镜16间的距离精确等于柱透镜16的焦距，就可以使光谱精确成像在DMD17上，并通过电脑控制DMD17对各光谱成分进行强度调制从而实现滤波功能。

综上，本发明激光器不仅可以通过编程实现对输出超短脉冲的精确调谐以及对滤波带宽的控制，并且能够在很大范围内对腔内色散量进行连续调节，操作方便，适用范围广。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于数字微镜装置的可编程控制的超短脉冲光纤激光器，包括泵浦光路和谐振腔；

一个带多模光纤输出的二极管泵浦激光源(1)输出的泵浦光依次经过第一非球面透镜(2)，第一双色镜(3)以及第二非球面透镜(4)后注入增益光纤(5)中；

所述谐振腔内，设有一用以保证信号光的单向运转的光学隔离器(12)；所述增益光纤(5)输出的信号光经过第二非球面透镜(4)，依次经过第一双色镜(3)、第二双色镜(6)、第一反射镜组后，再通过第一半波片(9)、第一四分之一波片(10)、偏振分束器(11)、所述光学隔离器(12)和第二半波片(13)后进入一滤波器，其特征在于，

所述滤波器是由衍射光栅(15)、柱透镜(16)和数字微镜装置(17)构成的色散可调的可编程滤波器；所述数字微镜装置(17)与所述柱透镜(16)之间的距离等于所述柱透镜(16)的焦距；光束经过衍射光栅(15)衍射后，光谱横向展开，经过所述柱透镜(16)后到达所述数字微镜装置(17)；信号光经所述数字微镜装置进行光谱调制后依次返回所述柱透镜(16)和衍射光栅(15)，再依次经第三全反射镜(14)后通过第二四分之一波片(18)、第二反射镜组、第三双色镜(20)，第四双色镜(21)，第三非球面透镜(22)返回至所述增益光纤(5)，从而形成环腔。

2.根据权利要求1所述基于数字微镜装置的可编程控制的超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一反射镜组和第二反射镜组均有多个全反射镜构成。

3.根据权利要求1所述基于数字微镜装置的可编程控制的超短脉冲光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(5)为掺镱大模场光子晶体光纤或者是掺镱双包层光纤。