本發(fā)明涉及超短脈沖激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)字微鏡裝置構(gòu)成的可編程濾波且色散連續(xù)可調(diào)的超短脈沖光纖激光器。

背景技術(shù)：

被動(dòng)鎖模的超短脈沖光纖激光器具有成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，散熱性能好,輸出光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)得到廣泛關(guān)注和發(fā)展?？傮w上來(lái)說(shuō)，非線(xiàn)性過(guò)程在這種激光器中起著很重要的作用，但同時(shí)增益與損耗、色散與非線(xiàn)性之間的互相作用也可以用來(lái)對(duì)腔內(nèi)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行控制，從而形成不同的鎖模區(qū)域。根據(jù)激光器腔內(nèi)的凈色散量大小由負(fù)到正，大體上可以將其分為孤子鎖模域、色散管理孤子鎖模域以及耗散孤子鎖模域，不同色散域的鎖模脈沖有著各自的特點(diǎn)和不同的應(yīng)用。

孤子鎖模的光纖激光器工作在大的凈負(fù)色散域內(nèi)，受到孤子面積理論限制，穩(wěn)定的孤子鎖模的脈沖寬度和脈沖能量都受到嚴(yán)格限制，過(guò)大的能量必然導(dǎo)致孤子分裂。為提高脈沖能量，人們吸取了通信系統(tǒng)中色散管理的概念，提出了色散管理孤子鎖模方式，在腔內(nèi)同時(shí)引入大小近似的正色散和負(fù)色散，使脈沖在腔內(nèi)交替展寬壓縮，從而降低了脈沖峰值功率，增加了脈沖平均寬度，減弱了非線(xiàn)性效應(yīng)，提高了脈沖能量。耗散孤子鎖模光纖激光器腔內(nèi)僅有正色散器件或者有著很強(qiáng)的凈正色散量，脈沖的能量可以進(jìn)一步提高而不致于積累過(guò)高的非線(xiàn)性相移而產(chǎn)生分裂，通過(guò)在腔內(nèi)人為的引入頻譜濾波元件將高度啁啾脈沖的光譜調(diào)制轉(zhuǎn)化成振幅調(diào)制以實(shí)現(xiàn)同非線(xiàn)性相移之間的平衡從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模。

然而目前為止被動(dòng)鎖模光纖激光器受限于其可重構(gòu)性，即為了獲得不同的輸出脈沖寬度、單脈沖能量等往往需要對(duì)激光腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行非常大的改動(dòng)，而且往往是需要重新設(shè)計(jì)激光腔以滿(mǎn)足新的輸出參數(shù)。如何靈活的調(diào)控激光腔內(nèi)的色散以及選擇合適的濾波器成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種基于數(shù)字微鏡裝置(digitalmicromirrordevice，dmd)的可編程控制的超短脈沖光纖激光器，該激光器不僅可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)調(diào)諧以及靈活選擇濾波帶寬，并且能夠在很大范圍內(nèi)由正到負(fù)地對(duì)腔內(nèi)色散量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光器輸出脈沖特性的控制。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種基于數(shù)字微鏡裝置的可編程控制的超短脈沖光纖激光器，包括泵浦光路和諧振腔；一個(gè)帶多模光纖輸出的二極管泵浦激光源輸出的泵浦光依次經(jīng)過(guò)第一非球面透鏡，第一雙色鏡以及第二非球面透鏡后注入增益光纖中；所述諧振腔內(nèi)，設(shè)有一用以保證信號(hào)光的單向運(yùn)轉(zhuǎn)的光學(xué)隔離器；所述增益光纖輸出的信號(hào)光經(jīng)過(guò)第二非球面透鏡，依次經(jīng)過(guò)第一雙色鏡、第二雙色鏡、第一反射鏡組后，再通過(guò)第一半波片、第一四分之一波片、偏振分束器、所述光學(xué)隔離器和第二半波片后進(jìn)入一濾波器，所述濾波器是由衍射光柵、柱透鏡和數(shù)字微鏡裝置構(gòu)成的色散可調(diào)的可編程濾波器；所述數(shù)字微鏡裝置與所述柱透鏡之間的距離等于所述柱透鏡的焦距；光束經(jīng)過(guò)衍射光柵衍射后，光譜橫向展開(kāi)，經(jīng)過(guò)所述柱透鏡后到達(dá)所述數(shù)字微鏡裝置；信號(hào)光經(jīng)所述數(shù)字微鏡裝置進(jìn)行光譜調(diào)制后依次返回所述柱透鏡和衍射光柵，再依次經(jīng)第三全反射鏡后通過(guò)第二四分之一波片、第二反射鏡組、第三雙色鏡，第四雙色鏡，第三非球面透鏡返回至所述增益光纖，從而形成環(huán)腔。

進(jìn)一步講，所述第一反射鏡組和第二反射鏡組均有多個(gè)全反射鏡構(gòu)成。所述增益光纖為摻鐿大模場(chǎng)光子晶體光纖或者是摻鐿雙包層光纖。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明中的衍射光柵，柱透鏡和dmd組合構(gòu)成的濾波器，其濾波中心波長(zhǎng)和濾波帶寬通過(guò)編程控制，具有很寬的調(diào)諧范圍和很高的光譜分辨率，精確度高；同時(shí)通過(guò)前后移動(dòng)改變光柵與柱透鏡之間的間距可以實(shí)現(xiàn)對(duì)群延遲色散由正到負(fù)的連續(xù)調(diào)節(jié)，操作方便，有利于激光器輸出參數(shù)的調(diào)節(jié)和優(yōu)化。由于dmd損傷閾值高，與相同光學(xué)涂覆的反射鏡相同，可以輕易承受瓦量級(jí)的平均功率和百納焦的單脈沖能量。dmd成本低，因而激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于dmd的可編程控制的超短脈沖光纖激光器的構(gòu)成圖；

圖2是本發(fā)明中色散可調(diào)的可編程濾波器的色散特性分析示意圖；

圖3是實(shí)施例中群速度色散隨光柵與柱透鏡之間的間距變化關(guān)系曲線(xiàn)圖。

圖中：

1-二極管泵浦激光源2-第一非球面透鏡3-第一雙色鏡

4-第二非球面透鏡5-增益光纖6-第二雙色鏡

7-第一全反射鏡8-第二全反射鏡9-第一四分之一波片

10-第一半波片11-偏振分束器12-光學(xué)隔離器

13-第二半波片14-第三全反射鏡15-衍射光柵

16-柱透鏡17-dmd18-第二四分之一波片

19-第四全反射鏡20-第三雙色鏡21-第四雙色鏡

22-第三非球面透鏡

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說(shuō)明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是：基于環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，借助非線(xiàn)性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)和光譜濾波器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模。其中，光譜濾波器由衍射光柵，柱透鏡和dmd共同構(gòu)成，可通過(guò)編程精確控制光譜濾波的中心波長(zhǎng)和濾波帶寬，并且其色散量由正到負(fù)連續(xù)可調(diào)。

本發(fā)明提供的一種基于dmd的可編程控制的超短脈沖光纖激光器，包括泵浦光路和諧振腔。

如圖1所示，一個(gè)帶多模光纖輸出的二極管泵浦激光源1輸出的泵浦光依次經(jīng)過(guò)第一非球面透鏡2，第一雙色鏡3以及第二非球面透鏡4后注入增益光纖5中。所述增益光纖5為摻鐿大模場(chǎng)光子晶體光纖或者是摻鐿雙包層光纖。

所述諧振腔內(nèi)，設(shè)有一用以保證信號(hào)光的單向運(yùn)轉(zhuǎn)的光學(xué)隔離器12；所述增益光纖5輸出的信號(hào)光經(jīng)過(guò)第二非球面透鏡4，依次經(jīng)過(guò)第一雙色鏡3、第二雙色鏡6、第一反射鏡組后，再通過(guò)第一半波片9、第一四分之一波片10、偏振分束器11、所述光學(xué)隔離器12和第二半波片13后進(jìn)入一濾波器，所述濾波器是由衍射光柵15、柱透鏡16和數(shù)字微鏡裝置(dmd)17構(gòu)成的色散可調(diào)的可編程濾波器；所述dmd17與所述柱透鏡16之間的距離等于所述柱透鏡16的焦距；光束經(jīng)過(guò)衍射光柵15衍射后，光譜橫向展開(kāi)，經(jīng)過(guò)所述柱透鏡16后到達(dá)所述dmd17；信號(hào)光經(jīng)所述dmd進(jìn)行光譜調(diào)制后依次返回所述柱透鏡16和衍射光柵15，再依次經(jīng)第三全反射鏡14后通過(guò)第二四分之一波片18、第二反射鏡組、第三雙色鏡20，第四雙色鏡21，第三非球面透鏡22返回至所述增益光纖5，從而形成環(huán)腔。

本發(fā)明實(shí)施例中，所述第一反射鏡組由第一全反射鏡7和第二全反射鏡8構(gòu)成，當(dāng)然，并不限于此結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)光路走向設(shè)定；同理，雖然本發(fā)明實(shí)施例中的第二反射鏡組僅包括有第四全反射鏡19，但也可以根據(jù)光路的走向設(shè)定。

另外，諧振腔中的第一半波片9和第一四分之一波片10可以調(diào)換位置，但并不影響本發(fā)明的實(shí)施。

本發(fā)明中采用的dmd，是美國(guó)德州儀器(ti)公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字微鏡裝置，它是一種二維的微反射鏡陣列，并且可以獨(dú)立控制每一微反射鏡沿其對(duì)角線(xiàn)順時(shí)針或者逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)12度，從而控制每一個(gè)微反射鏡上的光返回方向。

本發(fā)明中色散可調(diào)的可編程濾波器濾波效果的實(shí)現(xiàn)是：信號(hào)光的各光譜成分經(jīng)過(guò)衍射光柵15和柱透鏡16后，在橫向上成像在dmd17上，因此可以對(duì)dmd17每一列上的光譜成分分別進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。通過(guò)在dmd17上加載相應(yīng)的調(diào)制圖像，可以實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)及帶寬可調(diào)的濾波效果。

下面對(duì)本發(fā)明中色散可調(diào)的可編程濾波器的色散特性進(jìn)行分析。由于dmd17本身即相當(dāng)于一個(gè)閃耀光柵，因此需要考慮dmd17引入的額外角色散。

假設(shè)入射光中心波長(zhǎng)為λ0，θ0為衍射光柵15的利特羅角，衍射光柵15周期為dg，柱透鏡16焦距為f，dmd17等效的光柵周期為dd，入射光對(duì)應(yīng)dmd17的m級(jí)衍射級(jí)次，γ為dmd17對(duì)應(yīng)的利特羅角。注意如前所述，所述dmd17與所述柱透鏡16之間的距離oh一直保持為柱透鏡16的焦距f。

下面采用光線(xiàn)追跡法進(jìn)行分析，如圖2所示，入射光同衍射光柵15相交于a，θ0為入射光與衍射光柵15法線(xiàn)之間的夾角，且θ0大小等于光柵的利特羅角。

對(duì)于入射光中心波長(zhǎng)λ0來(lái)說(shuō)，假設(shè)其經(jīng)衍射光柵15衍射后同柱透鏡16相交于柱透鏡16中心o點(diǎn)，之后沿直線(xiàn)傳輸，同dmd17交于h點(diǎn)，由于入射光沿利特羅角入射，所以由光柵衍射公式可知ah同衍射光柵15法線(xiàn)夾角也為θ0。

下面分析信號(hào)光光譜成分中的任意波長(zhǎng)λ：對(duì)于波長(zhǎng)為λ的光線(xiàn)來(lái)說(shuō)，假設(shè)其經(jīng)衍射光柵15衍射后同柱透鏡16相交于b點(diǎn)，沿ab方向傳播經(jīng)柱透鏡16折射后與dmd17相交于c點(diǎn)，而后經(jīng)dmd17衍射后同柱透鏡16相交于d點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)柱透鏡16折射后同衍射光柵15相交于e點(diǎn)，而后經(jīng)衍射光柵15衍射后出射。

假設(shè)bc的延長(zhǎng)線(xiàn)同ah的延長(zhǎng)線(xiàn)相交于f點(diǎn)，cd的延長(zhǎng)線(xiàn)同ah相交于g點(diǎn)。

其中

θ0可通過(guò)光柵的利特羅條件，即入射角等于衍射角而求得。

γ可通過(guò)dmd17對(duì)應(yīng)的利特羅條件，即入射角等于衍射角而求得。

θ1為ab同ah的夾角，可通過(guò)光柵衍射公式求得。

θ2為bc同ah平行線(xiàn)的夾角，大小等于∠bfa，可通過(guò)透鏡的變換關(guān)系求得。

θ3為cd同ah平行線(xiàn)的夾角，大小等于∠cgh，可通過(guò)dmd17對(duì)應(yīng)的衍射公式求得。

θ4為de同ah平行線(xiàn)的夾角，可通過(guò)透鏡的變換關(guān)系求得。

θ5為出射光同衍射光柵15法線(xiàn)之間的夾角，可通過(guò)光柵的衍射公式求得。

所以，對(duì)于任意波長(zhǎng)λ所對(duì)應(yīng)的的光線(xiàn)來(lái)說(shuō)，其在該濾波器系統(tǒng)中傳輸?shù)目傆行Ч獬蘰為：

p＝ab+bc+cd+de-ae·sinθ5

令

l＝oa

d＝oh

l3＝og

由于：

2sinθ0＝λ/dg

sinθ0+sin(θ0+θ1)＝λ/dg

θ2＝(1-l/f)·θ1

2sinγ＝mλ0/dd

sin(γ-θ3)+sin(θ2+γ)＝mλ0/dd

ab＝l/cosθ1

cd＝bc·cosθ2/cosθ3

sinθ5+sin(θ0+θ4)＝λ/dg

利用以上公式就可以將光程p求出。假設(shè)經(jīng)該濾波器系統(tǒng)后出射光相位大小為φ，頻率大小為ω，光速大小為c，則光線(xiàn)經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)后產(chǎn)生的群延遲及二階色散分別為：

其中，

ω＝2π·λ/c

以1200/mm的衍射光柵15，f＝15cm的柱透鏡16和dlp4500的dmd17為例，其群速度色散隨光柵與柱透鏡之間的間距變化關(guān)系可由公式(1)得出，圖3示出了該實(shí)施例中的群速度色散隨光柵同柱透鏡距離變化的關(guān)系，可以看出，通過(guò)前后移動(dòng)改變光柵與柱透鏡之間的間距可以實(shí)現(xiàn)對(duì)群延遲色散由正到負(fù)的連續(xù)調(diào)節(jié)。

此外，所述濾波器系統(tǒng)的色散調(diào)節(jié)功能與濾波功能互相之間并不影響。因?yàn)閷?duì)于某一波長(zhǎng)的單色光成分來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)衍射光柵15后其衍射角度相同，所以在調(diào)節(jié)色散過(guò)程中，無(wú)論衍射光柵15同柱透鏡16的距離如何變化，只要保持dmd17和柱透鏡16間的距離精確等于柱透鏡16的焦距，就可以使光譜精確成像在dmd17上，并通過(guò)電腦控制dmd17對(duì)各光譜成分進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制從而實(shí)現(xiàn)濾波功能。

綜上，本發(fā)明激光器不僅可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出超短脈沖的精確調(diào)諧以及對(duì)濾波帶寬的控制，并且能夠在很大范圍內(nèi)對(duì)腔內(nèi)色散量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，操作方便，適用范圍廣。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。