阅读说明：本技术 基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生方法 (Double-pulse laser production method based on electric light phase-modulation frequency shift feedback loop ) 是由 王磊 杨宏志 毛叶飞 高原 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生方法,包括,使单频种子激光经耦合器输入端注入到频移反馈环路中,单频种子激光在频移反馈环路中依次经过偏振控制器、电光相位调制器、低噪光学放大器、窄带滤波器、在线起偏器后再次反馈至耦合器输入端,通过调节电光相位调制器的调制频率,使电光相位调制器的调制频率等于整数倍频移反馈环路基频,耦合器的输出端输出双脉冲激光。基于该方法,可精确控制并计算双脉冲间隔,双脉冲激光重频可调谐、脉宽短、结构简单、便于应用,且采用光纤器件,产生装置体积小、可靠性、稳定性高。(The invention discloses a kind of double-pulse laser production methods based on electric light phase-modulation frequency shift feedback loop, including, it is injected into single-frequency seed laser in frequency shift feedback loop through coupler input terminal, single-frequency seed laser successively passes through Polarization Controller in frequency shift feedback loop, electro-optic phase modulator, low noise optical amplifier, narrow band filter, coupler input is fed back to again after the line polarizer, by the modulating frequency for adjusting electro-optic phase modulator, the modulating frequency of electro-optic phase modulator is set to be equal to integral multiple frequency displacement feedback control loop fundamental frequency, the output end of coupler exports double-pulse laser.Based on this method, double-pulsed time is accurately controlled and calculates, double-pulse laser repetition is tunable, pulsewidth is short, structure is simple, convenient for application, and uses optical fibre device, and generation device is small in size, reliability, stability are high.)

基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生方法

技术领域

本发明涉及光电子技术，特别是涉及一种基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生方法。

背景技术

频移反馈激光是在常规的Fabry-Perot腔或者环形腔内***移频器，使得激光每次通过移频器时光波频率都发生变化，移频器的引入影响了传统激光的选频模式，使得频移反馈激光具有了不同于常规激光的时间-频率特性。早在1970年，美国斯坦福大学微波实验室的William Streifer和John R.Whinnery教授发现，当激光腔内加入声光移频器时，输出的连续激光呈现频率啁啾特性。随后，众多研究学者开始研究频移反馈激光的时频特性，并证实了其在超高重频脉冲、微波信号的任意波形发生、啁啾光源与宽谱光源产生、射频调制激光雷达、光域实时傅里叶变换等一系列方面有着广泛的应用前景。

超短双脉冲激光是以一对超短脉冲为周期，以固定频率重复出现的脉冲激光，其在泵浦探测、激光诱导击穿光谱(LIBS)和激光材料加工等领域有着广泛的应用前景。例如，泵浦-探测技术通常是利用两束光对物质进行探测：一束作为泵浦光与物质发生相互作用，另一束作为探测光检测泵浦光或物质的变化，通过控制泵浦光与探测光之间的相对时间延迟来记录这些变化随时间的演化过程。泵浦-探测(Pump-Probe)实验中的泵浦光与探测光的相对时间延迟通常是通过精密平移台的空间运动使两束光之间产生一定的光程差而实现的，实验室基本都采用商品化的时间延迟线。但是，泵浦光与探测光在测量点的实际相对时间延迟量并非由光程差唯一决定，光在光学元件中的传输也会导致光程损耗。复杂光路的空间分布及其光学器件导致的光程差常常大到可与延迟线相比较，并且时间延迟线不同刻度采样后，人为调节也会由于光束漂移而造成光程差。因此，泵浦光和探测光在测量点的真实时间间隔变得无法准确掌握，无法保证探测超快过程的时间分辨精度，也无法实现对超快过程的精确控制。因此急需一种能够精确控制并计算双脉冲间隔的超短双脉冲激光。

发明内容

本发明旨在提出一种基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生方法，以解决现有技术中无法精确控制并计算双脉冲激光的双脉冲间隔的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，

一种基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生方法，包括，使单频种子激光经耦合器输入端注入到频移反馈环路中；单频种子激光在频移反馈环路中依次经过偏振控制器、电光相位调制器、低噪光学放大器、窄带滤波器、在线起偏器后再次反馈至耦合器输入端，通过调节电光相位调制器的调制频率，使电光相位调制器的调制频率等于整数倍频移反馈环路基频，耦合器的输出端输出双脉冲激光。

进一步地，通过调节电光相位调制器的调制深度和单频激光的频率调节双脉冲激光的脉冲间隔。

进一步地，电光相位调制器的调制深度优选为π。

进一步地，通过选择低噪光学放大器的增益和窄带滤波器的带宽，调节双脉冲激光的脉冲宽度。

进一步地，通过调节电光相位调制器的调制频率，调节双脉冲激光的重频。

进一步地，单频种子激光在经过电光相位调制器后产生双边带移频，单频种子激光经电光相位调制器的传输函数为，

其中，V_m为射频驱动电压，V_π为半波电压，ω_m为调制频率。

进一步地，单频种子激光经过低噪光学放大器时进行信号补偿。

进一步地，窄带滤波器的通带中心频率等于单频种子激光的频率。

进一步地，单频种子激光优选为线偏振激光。

进一步地，耦合器为2×2耦合器。

进一步地，电光相位调制器包括射频驱动源。

本发明具有以下有益效果：

本发明的基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生方法，包括，使单频种子激光经耦合器输入端注入到频移反馈环路中，单频种子激光在频移反馈环路中依次经过偏振控制器、电光相位调制器、低噪光学放大器、窄带滤波器、在线起偏器后再次反馈至耦合器输入端，通过调节电光相位调制器的调制频率，使电光相位调制器的调制频率等于整数倍频移反馈环路基频，耦合器的输出端输出双脉冲激光。基于该方法，可精确控制并计算双脉冲间隔，双脉冲激光重频可调谐、脉宽短、结构简单、便于应用，且采用光纤器件，产生装置体积小、可靠性、稳定性高。

附图说明

附图1为本发明基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生装置。

附图中，1-单频种子激光；2-耦合器；3-偏振控制器；4-电光相位调制器；5-低噪光学放大器；6-窄带滤波器；7-在线起偏器；8-光电探测器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1为本发明基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生装置。

如图1所示，双脉冲激光产生装置包括由依次设置的偏振控制器3、电光相位调制器4、低噪光学放大器5、窄带滤波器6、在线起偏器7组成的频移反馈环路，用于将单频种子激光1注入频移反馈环路的耦合器2，以及与耦合器2的输出端连接的光电探测器8，光电探测器8用于对经耦合器2输出的双脉冲激光参数进行测量。

优选地，电光相位调制器4包括射频驱动源。

本发明的基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生方法，采用图1所示的产生装置，双脉冲激光产生方法包括，使单频种子激光1经耦合器2输入端注入到频移反馈环路中；单频种子激光1在频移反馈环路中依次经过偏振控制器3、电光相位调制器4、低噪光学放大器5、窄带滤波器6、在线起偏器7后再次反馈至耦合器2输入端，通过调节电光相位调制器4的调制频率ω_m，使电光相位调制器4的调制频率ω_m等于整数倍频移反馈环路基频ω_c，耦合器2的输出端输出双脉冲激光。

本发明中，为了提高频移反馈环路增益的同时能有效抑制频移反馈环路中增益介质的自发辐射而引起的锁模特性，频移反馈环路采用全保偏器件或非保偏器件添加多个偏振控制器件以实现环路中传输的激光均为线偏振态。

优选地，单频种子激光1为线偏振激光。

优选地，耦合器2为2×2耦合器。

本发明中，单频种子激光1在经过电光相位调制器4后产生双边带移频，单频种子激光1经电光相位调制器4的传输函数为，

其中，V_m为射频驱动电压，V_π为半波电压，ω_m为调制频率。

本发明中，单频种子激光1在经过电光相位调制器4移频后功率发生衰减，在频移反馈环路中设置低噪光学放大器5，可对功率衰减后的单频种子激光1进行信号补偿，从而使单频种子激光1能够在频移反馈环路中反复传输。

本发明中，由于在频移反馈环路中设置了低噪光学放大器5，频移反馈环路极易发生自激振荡而产生锁模脉冲。为了有效抑制自发辐射，在频移反馈环路中加入窄带滤波器6，且窄带滤波器6的通带中心频率与单频种子激光1频率ω₀相同，而与自发辐射的中心波长不同。同时，由于频移反馈环路自激产生的锁模脉冲通常是随机偏振态，因此在窄带滤波器6后设置在线起偏器7，使经过移频放大的激光再通过在线起偏器7，进一步地抑制环路自激。

实施例1

采用图1所示的双脉冲激光产生装置进行实验，使单频种子激光1经耦合器2注入频移反馈环路中，单频种子激光1依次经过偏振控制器3、电光相位调制器4、低噪光学放大器5、窄带滤波器6、在线起偏器7后再次反馈至耦合器2输入端，通过调节电光相位调制器4的调制频率ω_m，使电光相位调制器4的调制频率ω_m等于整数倍频移反馈环路基频ω_c，耦合器2的输出端输出双脉冲激光。调节电光相位调制器4、低噪光学放大器5和窄带滤波器6的各个参数，采用光电探测器8对经耦合器2输出端输出的双脉冲激光参数进行测量。

实验发现，本发明的双脉冲激光产生方法，通过调节电光相位调制器4的调制深度δ和单频种子激光1的频率ω₀，可调节双脉冲激光的脉冲间隔。通过选择低噪光学放大器5的增益G和窄带滤波器6的带宽，可实现脉冲宽度(ns量级到1ps量级)的连续可调。此外，本发明中，耦合器2输出端输出的双脉冲激光的重频等于电光相位调制器4的调制频率ω_m，因此，通过调节电光相位调制器4的调制频率ω_m，即可调节双脉冲激光的重频，实现双脉冲激光重频(MHz-20GHz)的连续可调。

实施例2

本实施例将从理论角度，根据耦合器2的传输特性、频移反馈环路选频特性、电光相位调制器4的调制特性等，分析基于电光相位调制频移反馈环路的双脉冲激光产生方法的延时自外差干涉理论模型。

根据2×2耦合器2的特性，设耦合传输矩阵[t_ij](i和j分别表示耦合器输入端与输出端的对应序号)。单频激光电场表示为其中ω₀为单频种子激光1的频率；输出激光电场表示为E_out(t)

当频移反馈环路闭合时，第2输入端口的激光场E_in2(t)与第2输出端口的激光场E_out2(t)可以表示为：

E_in2(t)＝γE_out2(t-τ)γ(t) (2)

其中，是多项因子的乘积，包括由偏振控制器3、窄带滤波器6、在线起偏器7引入的损耗系数η，低噪光学放大器5的增益G；γ(t)是电光相位调制器4的传输函数；τ是由频移反馈环路长度决定的延迟时间τ＝nL/C(n为光纤折射率、L为频移反馈环路长度、c为真空中的光速)。

根据公式(1)，耦合器2第2输出端口的电场可以表示为：

E_out2(t)＝t₂₁E_in1(t)+t₂₂E_in2(t) (3)

根据公式(2)和(3)可得：

E_out2(t)＝t₂₁E_in1(t)+t₂₂γE_out2(t-τ)γ⁽¹⁾(t) (4)

可以发现，t时刻的激光场E_out2(t)可以表示为t时刻的单频激光场E_in1(t)与t-τ时刻激光场E_out2(t-τ)的线性叠加。那么，t-τ时刻的激光场E_out2(t-τ)可以表示为t-τ时刻的单频激光场E_in1(t-τ)与t-2τ时刻激光场E_out2(t-2τ)的线性叠加，同理可得

E_out2(t-τ)＝t₂₁E_in1(t-τ)+t₂₂γE_out2(t-2τ)γ⁽²⁾(t)

E_out2(t-2τ)＝t₂₁E_in1(t-2τ)+t₂₂γE_out2(t-3τ)γ⁽³⁾(t)

…

E_out2(t-nτ)＝t₂₁E_in1(t-nτ)+t₂₂γE_out2(t-(n+1)τ)γ⁽ⁿ⁺¹⁾(t)

(5)

将公式(2)反复代入(4)中可以得到

E_out2(t)＝t₂₁E_in1(t)

+t₂₁t₂₂γE_in1(t-τ)γ⁽¹⁾(t)

+t₂₁(γt₂₂)²E_in1(t-2τ)γ⁽¹⁾(t)γ⁽²⁾(t)

+t₂₁(γt₂₂)³E_in1(t-3τ)γ⁽¹⁾(t)γ⁽²⁾(t)γ⁽³⁾(t)

+...

(6)

耦合器2第2输出端口为频移反馈激光的输出端，根据公式(1)和(2)，可得：

E_out1(t)＝t₁₁E_in1(t)+t₁₂E_in2(t)

＝t₁₁E_in1(t)+t₁₂γEo_ut2(t-τ)γ⁽¹⁾(t)

(7)

结合公式(7)以及对公式(6)归纳总结可得到：

其中， 表示调制深度。当电光相位调制器4的调制频率满足ω_m/ω_c＝p(p为整数)时，公式(8)可化简为

实验中可以通过控制频移反馈环路中的偏振态以及抑制环路自激，使得单频种子激光1在环路中的频移次数N较大(N可达10³-10⁵)，根据求和公式可将公式(9)简化为

设θ(t)＝δsin(ω_mt)+ω_oτ；当相位因子θ(t)＝δsin(ω_mt)+ω_oτ＝2kπ时，频移反馈环路输出脉冲序列，且根据正弦函数的周期性，在一个调制周期f_m内，频移反馈激光产生了一对脉冲，且双脉冲间隔受电光相位调制器4的调制深度δ、调制频率ω_m、单频种子激光频率ω₀和频移反馈环路基频ω_c的影响。当调制深度δ＝π时，频移反馈环路产生最优的双脉冲激光，此时脉冲间隔可以根据单频种子激光频率ω₀直接算出来。而当δ大于或者小于π时，实验上仍可以实现双脉冲，但此时脉冲间隔需同时考虑调制深度δ、单频种子激光频率ω₀和调制频率ω_m等参数。因此，最优设置为调制深度δ＝π。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。