一种光脉冲重复频率扩展器及激光应用系统

摘要

本发明适用于光电领域，提供了一种光脉冲重复频率扩展器及激光应用系统，所述光脉冲重复频率扩展器为由多个耦合器对依次连接而成的级联光纤耦合器，各耦合器对具有输入端、输出端和两个连接臂，其中一个连接臂较另一个连接臂长ΔLN＝c/(2×Nfn)，N为所述级联光纤耦合器的级数，n为所述光纤的纤芯折射率。本发明实施例在级联光纤耦合器的某个连接臂中引入光程差设计出一种全光纤化的光脉冲重复频率扩展器，结构简单、成本低。该光脉冲重复频率扩展器能够对当前常用的脉冲激光器进行重复频率扩展，尤其对重复频率为MHZ的皮秒脉冲及KHZ的纳秒脉冲激光器的进行重复频率的多级倍频扩展，用以提高当前脉冲光纤激光器的输出功率水平。

权利要求

1.一种光脉冲重复频率扩展器，其特征在于，所述光脉冲重复频率扩展器为由多个耦合器对依次连接而成的级联光纤耦合器，各耦合器对具有输入端、输出端和两个连接臂，在其中一个连接臂多熔接一段光纤，使此臂的长度比另一臂长ΔLN＝c/(2×Nfn)，N为所述级联光纤耦合器的级数，n为所述光纤的纤芯折射率。

2.如权利要求1所述的光脉冲重复频率扩展器，其特征在于，所述耦合器对为由两个

1×2型耦合器构成的耦合器对；各耦合器的耦合比为50∶50，各耦合器对的输入端和输出端均具有一个连接臂。

3.如权利要求2所述的光脉冲重复频率扩展器，其特征在于，由2N个耦合器构成第NN级倍频器，实现2 倍频。

4.如权利要求1所述的光脉冲重复频率扩展器，其特征在于，所述耦合器对为由两个相邻的2×2型耦合器构成的耦合器对；各耦合器的耦合比为50∶50，各耦合器对的输入端和输出端均具有两个连接臂。

5.如权利要求4所述的光脉冲重复频率扩展器，其特征在于，由N+1个耦合器构成第NN级倍频器，实现2 倍频。

6.一种激光应用系统，其特征在于，所述激光应用系统包括如权利要求1～5中任一项所述的光脉冲重复频率扩展器。

说明书

一种光脉冲重复频率扩展器及激光应用系统

技术领域

[0001] 本发明属于光电领域，尤其涉及一种光脉冲重复频率扩展器及激光应用系统。

背景技术

[0002] 高功率皮秒或纳秒脉冲光纤激光器一般采用主振荡功率放大(MOPA)的结构，即利用光纤放大器对皮秒或纳秒种子脉冲激光器进行功率放大。放大后会产生高的峰值功率及大的单脉冲能量，从而引起强烈的非线性效应，同时放大后过大的脉冲能量和过高峰值功率会导致光纤输出端面受到激光损伤而烧毁端面。这样，强非线性效应及激光端面损伤效应限制了放大器的功率(平均功率)放大水平。

[0003] 而一般全光纤结构的被动锁模皮秒激光脉冲的重复频率受到腔长的限制，只能在100MHZ左右；受到调制电路及调Q装置的限制，调制半导体激光器或调Q激光器产生的纳秒脉冲最大重复频率一般为几百KHZ。

发明内容

[0004] 本发明实施例的目的在于提供一种光脉冲重复频率扩展器，旨在解决现有脉冲激光器重复频率及输出功率低的问题。

[0005] 本发明实施例是这样实现的，一种光脉冲重复频率扩展器，为由多个耦合器对依次连接而成的级联光纤耦合器，各耦合器对具有输入端、输出端和两个连接臂，在其中一个连接臂多熔接一段光纤，使此臂的长度比另一臂长ΔLN＝c/(2×Nfn)，N为所述级联光纤耦合器的级数，n为所述光纤的纤芯折射率。

[0006] 本发明实施例的另一目的在于提供一种激光应用系统，所述激光应用系统包括上述光脉冲重复频率扩展器。

[0007] 本发明实施例在级联光纤耦合器的某个连接臂中引入光程差设计出一种全光纤化的光脉冲重复频率扩展器，结构简单、成本低。该光脉冲重复频率扩展器能够对当前常用的脉冲激光器进行重复频率扩展，尤其对重复频率为MHZ的皮秒脉冲及KHZ的纳秒脉冲激光器的进行重复频率的多级倍频扩展，从而克服限制其功率放大过程中的不良的非线性效应和高能量、峰值功率对光纤端面的损伤问题，用以提高当前脉冲光纤激光器的输出功率水平。

附图说明

[0008] 图1是本发明第一实施例提供的光脉冲重复频率扩展器的结构示意图；

[0009] 图2是本发明第二实施例提供的光脉冲重复频率扩展器的结构示意图。

具体实施方式

[0010] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0011] 本发明实施例在级联光纤耦合器的某个连接臂中引入光程差设计出一种全光纤化的光脉冲重复频率扩展器，结构简单、成本低。

[0012] 本发明实施例提供的光脉冲重复频率扩展器为由多个耦合器对依次连接而成的级联光纤耦合器，各耦合器对具有输入端、输出端和两个连接臂，其中一个连接臂较另一个连接臂长ΔLN＝c/(2×Nfn)，N为所述级联光纤耦合器的级数，n为所述光纤的纤芯折射率。

[0013] 本发明实施例提供的激光应用系统包括上述光脉冲重复频率扩展器。

[0014] 以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。

[0015] 实施例一

[0016] 如图1所示，本发明实施例提供的光脉冲重复频率扩展器为基于1×2耦合器对的四倍频光脉冲重复频率扩展器，其包括第一耦合器11、第二耦合器12、第三耦合器13及第四耦合器14，各耦合器的耦合比为50∶50。第一耦合器11和第二耦合器12的两个输出端分别对应熔接形成两个连接臂，同时在其中一个连接臂接入一段长度为ΔL1＝c/2fn的第一光纤21，使该连接臂较另一个连接臂长ΔL1＝c/2fn，该两个耦合器形成第一耦合器对10(即第一级倍频器10)，实现第一级倍频，即f1＝2×f，此为二倍频。

[0017] 同样地，第三耦合器13和第四耦合器14构成第二耦合器对20(即第二级倍频器20)，第一耦合器对的输出端15与第二耦合器对的输入端16熔接。在第二耦合器对20的一个连接臂引入一段长度为ΔL2＝c/(2×2fn)的第二光纤22，使该连接臂较另一个连接臂长ΔL2＝c/(2×2fn)，进行第二级倍频即可对输入的光脉冲进行四倍频后输出。依此类推，如果在第二耦合器对20之后级联更多的耦合器对即可实现更高级的倍频。

[0018] 当某一固定重复频率为f的光脉冲经过第一耦合器11时，第一耦合器11均分该光脉冲，其两连接臂的长度不等，长度差为ΔL1＝c/2fn，两光脉冲经过第二耦合器12进行叠加时将会产生一个时间差，该时间差为ΔT1＝ΔL1·n/c(n为所接入光纤的纤芯折射率，c为光速)。叠加后的光脉冲重复频率为原来重复频率的2倍，即f1＝2×f，实现了对光脉冲重复频率的二倍频。

[0019] 当重复频率为f的光脉冲经过第三耦合器13时，第三耦合器13均分该光脉冲，其两连接臂的长度不等，长度差为ΔL2＝c/(2×2fn)，两光脉冲经过第四耦合器14进行叠加时将会产生一个时间差，该时间差为ΔT2＝ΔL2·n/c(n为所接入光纤的纤芯折射率，c为光速)。叠加后的光脉冲重复频率为原来重复频率的2倍，f2＝2f1＝4f，实现第二级倍频，2
即f2＝2×f＝4f，即四倍频。

[0020] 显然，第N级倍频需在第N耦合器对其中一个连接臂中引入长度差为ΔLN＝c/N(2×Nfn)的光纤，由2N个光纤耦合器构成第N级倍频器，实现第N级倍频，fN＝2×f，即N
2 倍频，从而实现对输入光脉冲重复频率扩展的目的。

[0021] 由于1×2耦合器是将2×2耦合器的一个输入臂剪掉而实现的，因此基于1×2耦合器对的重复频率扩展器的缺点是每经过一个倍频器(耦合器对)，输出功率将会损耗一半，为此，设计了基于2×2耦合器对的重复频率扩展器。而实现第N级倍频需采用2N个光纤耦合器。

[0022] 实施例二

[0023] 如图2所示，本发明实施例提供的光脉冲重复频率扩展器为基于2×2耦合器对的四倍频光脉冲重复频率扩展器，其包括第一耦合器31、第二耦合器32及第三耦合器33，各耦合器均为2×2型耦合器，各耦合器的耦合比均为50∶50，其中第一耦合器31和第二耦合器32构成第一耦合器对30(即第一级倍频器30)。该第一耦合器对30与第一实施例的第一耦合器对10的结构类似，区别在于本实施例中各耦合器对的输入端和输出端均具有两个连接臂。

[0024] 本发明实施例中，第一耦合器对30输出端两个连接臂17、18可以与第三耦合器33输入端两个连接臂27、28分别熔接，避免了1×2耦合器对的输出端中一个连接臂闲置导致的功率损耗。在第一耦合器对30后每级联一个2×2耦合器，其输出端任意一连接臂的光脉冲重复频率较上一耦合器输出端重复频率扩展一倍。

[0025] 相邻两个耦合器构成一耦合器对(一级倍频器)，如第二耦合器32与第一耦合器31组成第一耦合器对30(即第一级倍频器30)，第三耦合器33与第二耦合器32组成第二耦合器对40(即第二级倍频器40)，第N耦合器与第N-1耦合器组成第N-1级倍频器，第N+1耦合器与第N耦合器组成第N级倍频器。

[0026] 同样地，于第一耦合器对30(即第一级倍频器30)其中一个连接臂引入一段长度为ΔL1＝c/2fn的第一光纤51，于第二耦合器对40(即第二级倍频器40)其中一个连接臂引入一段长度为ΔL2＝c/(2×2fn)的第二光纤52，于第N级倍频器的一个连接臂中引入长度为ΔLN＝c/(2×Nfn)的光纤，由N+1个光纤耦合器构成第N级倍频器，实现第N级倍N N频，fN＝2×f，即2 倍频，从而实现对输入光脉冲重复频率扩展的目的。从第N级倍频器输出端两个连接臂输出的光脉冲均可使用，避免功率浪费。此外，为实现第N级倍频需采用N+1个光纤耦合器，与第一实施例相比，极大地减少了所需光纤耦合器的个数。

[0027] 本发明实施例在级联光纤耦合器的某个连接臂中引入光程差设计出一种全光纤化的光脉冲重复频率扩展器，结构简单、成本低。该光脉冲重复频率扩展器能够对当前常用的脉冲激光器进行重复频率扩展，尤其对重复频率为MHZ的皮秒脉冲及KHZ的纳秒脉冲激光器的进行重复频率的多级倍频扩展，从而克服限制其功率放大过程中的不良的非线性效应和高能量、峰值功率对光纤端面的损伤问题，用以提高当前脉冲光纤激光器的输出功率水平。此外，本光脉冲重复频率扩展器可采用1×2耦合器或2×2耦合器制成。

[0028] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。