基于非线性增益的Mamyshev光纤激光器

本技术涉及超快光学与非线性光学，涉及一种基于非线性增益的mamyshev光纤激光器。

背景技术：

1、超快脉冲激光器具有输出脉冲持续时间超短、重复频率高、峰值功率大等特点，是现代医学诊断、非线性光学、原子量子相干控制等领域的前沿工具。在各种类型的激光格式中，光纤激光器因其结构紧凑、无需准直、环境适应性好、成本低等优点而显示出极大的优势。目前，获得超快激光的方法主要包括主动锁模和被动锁模技术两种。主动锁模光纤激光器需要引入调制器，可能会降低其环境稳定性。通常主动锁模光纤激光器的输出脉冲持续时间在皮秒量级，尚不能满足人们对超快脉冲激光的需求。被动锁模被认为是最容易产生脉冲的技术，其原理是利用光纤内非线性效应或者可饱和吸收体(sas)自身的吸收特性来实现锁模功能。基于非线性效应的锁模光纤激光器需要精确控制光纤输出端的耦合比，且非线性效应过高会导致脉冲分裂从而难以获得高脉冲能量；基于各种二维材料的sas损伤阈值较低，限制了高能脉冲的产生。

2、近年来，mamyshev振荡器(mo)因其高脉冲能量和超短脉冲持续时间引起了广泛的关注。其原理是通过自相位调制效应实现脉冲展宽和光谱滤波补偿进而实现自振幅调制效应，与sa作用相同。此外，mo可以承受60π以上的非线性相移，不会因非线性效应过高而导致脉冲分裂，使得mo能够输出较高峰值功率的脉冲，因此，mo被认为是一种可以承受高非线性效应且输出脉冲能量高的激光谐振腔。目前，mamyshev振荡器在高峰值功率、高脉冲能量和高重频等技术方面均具有较为深入的研究，并取得了一系列成果。2018年，利用单模大模场光子晶体光纤成功构建的mo输出脉冲峰值功率高达13 mw；单模光纤中>200 nj、光子晶体光纤中>1 µj的脉冲能量远远超过其他可饱和吸收器的光纤激光器；2019年，通过使用具有较大群速色散的色散补偿光纤来构建mo，同时适当调整滤波器和腔内增益，实现了90 ghz的高重复率谐波锁模。

3、然而，目前对于mo的研究及实验验证大多集中于1 μm及1.5 μm波段，且mo输出激光波长相对固定，可调谐范围较窄，导致输出的激光不能满足实际应用中对某些特殊波段光源的需求。并且，mo光纤激光器多采用稀土离子掺杂光纤作为增益介质，其受限于掺杂离子发射带宽，导致激光器的工作波长范围受到限制，也即它的波长可调谐性相对受限。

4、与之相比，相关技术中的拉曼光纤激光器利用无源光纤（非线性光纤）中的受激拉曼散射效应提供增益，受激拉曼散射是一种由光纤内的介质分子与光波间的散射作用而导致的非线性效应，可以产生不同波长的斯托克斯（stokes）光。理论上拉曼光纤激光器能产生工作在任意波长的激光，具有量子亏损小、无光子暗化、背景噪声低、以及波长灵活的优势。其应用非常广泛，包括光通信、通信传感和多光子成像等领域。迄今为止，基于受激拉曼散射效应的连续波高功率拉曼光纤激光器和放大器已经在几个特殊的激光发射区域得到了证明，例如基于稀土离子掺杂的传统激光器无法达到的1.1-1.3 μm、1.4-1.5 μm和1.6-1.7 μm。得益于波长灵活易调控以及可级联工作的优势，拉曼光纤激光器在波长可调谐上展现出巨大的优势。在近红外波段，已经实现了输出功率瓦量级、工作波长1-1.9 μm的超宽带可调谐拉曼激光。

5、目前，现有技术中也出现了将无源光纤的非线性效应用于mamyshev振荡器的激光器，如公开日为2022.07.01的中国发明专利申请cn 114696189 a，公开了一种基于光谱调制的自启动mamyshev光纤振荡装置，其在mamyshev振荡器的增益光纤之后增设无源光纤作为增益介质，由此，激光脉冲通过增益光纤放大之后，进入无源光纤将激光脉冲光谱展宽，调制光谱强度分布，从而可以获得较强能量分布的工作波段，以匹配振荡器中光谱滤波器的滤波波段，进而降低了振荡器的锁模阈值，有利于振荡器循环自洽进而实现自启动运转。

6、然而，现有技术的激光器虽可以通过无源光纤展宽激光脉冲，获得与光谱滤波器匹配的较强能量工作波段，但腔内有源光纤仍会限制激光脉冲的波长调谐范围，无法满足对特定波长脉冲激光的需求。若直接提高其泵浦功率，一方面会加剧系统中光学器件的负荷，甚至导致器件损坏，尤其是增益光纤和滤波器的负荷，另一方面腔内的增益光纤会进一步放大脉冲能量，导致脉冲能量过高，从而积累过大的非线性效应发生脉冲分裂，不利于mo的稳定运转。这些因素都限制了激光系统功率的进一步提升，难以获得高功率、高脉冲能量的飞秒级超短脉冲。

技术实现思路

1、本技术提供了一种基于非线性增益的mamyshev光纤激光器，旨在解决背景技术中提出的问题，有利于获得宽波长可调谐范围的、高功率高能量超快激光脉冲输出。

2、在一个方案中，提供了一种基于非线性增益的mamyshev光纤激光器，包括：

3、具有第一支臂1和第二支臂2的mamyshev振荡器；所述第一支臂1包括第一合束器201和第一高非线性光纤301，所述第二支臂2包括第二合束器202及第二高非线性光纤302；及两个泵浦光发生模块101，所述泵浦光发生模块101包括可调谐波长范围的光纤随机激光器和放大器，所述光纤随机激光器和放大器串联；

4、其中，一个所述泵浦光发生模块101的输出端以及所述第二支臂2的输出端同时连接至第一合束器201的输入端，所述第一高非线性光纤301连接至所述第一合束器201的输出端；另一个所述泵浦光发生模块101以及所述第一支臂1的输出端同时连接至所述第二合束器202的输入端，所述第二高非线性光纤302连接至所述第二合束器202的输出端，从而使第一支臂1和第二支臂2连接呈环形腔结构。

5、在一个可选方案中，所述光纤随机激光器包括第一激光二极管102、光纤环形镜组件103、第三合束器104、第一增益光纤105及第一传输光纤106；

6、其中，第一激光二极管102及光纤环形镜组件103的输出端共同连接至所述第三合束器104的输入端，所述第三合束器104的输出端与第一增益光纤105的一端连接，第一增益光纤105的另一端与第一传输光纤106连接。

7、在一个可选方案中，所述光纤环形镜组件103包括：

8、耦合器1031、第二传输光纤1032及第一带通滤波器1033；

9、其中，所述第二传输光纤1032的入射端和出射端同时连接至所述耦合器1031的输入端之上，所述第二传输光纤1032之上设置第一带通滤波器1033，所述耦合器1031与所述第一激光二极管102分别与所述第三合束器104连接。

10、在一个可选方案中，所述放大器包括第二激光二极管108、第四合束器109及第二增益光纤110；及第一隔离器107；

11、其中，所述第一传输光纤106的出射端与所述第一隔离器107输入端连接，所述第一隔离器107的输出端与所述第二激光二极管108的输出端共同连接至所述第四合束器109的输入端，所述第二增益光纤110的一端连接至所述第四合束器109输出端，所述第二增益光纤110的另一端作为所述泵浦光发生模块101的输出端。

12、在一个可选方案中，所述第一增益光纤105为单模增益光纤，所述第二增益光纤110为多模增益光纤，第一传输光纤106和第二传输光纤1032为单模光纤。

13、在一个可选方案中，所述第一支臂1还包括：

14、依次串接的第二隔离器401、第一输出耦合器501、第一偏振控制器601及第二带通滤波器701；

15、其中，第二隔离器401的输入端连接至所述第一高非线性光纤301的出射端，所述第二带通滤波器701的输出端连接至所述第二合束器202的输入端。

16、在一个可选方案中，所述第二支臂2还包括：

17、依次串接的第三隔离器402、第二输出耦合器502、第二偏振控制器602及第三带通滤波器702；

18、其中，第三隔离器402的输入端连接至所述第二高非线性光纤302的出射端，所述第二带通滤波器701的输出端连接至所述第一合束器201的输入端。

19、在一个可选方案中，第一带通滤波器1033、第二带通滤波器701及第三带通滤波器702带通可调的滤波器。

20、在一个可选方案中，第一偏振控制器601和第二偏振控制器602为半波片、四分之一波片或者空间偏振片。

21、在一个可选方案中，第一输出耦合器501和第二输出耦合器502为输出耦合镜或偏振分束器。

22、本技术的有益效果：

23、本技术提出的基于非线性增益的mamyshev光纤激光器，将非线性光纤作为mamyshev振荡器的增益，且设置了波长可调谐的泵浦光源模块，由此通过调制泵浦光和波长及功率，结合非线性光纤利用受激拉曼效应作为增益，从而激发宽可调谐范围的斯托克斯光，进而可以得到获得宽波长可调谐范围的、高功率高能量超快激光脉冲输出。