技术领域
[0001] 本
发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种频率同步被动锁模光纤激光器及实现频率同步的方法。
背景技术
[0002] 飞秒激光器由于具有超短脉冲、高
峰值功率等特性，使它在微精密加工领域具有重要的应用前景，特别是一种频率与外部
信号源同步的飞秒激光器，能使微精密加工变得更加精细与高效。目前实现飞秒激光器的方式主要有主动锁模与被动锁模两种，对于主动锁模飞秒激光器，可以通过改变
电信号的调制频率来改变飞秒激光器的重频，从而可以通过同步激光器的电信号与外部信号源来实现飞秒激光器与外部信号源的同步，这种方法的优点是调谐范围大(对重复频率)、操作简单，但是引入了复杂的电学设备，增加了成本和系统的复杂性；而对于被动锁模激光器，因为被动锁模本身不需要外接电调制信号，系统结构简单，所以可以直接通过调控光学元件，如激光
谐振腔长或增益，来实现重频的改变。
[0003] 目前在被动锁模激光器中实现激光器的频率与外部信号源的频率同步主要有两种方式，一是通过改变激光器谐振腔内的功率，使增益光纤的折射率发生微小的变化，改变谐振腔的腔长，从而使激光器的重频改变；二是给激光器谐振腔内的光纤增加应
力，例如通过压电陶瓷
挤压光纤，改变光纤的折射率，使谐振腔的腔长改变，从而使激光器的重频改变。但是这两种方式能够引起的腔长变化往往在微米量级，应用于重频在几十兆赫兹的常规被动锁模激光器上时，由于谐振腔的腔长往往在几米到几十米的范围内，腔长的变化及其微小，调节的重复
频率范围也很有限，这在一定程度上影响了实际的应用。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对上述现状，提供一种结构简单、重频可调谐范围大的频率同步被动锁模光纤激光器。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种频率同步被动锁模光纤激光器，其特征在于，包括被动锁模光纤激光器、锁频装置以及外部信号源，所述被动锁模光纤激光器包括可饱和吸收镜、压电陶瓷、带有步进
电机的
导轨、
准直器、掺杂光纤、二色镜、波分复用器、
泵浦激光器以及至少一个
耦合器，所述掺杂光纤、
准直器以及可饱和吸收镜构成了锁模光纤激光器的谐振腔，所述波分复用器与所述泵浦激光器相连接，所述可饱和吸收镜粘贴在所述压电陶瓷上并一同与所述带有步进电机的导轨固定，所述锁频装置用于处理被动锁模光纤激光器产生的
光信号和外部信号源的电信号并将处理结果反馈给被动锁模光纤激光器，所述被动锁模光纤激光器根据收到的反馈移动带有步进电机的导轨或者改变压电陶瓷的
电压以改变谐振腔的长度，从而改变激光器的重频。
[0007] 进一步地，所述锁频装置包括依次电连接的光电探测器、
滤波器、
混频器以及伺服系统，所述光电探测器与所述谐振腔连接，所述混频器还与所述外部信号源电连接，所述伺服系统与压电陶瓷电连接，所述光电探测器用于将被动锁模光纤激光器输出的光信号转换为电信号，所述电信号经过滤波器后进入混频器，所述混频器将被动锁模光纤激光器的重频与外部信号源的频率混频后得到
差分信号，所述伺服系统对差分信号进行包括滤波、比例运算、积分运算以及高压放大处理并反馈给压电陶瓷。
[0008] 进一步地，所述耦合器包括第一耦合器，所述谐振腔为线型腔，所述谐振腔还包括二色镜，所述二色镜位于所述掺杂光纤与波分复用器之间，所述第一耦合器包括第一输入端口、第一输出端口和第二输出端口，所述第一输入端口连接所述波分复用器，所述第一输出端口用于输出脉冲激光，所述第二输出端口连接所述光电探测器。
[0009] 进一步地，所述耦合器包括第二耦合器和第三耦合器，所述谐振腔为环形腔，所述环形器还包括波分复用器、环形器和第二耦合器，所述环形器包括第一端口、第二端口和第三端口，所述第二耦合器包括第二输入端口、第三输出端口和第四输出端口，所述第三耦合器包括第三输入端口、第五输出端口和第六输出端口，所述第二输入端口连接所述波分复用器，所述第三输出
接口连接第三输入接口，所述第四输出接口连接第一端口，所述第二端口和第三端口分别与所述准直器和掺杂光纤连接，构成环形腔，所述第五输出端口用于输出脉冲激光，所述第六输出端口连接所述光电探测器。
[0010] 进一步地，所述可饱和吸收镜和准直器之间是空间光路结构，所述泵浦激光器、波分复用器、掺杂光纤、以及准直器之间为全光纤结构，所述泵浦激光器与波分复用器之间为单模非保偏光纤，所述波分复用器、掺杂光纤以及准直器之间为单模保偏光纤。
[0011] 进一步地，所述准直器的准直距离大于1m。
[0012] 进一步地，所述外部信号源的频率范围为20MHz～80MHz。
[0013] 一种频率同步被动锁模光纤激光器，实现其频率同步的方法包括以下步骤：
[0014] S1：打开外部信号源，设置外部信号源的频率；
[0015] S2：增加泵浦激光器
电流直到锁模成功，移动带有步进电机的导轨来改变谐振腔的腔长，使被动锁模光纤激光器的重频与外部信号源的频率一致；
[0016] S3：将伺服系统的
输出信号反馈给压电陶瓷，并调节伺服系统的参数，直到被动锁模光纤激光器的重频与外部信号源的频率实现同步。
[0017] 进一步地，所述步骤S2中谐振腔为线型腔时，其腔长为二色镜与可饱和吸收镜之间的距离。
[0018] 进一步地，所述步骤S2中谐振腔为环形腔时，其腔长为所述波分复用器、掺杂光纤、环形器、准直器和第二耦合器组成的环形腔长度加上准直器与可饱和吸收镜之间的距离。
[0019] 本发明的有益效果是：本发明提出了一种新颖的频率同步被动锁模光纤激光器，通过带有步进电机的导轨以及压电陶瓷的双重作用，该激光器可以实现大范围频率域下与外部信号源之间的同步。对于常规的被动锁模光纤激光器，其重频范围是20～80MHz，如果该激光器带有选频功能，则本发明可以实现20～80MHz全频率域下与外部信号源之间的同步。本发明结构简单，频率调节范围广，为飞秒激光器与外部信号源的频率同步提供了新方法，具有较大的应用前景。
附图说明
[0020] 图1是本发明
实施例一提供的一种频率同步被动锁模光纤激光器；
[0021] 图2是本发明实施例二提供的另一种频率同步被动锁模光纤激光器。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
[0023] 实施例一：
[0024] 本发明实施例一提供了一种频率同步被动锁模光纤激光器，包括被动锁模光纤激光器11、锁频装置12以及外部信号源13。
[0025] 如图1所示，被动锁模光纤激光器11是本发明的
光源部分，包括：带有步进电机的导轨101、压电陶瓷102、可饱和吸收镜103、泵浦激光器108以及依次耦合的准直器104、掺杂光纤105、二色镜106、波分复用器107以及第一耦合器109，其中可饱和吸收镜103、准直器104、掺杂光纤105和二色镜106构成被动锁模光纤激光器11的线型腔。
[0026] 泵浦激光器108与波分复用器107相连接，泵浦激光器108用于产生激励掺杂光纤105的泵浦光，泵浦激光器108、波分复用器107、二色镜106、掺杂光纤105、准直器104以及第一耦合器109之间为全光纤结构，泵浦激光器108与波分复用器107之间为单模非保偏光纤连接，波分复用器107、二色镜106、掺杂光纤105、第一耦合器109、以及准直器104之间为单模保偏光纤连接，可饱和吸收镜103通过紫外
固化胶与压电陶瓷102粘接并一同固定在带有步进电机的导轨101上，准直器104与可饱和吸收镜103之间是空间光路结构，调节准直器
104与可饱和吸收镜103之间的
角度达到锁模条件。第一耦合器109的第一输入接口与波分复用器107连接，第一耦合器109的分光比为90:10，其中90％的光信号作为激光脉冲从第一输出端口1输出，10％的光信号从第二输出端口输出给锁频装置12用于光电转换。
[0027] 本实施例中，被动锁模光纤激光器11的腔长为二色镜106与可饱和吸收镜103之间的距离，通过移动带有步进电机的导轨101或者改变压电陶瓷102的电压可以改变谐振腔腔长，进而改变被动锁模光纤激光器11的重频。
[0028] 锁频装置12用于被动锁模光纤激光器11与外部信号源13之间的频率同步，锁频装置12包括光电探测器110、滤波器111、混频器112以及伺服系统113，光电探测器110与第一耦合器109的第二输出端连接，伺服系统113与压电陶瓷102电连接。光电探测器110将被动锁模光纤激光器11输出的光信号转换为电信号，经过滤波器111后进入混频器112，混频器112将被动锁模光纤激光器11的重频与外部信号源13的频率混频后得到差分信号，也即两个频率之间的差值，伺服系统113对差分信号进行处理，包括滤波、比例运算、积分运算以及高压放大，处理后的差分信号反馈给压电陶瓷102，压电陶瓷102对被动锁模光纤激光器11线型腔的腔长进行快速调制，从而实现被动锁模光纤激光器11与外部信号源23之间的频率同步。
[0029] 在本实施例中，准直器104的准直距离大于1m，这样才能保证在较大范围内移动带有步进电机的导轨101时被动锁模光纤激光器11锁模仍然成立。外部信号源13为实现本发明被动锁模光纤激光器11频率同步提供频率参考，其频率范围为20～80MHz，该频率范围与被动锁模光纤激光器11的常规锁模重频一致。
[0030] 如图1所示的一种频率同步被动锁模光纤激光器搭建完成后，实现频率同步的具体操作步骤为:
[0031] 步骤S101：打开外部信号源13，设置外部信号源13的频率；
[0032] 步骤S102：增加泵浦激光器108的电流直到锁模成功，移动带有步进电机的导轨101来改变线型腔的腔长，使被动锁模光纤激光器11重频与外部信号源13的频率一致；
[0033] 步骤S103：将伺服系统113的输出信号反馈给压电陶瓷102，并调节伺服系统113的比例运算与积分运算参数，直到被动锁模光纤激光器11的重频与外部信号源13的频率实现同步。
[0034] 实施例二：
[0035] 本发明实施例二提供另外一种频率同步被动锁模光纤激光器，包括被动锁模光纤激光器21、锁频装置22以及外部信号源23。
[0036] 如图2所示，被动锁模光纤激光器21是本发明的光源部分，包括：带有步进电机的导轨201、压电陶瓷202、可饱和吸收镜203、泵浦激光器208以及依次耦合的准直器204、掺杂光纤205、环形器206、波分复用器207、第二耦合器2091以及第三耦合器2092，其中可饱和吸收镜203、准直器204、掺杂光纤205、环形器206、波分复用器207和第二耦合器2091构成被动锁模光纤激光器21的环形腔。
[0037] 泵浦激光器208与波分复用器207相连接，泵浦激光器208用于产生激励掺杂光纤205的泵浦光，泵浦激光器208、波分复用器207、环形器206、掺杂光纤205、准直器204、第二耦合器2091以及第三耦合器2092之间为全光纤结构，泵浦激光器208与波分复用器207之间为单模非保偏光纤连接，波分复用器207、环形器206、掺杂光纤205、第二耦合器2091、第三耦合器2092以及准直器204之间为单模保偏光纤连接，可饱和吸收镜203通过紫外固化胶与压电陶瓷202粘接并一同固定在带有步进电机的导轨201上，准直器204与可饱和吸收镜203之间是空间光路结构，调节准直器204与可饱和吸收镜203之间的角度达到锁模条件。第二耦合器2091的第二输入接口与波分复用器207连接，环形器206的第二端口和第三端口分别与准直器204和掺杂光纤205连接，第二耦合器2091的第三输出端口与环形器206的第一端口连接形成环形腔。第二耦合器2091的分光比为90:10，其中90％的光信号从第四输出端口输出至环形器206，10％的光信号从第三输出端口输出给第三耦合器2092；第三耦合器2092的分光比为90:10，其中90％的光信号作为激光脉冲从第五输出端口2输出，10％的光信号从第六输出端口输出给锁频装置22用于光电转换。
[0038] 本实施例中，被动锁模光纤激光器21的腔长为波分复用器207、掺杂光纤205、环形器206、准直器204以及第二耦合器2091组成的环形腔长度加上准直器204与可饱和吸收镜203之间的距离，通过移动带有步进电机的导轨201或者改变压电陶瓷202的电压可以改变腔长，进而改变被动锁模光纤激光器21的重频。
[0039] 锁频装置22用于被动锁模光纤激光器21与外部信号源23之间的频率同步，它包括光电探测器210、滤波器211、混频器212以及伺服系统213，光电探测器210与第一耦合器209的第二输出端连接，伺服系统213与压电陶瓷202电连接。光电探测器210将被动锁模光纤激光器21输出的光信号转换为电信号，经过滤波器211后进入混频器212，混频器212将被动锁模光纤激光器21的重频与外部信号源23的频率混频后得到差分信号，也即两个频率之间的差值，伺服系统213对差分信号进行处理，包括滤波、比例运算、积分运算以及高压放大，处理后的差分信号反馈给压电陶瓷202，压电陶瓷202对被动锁模光纤激光器21环形腔的腔长进行快速调制，从而实现被动锁模光纤激光器21与外部信号源23之间的频率同步。
[0040] 在本实施例中，准直器204的准直距离大于1m，这样才能保证在较大范围内移动带有步进电机的导轨201时被动锁模光纤激光器21锁模仍然成立。外部信号源23为实现本发明被动锁模光纤激光器21频率同步提供频率参考，其频率范围为20～80MHz，该频率范围与被动锁模光纤激光器21的常规锁模重频一致。
[0041] 如图2所示的另外一种频率同步被动锁模光纤激光器搭建完成后，实现频率同步的具体操作步骤为:
[0042] 步骤S201：打开外部信号源23，设置外部信号源23的频率；
[0043] 步骤S202：增加泵浦激光器208的电流直到锁模成功，移动带有步进电机的导轨201来改变线型腔的腔长，使被动锁模光纤激光器21重频与外部信号源23的频率一致；
[0044] 步骤S203：将伺服系统213的输出信号反馈给压电陶瓷202，并调节伺服系统213的比例运算与积分运算参数，直到被动锁模光纤激光器21的重频与外部信号源23的频率实现同步。
[0045] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。另外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0046] 上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的
权利要求范围决定。
