[发明专利]一种单腔产生双光梳及多光梳的方法

权利要求书

1.一种单腔产生双光梳及多光梳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：验证实现单腔模式复用双光梳的可行性；对环形光纤激光器中产生锁模脉冲进行仿真，仅考虑多模光纤中的基模LP01和第二个模式LP11，忽略更高阶的空间模式；所述环形光纤激光器包括以下器件：增益少模光纤、无源少模光纤、可饱和吸收体和耦合输出器；具体过程如下：

极弱的随机光信号进入泵浦光-信号光组合器，经过增益少模光纤后泵浦光由于受激辐射形成信号光，信号光经过隔离器保证单向传输，然后经过可饱和吸收体实现锁模，再经过耦合输出器，其中20％的光输出，80％的光在腔中继续传播，多次循环以后形成锁模脉冲；由于少模光纤提供了模式的模间色散，不同模式在少模光纤中的传输速度不同，当选取两个模式LP01和LP11在腔中传输时，这两个模式各自实现光梳，从而实现双光梳；

步骤2：验证腔模式复用双光梳高重频差可调控的可行性；实现高重频差应选择模式差分群时延大的光纤，假定忽略不同模式在增益光纤和无源匹配光纤中的差分群时延，而考虑其在少模光纤中的走离；如果选择四模阶跃型光纤为少模光纤，其模间色散引起不同模式的模式差分群时延，另外，少模光纤的长度也会影响模式走离的程度，光纤长度越长引起的模式走离越大，导致重频差越大；当选择1m的四模阶跃型光纤时，选择不同的模式也会对应不同的模式走离；

步骤3：实现模式复用双光梳；实现模式复用双光梳的激光器为环形结构，由增益少模光纤、无源少模光纤和非线性偏振旋转锁模所需的波片以及偏振分束器组成；多模980nm连续激光器提供的泵浦光通过泵浦光-信号光合束器耦合至激光腔内，增益少模光纤为双包层的掺铒光纤，空间光隔离器确保激光的单向运转；优化光纤长度、光纤熔接点和偏振态，由四分之一波片、二分之一波片以及偏振分束器组合形成等效可饱和吸收体协助锁模，耦合输出激光，并在腔内稳定传输形成锁模脉冲；

步骤4：搭建模式复用双光梳及多光梳系统；980nm的多模泵浦光出射后经过第一透镜准直成为平行光，入射到二向色镜透射后，经过第一平面反射镜和第二平面反射镜反射再经过第二透镜聚焦进入铒镱共掺的增益光纤，增益光纤与两模光纤之间熔接时纤芯中心有偏移；两个四分之一波片、一个二分之一波片和偏振分束器构成非线性偏振旋转锁模，从两模光纤出射的光经第三透镜准直成平行光，经过非线性偏振旋转锁模，再经过第三平面反射镜和第四平面反射镜反射后重新入射到二向色镜，经二向色镜反射形成谐振腔；最后调节各类光纤长度、优化光纤熔接点以及旋转波片到适当位置来产生空间模式复用的双光梳，通过选择性地控制多个模式的损耗或增益，实现模式复用多光梳。

2.根据权利要求1所述的单腔产生双光梳及多光梳的方法，其特征在于，所述步骤1中的基模LP01和第二个模式LP11传输的平均电场包络满足耦合金兹伯格-朗道方程：

其中，i是虚数单位，s₁、s₂为群速度倒数差，z是传输距离，t代表以基模脉冲的群速度移动的坐标系中的时间，q₁、q₂分别是LP01、LP11脉冲的慢变包络复振幅，D代表两个模式归一化群速度色散，正值代表反常色散，负值代表正常色散，γ₁₁、γ₁₂、γ₂₂代表两个模式的自相位调制和交叉相位调制的非线性折射率系数，C是两个模式之间能量交换的线性耦合系数，β为有限增益带宽，δ₁、δ₂是由光纤弯曲、熔接、耦合输引入的损耗；ε₁、ε₂代表腔内的非线性增益，为正值，μ₁、μ₂代表非线性增益饱和项，也为正值。

3.根据权利要求1所述的单腔产生双光梳及多光梳的方法，其特征在于，所述步骤2中LP01和LP11模式的重频表示为：

其中，n_LP01、n_LP11分别为LP01和LP11两种模式的折射率，L为腔长，c为光速；

重频差为：

4.根据权利要求1所述的单腔产生双光梳及多光梳的方法，其特征在于，所述步骤3中优化光纤熔接点的过程中模式之间的激发系数计算如下：

其中，F_j(x,y)表示入射模式的模场分布，F_k(x',y')表示激发的模场分布，f_jk为激发系数；对芯熔接情况下，两光纤对齐，(x,y)和(x',y')相同；离心熔接情况下，(x,y)和(x',y')相差一个常数。