[发明专利]双向锁模光纤激光器及相关方法

说明书

双向锁模光纤激光器包括第一无源光纤和第二无源光纤、掺杂光纤、第一偏振控制器和第二偏振控制器以及第一偏振分束器和第二偏振分束器，它们被布置为具有顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向的环形腔。激光器在CW和CCW方向上施加不同的非线性相移，对应于略有不同的CW和CCW重复率。当重复率的标准化差值小于大约10^‑5时，两个方向可以被同时锁模，从而防止一个方向抑制另一方向的锁模。光纤非线性实现了基于非线性偏振旋转的腔内双向人工可饱和吸收体。该激光器仅使用具有正常群速度色散(GVD)的组件，从而实现比使用负GVD的锁模激光器更高的脉冲能量。人工可饱和吸收体和常规GVD组件的组合增加了脉冲能量，从而提高了光谱展宽的效率。

技术领域

本申请要求于2020年1月31日提交的美国临时专利申请No.62/968,815的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

双梳光谱(DCS)可用于远程感测各种痕量气体，其灵敏度可与现有技术相媲美或超过现有技术。DCS使用两个光学频率梳，其光谱包含数十万或更多频率，覆盖电磁光谱的可见光、近红外和/或中红外区域。由于这些宽光谱，一台DCS光谱仪可用于检测多种气体，这与其他类型的使用单频激光器的远程痕量气体检测器不同。例如，单个DCS系统已被证明可以检测石油和天然气设施中最常见的泄漏气体，包括甲烷、乙炔、二氧化碳、水蒸气、一氧化碳、硫化氢、乙烯、乙烷、丙烷、丁烷和BTEX(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)。事实上，DCS可以同时检测其中几种物质，以及其他类型的挥发性有机化合物和碳氢化合物。

发明内容

在许多现有技术的DCS系统中，两个光学频率梳是由两个相应的脉冲激光器输出的两个脉冲序列生成的，两个脉冲激光器彼此独立并且以略微不同的重复率操作。通常脉冲激光器是锁模飞秒激光器，但也可以使用基于参数生成和电光调制的激光器。两个脉冲激光器可以共享某些光学组件，诸如增益介质或反射镜，以减小尺寸和复杂性。此外，经由共享组件耦合到激光器腔中的噪声(例如，热漂移、机械振动等)可能会类似地影响两个脉冲序列，并因此可以通过共模抑制来抑制。因此，共享组件提高了DCS可以实现的检测信噪比，并提高了对外部环境干扰的鲁棒性。

本实施例包括双向锁模光纤环形激光器，其同时输出具有略微不同重复率的两个脉冲序列。有利地，这些激光器中的一个可以代替用于DCS的两个单独的常规锁模激光器，从而减小DCS系统的尺寸和复杂性。本实施例的双向锁模光纤激光器包括形成单个环形腔的光学组件，该环形腔可以支持顺时针(CW)和逆时针(CCW)方向的同时锁模。由于CW和CCW脉冲序列都通过所有的光学元件，因此可以从两个输出中获得高共模抑制，与使用两个单独的锁模激光器相比提供了额外的好处。

本实施例中的一些仅使用具有正常群速度色散(GVD)的组件。与利用负GVD管理腔内色散的锁模激光器相比，此全正常色散(AND)设计有助于实现更高的脉冲能量。本实施例还使用非线性偏振旋转(NPR)以实现腔内双向人工可饱和吸收体，与真正的可饱和吸收体不同。NPR与其他类型的人工可饱和吸收体一样，具有比真实吸收器更快的响应时间，因此可用于产生带宽更大的脉冲，从而产生更高的脉冲能量。

有利的是，通过将AND设计与NPR相结合可以实现的更高脉冲能量有助于DCS所需的频谱整形。许多用于DCS的传统锁模激光器会输出脉冲序列，其光谱不够宽，无法覆盖要检测的原子或分子种类的光谱线。非线性光学元件，诸如光子晶体光纤或微结构光纤，经常用于激光腔外的光谱展宽。为了改进此光谱展宽，可以使用光学放大器在光谱展宽之前提高脉冲能量。因此，由本实施例提供的较高脉冲能量，如果不是完全消除它的需要的话，有利地降低了对这种外部放大的要求。