[发明专利]一种全光纤结构实时解析时空锁模脉冲多维信息的装置

说明书

本发明公开了一种全光纤结构实时解析时空锁模脉冲多维信息的装置，属于超快光学技术领域。包括全光纤时空锁模激光器平台、原始脉冲光束轮廓测量模块、光环行器、子脉冲光束轮廓测量模块、色散傅里叶变换与实时光谱信息检测模块。本发明将基于广义多模非线性薛定谔方程，构建时空锁模激光器的理论模型，探索时空锁模过程中多维参量耦合机理，厘清模式与频率的映射关系，为高精度模式区分与多维实时信息提取提供理论基础及方法。本发明拟根据时空锁模脉冲的光谱宽度和时域间隔合理设计各个光纤光栅参数，在保证脉冲时域不重叠的前提下反射更多的子脉冲，实现高精度空间模式分辨，并最大化展宽脉冲，获取高分辨率实时光谱信息。

技术领域

本发明属于超快光学技术领域，更具体地，涉及一种全光纤结构实时解析时空锁模脉冲多维信息的装置。

背景技术

超短激光脉冲作为超快科学发展不可或缺的工具，在高能物理、化学观测、生物成像等基础研究领域发挥着独一无二的作用。近年来，时空锁模技术突破了传统锁模技术一维锁定的局限，实现了空间与时间同步锁定，获得了包含多个高阶空间模式的超短脉冲。多模光纤非线性效应使得时空锁模激光器中必然存在丰富且复杂的高维非线性动力学，然而，由于高精度区分时空锁模脉冲的空间模式存在困难，实时获取多维信息的技术处于发展阶段，使得对于时空锁模的动力学研究仍处于起步阶段。因此，设计高精度多维参量测量方法，实时获取时空锁模脉冲的空间-时间-光谱信息，揭示多维超短脉冲瞬态演化的动力学特性，一方面有利于拓展超短脉冲在非线性科学中的维度；另一方面为获取高功率、窄脉宽激光脉冲提供理论基础。

时空锁模技术自2017年被提出后，迅速成为超快激光的研究热点之一，其表现出大量与传统锁模激光器类似的锁模状态，包括多脉冲、束缚态脉冲、自相似子、波长可调谐等现象。受限于空间采样分辨率，不同空间模式区分尚不明显，全面分析时空锁模脉冲中不同模式的动力学特性仍有难度。因此，基于高精度模式分辨技术的多维参量实时测量方法，对于获取时空锁模脉冲的多维信息，厘清多维脉冲的动力学过程是非常有必要的。

时空锁模脉冲中多维参量决定了脉冲的特性，通过色散傅里叶变换可以获得频率在时间上的映射结果。然而，空间模式与频率和时间之间的映射关系仍未明晰，是探索高精度模式分辨方法的关键，是研究多维脉冲实时动力学特性过程中亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种全光纤结构实时解析时空锁模脉冲多维信息的装置，旨在对时空锁模脉冲的多维参量实时探测、解析与重构。

本发明基于广义多模非线性薛定谔方程(GMMNLSE)的时空锁模激光器模型，首先描述时空锁模脉冲的模场A_p(z,t)在无源多模光纤中的传输过程，其表达式如下：

其中β_m为m阶色散项，n₂为光纤折射率，ω₀为中心角频率，f_R为拉曼分量，h_R(τ)为介质的拉曼响应，对于不同的模式P，通过耦合一系列方程对多模脉冲的传输进行模拟。首先通过数值计算每个模式对应于多模光纤中的色散参数，并将少模增益光纤简化为单模光纤中的传输过程，此时从增益光纤进入多模光纤时激发多模，从多模光纤进入增益光纤时存在空间滤波过程。本发明采用了单模场中的可饱和吸收体代替时空锁模，这一重要的简化在获取时空锁模过程中大大减少模型运算量，为研究时空锁模脉冲的共通特性提供理论工具。针对不同空间模式在多模光纤中传输色散参数的不同，通过耦合方程解决模式间相互作用的结果，获取稳定时空锁模脉冲。为了进一步研究更多参量对时空锁模的影响，本发明将构建多维广义非线性薛定谔方程，更加直接地描述多维脉冲A(x,y,z,t)在全多模光纤激光腔中的演化，其表达式如下：