CN110600978A - 一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源，主要包含增益光纤、激光谐振腔、半导体激光器、脉冲调制电路板以及光学元器件组成；光学器元器件主要包括波分复用器、光纤合束器、光隔离器和带通滤波器等。本发明利用直接半导体调制技术使得注入的种子光信号频率、脉宽可调，通过改变调制脉冲的频率在一定程度上抑制了驰豫振荡效应，同时光路中光隔离器以及带通滤波器的加入使得种子信号光更加纯净，为后续的纤芯放大以及包层放大提供了纯净的信号光。本发明有利于提高整体的稳定性，元器件集成度高，避免了外部噪声的引入，可以输出高稳定性、高效率的纳秒脉冲激光，易于产业化生产应用。

Description

一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源
技术领域
本发明公开了一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源，属于激光技术与非线性光学领域。
背景技术
光纤激光器有着结构紧凑、成本低廉、光束质量好、效率高等诸多优点，因此在通信、医学、生物等领域有着非常广泛的应用，已经成为激光器家族中的重要一员。目前，特别是在工业领域对1μm波段的高功率纳秒脉冲激光器的需求更是不断扩大，凭借其高功率、大能量、全光纤等优良特性，广泛应用于激光微纳加工、光纤通信、光纤传感等领域。
要实现全光纤结构的掺镱纳秒脉冲激光输出主要是基于半导体调制技术以及主震荡功率放大(MOPA)技术。直接调制半导体技术采用长脉冲纳秒电脉冲驱动半导体激光器，同时该电脉冲具有较缓的上升沿，调制过程中会出现驰豫振荡过程，由此便可以得到与电脉冲宽度相同的激光脉冲。主震荡功率放大(MOPA)技术就是将具有高光束质量的种子信号光和泵浦光，通过一定方式耦合进双包层光纤进行放大，从而实现对种子光源的高功率放大。通过直接半导体调制技术与MOPA技术相结合，可以在一定程度上实现高功率的纳秒激光脉冲输出。
发明内容
半导体激光器主要包括三个部分：激励源(产生粒子数反转)；工作物质(提供增益)；谐振腔(提供正反馈)。半导体激光器实质上就是将电转换为光，依靠外部注入的电流来实现粒子数的反转，正因为该特点，故可以直接利用电流特性对其进行调制。在激光放大器中，常利用光纤作为激光放大器的工作物质，增益光纤的单程增益很高，无需利用再生放大复杂结构对其进行放大。正向泵浦可以在光纤的前端获得较高的反转粒子数，反向泵浦可以在光纤输出的末端保持更高的反转粒子数，但是反向泵浦结构可以降低非线性效应，通过使用较短的增益光纤，可以降低非线性长度。由于在高峰值功率的光纤激光器中会出现SPM、FWM、SBS等非线性效应，可以通过选用大模场光纤来有效抑制其非线性效应，提高输出光束质量。本发明采用半导体调制技术与主震荡功率放大(MOPA)技术相结合的实验方案，实现全光纤结构的纳米脉冲激光输出，输出激光脉冲具有高稳定性、高效率、结构紧凑的优良特性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源，一种基于直接半导体调制技术与主震荡功率放大(MOPA)技术相结合，主要包含增益光纤、激光谐振腔、半导体激光器、脉冲调制电路板以及光学元器件组成；光学器元器件主要包括波分复用器(WDM)、光纤合束器(Combiner)、光隔离器(ISO)和带通滤波器(BPF)等，另外还需要用到分辨率为0.02nm的光谱分析仪(YOKOGAWA，AQ6370C)以和带宽500MHz的数字示波器(Agilent，DSO-DSO7052B)信号检测装置。
单包层1m掺镱6/125的增益光纤(7)用于第一级放大，该增益光纤一端与波分复用器(WDM)输出端相连接，另一端与光隔离器的输入端相连接；带通滤波器(BPF)的输出端与用于第一级纤芯预放大的波分复用器的输入端相连接，输入端与光隔离器(3)的输出端相连接；激光谐振腔是在第一级纤芯放大部分，其由泵浦半导体激光器(5)、波分复用器(6)以及单包层增益光纤(7)，共同组成输出激光的光学谐振腔组成；脉冲调制电路板用于产生纳秒脉冲信号，如图1所示，使得注入的种子光产生同样的脉冲信号；双包层2m掺镱20/130的增益光纤(10)用于第二级以及第三级的预放大，其中第二级放大的该增益光纤的右端连接在第二级光纤合束器(Combiner)的输出端，左端与光隔离器的输入端相连接。该增益光纤在第三级放大光路中同样的是一端与第三级光纤合束器的输出端相连接，另一端与光隔离器的输入端相连接；最后的1.7m掺镱双包层30/250增益光纤(11)用于主功率放大，该增益光纤的一端与主放大光路中的光纤合束器输出端相连接，另一端与光谱仪相连接，实时查看输出激光的光谱组成。
所述的光隔离器(ISO)分别与泵浦半导体激光器以及带通滤波器(BPF)相连接，泵浦半导体激光器又通过方波脉冲电路板对其进行脉冲增益调制，使其输出得到频率、线宽可调的泵浦脉冲输出，半导体激光器中心波长为1064nm，光隔离器和带通滤波器的加入是为了防止回光和自发辐射放大(ASE)进入到种子源中。
三级预防大器主要是由一级纤芯预防大光路加上两级包层预防放大光路相结合构成，如图2所示，第一级的纤芯预防大光路由泵浦半导体激光器(5)、波分复用器(6)、单包层1m掺镱6/125的增益光纤(7)组成；第二级的包层预防大光路由图2所示的多模半导体激光器(8)、光纤合束器(9)、双包层2m掺镱20/130的增益光纤(10)组成。第三级的包层预防大光路接在第二级包层预防大之后，第三级的包层预防大光路也是由一个多模半导体激光器、光纤合束器以及双包层2m掺镱20/130的增益光纤组成；三级预放大器主要是对最开始注入的种子光信号进行脉冲调制，最后再利用主震荡功率放大(MOPA)技术对前面经过三级预放大的种子光信号进行放大，实现高功率的纳秒脉冲输出。
第一级预防大器的抽运源为974nm的单模半导体激光器，再通过波分复用器耦合到单模掺镱光纤中，单模掺镱光纤的纤芯/包层的尺寸为6/125μm，975nm处的吸收系数为250Db/m外第二级和第三级预防大器使用976nm的多模半导体激光器作为新的泵浦源，采用(2+1)x1合束器将泵浦光耦合到增益光纤中，增益光纤采用双包层掺镱光纤，单模掺镱光纤的纤芯/包层的尺寸为20/130μm，在976nm处的吸收系数为10.8Db/m，两级放大器的长度均为2m，另外在两级预防大器之前都加入了光隔离器的目的是为了防止每一级放大器之间产生的回馈光影响放大器；同时加入BPF是为了滤除放大器产生的ASE从而得到纯净的信号光，有利于下一级放大器，考虑到前面的第一级纤芯放大可能导致光功率不够，并且重频比较低，非常容易出现ASE，故连续用了两级20/130μm的增益纤作为预防大器。
在主震荡功率放大(MOPA)中，采用的是1.7m的大模场面积的双包层掺镱光纤作为增益光纤，光纤的纤芯/包层尺寸为30/250μm，在976nm处的吸收系数为15.6Db/m，另外利用六个976nm的波长锁定的多模半导体激光器作为泵浦源，通过一个多模的光纤合束器耦合到增益光纤中，使之实现被调制的种子光信号功率的放大，得到高效率、高稳定性、高光束质量的脉冲激光输出。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、本发明利用直接半导体调制技术使得注入的种子光信号频率、脉宽可调，通过改变调制脉冲的频率在一定程度上抑制了驰豫振荡效应，同时光路中光隔离器以及带通滤波器的加入使得种子信号光更加纯净，为后续的纤芯放大以及包层放大提供了纯净的信号光。
2、本发明整体实验装置结构采用三级预防加一级主放大以此来实现高功率纳秒脉冲激光输出，整个系统的全光纤化有利于提高整体的稳定性，元器件集成度高，避免了外部噪声的引入，可以输出高稳定性、高效率的纳秒脉冲激光。
3、本发明设计简单，结构紧凑，体积小，易于产业化生产应用。
附图说明
图1为直接半导体调制的种子光原理框图。
图2为基于直接半导体调制技术与MOPA技术结合实现高功率纳秒脉冲激光输出实验装置图。
图中：1，纳秒脉冲电路2、半导体激光器泵浦源，3、光隔离器，4、带通滤波器(BPF)，5、974nm单模半导体激光器，6、光波分复用器(WDM)，7、纤芯/包层的尺寸为6/125μm的增益光纤，8、976nm多模半导体激光器，9，光纤合束器(Combiner)，10，纤芯/包层的尺寸为20/130μm的增益光纤，11，纤芯/包层尺寸为30/250μm的增益光纤
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源主要包含作为抽运源的半导体激光器、纳秒脉冲发生电路、光纤隔离器、光波分复用器、带通滤波器、不同纤芯/包层尺寸的增益光纤等其它一些激光辅助装置组成。如图1所示，详细描述了由纳秒脉冲电路(1)产生的纳秒脉冲直接调制半导体激光器(2)输出的光脉冲，由此可以实现种子光的脉宽以及重频可调，在一定程度上实现种子注入。如图2所示，光隔离器(3)分别与半导体激光器(2)及带通滤波器(4)相连接，半导体激光器中心波长为1064nm，由图1所示的半导体调制技术使得注入的种子光可以实现被调制，另外光隔离器和带通滤波器的加入是为了防止纤芯放大后的光脉冲会沿入射方向返回和自发辐射放大(ASE)过程产生的噪声进入到种子源中，由此减弱种子注入过程带来的驰豫振荡。第一级预防大器的抽运源为974nm的单模半导体激光器，再通过波分复用器(6)耦合到单模掺镱光纤中，光纤的纤芯/包层的尺寸为6/125μm(7)，单模掺镱增益光纤(7)左端与光波分复用器(6)相连接，右端与光隔离器(3)的输入端相连接。975nm处的吸收系数为250Db/m，第二级和第三级预防大器使用976nm的多模半导体激光器(8)作为新的泵浦源，采用(2+1)×1合束器(9)将泵浦光耦合到增益光纤中，光纤合束器(9)的输出端与带通滤波器(4)相连接，左端与双包层掺镱增益光纤(10)相连接。双包层掺镱增益光纤(10)左端又与光隔离器输入端相连接，光隔离器随后与带通滤波器的输入端相连接，带通滤波器输出端与双包层掺镱增益光纤(10)一端相连，双包层增益光纤后有依次连接了光隔离器和带通滤波器，由此防止二级包层放大有回光产生，加入BPF的目的是为了滤除放大器产生的ASE从而得到纯净的信号光，有利于下一级放大器，最后再连接一级主震荡功率放大光路。当增益光纤采用双包层掺镱光纤(10)时，光纤的纤芯/包层的尺寸为20/130μm，在976nm处的吸收系数为10.8Db/m，两级放大器的长度均为2m，考虑到前面的第一级纤芯放大可能导致光功率不够，并且重频比较低，并且比较容易出现ASE，所以连续用了两级20/130μm的增益纤作为预防大器，这两段双包层增益光纤的长度均为2m，并且都是连接在光纤合束器与光隔离器中间，由此可以提高整个光路的结构稳定性。
在主震荡功率放大(MOPA)中，采用的1.7m大模场面积的双包层掺镱光纤作为增益光纤，光纤的纤芯/包层尺寸为30/250μm(11)，在976nm处的吸收系数为15.6Db/m，另外利用6个976nm的波长锁定的多模半导体激光器作为泵浦源，通过一个多模的光纤合束器耦合到增益光纤中，该增益光纤左端与光纤合束器输出端相连接，右端直接输出高功率纳秒脉冲，最终实现被调制的种子光信号功率的放大，得到高效率、高稳定性、高光束质量的脉冲激光输出。

Claims (5)

1.一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源，其特征在于：主要包含增益光纤、激光谐振腔、半导体激光器、脉冲调制电路板以及光学元器件组成；光学器元器件主要包括波分复用器、光纤合束器、光隔离器和带通滤波器，另外还需要用到分辨率为0.02nm的光谱分析仪以和带宽500MHz的数字示波器信号检测装置；
单包层1m掺镱6/125的增益光纤(7)用于第一级放大，该增益光纤一端与波分复用器输出端相连接，另一端与光隔离器的输入端相连接；带通滤波器的输出端与用于第一级纤芯预放大的波分复用器的输入端相连接，输入端与光隔离器(3)的输出端相连接；激光谐振腔是在第一级纤芯放大部分，其由泵浦半导体激光器(5)、波分复用器(6)以及单包层增益光纤(7)，共同组成输出激光的光学谐振腔组成；脉冲调制电路板用于产生纳秒脉冲信号，使得注入的种子光产生同样的脉冲信号；双包层2m掺镱20/130的增益光纤(10)用于第二级以及第三级的预放大，其中第二级放大的该增益光纤的右端连接在第二级光纤合束器的输出端，左端与光隔离器的输入端相连接；该增益光纤在第三级放大光路中同样的是一端与第三级光纤合束器的输出端相连接，另一端与光隔离器的输入端相连接；最后的1.7m掺镱双包层30/250增益光纤(11)用于主功率放大，该增益光纤的一端与主放大光路中的光纤合束器输出端相连接，另一端与光谱仪相连接，实时查看输出激光的光谱组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源，其特征在于：所述的光隔离器(ISO)分别与泵浦半导体激光器以及带通滤波器相连接，泵浦半导体激光器又通过方波脉冲电路板对其进行脉冲增益调制，使其输出得到频率、线宽可调的泵浦脉冲输出，半导体激光器中心波长为1064nm，光隔离器和带通滤波器的加入是防止回光和自发辐射放大进入到种子源中。
3.根据权利要求1所述的一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源，其特征在于：三级预防大器是由一级纤芯预防大光路加上两级包层预防放大光路相结合构成，第一级的纤芯预防大光路由泵浦半导体激光器(5)、波分复用器(6)、单包层1m掺镱6/125的增益光纤(7)组成；第二级的包层预防大光路多模半导体激光器(8)、光纤合束器(9)、双包层2m掺镱20/130的增益光纤(10)组成；第三级的包层预防大光路接在第二级包层预防大之后，第三级的包层预防大光路也是由一个多模半导体激光器、光纤合束器以及双包层2m掺镱20/130的增益光纤组成；三级预放大器是对最开始注入的种子光信号进行脉冲调制，最后再利用主震荡功率放大对前面经过三级预放大的种子光信号进行放大，实现纳秒脉冲输出。
4.根据权利要求3所述的一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源，其特征在于：第一级预防大器的抽运源为974nm的单模半导体激光器，再通过波分复用器耦合到单模掺镱光纤中，单模掺镱光纤的纤芯/包层的尺寸为6/125μm，975nm处的吸收系数为250Db/m外第二级和第三级预防大器使用976nm的多模半导体激光器作为新的泵浦源，采用(2+1)x1合束器将泵浦光耦合到增益光纤中，增益光纤采用双包层掺镱光纤，单模掺镱光纤的纤芯/包层的尺寸为20/130μm，在976nm处的吸收系数为10.8Db/m，两级放大器的长度均为2m，另外在两级预防大器之前都加入了光隔离器的目的是为了防止每一级放大器之间产生的回馈光影响放大器；同时加入BPF是为了滤除放大器产生的ASE从而得到纯净的信号光，有利于下一级放大器。
5.根据权利要求3所述的一种基于全光纤结构的掺镱纳秒脉冲线激光源，其特征在于：在主震荡功率放大中，采用的是1.7m的大模场面积的双包层掺镱光纤作为增益光纤，光纤的纤芯/包层尺寸为30/250μm，在976nm处的吸收系数为15.6Db/m，另外利用六个976nm的波长锁定的多模半导体激光器作为泵浦源，通过一个多模的光纤合束器耦合到增益光纤中，使之实现被调制的种子光信号功率的放大，得到脉冲激光输出。
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