CN113314928A - 一种高重频1.55μm全光纤脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高重频1.55μm全光纤脉冲激光器，属于光纤激光技术领域，能够解决现有1.5μm激光器和放大器存在的功率受限、体积庞大和价格昂贵的问题。所述光纤脉冲激光器包括：掺Er连续激光器、第一波分复用器、可饱和吸收体、第一耦合器和第一隔离器；第一波分复用器、可饱和吸收体、第一耦合器和第一隔离器沿顺时针方向依次连接，构成掺Er连续激光器腔外的环形腔；第一波分复用器用于将Er激光耦合并禁锢在环形腔中，以进行脉冲调制；可饱和吸收体用于对1.5μm波段Er激光进行可饱和吸收调制；第一耦合器用于将1.5μm脉冲激光耦合输出；第一隔离器用于控制1.5μm Er激光沿顺时针方向单向传输。本发明用于制作1.55μm全光纤脉冲激光器。

Description

一种高重频1.55μm全光纤脉冲激光器
技术领域
本发明涉及一种高重频1.55μm全光纤脉冲激光器，属于光纤激光技术领域。
背景技术
人眼安全的1.5μm波段是应用于无人驾驶领域激光雷达的主要发射和接收波段。为实现更远距离道路障碍物的高速高精成像，对1.55μm光源提出了严格的要求：重复频率＞500kHz，脉冲宽度＜5ns，平均功率＞1W。实现高重频窄脉宽1.5μm激光的主要方法有：半导体激光器，掺铒(Er)光纤激光器及全固态掺Er激光器(此处的掺Er激光器也包含以镱(Yb)离子作为敏化离子的Er-Yb共掺激光器)。但是，1.5μm半导体激光器的脉冲能量、峰值功率受限，导致可探测距离远低于实际应用需求；全固态掺Er激光器的平均输出功率受限于严重的热透镜效应，必须配备额外的冷却控温装置，这样使得达到所需性能指标时激光器的体积庞大、难以小型化。相比之下，掺铒光纤激光器及放大器具有低热效应，无需额外冷却，具有紧凑的全光纤结构，成为目前高性能激光雷达的首选光源，主要为克服了掺Er光纤激光器的小输出功率，对掺Er激光器或半导体激光器进行放大的主振荡器功率放大器MOPA结构。然而，市场上广泛应用的掺Er光纤放大器需要通过1级甚至2级放大来达到所需的功率和能量要求，这一级联放大结构增加了系统的尺寸，制作过程复杂，价格昂贵。
发明内容
本发明提供了一种高重频1.55μm全光纤脉冲激光器，能够解决现有1.5μm激光器和放大器存在的功率受限、体积庞大和价格昂贵的问题。
本发明提供了一种高重频1.55μm全光纤脉冲激光器，包括：掺Er连续激光器、第一波分复用器、可饱和吸收体、第一耦合器和第一隔离器；所述第一波分复用器的第一输入端口与所述掺Er连续激光器连接；所述第一波分复用器的输出端口与所述可饱和吸收体、所述第一耦合器的输入端口连接；所述第一耦合器的第一输出端口与所述第一隔离器的输入端口连接；所述第一隔离器的输出端口与所述第一波分复用器的第二输入端口连接；所述第一波分复用器、所述可饱和吸收体、所述第一耦合器和所述第一隔离器沿顺时针方向依次连接，构成所述掺Er连续激光器腔外的环形腔；所述掺Er连续激光器用于输出Er激光；所述第一波分复用器用于将所述Er激光耦合进所述环形腔中，并将所述Er激光禁锢在所述环形腔中，以进行脉冲调制；所述可饱和吸收体用于对1.5μm波段Er激光进行可饱和吸收调制；所述第一耦合器用于将1.5μm脉冲激光耦合输出；所述第一隔离器用于控制1.5μm Er激光沿顺时针方向单向传输。
可选的，还包括第二波分复用器；所述第二波分复用器的输入端口与所述第一耦合器的第二输出端口连接；所述第二波分复用器用于过滤出1.5μm脉冲激光。
可选的，所述掺Er连续激光器包括：半导体泵浦模块，以及依次设置在所述半导体泵浦模块出射光路上的合束器、高反光纤光栅、掺Er光纤和低反光纤光栅；所述半导体泵浦模块、所述合束器、所述高反光纤光栅、所述掺Er光纤和所述低反光纤光栅依次连接形成线型腔形式；所述半导体泵浦模块用于输出910nm或976nm的激光束；所述合束器用于将所述激光束注入所述掺Er连续激光器的谐振腔内；所述高反光纤光栅为在1550nm波段的反射率大于或等于99％的光纤布拉格光栅；所述掺Er光纤用于传输所述激光束并提供增益；所述低反光纤光栅为在1550nm波段的反射率小于或等于10％的光纤布拉格光栅。
可选的，所述掺Er连续激光器包括：半导体泵浦模块，以及依次设置在所述半导体泵浦模块出射光路上的合束器、掺Er光纤、第二耦合器和第二隔离器；所述半导体泵浦模块与所述合束器连接；所述合束器、所述掺Er光纤、所述第二耦合器和所述第二隔离器依次连接形成环型腔形式；所述半导体泵浦模块用于输出910nm或976nm的激光束；所述合束器用于将所述激光束注入所述掺Er连续激光器的谐振腔内；所述掺Er光纤用于传输所述激光束并提供增益；所述第二耦合器工作在1.5μm波段，用于耦合输出连续激光束；所述第二隔离器工作在1.5μm波段，用于控制所述激光束单向传输。
可选的，所述半导体泵浦模块为多模光纤耦合半导体激光器。
可选的，所述掺Er光纤为掺Er双包层光纤或Yb-Er共掺的双包层光纤。
可选的，所述掺Er连续激光器为Yb-Er共掺连续激光器。
可选的，所述第一波分复用器和所述第二波分复用器的工作波段为1550nm或2000nm。
可选的，所述可饱和吸收体为半导体可饱和吸收体、稀土离子掺杂光纤、基于过渡金属离子掺杂的二六族化合物、基于二维材料的石墨烯、碳纳米管或拓扑绝缘体、过渡金属二硫化物或二硒化物、金纳米棒、PbS量子点和黑鳞中的任意一种或几种。
可选的，所述第一耦合器和/或所述第二耦合器的第一输出端口与第二输出端口的输出功率比为50∶50、80∶20或90∶10。
可选的，所述第一耦合器和/或所述第二耦合器为全光纤耦合器。
可选的，所述第一隔离器和/或所述第二隔离器为在线光纤隔离器。
本发明能产生的有益效果包括：
(1)本发明提供的高重频1.55μm全光纤脉冲激光器，通过构建掺Er连续激光器的腔外环形腔，对连续Er激光进行脉冲调制，直接实现瓦级的高重频1.5μm脉冲激光输出，脉冲宽度在5ns以内，能够满足车载激光雷达的基本应用要求。
(2)本发明提供的高重频1.55μm全光纤脉冲激光器，采用全光纤结构，相对于现有Er光纤激光放大系统的级联放大机制，具有经济、结构紧凑、易于实现等综合优势。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高重频1.55μm全光纤脉冲激光器的结构示意图；
图2为本发明另一实施例提供的高重频1.55μm全光纤脉冲激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的掺Er连续激光器的结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的掺Er连续激光器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的掺Er连续激光器的输出功率曲线；
图6为本发明实施例提供的高重频1.55μm全光纤脉冲激光器在自调Q状态下的典型脉冲序列；
图7为本发明实施例提供的高重频1.55μm全光纤脉冲激光器在自调Q状态下的典型脉冲宽度；
图8为本发明实施例提供的高重频1.55μm全光纤脉冲激光器在1.2W输出功率下的锁膜脉冲序列；
图9为本发明实施例提供的高重频1.55μm全光纤脉冲激光器在1.2W输出功率下的锁膜单脉冲轮廓；
图10为本发明实施例提供的高重频1.55μm全光纤脉冲激光器的激光输出光谱。
部件和附图标记列表：
10、掺Er连续激光器；11、半导体泵浦模块；12、合束器；13、高反光纤光栅；14、掺Er光纤；15、低反光纤光栅；16、第二耦合器；17、第二隔离器；20、第一波分复用器；30、可饱和吸收体；40、第一耦合器；50、第一隔离器；60、第二波分复用器。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明实施例提供了一种高重频1.55μm全光纤脉冲激光器，如图1所示，包括：掺Er连续激光器10、第一波分复用器20、可饱和吸收体30、第一耦合器40和第一隔离器50；第一波分复用器20的第一输入端口a与掺Er连续激光器10连接；第一波分复用器20的输出端口c与可饱和吸收体30、第一耦合器40的输入端口d连接；第一耦合器40的第一输出端口e与第一隔离器50的输入端口g连接；第一隔离器50的输出端口h与第一波分复用器20的第二输入端口b连接。
第一波分复用器20、可饱和吸收体30、第一耦合器40和第一隔离器50沿顺时针方向依次连接，构成掺Er连续激光器10腔外的环形腔。
掺Er连续激光器10用于输出Er激光。
第一波分复用器20为1550nm/2000nm两个波段的第一波分复用器20，旨在将掺Er连续激光器10的输出激光耦合进该激光器外部的环形腔中。同时，第一波分复用器20还起到将注入的Er激光禁锢在环形腔内进而进行脉冲调制的作用。
可饱和吸收体30为能够在1.5μm波段起到可饱和吸收调制作用的半导体可饱和吸收体SESA、稀土离子掺杂光纤、基于过渡金属离子Cr、Fe或Co掺杂的二六族化合物ZnS、ZnSe或CdSe等，基于二维材料的石墨烯、碳纳米管、拓扑绝缘体(Bi2Te3或Bi2Se3)、过渡金属二硫化物(WS2、MoS2)或二硒化物(WSe2、MoSe2)、以及其它能够在1.5μm波段实现脉冲调制的可饱和吸收体材料如金纳米棒、PbS量子点或黑鳞。上述部分材料可通过现有的封装技术，如涂覆在抛磨光纤上，涂覆在光纤端面，或者封装在微型套筒之中，形成1.5μm激光的在线脉冲调制器件。
第一耦合器40为工作在1.5μm波段，可在其输入端口d注入下，实现第一输出端口e和第二输出端口f的输出功率比在50:50、80:20、90:10等任意比例的全光纤耦合器。
第一隔离器50为工作在1.5μm波段，使得图1中Er激光只沿顺时针方向单向传输的在线光纤隔离器。
本发明通过构建掺Er连续激光器10的腔外环形腔，对连续Er激光进行脉冲调制，直接实现瓦级的高重频1.5μm脉冲激光输出，脉冲宽度在5ns以内，能够满足车载激光雷达的基本应用要求。另外，通过采用全光纤结构，相对于现有Er光纤激光放大系统的级联放大机制，具有经济、结构紧凑、易于实现等综合优势。
进一步的，参考图2所示，所述全光纤脉冲激光器还包括第二波分复用器60；第二波分复用器60的输入端口i与第一耦合器40的第二输出端口f连接；第二波分复用器60用于过滤出1.5μm脉冲激光。其中，第二波分复用器60的工作波段为1550nm或2000nm。
第二波分复用器60起到将从可饱和吸收体30激发出的少量Tm激光从1.5μm脉冲激光剥离的作用，最终1.5μm脉冲激光从第二波分复用器60的第一输出端口k输出，残留的Tm激光从第二波分复用器60的第二输出端口j输出。
在本发明实施例中，参考图3所示，掺Er连续激光器10包括：半导体泵浦模块11，以及依次设置在半导体泵浦模块11出射光路上的合束器12、高反光纤光栅13、掺Er光纤14和低反光纤光栅15；半导体泵浦模块11、合束器12、高反光纤光栅13、掺Er光纤14和低反光纤光栅15依次连接形成线型腔形式。其中，掺Er连续激光器10优选是Yb-Er共掺连续激光器。
半导体泵浦模块11为输出波长在910nm或976nm的多模光纤耦合半导体激光器。
合束器12为能够将半导体泵浦模块11的输出激光注入到掺Er连续激光器10的谐振腔内的1x1合束器12。
高反光纤光栅13为在1550nm波段的反射率大于或等于99％的光纤布拉格光栅；
掺Er光纤14为商用的掺Er双包层光纤或Yb-Er共掺的双包层光纤。
低反光纤光栅15为在1550nm波段的反射率小于或等于10％的光纤布拉格光栅，可作为掺Er连续激光器10的输出端。
参考图4所示，在本发明另一实施例中，掺Er连续激光器10包括：半导体泵浦模块11，以及依次设置在半导体泵浦模块11出射光路上的合束器12、掺Er光纤14、第二耦合器16和第二隔离器17；半导体泵浦模块11与合束器12连接；合束器12、掺Er光纤14、第二耦合器16和第二隔离器17依次连接形成环型腔形式。
半导体泵浦模块11为输出波长在910nm或976nm的多模光纤耦合半导体激光器。
合束器12为能够将半导体泵浦模块11的输出激光注入到掺Er连续激光器10的谐振腔内的1x1合束器12。
掺Er光纤14为商用的掺Er双包层光纤或Yb-Er共掺的双包层光纤。第二耦合器16为工作在1.5μm波段，可实现50:50、80:20、90:10等任意比例的功率输出的全光纤耦合器。
第二隔离器17为工作在1.5μm波段，使得图3中激光束单向传输的在线光纤隔离器。
本发明再一实施例提供一种高重频1.55μm全光纤脉冲激光器，采用图3的直线腔结构构建1.55μm连续激光器。其中，掺Er光纤14为芯包比为10/130的Er、Yb共掺光纤，半导体泵浦模块11为输出波长在976nm的多模光纤耦合半导体激光器，高反光纤光栅13和低反光纤光栅15的工作波长为1551.2nm，高反光纤光栅13针对1.55μm的反射率为99.4％，低反光纤光栅15对1.55μm的透射率为90.7％。在半导体泵浦模块11的驱动电流为5A时，掺Er连续激光器10的输出功率为2.5W。
将掺Er连续激光器10接入到图2的环形腔中，此处的可饱和吸收体30为长度为2m的掺Tm单模光纤，芯包比为8/128。此时，输出功率曲线如图5所示。其中，在掺Er连续激光器10的泵浦驱动电流未达到3.1A时，从第二波分复用器60的第一输出端口k输出的激光处在自调Q状态，随驱动电流增加，脉冲重复频率从30kHz增加到150kHz(参考图6所示)，最大脉冲宽度大于900ns(参考图7所示)。当驱动电流在3.1A到4A之间时，自调Q信号消失。驱动电流在4A到5A之间，出现稳定的锁膜信号(参考图8所示)，脉冲重复频率稳定在18.3MHz。在5A时达到最高的平均输出功率，为1.2W，对应的脉冲宽度为3.4ns(参考图9所示)。其中，过滤出的Tm激光功率不到0.15W，呈无规律的驰豫振荡脉冲信号。在高反光纤光栅13和低反光纤光栅15的作用下，激光输出波长不随驱动电流增加而发生漂移，而是稳定在1551.2nm(参考图10所示)。
上述为本发明的一个具体的实施例，通过改变环形腔及掺Er连续激光器10的腔长，可以达到对最终锁膜脉冲重复频率的进一步调控。另外，掺Er连续激光器10的谐振腔可以由线型腔改为环形腔，可饱和吸收体30由掺Tm光纤改为其它在1.55μm波段具有可饱和吸收效应的材料，均可实现所提出的高重频1.5μm脉冲激光的输出。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种高重频1.55μm全光纤脉冲激光器，其特征在于，包括：掺Er连续激光器、第一波分复用器、可饱和吸收体、第一耦合器和第一隔离器；
所述第一波分复用器的第一输入端口与所述掺Er连续激光器连接；所述第一波分复用器的输出端口与所述可饱和吸收体、所述第一耦合器的输入端口连接；所述第一耦合器的第一输出端口与所述第一隔离器的输入端口连接；所述第一隔离器的输出端口与所述第一波分复用器的第二输入端口连接；
所述第一波分复用器、所述可饱和吸收体、所述第一耦合器和所述第一隔离器沿顺时针方向依次连接，构成所述掺Er连续激光器腔外的环形腔；
所述掺Er连续激光器用于输出Er激光；
所述第一波分复用器用于将所述Er激光耦合进所述环形腔中，并将所述Er激光禁锢在所述环形腔中；
所述可饱和吸收体用于对1.5μm波段Er激光进行可饱和吸收调制；
所述第一耦合器用于将1.5μm脉冲激光耦合输出；
所述第一隔离器用于控制1.5μm Er激光沿顺时针方向单向传输。
2.根据权利要求1所述的全光纤脉冲激光器，其特征在于，所述全光纤脉冲激光器还包括第二波分复用器；所述第二波分复用器的输入端口与所述第一耦合器的第二输出端口连接；
所述第二波分复用器用于过滤出1.5μm脉冲激光。
3.根据权利要求2所述的全光纤脉冲激光器，其特征在于，所述掺Er连续激光器包括：半导体泵浦模块，以及依次设置在所述半导体泵浦模块出射光路上的合束器、高反光纤光栅、掺Er光纤和低反光纤光栅；所述半导体泵浦模块、所述合束器、所述高反光纤光栅、所述掺Er光纤和所述低反光纤光栅依次连接形成线型腔形式；
所述半导体泵浦模块用于输出910nm或976nm的激光束；
所述合束器用于将所述激光束注入所述掺Er连续激光器的谐振腔内；
所述高反光纤光栅为在1550nm波段的反射率大于或等于99％的光纤布拉格光栅；
所述掺Er光纤用于传输所述激光束并提供增益；
所述低反光纤光栅为在1550nm波段的反射率小于或等于10％的光纤布拉格光栅。
4.根据权利要求2所述的全光纤脉冲激光器，其特征在于，所述掺Er连续激光器包括：半导体泵浦模块，以及依次设置在所述半导体泵浦模块出射光路上的合束器、掺Er光纤、第二耦合器和第二隔离器；所述半导体泵浦模块与所述合束器连接；所述合束器、所述掺Er光纤、所述第二耦合器和所述第二隔离器依次连接形成环型腔形式；
所述半导体泵浦模块用于输出910nm或976nm的激光束；
所述合束器用于将所述激光束注入所述掺Er连续激光器的谐振腔内；
所述掺Er光纤用于传输所述激光束并提供增益；
所述第二耦合器工作在1.5μm波段，用于耦合输出连续激光束；
所述第二隔离器工作在1.5μm波段，用于控制所述激光束单向传输。
5.根据权利要求3或4所述的全光纤脉冲激光器，其特征在于，所述掺Er光纤为掺Er双包层光纤或Yb-Er共掺的双包层光纤；
优选的，所述掺Er连续激光器为Yb-Er共掺连续激光器；
优选的，所述半导体泵浦模块为多模光纤耦合半导体激光器。
6.根据权利要求2所述的全光纤脉冲激光器，其特征在于，所述第一波分复用器和所述第二波分复用器的工作波段为1550nm或2000nm。
7.根据权利要求1所述的全光纤脉冲激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体为半导体可饱和吸收体、稀土离子掺杂光纤、基于过渡金属离子掺杂的二六族化合物、基于二维材料的石墨烯、碳纳米管或拓扑绝缘体、过渡金属二硫化物或二硒化物、金纳米棒、PbS量子点和黑鳞中的任意一种或几种。
8.根据权利要求4所述的全光纤脉冲激光器，其特征在于，所述第一耦合器和/或所述第二耦合器的第一输出端口与第二输出端口的输出功率比为50:50、80:20或90:10。
9.根据权利要求4所述的全光纤脉冲激光器，其特征在于，所述第一耦合器和/或所述第二耦合器为全光纤耦合器。
10.根据权利要求4所述的全光纤脉冲激光器，其特征在于，所述第一隔离器和/或所述第二隔离器为在线光纤隔离器。
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