CN113690726A - 脉冲光纤激光器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脉冲光纤激光器装置，包括激光器种子光源发射脉冲信号光；多模泵浦激光器发射泵浦光；低掺杂铒镱双包层有源光纤、多模泵浦桥接器、高掺杂铒镱双包层有源光纤依次相连；多模泵浦桥接器将泵浦光与信号光分离；高反光纤光栅对信号光进行滤并反射；低反光纤光栅，将部分信号光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤并进行放大；反射光栅，将部分泵浦光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤，将其他部分泵浦光透射入低掺杂铒镱双包层有源光纤。采用了本发明的脉冲光纤激光器装置，生产时间缩短为传统预放双级方案的一半，极大的提高生产效率，降低激光器人力成本，元器件成本大幅低，便于商业化批量使用，具备超高的可靠性。

Description

脉冲光纤激光器装置
技术领域
本发明涉及脉冲光纤激光器领域，尤其涉及主震荡功率放大光纤激光器领域，具体是指一种脉冲光纤激光器装置。
背景技术
脉冲主震荡功率放大器(MOPA)光纤激光器由于具备峰值功率高、光束质量好等优点而被广泛应用于激光雷达、激光测距、激光测绘等领域。然而，由于MOPA激光器中种子光源通常经过电路直接调制为纳秒级脉冲而获得，其种子光的输出功率仅为数百皮焦左右。如此低的种子光功率，若直接采用铒镱共掺双包层光纤(EYDCF)对其进行放大极易产生大量ASE而放大效果不佳。另外，由于EYDCF子1530NM处具备非常高的吸收及辐射系数，故MOPA激光器在高功率泵浦的情况下极易造成1530NM处自发辐射光(ASE)功率增高而降低信号光的信噪比(OSNR),另一方面，1530NM处极高的ASE能量密度极易造成ASE信号光的自激效应，造成光谱及输出光功率的抖动。
为获得高峰值功率及高信噪比，人们通常采用掺铒光纤放大器作为第一级放大，将种子放大到一定功率后，再将其输入EYDCF对其进行高功率放大。该方法虽然可以获得高质量的激光输出，然而，EDFA全套光纤元器件及泵浦激光器均为单模元件，其存在成本高，器件体积大，数量多等缺点。其不仅带来了成本的翻倍增加，而且直接影响生产效率，制约大批量生产，另外更多的器件对可靠性及设备结构的紧凑型带来了很大的制约。这与光纤激光器要求高输出功率及信噪比的同时满足生产效率高，成本低，结构紧凑，高可靠性的要求相违背。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足生产效率高、成本低、结构紧凑的脉冲光纤激光器装置。
为了实现上述目的，本发明的脉冲光纤激光器装置如下：
该脉冲光纤激光器装置，其主要特点是，所述的装置包括：
激光器种子光源，用于发射脉冲信号光；
多模泵浦激光器，用于发射泵浦光；
低掺杂铒镱双包层有源光纤，与所述的激光器种子光源相连接，用于放大信号光；
高掺杂铒镱双包层有源光纤，与所述的多模泵浦激光器相连接，用于放大信号光；
多模泵浦桥接器，连接在所述的低掺杂铒镱双包层有源光纤和高掺杂铒镱双包层有源光纤之间，用于将泵浦光与信号光分离；
高反光纤光栅，与所述的高掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于对信号光进行滤波，并将信号光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤进行再次放大；
低反光纤光栅，与所述的高反光纤光栅和多模泵浦激光器相连接，用于将部分信号光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤并进行放大；
反射光栅，与所述的多模泵浦桥接器、低掺杂铒镱双包层有源光纤和高掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于将部分泵浦光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤，将其他部分泵浦光透射入低掺杂铒镱双包层有源光纤。
较佳地，所述的装置还包括光学环形器和低掺杂铒镱双包层有源光纤，与所述的激光器种子光源和低掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于使激光器种子光源发出的信号光进入有源光纤，并输出从有源光纤返回的信号光。
较佳地，所述的装置还包括：
分离器，与所述的光学环形器相连接，用于分离信号光与噪声光；
输出口，与所述的分离器相连接，作为激光器的输出端口。
较佳地，所述的装置还包括光纤结点，与所述的低掺杂铒镱双包层有源光纤和高掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于将光纤打圈，防止光泄露。
较佳地，所述的低反光纤光栅采用6nm的宽带光栅。
较佳地，所述的高反光纤光栅和低反光纤光栅均通过激光直刻蚀设于有源光纤的纤芯内部。
较佳地，所述的激光器种子光源发出的脉冲信号光为1550nm；所述的多模泵浦激光器发出的泵浦光为940nm。
采用了本发明的脉冲光纤激光器装置，可获得超高输出功率及光谱OSNR，避免采用传统EDFA作为预放+功放的双级结构。极简的光路设计方案即可完成光纤激光器放大设计：光路方案中仅采用三个无源光器件。极简的光路结构使得该光纤激光器生产时间缩短为传统预放双级方案的一半，极大的提高生产效率，降低激光器人力成本。极简的光路结构使得该光纤激光器的元器件成本大幅低，相对传统解决方案，成本降低一半以上。该激光器可集成至超小型结构内，便于商业化批量使用，具备超高的可靠性。
附图说明
图1为本发明的脉冲光纤激光器装置的结构示意图。
图2为本发明的脉冲光纤激光器装置的光纤结构示意图。
图3为本发明的脉冲光纤激光器装置的实施例的结构示意图。
图4为本发明的脉冲光纤激光器装置的输出功率波形图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该脉冲光纤激光器装置，其中包括：
激光器种子光源，用于发射脉冲信号光；
多模泵浦激光器，用于发射泵浦光；
低掺杂铒镱双包层有源光纤，与所述的激光器种子光源相连接，用于放大信号光；
高掺杂铒镱双包层有源光纤，与所述的多模泵浦激光器相连接，用于放大信号光；
多模泵浦桥接器，连接在所述的低掺杂铒镱双包层有源光纤和高掺杂铒镱双包层有源光纤之间，用于将泵浦光与信号光分离；
高反光纤光栅，与所述的高掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于对信号光进行滤波，并将信号光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤进行再次放大；
低反光纤光栅，与所述的高反光纤光栅和多模泵浦激光器相连接，用于将部分信号光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤并进行放大；
反射光栅，与所述的多模泵浦桥接器、低掺杂铒镱双包层有源光纤和高掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于将部分泵浦光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤，将其他部分泵浦光透射入低掺杂铒镱双包层有源光纤。
作为本发明的优选实施方式，所述的装置还包括光学环形器和低掺杂铒镱双包层有源光纤，与所述的激光器种子光源和低掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于使激光器种子光源发出的信号光进入有源光纤，并输出从有源光纤返回的信号光。
作为本发明的优选实施方式，所述的装置还包括：
分离器，与所述的光学环形器相连接，用于分离信号光与噪声光；
输出口，与所述的分离器相连接，作为激光器的输出端口。
作为本发明的优选实施方式，所述的装置还包括光纤结点，与所述的低掺杂铒镱双包层有源光纤和高掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于将光纤打圈，防止光泄露。
作为本发明的优选实施方式，所述的低反光纤光栅采用6nm的宽带光栅。
作为本发明的优选实施方式，所述的高反光纤光栅和低反光纤光栅均通过激光直刻蚀设于有源光纤的纤芯内部。
作为本发明的优选实施方式，所述的激光器种子光源发出的脉冲信号光为1550nm；所述的多模泵浦激光器发出的泵浦光为940nm。
本发明的具体实施方式中，提出一种基于双FBG降噪技术及双级EYDCF放大技术的MOPA光纤激光器，其无需采用传统EDFA作为预放即可实现高功率及高信噪比输出。
装置包括以下元件：
1550nm激光器种子光源Seed，为脉冲激光器提供信号光；
光学环形器Circulator，使得种子光源发出的信号光进入EYDCF，并将从EYDCF返回的信号光输出，同时防止输出回光反向射入激光器，起到隔离器作用；
低掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF1，作为信号光放大的增益介质；
高掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF2，作为信号光放大的增益介质；
多模泵浦桥接器MM-WDM，其作用为将泵浦光分离后再次整合与信号光合并；
高反光纤光栅FBG1，对信号光进行反射滤波；
低反光纤光栅FBG2，将一部分1530nm信号光反射入EYDCF；
反射光栅FBG3，将940泵浦光一部分反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF2，一部分透射入低掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF1；
940nm多模泵浦激光器PUMP，为信号放大提供能量；
分离器WDM，将1550nm信号光与1530nm噪声光分离。
输出端OUT：光纤，激光器输出端口，通常采用FC/APC接口；
光纤结点：将光纤打圈，防止1530nm光泄露，对周边光纤噪声烧损。
元件的参数如下：
高反光纤光栅的技术参数：中心波长：1550nm，0.5db带宽：4nm，反射率>99％，光栅位置：EYDCF纤芯；
低反光纤光栅的技术参数：中心波长：1530nm，3dB带宽：6nm，反射率>80％，光栅位置：EYDCF纤芯；
反射光栅FBG3技术参数：中心波长：940nm，3dB带宽：10nm，反射率约：50％，光栅位置：EYDCF纤芯；
低掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF1型号及参数：EYDCF-10/125，纤芯直径：10um，包层直径：125um，长度2m，低掺杂浓度及吸收系数。
高掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF2型号及参数：EYDCF-10/125，纤芯直径：10um，包层直径：125um，长度2.2m，高掺杂浓度及吸收系数。
工作方式：
种子光源发出1550nm脉冲激光经环形器进入有源光纤低掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF1，经多模泵浦桥接器后进入高掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF2，泵浦激光器发出泵浦激光直接输入高掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF2，传输至多模泵浦桥接器后与信号光进行分离，经反射光栅FBG3后反射一部分至高掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF2，透射一部分至低掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF1。
传输过程中增益介质吸收泵浦光能量，信号光在有源光纤传输过程中通过原子受激辐射对信号进行放大，与此同时EYDCF自发辐射产生大量ASE光(如图2中1550nm+ASE所示)。1550nm信号及ASE传输到高反光纤光栅处后，高反光纤光栅对其进行反射滤波，即1550nm的信号及极少部分ASE光被反射，其余ASE光透射至低反光纤光栅，低反光纤光栅反射约80％的1530NM ASE光(如图2中1530nm光谱)，使其传过低反光纤光栅后与反向传输的1550NM一起再次传输如有源光纤。1550nm信号光在有源光纤中传输的同时再次被放大，实现激光器的高功率输出。同时，1530nm的ASE激光吸收1530nm处粒子，降低1530nm处上能级粒子数，有效降低1530NM处ASE自激效应。最后1550nm及1530nm光经环形器及分离器分光后输出光纤激光器。其中1530nm的ASE光在光纤结点处被损耗。
该设计方案采用一系列的技术进行EYDCF中噪声控制及光器件进行极简化处理，实现了一款采用EYDCF双级放大方案即可实现高OSNR，高功率激光输出的MOPA光纤激光器。
通过采用多模泵浦桥接器实现EYDCF的桥接双级方案，该方案可大幅提升光谱信噪比及转化效率，同时采用泵浦桥接方案避免传统技术方案需要采用双套泵浦激光器及合束器才能实现EYDCF双级放大的技术瓶颈，有效减少器件数量及降低成本。
采用940nm FBG将高掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF2中剩余的泵浦光再次反射入吸收系数高的高掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF2，有效提升了泵浦的吸收效率，同时可有效缩短有源光纤长度。将部分泵浦光透射入低掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF1，由于其掺杂浓度低，较低的泵浦功率即可实现粒子数的有效反转，实现泵浦功率饱和达到预放效果，通过该光栅调整泵浦的分配，有效提升了转化效率，同时缩短了有源光纤。
采用高反光纤光栅对信号光进行滤波，将信号光反射入有源光纤进行再次放大，而将正向放大的产生的ASE光直接滤除。
采用低反光纤光栅反射1530nm光后传输进入有源光纤进行放大，对1530nm进行上能级粒子消耗，一方面其可以降低1530nm处ASE功率，提升信号光OSNR，另一方面，其可以降低光纤纤芯能量密度，防止光纤内自激震荡，造成光谱不稳定。
其中，该光栅采用带宽为6nm的宽带光栅，其有效提升ASE光的反射功率，充分提升消耗粒子数的效果，有效避免外部增加半导体激光器来输入去噪种子光或者通过光栅对进行谐振放大的传统增益牵制技术方案。
高反光纤光栅和低反光纤光栅均通过激光直刻蚀技术制备于光纤纤芯内部，其对940nm的泵浦光不造成任何影响。
泵浦激光器与有源光纤直接熔接，避免传统工艺采用光纤合束器进行合束，其不仅可以避免使用光纤合束器，而且避免使用传统合束器时本征损耗造成的泵浦光损耗及热效应的产生，节约器件成本的同时有效提高了设备的电光转化效率及可靠性。
采用单纤双程放大设计方案，有源光纤长度较短，有效提高非线性阈值，避免光纤非线性效应对信噪比及吸收效率造成的影响，同时增加泵浦吸收效率，提高电光转化效率，降低原材料成本。
使用环形器即可达到隔离器的效果，避免传统激光器必须使用光纤隔离器进行隔离，防止外界返回光对激光器造成干扰。降低成本的同时，降低加工难度，同时满足隔离要求。
基于此发明主光路设计，完整的MOPA光纤激光器的光路如图1所示，
激光器种子光源的输出光纤与光学环形器的第一端口熔接，光学环形器的第二端口与低掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF1进行熔接，低掺杂铒镱双包层有源光纤EYDCF1与多模泵浦桥接器串接，EYDCF光栅末端与多模泵浦激光器熔接，环形器的第二端口与分离器单端熔接，分离器的1550nm端与输出跳线熔接，1530nm端打结即可。
在本发明的具体实施例中，极简MOPA光纤激光器的光路设计方案，通过采用双级EYDCF放大方案即可实现高OSNR，高功率激光输出。实验数据如下：在种子光源重复频率：500khz，脉冲宽度：3ns，输出峰值功率80mw；泵浦输出功率：6W的测试条件下，获得脉冲峰值功率：1.0KW，OSNR＝40dB。
采用了本发明的脉冲光纤激光器装置，可获得超高输出功率及光谱OSNR，避免采用传统EDFA作为预放+功放的双级结构。极简的光路设计方案即可完成光纤激光器放大设计：光路方案中仅采用三个无源光器件。极简的光路结构使得该光纤激光器生产时间缩短为传统预放双级方案的一半，极大的提高生产效率，降低激光器人力成本。极简的光路结构使得该光纤激光器的元器件成本大幅低，相对传统解决方案，成本降低一半以上。该激光器可集成至超小型结构内，便于商业化批量使用，具备超高的可靠性。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种脉冲光纤激光器装置，其特征在于，所述的装置包括：
激光器种子光源，用于发射脉冲信号光；
多模泵浦激光器，用于发射泵浦光；
低掺杂铒镱双包层有源光纤，与所述的激光器种子光源相连接，用于放大信号光；
高掺杂铒镱双包层有源光纤，与所述的多模泵浦激光器相连接，用于放大信号光；
多模泵浦桥接器，连接在所述的低掺杂铒镱双包层有源光纤和高掺杂铒镱双包层有源光纤之间，用于将泵浦光与信号光分离；
高反光纤光栅，与所述的高掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于对信号光进行滤波，并将信号光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤进行再次放大；
低反光纤光栅，与所述的高反光纤光栅和多模泵浦激光器相连接，用于将部分信号光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤并进行放大；
反射光栅，与所述的多模泵浦桥接器、低掺杂铒镱双包层有源光纤和高掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于将部分泵浦光反射入高掺杂铒镱双包层有源光纤，将其他部分泵浦光透射入低掺杂铒镱双包层有源光纤。
2.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器装置，其特征在于，所述的装置还包括光学环形器和低掺杂铒镱双包层有源光纤，与所述的激光器种子光源和低掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于使激光器种子光源发出的信号光进入有源光纤，并输出从有源光纤返回的信号光。
3.根据权利要求2所述的脉冲光纤激光器装置，其特征在于，所述的装置还包括：
分离器，与所述的光学环形器相连接，用于分离信号光与噪声光；
输出口，与所述的分离器相连接，作为激光器的输出端口。
4.根据权利要求2所述的脉冲光纤激光器装置，其特征在于，所述的装置还包括光纤结点，与所述的低掺杂铒镱双包层有源光纤和高掺杂铒镱双包层有源光纤相连接，用于将光纤打圈，防止光泄露。
5.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器装置，其特征在于，所述的低反光纤光栅采用6nm的宽带光栅。
6.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器装置，其特征在于，所述的高反光纤光栅和低反光纤光栅均通过激光直刻蚀设于有源光纤的纤芯内部。
7.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器装置，其特征在于，所述的激光器种子光源发出的脉冲信号光为1550nm；所述的多模泵浦激光器发出的泵浦光为940nm。
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