CN202513435U - 一种mopa结构的高能量低重频全光纤激光器 - Google Patents

一种mopa结构的高能量低重频全光纤激光器 Download PDF

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一种MOPA结构的高能量低重频全光纤激光器，涉及锁模光纤激光器和光纤放大器领域。所述全光纤激光器包括主振荡级种子源系统和用于对种子源进行功率放大的级联光纤放大器系统，具体包括用于为激光产生提供泵浦能量的泵浦源，用于提供增益的双包层增益光纤，用于对产生的激光进行相位调制从而产生超短脉冲的锁模装置，以及用于激光传输的单模传输光纤；所述的单模传输光纤的长度为200m-4Km；本实用新型通过增加谐振腔中单模光纤长度来延长腔长，有效降低了谐振腔内脉冲的重复频率，显著地提高了单脉冲能量。

Description

一种MOPA结构的高能量低重频全光纤激光器
技术领域
本发明涉及锁模光纤激光器和光纤放大器领域，具体涉及的是通过将低重复频率的主振荡级种子源光纤激光器通过全光纤结构的级联光纤放大器系统进行功率放大，最终实现高功率全光纤激光器高能量低重频脉冲激光输出的方法。
背景技术
在锁模光纤激光器中，锁模脉冲的重复频率越高，单位时间内传输的脉冲个数就越多，这也就意味着可携带的信息量越大，因此，高重复频率超短光脉冲在密集波分复用(DWDM)和光时分复用(OTDM)等新型光纤通信系统中发挥着重要的作用，因而得到了人们密切的关注和飞速的发展。相对于高重复频率超短光脉冲，低重复频率的超短脉冲光源的重复频率要低的多，在平均功率一定的情况下，提高了单个脉冲峰值功率，并且降低脉冲重复频率还可以降低热寄生现象、减小样本损坏，这种高能量脉冲低重复频率激光器在微细加工，生物医学检测，光探测以及激光雷达等领域中正发挥着越来越重要的作用。
一般而言，在光纤激光器中，利用锁模技术产生的光脉冲，其重复频率较高(10-100MHz)而脉冲能量较低。为了满足微细加工，生物医学检测，光探测以及激光雷达等领域中对高脉冲能量的要求，通常将锁模光纤激光器产生的超短脉冲通过脉冲选择器(电光调制器或声光调制器)获得低重复频率的脉冲激光，然后再将这种低重复频率的脉冲激光耦合入放大器中进行放大从而获得高能量脉冲输出。传统的电光调制器和声光调制器作为脉冲选择方式，一方面调制对比度较低，所选单脉冲中通常会带有原始脉冲信号，并会随着放大而对选择结果造成大的干扰；另一方面，其价格昂贵，能量利用效率低，散热性能差，不能利用空气冷却，造成能量浪费严重，且体积庞大，结构复杂，从而使光纤激光器失去了简洁轻便的优点。与此相比，根据锁模光纤激光器的脉冲重复频率和激光器腔长成反比的关系，通过延长腔长来降低锁模脉冲的重复频率从而提高脉冲能量则是一个简单有效的方法。
要实现全光纤结构的锁模光纤激光器，目前最有效的方法是被动锁模技术，被动锁模技术是一种全光纤非线性技术，它不需要任何的有源器件，而是将光纤的非线性效应作为锁模机制，产生ps甚至fs量级的脉冲。目前最常用的被动锁模技术主要是基于可饱和吸收体实现被动锁模，常用的可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜(SESAM)和碳纳米管(SWNT)，它们利用了可饱和吸收体对激光的吸收随光场强度而变化的原理，在激光谐振腔中，当光场较弱时吸收较强，光强较强时吸收较弱，当光强达到特定值时，使最强激光经受最小损耗，从而得实现激光锁模。最近，人们发现原子层级石墨烯薄膜可以作为一种新型的可饱和吸收体用于光纤激光器被动锁模及调Q，相比于SESAM和SWNT，石墨烯可饱和吸收体具有饱和吸收带范围宽，损伤阈值高，比表面积大，易于与光纤耦合等优点，目前国际上已有多个课题组将石墨烯作为饱和吸收体展开了研究。
近年来，由于包层泵浦技术的出现，极大促进了高功率光纤激光器和高功率光纤放大器的发展，包层泵浦技术利用的双包层掺杂光纤，其纤芯与相应激光波长的单模稀土掺杂光纤相同，内包层的形状和直径能够与高功率激光二极管有效耦合外包层采用低折射率材料。当多模泵浦激光耦合到双包层光纤的内包层中时，多模泵浦光在内包层中传播时会反复穿过光纤纤芯，使光纤纤芯对泵浦光的达到有效吸收并辐射出单模激光，从而实现高功率、低亮度激光二极管泵浦激光转换成接近衍射极限的强激光输出。
基于主振荡功率放大，简称MOPA，它是通过用泵浦光对种子信号光进行泵浦，从而实现对种子光源的功率放大。其主要优点是：主振荡器主要作用是产生高质量的种子光，由于可以对种子源的输出特性进行调节，因而输出光较易做到所需的时域、频域特性和保持良好的光束质量；功率放大部分主要作用则是对种子光进行放大，在保证了输出光的高光束质量的同时又实现了高功率、高能量输出，又保证了低功率种子源的良好脉冲特性和双包层放大器的高功率放大特性的优点。
发明内容
本发明的目的主要是针对上述现有技术的不足，设计了一种产生高能量低重频脉冲激光的方法，该方法通过延长腔长的办法实现了锁模光纤激光器的高能量低重频脉冲输出，并将它作为主振荡级种子源系统通过级联光纤放大器系统进行功率放大，从而现实了高能量低重频脉冲激光的高功率输出。
本发明目的将由以下技术方案完成：
一种MOPA结构的高能量低重频全光纤激光器，其特征在于：所述全光纤激光器包括主振荡级种子源系统和用于对种子源进行功率放大的级联光纤放大器系统，具体包括用于为激光产生提供泵浦能量的泵浦源，用于提供增益的双包层增益光纤，用于对产生的激光进行相位调制从而产生超短脉冲的锁模装置，以及用于激光传输的单模传输光纤；其中，主振荡级种子源系统作为高能量低重频全光纤激光器的种子源，种子源采用环形腔结构，泵浦光经波分复用器被耦合进双包层增益光纤进行增益放大，产生的激光被传输至锁模装置后产生脉冲激光，脉冲激光被传输至分束器后部分激光经过分束作用后输出，其余激光再次被传输至波分复用器耦合进谐振腔中进行振荡，种子源的谐振腔由掺杂稀土元素的双包层增益光纤、单模传输光纤和锁模装置构成，其特征在于：所述的谐振腔中单模传输光纤的长度为200m-4Km；脉冲激光从种子源输出后被输入到全光纤结构的级联光纤放大器系统中进行功率放大。
所述的主振荡级种子源系统所用的锁模装置为可饱和吸收体，包括半导体可饱和吸收镜，碳纳米管可饱和吸收体和石墨烯可饱和吸收体；掺杂稀土元素铒，镱，钬或铥的双包层光纤作为增益光纤；种子源的谐振腔中置有控制腔内激光偏振方向的光纤式偏振控制器，用于优化锁模脉冲序列；谐振腔中还置有光纤式环形器，用于控制激光谐振腔内激光的传输方向，便于锁模装置的连接。
所述的级联光纤放大器系统可以为单级或多级全光纤放大器系统；在光纤放大器系统后连接有光纤式光栅压缩装置，用于对输出的脉冲激光进行脉宽压缩；所述的激光器主振荡级系统与放大器系统之间及放大器系统每一级输出端都置有光纤隔离器，用来防止下一级系统的反馈光对上一级系统的干扰。
本发明的优点是，由于作为种子源的主振荡级系统采用的是环形腔结构，根据环形腔腔长与重复频率的计算公式：L＝C/nf，谐振腔腔长与锁模脉冲重复频率成反比(C为真空光速，n为单模传输光纤的折射率)，通过增加谐振腔中单模光纤长度来延长腔长，有效降低了谐振腔内脉冲的重复频率，显著地提高了单脉冲能量；激光器可以用石墨烯可饱和吸收体作为锁模装置，由于石墨烯可饱和吸收体具有饱和吸收带范围宽，损伤阈值高，比表面积大，易于与光纤耦合等优点，其优异的锁模特性和低廉的制备成本有望使锁模光纤激光器结构更简洁，性能更稳定，并有望使其成本得到降低；谐振腔中的增益光纤为双包层增益光纤，包层泵浦实现了泵浦源与增益光纤的高效耦合，使得输出功率得到极大地提高；由于无需使用电光或声光调制其选择脉冲，因此极大地简化了系统结构，使得激光器的全光纤化得以实现，同时又降低了成本；通过进一步将主振荡级系统的输出脉冲通过光纤放大器系统进行功率放大，可以实现平均功率达百瓦级高能量低重频的脉冲激光输出。
附图说明
附图1为本发明实施例的流程图
附图2为本发明实施例主振荡级系统的结构示意图
附图3为本发明实施例主振荡级系统得到的锁模脉冲序列
附图4分别为本发明实施例主振荡级系统经两级光纤放大器系统进行功率放大的结构示意图
图2、4中：1、泵浦源；2、波分复用器(WDM)；3、双包层掺镱光纤；4、分束器；5、主振荡级激光脉冲输出端；6、光纤式环形器；7、石墨烯可饱和吸收镜；8、光纤式偏振控制器；9、单模传输光纤；10、光纤式隔离器；11合束器；12、经放大器系统放大后的激光脉冲输出端；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明提出的MOPA结构的高能量低重频全光纤激光器的相关特征做进一步详细的说明。
泵浦源产生的泵浦光注入到主振荡级系统的谐振腔，经过增益光纤后泵浦光转换为激光，所产生的激光开始在谐振腔内进行传输，激光经锁模装置作用后产生稳定的锁模脉冲激光输出。在环形腔中，所产生的锁模脉冲激光的重复频率可根据公式：f＝C/nL得出。其中，L为谐振腔的总长，即掺杂光纤和单模传输光纤的总长。由此看出，只要通过增加单模传输光纤的长度就可以降低重复频率，当单模传输光纤的长度为200m-4km时，激光脉冲的重复频率降低至1MHz-50KHz。本实施例优选的利用自行制备的石墨烯可饱和吸收镜(GSAM)做锁模器件，它是通过将混合均匀的石墨烯-聚乙烯醇(石墨烯-PVA)悬浊液沉积在宽带全反射镜上，再将其进行干燥，最终将在宽带全反射镜上形成一层石墨烯薄膜，这层石墨烯薄膜与宽带全反射镜共同构成了石墨烯可饱和吸收镜，本发明还可选用半导体可饱和吸收镜、碳纳米管可饱和吸收体作锁模装置。本实施例优选的利用掺镱双包层光纤作增益光纤，其工作在全正色散域，除掺镱双包层光纤外，本发明还可选用掺铒、钬、铥的双包层光纤作增益光纤。
图1所示为本发明高能量低重频的光纤激光器的实施方式流程示意图。图2、4所示为本发明优选的一种实施方式，在图2所示的主振荡级系统中，泵浦源1产生的泵浦光通过波分复用器2耦合进主振荡级系统的谐振腔，谐振腔由双包层掺镱光纤3，石墨烯可饱和吸收镜7和单模传输光纤9构成；泵浦光经过波分复用器2进入双包层掺镱光纤3，经过增益放大后产生的激光被传输至光纤式环形器6；光纤式环形器的反射端与石墨烯可饱和吸收镜7连接，由于饱和吸收体对谐振腔内的弱脉冲吸收较多，而对强脉冲吸收较少，激光经过石墨烯可饱和吸收镜7的饱和吸收作用实现锁模，产生超短脉冲；同时由于光纤式环形器具有一定的隔离度，从而使激光在谐振腔内单向传输；在本实施例中通过将单模传输光纤9的长度延长至2km，增加了谐振腔的长度，将锁模脉冲的重复频率降低至100KHz，所得锁模脉冲激光如图3所示；在谐振腔内传播的脉冲激光最终通过分束器4的分束作用实现脉冲激光的输出，所得到的输出功率为40mW，单脉冲能量达到了400nJ；本实施例采用光纤式偏振控制器8来调整激光脉冲的偏振方向，优化锁模脉冲序列。
图4所示的是本发明实施例主振荡级系统经两级光纤放大器系统进行功率放大的结构示意图，将主振荡级系统作为种子源，从激光脉冲输出端5输出的脉冲激光通过光纤式隔离器10后传输至第一级光纤放大器，泵浦源1提供的泵浦光通过合束器11耦合进双包层掺镱光纤3对脉冲激光进行增益放大，然后再次经过光纤式隔离器10后进入第二级光纤放大器，在第二级光纤放大器中经同样的放大作用后再次经过光纤式隔离器10后由输出端12实现高功率的脉冲激光输出，主振荡级系统经过两级光纤放大器系统放大作用后最终可以得到功率达百瓦级的高能量低重频脉冲激光输出。
本实施例中的压缩部分采用的是光栅对压缩技术。这种压缩技术有两个性能相同的光栅平行放置组成，其对波长1064nm的光脉冲具有负色散作用，所以可以补偿光纤的光脉冲的正色散作用，可将脉冲宽度压缩至皮秒量级。
本发明的关键之处在于通过采用延长单模传输光纤来增加谐振腔长度的办法实现了主振荡级系统的高能量低重频脉冲激光输出，其中采用双包层掺杂光纤做增益光纤，保证了较高的功率输出，选用石墨烯可饱和吸收镜等可饱和吸收体作为锁模装置具有锁模特性优异、结构简单等优点；将主振荡级系统作为种子源通过级联光纤放大器系统对得到的高能量低重频脉冲激光做进一步的功率放大，从而实现了高能量低重频脉冲激光的高功率输出。整个激光器系统实现了全光纤化，结构简单，性能高效稳定，能够广泛的应用于微细加工，生物医学检测，光探测以及激光雷达等众多领域。

Claims (3)

1.一种MOPA结构的高能量低重频全光纤激光器，其特征在于：所述全光纤激光器包括主振荡级种子源系统和用于对种子源进行功率放大的级联光纤放大器系统；具体包括用于为激光产生提供泵浦能量的泵浦源，用于提供增益的双包层增益光纤，用于对产生的激光进行相位调制从而产生超短脉冲的锁模装置，以及用于激光传输的单模传输光纤；其中，主振荡级种子源系统作为高能量低重频全光纤激光器的种子源，种子源采用环形腔结构，泵浦光经波分复用器被耦合进双包层增益光纤进行增益放大,产生的激光被传输至锁模装置后产生脉冲激光，脉冲激光被传输至分束器后部分激光经过分束作用后输出，其余激光再次被传输至波分复用器耦合进谐振腔中进行振荡，种子源的谐振腔由双包层增益光纤、单模传输光纤和锁模装置构成，其特征在于：所述的谐振腔中单模传输光纤的长度为200m-4Km；脉冲激光从种子源输出后被输入到全光纤结构的级联光纤放大器系统中进行功率放大。
2.根据权利要求1所述的一种MOPA结构的高能量低重频全光纤激光器，其特征在于：所述的主振荡级种子源系统所用的锁模装置为可饱和吸收体，包括半导体可饱和吸收镜，碳纳米管可饱和吸收体和石墨烯可饱和吸收体；双包层光纤作为增益光纤；种子源的谐振腔中置有控制腔内激光偏振方向的光纤式偏振控制器，用于优化锁模脉冲序列；谐振腔中还置有光纤式环形器，用于控制激光谐振腔内激光的传输方向，便于锁模装置的连接。
3.根据权利要求1所述的一种MOPA结构的高能量低重频全光纤激光器，其特征在于：所述的级联光纤放大器系统可以为单级或多级全光纤放大器系统；在光纤放大器系统后连接有光纤式光栅压缩装置，用于对输出的脉冲激光进行脉宽压缩；所述的激光器主振荡级系统与放大器系统之间及放大器系统每一级输出端都置有光纤隔离器，用来防止下一级系统的反馈光对上一级系统的干扰。 
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