CN207719581U - 基于mopa结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，包括预放大级光路结构和主放大级光路结构，预放大级光路结构是一种单级双程的预放大结构，能够节省增益光纤长度，增大光‑光转化效率，从而提高增益光纤对小信号的放大能力，保障亚纳秒激光脉冲的高保真放大；且预放大级光路结构中，在宽带光纤反射镜和波分复用器之间连接有可调谐滤波器，可实现通带宽度可调滤波，从而滤除单程放大的ASE光，有效避免因滤波器与种子源带宽不匹配造成的损耗；且单模半导体激光器采用后向泵浦方式，可有效抑制ASE效应，同时提高输出功率；本实用新型输出功率高，放大级数少，结构紧凑，成本较低易于商业化生产。

Description

基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器领域，特别是涉及一种双向泵浦的高功率光纤激光器。

背景技术

随着多模半导体激光器输出功率的不断提高、双包层掺杂光纤的快速发展以及包层泵浦技术光纤熔接热管理技术等关键技术的不断突破，基于主振荡功率放大MOPA结构的光纤激光器的输出功率得到了极大的提高。光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、使用寿命长、维护费用低和体积小巧等优点，使得光纤激光器在材料加工、激光通信、光谱测量、医学和军事领域(激光测距、遥感)占有重要地位。脉冲光纤激光器相较于连续光纤激光器具有更窄的脉冲宽度和更高的峰值功率，现今平均功率几十瓦、脉冲宽度100fs-100ns、重复频率kHz-MHz的光纤激光器，已经广泛应用于材料精密加工、激光打标等工业领域。光纤激光器脉冲宽度介于100ps-1ns之间我们称之为亚纳秒脉冲光纤激光器，与超短脉冲(小于100ps)光纤激光器相比，亚纳秒脉冲光纤激光器具有更长的等离子体作用时间来实现加工材料的溶解。而与纳秒级脉冲光纤激光器相比，由于具有相对较短的脉冲宽度，加工材料受热影响区域相对更小，加工质量更好。

亚纳秒脉冲激光器一般通过被动锁模技术(重频10MHz以上)或直接调制半导体激光器(1MHz以下)来实现，被动锁模利用色散管理光纤展宽或者压缩技术得到脉冲宽度为百皮秒的激光脉冲输出，而色散管理光纤具有价格昂贵、熔接损耗大等缺点，而直接调制半导体激光器至亚纳秒量级，具有脉冲宽度、形状、重复频率可调等优点，但输出脉冲平均功率较低(一般小于1μW),在功率放大过程中容易出现ASE效应，从而限制放大器的放大效率，并且需要较长的增益光纤和多级MOPA放大才能达到目前工业应用要求，成本较高不利于商业化生产。

专利文献CN 105098574 A公开了一种具有往返结构的脉冲光纤激光器，其针对窄脉宽种子源功率较小放大后信噪比较低的问题，采用往返机构来改善掺镱双包层光纤和多模泵浦源的预放大级的增益特性和噪声特性，往返机构可使信号光往返回两次经过掺镱双包层光纤放大，相当于同时增加了泵浦光的强度和增益光纤的长度，且通过窄带反射镜把大部分的噪声直接滤除，有效增加了预放大级的信噪比，这种结构一定程度上克服了小信号放大困难、增益光纤过长的问题，但是，窄带反射镜与信号光的不匹配容易造成激光脉冲变形问题，严重影响激光器的使用，且其放大结构还有待进一步改进。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提出一种基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，采用单程后向泵浦方式，克服了小信号脉冲放大过程中ASE光积累问题，大幅度提高了输出功率，实现了高功率亚纳秒激光脉冲的稳定输出。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，包括预放大级光路结构和主放大级光路结构，所述预放大级光路结构包括种子源、三端口环形器、第一增益光纤、波分复用器、可调谐滤波器、宽带光纤反射镜和单模半导体激光器；所述主放大级光路结构包括第二增益光纤、合束器、多模半导体激光器和输出端；所述种子源的输出端与所述三端口环形器的端口1相连接，所述三端口环形器的端口2与所述第一增益光纤的一端相连接，所述第一增益光纤的另一端依次连接所述波分复用器、所述可调谐滤波器和所述宽带光纤反射镜，所述单模半导体激光器作为泵浦源以后向泵浦的方式与所述波分复用器相连接；所述第二增益光纤的一端与所述三端口环形器的端口3相连接，所述第二增益光纤的另一端依次连接所述合束器和所述输出端，所述多模半导体激光器作为泵浦源以后向泵浦方式与所述合束器相连接。

进一步的，所述第二增益光纤与所述三端口环形器的端口3之间连接有包层泵浦剥模器、带通滤波器和光纤模式匹配器。

进一步的，所述输出端连接有隔离器和准直镜。

进一步的，所述第一增益光纤为单模掺铒光纤或铒镱共掺光纤，所述种子源为直接电调制的1550nm半导体激光器，所述单模半导体激光器为980nm单模半导体激光器，所述波分复用器为980nm/1550nm波分复用器，所述多模半导体激光器为975nm多模半导体激光器或950nm多模半导体激光器或915nm多模半导体激光器。

进一步的，所述第二增益光纤为双包层铒镱共掺光纤。

进一步的，还包括用于驱动所述单模半导体激光器的预放大级驱动电路、用于驱动所述种子源的种子源驱动电路、用于驱动所述多模半导体激光器的主放大级驱动电路和对前述各驱动电路进行控制的控制电路。

进一步的，所述种子源驱动电路包括温控电路和脉冲宽度、形状调制电路。

进一步的，所述种子源与所述三端口环形器之间连接有隔离器。

与现有技术相比，本实用新型采用以直接调制半导体激光器为种子源的两级MOPA放大结构，实现了高功率亚纳秒激光脉冲稳定输出。其中预放大级光路结构是一种单级双程的预放大结构，种子光经三端口环形器的端口1和端口2输入到第一增益光纤中，然后经宽带光纤反射镜作用后，种子光可再次通过第一增益光纤从而获得更高的增益，因此，通过这种双程预放大结构能够节省增益光纤长度，增大光-光转化效率，从而提高增益光纤对小信号的放大能力，保障亚纳秒激光脉冲的高保真放大；且预放大级光路结构中，在宽带光纤反射镜和波分复用器之间连接有可调谐滤波器，可实现通带宽度可调滤波，从而滤除单程放大的ASE光，有效避免因滤波器(比如窄线宽滤波器)与种子源带宽不匹配造成的损耗；且单模半导体激光器采用后向泵浦方式，可有效抑制ASE效应，同时提高输出功率；因此，本实用新型克服了小信号放大困难、增益光纤过长等问题；同时克服了小信号脉冲放大过程中ASE光积累问题，大幅度提高了输出功率；本实用新型输出功率高，放大级数少，结构紧凑，成本较低易于商业化生产。

附图说明

图1为本实用新型基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本实用新型的内容而非限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，包括预放大级光路结构和主放大级光路结构，所述预放大级光路结构包括种子源5、三端口环形器12、第一增益光纤18、波分复用器11、可调谐滤波器10、宽带光纤反射镜9和单模半导体激光器6；所述主放大级光路结构包括第二增益光纤19、合束器15、多模半导体激光器7,8和输出端；所述种子源的输出端与所述三端口环形器的端口1相连接，所述三端口环形器的端口2与所述第一增益光纤的一端相连接，所述第一增益光纤的另一端依次连接所述波分复用器、所述可调谐滤波器和所述宽带光纤反射镜，所述单模半导体激光器作为泵浦源以后向泵浦的方式与所述波分复用器相连接；所述第二增益光纤的一端与所述三端口环形器的端口3相连接，所述第二增益光纤的另一端依次连接所述合束器和所述输出端，所述多模半导体激光器作为泵浦源以后向泵浦方式与所述合束器相连接。

上述结构中，预放大级光路结构其实质是一种单级双程的预放大结构，种子光经三端口环形器的端口1和端口2输入到第一增益光纤中，然后经宽带光纤反射镜作用后，种子光可再次通过第一增益光纤从而获得更高的增益，因此，通过这种双程预放大结构能够节省增益光纤长度，增大光-光转化效率，从而提高增益光纤对小信号的放大能力，保障亚纳秒激光脉冲的高保真放大；且预放大级光路结构中，在宽带光纤反射镜和波分复用器之间连接有可调谐滤波器，可实现通带宽度可调滤波，从而滤除单程放大的ASE光，有效避免因滤波器(比如窄线宽滤波器)与种子源带宽不匹配造成的损耗；且单模半导体激光器采用后向泵浦方式，可有效抑制ASE效应，同时提高输出功率；因此，本实用新型克服了小信号放大困难、增益光纤过长等问题；同时克服了小信号脉冲放大过程中ASE光积累问题，大幅度提高了输出功率；本实用新型输出功率高，放大级数少，结构紧凑，成本较低易于商业化生产。

优选的，所述第二增益光纤与所述三端口环形器的端口3之间连接有包层泵浦剥模器14、带通滤波器13和光纤模式匹配器20。这样，主放大级光路在通过反向泵浦有效提高输出功率时，多余的泵浦光可通过包层泵浦剥模器滤除，防止其对预防大级光路结构的损伤。也可以替代包层泵浦剥模器，直接在熔接点涂覆高折射率胶，以滤除多余的泵浦光，防止其对前级当大结构的影响。带通滤波器可为窄带滤波器或宽带滤波器，用于滤除预放大级产生的自发辐射(ASE)光。如果预放大级产生的ASE光没有滤除，则ASE光会随着主放大级继续放大，这会减小输出激光的信噪比，限制信号光的放大。预放大级的增益光纤和主放大级的增益光纤类型不同，在两级之间插入光纤模式匹配器(MFA)，可以减小两级之间的熔接损耗和模式耦合损耗，提高光束质量。

优选的，所述输出端连接有隔离器16和准直镜17。这样，在输出端接隔离器，可以防止端面的菲涅尔反射产生寄生激光振荡，然后接光纤准直器，可以保证激光器的准直出光。

优选的，所述第一增益光纤为单模掺铒光纤或铒镱共掺光纤，所述种子源为直接电调制的1550nm半导体激光器，所述单模半导体激光器为980nm单模半导体激光器，所述波分复用器为980nm/1550nm波分复用器。所述多模半导体激光器为975nm多模半导体激光器或950nm多模半导体激光器或915nm多模半导体激光器。这样，980nm泵浦光经980nm/1550nm波分复用器(WDM)耦合进单模掺铒(Er)光纤，泵浦光和信号光可都在纤芯传播，从而提高泵浦转换效率。

优选的，所述第二增益光纤为双包层铒镱共掺光纤。Er/Yb共掺光纤能够克服掺铒光纤存在的浓度淬灭效应，提高增益光纤的泵浦转换效率，从而提高输出功率。

优选的，还包括用于驱动所述单模半导体激光器的预放大级驱动电路2、用于驱动所述种子源的种子源驱动电路3、用于驱动所述多模半导体激光器的主放大级驱动电路4和对前述各驱动电路进行控制的控制电路1。

优选的，所述种子源驱动电路包括温控电路和脉冲宽度、形状调制电路。种子源光脉冲的稳定性取决于调制电路的精度，所以一般的机械振动对其影响不大；种子源波长的稳定性与温度有关，通过精确的温度控制电路可保证种子源波长的稳定性，有效的保证了激光的稳定放大。

优选的，所述种子源与所述三端口环形器之间连接有隔离器。这样，隔离器起到保护种子源的作用。

以下通过具体实施例对本实用新型进一步说明，本案例中是一种基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，包括预放大级驱动电路2、种子源驱动电路3、主放大级驱动电路4和控制电路1；还包括预放大级光路结构、主放大级光路结构和三端口环形器12，预放大级光路结构包括种子源5、第一增益光纤18、波分复用器11、可调谐滤波器10、宽带光纤反射镜9和单模半导体激光器6；主放大级光路结构包括第二增益光纤19、合束器15、多模半导体激光器7,8和输出端，第二增益光纤与三端口环形器的端口3之间连接有包层泵浦剥模器14和带通滤波器13，输出端连接有隔离器16和准直镜17。

其中，种子源采用直接电调制的半导体激光器(LD)，其中心波长为1550.98nm，带宽为2.5GHz，经调制输出的脉冲宽度为519±0.6ps，重复频率在1MHz-2MHz范围内连续可调。

预放大级采用980nm单模半导体激光器作为泵浦源，波分复用器(WDM)采用980/1550nm波分复用器，第一增益光纤采用单模掺铒光纤。

主放大级采用Nufern公司生产的高增益6/125μm双包层铒镱共掺光纤(DC-EYDF)为第二增益光纤，多模半导体激光器采用BWT公司生产的975nm波长锁定多模半导体激光器。

本案例中直接电调制的半导体激光器输出的种子光经三端口环形器的端口1和端口2依次输入到单模掺铒光纤、可调谐滤波器和光纤反射镜中，然后经光纤反射镜的作用，种子光两次通过单模掺铒光纤从而获得更高的增益。三端口环形器的单向导通特性可以防止反向传输的光损伤种子源。预放大级以980nm单模半导体激光器(Pump1)作为泵浦源，通过980/1550nm波分复用器(WDM)将泵浦光耦合到单模掺铒光纤中。种子光经过双程预放大后通过三端口环形器的端口3入射到主放大级光路结构中。主放大级采用反向泵浦的方式将975nm多模半导体激光器输出的泵浦光，通过一个(2+1)×1合束器耦合进一段双包层铒镱共掺光纤中，由于预放大级和主放大级的光纤类型不同，在两级之间插入模式匹配器(MFA)以减小两级之间的熔接损耗和模式耦合损耗，提高光束质量，并在第二增益光纤和模式匹配器的熔点处涂覆高折射率胶进行抽运滤除(PS)，防止未被吸收的980nm泵浦光对前级器件造成损伤。在两级之间插入连接带通滤波器，比如窄带滤波器或宽带滤波器，可用于滤除预放大级产生的自发辐射(ASE)光。主放大级的合束器的空余泵浦端点涂高折胶，输出端接隔离器，防止端面的菲涅尔反射产生寄生激光振荡，然后接光纤准直器，保证激光器的准直出光。

综上，本实用新型采用以直接调制半导体激光器为种子源的两级MOPA放大结构，实现高功率亚纳秒激光脉冲稳定输出；采用双程单级放大克服小信号放大困难、增益光纤过长等问题；采用单程后向泵浦方式，克服小信号脉冲放大过程中ASE光积累问题大幅度提高输出功率；本实用新型输出功率高，放大级数少，结构紧凑，成本较低易于商业化生产。

以上实施例是参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本实用新型的实质的情况下，都落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，其特征在于：包括预放大级光路结构和主放大级光路结构，所述预放大级光路结构包括种子源(5)、三端口环形器(12)、第一增益光纤(18)、波分复用器(11)、可调谐滤波器(10)、宽带光纤反射镜(9)和单模半导体激光器(6)；所述主放大级光路结构包括第二增益光纤(19)、合束器(15)、多模半导体激光器(7,8)和输出端；所述种子源的输出端与所述三端口环形器的端口1相连接，所述三端口环形器的端口2与所述第一增益光纤的一端相连接，所述第一增益光纤的另一端依次连接所述波分复用器、所述可调谐滤波器和所述宽带光纤反射镜，所述单模半导体激光器作为泵浦源以后向泵浦的方式与所述波分复用器相连接；所述第二增益光纤的一端与所述三端口环形器的端口3相连接，所述第二增益光纤的另一端依次连接所述合束器和所述输出端，所述多模半导体激光器作为泵浦源以后向泵浦方式与所述合束器相连接。

2.根据权利要求1所述的基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述第二增益光纤与所述三端口环形器的端口3之间连接有包层泵浦剥模器(14)、带通滤波器(13)和光纤模式匹配器(20)。

3.根据权利要求1所述的基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述输出端连接有隔离器(16)和准直镜(17)。

4.根据权利要求1所述的基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述第一增益光纤为单模掺铒光纤或铒镱共掺光纤，所述种子源为直接电调制的1550nm半导体激光器，所述单模半导体激光器为980nm单模半导体激光器，所述波分复用器为980nm/1550nm波分复用器，所述多模半导体激光器为975nm多模半导体激光器或950nm多模半导体激光器或915nm多模半导体激光器。

5.根据权利要求1所述的基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述第二增益光纤为双包层铒镱共掺光纤。

6.根据权利要求1所述的基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，其特征在于：还包括用于驱动所述单模半导体激光器的预放大级驱动电路(2)、用于驱动所述种子源的种子源驱动电路(3)、用于驱动所述多模半导体激光器的主放大级驱动电路(4)和对前述各驱动电路进行控制的控制电路(1)。

7.根据权利要求6所述的基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述种子源驱动电路包括温控电路和脉冲宽度、形状调制电路。

8.根据权利要求1所述的基于MOPA结构的全光纤化亚纳秒脉冲激光器，其特征在于：所述种子源与所述三端口环形器之间连接有隔离器。