CN101499607A - 一种单频脉冲/连续双输出光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单频脉冲/连续双输出光纤激光器，包括：超窄线宽的单频光纤种子激光器，其产生并输出单频的连续激光；与该单频光纤种子激光器连接的光纤分路器，连续激光通过光纤分路器后分成两路，第一路激光作为连续激光输出，第二路激光接入调制器；与该光纤分路器连接的调制器，调制器将输入的第二路激光调制成脉冲激光输出；至少一级光纤放大器，光纤放大器接入调制器输出的脉冲激光，并将脉冲激光进行功率放大后输出；以及分别与该单频光纤种子激光器、光纤分路器、调制器和光纤放大器连接的电路模组。借此，本发明能够同时得到单频的脉冲激光输出和连续激光输出，可实现单频光纤激光器应用中功率与相干性能的良好结合。
Description
技术领域
本发明涉及激光设备，尤其涉及一种单频脉冲/连续双输出光纤激光器。
背景技术
目前国际上的固体的单频激光器有两种，一种是光纤激光器，另外一种是半导体泵浦的固体激光器。
现有单频光纤激光器要么采用连续功率输出，要么采用ns(纳秒)级脉冲工作，但是不能同时输出脉冲和连续两种体制的单频激光。现有脉冲光纤激光器的线宽都是几百MHz到几十GHz，不能做到线宽几十KHz量级的超窄线宽单频输出。光纤激光器的谐振腔在原理上只能产生连续的单频激光输出，而不能直接产生脉冲的单频激光输出，因为以光纤为谐振腔的单频种子光纤激光器不能通过脉冲电流驱动泵浦激光器的方式产生脉冲的单频光信号输出。现有的脉冲光纤激光器是用声光调Q或电光调Q的腔内调制方式产生激光脉冲，脉冲宽度都在几十ns量级，不能做到几个ns的脉冲输出。正因为于传统的脉冲光纤激光器采用的脉冲方式不能做到超窄线宽的单频输出，因而不能做到既是单频，又是脉冲的输出。
半导体泵浦的单频脉冲固体激光器采用的是半导体泵浦的固体激光器技术，产生的是自由空间的单频脉冲输出，但其性能和单频脉冲光纤激光器存在较大的差距，首先是光束质量，单频脉冲光纤激光器的光束质量经过光纤的整形，整个空间分布是接近于完美的单模单频分布；另外由于单频脉冲光纤激光器是光纤输出，光纤长度可以任意延长，整个使用的灵活性大大改善。
综上可知，现有单频激光器在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
发明内容
针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其能够同时得到单频的脉冲激光输出和连续激光输出。
为了实现上述目的，本发明提供一种单频脉冲/连续双输出光纤激光器，包括：
至少一超窄线宽的单频光纤种子激光器，其产生并输出单频的连续激光；
至少一光纤分路器，与所述单频光纤种子激光器连接，所述单频光纤种子激光器输出的连续激光通过所述光纤分路器后分成两路，第一路激光作为连续激光输出，第二路激光接入调制器；
至少一调制器，与所述光纤分路器连接，所述调制器将输入的第二路激光调制成脉冲激光输出；
至少一级光纤放大器，所述光纤放大器接入所述调制器输出的脉冲激光，并将所述脉冲激光进行功率放大后输出；以及
至少一用于激光器控制/监控的电路模组，所述电路模组与所述单频光纤种子激光器、光纤分路器、调制器和光纤放大器连接。
优选地，所述光纤放大器包括：
第一级单包层光纤放大器，与所述调制器连接，将接入的所述脉冲激光进行第一级功率放大后输出；以及
第二级双包层光纤放大器，与所述第一级单包层光纤放大器连接，将接入的经第一级功率放大后的脉冲激光进行第二级功率放大后再输出。
优选地，所述第一级单包层光纤放大器包括：
一波分复用器，与所述调制器连接；
一泵浦激光器，分别与所述波分复用器和所述电路模组连接；以及
一滤波/隔离混合器件，分别与所述波分复用器和所述电路模组连接。
优选地，所述第二级双包层光纤放大器包括：
一隔离器，分别与所述第一级单薄光纤放大器和大功率合路器连接；
一大功率合路器，分别与所述隔离器、大功率泵浦激光器和大功率隔离器连接；
一大功率泵浦激光器，分别与该大功率合路器和所述电路模组连接；
一大功率隔离器，分别与所述大功率合路器和大功率分路器连接；以及
一大功率分路器，与所述大功率隔离器连接。
优选地，所述双输出光纤激光器还包括：
一准直器，与所述大功率分路器连接，所述准直器将所述大功率分路器输出的脉冲激光进行准直后输出；和/或
一用于检测电通量的光电探测器，该光电探测器分别与所述大功率分路器和所述电路模组连接。
优选地，所述双输出光纤激光器的工作波长为1060nm波段和1550nm波段。
优选地，所述单频光纤种子激光器包括泵浦激光器和超窄线宽的单频光纤谐振腔，所述泵浦激光器泵浦所述单频光纤谐振腔以输出单频的连续激光。
优选地，所述光纤分路器还连接有至少一级光纤放大器，所述光纤放大器接入所述光纤分路器输出的连续激光，并将所述连续激光进行功率放大后输出。
优选地，所述双输出光纤激光器还包括至少一用于驱动所述调制器的ps/ns级脉冲发生电路，所述ps/ns级脉冲发生电路分别与所述调制器和所述电路模组连接；
所述电路模组设有若干RS232/RS485接口；和/或
所述电路模组设有自动温度控制电路。
优选地，所述调制器为声光调制器或者电光调制器。
本发明通过设置光纤分路器，将单频光纤种子激光器输出的连续激光分成两路，较小功率的一路作为连续激光输出，功率较大的另一路输入调制器调制成脉冲激光输出，再设置至少一级光纤放大器对该脉冲激光进行功率放大。优选的是，先后采用第一级单包层光纤放大器和第二级双包层光纤放大器对脉冲激光进行功率放大，进而可获得高功率的脉冲激光输出。由于连续/脉冲这两种体制的输出激光基于同一个单频种子源输出，本发明双输出光纤激光器在做相干应用时，连续激光可做为本征光，而脉冲激光由于峰值功率非常高，可以做为远距离探测的信号光，因而既能解决连续体制时功率低的问题，又能解决脉冲体制时的线宽过宽，相干性能不好的问题，从而实现了功率与相干性能的良好结合。
附图说明
图1是本发明单频脉冲/连续双输出光纤激光器的结构示意图；
图2是本发明双输出光纤激光器优选实例的结构示意图；
图3是本发明双输出光纤激光器含第一级光纤放大器的光路实例图；
图4是本发明双输出光纤激光器含第二级光纤放大器的光路实例图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明单频脉冲/连续双输出光纤激光器100的结构，其主要包括：
至少一超窄线宽的单频光纤种子激光器10，其做为种子激光，用于产生并输出单频的连续激光。如图3所示，所述单频光纤种子激光器10包括泵浦激光器11和超窄线宽的单频光纤谐振腔12。由于连续/脉冲这两种体制的输出激光基于同一单频种子源输出，因此可实现完全单频且超窄线宽的激光输出。
至少一光纤分路器20，与单频光纤种子激光器10连接，该单频光纤种子激光器10输出的连续激光通过光纤分路器20后分成两路，预定较小功率值范围的第一路连续激光作为连续激光输出，预定较大功率值范围的第二路连续激光接入调制器30。
至少一与光纤分路器20连接的调制器30，该调制器30将输入的第二路连续激光调制成脉冲激光输出。该调制器30可为声光调制器或者电光调制器。
至少一级光纤放大器41～4N，光纤放大器41～4N接入调制器30输出的脉冲激光，并将脉冲激光进行功率放大后输出，实际可根据需要设置多级光纤放大器以生成高功率脉冲激光输出。
至少一用于激光器控制/监控的电路模组50，该电路模组50分别与单频光纤种子激光器10、光纤分路器20、调制器30和光纤放大器41～4N连接。
图2示出了本发明双输出光纤激光器100优选实例的结构，其中，光纤放大器包括第一级单包层光纤放大器41和第二级双包层光纤放大器42。第一级单包层光纤放大器41与调制器30连接，将接入的脉冲激光进行第一级功率放大后输出，可以得到W(瓦)级峰值功率的单频脉冲激光。第二级双包层光纤放大器42与第一级单包层光纤放大器41连接，将接入的经第一级功率放大后的脉冲激光进行第二级功率放大后再输出，可以得到KW(千瓦)级峰值功率的高功率单频脉冲激光，并且此第二级双包层光纤放大器42还可抑制ASE噪声。图2中连续光输出端的激光的线宽<＝3KHz，输出连续功率为mW级，更好的是，如果光纤分路器20还连接有至少一级光纤放大器43，该光纤放大器43接入光纤分路器20输出的连续激光，并将连续激光进行功率放大后输出，其输出连续功率可以达到2W。
本实例中，单频光纤种子激光器10、光纤分路器20、调制器30以及光纤放大器41和42构成光路模组，光路模组和电路模组50组合起来构成完整的高功率单频脉冲/连续双输出光纤激光器100。本发明双输出光纤激光器100的工作波长为1060nm波段和1550nm波段，即在1060nm和1550nm波段实现了既是稳定的线宽为KHz量级的超窄线宽单频连续输出，同时又是ns级的脉冲工作体制，可得到KW级的脉冲峰值大功率。本发明双输出光纤激光器100的工作波长稳定性<＝1pm/℃，可实现1KHz低重复频率至200KHz的高重复频率的输出。
图3是本发明双输出光纤激光器含第一级光纤放大器的电路实例图，所述单频光纤种子激光器10包括单模980nm泵浦激光器11和超窄线宽的单频光纤谐振腔12，单模980nm泵浦激光器11泵浦单频光纤谐振腔12以输出单频的连续激光做为种子激光。该连续激光通过光纤分路器20后分成两路，功率较小的第一路激光作为连续激光输出(功率为mW级，如果再加一级光纤放大器，输出连续功率可以达到2W)。功率较大的第二路连续激光接入声光/电光调制器30。双输出光纤激光器100还包括至少一ps/ns级脉冲发生电路61，该ps/ns级脉冲发生电路61分别与声光/电光调制器30和电路模组50连接，该ps/ns级脉冲发生电路61用于驱动声光/电光调制器30。声光/电光调制器30被驱动后，将第二路连续激光调制成脉冲激光，其中通过声光调制器可调制成60ns—800ns的脉冲激光，通过电光调制器可调制成100ps--20ns级的脉冲激光。该调制后输出的单频脉冲激光功率非常微弱，在后面再加上第一级特殊超高增益微弱光信号放大的光纤放大器(例如第一级单包层光纤放大器41)进行放大，可以得到瓦级峰值功率的单频脉冲激光输出，做为后级的放大器的单频脉冲种子输出，然后通过采用脉冲泵浦的二级双包层光纤放大器(例如第二级双包层光纤放大器42)放大后，可以达到KW级峰值功率的单频脉冲激光输出，同时可抑制双包层光纤放大器在没有光脉冲信号输入时的ASE噪声。
图3所示实例中，第一级单包层光纤放大器41通过有源单包层光纤连接，其包括：与声光/电光调制器30连接的波分复用器(WDM)411，该波分复用器(WDM)411优选为910/1550nm WDM，可实现一根光纤中同时传送多路信号。分别与波分复用器411和电路模组50连接的980nm泵浦激光器412；以及一分别与波分复用器411和电路模组50连接的滤波/隔离混合器件413。
图4是本发明双输出光纤激光器含第二级光纤放大器的电路实例图，双输出光纤激光器100设置有ps/ns级脉冲发生电路62对第一级单包层光纤放大器41的单频脉冲输出端414输出的脉冲激光进行驱动，单频脉冲输出端414与第二级双包层光纤放大器42连接，以将脉冲激光输出至第二级双包层光纤放大器42。第二级双包层光纤放大器42通过有源双包层光纤连接，主要包括：
隔离器421，分别与第一级单薄光纤放大器41和大功率合路器422连接。隔离器421用于光路中用来避免光路中的回波对光源，泵浦源以及其他发光器件造成的干扰和损害。
大功率合路器422，分别与隔离器421、大功率泵浦激光器423和大功率隔离器424连接。
大功率泵浦激光器423，分别与该大功率合路器422和电路模组50连接，大功率泵浦激光器423优选为975nm大功率泵浦激光器。
大功率隔离器424，分别与大功率合路器422和大功率分路器425连接。
大功率分路器425，与大功率隔离器424连接。
图4中电路模组50通过大功率泵浦脉冲驱动电路，实现高功率脉冲放大同时，抑制ASE自发辐射光功率。并且在无种子输入光功率时，第二级双包层光纤放大器42的泵浦源不能开启以保护电路。另外，电路模组50设有若干RS232/RS485接口，该通过RS232接口使用者能通过指令监控该光纤激光器的运行状态(包括：产品电子序列号、平均输入功率、平均输出功率，泵源驱动电流、泵源光功率、泵源温度、泵源温控电压、模块内部温度等)，并控制和设置该光纤放大器的运行(包括：开关泵源、设置泵源驱动电流等)。优选的是，电路模组50还设有二级自动温度控制电路ATC，对单频脉冲/连续双输出光纤激光器100实现了pm级的波长高度稳定。电路模组50还可包括脉冲/连续触发电路、脉冲/连续泵浦激光器驱动电路、自动光功率控制电路等。
需指出的是，图2中的光纤放大器43与第二级双包层光纤放大器42结构类似，只是光纤放大器43的大功率泵浦激光器423采用的是连续大功率泵浦激光器，而光纤放大器42的大功率泵浦激光器423采用的是脉冲大功率泵浦激光器。
图4中的双输出光纤激光器100还包括：一与大功率分路器425连接的准直器80，准直器80将大功率分路器425输出的脉冲激光进行准直后输出。还可包括一用于检测电通量的光电探测器70，该光电探测器70分别与大功率分路器425和电路模组50连接。
本发明高功率单频脉冲/连续双输出光纤激光器，可以广泛应用于远距离激光多普勒测风雷达，远距离高精度分布式B-OTDA光纤应变和温度传感系统，高精度相干激光成像雷达，高精度光纤水声传感系统，高精度光纤微振动传感系统，相干激光通讯系统，量子光纤通讯系统，激光干涉测量仪等。
综上所述，本发明通过设置光纤分路器，将单频光纤种子激光器输出的连续激光分成两路，较小功率的一路作为连续激光输出，功率较大的另一路输入调制器调制成脉冲激光输出，再设置至少一级光纤放大器对该脉冲激光进行功率放大。优选的是，先后采用第一级单包层光纤放大器和第二级双包层光纤放大器对脉冲激光进行功率放大，进而可获得高功率的脉冲激光输出。由于连续/脉冲这两种体制的输出激光基于同一个单频种子源输出，本发明双输出光纤激光器在做相干应用时，连续激光可做为本征光，而脉冲激光由于峰值功率非常高，可以做为远距离探测的信号光，因而既能解决连续体制时功率低的问题，又能解决脉冲体制时的线宽过宽，相干性能不好的问题，从而实现了功率与相干性能的良好结合。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1、一种单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，包括：
至少一超窄线宽的单频光纤种子激光器，其产生并输出单频的连续激光；
至少一光纤分路器，与所述单频光纤种子激光器连接，所述单频光纤种子激光器输出的连续激光通过所述光纤分路器后分成两路，第一路激光作为连续激光输出，第二路激光接入调制器；
至少一调制器，与所述光纤分路器连接，所述调制器将输入的第二路激光调制成脉冲激光输出；
至少一级光纤放大器，所述光纤放大器接入所述调制器输出的脉冲激光，并将所述脉冲激光进行功率放大后输出；以及
至少一用于激光器控制/监控的电路模组，所述电路模组与所述单频光纤种子激光器、光纤分路器、调制器和光纤放大器连接。
2、根据权利要求1所述的单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，所述光纤放大器包括：
第一级单包层光纤放大器，与所述调制器连接，将接入的所述脉冲激光进行第一级功率放大后输出；以及
第二级双包层光纤放大器，与所述第一级单包层光纤放大器连接，将接入的经第一级功率放大后的脉冲激光进行第二级功率放大后再输出。
3、根据权利要求2所述的单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，所述第一级单包层光纤放大器包括：
一波分复用器，与所述调制器连接；
一泵浦激光器，分别与所述波分复用器和所述电路模组连接；以及
一滤波/隔离混合器件，分别与所述波分复用器和所述电路模组连接。
4、根据权利要求2所述的单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，所述第二级双包层光纤放大器包括：
一隔离器，分别与所述第一级单薄光纤放大器和大功率合路器连接；
一大功率合路器，分别与所述隔离器、大功率泵浦激光器和大功率隔离器连接；
一大功率泵浦激光器，分别与该大功率合路器和所述电路模组连接；
一大功率隔离器，分别与所述大功率合路器和大功率分路器连接；以及
一大功率分路器，与所述大功率隔离器连接。
5、根据权利要求4所述的单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，所述双输出光纤激光器还包括：
一准直器，与所述大功率分路器连接，所述准直器将所述大功率分路器输出的脉冲激光进行准直后输出；和/或
一用于检测电通量的光电探测器，该光电探测器分别与所述大功率分路器和所述电路模组连接。
6、根据权利要求1所述的单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，所述双输出光纤激光器的工作波长为1060nm波段和1550nm波段。
7、根据权利要求1所述的单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，所述单频光纤种子激光器包括泵浦激光器和超窄线宽的单频光纤谐振腔，所述泵浦激光器泵浦所述单频光纤谐振腔以输出单频的连续激光。
8、根据权利要求1所述的单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，所述光纤分路器还连接有至少一级光纤放大器，所述光纤放大器接入所述光纤分路器输出的连续激光，并将所述连续激光进行功率放大后输出。
9、根据权利要求1所述的单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，所述双输出光纤激光器还包括至少一用于驱动所述调制器的ps/ns级脉冲发生电路，所述ps/ns级脉冲发生电路分别与所述调制器和所述电路模组连接；
所述电路模组设有若干RS232/RS485接口；和/或
所述电路模组设有自动温度控制电路。
10、根据权利要求9所述的单频脉冲/连续双输出光纤激光器，其特征在于，所述调制器为声光调制器或者电光调制器。
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