CN101771234B - 一种纳秒脉冲光纤激光器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种背景ASE噪声小、脉冲峰值功率高、脉冲平坦、使用寿命长的纳秒脉冲光纤激光器及其控制方法。该激光器主要包括控制单元、源激光器、噪声抑制激光器、光纤耦合器、四端口光纤环形器、四级光纤放大部分和反馈部分。上述纳秒脉冲光纤激光器采用四端口光纤环形器及光纤光栅结构，实现了四级光脉冲放大，能够产生高峰值功率、高信噪比的光脉冲序列；并利用噪声抑制激光器来实现掺杂光纤中反转粒子数的控制，从而抑制了光纤放大器产生的ASE背景噪声，并使得输出脉冲激光的波形非常平坦；同时采用增益钳制技术来控制脉冲光通过掺杂光纤的增益，使得源激光器和噪声抑制激光器在未发送光脉冲的时候工作在阈值电流附近，提高了使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于激光器的技术领域，具体涉及到纳秒脉冲光纤激光器及其控制方法。
背景技术
长距离光纤拉曼传感器要求传感激光器光源的脉冲宽度在纳秒量级(几个纳秒到几十个纳秒)，脉冲峰值功率能达到数十瓦甚至上百瓦，脉冲重复频率达到几千赫兹到几十千赫兹，因此需要采用具有高峰值功率的纳秒脉冲光纤激光器作为其光源。目前市场上的纳秒脉冲光纤激光器没有对光纤放大系统中的反转粒子数进行有效控制，使得产生的脉冲激光存在背景ASE(放大自发辐射)噪声大、脉冲峰值功率低、脉冲不平坦等问题，另外目前的脉冲光纤激光器在不发光时，激光器驱动电流为零，使得激光器使用寿命短，上述原因导致目前的脉冲光纤激光器不适合用于长距离拉曼分布式光纤传感系统。
发明内容
本发明的第一个目的是提出一种背景ASE噪声小、脉冲峰值功率高、信噪比高、脉冲平坦、使用寿命长的纳秒脉冲光纤激光器。
本发明的纳秒脉冲光纤激光器关键在于包括控制单元、源激光器、噪声抑制激光器、光纤耦合器、第一波分复用器、第二波分复用器、第一泵浦激光二极管、第二泵浦激光二极管、第一掺杂光纤、第二掺杂光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和四端口光纤环形器；所述四端口光纤环形器具有输入端口、输出端口和第二端口、第三端口；所述源激光器的激光中心波长在第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射带内，所述噪声抑制激光器的激光中心波长在第三光纤光栅的反射带内；所述源激光器和噪声抑制激光器的输出端通过光纤耦合器与四端口光纤环形器的输入端口相连；所述第一泵浦激光二极管、四端口光纤环形器的第二端口分别与第一波分复用器相连，所述第一波分复用器依次与第一掺杂光纤、第一光纤光栅、第三光纤光栅、第一光电探测器串接；所述第二泵浦激光二极管、四端口光纤环形器的第三端口分别与第二波分复用器相连，所述第二波分复用器依次与第二掺杂光纤、第二光纤光栅、第二光电探测器串接；所述光纤耦合器还与第三光电探测器相连；所述控制单元分别与第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、源激光器、噪声抑制激光器、第一泵浦激光二极管和第二泵浦激光二极管相连。
为了在两段掺杂光纤内实现四级光脉冲放大，所述源激光器中心波长在第一光纤光栅和第二光纤光栅反射带内。
为了在两段掺杂光纤内实现四级光脉冲放大，所述源激光器和噪声抑制激光器中心波长在第一掺杂光纤和第二掺杂光纤的增益谱范围之内，源激光器中心波长为通信C波段1550nm。
为了在两段掺杂光纤内实现增益钳制，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅与第三光纤光栅的反射带不重叠。
所述第一光纤光栅和第二光纤光栅为宽带高反射率光纤光栅，所述第三光纤光栅为宽带弱反射率光纤光栅。
所述光纤耦合器、波分复用器、四端口光纤环形器、第一掺杂光纤、第二掺杂光纤均采用光通信用单模光器件。
本发明的第二个目的是提出上述纳秒脉冲光纤激光器的控制方法。
本发明的纳秒脉冲光纤激光器的控制方法：控制单元接收第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的信号，并发出信号控制源激光器、噪声抑制激光器、第一泵浦激光二极管和第二泵浦激光二极管的工作，关键在于包括如下循环步骤：控制单元控制源激光器发出一个宽度为T0的光脉冲，经过T1时间间隔后，控制噪声抑制激光器发出一个宽度为T2的光脉冲；然后再经过T3时间间隔后，源激光器发出下一个光脉冲。
在T3这段时间里，将弥补前一段时间内噪声抑制激光器产生的脉冲激光对第一掺杂光纤和第二掺杂光纤中的反转粒子数过多的消耗，使第一掺杂光纤和第二掺杂光纤中的反转粒子数恢复到较高的水平，从而保证了源激光器产生的光脉冲在第一掺杂光纤和第二掺杂光纤中能够产生足够高的增益。同时，T3不能太长，以免在T3时间内产生较大的ASE脉冲噪声。
控制单元根据第一光电探测器的信号来控制第一泵浦激光二极管的泵浦功率；控制单元根据第二光电探测器的信号来控制第二泵浦激光二极管的泵浦功率；控制单元根据第三光电探测器的信号来控制源激光器及噪声抑制激光器的输出脉冲光功率，稳定纳秒脉冲光纤激光器的输出激光功率。
所述源激光器和噪声抑制激光器在未发出光脉冲的时候工作在阈值电流，可以延长激光器使用寿命。
本发明的纳秒脉冲光纤激光器的具体的工作原理如下：
控制单元利用脉冲电流驱动源激光器产生脉冲激光，脉冲激光依次通过光纤耦合器、四端口光纤环形器传输到第一掺杂光纤，经第一掺杂光纤产生一级放大，然后再经过第一光纤光栅反射，再次通过第一掺杂光纤，产生二级放大；经过二级放大后的脉冲激光再次通过四端口光纤环形器并进入第二掺杂光纤产生第三级放大，经过第二光纤光栅反射，再次通过第二掺杂光纤，产生四级放大，最后经由四端口光纤环形器输出端口输出。如上所述，经过四级放大后，脉冲峰值功率达可达到数十瓦到上百瓦。
源激光器产生一个脉冲激光之后，控制单元控制噪声抑制激光器产生一个脉冲激光，该脉冲激光经四端口光纤环形器进入第一掺杂光纤，并通过第一掺杂光纤，以抑制ASE的产生，经过第一掺杂光纤放大后的脉冲激光经过第一光纤光栅，通过第三光纤光栅，绝大部分的激光通过第三光纤光栅，被第一光电探测器探测到；小部分的激光被第三光纤光栅反射，经过四端口光纤环形器之后，进入第二掺杂光纤，抑制第二掺杂光纤中的ASE噪声，经过第二掺杂光纤放大后的脉冲激光经过第二光纤光栅，被第二光电探测器探测到。如上所述，源激光器和噪声抑制激光器在控制单元的控制下，依次产生激光脉冲序列。
本发明的纳秒脉冲光纤激光器采用四端口光纤环形器及光纤光栅结构，在两段掺杂光纤上实现四级光脉冲放大，能够产生峰值功率达几十到上百瓦的高信噪比的脉冲激光；并利用噪声抑制激光器来实现掺杂光纤中反转粒子数的控制，从而抑制了光纤放大器中产生的ASE背景噪声，并使得输出脉冲激光的波形非常平坦；同时采用增益钳制技术来控制脉冲光通过掺杂光纤的增益，使得源激光器和噪声抑制激光器在未发送光脉冲的时候工作在阈值电流附近，提高了使用寿命，能够用于超过十千米的光纤拉曼传感器。
附图说明
图1是本发明的纳秒脉冲光纤激光器的光路结构图；
图2是本发明的纳秒脉冲光纤激光器的源激光器和噪声抑制激光器输出脉冲激光的时序图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图来详细说明本发明。
实施例1：
如图1所示，本实施例的纳秒脉冲光纤激光器包括控制单元17、源激光器1、噪声抑制激光器2、光纤耦合器3、第一波分复用器7、第二波分复用器8、第一泵浦激光二极管5、第二泵浦激光二极管6、第一掺杂光纤9、第二掺杂光纤10、第一光纤光栅11、第二光纤光栅12、第三光纤光栅13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第三光电探测器16和四端口光纤环形器4；四端口光纤环形器4具有输入端口、输出端口和第二端口、第三端口；源激光器1的激光中心波长在第一光纤光栅11和第二光纤光栅12的反射带内，噪声抑制激光器2的激光中心波长在第三光纤光栅13的反射带内；所述源激光器1和噪声抑制激光器2的输出端通过光纤耦合器3与四端口光纤环形器4的输入端口相连；第一泵浦激光二极管5、四端口光纤环形器4的第二端口分别与第一波分复用器7相连，第一波分复用器7依次与第一掺杂光纤9、第一光纤光栅11、第三光纤光栅13、第一光电探测器14串接；第二泵浦激光二极管6、四端口光纤环形器4的第三端口分别与第二波分复用器8相连，第二波分复用器8依次与第二掺杂光纤10、第二光纤光栅12、第二光电探测器15串接；光纤耦合器3还与第三光电探测器16相连；控制单元17分别与第一光电探测器14、第二光电探测器15、第三光电探测器16、源激光器1、噪声抑制激光器2、第一泵浦激光二极管5和第二泵浦激光二极管6相连。
上述源激光器1、噪声抑制激光器2、光纤耦合器3、第一波分复用器7、第二波分复用器8、第一泵浦激光二极管5、第二泵浦激光二极管6、第一掺杂光纤9、第二掺杂光纤10、第一光纤光栅11、第二光纤光栅12、第三光纤光栅13、第一光电探测器14、第二光电探测器15、第三光电探测器16和四端口光纤环形器4中需要相连的部件均采用光纤熔接机熔接。
上述第一光纤光栅11和第二光纤光栅12的反射带相同，第一光纤光栅11和第二光纤光栅与第三光纤光栅13的反射带不重叠。
工作过程：
控制单元17利用脉冲电流驱动源激光器1产生一个峰值功率为几毫瓦的脉冲激光，脉冲激光依次通过光纤耦合器3、四端口光纤环形器4传输到第一掺杂光纤9，经第一掺杂光纤9产生一级放大，然后再经过第一光纤光栅11反射，再次通过第一掺杂光纤9，产生二级放大；经过二级放大后的脉冲激光再次通过四端口光纤环形器4并进入第二掺杂光纤10产生第三级放大，经过第二光纤光栅12反射，再次通过第二掺杂光纤10，产生四级放大，最后经由四端口光纤环形器4输出端口输出。如上所述，经过四级放大后，最后输出的激光脉冲峰值功率达可达到数十瓦到上百瓦。第一泵浦激光二极管5的作用是经过第一波分复用器7将其泵浦光注入到第一掺杂光纤中9，实现第一掺杂光纤9内掺杂离子的电子能级反转；第二泵浦激光二极管6的作用是经过第二波分复用器8将其泵浦光注入到第二掺杂光纤10中，实现第二掺杂光纤10内掺杂离子的电子能级反转。
源激光器1产生一个脉冲激光后，经过T2时间，控制单元17控制噪声抑制激光器2产生一个脉冲激光，该脉冲激光经四端口光纤环形器4进入第一掺杂光纤9，以抑制ASE的产生，经过第一掺杂光纤9放大后的脉冲激光通过第一光纤光栅11后经第三光纤光栅13反射，绝大部分的激光通过第三光纤光栅13，被第一光电探测器14探测到；小部分的激光被第三光纤光栅13反射，经第一掺杂光纤9放大后，通过四端口光纤环形器4进入第二掺杂光纤10，抑制第二掺杂光纤10中产生的ASE噪声，经过第二掺杂光纤10放大后的脉冲激光经过第二光纤光栅12，被第二光电探测器15探测到。如上所述，源激光器1和噪声抑制激光器2在控制单元17的控制下，依次产生激光脉冲，最终在四端口光纤环行器的输出端口输出放大后的源激光脉冲序列。控制单元根据第一光电探测器14的信号来反馈控制第一泵浦激光二极管5的泵浦功率；根据第二光电探测器15的信号来反馈控制第二泵浦激光二极管6的泵浦功率；根据第三光电探测器16的信号来反馈控制源激光器1及噪声抑制激光器2的输出脉冲光功率，使得脉冲光纤激光器输出脉冲激光功率稳定。
源激光器1发出一个光脉冲之后就工作在阈值电流，此时激光器仍发出微弱的激光，该微弱激光和噪声抑制激光器2输出的脉冲激光同时注入到第一掺杂光纤9和第二掺杂光纤10中，受增益钳制作用，源激光器1输出的微弱激光增益很小，由此产生的背景噪声对脉冲光纤激光器的影响几乎可以忽略不记。
源激光器1输出的光脉冲宽度在纳秒量级，纳秒脉冲放大后的脉冲波形失真量很小，通过控制单元17控制第一掺杂光纤9和第二掺杂光纤10中的反转粒子数能够使得输出脉冲激光波形非常平坦。
如图2所示，控制单元17控制源激光器1发出一个宽度为T0的光脉冲后，经过T1时间间隔，控制噪声抑制激光器2发出一个宽度为T2的光脉冲；然后再经过T3时间间隔，控制源激光器1发出下一个光脉冲。如上重复，产生激光序列。在T3这段时间里，将弥补前一段时间内噪声抑制激光器2产生的脉冲激光对第一掺杂光纤9和第二掺杂光纤10中的反转粒子数过多的消耗，使第一掺杂光纤9和第二掺杂光纤10中的反转粒子数恢复到较高的水平，从而保证了源激光器1产生的光脉冲在第一掺杂光纤9和第二掺杂光纤10中能够产生足够高的增益。同时，T3不能太长，以免在T3时间内产生较大的ASE脉冲噪声。
Claims (8)
1.一种纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于包括控制单元、源激光器、噪声抑制激光器、光纤耦合器、第一波分复用器、第二波分复用器、第一泵浦激光二极管、第二泵浦激光二极管、第一掺杂光纤、第二掺杂光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和四端口光纤环形器；所述四端口光纤环形器具有输入端口、输出端口和第二端口、第三端口；所述源激光器的激光中心波长在第一光纤光栅和第二光纤光栅的反射带内，所述噪声抑制激光器的激光中心波长在第三光纤光栅的反射带内；所述源激光器和噪声抑制激光器的输出端通过光纤耦合器与四端口光纤环形器的输入端口相连；所述第一泵浦激光二极管、四端口光纤环形器的第二端口分别与第一波分复用器相连，所述第一波分复用器依次与第一掺杂光纤、第一光纤光栅、第三光纤光栅、第一光电探测器串接；所述第二泵浦激光二极管、四端口光纤环形器的第三端口分别与第二波分复用器相连，所述第二波分复用器依次与第二掺杂光纤、第二光纤光栅、第二光电探测器串接；所述光纤耦合器还与第三光电探测器相连；所述控制单元分别与第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、源激光器、噪声抑制激光器、第一泵浦激光二极管和第二泵浦激光二极管相连。
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于所述第一光纤光栅与第二光纤光栅的反射带相同，第一光纤光栅与第三光纤光栅的反射带不重叠。
3.根据权利要求1所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于所述源激光器和噪声抑制激光器中心波长在第一掺杂光纤和第二掺杂光纤的增益谱范围之内，源激光器中心波长为通信C波段1550nm。
4.根据权利要求1或2所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于所述光纤耦合器、波分复用器、四端口光纤环形器、第一掺杂光纤、第二掺杂光纤均采用光通信用单模光器件。
5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲光纤激光器的控制方法，控制单元接收第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器的信号，反馈控制源激光器、噪声抑制激光器、第一泵浦激光二极管和第二泵浦激光二极管的驱动电流，其特征在于包括如下循环步骤：控制单元控制源激光器发出一个宽度为T0的光脉冲，经过T1时间间隔后，控制噪声抑制激光器发出一个宽度为T2的光脉冲；然后再经过T3时间间隔后，源激光器发出下一个光脉冲。
6.根据权利要求5所述的纳秒脉冲光纤激光器的控制方法，其特征在于控制单元根据第一光电探测器的信号来控制第一泵浦激光二极管的泵浦功率；控制单元根据第二光电探测器的信号来控制第二泵浦激光二极管的泵浦功率；控制单元根据第三光电探测器的信号来控制源激光器及噪声抑制激光器的输出脉冲光功率。
7.根据权利要求5或6所述的纳秒脉冲光纤激光器的控制方法，其特征在于所述源激光器在未发出光脉冲的时候工作在阈值电流。
8.根据权利要求5或6所述的纳秒脉冲光纤激光器的控制方法，其特征在于所述噪声抑制激光器在未发出光脉冲的时候工作在阈值电流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |