CN101800392A - 一种纳秒脉冲光纤激光器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳秒脉冲光纤激光器及其控制方法，该激光器能够有效提高脉冲峰值功率，降低背景ASE(放大自发辐射)噪声，提高输出激光的信噪比，延长激光器的使用寿命。技术方案：源激光器和噪声控制激光器的输出端通过光纤耦合器与三端口光纤环形器输入端相连，三端口光纤环形器的第二端口和泵浦激光二极管的输出端接波分复用器，波分复用器、掺杂光纤、光纤光栅和第一光电探测器从左到右依次串联。控制单元分别与源激光器、噪声控制激光器、泵浦激光二级管、第一光电探测器和第二光电探测器相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳秒脉冲光纤激光器及其控制方法。
背景技术
纳秒脉冲光纤激光器在光纤拉曼传感器中有着广泛的应用。光纤拉曼传感器要求激光器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，脉冲重复频率达到几千赫兹到几十千赫兹。
现有技术中，如“一种脉冲光纤激光器”专利(专利号：200820086781.0)所公开的技术方案存在的不足之处在于，背景ASE噪声大、输出激光信噪比低、脉冲峰值功率低、脉冲不平坦和激光器使用寿命低，不能用于长距离分布式拉曼光纤传感系统。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种纳秒脉冲光纤激光器及其控制方法，能够有效提高脉冲峰值功率，降低背景ASE噪声，提高输出激光信噪比，延长激光器的使用寿命。
本发明基于同一发明构思，具有两个独立技术方案：
1、一种纳秒脉冲光纤激光器，具有源激光器，其特征在于：还具有噪声控制激光器，源激光器和噪声控制激光器的输出端通过光纤耦合器与三端口光纤环形器输入端相连，三端口光纤环形器的第二端口和泵浦激光二极管的输出端接波分复用器，波分复用器、掺杂光纤、光纤光栅和第一光电探测器从左到右依次串联。控制单元分别与源激光器、噪声控制激光器、泵浦激光二级管、第一光电探测器和第二光电探测器连接。
泵浦激光二极管将泵浦光注入掺杂光纤，源激光发生器产生的激光脉冲经过掺杂光纤进行一次放大，激光脉冲经过光纤光栅反射后再次经过掺杂光纤进行二次放大，二次放大后的激光脉冲由三端环形器输出。噪声抑制激光器产生的脉冲光经过光纤耦合器、三端口光纤环行器、波分复用器后在掺杂光纤里面产生光放大，消耗掺杂光纤内的反转粒子数，抑制ASE背景噪声的产生，放大后的激光经过光纤光栅输出，被第一光电探测器探测到。
纳秒脉冲光纤激光器的源激光器产生激光中心波长和噪声抑制激光器产生激光的中心波长均在掺杂光纤增益谱范围之内。源激光器中心波长在通信C波段1550nm附近。噪声抑制激光器中心波长在1530nm附近。源激光器、噪声抑制激光器、光纤耦合器、三端口光纤环形器、波分复用器、半导体泵浦激光二级管、掺杂光纤均采用光通信用单模光器件。
纳秒脉冲光纤激光器采用三端口光纤环形器、波分复用器、半导体泵浦激光二级管、掺杂光纤和宽带高反射率光纤光栅结构，构成一个特殊的光纤放大器，在单段掺杂光纤上实现了两级激光放大。其中，宽带高反射率光纤光栅用来滤除源激光器发出激光的激光光谱以外的噪声。并且，噪声抑制激光器产生的激光光谱不在宽带高反射率光纤光栅的反射带宽内。噪声抑制激光器输出的激光经掺杂光纤放大之后经过光纤光栅被光电探测器接受。源激光器产生的脉冲光经过掺杂光纤放大之后从三端口光纤环行器输出端口输出。
纳秒脉冲光纤激光器采用噪声抑制激光器来抑制背景ASE噪声，提高了输出激光的信噪比。源激光器发出一个光脉冲，在掺杂光纤中实现光放大，源激光器发出该脉冲光之后，噪声抑制激光器发出一个脉冲光来消耗掺杂光纤中的反转粒子数，抑制ASE噪声的产生。
2、一种前述纳秒脉冲光纤激光器的控制方法，其特征在于：控制单元给源激光器和噪声抑制激光器提供时序脉冲电流，其特征在于包括如下循环步骤：控制单元给源激光器一个脉冲电流，使源激光器发出一个宽度为T0的光脉冲，经过T1时间间隔后，控制单元给噪声抑制激光器发出一个脉冲电流，使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，控制单元再给源激光器发出一个脉冲电流，使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掺杂光纤中反转粒子数过多的消耗，使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。T1时间长短以电路稳定转换时间为准。
纳秒脉冲光纤激光器采用了增益钳制技术，控制源激光器在掺杂光纤中的增益，使得源激光器在不产生脉冲激光时所发出的微弱激光在掺杂光纤中的增益很小，放大后的微弱激光对输出脉冲激光所引入的背景噪声很小。提高了源激光器的使用寿命。源激光器发出脉冲光之后，控制单元使源激光器工作在阈值电流附近。噪声抑制激光器发出脉冲光之后，控制单元使噪声抑制激光器工作在阈值电流附近。
纳秒脉冲光纤激光器的控制单元根据第一光电探测器和第二光电探测器的光电流信号反馈控制源激光器和噪声抑制激光器输出激光的功率，同时反馈控制半导体激光二极管的泵浦电流，使输出脉冲激光功率稳定。
本发明具有的有益效果：
本发明泵浦激光二极管将泵浦光注入掺杂光纤，源激光器发出的激光脉冲经过掺杂光纤、经光纤光栅全反射后进行二次放大，可有效提高激光脉冲的峰值功率；通过噪声控制激光器来控制掺杂光纤中反转粒子数，可有效抑制激光器背景ASE噪声，使输出激光信噪比高，光脉冲波形平坦；源激光器产生脉冲后，仍工作在阀值电流附近，有效提高激光器的使用寿命；采用增益钳制技术，有效控制源激光器不工作时产生的残余激光在掺杂光纤中的增益，将这种残余激光噪声得到有效控制。本发明能够产生高信噪比、峰值功率达几瓦到几十瓦的激光脉冲，完全满足十公里以内的分布式光纤拉曼传感器的需要，低背景ASE噪声有效保证了高空间分辨率。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明源激光器和噪声控制激光器的驱动电流时序图。
具体实施方式
如图1所示，源激光器1和噪声控制激光器2的输出端通过光纤耦合器4与三端口光纤环形器10输入端相连，三端口光纤环形器10的第二端口和泵浦激光二极管3的输出端接波分复用器5，波分复用器5、掺杂光纤6、光纤光栅7和第一光电探测器8从左到右依次串联。控制单元11分别与源激光器1、噪声控制激光器2、泵浦激光二级管3、第一光电探测器8和第二光电探测器9连接。前述光路均采用光纤熔接机熔接，光纤耦合器4、三端口光纤环形器10和掺杂光纤6均采用光通信用光器件。
泵浦激光二极管3将泵浦光注入掺杂光纤6，源激光器1产生的激光脉冲经过掺杂光纤6进行一次放大，激光脉冲经过光纤光栅7反射后再次经过掺杂光纤6进行二次放大，二次放大后的激光脉冲由三端口光纤环形器10输出。噪声抑制激光器2产生的脉冲光经过光纤耦合器4、三端口光纤环行器10、波分复用器5后在掺杂光纤6里面产生光放大，消耗掺杂光纤6内的反转粒子数，放大后的激光经过光纤光栅输出，被第一光电探测器8探测到。源激光器1和噪声抑制激光器2产生的脉冲激光功率经光纤耦合器4被光电探测器探测到。
控制单元11给源激光器1和噪声抑制激光器2提供时序脉冲电流。控制单元11给源激光器1一个脉冲电流，使源激光器1发出一个宽度为T0的光脉冲，经过T1时间间隔后，控制单元11给噪声抑制激光器2发出一个脉冲电流，使噪声抑制激光器2发出一个宽度为T2的光脉冲；然后再经过T 3时间间隔后，控制单元11再给源激光器1发出一个脉冲电流，使源激光器1发出下一个光脉冲。在T 3这段时间里，将弥补前一段时间内噪声抑制激光器2产生的脉冲激光对掺杂光纤6中反转粒子数过多的消耗，使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1产生的光脉冲在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T 3时间内产生较大的ASE脉冲噪声。
纳秒脉冲光纤激光器的控制单元11根据第二光电探测器9的光电流信号反馈控制源激光器1和噪声抑制激光器2输出激光的功率，同时根据第一光电探测器8的光电流信号反馈控制半导体激光二极管3的泵浦电流，使输出脉冲激光功率稳定。
Claims (13)
1.一种纳秒脉冲光纤激光器，具有源激光器和噪声抑制激光器，其特征在于：还具有噪声控制激光器，源激光器和噪声控制激光器的输出端通过光纤耦合器与三端口光纤环形器输入端相连，三端光纤环形器的第二端口和泵浦激光二极管的输出端接波分复用器，波分复用器、掺杂光纤、光纤光栅和第一光电探测器从左到右依次串联。控制单元分别与源激光器、噪声控制激光器、泵浦激光二级管、第一光电探测器和第二光电探测器连接。
2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲光纤激光器的源激光器和噪声抑制激光器，其特征在于：源激光器产生激光中心波长和噪声抑制激光器产生激光的中心波长均在掺杂光纤增益谱范围之内。源激光器中心波长在通信C波段1550nm附近。噪声抑制激光器中心波长在1530nm附近。
3.根据权利要求1所述的纳秒脉冲光纤激光器中的激光放大部分，其特征在于：采用三端口光纤环形器、波分复用器、半导体泵浦激光二级管、掺杂光纤和宽带反射光纤光栅结构，构成一个特殊的光纤放大器，在单段掺杂光纤上实现两级激光放大。
4.根据权利要求3所述的纳秒脉冲光纤激光器滤除噪声方法，其特征在于：采用宽带反射光纤光栅来滤除源激光器发出激光的激光光谱以外的噪声。并且，噪声抑制激光器产生的激光光谱不在宽带反射光纤光栅的反射带宽内。
5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于：采用噪声抑制激光器来抑制背景ASE噪声，提高了输出激光的信噪比。
6.根据权利要求5所述的纳秒脉冲光纤激光器滤除背景ASE噪声的方法，其特征在于：源激光器发出一个光脉冲，在掺杂光纤中实现光放大，源激光器发出该脉冲光之后，噪声抑制激光器发出一个脉冲光来消耗掺杂光纤中的反转粒子数，抑制ASE噪声的产生。
7.根据权利要求1所述的纳秒脉冲光纤激光器中源激光器和噪声抑制激光器开关激光的方法，其特征在于：控制单元给源激光器和噪声抑制激光器提供时序脉冲电流，其特征在于包括如下循环步骤：控制单元给源激光器一个脉冲电流，使源激光器发出一个宽度为T0的光脉冲，经过T1时间间隔后，控制单元给噪声抑制激光器发出一个脉冲电流，使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，控制单元再给源激光器发出一个脉冲电流，使源激光器发出下一个光脉冲。
8.根据权利要求7所述的纳秒脉冲光纤激光器中T 3和T1时间长度，其特征在于：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掺杂光纤中反转粒子数过多的消耗，使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。T1时间长短以电路稳定转换时间为准。
9.根据权利要求7所述的纳秒脉冲光纤激光器中源激光器和噪声抑制激光器开关激光的方法，其特征在于：源激光器发出脉冲光之后，控制单元使源激光器工作在阈值电流附近，此时激光器仍能发出微弱激光。噪声抑制激光器发出脉冲光之后，控制单元使噪声抑制激光器工作在阈值电流附近，此时噪声抑制激光器仍能发出微弱激光。
10.根据权利要求8所述的纳秒脉冲光纤激光器中源激光器和噪声抑制激光器开关激光的方法，其特征在于：采用了增益钳制技术，控制源激光器在掺杂光纤中的增益，使得源激光器在不产生脉冲激光时所发出的微弱激光在掺杂光纤中的增益很小，放大后的微弱激光对输出脉冲激光所引入的背景噪声很小。源激光器在不产生脉冲时能工作在阈值电流附近，提高了激光器的使用寿命。
11.根据权利要求1所述纳秒脉冲光纤激光器的控制方法，其特征在于：泵浦激光二极管将泵浦光注入掺杂光纤，源激光发生器产生的激光脉冲经过掺杂光纤进行一次放大，激光脉冲经过光纤光栅反射后再次经过掺杂光纤进行二次放大，二次放大后的激光脉冲由三端环形器输出。噪声抑制激光器产生的脉冲光经过光纤耦合器、三端口光纤环行器、波分复用器后在掺杂光纤里产生光放大，消耗了掺杂光纤内的反转粒子数，放大后的激光经过光纤光栅输出，被第一光电探测器探测到。
12.根据权利要求1所述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和第二光电探测器的光电流信号反馈控制源激光器和噪声抑制激光器输出激光的功率，同时反馈控制半导体激光二极管的泵浦电流。
13.根据权利要求1所述纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于：源激光器、噪声抑制激光器、光纤耦合器、三端口光纤环形器、波分复用器、半导体泵浦激光二级管、掺杂光纤均采用光通信用单模光器件。
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