CN103236637B - 双波段铒镱共掺光纤脉冲放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤激光领域，为提供一种可以对两个波段的脉冲信号进行放大的光纤放大器，本发明采用的技术方案是：双波段铒镱共掺光纤脉冲放大器，由泵浦源、泵浦源脉冲驱动电源、两个不同波段信号源、信号源脉冲驱动电源、延时控制电路、隔离器、波分复用器、泵浦/信号合束器、增益光纤、光纤端冒构成，泵浦源脉冲驱动电源驱动泵浦源发出激光泵浦脉冲，经泵浦/信号合束器注入增益光纤对其进行泵浦；泵浦源脉冲驱动电源发出的同步信号经延时电路适当延迟，触发两个信号源脉冲驱动电源分别驱动两个不同波段信号源发出信号脉冲；两信号脉冲经各自的隔离器后，再经波分复用器耦合在一起进行放大输出。本发明主要应用于两个波段的脉冲信号进行放大。

Description

双波段铒镱共掺光纤脉冲放大器

技术领域

本发明涉及光纤激光领域，特别是一种可以对1.06μm和1.55μm两个波段的脉冲信号进行放大的光纤放大器。具体讲，本发明涉及一种采用脉冲泵浦方式实现对双波段信号进行有效放大的双波段铒镱共掺光纤脉冲放大器(EYDFA)。

技术背景

为了在得到高功率激光输出的同时保持较好的光束质量，高功率光纤激光器通常采用主振荡器+功率放大器结构。由主振荡器产生光束质量好但功率较低的种子光，然后送入功率放大器提高激光输出功率。显然，功率放大器的性能对整个激光系统的性能有决定作用。在1.55μm波段，功率放大级通常为采用双包层铒镱共掺光纤作为增益介质的EYDFA。铒镱共掺光纤中掺有铒(Er)、镱(Yb)两种稀土离子。在EYDFA中，基态的Yb离子吸收泵浦光子，从基态跃迁到上能级，然后通过Yb-Er离子间的交叉弛豫将能量传递给周围的基态Er离子，同时上能级的Yb离子因为失去能量而回落到基态。在泵浦功率较低时，Yb离子上能级的集居数很低，因此Yb波段(1000-1100nm)放大的自发辐射(ASE)很弱。但在高功率泵浦下，当Yb-Er离子间能量交换的速率低于泵浦速率时，Yb-Er离子间的能量交换就会出现所谓的“瓶颈”效应。在激光测距、激光雷达等需要高功率EYDFA的场合，由于需要对脉冲信号进行放大，瓶颈效应更为严重。瓶颈效应的出现，表明增益介质中出现了Yb离子集居数的局部反转，且反转水平随泵浦功率的提高而提高，Yb波段ASE因增益的提高而迅速增长。这一方面使得泵浦功率向Er波段(1500-1600nm)信号的转化效率降低，另一方面还会产生Yb波段的寄生振荡甚至自脉动，极大地降低了放大器的性能甚至会造成永久性的破坏。

换一个角度来看，瓶颈效应的存在说明基于同一个EYDFA可以实现对两个波段信号的同时放大。其关键是合理控制镱、铒两种离子的储能、避免自激振荡并使输入信号得到尽可能大的放大。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以对1.06μm和1.55μm两个波段的脉冲信号进行放大的光纤放大器，为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：双波段铒镱共掺光纤脉冲放大器，由泵浦源、泵浦源脉冲驱动电源、两个不同波段信号源、信号源脉冲驱动电源、延时控制电路、隔离器、波分复用器、泵浦/信号合束器、增益光纤、光纤端冒构成，泵浦源脉冲驱动电源按一定重复频率发出一定脉宽和幅值的方波电流信号驱动泵浦源发出激光泵浦脉冲，经泵浦/信号合束器注入增益光纤对其进行泵浦；泵浦源脉冲驱动电源发出的同步信号经延时电路适当延迟，触发两个信号源脉冲驱动电源发出一定脉宽和幅值电流脉冲，分别驱动两个不同波段信号源发出信号脉冲；两信号脉冲经各自的隔离器后，再经波分复用器耦合在一起，由泵浦/信号合束器的信号端送入增益光纤进行放大，放大后的信号经由一个光纤端冒输出。

泵浦源为高功率多模半导体激光器，两个不同波段信号源也采用半导体激光器，波长分别在1.06μm和1.55μm波段，增益光纤采用双包层的大芯径铒镱共掺光纤。

光纤端冒输出端与纤芯轴向呈一定角度以减少端面反射，从而提高寄生振荡的阈值并抑制自激振荡的产生。

采用的是脉冲泵浦方式用于对两个波段的信号进行放大。

本发明具备下列技术效果：

在高峰值功率的泵浦脉冲抽运下，Yb离子吸收泵浦能量后一部分通过交叉驰豫过程转移给周围的Er离子使其跃迁到上能态，另一部分能量由于瓶颈效应，则以激发态Yb离子的形式存储在增益光纤中。由于Yb到Er的能量驰豫过程需要一定的时间，因此只要合理设计注入泵浦脉冲能量，就可以在避免产生Yb波段自激振荡的前提下使EYDFA在两个波段同时形成增益积累。如果再合理控制信号脉冲相对泵浦脉冲的时延量，EYDFA可以实现对1.06μm波段和1.55μm波段两个波段短脉冲信号的有效放大，得到两个波段的高能量脉冲激光输出。同时，通过改变信号脉冲相对泵浦脉冲的时延，还可以调整放大后两个波段输出脉冲的能量及其比例。由于采用的是脉冲泵浦方式，信号源与泵浦源按相同的重复率输出脉冲，放大器的工作重复频率可以拓展到很低的频率，甚至单脉冲工作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是不同峰值功率泵浦脉冲作用下，前向、后向Yb波段ASE随泵浦脉宽的演化曲线。

图3是不同峰值功率泵浦脉冲作用下，前向、后向Er波段ASE随泵浦脉宽的演化曲线。

图4是EYDFA输出的双波段脉冲信号峰值功率随信号时延的变化曲线。

图5是EYDFA输出的双波段脉冲信号单脉冲能量随信号时延的变化曲线。

图1中：

1.泵浦源，2.泵浦源脉冲驱动电源，3.延时电路，4.1.55μm波段信号源脉冲驱动电源，5.1.55μm波段信号源，6.1.55μm波段隔离器，7.1.06μm波段信号源脉冲驱动电源，8.1.06μm波段信号源，9.1.06μm波段隔离器，10.1064/1550WDM，11.泵浦/信号合束器，12.双包层铒镱共掺光纤(增益光纤)，13.光纤端冒。

具体实施方式

本发明利用高功率泵浦下EYDFA中的瓶颈效应，采用脉冲泵浦的方式，通过合理设计泵浦脉冲的峰值功率、脉冲长度，以及泵浦脉冲与信号脉冲间的时间延迟，发明了一种可以对1.06μm和1.55μm两个波段的脉冲信号进行放大的光纤放大器。

本发明采用的技术方案是：

一种可以对1.06μm和1.55μm两个波段的脉冲信号进行放大的光纤放大器，系统构成为：泵浦源、泵浦源脉冲驱动电源、1.06μm波段信号源、1.55μm波段信号源、信号源脉冲驱动电源、延时控制电路、隔离器、1064/1550WDM、泵浦/信号合束器、增益光纤、光纤端冒。泵浦驱动电源按一定重复频率发出一定脉宽和幅值的方波电流信号驱动泵浦源发出激光泵浦脉冲，经泵浦/信号合束器注入增益光纤对其进行泵浦；泵浦驱动电源发出的同步信号经延时电路适当延迟，触发两个信号源的脉冲驱动电源发出一定脉宽和幅值电流脉冲，分别驱动两个波段的信号源发出信号脉冲；两信号脉冲经各自的隔离器后，再经1064/1550WDM耦合在一起，由泵浦/信号合束器的信号端送入增益光纤进行放大；放大后的信号经由一个光纤端冒输出。

上述方案中，泵浦源为高功率多模半导体激光器。为了便于实现同步控制，两个波段的信号源也采用半导体激光器，波长分别在1.06μm和1.55μm波段。增益光纤采用双包层的大芯径铒镱共掺光纤。光纤端冒的作用是减少端面反射，从而提高寄生振荡的阈值并抑制自激振荡的产生。

本发明可取得如下效果：

在高峰值功率的泵浦脉冲抽运下，Yb离子吸收泵浦能量后一部分通过交叉驰豫过程转移给周围的Er离子使其跃迁到上能态，另一部分能量由于瓶颈效应，则以激发态Yb离子的形式存储在增益光纤中。由于Yb到Er的能量驰豫过程需要一定的时间，因此只要合理设计注入泵浦脉冲能量，就可以在避免产生Yb波段自激振荡的前提下使EYDFA在两个波段同时形成增益积累。如果再合理控制信号脉冲相对泵浦脉冲的时延量，EYDFA可以实现对1.06μm波段和1.55μm波段两个波段短脉冲信号的有效放大，得到两个波段的高能量脉冲激光输出。同时，通过改变信号脉冲相对泵浦脉冲的时延，还可以调整放大后两个波段输出脉冲的能量及其比例。由于采用的是脉冲泵浦方式，信号源与泵浦源按相同的重复率输出脉冲，放大器的工作重复频率可以拓展到很低的频率，甚至单脉冲工作。

为了利用高功率泵浦下铒镱共掺光纤中的瓶颈效应实现双波段放大，本发明提出了一种采用脉冲泵浦方式，可以对1.06μm和1.55μm两个波段的脉冲信号进行放大的双波段铒镱共掺光纤脉冲放大器。

本发明主要由泵浦源、泵浦源脉冲驱动电源、1.06μm波段信号源、1.55μm波段信号源、信号源脉冲驱动电源、延时控制电路、隔离器、1064/1550WDM、泵浦/信号合束器、增益光纤、光纤端冒组成。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：(1)采用高峰值功率脉冲泵浦，通过控制泵浦脉冲的脉宽控制注入泵浦能量，从而控制Yb波段ASE的强度，避免产生自激振荡；(2)通过控制信号脉冲相对泵浦脉冲后沿的时间延迟，从而控制Yb离子与Er离子间通过交叉驰豫交换能量时间，平衡放大器对两个波段脉冲信号的增益水平；(3)通过延时电路控制信号脉冲与泵浦脉冲的时延，经延时电路适当延迟后的触发信号控制信号源的脉冲驱动电源产生一定波形和脉宽的信号；(4)在仿真模拟结果基础上，通过实验中监测ASE功率和输出脉冲能量，逐步增加泵浦脉宽和时延量来得到最佳效果。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

由于铒镱共掺光纤在975nm附近的吸收系数比915nm附近要高得多，为使本发明的实施效果最佳，应选用975nm附近的高功率半导体激光器作为泵源，这样更容易在两个波段同时形成增益。本实例中采用中心波长为975nm的高功率泵源，增益光纤为加拿大CorActive公司生产的DCF-EY-28-250型大芯径双包层铒镱共掺光纤，根据其参数，通过数值模拟得出最佳光纤长度约为1m。

首先，根据泵浦和增益光纤参数对放大器进行计算机仿真，得到无信号输入情况下放大器中Yb波段ASE和Er波段ASE随泵浦脉宽的演化曲线。图2给出了峰值功率为50W、100W、200W、300W四种情况下放大器中的前、后向Yb波段ASE功率随泵浦脉宽的演化曲线。图3为同样条件下Er波段ASE功率随泵浦脉宽的演化曲线。比较图2和图3可以看出，在同样的泵浦条件下，Yb波段ASE的功率要比Er波段ASE的功率高得多，而且后向ASE要比前向ASE高。

其次，根据隔离器的功率承受能力由图2和图3确定泵浦脉宽的上限。例如，隔离器的功率承受能力为5W，如图2中水平线虚线所示，则在一定的峰值功率情况下，该水平虚线与后向Yb波段ASE曲线的交点的横坐标即为该峰值功率泵浦下泵浦脉宽的最大值。在实验中泵浦脉宽要在该值以下调整以优化性能并避免对放大器的功率损伤。由于Er波段ASE较弱，且出现的时间更为滞后，所以只需按图2所示Yb波段ASE的演化确定泵浦脉宽上限即可。对应图2中所示的50W、100W、200W、300W四种峰值功率，按此方法得到的泵浦脉宽上限分别约为490μs、220μs、105μs和66μs。

最后，按照图1所示的结构组成放大器。由泵浦源脉冲驱动电源2设定泵浦峰值功率和脉宽，驱动泵浦源1发出泵浦脉冲，经泵浦/信号合束器11的泵浦端送入增益光纤12对其进行泵浦。2输出的同步信号经延时电路3送在两个波段信号源的脉冲驱动电源4和5触发其发出脉冲电流信号，驱动两台信号源5和8发出信号脉冲。两个波段的信号脉冲经各自的隔离器6和9后再经1064/1550 WDM 10耦合到一起，经泵浦/信号合束器11的信号端送入增益光纤12进行放大。放大后的信号经光纤端冒13输出。

通过调整泵浦源脉冲驱动电源2的输出电流和脉宽可以调整泵浦脉冲的峰值功率和泵浦脉宽，从而控制输入EYDFA的泵浦能量。调整延时电路3引入的延迟量可以控制信号脉冲相对泵浦脉冲的时延，从而平衡两个波段的增益大小，即两个波段输出脉冲的能量。图4和图5所示为波长分别为1064nm和1550nm、峰值功率均为100W、脉冲宽度均为200ns的高斯型脉冲信号经本发明所提出的放大器后输出脉冲的峰值功率和单脉冲能量随信号时延的变化。图注中第一个数字表示泵浦脉宽，第二个数字表示泵浦峰值功率，第三个数字表示信号波长。例如489μs_50W_1064nm表示泵浦脉宽为489μs，峰值功率为50W，对应的是1064nm的信号的放大情况。从图5可以看出，该发明可以实现对两个波段信号的同时放大，输出单脉冲能量可达mJ量级，并且通过控制信号时延，可以改变两个波段输出信号比例。

综上可以看出，本发明可以实现对1.06μm和1.55μm两个波段短脉冲信号的同时放大。这种放大器输出的高能量激光脉冲在双波长激光雷达、激光测距机等设备中有重要应用价值。

Claims (3)

1.一种双波段铒镱共掺光纤脉冲放大器，其特征是，由泵浦源、泵浦源脉冲驱动电源、两个不同波段信号源、信号源脉冲驱动电源、延时控制电路、隔离器、波分复用器、泵浦/信号合束器、增益光纤、光纤端冒构成，泵浦源脉冲驱动电源按一定重复频率发出一定脉宽和幅值的方波电流信号驱动泵浦源发出激光泵浦脉冲，经泵浦/信号合束器注入增益光纤对其进行泵浦；泵浦源脉冲驱动电源发出的同步信号经延时电路适当延迟，触发两个信号源脉冲驱动电源发出一定脉宽和幅值电流脉冲，分别驱动两个不同波段信号源发出信号脉冲；两信号脉冲经各自的隔离器后，再经波分复用器耦合在一起，由泵浦/信号合束器的信号端送入增益光纤进行放大，放大后的信号经由一个光纤端冒输出；其中，泵浦源为高功率多模半导体激光器，两个不同波段信号源也采用半导体激光器，增益光纤采用双包层的大芯径铒镱共掺光纤，波长分别在1.06μm和1.55μm波段。

2.根据权利要求1所述的双波段铒镱共掺光纤脉冲放大器，其特征是，光纤端冒输出端与纤芯轴向呈一定角度以减少端面反射，从而提高寄生振荡的阈值并抑制自激振荡的产生。

3.根据权利要求1所述的双波段铒镱共掺光纤脉冲放大器，其特征是，采用的是脉冲泵浦方式用于对两个波段的信号进行放大。