CN103368046B - 线偏振激光输出高功率光纤放大器及输出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为线偏振激光输出高功率光纤放大器及输出控制方法，该光纤放大器包括光隔离器、泵浦合束器、双包层有源光纤、光纤准直器、起偏器、泵浦激光器和泵浦激光器驱动控制电路。起偏器有主与副偏振轴输出端。泵浦激光器驱动控制电路的微处理器接泵浦驱动电路，后者接泵浦激光器，接于副偏振轴输出端口的光电探测器和监控泵浦驱动电流的电流检测器均接微处理器。控制方法为先获得并存储总功率-电流函数P(I)和主副偏振轴的插入损耗；由光电探测器得副偏振轴输出功率，偏振态变化时，计算泵浦驱动电流，调节放大器输出总功率，本发明实现主偏振轴激光功率恒定输出，不受环境因素影响。且无需光功率分光器件，实现反馈控制，降低成本。

Description

线偏振激光输出高功率光纤放大器及输出控制方法

技术领域

本发明涉及一种光纤放大器，具体涉及一种应用于主振荡激光放大结构（MOPA）光纤激光器末级的、稳定功率输出的、线偏振激光输出高功率光纤放大器及输出控制方法。

背景技术

高功率光纤激光器以其散热方式简单、结构紧凑、输出功率大、功率密度高和寿命长等优点，在空间领域、精密加工、激光雷达、激光测距、激光医疗等领域有着广泛的应用。其中，采用主振荡激光放大技术的线偏振高功率光纤激光器由于具有线偏振高功率输出特性，在某些特殊激光应用技术领域广受欢迎。然而，由于光纤激光器或光纤放大器容易受到振动、应力变化和温度变化等环境因素的影响，激光器偏振态会有随机性变化，使激光器单一偏振态下输出功率出现较大的波动。

发明内容

为了克服目前的主振荡激光放大结构线偏振光纤激光器系统偏振稳定性差、输出激光起偏后功率稳定性严重下降的缺点，本发明提供一种可以使光纤激光器输出稳定线偏振激光的MOPA结构光纤激光器的末级光纤放大器，即线偏振激光输出高功率光纤放大器。

本发明还提供此种光纤放大器的输出控制方法，检测副偏振轴线偏振激光输出功率，计算泵浦驱动电流，改变输出总功率，使主偏振轴线偏振激光输出功率稳定在设定值上。

本发明解决技术问题的出发点是：通过监控光纤放大器的输出总功率和偏振态变化幅度，来调节光纤放大器的各泵浦激光器功率，补偿光纤放大器起偏输出后的偏振态引起的功率变化。

输入激光信号功率一定时，光纤放大器的泵浦激光器的驱动电流与光纤放大器输出总功率存在固定的比例关系，监控泵浦激光器驱动电流就可以得到光纤放大器的输出总功率；再通过监控起偏器副偏振轴线偏振激光输出的激光功率，由总功率减去副偏振轴线偏振激光输出功率就得到了起偏输出的主偏振轴的激光功率；最后通过调节光纤放大器的泵浦激光器驱动电流改变泵浦激光器功率，以补偿光纤放大器因偏振态变化造成的输出线偏振激光功率波动，获得稳定功率的主偏振轴激光输出。

本发明所设计的线偏振激光输出高功率光纤放大器，包括光隔离器、泵浦合束器、双包层有源光纤、光纤准直器、起偏器、泵浦激光器和泵浦激光器驱动控制电路，功率恒定的激光信号经光隔离器后接入泵浦合束器的信号输入端，泵浦激光器接入泵浦合束器的泵浦输入端，共同由泵浦合束器的输出端进入双包层有源光纤，进行放大，双包层有源光纤的输出连接光纤准直器，光纤准直器的输出接入起偏器，起偏器有主偏振态激光输出端口和与之正交的副偏振态激光输出端口，前者输出主偏振轴线偏振激光，后者输出副偏振轴线偏振激光。所述泵浦激光器驱动控制电路包括泵浦驱动电路、电流检测器、光电探测器和微处理器，泵浦驱动电路的输出端连接泵浦激光器、其输出的驱动电流控制泵浦激光器的输出功率。起偏器的副偏振态激光输出端口连接光电探测器，监控起偏器副偏振轴线偏振激光输出的激光功率。泵浦驱动电路的输出端与泵浦激光器之间串联电流检测器，电流检测器监控泵浦驱动电路输入泵浦激光器驱动电流的大小。光电探测器和电流检测器的的信号输出端均与微处理器信号输入端连接，微处理器的信号输出端连接泵浦驱动电路的控制端，泵浦驱动电路的工作状态受微处理器控制。

输入激光信号为连续激光信号或脉冲激光信号，即本发明的光纤放大器可以是连续激光放大器，也可以是脉冲激光放大器。

本光纤放大器在输入激光信号功率恒定、且放大器散热良好的情况下工作。

所述光隔离器与光纤放大器的工作波长和输出功率相匹配。

所述光纤准直器与光纤放大器的输出光纤和工作波长相匹配。

所述起偏器与光纤放大器工作波长相匹配。

所述泵浦合束器为(n+1)×1泵浦合束器，其工作波长与光纤放大器工作波长和泵浦功率相符合，其中n为泵浦合束器的泵浦输入端口，n大于等于2。

所述泵浦激光器为N个光纤输出方式的大功率多模激光二极管，N≤n。

所述双包层有源光纤掺杂的有源增益介质是镱离子(Yb³⁺)，铒离子（Er³⁺），铒镱共掺，钕离子（Nd³⁺）中的任一种，根据光纤放大器工作波长选择。

所述光隔离器、泵浦合束器、双包层有源光纤、光纤准直器均为保偏光器件，或者均为非保偏光器件。。

本发明线偏振激光输出高功率光纤放大器的输出控制方法包括如下工作步骤：

Ⅰ、系统初始化

线偏振激光输出高功率光纤放大器输入功率恒定的待放大激光信号，在线偏振激光输出高功率光纤放大器的光纤准直器输出端安装光功率计，启动线偏振激光输出高功率光纤放大器，调节泵浦激光器驱动控制电路，逐级改变泵浦激光器的驱动电流，光功率计测得每个驱动电流值下对应的光纤准直器输出的功率，获得总功率-电流函数P(I)，将总功率-电流函数P(I)存储在泵浦激光器驱动控制电路微处理器的存储器内。微处理器的存储器是内置寄存器、或者是外置存储器；

将校准功率的稳定线偏振激光光源分别对准起偏器的主偏振轴和副偏振轴，分别在各偏振态激光输出端口连接光功率计测试输出光功率，计算出起偏器主偏振态激光输出端口的主偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率m₁和副偏振态激光输出端口的副偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率m₂；本步骤只在线偏振激光输出高功率光纤放大器调试或校准时执行。

Ⅱ、开机启动

线偏振激光输出高功率光纤放大器输入与步骤Ⅰ相同的恒定激光信号，启动线偏振激光输出高功率光纤放大器，设定光纤放大器主偏振轴线偏振激光输出功率Pout=P_f，主偏振轴线偏振激光输出功率值的计算公式如下：

Pout=（1-m₁）×[P-Pm/（1-m₂）]，

式中，光纤放大器输出总功率为P，副偏振轴线偏振激光输出功率Pm，m₁为步骤Ⅰ所得主偏振态激光输出端口的主偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率，m₂为步骤Ⅰ所得副偏振态激光输出端口的副偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率。

微处理器控制泵浦驱动电路由零开始逐渐增加泵浦激光器驱动电流，根据步骤Ⅰ得到的总功率-电流函数P(I)获取当前光纤放大器的输出总功率P，同时检测得到当前副偏振轴线偏振激光输出功率Pm，按上式计算出当前主偏振轴线偏振激光输出功率Pout，判断是否达到设定值P_f；若未达到设定值P_f，则继续增加泵浦激光器驱动电流，直到光纤放大器主偏振轴线偏振激光输出功率达到设定值P_f；

Ⅲ、稳偏控制

当光纤放大器偏振态变化时，如果光纤放大器输出总功率不变，但副偏振轴线偏振激光输出功率Pm有变化，就会使主偏振轴线偏振激光输出功率改变。为了使主偏振轴线偏振激光输出功率恒定，即满足下式

Pout=（1-m₁）×[P-Pm/（1-m₂）]=恒定值P_f

当Pm改变时，调节泵浦激光器驱动电流、改变光纤放大器输出总功率P，保持Pout=P_f恒定。

光电探测器检测的Pm值和电流检测器检测的泵浦激光器驱动电流值均送入微处理器，微处理器据此及存储的计算程序完成保持Pout=P_f恒定的泵浦激光器驱动电流的计算，其结果送入泵浦激光器驱动控制电路。

当检测到Pm值增大时，则增加泵浦激光器驱动电流，当检测到Pm值减小时，则降低泵浦激光器驱动电流，使主偏振轴线偏振激光输出功率稳定在设定值P_f上。

与现有技术相比，本发明线偏振激光输出高功率光纤放大器及输出控制方法的有益效果是：1、不受低频振动、应力变化和温度变化等环境因素的影响，克服了高功率光纤放大器线偏振输出激光功率稳定性无法保证的缺点；2、无需增加光功率分光器件，便可获得光纤放大器主偏振轴线偏振激光输出功率的大小，实现反馈控制，并通过调节泵浦激光器驱动电流使光纤放大器主偏振轴线偏振激光恒功率输出；3、避免使用了设计制造困难的高功率分光器件，降低了线偏振激光输出功率恒定的光纤放大器的成本；4、适用于多种波长激光信号的光纤放大器。

附图说明

图1为本线偏振激光输出高功率光纤放大器实施例光路结构示意图。

图2为本线偏振激光输出高功率光纤放大器实施例的泵浦激光器驱动控制电路结构示意图。

具体实施方式

线偏振激光输出高功率光纤放大器实施例

本线偏振激光输出高功率光纤放大器的光路结构如图1所示，功率恒定的激光信号L经光隔离器后接入泵浦合束器的信号输入端，本例泵浦合束器为(6+1)×1泵浦合束器，其工作波长与光纤放大器工作波长和泵浦功率相符合，泵浦合束器有6个泵浦输入端口。本例泵浦激光器为6个光纤输出大功率多模激光二极管LD，各LD接入泵浦合束器的泵浦输入端，共同由泵浦合束器的输出端进入双包层有源光纤B，进行放大，双包层有源光纤B的输出连接光纤准直器，光纤准直器的输出接入起偏器，起偏器有主偏振态激光输出端口和与之正交的副偏振态激光输出端口，前者输出主偏振轴线偏振激光Pout，后者输出副偏振轴线偏振激光Pm。泵浦激光器驱动控制电路如图2所示，包括泵浦驱动电路、光电探测器和微处理器，泵浦驱动电路的输出端连接泵浦激光器，起偏器的副偏振态激光输出端口连接光电探测器，泵浦驱动电路输出端还连接电流检测器，光电探测器和电流检测器的的信号输出端均接入微处理器信号输入端；微处理器的信号输出端连接泵浦驱动电路的控制端。

所述电流检测器由分压电阻、电压信号放大电路和模数转换芯片构成。

本例光隔离器与光纤放大器的工作波长和输出功率相匹配。

本例光纤准直器与光纤放大器的输出光纤和工作波长相匹配。

本例起偏器与光纤放大器工作波长相匹配。

本例有源增益介质是镱离子(Yb³⁺)，可根据光纤放大器工作波长选择掺杂的有源增益介质为铒离子（Er³⁺），铒镱共掺，钕离子（Nd³⁺）等中任一种双包层有源光纤。

线偏振激光输出高功率光纤放大器的输出控制方法实施例

上述线偏振激光输出高功率光纤放大器实施例的输出控制方法包括如下工作步骤：

Ⅰ、系统初始化

上述实施例的线偏振激光输出高功率光纤放大器输入功率恒定的待放大激光信号，在线偏振激光输出高功率光纤放大器的光纤准直器输出端安装光功率计，启动线偏振激光输出高功率光纤放大器，调节泵浦激光器驱动控制电路，逐级改变泵浦激光器的驱动电流，光功率计测得每个驱动电流值下对应的光纤放大器准直输出的功率，获得总功率-电流函数P(I)，将总功率-电流函数P(I)存储在泵浦激光器驱动控制电路微处理器的存储器内，本例为微处理器的外置存储器；将校准功率的稳定线偏振光源分别对准起偏器的主偏振轴和副偏振轴，分别在各偏振态激光输出端口连接光功率计测试输出光功率，计算出起偏器主偏振态激光输出端口的主偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率m₁和副偏振态激光输出端口的副偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率m₂；本步骤只在线偏振激光输出高功率光纤放大器调试或校准时执行。

Ⅱ、开机启动

线偏振激光输出高功率光纤放大器输入与步骤Ⅰ相同的恒定激光信号，启动线偏振激光输出高功率光纤放大器，设定光纤放大器主偏振轴线偏振激光输出功率Pout=P_f，主偏振轴线偏振激光输出功率值的计算公式如下：

Pout=（1-m₁）×[P-Pm/（1-m₂）]，

式中，光纤放大器输出总功率为P，副偏振轴线偏振激光输出功率Pm，m₁为步骤Ⅰ所得主偏振态激光输出端口的主偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率，m₂为步骤Ⅰ所得副偏振态激光输出端口的副偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率。

微处理器控制泵浦驱动电路逐渐增加泵浦激光器驱动电流，并根据步骤Ⅰ得到的总功率-电流函数P(I)得到当前光纤放大器的输出总功率P，同时检测得到当前副偏振轴线偏振激光输出功率Pm，按上式计算出当前主偏振轴线偏振激光输出功率Pout，判断是否达到设定值P_f；若未达到设定值P_f，则继续增加泵浦激光器驱动电流，直到主偏振轴线偏振激光输出功率Pout达到设定值P_f。

Ⅲ、稳偏控制

为了使主偏振轴线偏振激光输出功率恒定，即满足下式

Pout=（1-m₁）×[P-Pm/（1-m₂）]=恒定值P_f

当Pm改变时，调节泵浦激光器驱动电流、改变光纤放大器输出总功率P，保持Pout=P_f恒定。

光电探测器检测的Pm值和电流检测器检测的泵浦激光器驱动电流值均送入微处理器，微处理器据此及存储的计算程序完成保持Pout=P_f恒定的泵浦激光器驱动电流的计算，其结果送入泵浦激光器驱动控制电路。

当检测到Pm值增大时，则增加泵浦激光器驱动电流，当检测到Pm值减小时，则降低泵浦激光器驱动电流，使主偏振轴线偏振激光输出功率稳定在设定值上。

本例输入激光信号为2W，设定放大后的主偏振轴线偏振激光输出功率为50W，实际波动在3%以内。而普通的光纤放大器，当输入相同的连续激光信号，放大后的主偏振轴线偏振激光输出功率也为50W时，其波动达10%以上。本发明的效果明显。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.线偏振激光输出高功率光纤放大器，包括光隔离器、泵浦合束器、双包层有源光纤、光纤准直器、起偏器、泵浦激光器和泵浦激光器驱动控制电路，功率恒定的激光信号经光隔离器后进入泵浦合束器的信号输入端，泵浦激光器接入泵浦合束器的泵浦输入端，共同由泵浦合束器的输出端进入双包层有源光纤进行放大，双包层有源光纤的输出连接光纤准直器，光纤准直器的输出接入起偏器，泵浦激光器驱动控制电路连接泵浦激光器；其特征在于：

所述起偏器有主偏振态激光输出端口和与之正交的副偏振态激光输出端口，前者输出主偏振轴线偏振激光，后者输出副偏振轴线偏振激光；起偏器的副偏振态激光输出端口接有光电探测器；

所述泵浦激光器驱动控制电路包括泵浦驱动电路、电流检测器、光电探测器和微处理器，泵浦驱动电路的输出端连接泵浦激光器，起偏器的副偏振态激光输出端口连接光电探测器，泵浦驱动电路的输出端与泵浦激光器之间串联电流检测器，光电探测器和电流检测器的的信号输出端均与微处理器信号输入端连接，微处理器的信号输出端连接泵浦驱动电路的控制端。

2.根据权利要求1所述的线偏振激光输出高功率光纤放大器，其特征在于：

所述输入的激光信号是连续激光信号，或者是脉冲激光信号。

3.根据权利要求1所述的线偏振激光输出高功率光纤放大器，其特征在于：

所述光隔离器与光纤放大器的工作波长和输出功率相匹配；

所述光纤准直器与光纤放大器的输出光纤的工作波长相匹配；

所述起偏器与光纤放大器工作波长相匹配。

4.根据权利要求1所述的线偏振激光输出高功率光纤放大器，其特征在于：

所述泵浦合束器为(n+1)×1泵浦合束器，与光纤放大器的工作波长和泵浦功率相符合，其中n为泵浦合束器的泵浦输入端口，n大于等于2。

5.根据权利要求4所述的线偏振激光输出高功率光纤放大器，其特征在于：

所述泵浦激光器为N个大功率多模激光二极管阵列，N≤n。

6.根据权利要求1所述的线偏振激光输出高功率光纤放大器，其特征在于：

所述双包层有源光纤掺杂的有源增益介质是镱离子，铒离子，铒镱共掺，钕离子中的任一种。

7.根据权利要求1所述的线偏振激光输出高功率光纤放大器，其特征在于：

所述光隔离器、泵浦合束器、双包层有源光纤和光纤准直器均为保偏光器件，或者均为非保偏光器件。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的线偏振激光输出高功率光纤放大器的的输出控制方法，其特征在于包括如下工作步骤：

Ⅰ、系统初始化

线偏振激光输出高功率光纤放大器输入功率恒定的待放大激光信号，在线偏振激光输出高功率光纤放大器的光纤准直器输出端安装光功率计，启动线偏振激光输出高功率光纤放大器，调节泵浦激光器驱动控制电路，逐级改变泵浦激光器的驱动电流，光功率计测得每个驱动电流值下对应的光纤准直器输出的功率，获得总功率-电流函数P(I)，将总功率-电流函数P(I)存储在泵浦激光器驱动控制电路微处理器的存储器内；

将校准功率的稳定线偏振光源分别对准起偏器的主偏振轴和副偏振轴，分别在各偏振态激光输出端口连接光功率计测试输出光功率，计算出起偏器主偏振态激光输出端口的主偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率m₁和副偏振态激光输出端口的副偏振轴线偏振激光的插入损耗百分率m₂；

本步骤只在线偏振激光输出高功率光纤放大器调试或校准时执行；

Ⅱ、开机启动

线偏振激光输出高功率光纤放大器输入与步骤Ⅰ相同的恒定激光信号，启动线偏振激光输出高功率光纤放大器，设定光纤放大器主偏振轴线偏振激光输出功率Pout＝P_f，达到主偏振轴线偏振激光输出功率的计算公式如下：

Pout＝(1-m₁)×[P-Pm/(1-m₂)]，

式中，光纤放大器输出总功率为P，副偏振轴线偏振激光输出功率Pm，m₁为步骤Ⅰ所得主偏振态激光输出端口的主偏振轴线偏振激光插入损耗百分率，m₂为步骤Ⅰ所得副偏振态激光输出端口的副偏振轴线偏振激光插入损耗百分率；

微处理器控制泵浦驱动电路逐渐增加泵浦激光器驱动电流，根据步骤Ⅰ得到的总功率-电流函数P(I)获取当前光纤放大器的输出总功率P，同时检测得到当前副偏振轴线偏振激光输出功率Pm，按上式计算出当前主偏振轴线偏振激光输出功率，判断是否达到设定值P_f；若未达到设定值P_f，则继续增加泵浦激光器驱动电流，直到光纤放大器主偏振轴线偏振激光输出功率达到设定值Pout＝P_f；

Ⅲ、稳偏控制

为了使主偏振轴线偏振激光输出功率恒定，即满足下式

Pout＝(1-m₁)×[P-Pm/(1-m₂)]＝恒定值P_f

光电探测器检测的Pm值和电流检测器检测的驱动电流值均送入微处理器，微处理器据此及存储的计算程序完成保持Pout＝P_f恒定的泵浦激光器驱动电流的计算，其结果送入泵浦激光器驱动控制电路。