CN103368047B - 高功率线偏振激光输出光纤放大器及输出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为高功率线偏振激光输出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、光功率分光器件、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，接于光功率分光器件的第一光电探测器和副偏振轴输出端口的第二光电探测器和均接微处理器。控制方法为先获得并存储主副偏振轴的插入损耗；由2个光电探测器得总功率和副偏振轴输出功率，偏振态变化时，相应改变泵浦驱动电流，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。

Description

高功率线偏振激光输出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、高功率线偏振激光输出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，即高功率线偏振激光输出光纤放大器，

本发明还提供此种光纤放大器的输出控制方法。

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，调节光纤放大器的泵浦激光器功率，补偿光纤放大器起偏输出后的偏振态引起的功率变化，使主偏振轴方向的激光功率稳定在设定值上。

光功率分光器件输出的激光功率与光纤放大器输出总功率存在固定的比例关系，监控光功率分光器件输出的激光功率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主偏振轴线偏振激光的输出功率；最后通过调节光纤放大器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主偏振轴线偏振激光输出功率波动，获得稳定功率的主偏振轴线偏振激光输出。

本发明所设计的高功率线偏振激光输出光纤放大器，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，输入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接入光纤准直器，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。泵浦激光器驱动控制电路连接泵浦激光器、控制其输出功率。本光纤放大器还包括有光功率分光器件，双包层有源光纤的输出端接入光功率分光器件，光功率分光器件的一个输出端接入光纤准直器，光功率分光器件的另一输出端——光功率监控输出端，连接第一光电探测器，监控光纤准直器输出的放大器总功率。起偏器的副偏振态激光输出端口接第二光电探测器，监控起偏器副偏振轴线偏振激光输出功率。

所述泵浦激光器驱动控制电路包括泵浦驱动电路、第一光电探测器、第二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，第一和第二光电探测器的信号输出端均与微处理器或者运算控制电路信号输入端连接，微处理器或者运算控制电路的输出端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。

所述光功率分光器件是独立的光纤分束器，或者是非独立的分光器件。非独立的分光器件为泄露激光功率的缠绕于双包层有源光纤的光纤，或者为泄露激光功率的泵浦合束器空置的泵浦尾纤。

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、光功率分光器件、光纤准直器均为保偏光器件，或者均为非保偏光器件。

本发明高功率线偏振激光输出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

高功率线偏振激光输出光纤放大器输入待放大激光信号，在高功率线偏振激光输出光纤放大器的光纤准直器输出端安装光功率计，启动高功率线偏振激光输出光纤放大器，由光功率计测定准直输出功率即总功率P，并由第一光电探测器测得光功率分光器件监控功率值P₁，计算二者比例A=P₁/P。

第二光电探测器检测副偏振轴线偏振激光输出功率P₂。

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；

本高功率线偏振激光输出光纤放大器主偏振轴的起偏输出功率Pout与放大器准直输出总功率P之间的函数关系如下式：

P=P₁/A=Pout/（1-m₁）+P₂/（1-m₂）。

将相关参数和此计算式的计算程序写入微处理器或者以此调节运算控制电路，使之根据以上参数调整反馈控制泵浦激光器驱动电路。

本步骤只在高功率线偏振激光输出光纤放大器调试或校准时执行。

Ⅱ、开机启动

高功率线偏振激光输出光纤放大器输入与步骤Ⅰ相同的激光信号，启动高功率线偏振激光输出光纤放大器，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）×[P₁/A-P₂/（1-m₂）]，

根据步骤Ⅰ得到的A和m₁、m₂，第一光电检测器测得光功率分光器件的光功率P₁，第二光电检测器测得副偏振轴线偏振激光输出功率P₂，则可由上式计算得到主偏振轴线偏振激光输出功率，调节泵浦激光器驱动电流，使本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，副偏振轴线偏振激光输出功率Pm有变化，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）×[P₁/A-P₂/（1-m₂）]=恒定值P_f

微处理器或者运算控制电路接收第一、第二光电检测器检测所得当前的P₁、P₂，副偏振轴线偏振激光当前输出的激光功率P₂变化时，按上式计算保持主偏振轴的线偏振激光输出功率Pout恒定为P_f，所需的当前总功率P₁/A相应的值，微处理器或者运算控制电路将相应改变的泵浦激光器驱动电流值输送到泵浦驱动电路，改变泵浦激光器当前输出的总功率P，并由下一时刻的P₁、P₂判断计算Pout是否达到设定值P_f，是否需要继续调节泵浦激光器驱动电流值，最终使主偏振轴线偏振激光输出功率稳定在设定值P_f。

与现有技术相比，本发明高功率线偏振激光输出光纤放大器及输出控制方法的有益效果是：1、不受振动、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激光输出激光功率稳定性无法保证的缺点；2、根据光纤放大器主偏振轴和副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激光恒功率输出；3、可以补偿输入激光信号功率小幅度波动引起的主偏振轴激光输出功率波动；4、适用于多种波长的激光信号的放大。

附图说明

图1为本高功率线偏振激光输出光纤放大器实施例光路结构示意图。

图2为本高功率线偏振激光输出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

高功率线偏振激光输出光纤放大器实施例

本高功率线偏振激光输出光纤放大器实施例光路结构如图1所示，包括光隔离器、泵浦合束器、双包层有源光纤、光功率分光器件、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，输入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接入光纤分束器，光纤分束器的一个输出端接入光纤准直器，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，后者输出和副偏振轴线偏振激光。泵浦激光器驱动控制电路连接泵浦激光器、控制其输出功率。

光纤分束器的另一个输出端——光功率监控输出端连接第一光电探测器。起偏器的副偏振态激光输出端口接有第二光电探测器。

本例泵浦激光器驱动控制电路如图2所示，包括泵浦驱动电路、第一光电探测器、第二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，第一、第二光电探测器的信号输出端均与微处理器信号输入端连接，微处理器的输出端接泵浦驱动控制电路的控制端。

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个光纤输出方式的大功率多模激光二极管LD。

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。

高功率线偏振激光输出光纤放大器的输出控制方法实施例

上述线高功率偏振输出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

上例的高功率线偏振激光输出光纤放大器输入待放大激光信号，在高功率线偏振激光输出光纤放大器的光纤准直器输出端安装对应的光功率计，启动该高功率线偏振激光输出光纤放大器，由光功率计测定本放大器的准直输出功率即总功率P，并由第一光电探测器测得光功率分光器件监控功率值P₁，计算二者比例A=P₁/P。

第二光电探测器检测副偏振轴线偏振激光输出功率P₂。

将校准功率的稳定线偏振光源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比m₁（%），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比m₂（%）；

本高功率线偏振激光输出放大器主偏振轴的起偏输出功率Pout与放大器准直输出总功率之间的函数关系如下式：

P=P₁/A=Pout/（1-m₁）+P₂/（1-m₂）。

将相关参数和此计算式的计算程序写入微处理器，使之根据以上参数调整反馈控制泵浦激光器驱动电路。

本步骤只在高功率线偏振激光输出光纤放大器调试或校准时执行。

Ⅱ、开机启动

高功率线偏振激光输出光纤放大器输入与步骤Ⅰ相同的激光信号，启动高功率线偏振激光输出光纤放大器，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）×[P₁/A-P₂/（1-m₂）]，

根据步骤Ⅰ得到的A和m₁、m₂，第一光电检测器测得光纤分束器的光功率P₁，第二光电检测器测得副偏振轴线偏振激光输出功率P₂，则可由上式计算得到主偏振轴线偏振激光输出功率。调节泵浦激光器驱动电流，使本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，副偏振轴线偏振激光输出功率Pm有变化，要使主偏振轴线偏振激光输出功率恒定，即满足下式

Pout=（1-m₁）×[P₁/A-P₂/（1-m₂）]=恒定值P_f

微处理器接收第一、第二光电检测器当前检测所得P₁、P₂，按上式计算保持主偏振轴的线偏振激光输出功率Pout恒定为P_f，所需的当前总功率P₁/A相应的值，微处理器将相应逐渐改变泵浦激光器驱动电流值输送到泵浦驱动电路，控制泵浦激光器驱动电流值，改变当前总功率P，并根据下一时刻的P₁、P₂判断Pout是否达到设定值P_f，是否需要继续调节泵浦激光器驱动电流值，最终使主偏振轴线偏振激光输出功率稳定在设定值P_f。

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，实际所得Pout波动在0.5%以内。

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 (10)

1.高功率线偏振激光输出光纤放大器，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，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接入光纤准直器，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；还包括光功率分光器件，双包层有源光纤的输出端经光功率分光器件接入光纤准直器，光功率分光器件的另一输出端——光功率监控输出端连接第一光电探测器；起偏器的副偏振态激光输出端口接第二光电探测器；

所述泵浦激光器驱动控制电路包括泵浦驱动电路、第一光电探测器、第二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，第一和第二光电探测器的信号输出端均与微处理器的信号输入端连接，微处理器的输出端接泵浦驱动电路的控制端。

2.根据权利要求1所述的高功率线偏振激光输出光纤放大器，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所述的高功率线偏振激光输出光纤放大器，其特征在于：

所述光功率分光器件是独立的光纤分束器，或者是非独立的分光器件。

4.根据权利要求3所述的高功率线偏振激光输出光纤放大器，其特征在于：

所述非独立的分光器件为泄露激光功率的缠绕于双包层有源光纤的光纤，或者为泄露激光功率的泵浦合束器空置的泵浦尾纤。

5.根据权利要求1所述的高功率线偏振激光输出光纤放大器，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。

6.根据权利要求1所述的高功率线偏振激光输出光纤放大器，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。

7.根据权利要求4所述的高功率线偏振激光输出光纤放大器，其特征在于：

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(LD)，N≤n，其中n为泵浦合束器的泵浦输入端口，n大于等于2。

8.根据权利要求1所述的高功率线偏振激光输出光纤放大器，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。

9.根据权利要求1所述的高功率线偏振激光输出光纤放大器，其特征在于：

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

10.根据权利要求1至9中任一项所述的高功率线偏振激光输出光纤放大器的输出控制方法，其特征在于包括如下工作步骤：

Ⅰ、系统初始化

高功率线偏振激光输出光纤放大器输入待放大激光信号，在高功率线偏振激光输出光纤放大器的光纤准直器输出端安装光功率计，启动高功率线偏振激光输出光纤放大器，由光功率计测定总功率P，并由第一光电探测器测得光功率分光器件监控功率值P₁，计算二者比例A＝P₁/P；

第二光电探测器检测副偏振轴线偏振激光输出功率P₂；

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；

本高功率线偏振激光输出光纤放大器主偏振轴的起偏输出功率Pout与放大器准直输出总功率之间的函数关系如下式：

P＝P₁/A＝Pout/(1-m₁)+P₂/(1-m₂)；

将相关参数和此计算式的计算程序写入微处理器；

本步骤只在高功率线偏振激光输出光纤放大器调试或校准时执行；

Ⅱ、开机启动

高功率线偏振激光输出光纤放大器输入与步骤Ⅰ相同的激光信号，启动高功率线偏振激光输出光纤放大器，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)×[P₁/A-P₂/(1-m₂)]，

根据步骤Ⅰ得到的A和m₁、m₂，第一光电检测器测得光功率分光器件的光功率P₁，第二光电检测器测得副偏振轴线偏振激光输出功率P₂，则可由上式计算得到主偏振轴线偏振激光输出功率，调节泵浦激光器驱动电流，使本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，副偏振轴线偏振激光输出功率P₂有变化，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)×[P₁/A-P₂/(1-m₂)]＝恒定值P_f

微处理器接收第一、第二光电检测器检测所得当前的P₁、P₂，副偏振轴线偏振激光输出的当前激光功率P₂变化时，按上式计算保持主偏振轴的线偏振激光输出功率Pout恒定为P_f、所需的当前总功率P₁/A相应的值，微处理器将相应改变的泵浦激光器驱动电流值输送到泵浦驱动电路，改变总功率P，并由下一时刻的P₁、P₂判断计算Pout是否达到设定值P_f，是否需要继续调节泵浦激光器驱动电流值，最终使主偏振轴线偏振激光输出功率稳定在设定值P_f。