CN103427319A

CN103427319A - 新型光纤激光器

Info

Publication number: CN103427319A
Application number: CN2013103495247A
Authority: CN
Inventors: 段云峰; 郑志胜; 李伟俊; 王嘉宁
Original assignee: TIANJIN JUNFENG WEIYE PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TIANJIN JUNFENG WEIYE PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2013-08-12
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明提供了一种新型光纤激光器，包括低功率的种子半导体激光器和光纤放大器，还包括预失真脉冲驱动器，预失真脉冲驱动器包括预失真脉冲发生器和驱动电路，预失真脉冲发生器产生幅值分布不均匀的脉冲信号或者时间编码的脉冲信号串，注入到驱动电路中，产生的脉冲电流用来驱动种子半导体激光器，产生某一重复频率、脉冲宽度和脉冲形状的激光输出，种子半导体激光器产生的激光注入光纤放大器中，放大后输出到输出光纤进行输出。本发明能够实现高功率、平坦的长脉冲宽度激光输出；采用电调制产生预失真的脉冲激光，相比使用额外的强度调制器来获得预失真注入脉冲激光，本发明的成本低。

Description

新型光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种高功率、长脉冲宽度、波形平坦的新型脉冲光纤激光器。

背景技术

在大气探测、3D扫描、测风雷达、遥感探测、光学传感（布里渊光时域反射计）、激光频率变换等应用领域，需要高功率、平坦的长脉冲激光。在某些光学传感领域，还需要时间编码的平坦脉冲激光串。而普通光纤放大器不能满足该需求。

主振荡功率放大技术，是使用一个低功率的激光作为种子光，注入到高功率光纤放大器中，通过功率放大获得在种子光波长处的高功率激光输出。这种技术不但能够获得高功率的激光输出，而且输出激光的波长、重复频率由种子光源决定，光谱宽度和脉冲宽度主要由种子光源决定。

但是在光纤放大器中，增益光纤存在能量饱和的特性。在光脉冲的上升沿首先进入增益光纤后，获得放大增益，同时消耗了增益光纤中的上能级粒子数。从而使后续激光注入时，光纤中的上能级粒子数减少，导致其获得的增益也减少。因此，在脉冲输出的主振荡功率放大技术中，脉冲前沿获得的增益较高，而脉冲的其余部分的增益呈现为指数衰减的分布，导致输出脉冲在时域上的变形和失真。

在光纤放大器中，随着功率放大倍数的增大，放大输出脉冲激光的时域变形越严重。随着输入脉冲激光宽度的增加，放大输出脉冲激光的变形失真越严重。因此，很难获得高功率、长脉冲宽度的激光输出。

发明内容

本发明要解决的问题是：本发明的主要目的在于提供预失真种子源结合高功率的光纤放大器，能够实现高功率、平坦的长脉冲宽度激光输出；本发明是解决脉冲输入到光纤放大器中，注入激光经过光纤放大过程中由于能量饱和作用导致脉冲激光的上升沿获得高增益而之后脉冲获得增益逐渐减少，并导致脉冲宽度变形严重的问题；或者是在脉冲时间编码的脉冲串激光输入时，放大输出脉冲串的峰值功率差异很大的问题。

为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：一种新型光纤激光器，包括低功率的种子半导体激光器和光纤放大器，还包括预失真脉冲驱动器，所述预失真脉冲驱动器包括预失真脉冲发生器和驱动电路，所述预失真脉冲发生器产生幅值分布不均匀的脉冲信号或者时间编码的脉冲信号串，注入到所述驱动电路中，产生的脉冲电流用来驱动所述种子半导体激光器，产生某一重复频率、脉冲宽度和脉冲形状的激光输出，所述种子半导体激光器产生的激光注入所述光纤放大器中，经过所述光纤放大器放大后的激光输出到输出光纤，所述输出光纤将放大后的激光输出。

所述预失真脉冲发生器包括主控制器和现场可编程逻辑门阵列,所述驱动电路包括数模转换器和功率放大输出部分；所述主控制器实现与用户相关的接口操作及指令和数据的交互通信，并对现场可编程逻辑门阵列进行编程控制；所述现场可编程逻辑门阵列对所述数模转换器进行驱动和控制，将所述主控制器设置好的预失真数字波形输出到所述数模转换器，实现预失真脉冲信号的转换；所述预失真脉冲信号输入到所述功率放大输出部分进行放大，并转换为功率驱动信号输出给种子半导体激光器。

所述现场可编程逻辑门阵列为高速现场可编程逻辑门阵列；所述数模转换器为高速数模转换器，采样频率大于500MHz；所述驱动电路为中频高功率放大器。

所述光纤放大器包括高功率光纤放大器，所述高功率光纤放大器由第二光隔离器、泵浦信号光纤合束器、多模泵浦半导体激光器和双包层增益光纤共同组成，所述第二光隔离器与所述多模泵浦半导体激光器均与所述泵浦信号光纤合束器的输入端相连，所述泵浦信号光纤合束器的输出端与所述双包层增益光纤连接。

所述高功率光纤放大器为多个级联。

所述光纤放大器还包括低功率光纤放大器，所述低功率光纤放大器由第一光隔离器、波分复用器、单泵浦半导体激光器和单模增益光纤组成；第一光隔离器与波分复用器的输入端连接；所述波分复用器的输入端与所述单泵浦半导体激光器连接，所述波分复用器的输出端与所述单模增益光纤连接。

所述低功率光纤放大器为多个级联。

每级所述高功率光纤放大器之前设有滤波器，所述滤波器为频域和/或时域滤波器。

每级所述低功率光纤放大器之前设有滤波器，所述滤波器为频域和/或时域滤波器。

所述双包层增益光纤和所述单模增益光纤为掺稀土镱离子光纤或掺稀土钕离子光纤或掺稀土铒离子光纤或掺稀土铥离子光纤。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，能够实现高功率、平坦的长脉冲宽度激光输出；本发明是采用电调制产生预失真的脉冲激光，相比使用额外的强度调制器来获得预失真注入脉冲激光，本发明的成本低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的预失真脉冲驱动器工作原理示意图；

图3是预失真脉冲信号发生器产生的脉冲形状一；

图4是预失真脉冲信号发生器产生的脉冲形状二；

图5是具有不同时间编码的脉冲串；

图6是输入方波波形的种子脉冲激光；

图7是图6的种子脉冲激光在经过放大后输出的脉冲激光波形；

图8是以时间关系的0.5次方预失真波形的输入脉冲激光；

图9是图8的脉冲激光，经过放大后输出脉冲激光的波形；

图10是以时间关系的1次方预失真波形的输入脉冲激光

图11是图10的脉冲激光经过放大后输出脉冲激光的波形。

图中：

101、种子半导体激光器	102、预失真脉冲发生器
		103、驱动电路	104、第一光隔离器
105、波分复用器	106、单模泵浦半导体激光器
		107、单模增益光纤	108、低功率（单模）光纤放大器
109、第二光隔离器	110、泵浦信号光纤合束器
		111、多模泵浦半导体激光器	112、双包层增益光纤
113、高功率（双包层）光纤放大器	114、输出光纤
		115、预失真脉冲驱动器	116、滤波器
201、主控制器	202、现场可编程逻辑门阵列
		203、数模转换器	204、功率放大输出

具体实施方式

如图1所示，一种新型光纤激光器，包括低功率的种子半导体激光器101和光纤放大器，还包括预失真脉冲驱动器115，所述预失真脉冲驱动器115包括预失真脉冲发生器102和驱动电路103，所述预失真脉冲发生器102产生幅值分布不均匀的脉冲信号或者时间编码的脉冲信号串，注入到所述驱动电路103中，产生的脉冲电流用来驱动所述种子半导体激光器101，产生某一重复频率、脉冲宽度和脉冲形状的激光输出，所述种子半导体激光器101产生的激光注入所述光纤放大器中，经过所述光纤放大器放大后的激光输出到输出光纤114，所述输出光纤114将放大后的激光输出。

如图2所示，所述预失真脉冲发生器包括主控制器（MCU）201和现场可编程逻辑门阵列（FPGA）202,所述驱动电路包括数模转换器（DA）203和功率放大输出部分204；所述主控制器（MCU）201实现与用户相关的接口操作及指令和数据的交互通信，并对现场可编程逻辑门阵列（FPGA）202进行编程控制；所述现场可编程逻辑门阵列（FPGA）202对所述数模转换器（DA）203进行驱动和控制，将所述主控制器（MCU）201设置好的预失真数字波形输出到所述数模转换器（DA）203，实现预失真脉冲信号的转换；所述预失真脉冲信号输入到所述功率放大输出部分204进行放大，并转换为功率驱动信号输出给驱动电路103，实现预失真光脉冲信号的输出。

图3、图4分别为不同预失真幅值分布的调制输出脉冲激光。

图5为具有不同时间编码的脉冲串。

预失真脉冲信号发生器102用以产生激光器调制的电脉冲信号，输出脉冲信号的幅度、波形、宽度和重复频率可以通过软件接口进行设置，以抵消因光放大器引起的失真。由于在光纤放大器中注入脉冲前沿的增益较高，而之后脉冲的增益逐渐减少，在注入脉冲激光的时域特性中，把注入脉冲前沿部分调制成较低的幅值，而之后脉冲的幅值逐渐增加，因此在经历光纤放大器后，在注入种子脉冲激光预失真和光纤放大器中能量饱和特性的共同作用下，可以获得平坦的长脉冲激光输出。

预失真的脉冲激光注入到低功率的光纤放大器和高功率的光纤放大器中，可以获得高功率的放大激光输出。针对不同的输出峰值功率和光纤放大器，需要设计优化不同的预失真种子脉冲激光的波形，以获得平坦的、长脉冲宽度的高功率脉冲激光输出。

本实施例使用ALTERA公司高速可编程逻辑阵列器件，其工作频率可达300MHz，电路可实现可调节精度为3.4ns，即脉冲最小宽度为3.4ns（不含驱动能力）也即脉冲调节步长。选用高速12位数模转换器，预失真信号幅度调节范围20dB。通过编程可以实现多种预失真信号的输出。典型单周期典型输出信号曲线如图3、图4、图5所示，分别对应了不同预失真脉冲波形。

通过对输入脉冲激光波形的预失真，结合高功率光纤放大器的能量饱和导致的脉冲前沿能够获得较高的增益，而之后获得增益逐渐减少的特点，使两者相互补偿，从而获得均匀的长脉冲宽度激光输出。

图6为光纤放大器中，常规电调制的方波输入脉冲波形，为方波形状，脉冲宽度100ns，输入峰值功率为0.01W；图7经过放大后的输出脉冲激光的形状。从图中可以看出，放大输出脉冲激光的前沿因为获得增益较高，导致脉冲前沿的峰值功率更高；而脉冲后沿的增益较少，导致输出脉冲激光在的幅值逐渐降低，从而无法输出长脉冲宽度、平坦的脉冲波形。

图8、图10为预失真后的脉冲光纤放大器中输入激光的形状；图9、图11为输出脉冲激光的形状。其中，图8为以时间关系的0.5次方关系预失真的输入脉冲激光，图10为以时间关系线性（1次方）预失真的输入脉冲激光，图9、图11分别为图8、图10经过放大后的输出脉冲激光。

从图中可以看出，在本光纤激光器系统中，把输入脉冲激光以时间关系的0.5次方预失真后，放大输出脉冲激光的波形较为平坦，脉冲宽度较宽。

所述现场可编程逻辑门阵列202为高速现场可编程逻辑门阵列；所述数模转换器203为高速数模转换器，采样频率大于500MHz，实现高速数字模拟信号转换；所述驱动电路103为中频高功率放大器。

所述光纤放大器包括高功率光纤放大器113，所述高功率光纤放大器113由第二光隔离器109、泵浦信号光纤合束器110、多模泵浦半导体激光器111和双包层增益光纤112共同组成，所述第二光隔离器109与所述多模泵浦半导体激光器111均与所述泵浦信号光纤合束器110的输入端相连，所述泵浦信号光纤合束器110的输出端与所述双包层增益光纤112连接。

所述高功率光纤放大器113为多个级联。

所述光纤放大器还包括低功率光纤放大器108，所述低功率光纤放大器108由第一光隔离器104、波分复用器105、单泵浦半导体激光器106和单模增益光纤107组成；第一光隔离器104与波分复用器105的输入端连接；所述波分复用器105的输入端与所述单泵浦半导体激光器106连接，所述波分复用器105的输出端与所述单模增益光纤107连接。

所述低功率光纤放大器108为多个级联。

根据种子半导体激光器101输出激光功率的不同，可以使用多个低功率光纤放大器108、或者多个高功率光纤放大器113，来获得期望的输出激光功率。

1）比如当种子激光功率较低时，可以级联使用多个低功率的光纤放大器108，当种子激光功率较高时，可以不使用低功率的光纤放大器108。

2）为了实现高功率激光输出，可以级联使用多个高功率的光纤放大器113。

每级所述高功率光纤放大器113之前设有滤波器，所述滤波器为频域和/或时域滤波器。

每级所述低功率光纤放大器108之前设有滤波器，所述滤波器为频域和/或时域滤波器。

在使用多个光纤放大级时，使用不同的滤波器116来滤除前一放大级中产生的放大自发辐射光噪声（ASE）,从而提高下一光纤放大器的增益，获得高功率的放大激光输出。其中，滤波器（116）可以包括：

1）频域滤波器。通过使用频率滤波器，只允许特别范围波长的激光通过，从而消除（避免）滤波器通过波长范围以外的光，进入下一光纤放大级。

2）时域滤波器。通过时域滤波器，只允许特定时间的激光经过滤波器，从而在时域上消除特定时间以外的噪声光，进入下一放大级。

3）可以同时使用时域滤波器和频域滤波器，来消除特定时间和特定波长范围以外的噪声光，进入下一放大级。

4）根据输出激光的特性，也可以不使用该滤波器。

所述双包层增益光纤112和所述单模增益光纤107为掺稀土镱离子光纤或掺稀土钕离子光纤或掺稀土铒离子光纤或掺稀土铥离子光纤。

可以选择合适的种子半导体激光器的输出波长，和不同的增益光纤，实现所需波长的高功率、长脉冲宽度、平坦波形的激光输出。例如：

1）使用掺稀土镱离子（Yb）的增益光纤和相应的种子激光波长（1030nm～1120nm），可以实现1030nm～1120nm的高功率、长脉冲宽度、波形平坦的激光输出；

2）使用掺稀土钕离子（Nd）的增益光纤和相应的种子激光波长（1053nm），可以实现1053nm的高功率、长脉冲宽度、平坦波形的激光输出；

3）使用掺稀土铒离子（Er）的增益光纤盒和相应的种子激光波长（1530nm～1620nm），可以实现1530nm～1620nm的高功率、长脉冲宽度、波形平坦的激光输出；

4）使用掺稀土铥离子（Tm）的增益光纤和相应的种子激光波长（1950nm～2050nm），可以实现1950nm～2050nm的高功率、长脉冲宽度、波形平坦的激光输出。

输出激光的光谱宽度由种子光源确定：

1）使用窄线宽的种子激光器，将输出窄线宽、高功率、长脉冲宽度、波形平坦的光纤激光器。

2）使用宽光谱的种子激光光源，将输出宽光谱、高功率、长脉冲宽度、波形平坦的光纤激光器。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为发明的较佳实施例，不能被认为用于限定发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims

1.一种新型光纤激光器，包括低功率的种子半导体激光器和光纤放大器，其特征在于：还包括预失真脉冲驱动器，所述预失真脉冲驱动器包括预失真脉冲发生器和驱动电路，所述预失真脉冲发生器产生幅值分布不均匀的脉冲信号或者时间编码的脉冲信号串，注入到所述驱动电路中，产生的脉冲电流用来驱动所述种子半导体激光器，产生某一重复频率、脉冲宽度和脉冲形状的激光输出，所述种子半导体激光器产生的激光注入所述光纤放大器中，经过所述光纤放大器放大后的激光输出到输出光纤，所述输出光纤将放大后的激光输出。

2.根据权利要求1所述的新型光纤激光器，其特征在于：所述预失真脉冲发生器包括主控制器和现场可编程逻辑门阵列,所述驱动电路包括数模转换器和功率放大输出部分；所述主控制器实现与用户相关的接口操作及指令和数据的交互通信，并对现场可编程逻辑门阵列进行编程控制；所述现场可编程逻辑门阵列对所述数模转换器进行驱动和控制，将所述主控制器设置好的预失真数字波形输出到所述数模转换器，实现预失真脉冲信号的转换；所述预失真脉冲信号输入到所述功率放大输出部分进行放大，并转换为功率驱动信号输出给种子半导体激光器。

3.根据权利要求2所述的新型光纤激光器，其特征在于：所述现场可编程逻辑门阵列为高速现场可编程逻辑门阵列；所述数模转换器为高速数模转换器，采样频率大于500MHz；所述驱动电路为中频高功率放大器。

4.根据权利要求1所述的新型光纤激光器，其特征在于：所述光纤放大器包括高功率光纤放大器，所述高功率光纤放大器由第二光隔离器、泵浦信号光纤合束器、多模泵浦半导体激光器和双包层增益光纤共同组成，所述第二光隔离器与所述多模泵浦半导体激光器均与所述泵浦信号光纤合束器的输入端相连，所述泵浦信号光纤合束器的输出端与所述双包层增益光纤连接。

5.根据权利要求4所述的新型光纤激光器，其特征在于：所述高功率光纤放大器为多个级联。

6.根据权利要求4或5所述的新型光纤激光器，其特征在于：所述光纤放大器还包括低功率光纤放大器，所述低功率光纤放大器由第一光隔离器、波分复用器、单泵浦半导体激光器和单模增益光纤组成；第一光隔离器与波分复用器的输入端连接；所述波分复用器的输入端与所述单泵浦半导体激光器连接，所述波分复用器的输出端与所述单模增益光纤连接。

7.根据权利要求6所述的新型光纤激光器，其特征在于：所述低功率光纤放大器为多个级联。

8.根据权利要求7所述的新型光纤激光器，其特征在于：每级所述高功率光纤放大器之前设有滤波器，所述滤波器为频域和/或时域滤波器。

9.根据权利要求7所述的新型光纤激光器，其特征在于：每级所述低功率光纤放大器之前设有滤波器，所述滤波器为频域和/或时域滤波器。

10.根据权利要求6所述的新型光纤激光器，其特征在于：所述双包层增益光纤和所述单模增益光纤为掺稀土镱离子光纤或掺稀土钕离子光纤或掺稀土铒离子光纤或掺稀土铥离子光纤。