CN103792385A

CN103792385A - 单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达发射源

Info

Publication number: CN103792385A
Application number: CN201410038884.XA
Authority: CN
Inventors: 陈卫标; 张鑫; 刁伟峰; 刘源; 竹孝鹏; 刘继桥
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Nanjing Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2014-05-14

Abstract

一种单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达发射源，其特点在于由全光纤化的种子源、种子隔离器、种子分束器、声光调制器、预放大级、斩波器和主放大级依次级联而成。本发明具有全光纤化、人眼安全、线宽为兆赫兹、线偏振、脉冲对比度高和单模保偏激光输出的特点，重复频率、激光脉宽以及激光波形可以在宽范围调整，满足激光雷达不同探测距离、不同距离分辨率和不同风速更新率的激光雷达风速测量需求。

Description

单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达发射源

技术领域

本发明涉及光纤激光器，特别是一种单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达的发射源，采用主振荡功率放大结构，具有全光纤化、人眼安全、线宽为兆赫兹、线偏振、脉冲对比度高、单模保偏激光输出的特点，重复频率、激光脉宽以及激光波形可以在宽范围调整，满足激光雷达不同探测距离、不同距离分辨率和不同风速更新率的风速测量需求。

背景技术

相干多普勒风速测量激光雷达将含有风速信息的回波与本振光进行拍频而计算出不同距离处的风速，具有灵敏度高，速度精度高等特点，可测量晴空湍流、风切变、及飞机轨迹涡流等，在低空大气风能探测、机场导航等领域具有很好的市场前景。相干多普勒风速测量激光雷达的测试精度与单频激光发射源的线宽密切相关，由傅里叶变换极限可知激光器需要长脉冲脉宽（100ns～500ns）以使激光器线宽在MHz量级；而探测效率与输出激光光束质量有关。因此单频激光器作为激光测风雷达系统中最重要部分，高的性能是确保其应用的关键。

光纤激光器以其体积小、结构紧凑、稳定性高，光束质量好等优点,成为适于相干多普勒风速测量激光雷达的优选发射源，全光纤的单频脉冲激光器大多基于主振荡-功率放大（Master Oscillator Power Amplification,MOPA）结构，种子源采用1.5微米波段的半导体激光器，其输出功率为十至几十毫瓦量级，经声光调制器为数千-数十千赫兹脉冲重复频率、百纳秒级脉冲宽度后,功率变为微瓦量级，在光纤放大中属于小信号放大，单级放大的增益系数一般为30dB左右，但光-光转换效率很低（一般不足1%），故进主放大级前一般需要再加一级预放大，这使得激光器结构复杂，所需器件较多；主放大级中单频窄线宽光纤激光器功率提升主要受限于受激布里渊效应。目前已有的方法是采用特殊设计制作的光纤来增大模场面积或者提高单位长度光纤增益系数来减小有效光纤长度等来减小光纤中非线性效应的影响，如光子晶体光纤或者高掺杂的磷酸盐基质的光纤来实现单模单频激光输出，受限于光纤本身性能导致效率低下而且不易与商用光纤进行熔接从而影响激光器稳定性；在激光雷达系统中，为了提高探测灵敏度,要求激光脉冲本身具有很高的消光比，采用单个调制器获得到的脉冲消光比已不能满足系统需求。

发明内容

本发明专利要解决的问题在于提供一种单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达发射源，该发射源具有全光纤化、人眼安全、线宽为兆赫兹、线偏振、脉冲对比度高和单模保偏激光输出的特点，重复频率、激光脉宽以及激光波形可以在宽范围调整，满足激光雷达不同探测距离、不同距离分辨率和不同风速更新率的激光雷达风速测量需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达发射源，其特点在于由全光纤化的种子源、种子隔离器、种子分束器、声光调制器、预放大级、斩波器和主放大级依次级联而成。

所述的种子源为尾纤输出的单频激光器，中心波长选择C波段的大气透射窗口处，此波段具有器件成熟，人眼安全的特点。

所述的声光调制器由信号波形编辑模块、声光驱动模块及声光调制器组成。

所述的预放大级包括环形器、单模泵浦激光器、波分复用器、预放级增益光纤和光纤光栅，所述的环形器的1端口接所述的声光调制器的输出端，环形器的2端口接波分复用器的输入端，所述的单模泵浦激光器的输出端接所述的波分复用器的另一输入端，该波分复用器的输出端经所述的预放级增益光纤接所述的光纤光栅，将单模泵浦激光器输出的泵浦光与种子光经波分复用器耦合入预放级增益光纤一起进行放大，由环形器和反射波长与种子光中心波长匹配的光纤光栅构成单级双程放大系统，环形器兼具分离返回放大信号光的功能,而光纤光栅具有滤除带外受激自发辐射的功能。

所述的斩波器置于预放大级之后，通过调节与预放大级输出脉冲的时序关系，提高时域上的脉冲对比度，该功能可用声光调制器、电光调制器、或者电光开关来实现。

所述的主放大级由光纤合束器、多模半导体激光器、单模双包层铒镱双掺增益光纤和单模保偏隔离器构成，多模半导体激光器输出的泵浦光用合束器进入所述的单模双包层铒镱双掺增益光纤的内包层进行泵浦，沿信号光输出方向所述的单模双包层铒镱双掺增益光纤分段逐渐增大应力，光纤开始和结束部分留出光纤熔接需要的长度，最终增益光纤输出与单模保偏隔离器熔接，以免高功率激光损坏输出端面。

所述的全部器件及光纤均保偏。

本发明单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达激光发射源基于主振荡-功率放大结构：种子光源采用尾纤耦合的单频连续激光器，经分束器分出部分光作为相干探测中的本振光，其余种子光经声光调制器调制为特殊波形的脉冲,用于补偿放大过程中的增益饱和效应，使最终脉冲为平顶脉冲;经由环形器和光纤光栅构成的单级双程预放大级,以此来提高小信号放大能力，可同时获得高增益与光-光转换效率;经再次斩波后进入主放大级,以此来提高脉冲时间对比度，减小主放大级中脉冲基底成分，主放大级增益光纤采用商用双包层铒镱双掺保偏细光纤，具有工艺成熟，性能可靠等特点，且易与标准单模光纤熔接。施加纵向应力梯度并尽可能减小整个光路长度（以此来提高受激布里渊散射阈值）得到更高的峰值功率，提高激光器的单脉冲能量，增益光纤输出端与单模保偏隔离器熔接，使输出激光单模运转,满足相干激光雷达对发射激光光束质量近衍射极限要求,从而提高相干效率。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、采用了脉冲波形调制技术，激光雷达发射脉冲激光波形、脉冲宽度以及重复频率可以在大的范围进行调节，满足不同探测距离、不同距离分辨率和不同风速反演速率的激光雷达风速测量需求。

2、预放级采用环形器和光纤光栅单级双程放大，极大提高了光纤放大器中小信号放大能力，同时获得高增益系数和光-光转换效率。

3、预放大之后用另一声光调制器或者电光调制器、光开关再次斩波，精确控制与预放大级输出的时序关系，由此得到更高的脉冲对比度，以满足相干探测系统的高灵敏探测要求。

4、单模窄线宽光纤激光器所能达到的功率阈值与激光功率沿整个光路上的积分成正比，故减少增益光纤长度，并对主放大级光纤采用施加纵向应力梯度降低受激布里渊散射增益系数，提高激光器输出的峰值功率。

5、激光器中心波长选择光通信中C波段内位于大气透射窗口处，此波段具有器件成熟，人眼安全的特点。种子源只经过两级放大输出，且增益光纤采用商用双包层铒镱双掺保偏细光纤，易于与标准单模光纤熔接，输出实现单模运转；光纤最小弯曲直径3cm，易于实现产品的小型化，全光纤化。光路中全部器件采用工业化产品，易于实现低成本的激光雷达激光发射源，从而使得相干激光雷达在环境监测、航空安全和风能等领域大规模应用成为可能。

附图说明

图1为本发明单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达发射源结构框图

图2为本发明预放大级结构框图

图3为本发明预放大级后斩波功能示意图

图4为本发明主放大级结构框图

图5为本发明主放大级中增益光纤应力梯度示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达发射源整体框图，基于主振荡-功率放大（Master Oscillator Power Amplification,MOPA）结构。由图1可见，本发明单模全光纤相干多普勒风速测量激光雷达发射源由种子源1、种子隔离器2、种子分束器3、声光调制器4、预放大级5、斩波器6、功率放大级及输出环形器7级联而成。所述的种子源1为尾纤输出的窄线宽半导体单频激光器，中心波长选择C波段的水汽透射窗口处，本实施例中选择中心波长1535-1550nm为例进行说明，线宽小于100kHz。种子隔离器2用于防止放大级的回光损坏种子源。种子分束器3分出部分光作为相干探测中的本振光，其余种子光经声光调制器4调制为特殊波形的脉冲，经由环形器501和光纤光栅505构成的预放大级5单级双程放大后，再次经过一个斩波器6获得更高时间对比度的脉冲激光，最终进入主放大级7，其增益光纤703采用施加纵向应力梯度的方法得到更高的单脉冲输出能量，增益光纤输出端接隔离器704，其输出端做特殊处理以防止端面损伤。

图2为本发明中预放大级示意图，首先种子光经过环形器501的1、2端进入波分复用器503，波分复用器503将单模泵浦激光器502输出的泵浦光与种子光耦合入单模保偏掺铒光纤504进行放大，由环形器501和透过波长与种子光中心波长匹配的光纤光栅505（本例中选择中心波长1535nm-1550nm，）实现单极双程放大，环形器501兼具接收返回放大信号光的功能，而光纤光栅505具有滤除带外受激自发辐射的功能。

图3为本发明中预放后斩波器与脉冲的时序图，a为时域上完全无光时的基底，c为经过预放后的脉冲图，调整斩波器与脉冲间的时延，如信号b，经斩波后的脉冲图为d，由此获得更高的脉冲时间对比度。

图4为本发明中主放大级示意图，采用多模半导体激光器702泵浦单模双包层铒镱双掺增益光纤703，用合束器701使泵浦光进入增益光纤内包层。双包层有源光纤输出与标准单模保偏隔离器704熔接，其端口输出做特殊处理以免损坏光纤输出端面，实现近衍射极限光束质量输出。

图5为本发明中主放大级增益光纤应力施加示意图，沿信号光输出方向分段逐渐增大应力，光纤开始和结束部分留出光纤熔接需要的长度。

实验表明，本发明具有全光纤化、人眼安全、线宽为兆赫兹、线偏振、脉冲对比度高和单模保偏激光输出的特点，重复频率、激光脉宽以及激光波形可以在宽范围调整，满足激光雷达不同探测距离、不同距离分辨率和不同风速更新率的激光雷达风速测量需求。

Claims

1.一种相干多普勒风速测量激光雷达发射源，其特征在于由全光纤化的种子源（1）、种子隔离器（2）、种子分束器（3）、声光调制器（4）、预放大级（5）、斩波器（6）和主放大级（7）依次级联而成。

2.根据权利要求1所述的相干多普勒风速测量激光雷达发射源，其特征在于所述的种子源（1）为尾纤输出的单频激光器，中心波长选择C波段的大气透射窗口处，此波段具有器件成熟，人眼安全的特点。

3.根据权利要求1所述的相干多普勒风速测量激光雷达发射源，其特征在于所述的声光调制器（4）由信号波形编辑模块、声光驱动模块及声光调制器组成。

4.根据权利要求1所述的相干多普勒风速测量激光雷达发射源，其特征在于所述的预放大级（5）包括环形器（501）、单模泵浦激光器（502）、波分复用器（503）、预放级增益光纤（504）和光纤光栅（505），所述的环形器（501）的1端口接所述的声光调制器（4）的输出端，环形器（501）的1端口接波分复用器（503）的输入端，所述的单模泵浦激光器（502）的输出端接所述的波分复用器（503）的另一输入端，该波分复用器（503）的输出端经所述的预放级增益光纤（504）接所述的光纤光栅（505），将单模泵浦激光器（502）输出的泵浦光与种子光经波分复用器（503）耦合入预放级增益光纤（504）一起进行放大，由环形器（501）和反射波长与种子光中心波长匹配的光纤光栅（505）构成单级双程放大系统，环形器（501）兼具分离返回放大信号光的功能,而光纤光栅（505）具有滤除带外受激自发辐射的功能。

5.根据权利要求1所述的相干多普勒风速测量激光雷达发射源，其特征在于所述的斩波器（6）置于预放大级（5）之后，通过调节与预放大级输出脉冲的时序关系，提高时域上的脉冲对比度，该功能可用声光调制器、电光调制器、或者电光开关来实现。

6.根据权利要求1所述的干多普勒风速测量激光雷达发射源，其特征在于所述的主放大级（7）由合束器（701）、多模半导体激光器（702）、单模双包层铒镱双掺增益光纤（703）和单模保偏隔离器（704）构成，采用多模半导体激光器（702）输出的泵浦光用合束器（701）进入所述的单模双包层铒镱双掺增益光纤（703）的内包层进行泵浦，沿信号光输出方向所述的单模双包层铒镱双掺增益光纤（703）分段逐渐增大应力，光纤开始和结束部分留出光纤熔接需要的长度，最终增益光纤输出与单模保偏隔离器（704）熔接，以免高功率激光损坏输出端面。

7.根据权利要求1至6任一项所述的干多普勒风速测量激光雷达发射源，其特征在于所述的全部器件及光纤均保偏。