CN103904549A - 一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大方法及装置，其装置包括：种子源、基于法拉第旋转镜的一级或多级预放大结构和基于法拉第旋转镜的主放大结构，种子源保偏输出脉冲光，依次通过基于法拉第旋转镜的一级或多级预放大结构、基于法拉第旋转镜的主放大结构。本发明在多个法拉第旋转镜和偏振分束器作用的基础上，采用普通非保偏光纤器件实现脉冲功率放大，同时输出固定线偏振态的高功率脉冲激光，同时采用级联放大结构，脉冲在自相位调制作用下得到展宽，高阶非线性效应得到有效减弱，脉冲形状保持良好。通过调节各个放大结构光纤类型、长度以及泵浦光功率，可实现不同功率、脉冲宽度等参数的保偏脉冲激光输出。

Description

一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大方法及装置

技术领域

       本发明属于激光技术领域，涉及一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大方法及装置。

背景技术

光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、结构紧凑、寿命长等优点，近年得到迅猛的发展。其中高功率脉冲光纤激光器由于具有增益特性好、作用时间短、峰值功率高、使用灵活、与光纤通信系统连接方便、无需水冷等特点，在材料加工、医疗处理、激光化学、高能物理、精密计量领域已经得到了广泛应用，也是当今光电信息领域前沿方向之一。

高功率脉冲光纤激光器，通常采用低功率种子源和多级功率放大器组成，即MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）。种子源和预放大级中的器件通常采用非保偏器件，光脉冲偏振态不固定，同时主放大级通常采用对称的双包层增益光纤或光子晶体光纤。光纤放大器工作的环境中存在机械震动、温度变化等环境干扰，放大器中的非保偏光纤极易受到环境中这些变化因素的干扰，从而会导致输出光的偏振态发生抖动。然而，放大光束的相干合成、相干探测、非线性频率转换、光学参量放大、光谱组合、光纤陀螺、光纤传感、光纤通信外调制、激光光谱等一系列重要应用，都对高功率脉冲光纤激光器的偏振性有很高的要求，激光器保偏输出也成为一个研究重点。为解决此问题，以往的方案多采用保偏的光子晶体光纤或者双包层增益光纤来保持偏振稳定的输出，但是保偏的大模场光子晶体光纤和双包层增益光纤制作困难，价格贵，熔接使用不太方便，制作或装配工艺较复杂，激光放大系统光路中的其他器件也都相应地采用保偏光纤，成本进一步增加，况且大模场保偏光纤光学元器件制作工艺也相对不成熟。这些因素限制了这种方法的推广应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提出一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大方法及装置，其装置采用多个放大结构级联的方式，有效稳定放大脉冲功率，每个放大结构都基于偏振分束器和法拉第旋转镜作用，利用普通非保偏光纤实现脉冲功率放大同时输出固定线偏振态的高功率脉冲激光。

本发明的目的是这样实现的：

一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大方法，该方法是：由级联放大抑制光纤放大的放大自发辐射；采用常规的非保偏单模光纤、多模光纤、大模场光纤、双包层光纤、光子晶体光纤获得高功率放大；通过法拉第旋转反射镜使得激光脉冲来回二次以正交偏振方向通过放大光纤，在放大光纤中的偏振随机变化得以自动补偿，实现偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大。

一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大装置，特点是：该装置包括种子源、基于法拉第旋转镜的一级或多级预放大结构及基于法拉第旋转镜的主放大结构，种子源保偏输出固定偏振态的线偏振脉冲激光，依次通过所述基于法拉第旋转镜的一级或多级预放大结构和基于法拉第旋转镜的主放大结构，基于法拉第旋转镜的主放大结构中偏振分束器一保偏端为输出端。

所述种子源输出的脉冲激光为皮秒或飞秒锁模光纤激光，或者是纳秒锁模光纤激光，通过偏振分束器输出线偏振脉冲激光。

所述基于法拉第旋转镜的一级或多级预放大结构的各级预放大结构相同；多级放大采用级联方式，每级结构包括保偏光纤隔离器、偏振分束器、半导体激光器、波分复用器或泵浦合束器、增益光纤、法拉第旋转镜，各级预放大结构内增益光纤类型和长度相同或不同。每级结构中保偏光纤隔离器、偏振分束器、半导体激光器、波分复用器或泵浦合束器、增益光纤、法拉第旋转镜依次连接。

所述保偏光纤隔离器的输入端和输出端均采用保偏熔接方式熔接。

所述的增益光纤为掺杂稀土元素中的一种或多种掺杂离子的单模光纤或大模场光纤。

所述法拉第旋转镜在脉冲中心波长处有大于98%的反射率，同时改变偏振方向90度。

所述的基于法拉第旋转镜的主放大结构中保偏光纤隔离器、偏振分束器、半导体激光器、泵浦合束器、增益光纤、法拉第旋转镜依次连接，偏振分束器一保偏端为输出端。

所述主放大结构中的增益光纤为掺杂稀土元素离子中的一种或多种掺杂的单模光纤、大模场多模光纤、双包层光纤或光子晶体光纤。

所述主放大结构中的法拉第旋转镜可以工作在高功率下，在脉冲中心波长处有大于98%的反射率，同时改变偏振方向90度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

⑴、本发明采用法拉第旋转镜和偏振分束器的结构输出偏振态固定的线偏振脉冲激光，线偏振脉冲激光可以运用在倍频、和频等非线性光学，生物成像以及精密测量等许多领域；

⑵、本发明采用普通的非保偏光纤器件实现功率放大，输出线偏振的高功率脉冲激光；

⑶、本发明采用的预放大结构级数可扩展，每级预防大结构增益光纤长度和半导体激光器泵浦功率可变，可调参数多，灵活性大；

⑷、本发明采用的放大结构，可方便地用于高功率皮秒和飞秒脉冲光纤激光的脉冲压缩；

⑸、本发明采用多级级联放大的结构，能有效减小放大过程中的高阶非线性光学效应的影响，放大后的脉冲时间频谱波形保持良好；

⑹、本发明采用的放大结构适用于纳秒、皮秒、或飞秒脉冲激光的放大；

⑺、本发明采用的放大结构适用于不同波段及多波段脉冲的放大，可以采用不同掺杂稀土元素（镱、铒、铥、钬、镨等）增益光纤；

⑻、本发明采用全光纤结构，激光放大器尺寸小，重量轻，可集成化。

附图说明

图1为本发明装置系统框图；

图2为本发明装置基于一级正向预放大结构的结构示意图；

图3为本发明装置基于一级反向预放大结构的结构示意图；

图4为本发明装置基于二级正向预放大结构的结构示意图。

具体实施方式

       以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同类技术人员的理解：

本发明给出了一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大方法，该方法是：由级联放大抑制光纤放大的放大自发辐射；采用常规的非保偏单模光纤、多模光纤、大模场光纤、双包层光纤、光子晶体光纤获得高功率放大；通过法拉第旋转反射镜使得激光脉冲来回二次以正交偏振方向通过放大光纤，在放大光纤中的偏振随机变化得以自动补偿，实现偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大。

   参阅图1，本发明还给出了一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大装置即激光放大器，它包括种子源000、基于法拉第旋转镜的一级（或多级）预放大结构110、…及基于法拉第旋转镜的主放大结构200；种子源000保偏输出偏振方向水平的线偏振光，通过保偏熔接进入基于法拉第旋转镜的一级（或多级）预放大结构110、…，在预放大结构的每一级，脉冲在法拉第旋转镜作用下功率往返放大两次，同时脉冲偏振方向旋转90度输出，最后预放大结构输出偏振态为竖直方向（预放大结构级数是偶数时为水平方向）线偏振光；然后，功率放大的线偏振光通过保偏熔接进入基于法拉第旋转镜的主放大结构200，脉冲功率进一步得到放大，同时在法拉第旋转镜的作用下偏振态再次旋转90度，最终偏振分束器一保偏端输出偏振态固定（水平方向或竖直方向）的高功率脉冲激光。由于预放大结构110、120、…和主放大结构200都采用了偏振分束器和法拉第旋转镜相作用的方式，固定偏振方向的偏振脉冲光通过保偏熔接偏振分束器一个保偏端进入一级（或多级)预放大结构110、120、…或主放大结构200时可以在普通非保偏增益光纤中进行功率预放大，在非保偏双包层增益光纤或光子晶体光纤中进行功率主放大，再通过法拉第旋转镜脉冲光偏振态旋转90度，然后原路返回功率再次放大，最后通过偏振分束器另一保偏端输出。结构中增益光纤、普通单模光纤等非保偏光纤受到环境中机械震动、温度变化等因素的干扰不会改变输出脉冲光的偏振态。因此在本发明结构基础上，可以采用普通非保偏光纤器件实现功率放大，同时保证输出固定线偏振态的高功率脉冲激光。另外由于采用级联放大的结构，脉冲在自相位调制作用下得到展宽，高阶非线性效应得到有效减弱，脉冲形状保持良好。通过调节各个放大结构光纤类型、长度以及泵浦光功率，可实现不同功率、脉冲宽度等参数的保偏激光输出。

实施例1

参阅图2，为本发明装置基于一级正向预放大结构的示意图，其包括种子源000、基于法拉第旋转镜的一级预放大结构110及基于法拉第旋转镜的主放大结构200。种子源000可以为调Q脉冲激光器，也可以为锁模脉冲激光器，一级预放大结构110包括：保偏光纤隔离器111、偏振分束器112、半导体激光器113、波分复用器114、掺铒增益光纤115及法拉第旋转镜116。偏振分束器112公共端为普通非保偏单模光纤，半导体激光器113工作波长优选976nm，掺铒增益光纤115优选单模光纤，法拉第旋转镜116对波长在1560nm的脉冲光有大于98%的反射率，同时改变偏振方向90度。基于法拉第旋转镜的主放大结构200包括保偏光纤隔离器201、偏振分束器202、半导体激光器203、204、泵浦合束器205、增益光纤206及法拉第旋转镜207。偏振分束器202公共端为普通非保偏单模光纤，半导体激光器203、204工作波长优选976nm，高功率输出，掺铒增益光纤206优选双包层光纤，泵浦合束器205输入端为（2+1），法拉第旋转镜207工作在高功率下，在脉冲中心波长处有大于98%的反射率，同时改变偏振方向90度。

种子源000通过偏振分束器001保偏输出线偏振脉冲光，通过保偏熔接连接保偏光纤隔离器111输入端，保偏光纤隔离器111输出端和偏振分束器112保偏一端连接，然后偏振分束器112公共端连接波分复用器114信号端，波分复用器114输出端和泵浦端分别和掺铒增益光纤115、半导体激光器113相连，掺铒增益光纤115另一端连接法拉第旋转镜116。脉冲在法拉第旋转镜作用下功率往返放大两次，同时脉冲偏振方向旋转90度经偏振分束器112保偏另一端输出；然后，功率放大的线偏振光通过保偏熔接连接保偏光纤隔离器201进入基于法拉第旋转镜的主放大结构200，偏振分束器202一保偏端和保偏光纤隔离器201输出端保偏熔接，泵浦合束器205输入信号端、2个泵浦端、输出端分别和偏振分束器202公共端、半导体激光器203、204、掺铒增益光纤206连接，掺铒增益光纤206另一端和法拉第旋转镜207连接，脉冲在法拉第旋转镜207作用下功率进一步来回两次放大，同时脉冲偏振态再次旋转90度，最终偏振分束器202一保偏端输出偏振态固定的高功率脉冲激光；结构中增益光纤、普通单模光纤等非保偏光纤受到环境中机械震动、温度变化等因素的干扰也不会改变输出脉冲光的偏振态。另外由于采用级联放大的结构，脉冲在自相位调制作用下通过一级预放大结构110得到展宽，高阶非线性效应得到有效减弱，脉冲形状保持良好。最终偏振分束器202一保偏端输出偏振态固定的高功率脉冲激光。

实施例2

参阅图3，为本发明装置基于一级反向预放大结构的示意图，其包括种子源000、基于法拉第旋转镜的一级预放大结构110及基于法拉第旋转镜的主放大结构200。种子源000可以为调Q脉冲激光器，也可以为锁模脉冲激光器，一级预放大结构110包括：保偏光纤隔离器111、偏振分束器112、半导体激光器113、波分复用器114、掺铒增益光纤115及法拉第旋转镜116。偏振分束器112公共端为普通非保偏单模光纤，半导体激光器113工作波长优选976nm，增益光纤115优选掺铒离子单模光纤，法拉第旋转镜116对波长在1560nm的脉冲光有大于98%的反射率，同时改变偏振方向90度。基于法拉第旋转镜的主放大结构200包括保偏光纤隔离器201、偏振分束器202、半导体激光器203、204、泵浦合束器205、增益光纤206及法拉第旋转镜207。偏振分束器202公共端为普通非保偏单模光纤，半导体激光器203、204工作波长优选976nm，高功率输出，掺铒增益光纤206优选双包层光纤，泵浦合束器205输入端为（2+1），法拉第旋转镜207工作在高功率下，在脉冲中心波长处有大于98%的反射率，同时改变偏振方向90度。

种子源000通过偏振分束器001保偏输出线偏振脉冲光，通过保偏熔接连接保偏光纤隔离器111输入端，保偏光纤隔离器111输出端和偏振分束器112保偏一端连接，然后偏振分束器112公共端连接掺铒增益光纤115，掺铒增益光纤115另一端连接波分复用器114，波分复用器114信号端和泵浦端分别和法拉第旋转镜116、半导体激光器113相连。脉冲在法拉第旋转镜作用下功率往返放大两次，同时脉冲偏振方向旋转90度经偏振分束器112保偏另一端输出；然后，功率放大的线偏振光通过保偏熔接连接保偏光纤隔离器201进入基于法拉第旋转镜的主放大结构200，偏振分束器202一保偏端和保偏光纤隔离器201输出端保偏熔接，泵浦合束器205输入信号端、2个泵浦端、输出端分别和偏振分束器202公共端、半导体激光器203、204、掺铒增益光纤206连接，掺铒增益光纤206另一端和法拉第旋转镜207连接，脉冲在法拉第旋转镜207作用下功率进一步来回两次放大，同时脉冲偏振态再次旋转90度，最终偏振分束器202另一保偏端输出偏振态固定的高功率脉冲激光；结构中增益光纤、普通单模光纤等非保偏光纤受到环境中机械震动、温度变化等因素的干扰也不会改变输出脉冲光的偏振态。另外由于采用级联放大的结构，脉冲在自相位调制作用下通过一级预放大结构110得到展宽，高阶非线性效应得到有效减弱，脉冲形状保持良好。最终偏振分束器202一保偏端输出偏振态固定的高功率脉冲激光。

实施例3

参阅图4，为本发明装置基于二级正向预放大结构示意图，其包括种子源000、基于法拉第旋转镜的二级预放大结构110、120及基于法拉第旋转镜的主放大结构200。种子源000可以为调Q脉冲激光器，也可以为锁模脉冲激光器，二级预放大结构110、120包括：保偏光纤隔离器111、121、偏振分束器112、122、半导体激光器113、123、波分复用器114、124、掺铒增益光纤115、125及法拉第旋转镜116、126。偏振分束器112、122公共端为普通非保偏单模光纤，半导体激光器113、123工作波长优选976nm，增益光纤115、125优选掺铒单模光纤，法拉第旋转镜116、126对波长在1560nm的脉冲光有足够高（如大于98%）的反射率，同时改变偏振方向90度。基于法拉第旋转镜的主放大结构200包括保偏光纤隔离器201、偏振分束器202、半导体激光器203、204、泵浦合束器205、增益光纤206及法拉第旋转镜207。偏振分束器202公共端为普通非保偏单模光纤，半导体激光器203、204工作波长优选976nm，高功率输出，增益光纤206优选掺铒双包层光纤，泵浦合束器205输入端为（2+1），法拉第旋转镜207工作在高功率下，在脉冲中心波长处有足够高（如大于98%）的反射率，同时改变偏振方向90度。

种子源000通过偏振分束器001保偏输出线偏振脉冲光，通过保偏熔接连接保偏光纤隔离器111依次进入基于法拉第旋转镜的二级预放大结构110、120。在预防大结构第一级，保偏光纤隔离器111输出端和偏振分束器112保偏一端连接，然后偏振分束器112公共端连接波分复用器114信号端，波分复用器114输出端和泵浦端分别和掺铒增益光纤115、半导体激光器113相连，掺铒增益光纤115另一端连接法拉第旋转镜116。脉冲在法拉第旋转镜作用下功率往返放大两次，同时脉冲偏振方向旋转90度经偏振分束器112保偏另一端输出；在预防大结构第二级，保偏光纤隔离器121输出端和偏振分束器122保偏一端连接，然后偏振分束器122公共端连接波分复用器124信号端，波分复用器124输出端和泵浦端分别和掺铒增益光纤125、半导体激光器123相连，掺铒增益光纤125另一端连接法拉第旋转镜126，脉冲在法拉第旋转镜126作用下功率往返放大两次，同时脉冲偏振方向旋转90度经偏振分束器122保偏另一端输出；脉冲在法拉第旋转镜作用下功率往返放大两次，同时脉冲偏振方向旋转90度输出；然后，预防大结构输出的线偏振光通过保偏熔接连接保偏光纤隔离器201进入基于法拉第旋转镜的主放大结构200，脉冲功率进一步得到放大，同时在法拉第旋转镜207的作用下的脉冲偏振态再次旋转90度，最终偏振分束器202一保偏端输出偏振态固定的高功率脉冲激光；结构中增益光纤、普通单模光纤等非保偏光纤受到环境中机械震动、温度变化等因素的干扰也不会改变输出脉冲光的偏振态。另外由于采用级联放大的结构，脉冲在自相位调制作用下通过一级预放大结构110得到展宽，高阶非线性效应得到有效减弱，脉冲形状保持良好。最终偏振分束器202一保偏端输出偏振态固定的高功率脉冲激光。

Claims (10)

1.一种偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大方法，其特征在于该方法是：由级联放大抑制光纤放大的放大自发辐射；采用常规的非保偏单模光纤、多模光纤、大模场光纤、双包层光纤、光子晶体光纤获得高功率放大；通过法拉第旋转反射镜使得激光脉冲来回二次以正交偏振方向通过放大光纤，在放大光纤中的偏振随机变化得以自动补偿，实现偏振自动稳定控制的全光纤级联激光放大。

2.一种实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于：该装置包括种子源（000）、基于法拉第旋转镜的一级预放大结构（110）或多级预放大结构（120、…）及基于法拉第旋转镜的主放大结构（200），种子源（000）保偏输出固定偏振态的线偏振脉冲激光，依次通过所述基于法拉第旋转镜的一级预放大结构（110）或多级预放大结构（120、…）和基于法拉第旋转镜的主放大结构（200）；基于法拉第旋转镜的主放大结构（200）中偏振分束器（202）一保偏端为输出端。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述种子源（000）输出的脉冲激光为皮秒或飞秒锁模光纤激光，或者是纳秒锁模光纤激光，通过偏振分束器（001）输出线偏振脉冲激光。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述基于法拉第旋转镜的一级预放大结构（110）或多级预放大结构（120、…）的各级预放大结构相同；多级放大采用级联方式，每级预放大结构包括保偏光纤隔离器、偏振分束器、半导体激光器、波分复用器或泵浦合束器、增益光纤及法拉第旋转镜，各级预放大结构内增益光纤类型和长度相同或不同；每级预放大结构中保偏光纤隔离器、偏振分束器、半导体激光器、波分复用器或泵浦合束器、增益光纤、法拉第旋转镜依次连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的保偏光纤隔离器的输入端和输出端均采用保偏熔接方式熔接。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的增益光纤为掺杂稀土元素中的一种或多种掺杂离子的单模光纤或大模场光纤。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的法拉第旋转镜在脉冲中心波长处有大于98%的反射率，同时改变偏振方向90度。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的基于法拉第旋转镜的主放大结构（200）包括保偏光纤隔离器（201）、偏振分束器（202）、两半导体激光器（203、204）、泵浦合束器（205）、增益光纤（206）及法拉第旋转镜（207），所述保偏光纤隔离器（201）、偏振分束器（202）、两半导体激光器（203、204）、泵浦合束器（205）、增益光纤（206）、法拉第旋转镜（207）依次连接，偏振分束器（202）一保偏端为输出端。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的增益光纤（206）为掺杂稀土元素离子中的一种或多种掺杂的单模光纤、大模场多模光纤、双包层光纤或光子晶体光纤。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的法拉第旋转镜（207）工作在高功率下，在脉冲中心波长处有大于98%的反射率，同时改变偏振方向90度。

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