CN104201546A - 窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，包括能产生1-50nm波长间隔、输出多个波长的窄线宽种子激光的种子激光光源发生器，种子激光经高功率光纤放大器放大后经输出光纤输出，种子激光光源发生器包括至少两个低功率光纤输出的窄线宽激光器、有时序控制的脉冲调制电路、光纤合束器和第一光隔离器，每个窄线宽激光器发出的激光分别经各自的脉冲调制电路调制后依次经过光纤合束器和第一光隔离器。本发明产生的多个低功率、窄线宽脉冲种子激光，功率较高，降低光纤放大器的增益；用多个低功率、窄线宽的脉冲种子激光光源，在放大过程中能降低每个波长上激光的功率，避免产生受激布里渊散射、受激拉曼散射等非线性效应。

Description

窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统。

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，需要窄线宽、高峰值功率的脉冲激光。

由于光纤的纤芯直径较小，光纤纤芯中的激光功率密度较高，特别是在脉冲激光输出时，其峰值功率高，容易产生非线性效应。

当高峰值功率激光输出时，光纤中输出激光会受到受激布里渊散射、受激拉曼散射等非线性效应的影响，产生新波长的光输出。当有多个波长的激光输出时，如果满足相位匹配条件时，将产生四波混频等非线性效应，从而产生更多波长的光输出。由非线性光学的原理可知，受激布里渊散射、四波混频等非线性效应产生新波长激光的能量，来自于传输的有用激光。同时，非线性效应产生的新波长激光，可能损坏光路中的元器件，或者影响输出激光的使用效果。

为了减少光纤中的非线性效应，可以使用大模场面积光纤(LMA)。通过增加光纤的纤芯直径，增加模场面积，降低光纤中的功率密度，从而抑制光纤中的非线性效应的产生。但是，在主振荡功率放大结构的光纤光纤激光器中，如果使用了大模场面积的光纤，就必须使用匹配的光纤定制光纤隔离器等元器件，将增加系统的成本和制作难度。

在主振荡功率放大结构的光纤光纤激光器中，也可以使用高功率的法布里-珀罗(F-P)结构的光纤激光器作为种子源，提高种子激光的功率，减少放大级的结构。但是F-P结构的光纤激光器，包含多个纵模的激光输出，每个纵模之间的间隔较小，非常容易满足相位匹配条件，在高功率激光输出时，多个纵模之间将产生四波混频作用，产生更多的新波长激光输出,不利于实际使用。

发明内容

本发明解决的是窄线宽、高峰值功率脉冲激光输出的光纤激光器中，受激布里渊散射、受激拉曼散射对输出脉冲激光峰值功率的限制问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案：

一种窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，包括能够产生具有1-50nm波长间隔、输出多个波长的窄线宽种子激光光源的种子激光光源发生器，所述种子激光经高功率光纤放大器放大后经输出光纤输出，所述种子激光光源发生器包括至少两个低功率、光纤输出的窄线宽激光器、及分别对每个所述光纤激光器进行调制的有时序控制的脉冲调制电路、及光纤合束器和第一光隔离器，每个所述窄线宽激光器发出的激光分别经各自的脉冲调制电路调制后依次经过所述光纤合束器和所述第一光隔离器。

所述脉冲调制电路为时域同步或不同步的脉冲调制电路。

所述至少两个窄线宽激光器之间的波长间隔为大于 $\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{c}\mathrm{\Δv}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{c}*{({2\mathrm{\γP}}_0/|{\mathrm{\β}}_2\left|\right)}^{1/2}/\left(2\mathrm{\π}\right);$ 其中 $\mathrm{\Δv}=\frac{{\mathrm{\Ω}}_s}{2\mathrm{\π}}={(2\mathrm{\γ}{P}_0/|{\mathrm{\β}}_2\left|\right)}^{1/2}/\left(2\mathrm{\π}\right);$

Δν为单模光纤中，泵浦激光波长位于反常群速度色散区，满足四波混频条件的频率间隔；

λ为激光波长；γ为光纤的非线性系数；β₂为群速度色散；c为光速；Δλ为窄线宽激光器之间的波长间隔；P₀为注入峰值功率。

所述高功率光纤放大器包括由输入到输出依次顺序连接的泵浦半导体光纤激光器、泵浦信号光纤合束器、第二增益光纤和第三光隔离器。

所述脉冲调制电路包括脉冲发生器和驱动电路，所述脉冲调制电路的输出与所述驱动电路连接，所述驱动电路的输出与所述光纤激光器连接。

激光光源发生器与所述高功率光纤放大器之间设有低功率光纤放大器。

所述低功率光纤放大器包括由输入到输出依次顺序连接的单模泵浦半导体光纤激光器、波分复用器、第一增益光纤和第二光隔离器。

所述低功率光纤放大器输出端设有带通滤波器。

所述第二增益光纤为掺稀土镱离子(Yb)增益光纤，种子激光波长为1030nm～1120nm；或所述第二增益光纤为掺稀土铒离子(Er)增益光纤，种子激光波长为1530nm～1620nm；或所述第二增益光纤为掺稀土铥离子(Tm)，种子激光波长为1850nm～2050nm。

所述第一增益光纤为掺稀土镱离子(Yb)增益光纤，种子激光波长为1030nm～1120nm；或所述第一增益光纤为掺稀土铒离子(Er)增益光纤，种子激光波长为1530nm～1620nm；或所述第一增益光纤为掺稀土铥离子(Tm)，种子激光波长为1850nm～2050nm。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)使用多个低功率、光纤输出的窄线宽的激光器经过光纤合束器后形成种子激光，能够获得较高功率的种子激光光源，降低光纤放大器的增益。

2)使用多个低功率、窄线宽的脉冲种子激光光源，在放大过程中能够降低每个波长上激光的功率，避免产生受激布里渊散射、受激拉曼散射等非线性效应。

3)在多个波长的种子激光中，通过合理控制每个波长之间的间隔，使各波长之间的相位不满足四波混频所需的相位匹配条件，避免产生四波混频等非线性作用，获得高峰值功率的脉冲激光输出。

4)通过对多个低功率、光纤输出的窄线宽的激光器进行电调制，当调制的时间不同步时，可以获得预失真的脉冲激光输出，有利于获得高峰值功率、长脉冲宽度的脉冲激光输出。

因此，本发明通过使用多个光纤输出的窄线宽激光器，经过脉冲调制后作为种子光源，能够抑制受激布里渊散射、受激拉曼散射和四波混频等非线性效应，获得窄线宽、高峰值功率的窄线宽脉冲激光输出；同时通过增加电调制信号的不同步设计，可以获得预失真的脉冲激光输出，有利于实现长脉冲宽度的高峰值功率脉冲激光。

附图说明

图1是本发明一种实施例的原理图；

图2是本发明另一种实施例的原理图；

图3是种子激光光源的光谱特性；

图4是电调制脉冲种子激光光源的原理图；

图5是多个种子光纤激光器时间同步的调制输出；

图6是多个种子光纤激光器时间不同步的调制输出；

图7是外调制脉冲种子激光光源发生器的原理图；

图8是当波长λ为1550nm，光纤的非线性系数γ＝2×10^-5/(W*m)，群速度色散β₂＝17ps²/km，光速c＝3×10⁸m/s，在满足四波混频的相位匹配条件时，两个激光的波长间隔Δλ与注入峰值功率P₀的关系图。

图中：

1011、窄线宽光纤激光器	1012、窄线宽光纤激光器
		102、光纤合束器	103、外调制器
104、第一光隔离器	105、调制电路
		106、脉冲发生器	107、驱动电路
108、调制电路	200、低功率光纤放大器
		201、单模泵浦半导体光纤激光器	202、波分复用器
203、第一增益光纤	204、第二光隔离器
		300、带通滤波器	400、高功率光纤放大器
401、泵浦半导体光纤激光器	402、泵浦信号光纤合束器
		403、第二增益光纤	404、第三光隔离器
500、输出光纤	100、种子激光光源发生器

具体实施方式

现根据附图对本发明进行较详细的说明，如图1-7所示，一种窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，包括能够产生具有1-50nm波长间隔、输出多个波长的窄线宽种子激光光源的种子激光光源发生器100，所述种子激光经高功率光纤放大器400放大后经输出光纤500输出，所述种子激光光源发生器包括至少两个低功率、光纤输出的窄线宽激光器1011、1012及分别对每个所述窄线宽激光器进行调制的有时序控制的脉冲调制电路105、108及光纤合束器102和第一光隔离器104，每个所述光纤激光器发出的激光分别经各自的脉冲调制电路调制后依次经过所述光纤合束器和所述第一光隔离器。本实施例使用两个窄线宽光纤激光器1011、1012，分别在脉冲调制电路105、108的驱动下，产生一定(1Hz～20MHz)重复频率、脉冲宽度的激光输出，再经过光纤合束器102后，形成多个波长、窄线宽的种子脉冲激光光源。种子脉冲激光经过高功率光纤放大器400，获得功率放大，实现窄线宽、高峰值功率的脉冲激光，从输出光纤500中传输出去。

至少使用两个低功率的光纤输出的窄线宽激光器，或者更多低功率的光纤输出的窄线宽激光器，经过时域同步的脉冲调制电路产生脉冲激光，经过光纤合束后构成较高功率的种子激光光源，有利于降低光纤放大器的增益。

使用至少两个低功率的窄线宽光纤激光器，可以在放大过程中降低每个波长激光的峰值功率，避免产生受激布里渊散射、受激拉曼散射等非线性效应，获得多个窄线宽波长、高峰值功率的脉冲激光输出。

通过优化设计多个低功率的窄线宽激光器之间的波长间隔，使各波长之间不满足相位匹配条件，从而避免光纤放大时产生四波混频效应，获得高峰值功率的脉冲激光输出。

光纤中的四波混频(FWM)非线性效应，是两个泵浦光子通过三阶极化率产生斯托克斯波和反斯托克斯波的过程。该过程中转换效率与相位匹配条件密切相关，而相位匹配条件的实现取决于光纤的色散特性。

根据贾东方译，G.P.Arawal等著的《非线性光纤光学原理及应用》一书，对于单模光纤中，泵浦激光波长位于反常群速度色散区，则满足四波混频条件的频率范围为：

$\mathrm{\Δv}=\frac{{\mathrm{\Ω}}_s}{2\mathrm{\π}}={(2\mathrm{\γ}{P}_0/|{\mathrm{\β}}_2\left|\right)}^{1/2}/\left(2\mathrm{\π}\right)$

则根据激光频率和波长的关系，两个激光的波长间隔为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{c}\mathrm{\Δv}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{c}*{({2\mathrm{\γP}}_0/|{\mathrm{\β}}_2\left|\right)}^{1/2}/\left(2\mathrm{\π}\right)$

比如，在标准通信单模光纤(SMF-28)中，激光波长为1550nm时，远离其零色散波长1270nm，满足上述条件。

当波长λ为1550nm，光纤的非线性系数γ＝2×10^-5/(W*m)，群速度色散β₂＝17ps²/km，光速c＝3×10⁸m/s，则在满足四波混频的相位匹配条件时，两个激光的波长间隔Δλ与注入峰值功率P₀的关系如图8所示。

比如，为了实现峰值功率100W的脉冲激光输出，则要求注入激光的波长间隔不小于0.6nm；为了实现峰值功率500W的脉冲激光输出，则要求注入激光的波长间隔不小于1.4nm。如果波长间隔小于上述相应的值，都将出现四波混频的非线性效应。

从图中可以看出，随着注入激光峰值功率的增加，满足相位匹配条件的波长间隔越大。因此，为了抑制FWM，则要求两个激光之间的波长差大于上述要求。

另外，根据上述公式可知，随着群速度色散β₂的减小，满足相位匹配条件的波长间隔还将增加。

在采用脉冲调制电路产生脉冲激光时，可以优化设计每个窄线宽激光器之间的时域延迟(经过时域不同步的脉冲调制电路产生脉冲激光)，从而获得多个波长、脉冲预失真的种子光源，有利于避免在光纤放大器中增益光纤的能量饱和特性导致的脉冲失真，从而获得长脉冲宽度、高峰值功率的脉冲激光输出。

每个波长的窄线宽激光器的输出脉冲峰值功率可以相同，也可以不同。

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，实现所需波长的窄线宽、高峰值功率的脉冲激光输出。具体包括：

1)使用掺稀土镱离子(Yb)光纤和1030nm～1120nm种子激光波长，可以实现1030nm～1120nm的窄线宽、高峰值功率脉冲激光输出，或者是多波长的长脉冲宽度激光输出。

2)使用掺稀土铒离子(Er)光纤和1530nm～1620nm的种子激光波长，可以实现1530nm～1620nm的高功率、长脉冲宽度、平坦波形的激光输出。

3)使用掺稀土铥离子(Tm)光纤和1850nm～2050nm的种子激光波长，可以实现1850nm～2050nm的高功率、长脉冲宽度、平坦波形的激光输出。

根据种子脉冲激光光源发生器100输出激光功率的不同，可以级联使用多个低功率的光纤放大器200、和/或级联使用多个高功率的光纤放大器400，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光纤放大器，当种子激光功率较高时，可以不使用低功率光纤放大器。

2)为了实现高功率激光输出，可以使用多个高功率的光纤放大器。

下面以图2所示的窄线宽、高峰值功率脉冲光纤激光系统为例对本发明的工作原理进行介绍：

多个波长、窄线宽脉冲激光光源经过低功率光纤放大器200，高功率光纤放大器400，实现高峰值功率的脉冲激光输出。在低功率放大器和高功率放大器之间使用窄带滤波器300，滤除前一光纤放大器中产生的放大自发辐射光(ASE)。

在低功率光纤放大器200中，主要包括单模半导体激光器201作为泵浦光源，经过波分复用器202耦合到第一增益光纤203中，激励第一增益光纤203并形成粒子数反转分布，当种子激光经过波分复用器202注入到第一增益光纤203中时，获得功率放大，再经过第二光隔离器204输出出来。

在高功率光纤放大器400中，主要包括单模或多模半导体激光器401、功率合束器件402、第二增益光纤403和第三光隔离器404等。经过高功率光纤放大器400，进一步提高光纤激光系统中输出脉冲激光的峰值功率。最终，产生的窄线宽、高峰值功率脉冲激光器经过输出光纤500输出。

本部分仅主要涉及多波长、窄线宽的种子激光光源的功能说明，本发明包含但不限于下面的实施方式。

采用两个波长、低功率的光纤输出的窄线宽激光器1011、1012分别在脉冲驱动电路105、108的驱动下，产生脉冲激光，经过光纤合束器102、第一光隔离器104等，构成了多波长的种子激光光源发生器100。

光纤合束器102主要是将两个低功率光纤输出的窄线宽激光器(1011、1012)的功率耦合，一起从光纤合束器102中输出，并作为一个种子激光光源。该光纤合束器102可以是波分复用器(WDM)，密集波分复用器(DWDM)，粗波分复用器(CWDM)，还可以是光纤耦合器(Coupler)等。光纤合束器102主要根据窄线宽光纤激光器1011、窄线宽光纤激光器1012的波长进行选择。其中，WDM、DWDM、CWDM能够具有更高的耦合效率和获得更高功率的种子激光器，而coupler在多个低功率激光器注入时，其耦合效率相对较低，损耗较高，不是实际使用的首选器件。

当低功率窄线宽光纤激光器1011的输出波长为λ1，低功率窄线宽光纤激光器1012的输出波长为λ2时，经过光纤合束器102后，输出的种子激光光源包含了λ1和λ2两个波长，如图2所示。根据两个光纤放大器200、400中的增益光纤203、403的色散参数等，选择和优化两个低功率激光器的波长，使两个波长不能满足相位匹配条件，从而避免四波混频非线性效应的产生。

调制电路105和调制电路108的基本原理相同。调制电路105主要包含了脉冲发生器106，驱动电路107两个组成部分。脉冲发生器106产生一定幅值、重复频率和脉冲宽度的脉冲信号，注入到驱动电路107中，产生脉冲电流驱动低功率窄线宽光纤激光器1011，产生一定重复频率、脉冲宽度和脉冲形状的激光输出。

图4为两个低功率窄线宽光纤激光器经过光纤合束后的时域特性图。当两个低功率窄线宽光纤激光器1011、1012的调制重复频率相同、脉冲宽度相同，并且处于时间同步时，窄线宽光纤激光器1011输出脉冲激光的幅值为A1，窄线宽光纤激光器1012输出脉冲激光的幅值为A2，则在不考虑光纤合束器损耗时，经过光纤合束器输出后种子激光光源的脉冲幅值为A1+A2。因此，可以获得更高功率的种子脉冲激光。

当两个低功率窄线宽光纤激光器1011、1012调制输出的时域特性不同步时，经过光纤合束器102后种子激光光源的脉冲形状将由两个低功率激光器的时域特性决定。其中，两个低功率窄线宽光纤激光器1011、1012的调制重复频率、脉冲宽度均相同，窄线宽光纤激光器1011输出脉冲激光的幅值为A1、窄线宽光纤激光器1012输出脉冲激光的幅值为A2，未考虑光纤合束器的损耗的情况下，窄线宽光纤激光器1011输出脉冲激光的下降沿与窄线宽光纤激光器1012输出脉冲激光的上升沿同步时，输出的时域特性，如图5所示。从图中可以看出，通过对两个激光器调制输出脉冲激光的幅值不同，可以实现种子激光光源的预失真。

因此，使用多个波长的激光器进行脉冲调制，可以设计每个激光器的调制时间延迟，对输出脉冲激光的形状进行一定的编程和设计。随着种子激光光源中激光器的数量增加，这种输出激光的脉冲形状的设计能力更强。并且通过这种设计可以形成对输出激光的预失真，从而解决在高功率光纤放大过程中，增益光纤的能量饱和特性导致的脉冲失真，从而在光纤放大后，输出平坦的长脉冲激光。

如果脉冲种子激光光源不需要进行预失真，也可以在光纤合束器102后通过外调制器103获得脉冲激光，如图6所示。把两个激光器1011、1012经过光纤合束器102后的输出激光进行强度调制，在两个波长上获得具有相同重复频率、脉冲宽度的脉冲激光输出。进行脉冲调制的方式可以包括电光调制器、声光调制器、马赫-曾德尔型强度调制器等。还可以使用两个或者多个调制器串接的方式，使输出脉冲激光获得更高的信噪比。

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

Claims (10)

1.一种窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于:包括能够产生具有1-50nm波长间隔、输出多个波长的窄线宽种子激光光源的种子激光光源发生器，所述种子激光经高功率光纤放大器放大后经输出光纤输出，所述种子激光光源发生器包括至少两个低功率、光纤输出的窄线宽激光器、及分别对每个所述窄线宽激光器进行调制的有时序控制的脉冲调制电路、及光纤合束器和第一光隔离器，每个所述窄线宽激光器发出的激光分别经各自的脉冲调制电路调制后依次经过所述光纤合束器和所述第一光隔离器。

2.根据权利要求1所述的窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于：所述脉冲调制电路为时域同步或不同步的脉冲调制电路。

3.根据权利要求1所述的窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于：所述至少两个窄线宽激光器之间的波长间隔为大于

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{c}\mathrm{\Δv}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{c}*{({2\mathrm{\γP}}_0/|{\mathrm{\β}}_2\left|\right)}^{1/2}/\left(2\mathrm{\π}\right);$

其中 $\mathrm{\Δv}=\frac{{\mathrm{\Ω}}_s}{2\mathrm{\π}}={(2\mathrm{\γ}{P}_0/|{\mathrm{\β}}_2\left|\right)}^{1/2}/\left(2\mathrm{\π}\right);$

Δν为单模光纤中，泵浦激光波长位于反常群速度色散区，满足四波混频条件的频率间隔；

λ为激光波长；γ为光纤的非线性系数；β₂为群速度色散；c为光速；Δλ为窄线宽激光器之间的波长间隔；P₀为注入峰值功率。

4.根据权利要求1所述的窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于：所述高功率光纤放大器包括由输入到输出依次顺序连接的泵浦半导体光纤激光器、泵浦信号光纤合束器、第二增益光纤和第三光隔离器。

5.根据权利要求1所述的窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于：所述脉冲调制电路包括脉冲发生器和驱动电路，所述脉冲调制电路的输出与所述驱动电路连接，所述驱动电路的输出与所述光纤激光器连接。

6.根据权利要求1所述的窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于：激光光源发生器与所述高功率光纤放大器之间设有低功率光纤放大器。

7.根据权利要求6所述的窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于：所述低功率光纤放大器包括由输入到输出依次顺序连接的单模泵浦半导体光纤激光器、波分复用器、第一增益光纤和第二光隔离器。

8.根据权利要求6或7所述的窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于：所述低功率光纤放大器输出端设有带通滤波器。

9.根据权利要求4所述的窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于：所述第二增益光纤为掺稀土镱离子(Yb)增益光纤，种子激光波长为1030nm～1120nm；或所述第二增益光纤为掺稀土铒离子(Er)增益光纤，种子激光波长为1530nm～1620nm；或所述第二增益光纤为掺稀土铥离子(Tm)，种子激光波长为1850nm～2050nm。——范围需要增大。

10.根据权利要求7所述的窄线宽、高峰值功率脉冲输出的光纤激光系统，其特征在于：所述第一增益光纤为掺稀土镱离子(Yb)增益光纤，种子激光波长为1030nm～1120nm；或所述第一增益光纤为掺稀土铒离子(Er)增益光纤，种子激光波长为1530nm～1620nm；或所述第一增益光纤为掺稀土铥离子(Tm)，种子激光波长为1850nm～2050nm。