CN104319607A - 基于掺铒光纤两级放大的激光光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于掺铒光纤两级放大的激光光源，包括通过单模光纤依次连接的种子激光器、第一波分复用器、第一掺饵光纤、光隔离器、第一光滤波器、第二掺铒光纤、第二波分复用器和第二光滤波器；该激光光源还包括泵浦源和耦合器，该耦合器的输入端口与泵浦源连接；耦合器的两输出端口分别与第一波分复用器和第二波分复用器的泵浦端口连接，使得第一掺饵光纤采用正向泵浦，第二掺铒光纤采用反向泵浦；第二掺铒光纤的长度大于第一掺铒光纤，且耦合器的分光比等于第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的长度比。本发明提高了增益，减小了输出光噪音，提高了泵浦利用率，且成本低。

Description

基于掺铒光纤两级放大的激光光源

技术领域

本发明涉及掺饵光纤放大器技术领域，尤其涉及一种采用掺铒光纤两级放大的全光纤激光器光源。

背景技术

掺铒光纤放大器(EDFA)用铒离子稀土元素玻璃光纤作为增益介质，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成工作物质的“粒子数反转”，当适当加入种子光，就可以输出高功率激光。但是EDFA放大所需的光信号同时，噪声特性恶化，主要由于EDFA信号输入端耦合器的加入，增加了信号的损耗，并且由于增益锁定的EDFA伴随强激光的产生而消耗大量的反转粒子数，致使锁定的增益水平低，粒子反转数处于阈值水平，反转程度较低，自发辐射系数较大，因此噪声特性恶化。对于使用单段增益锁定且动态范围较大的EDFA，因其始终工作于低反转的深度饱和状态，很难同时获得高增益、大功率和低噪声特性。

在203607667U和103730822A中设计了基于两级放大的激光脉冲光源，它们是复杂，有缺陷的。鉴于以下理由：1)采用了两个泵浦源，不利于泵浦的利用率，增加成本，结构复杂。2)两级放大都是正向泵浦，不利于增益的进一步提高。3)不能产生脉冲光和连续光两种光源。4)采用了价格昂贵的器件，比如双包层单模增益光纤，声光调制器或电光调制器，体啁啾光栅等。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于掺饵光纤(EDF)两级放大激光光源，其目的在于产生一种结构简单，成本低，高功率，低噪音的连续或脉冲光源。

本发明提供了一种基于掺铒光纤两级放大的激光光源，包括通过单模光纤依次连接的种子激光器、第一波分复用器、第一掺饵光纤、光隔离器、第一光滤波器、第二掺铒光纤、第二波分复用器和第二光滤波器；

该激光光源还包括泵浦源和耦合器，该耦合器的输入端口与泵浦源连接；耦合器的两输出端口分别与第一波分复用器和第二波分复用器的泵浦端口连接，使得第一掺饵光纤采用正向泵浦，第二掺铒光纤采用反向泵浦；

第二掺铒光纤的长度大于第一掺铒光纤，且耦合器的分光比等于第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的长度比。

本发明所述的激光光源中，当泵浦源电压达到阈值电压时，种子激光器产生激光；否则，不产生激光。

本发明所述的激光光源中，种子激光器的驱动电路产生时序的矩形脉冲电压，通过设置该矩形脉冲电压来控制产生激光的脉宽和占空比。

本发明产生的有益效果为：本发明采用了两级放大技术，通过一个泵浦源的分流，使得第一掺饵光纤采用了正向泵浦，第二掺饵光纤采用了反向泵浦，从而提供了较大的增益，且输出光噪音小，泵浦利用率高，成本低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于掺饵光纤的两级放大激光光源方法和原理示意图；

图2是本发明实施例激光器驱动电压时序示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明实施例提供的基于EDF的两级放大激光光源整体原理结构框图，该基于掺铒光纤两级放大的激光光源包括种子激光器1、第一波分复用器2、第一掺饵光纤3、光隔离器4、第一光滤波器5、第二掺铒光纤6、第二波分复用器7、第二光滤波器8、耦合器9和泵浦源10；所述前八个器件依次用连接，第一波分复用器2和第二波分复用器7的泵浦端口与耦合器9的两输出端口连接，耦合器9的输入端口与泵浦源10连接。第二光滤波器8输出作为整个光源的输出端口。

种子激光器1，用于发射种子激光；第一波分复用器2，把激光和泵浦光耦合到增益光纤3中；第一掺饵光纤3，为信号光提供增益；光隔离器4，防止反射光进入第一掺饵光纤中。第一光滤波器5，滤掉信号中的杂散光；第二掺铒光纤6，为信号光提供增益；第二波分复用器7，把激光和泵浦光耦合到增益光纤6中；第二光滤波器8，滤掉信号中的杂散光；耦合器9，将泵浦光分成两束，送入波分复用器中；和泵浦源10，为增益光纤提供激励源。

光源工作时，泵浦源10输出975nm或者1480nm的泵浦光，泵浦光经过耦合器9分成两束光，通过第一波分复用器2和第二波分复用器7耦合至第一掺饵光纤3和第二掺饵光纤6中，两个EDF(掺饵光纤)发生粒子数反转，并提供增益(放大)。与此同时，种子激光器1发出的连续或脉冲光经过第一波分复用器2进入发生粒子数反转的第一掺饵光纤3中，光信号放大。再通过光隔离器4和第一光滤波器5后，过滤掉杂散光，进入发生粒子数反转的第二掺饵光纤6中，光信号再进一步放大。接着通过第二光滤波器8，整形后输出高功率，低噪音的连续光或者脉冲光。

采用两级放大结构的EDF来提高增益抑制噪声原理如下，在EDF中插入光隔离器，这时EDF被分为两段：第一掺饵光纤3和第二掺饵光纤6，光隔离器4可有效阻止后段第二掺饵光纤6的反向传输自发辐射光的不断积累，因反向自发辐射光消耗了大量的泵浦光子，使信号输入端反转粒子数显著减少，致使第一掺饵光纤3饱和，噪声恶化。这样反向自发辐射光对前段第一掺饵光纤3的影响大部分被消除，保证了信号输入端高的粒子反转数，提高了泵浦效率，使该放大级处于高反转粒子数水平而工作在高增益、高输出功率及低噪声状态。两级结构的EDF等效于两个独立EDF的级联，第一掺饵光纤3与第二掺饵光纤6分别组成各自的光放大器，那么总增益、输出功率及噪声指数分别为：

G＝10Log(P₃/P₁)

＝10Log(P₂/P₁)+10Log(P₃/P₁)

＝G₁+G₂

P₃＝P₁(G₁+G₂)

NF＝NF₁+NF₂/G₁

式中P₁为输入信号功率，P₂，P₃，G₁，G₂及NF₁,NF₂分别为第一掺饵光纤3与第二掺饵光纤6的输出信号功率、增益及噪声指数。由上面式子知，两级结构光放大的总增益等于两级放大增益之和，而噪声特性主要由第一级决定，第二级对噪声影响不大。第一级噪声较低而增益较高，第二级噪声较高而增益较低，而总增益是两级之和，相对于单级锁定有较大的提高，总噪声主要由增益较高的第一级决定，处于深度饱和且噪声较高的锁定级对总噪声几乎无影响，所以这种结构能有效的提高增益锁定掺饵光纤放大器的性能，获得高输出、高功率和大增益。

第一光滤波器5的作用是把光束整形，去掉无用的杂散光，让第二掺饵光纤6组成的光放大器更多的增益用在所需的光上。第二光滤波器8把最终输出的光整形，输出高质量的光源。本发明中应该注意的是：若第一掺饵光纤3和第二掺饵光纤6的长度为L1和L2，那么耦合器9的分光比为L1/L2。同时第二掺饵光纤6的长度要大于第一掺饵光纤3的长度。

本发明中，为了产生光源连续光或脉冲光，可采用内调制的方法，内调制简单，成本低。当泵浦源电压达到阈值电压时，激光器产生激光；当泵浦源电压没有达到阈值电压时就不能产生激光。那么就可以控制激励源的电压来实现连续或者脉冲光。产生的脉冲光的频率，脉宽和占空比都可以由驱动电路的矩形脉冲电压来控制。如图2所示，为本发明实施例激光器驱动电压时序示意图。电压的低谷低于阈值电压，且接近于0；电压的峰值大于阈值电压，那么就可以产生激光。

实验的具体的步骤是：(1)按图1连接好器件；(2)设置激光器驱动电路电压参数，连续电压或者是一定频率，宽度和占空比的时序电压；(3)打开泵浦源，增大激励电流，可根据需求，调整激励电流大小；(4)高质量光输出。光源的技术参数可以由激光器驱动电路和激励电流来调节。

本发明采用了泵浦分流和第一掺饵光纤正向泵浦，第二掺饵光纤反向泵浦相结合的方法，带来了优良的性能。与其他方式相比较如下：

1)泵浦不分流，双极放大：为了使第二级EDF有足够的能量发生“粒子数”反转，必然要加大泵浦的能量，这样第一掺饵光纤饱和，噪音增大。同时相同增益下，所需要的泵浦能量要比采用泵浦分流方法所需的能量大的多。两个EDF的泵浦方式只能是都是正向或方向，无法同时解决增益的提高和噪音抑制两个问题。

2)泵浦不分流，一极放大：不管是正向还是反向泵浦方式，要获得较高的光能量，需要大的增益，也就是长的EDF，同时泵浦能量要提高。这样的后果是信噪比严重的降低，输出光质量降低。

3)泵浦分流，一级放大：这种情况是一个EDF同时双向泵浦激励，由于泵浦的EDF双向都能产生自发辐射光，那么后段的EDF产生的自发辐射光必然会影响前段光的放大，使用了前段的部分“粒子数”反转，信噪比降低。

4)泵浦分流，两级都正向或反向放大：若都是正向放大，信噪比达到要求，但是增益见小了。若都是反向放大，增益达到要求，但是信噪比降低了。

综上所述，本发明通过一个泵浦源将正向泵浦和方向泵浦巧妙的结合，带来了较大的优势：

(1)输出光功率高。因为采用了两级放大技术，第一掺饵光纤采用了正向泵浦，提供了一定的增益；第二掺饵光纤采用了反向泵浦，提供了大的增益。

(2)输出光噪音小。对于两级放大技术，第一个EDF产生噪音是主要的，第二掺饵光纤的噪音可以忽略。但是第一掺饵光纤采用了正向泵浦，噪音很小。

(3)泵浦利用率高。耦合器将泵浦源能量分成L1/L2，为两个EDF提供激励源，有利于泵浦能量的利用率，避免了第一掺饵光纤的增益饱和，降低信噪比，第二掺饵光纤没有足够的能量提供增益。

(4)输出光源，参数可调。驱动电路产生连续的电压，可以产生连续的激光。驱动电路产生时序的矩形脉冲电压，可以产生和时序电压对应的时序光脉冲。

(5)工作稳定，结构简单，成本低。光源系统中采用的都是现在成熟通用产品，稳定性好，成本低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于掺铒光纤两级放大的激光光源，其特征在于，包括通过单模光纤依次连接的种子激光器、第一波分复用器、第一掺饵光纤、光隔离器、第一光滤波器、第二掺铒光纤、第二波分复用器和第二光滤波器；

该激光光源还包括泵浦源和耦合器，该耦合器的输入端口与泵浦源连接；耦合器的两输出端口分别与第一波分复用器和第二波分复用器的泵浦端口连接，使得第一掺饵光纤采用正向泵浦，第二掺铒光纤采用反向泵浦；

第二掺铒光纤的长度大于第一掺铒光纤，且耦合器的分光比等于第一掺铒光纤和第二掺铒光纤的长度比。

2.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，当泵浦源电压达到阈值电压时，种子激光器产生激光；否则，不产生激光。

3.根据权利要求1所述的激光光源，其特征在于，种子激光器的驱动电路产生时序的矩形脉冲电压，通过设置该矩形脉冲电压来控制产生激光的脉宽和占空比。