CN104393473A - 高增益全光纤激光放大器及高增益激光放大方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种高增益全光纤激光放大器及高增益激光放大方法，其中高增益全光纤激光放大器用于对输入的信号光进行放大，包括泵浦源和激光介质；泵浦源用于输出与信号光同步且脉宽低于激光粒子的上能态寿命的泵浦激光脉冲，并用于在上一泵浦激光脉冲激励的激光粒子消耗完毕后输出下一泵浦激光脉冲。相比现有技术，本发明抑制了ASE的增长，实现了更高放大倍数并保持了较高的放大效率，从而降低了放大器的级数，进而降低了非线性的积累、系统的复杂性以及激光器的成本。

Description

高增益全光纤激光放大器及高增益激光放大方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种可抑制ASE的增长，实现更高放大倍数并保持较高的放大效率的高增益全光纤激光放大器及高增益激光放大方法。 

背景技术

传统上光纤激光放大器属于高增益放大器，早期许多文献均报道了光纤激光器可实现极高增益，可与固体激光器中的再生放大器或前级的指数放大(单级实现60dB甚至更高)相比。然而，在实际的光纤激光放大器中，特别是在脉冲光纤激光放大器中，设计人员非常小心地设计单级放大器的增益(通常为13-20dB)，为了实现高增益往往需要采用多级放大器的放大链方案。 

这一普遍做法有其特定的理由，脉冲全光纤激光放大器中ASE和背景噪声是最大的限制之一。信号光和自发辐射在放大器中的竞争是个普遍问题，而这个问题在光纤放大器中特别突出；更高的放大倍数意味着ASE的增长更快，更容易出现；因此要求控制单级放大倍数，并在级间使用滤波器滤掉ASE成分。其次，对于放大器效率的考虑。基本的激光放大理论中，放大倍数越高，可实现的光转换效率就越低。有意识地控制单级放大器的放大倍数也是为了实现每级放大器较高的放大效率。 

但多级的全光纤放大链会带来许多问题。除了增加系统的复杂性、增加激光器的成本、降低光纤激光器的稳定性和可靠性之外，还会因为光纤元器件的增加而累积更多的非线性，引起光谱变形、脉冲畸变，降低有效输出甚至破坏器件，破坏激光器系统。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高增益全光纤激光放大器，以抑制了ASE的增长，实现更高放大倍数并保持较高的放大效率，减少放大器的级数，进而降低非线性的积累系统的复杂性以及激光器的成本。 

为实现上述目的，本发明实施例提供一种高增益全光纤激光放大器，用 于对输入的信号光进行放大，所述高增益全光纤激光放大器包括泵浦源和激光介质；所述泵浦源用于输出与所述信号光同步且脉宽低于激励所述激光介质得到的激光粒子的上能态寿命的泵浦激光脉冲，并用于在上一泵浦激光脉冲激励的激光粒子消耗完毕后输出下一泵浦激光脉冲。 

优选的，所述泵浦功率极高从而大大缩短了激光粒子的上能态寿命 其中τ₂₁为自发辐射上能态寿命，所述P_p是以阈值泵浦功率P_th为单位归一化的泵浦功率，所述P_th是增益为零时的泵浦功率。这使得激光粒子可通过受激发射的形式被更快消耗，提供更高增益；而且对上能态的补充更加充分迅捷。 

优选的，所述信号光由种子激光器生成，所述泵浦源和所述种子激光器采用同步的脉冲电流源进行驱动。 

优选的，所述的高增益全光纤激光放大器为单模全光纤激光放大器。 

优选的，所述的高增益全光纤激光放大器包括预放大器和主放大器两级放大器； 

所述预放大器的泵浦源为单模二极管激光器，所述主放大器的为多模单管半导体激光器，且所述主放大器包括双包层大模场光纤。 

优选的，所述的高增益全光纤激光放大器也包括一级放大器。 

优选的，所述泵浦源为大功率半导体激光器。 

本发明实施例还提供了一种高增益激光放大方法，包括： 

利用与信号光同步的泵浦激光脉冲对所述信号光进行放大，所述泵浦激光脉冲的脉宽低于激励所述激光介质得到的激光粒子的上能态寿命且在上一泵浦激光脉冲激励的激光粒子消耗完毕后输出下一泵浦激光脉冲。 

优选的，所述激光粒子的上能态寿命其中τ₂₁为自发辐射上能态寿命，所述P_p是以阈值泵浦功率P_th为单位归一化的泵浦功率，所述P_th是增益为零时的泵浦功率。 

优选的，上述方法应用在上述的高增益全光纤激光放大器中。 

有益效果： 

本发明使用了与信号光同步，脉宽低于激光粒子上能态寿命的泵浦激光脉冲，且泵浦频率较低，在上能态已经消耗完毕之后泵浦脉冲才重新出现。 不仅信号光只接触新鲜的上能态粒子，而且这些粒子由新鲜的泵浦激光获得，这保证了信号光获得的增益最大。另外，脉冲泵浦的情况下，其峰值功率可以大大超越连续运转的平均功率，进一步增大了对激光介质的泵浦强度。而且因为信号光与泵浦同步，无信号则无泵浦，上能态粒子看到的是信号光的峰值功率而不是平均功率，不会因为平均功率太低而放大自发辐射，可以抑制ASE增长；脉冲泵浦只用于放大信号，能在实现更高放大倍数同时保持较高的放大效率；由于峰值功率更高，增大了对激光介质的泵浦强度，因而单级放大器可实现更高放大倍数，使用更少的放大器，可大大降低非线性的积累；除此之外，还可以更好地保持信号光的脉冲特性。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本发明中不同激光介质的激光粒子的上能态寿命与泵浦率的关系图； 

图2为本发明实施例中具有两级放大器时的结构图； 

图3为本发明实施例中具有一级放大器时的结构图。 

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

本发明的思想在于利用泵浦激光脉冲在脉冲全光纤激光放大器中引起的瞬态放大实现高增益的全光纤激光放大器。该全光纤激光放大器具体的为单模全光纤激光放大器 

本发明实施例1提供了一种高增益全光纤激光放大器的具体结构，其包括泵浦源和激光介质；其中，泵浦源用于输出与要放大的信号光同步且脉宽低于激励激光介质得到的激光粒子的上能态寿命的泵浦激光脉冲，并用于在上一泵浦激光脉冲激励的激光粒子消耗完毕后输出下一泵浦激光脉冲。 

上述激光介质一般是在光纤芯层沉积中掺入的一定浓度的稀土元素，如铒、镱、铥、钬、镨或铷等离子。光纤中掺杂离子在受到泵浦光激励后跃迁到亚稳定的高激发态，在信号光诱导下，产生受激辐射，形成对信号光的相干放大。 

光纤激光器的泵浦源是大功率半导体激光器。相对特定的光纤激光，采用上述脉宽低于激光粒子上能态寿命且频率较低，在上能态已经消耗完毕之后才重新出现的泵浦激光脉冲，使得不仅信号光只接触新鲜的上能态粒子，而且这些粒子由新鲜的泵浦激光脉冲获得。这可以保证信号光获得的增益最大。而且，对于大功率半导体激光器而言，脉冲泵浦的情况下，其峰值功率可以大大超越连续运转的平均功率，进一步增大了对激光介质的泵浦强度。 

如前所述，本发明是利用了瞬态放大的思想，这一思想与大多数的光纤激光器思想相反。普通的光纤激光器设计思想中，瞬态放大是使得系统不稳定的因素，是希望避免和抑制的。但本发明中，申请人利用了瞬态放大的优势，因为信号光与泵浦激光脉冲同步，无信号则无泵浦，上能态粒子看到的是信号光的峰值功率而不是平均功率，不会因为平均功率太低而放大自发辐射，可以实现抑制ASE增长的目的；泵浦激光脉冲只用于放大信号光，能在实现更高放大倍数的同时保持较高的放大效率。而且由于可使用更高峰值功率，增大对激光介质的泵浦强度，因而单级放大器可实现更高放大倍数，平均起来在光纤中的非线性较低。对应相同的增益要求，本发明减少了放大器的级数，因而可大大降低非线性的积累；除此之外，还可以更好地保持信号光的脉冲特性。 

上述方案可用于任何掺杂粒子、任意激光波长的光纤激光器中，包括但不仅限于掺Er、Yb、Ho、Th、Nd和Pr等等的光纤激光，依据不同的激光粒 子上能态寿命，选择合适的泵浦脉宽和频率；还可以用于任何激光器功率水平，包括平均功率和峰值功率水平，包括但不仅限于pW、nW、uW、mW、W、KW、MW、GW，等等，依据不同的激光放大器功率水平，可对应选择合适的泵浦电流和强度。 

需要明确的是，在脉冲泵浦的条件下，真实的激光粒子上能态寿命不再是自发辐射上能态寿命，而是由泵浦率P_p决定的。泵浦率P_p是归一化的泵浦功率，以阈值泵浦功率P_th为单位；而阈值泵浦功率P_th则是增益为零时的泵浦功率，此时小信号增益g₀刚好等于传输损失α。 

以下为激光粒子真实的上能态寿命τ的计算公式： 

$\mathrm{\τ}=\frac{{\mathrm{\τ}}_{21}}{1+P_p}.$

其中τ₂₁为激光粒子自发辐射的上能态寿命，P_p是以阈值泵浦功率P_th为单位归一化的泵浦功率，所述P_th是增益为零时的泵浦功率。 

例如，在掺Yb的光纤中，自发辐射上能态寿命为0.84ms，但在很高泵浦率的条件下，特别在脉冲泵浦的情况下，泵浦率可达数百，激光粒子真实的上能态寿命变成1-10μs，而激光介质的增益恢复时间也在这个量级；由此可以选择具体的泵浦脉宽和频率，设计泵浦的平均功率与峰值电流。图1示出了不掺杂的激光光纤的粒子上能态寿命泵浦率的变化曲线。据此，我们可以确定针对不同掺杂的激光光纤的泵浦激光脉冲。 

本发明中为实现输出泵浦激光脉冲，可对泵浦源的驱动电路脉冲化，同时对生成信号光的种子激光器的种子驱动电路脉冲化，两者使用同步脉冲电源进行驱动。 

有关驱动电路的脉冲化的技术，可具体参见申请人专利申请号为2014103172175的专利。 

基于本发明可以实现更高的单级增益，本发明中的高增益全光纤激光放大器可根据需要设计预放大器和主放大器两级放大器，或者设计成只包括一级放大器。 

通常的种子的二极管激光器功率很低，平均功率约1mW、峰值功率约1W， 如要获得平均功率20-100W，峰值功率20-50KW的光脉冲，需要有45-50dB的放大。基于现有的技术，光纤放大器将由三级或更多级组成。但基于本发明的方案，可以在一级或两级放大器中实现： 

泵浦源的驱动电流源与种子激光器的驱动电流源同步。通常种子的二极管激光器使用恒流源驱动，脉冲驱动的条件下，峰值电流可比连续的稳定电流高很多，具体的倍数与占空比有关，例如100Hz的情况下，10us驱动脉冲，占空比0.1％，峰值电流可比连续的稳定电流高5-10倍。单模二极管激光器输出约600mW-1W，驱动电流1-2A，峰值电流可达5-10A；在这个电流的驱动下，预放大器的增益可达35-40dB，峰值功率达到5-10KW。由于增益很大，只有在放大器的末端峰值功率才较高，在放大光纤中累积的非线性并不高，甚至单模光纤也可以接受。为获得更高峰值功率，主放大器使用多模单管半导体激光器和双包层大模场光纤，多模单管半导体激光器输出约10W，恒定电流约10A，峰值电流可达50-100A。此时控制峰值电流，保持放大器的增益5-10dB，峰值功率可达到20-50KW，甚至100KW。 

如图2即为具有两级放大器时的结构图，其中激光控制系统1分别控制种子驱动电路21、第一泵浦源驱动电路31和第二泵浦源驱动电路41对各自对应的种子激光器2、预放大器3、主放大器4进行脉冲驱动。 

进一步的，如果使用更高峰值电流，一级放大器可以实现更高的单级增益。经实验表明，45-50dB的单级增益是可行的。 

如图3即为具有一级放大器时的结构图，其中激光控制系统5分别控制种子驱动电路61、第三泵浦源驱动电路71对各自对应的种子激光器6、放大器7进行脉冲驱动。 

本发明实施例还提供了一种高增益激光放大方法，该方法利用与信号光同步的泵浦激光脉冲对信号光进行放大，泵浦激光脉冲的脉宽低于激励激光介质得到的激光粒子的上能态寿命且在上一泵浦激光脉冲激励的激光粒子消耗完毕后输出下一泵浦激光脉冲。 

具体的，在泵浦激光脉冲下，激光粒子的上能态寿命大大缩短，其中τ₂₁为自发辐射上能态寿命，P_p是以阈值泵浦功率P_th为单位归一化的泵浦功率，P_th是增益为零时的泵浦功率。这使得激光粒子可通过受激发射的形式被更快消耗，提供更高增益；而且对上能态的补充更加充分迅捷。从而可以实现高增益的激光放大。 

上述方法可以给予各种结构实现，本发明中上述方法可应用于上述的高增益全光纤激光放大器中。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种高增益全光纤激光放大器，用于对输入的信号光进行放大，其特征在于，所述高增益全光纤激光放大器包括泵浦源和激光介质；所述泵浦源用于输出与所述信号光同步且脉宽低于激励所述激光介质得到的激光粒子的上能态寿命的泵浦激光脉冲，并用于在上一泵浦激光脉冲激励的激光粒子消耗完毕后输出下一泵浦激光脉冲。 

2.如权利要求1所述的高增益全光纤激光放大器，其特征在于，所述激光粒子的上能态寿命其中τ₂₁为自发辐射上能态寿命，所述P_p是以阈值泵浦功率P_th为单位归一化的泵浦功率，所述P_th是增益为零时的泵浦功率。 

3.如权利要求1所述的高增益全光纤激光放大器，其特征在于，所述信号光由种子激光器生成，所述泵浦源和所述种子激光器采用同步的脉冲电流源进行驱动。 

4.如权利要求3所述的高增益全光纤激光放大器，其特征在于，所述的高增益全光纤激光放大器为单模全光纤激光放大器。 

5.如权利要求3所述的高增益全光纤激光放大器，其特征在于，所述的高增益全光纤激光放大器包括预放大器和主放大器两级放大器； 

所述预放大器的泵浦源为单模二极管激光器，所述主放大器的为多模单管半导体激光器，且所述主放大器包括双包层大模场光纤。 

6.如权利要求3所述的高增益全光纤激光放大器，其特征在于，所述的高增益全光纤激光放大器包括一级放大器。 

7.如权利要求3所述的高增益全光纤激光放大器，其特征在于，所述泵浦源为大功率半导体激光器。 

8.一种高增益激光放大方法，其特征在于，所述方法包括： 

利用与信号光同步的泵浦激光脉冲对所述信号光进行放大，所述泵浦激光脉冲的脉宽低于激励所述激光介质得到的激光粒子的上能态寿命且在上一泵浦激光脉冲激励的激光粒子消耗完毕后输出下一泵浦激光脉冲。 

9.如权利要求8所述的高增益激光放大方法，其特征在于，所述激光粒子的上能态寿命其中τ₂₁为自发辐射上能态寿命，所述P_p是以阈值泵 浦功率P_th为单位归一化的泵浦功率，所述P_th是增益为零时的泵浦功率。 

10.如权利要求8所述的高增益激光放大方法，其特征在于，所述方法应用在权利要求1-7任一项所述的高增益全光纤激光放大器中。