CN105098574A - 具有往返结构的脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光纤激光器技术领域，提供了一种具有往返结构的脉冲光纤激光器，包括电路模组和光路模组，所述光路模组包括用于预放大级的第一光纤放大器和用于主功率放大级的第二光纤放大器，所述预放大级和所述主功率放大级共用同一多模半导体激光器；所述第一光纤放大器还包括一往返机构，信号光往返两次经过所述往返机构进行预放大。借此，本发明使得在1064nm脉冲光纤激光器实现亚纳秒级、窄脉宽、高信噪比、高功率、小体积的效果，提高在传感测绘方面的应用价值。

Description

具有往返结构的脉冲光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种具有往返结构的脉冲光纤激光器。

背景技术

大气中的气体分子和悬浮粒子是光的主要吸收体，气体分子主要是水蒸气、二氧化碳和臭氧分子的吸收，其他分子的吸收在大多数的激光应用中可以忽略。可见光波段激光和1.06um、1.54um、1.57um波长光的大气吸收衰减最小。而镱离子本身能级结构简单不会出现掺铒光纤常见的浓度淬灭现象，所以1.06um光纤激光器功率制约更小。1.06um光纤激光器凭借其泵浦阈值功率低、转换效率高、结构紧凑、散热好、结构紧凑，成为当前激光领域的研究热点。凭借其以上特点该波段激光被广泛应用于激光雷达、激光测距、3D扫描等领域。在探测传感应用方面窄脉宽激光可以有效提高系统的探测精度，目前声光和电光调Q掺镱1064nm脉冲光纤激光器的脉宽都在几十纳秒水平很难继续把脉宽压窄，MOPA(MasterOscillatorPower-Amplifier，主振荡功率放大)结构的1064nm脉冲光纤激光器可以实现几纳秒甚至亚纳秒的脉冲宽度，但亚纳秒的脉冲宽度时种子源功率水平为几百nw至几uw，如何在保证较高信噪比的同时实现如此微弱信号的放大是限制窄脉宽激光器发展的关键问题。此外激光雷达、3D测绘等探测领域都希望能在不影响激光功率的同时进一步缩小激光器体积实现更高的集成度。

普通窄脉宽1064nm的MOPA结构脉冲光纤激光器一般都是采用两级放大，需要两个多模泵浦源，这种结构两级放大都需要独立的电路驱动，在电路方面就无法达到足够的小型化。也有窄脉宽1064nm信号光直接经过一级放大的方案，但这种方案的信噪比较低，输出功率也明显低于前一种两级放大方式。

综上可知，现有的激光器，在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有往返结构的脉冲光纤激光器，实现亚纳秒级、窄脉宽、高信噪比、高功率、小体积，提高1064nm脉冲光纤激光器在传感测绘方面的应用价值。

为了实现上述目的，本发明提供一种具有往返结构的脉冲光纤激光器，包括电路模组和光路模组，所述光路模组包括用于预放大级的第一光纤放大器和用于主功率放大级的第二光纤放大器，所述预放大级和所述主功率放大级共用同一多模半导体激光器；所述第一光纤放大器还包括一往返机构，信号光往返两次经过所述往返机构进行预放大；

根据本发明所述脉冲光纤激光器，所述往返机构包括三端口环形器、第一合束器、第一增益光纤和窄带反射镜，且在所述单模半导体激光器后接所述三端口环形器，依次连接所述第一合束器、所述第一增益光纤和所述窄带反射镜，所述信号光经过所述第一增益光纤进行预放大，所述窄带反射镜将噪声滤除；

所述光路模组还包括单模半导体激光器、第一光在线隔离器、模式匹配器、窄带滤波器、第二光在线隔离器和输出跳线；

所述第一光纤放大器包括依次连接的所述多模半导体激光器、多模分束器和所述往返机构，所述信号光经所述第一增益光纤和所述多模半导体激光器经过所述多模分束器分别接入所述预放大级和所述主功率放大级；所述第二光纤放大器包括所述多模半导体激光器、所述多模分束器、第二合束器和第二增益光纤；

所述信号光经过所述第二光纤放大器进行主功率放大，经过所述窄带滤波器对噪声光滤除，再经所述第二光在线隔离器后通过所述输出跳线输出。

根据本发明所述脉冲光纤激光器，所述三端口环形器是1064nm三端口环形器，所述多模半导体激光器是915nm多模半导体激光器，所述窄带反射镜是1064nm窄带反射镜，所述信号光为1064nm信号光。

根据本发明所述脉冲光纤激光器，所述三端口环形器控制光路传输方向，第一端口输入的所述信号光只从第二端口输出，所述第二端口输入的信号光只从第三端口输出。

根据本发明所述脉冲光纤激光器，所述三端口环形器内部三个端口设置的准直器都为准直扩束的准直器。

根据本发明所述脉冲光纤激光器，所述第二光纤放大器设置有正向泵浦或反向泵浦。

根据本发明所述脉冲光纤激光器，所述第二光纤放大器结构中设置的是正向泵浦，所述第二合束器的信号输入端与模式匹配器连接，所述第二合束器的信号输出端与所述第二增益光纤连接，所述第二增益光纤与所述窄带滤波器输入端连接。

根据本发明所述脉冲光纤激光器，所述第二光纤放大器结构中设置的是反向泵浦，所述第二增益光纤一端与所述模式匹配器连接，另一端与所述第二合束器的信号输出端连接，所述第二在线合束器的信号输入端与所述窄带滤波器输入端连接。

根据本发明所述脉冲光纤激光器，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤都是掺镱双包层光纤。

根据本发明所述脉冲光纤激光器，所述脉冲光纤激光器是主振荡功率放大结构。

本发明通过采用掺镱双包层光纤和同一915nm多模半导体激光器经过多模分束器一分二构成预放大级和主功率放大级，预放大级采用1064nm环形器和1064nm窄带反射镜等构成的特殊往返结构等独特设计，解决了目前普通窄脉宽1064nm脉冲光纤激光器的输出信噪比低、体积大等问题，实现了一种亚纳秒级窄脉宽、高信噪比、高功率、小体积的1064nm脉冲光纤激光器，极具应用价值。

附图说明

图1是本发明的具有往返结构的脉冲光纤激光器结构示意图；

图2是本发明的具有往返结构的脉冲光纤激光器第一优选实施例结构示意图；

图3是本发明的具有往返结构的脉冲光纤激光器第二优选实施例结构示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明提供了本发明提供一种具有往返结构的脉冲光纤激光器100，包括电路模组和光路模组，所述光路模组包括用于预放大级的第一光纤放大器10和用于主功率放大级的第二光纤放大器20，所述预放大级和所述主功率放大级共用同一多模半导体激光器18；所述第一光纤放大器10还包括一往返机构15，信号光往返两次经过所述往返机构15进行预放大；

所述往返机构15包括三端口环形器4、第一合束器12、第一增益光纤13和窄带反射镜14，且在所述单模半导体激光器3后接所述三端口环形器，依次连接所述第一合束器12、所述第一增益光纤13和所述窄带反射镜14，所述信号光经过所述第一增益光纤13进行预放大，所述窄带反射镜14将噪声滤除。更好的是，所述脉冲光纤激光器100是主振荡功率放大结构。

本发明采用独特的设计有效地缩小了激光器的体积，与现有技术不同之处是两级放大的泵浦源是同一个多模半导体激光器18，采用多模分束器17分为两束分别接入所述预放大级和所述主功率放大级。这种设计省去了一级多模半导体激光器及其驱动电路，有效缩减了电路板的尺寸和空间，光路同步缩小盘绕面积，实现了激光器的小型化，体积尺寸都小于同功率水平的普通1064nm窄脉宽光纤激光器。

本发明所述具有往返结构的脉冲光纤激光器100一个具体实施例子，如图2所示，所述光路模组还包括单模半导体激光器3、第一光在线隔离器6、模式匹配器7、窄带滤波器9、第二光在线隔离器16和输出跳线11；

所述第一光纤放大器10包括依次连接的所述多模半导体激光器18、多模分束器17和所述往返机构15，所述信号光经所述第一增益光纤13和所述多模半导体激光器18再经过所述多模分束器17分别接入所述预放大级和所述主功率放大级；所述第二光纤放大器20包括所述多模半导体激光器18、多模分束器17、第二合束器25和第二增益光纤26；优选的是，所述第一增益光纤13和所述第二增益光纤都是掺镱双包层光纤，以及所述三端口环形器4是1064nm三端口环形器，所述多模半导体激光器18是915nm多模半导体激光器，所述窄带反射镜14是1064nm窄带反射镜，所述信号光为1064nm信号光。

本发明的实施例中，所述电路模组包括种子源脉冲驱动电路19、种子源温控电路34、泵浦连续驱动电路31、控制电路32以及保护电路33共同构成脉冲电路部分，因非本发明核心部分在此不再赘述，针对窄脉宽种子源功率较小放大后信噪比较低的问题，往返机构15来改善掺镱双包层光纤和多模泵浦源的预放大级的增益特性和噪声特性，1064nm信号光往返回两次经过掺镱双包层光纤被放大，所述往返结构在作用上相当于同时增加了泵浦光的强度和增益光纤的长度，而且窄带反射镜14可以把大部分的噪声直接滤除，有效增加了与放大级的信噪比，所以此结构使预放大级的增益得到有效提高而且保持了很好的信噪比。

所述信号光经过所述第二光纤放大器20进行主功率放大，经过所述窄带滤波器9对噪声光滤除，再经所述第二光在线隔离器16后通过所述输出跳线11输出。

所述第一光纤放大器10和第二光纤放大器20都包括多模半导体激光器18、多模分束器17。此结构只用一个915nm多模泵浦源同时满足两个放大器的泵浦光需求，与普通两级放大方式相比省掉了预放大级915nm多模泵及其驱动电路。节省成本的同时有效节省了激光器空间，使激光器可以进一步小型化。

所述信号光由所述三端口环形器4控制光路传输方向，第一端口①输入的所述信号光只从第二端口②输出，所述第二端口②输入的信号光只从第三端口③输出。所述1064nm窄带滤波器有效滤除了主功率放大级产生的ASE噪声，提高了输出激光的信噪比。

更好的是，所述三端口环形器4内部三个端口设置的准直器都为准直扩束的准直器。

进一步地，所述第二光纤放大器20设置有正向泵浦或反向泵浦。在本实施例中介绍正向泵浦，反向泵浦的设置在接下来提到。二级主功率放大为常规的正向放大和反向放大两种结构，正向放大的优点在于放大器输出端的信噪比高于反向放大，受激拉曼散射(SRS，StimulatedRamanscattering)弱于反向放大；反向放大第二光纤放大器的优点在于放大器的增益能力高于正向放大。正向泵浦方式和反向泵浦方式在信号功率较小，放大器未饱和时性能几乎相同，在饱和工作区，反向泵浦方式的功率转换效率更高一些，因为此时放大自发辐射更低。

在如图2所示，所述第二光纤放大器20结构中设置的是正向泵浦，所述第二合束器26的信号输入端与模式匹配器连接，所述第二合束器的信号输出端与所述第二增益光纤连接，所述第二增益光纤26与窄带滤波器9输入端连接。

种子源脉冲驱动脉宽可调范围为800ps到100ns重复频率可调范围为1kHz到1MHz，下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。

单模半导体光纤激光器3脉宽为1ns重复频率为50KHz时输出功率为8uw，经过环形器4的①端口后进入第一合束器12的信号端，同时10w的915nm多模半导体激光器18输出泵浦光经过多模分束器17一分为二，20％端口的多模分束器17输出端与第一合束器12的泵浦端连接，第一合束器12与第一增益光纤13连接，1064nm信号光通过掺镱双包层光纤后被放大，传输到1064nm窄带反射镜14后反向再次通过第一增益光纤13再次进行放大，窄带反射镜14把1064nm信号光和少量带宽范围内的ASE(amplifiedspontaneousemission，放大的自发辐射)信号反射回光路，其它大部分ASE光通过反射镜14后输出到光路之外。反向传输的1064nm信号光经过1064nm三端口环形器4后沿3端口传输至第一光在线隔离器6，此时1064nm信号光的功率为82mw。经过预放大之后的信号光继续传输，主功率放大级采用正向泵浦结构，经过第二合束器15之后进入到第二增益光纤26，在此掺镱双包层光纤内进行主功率放大，放大后的信号光中夹杂着部分ASE噪声光，再经过1064nm窄带滤波器9对ASE噪声光进行进一步滤除，余下的信号光和少量噪声光经过第二光在线隔离器10后通过输出跳线11输出，输出端测得激光平均功率为1.08W，脉冲宽度1ns，重复频率50KHz，峰值功率21.6KW。

另一实施例中，如图3，所述第二光纤放大器20结构中设置的是反向泵浦，所述第二增益光纤26一端与所述模式匹配器7连接，另一端与所述第二合束器25的信号输出端连接，所述第二在线合束器25的信号输入端与所述窄带滤波器9输入端连接。

1064nm单模半导体光纤激光器3脉宽为1.5ns重复频率为50KHz时输出功率为14uw，经过三端口环形器4的1端口后进入第一合束器12的信号端，同时10w的915nm多模半导体激光器18输出泵浦光经过20:80的多模分束器17一分为二，20％端口的多模分束器17输出端与第一合束器12的泵浦端连接，第一合束器12与第一增益光纤13连接，1064nm信号光通过掺镱双包层光纤后被放大，传输到1064nm窄带反射镜14后反向再次通过第一增益光纤13再次进行放大，反射镜把1064nm信号光和少量带宽范围内的ASE信号反射回光路，其它大部分ASE光通过窄带反射镜14后输出到光路之外。反向传输的1064nm信号光经过1064nm三端口环形器4后沿第三端口③传输至第一光在线隔离器6,此时1064nm信号光的功率为62mw。经过预放大之后的信号光继续传输，主功率放大级采用反向泵浦结构，进入到第二增益光纤26，在此掺镱双包层光纤内进行主功率放大，放大后的信号光中夹杂着部分ASE噪声光，经过第二合束器14后再经过1064nm窄带滤波器9对ASE噪声光进行进一步滤除，余下的信号光和少量噪声光经过第二光在线隔离器16后通过输出跳线11输出，输出端测得激光平均功率为1.34W，脉冲宽度1.5ns，重复频率50KHz，峰值功率17.9KW。

综上所述，采用掺镱双包层光纤和同一915nm多模半导体激光器经过多模分束器一分二构成预放大级和主功率放大级，预放大级采用1064nm环形器和1064nm窄带反射镜等构成的特殊往返结构等独特设计，解决了目前普通窄脉宽1064nm脉冲光纤激光器的输出信噪比低、体积大等问题，实现了一种亚纳秒级窄脉宽、高信噪比、高功率、小体积的1064nm脉冲光纤激光器，极具应用价值。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有往返结构的脉冲光纤激光器，其特征在于，包括电路模组和光路模组，所述光路模组包括用于预放大级的第一光纤放大器和用于主功率放大级的第二光纤放大器，所述预放大级和所述主功率放大级共用同一多模半导体激光器；所述第一光纤放大器还包括一往返机构，信号光往返两次经过所述往返机构进行预放大。

2.根据权利要求1所述脉冲光纤激光器，其特征在于，所述往返机构包括三端口环形器、第一合束器、第一增益光纤和窄带反射镜，且在所述单模半导体激光器后接所述三端口环形器，依次连接所述第一合束器、所述第一增益光纤和所述窄带反射镜，所述信号光经过所述第一增益光纤进行预放大，所述窄带反射镜将噪声滤除；

所述光路模组还包括单模半导体激光器、第一光在线隔离器、模式匹配器、窄带滤波器、第二光在线隔离器和输出跳线；

所述第一光纤放大器包括依次连接的所述多模半导体激光器、多模分束器和所述往返机构，所述信号光经所述第一增益光纤和所述多模半导体激光器经过所述多模分束器分别接入所述预放大级和所述主功率放大级；所述第二光纤放大器包括所述多模半导体激光器、所述多模分束器、第二合束器和第二增益光纤；

所述信号光经过所述第二光纤放大器进行主功率放大，经过所述窄带滤波器对噪声光滤除，再经所述第二光在线隔离器后通过所述输出跳线输出。

3.根据权利要求2所述脉冲光纤激光器，其特征在于，所述三端口环形器是1064nm三端口环形器，所述多模半导体激光器是915nm多模半导体激光器，所述窄带反射镜是1064nm窄带反射镜，所述信号光为1064nm信号光。

4.根据权利要求2所述脉冲光纤激光器，其特征在于，所述三端口环形器控制光路传输方向，第一端口输入的所述信号光只从第二端口输出，所述第二端口输入的信号光只从第三端口输出。

5.根据权利要求3所述脉冲光纤激光器，其特征在于，所述三端口环形器内部三个端口设置的准直器都为准直扩束的准直器。

6.根据权利要求2所述脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤放大器设置有正向泵浦或反向泵浦。

7.根据权利要求6所述脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤放大器结构中设置的是正向泵浦，所述第二合束器的信号输入端与模式匹配器连接，所述第二合束器的信号输出端与所述第二增益光纤连接，所述第二增益光纤与所述窄带滤波器输入端连接。

8.根据权利要求6所述脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤放大器结构中设置的是反向泵浦，所述第二增益光纤一端与所述模式匹配器连接，另一端与所述第二合束器的信号输出端连接，所述第二在线合束器的信号输入端与所述窄带滤波器输入端连接。

9.根据权利要求2所述脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤都是掺镱双包层光纤。

10.根据权利要求1所述脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲光纤激光器是主振荡功率放大结构。