CN105140761B - 一种窄脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光技术领域，提供了一种窄脉冲光纤激光器，包括依次连接的脉冲激光发射器、前级光纤激光放大器、光脉冲频移压窄线及后级光纤激光放大器，前级光纤激光放大器对脉冲激光发射器输出的光脉冲进行放大，放大后的光脉冲在光脉冲频移压窄线中产生包含受激布里渊散射、拉曼散射、四波混频的非线性效应，使能量由波前向尾部汇集，并使波长向长波长方向频移，后级光纤激光放大器对光脉冲进行放大获得窄脉冲。本发明不需要增加光纤激光放大器的增益或数量，降低了成本和系统的可靠性；不需要增加输入光信号的重复频率，不会导致单脉冲能量的减少；也不需提高对脉冲激光发射器的性能要求，是一种能够有效压窄脉宽并提高单脉冲能量的激光器。

Description

一种窄脉冲光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别涉及一种窄脉冲光纤激光器。

背景技术

光纤激光器被广泛应用在工业焊接、切割、打标、雕刻等工业领域，以及医疗、自由空间传输、军事、传感等领域。特别是近年来脉冲光纤激光器得到了广泛的应用推广。但是，由增益光纤对光脉冲的压窄对光脉冲的压窄有一定的局限性，如在通常的纳秒MOPA脉冲光纤激光器中，种子源的光脉冲宽度一般为200ns，经过光纤放大器后，光脉冲通常只能压窄到几十纳秒。为了获得更窄的光脉冲，就需要使用高速调制的种子源获得窄脉冲的光信号，这无疑增加了对种子源的要求；而且，窄脉冲宽度的输入光信号将导致较低的输入信号光功率，为了达到目标光功率，就需要增加光纤激光放大器的增益或者增加光纤激光放大器的数量，这无疑增加了系统成本并降低了系统的可靠性；另一方面，在上述窄脉冲宽度输入光信号的情况下，为了增加输入光信号功率，就需要增加信号光的重复频率，因此又会导致单脉冲能量的减少。因此，现有技术仍缺乏一种有效的压窄激光脉冲的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种窄脉冲光纤激光器，旨在有效压窄激光脉冲宽度。

本发明是这样实现的，一种窄脉冲光纤激光器，包括依次连接的脉冲激光发射器、前级光纤激光放大器、光脉冲频移压窄线及后级光纤激光放大器，所述前级光纤激光放大器对所述脉冲激光发射器输出的光脉冲进行放大，放大后的光脉冲在所述光脉冲频移压窄线中产生至少包含受激布里渊散射、拉曼散射、四波混频的非线性效应，使所述光脉冲的能量由波前向尾部汇集，并使波长向长波长方向频移，所述后级光纤激光放大器对所述光脉冲频移压窄线输出的光脉冲进行放大，获得窄脉冲。

本发明在前级脉冲光纤激光放大器和后级脉冲光纤激光放大器之间设置光脉冲频移压窄线，通过前级脉冲光纤激光放大器将光脉冲放大到一定程度后，使之在光脉冲频移压窄线中实现非线性效应，使能量向脉冲尾部汇聚，进而使脉冲宽度变窄，再通过后级脉冲光纤激光放大器放大，形成高功率的窄脉冲。该窄脉冲光纤激光器与传统技术相比，不需要增加光纤激光放大器的增益或数量，降低了成本和系统的可靠性；不需要增加输入光信号的重复频率，不会导致单脉冲能量的减少；也不需提高对脉冲激光发射器的性能要求，是一种能够有效压窄脉宽并提高单脉冲能量的激光器。

附图说明

图1是本发明实施例提供的窄脉冲光纤激光器的结构示意图(一)；

图2是本发明实施例提供的窄脉冲光纤激光器的压窄脉宽原理图；

图3是本发明实施例提供的窄脉冲光纤激光器的结构示意图(二)。

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。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参考图1，本发明实施例提供一种窄脉冲光纤激光器，包括依次连接的脉冲激光发射器1、前级光纤激光放大器2、光脉冲频移压窄线3(为光纤结构)及后级光纤激光放大器4，脉冲激光发射器1发出一定宽度的光脉冲，该光脉冲进入前级光纤激光放大器2，被放大的光脉冲在光脉冲频移压窄线3中产生至少包含受激布里渊散射、拉曼散射、四波混频的非线性效应，使光脉冲的能量由波前向尾部汇集，同时波长向长波长方向频移，后级光纤激光放大器4对光脉冲频移压窄线3输出的光脉冲进行再次放大，获得高功率的窄脉冲。

具体参考图2，以下结合具体实施例和数据对该窄脉冲光纤激光器的工作原理进行阐述：

如图a，脉冲激光发射器1输出1064nm方形脉冲，宽度10～200ns，调制重复频率30KHz～1MKz，图a以脉冲宽度为150ns为例；

如图b，前级脉冲光纤激光放大器2将该光脉冲放大，放大后平均功率为400mW～1500mW，光脉冲宽度不变，放大后的光脉冲由波前向尾部呈下降趋势。

如图c，被放大的光脉冲进入光脉冲移频压窄线3，由于其峰值功率足够高，使其在光脉冲频移压窄线3中产生受激布里渊散射、拉曼散射、四波混频等非线性效应，使其波形发生变化，能量由波前向尾部汇集，即向下降沿汇聚，同时发生向长波长方向的频移；

如图d，由光脉冲频移压窄线3输出的光脉冲被后级脉冲光纤激光放大器4放大到20W的平均光功率，放大后脉冲尾部汇集的能量远远大于波前的能量，后续通过滤波等方式获得约1～4ns的高峰值功率窄脉冲。

以上数据仅是一种实施例，本发明的技术方案不局限于上述数据。

另外，脉冲激光发射器1输出的光脉冲波形不局限于方波，在前级脉冲光纤激光发大器2放大后的波形也可以是平坦的方波而不一定具有下降沿。

进一步的，光脉冲在光脉冲频移压窄线3中的频移和能量转移的程度是由非线性效应的强度影响的，非线性效应强度越大，能量转移越大，脉冲越窄，而非线性效应是受到输入光脉冲的功率、光脉冲频移压窄线3的长度、芯径决定的，芯径越细、长度越长、输入功率越大，非线性效应越强。因此，可以根据前级脉冲光纤激光放大器2放大后的平均光功率，调节光脉冲移频压窄线3的长度，在获得预定强度的非线性效应的情况下，光脉冲峰值功率越高，光脉冲移频压窄线3的长度可以更短，反之光脉冲峰值功率越低，光脉冲移频压窄线3就需要更长。当然，提高光脉冲峰值功率和延长压窄线3的长度均能够增强非线性效应，在实际中，通常将光脉冲峰值功率的可放大程度和压窄线的长度成本及布线结构综合考虑。

在本实施例中，前级光纤激光放大器2可输出400mW～1500mW的平均光功率，光脉冲频移压窄线3的长度为100～800m可调。适当调整前级光纤激光器放大器2的平均输出功率和光脉冲频移压窄线3的长度均可以实现预计结果，如前级光纤激光放大器2的平均输出功率为1200mW，光脉冲频移压窄线3的芯径为6微米，长度为400m时，可以得到脉宽2ns、重复频率为200KHz的窄脉冲输出。

在本发明实施例中，非线性效应越强，其导致的频移也越大，而该频移通常不会制约脉冲的压窄程度，其产生的负面影响极小。

在本发明实施例中，光脉冲的压窄宽度由非线性效应决定，后级光纤激光放大器4对光脉冲的放大作用影响光脉冲的功率，同时也可以对聚集在下降沿处的光脉冲进行选择性放大，而不对脉冲前沿的小能量残余脉冲进行放大，从而最终输出单一窄脉冲，通常，最终由后级光纤激光放大器4输出的光脉冲的宽度可以达到脉冲激光发射器1输出的光脉冲宽度的1/10～1/100，如将上述1064nm、宽度约为10～200ns的脉冲压窄到1～2ns，同时，其脉冲峰值功率也可达到20W，可见，本发明可以同时实现压窄脉冲和提高单脉冲能量。

在本发明实施例中，脉冲激光发射器1可以采用腔外调制或腔内调制的调Q脉冲光纤激光发射器，或直接调制的半导体激光器，或者其派生出的其他类似脉冲激光发射器。

作为一种实施例，如图3，脉冲激光发射器1包括依次连接的第一泵浦源11、第一泵浦合束器12及掺杂增益介质的第一有源光纤13，在第一泵浦合束器12连接第一泵浦源11的一侧还设有全反光栅14，在第一有源光纤13的另一端设有低反光栅15，在低反光栅15的输出端设置光开关16。作为另一种实施例，还可以将光开关16置于低反光栅15的输出侧，即内调制结构。

进一步参考图3，前级脉冲光纤激光放大器2包括依次连接的第二泵浦源21、第二泵浦合束器22及掺杂增益介质的第二有源光纤23；第二泵浦合束22器连接第二泵浦源21的一端直接或间接连接脉冲激光发射器1的输出光纤17，第二有源光纤23直接或间接连接光脉冲频移压窄线3的输入端。后级脉冲激光放大器4包括第三泵浦源41、第三泵浦合束器42及掺杂增益介质的第三有源光纤43；第三泵浦合束器42连接第三泵浦源41的一端直接或间接连接光脉冲频移压窄线3的输出端。具体的，该前级脉冲光纤激光放大器2和后级脉冲激光放大器4可采用915nm多模激光器为泵浦源，采用铒镱共掺有源双包层光纤为有源光纤。

以上仅为一种可行的实施例，本发明中的脉冲激光发射器1、前级脉冲光纤激光放大器2和后级脉冲光纤激光放大器4的结构不局限于以上实施例。

本发明在前级脉冲光纤激光放大器和后级脉冲光纤激光放大器之间设置光脉冲频移压窄线，通过前级脉冲光纤激光放大器将光脉冲放大到一定程度后，使之在光脉冲频移压窄线中实现非线性效应，使能量向脉冲尾部汇聚，进而使脉冲宽度变窄，再通过后级脉冲光纤激光放大器放大，形成高功率的窄脉冲。该窄脉冲光纤激光器与传统技术相比，不需要增加光纤激光放大器的增益或数量，降低了成本和系统的可靠性；不需要增加输入光信号的重复频率，不会导致单脉冲能量的减少；也不需提高对脉冲激光发射器的性能要求。该激光器是一种能够有效压窄脉宽并提高单脉冲能量的激光器。对于级联式脉冲光纤激光器和放大器系统，引入该光脉冲移频压窄线可以十分有效地压窄输入光脉冲的宽度。

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 (10)

1.一种窄脉冲光纤激光器，其特征在于，包括依次连接的脉冲激光发射器、前级光纤激光放大器、光脉冲频移压窄线及后级光纤激光放大器，所述前级光纤激光放大器对所述脉冲激光发射器输出的光脉冲进行放大，放大后的光脉冲在所述光脉冲频移压窄线中产生至少包含受激布里渊散射、拉曼散射、四波混频的非线性效应，使所述光脉冲的能量由波前向尾部汇集，并使波长向长波长方向频移，所述后级光纤激光放大器对所述光脉冲频移压窄线输出的光脉冲进行放大，获得窄脉冲；所述后级光纤激光放大器对聚集在尾部的光脉冲进行选择性放大，输出单一窄脉冲，由所述后级光纤激光放大器输出的光脉冲的宽度为脉冲激光发射器输出的光脉冲宽度的1/100～1/10。

2.如权利要求1所述的窄脉冲光纤激光器，其特征在于，所述前级光纤激光放大器输出的光脉冲的功率越大，所述光脉冲频移压窄线的长度越短。

3.如权利要求1所述的窄脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲激光发射器输出的光脉冲的宽度越小，所述非线性效应越明显。

4.如权利要求1所述的窄脉冲光纤激光器，其特征在于，所述前级光纤激光放大器输出的光脉冲具有由波前向尾部下降的趋势。

5.如权利要求1所述的窄脉冲光纤激光器，其特征在于，所述后级光纤激光放大器输出的光脉冲的宽度为所述脉冲激光发射器输出的光脉冲宽度的1/50～1/100。

6.如权利要求5所述的窄脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲激光发射器输出光脉冲的宽度为10～200ns，所述后级光纤激光放大器输出的光脉冲的宽度为1～4ns。

7.如权利要求1或5或6所述的窄脉冲光纤激光器，其特征在于，所述后级光纤激光放大器输出的光脉冲的峰值功率为所述前级光纤激光放大器输出光脉冲的峰值功率的100～10000倍。

8.如权利要求7所述的窄脉冲光纤激光器，其特征在于，所述前级光纤激光放大器输出光脉冲的平均功率为400mW～1500mW，所述后级光纤激光放大器输出的光脉冲的平均功率为20W。

9.如权利要求1所述的窄脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲激光发射器采用腔外调制或腔内调制的调Q脉冲光纤激光发射器或者直接调制的半导体激光器。

10.如权利要求1所述的窄脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光脉冲频移压窄线的长度为100～800m。