CN105762623B - 高功率单频脉冲全光纤激光器 - Google Patents

高功率单频脉冲全光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率单频脉冲全光纤激光器，包括单频连续激光种子源、强度调制组件、相位调制组件、信号发生组件和全光纤放大组件，所述单频连续激光种子源发出的种子光依次经过强度调制组件、相位调制组件和全光纤放大组件；所述强度调制组件产生脉冲激光，所述脉冲激光在全光纤放大组件中存在自相位调制效应，所述相位调制组件对脉冲激光施加一个相位调制，所述信号发生组件用来为强度调制组件和相位调制组件提供电驱动信号。本发明能够消除非线性相移引起的光谱展宽，使脉冲激光能够保持脉冲种子的单频特性。

Description

高功率单频脉冲全光纤激光器
技术领域
本发明主要涉及到光纤激光器领域，特指一种高功率单频脉冲全光纤激光器。
背景技术
高功率单频脉冲光纤激光在激光雷达和非线性频率变换等领域有广泛的需求。目前，通常采用调Q或者强度调制的方法获得低功率的单频脉冲种子，再通过一级或者多级光纤放大器进行功率放大。但是，光纤放大器中存在自相位调制效应，使激光的光谱发生展宽，从而降低了脉冲激光的相干性，影响了激光的作用效果。在传统方案中，自相位调制引起的光谱展宽和激光峰值功率成正相关，不能兼顾脉冲激光的高功率和单频这两个特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、能够消除非线性相移引起的光谱展宽，使脉冲激光能够保持脉冲种子单频特性的高功率单频脉冲全光纤激光器。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高功率单频脉冲全光纤激光器，包括单频连续激光种子源、强度调制组件、相位调制组件、信号发生组件和全光纤放大组件，所述单频连续激光种子源发出的种子光依次经过强度调制组件、相位调制组件和全光纤放大组件；所述强度调制组件产生脉冲激光，所述脉冲激光在全光纤放大组件中存在自相位调制效应，所述相位调制组件对脉冲激光施加一个相位调制，所述信号发生组件用来为强度调制组件和相位调制组件提供电驱动信号。
作为本发明的进一步改进：所述相位调制组件包括N-1个电信号延迟器和N个相位调制器，N为整数，且N≥1；所述N-1个电信号延迟器包括第一电信号延迟器、第二电信号延迟器，…，第N-1电信号延迟器30(N-1)；N个相位调制器包括第一相位调制器、第二相位调制器，…，第N相位调制器31N；
当N＝1时，所述第一相位调制器的输入光纤与强度调制组件的输出光纤相连，输出光纤与全光纤放大组件的输入光纤相连，电信号接收端与信号发生组件相连。
当N>1时，所述第一相位调制器的输入光纤与强度调制组件的输出光纤相连，输出光纤与第二相位调制器的输入光纤相连，电信号接收端与信号发生组件相连。
作为本发明的进一步改进：所述相位调制组件包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器3003、相位调制器和被动光纤；所述第一光纤耦合器具有A和B两个输入端口和一个输出端口，所述第二光纤耦合器具有C和D两个输出端口和一个输入端口；
作为本发明的进一步改进：所述第一光纤耦合器的输入端口A与强度调制组件的输出光纤相连，输入端口B与被动光纤的一端相连，输出端口与相位调制器的输入光纤相连；所述相位调制器的输入光纤与第一光纤耦合器的输出端口相连，输出光纤与第二光纤耦合器的输入端口相连，电信号接收端与信号发生组件相连；所述第二光纤耦合器的输入端口与相位调制器的输出光纤相连，输出端口C与全光纤放大组件的输入光纤相连，输出端口D与被动光纤的另一端相连；所述被动光纤的一端与第一光纤耦合器的输入端口B，另一端与所述第二光纤耦合器输出端口D相连。
作为本发明的进一步改进：选择被动光纤，并调节信号发生组件输出信号的脉冲周期T，使L＝c*T，其中，L为第一光纤耦合器的输入端口B、第二光纤耦合器的输出端口D、相位调制器和被动光纤构成的环形光路的光程，c为真空中的光速。
作为本发明的进一步改进：所述信号发生组件用来产生一对共轭的脉冲信号和暗脉冲信号，所述脉冲信号与所述强度调制组件的电信号接收端相连，所述暗脉冲信号与所述相位调制组件的电信号接收端相连。
作为本发明的进一步改进：所述脉冲信号和暗脉冲信号之间有一个延迟时间τ，τ等于脉冲激光从强度调制组件传输到相位调制组件所需的时间。
作为本发明的进一步改进：所述全光纤放大组件为多级级联放大器。
作为本发明的进一步改进：所述单频连续激光种子源为单频光纤激光器，或带尾纤的单频半导体激光器。
作为本发明的进一步改进：所述强度调制组件为电光强度调制器、或声光强度调制器，或采用电光强度调制器和声光强度调制器级联构成的强度调制器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的高功率单频脉冲全光纤激光器，结构原理简单、操作简便，其中单频连续激光种子源产生单频连续激光；信号发生器为强度调制系统和相位调制系统提供驱动信号；强度调制系统调制该单频连续激光，得到t时刻的归一化强度为I0(t)的单频脉冲种子；全光纤放大器对脉冲种子进行功率放大，但同时引入了不希望得到的非线性相移φ(t)＝I0(t)γPpeakLeff；相位调制系统对脉冲种子激光施加与一个与φ(t)共轭的调制相位，消除了非线性相移引起的光谱展宽，使经过全光纤放大器放大后的脉冲激光能够保持脉冲种子的单频特性。
附图说明
图1是本发明高功率单频脉冲全光纤激光器的结构示意图。
图2是本发明在具体应用实例1中的结构示意图。
图3是本发明在具体应用实例2中的结构示意图。
图例说明：
1、单频连续激光种子源；2、强度调制组件；3、相位调制组件；4、信号发生组件；5、全光纤放大组件；301、第一电信号延迟器；302、第二电信号延迟器；30(N-1)、第N-1电信号延迟器；311、第一相位调制器；312、第二相位调制器；31N、第N相位调制器；3002、第一光纤耦合器；3003、第二光纤耦合器；3004、相位调制器；3005、被动光纤。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的高功率单频脉冲全光纤激光器，包括单频连续激光种子源1、强度调制组件2、相位调制组件3、信号发生组件4和全光纤放大组件5，单频连续激光种子源1的输出光纤与强度调制组件2的输入光纤相连；强度调制组件2的输入光纤与单频连续激光种子源1的输出光纤相连，输出光纤与相位调制组件3的输入光纤相连，电信号接收端与信号发生组件4的脉冲信号相连；相位调制组件3的输入光纤与强度调制组件2的输出光纤相连，输出光纤与全光纤放大组件5的输入光纤相连，电信号接收端与信号发生组件4的暗脉冲信号相连；全光纤放大组件5的输入光纤与相位调制组件3的输出光纤相连。
信号发生组件4为强度调制组件2和相位调制组件3提供电驱动信号，它至少能够产生一对共轭的脉冲信号和暗脉冲信号。脉冲信号与强度调制组件2的电信号接收端相连，暗脉冲信号与相位调制组件3的电信号接收端相连。脉冲信号和暗脉冲信号之间有一个延迟时间τ，τ等于脉冲激光从强度调制组件2传输到相位调制组件3所需的时间。
全光纤放大组件5为多级级联放大器。
在具体应用实例中，单频连续激光种子源1根据实际需要，可以选择线宽<1MHz，可以是单频光纤激光器，也可以是带尾纤的单频半导体激光器。
在具体应用实例中，强度调制组件2可以采用电光强度调制器，也可以采用声光强度调制器，还可以采用电光强度调制器和声光强度调制器级联构成的强度调制组件。
在具体应用实例中，相位调制组件3包括N-1个电信号延迟器和N个相位调制器，N为整数，且N≥1；实际应用时，参见图2，N-1个电信号延迟器包括第一电信号延迟器301、第二电信号延迟器302，…，第N-1电信号延迟器30(N-1)；N个相位调制器包括第一相位调制器311、第二相位调制器312，…，第N相位调制器31N。
当N＝1时，第一相位调制器311的输入光纤与强度调制组件2的输出光纤相连，输出光纤与全光纤放大组件5的输入光纤相连，电信号接收端与信号发生组件4的暗脉冲信号相连。
当N>1时，第一相位调制器311的输入光纤与强度调制组件2的输出光纤相连，输出光纤与第二相位调制器312的输入光纤相连，电信号接收端与信号发生组件4的暗脉冲信号相连；第i个相位调制器31i的输入光纤与第i-1个相位调制器31(i-1)的输出光纤相连，输出光纤与第i+1个相位调制器31(i+1))的输入光纤相连，电信号接收端与第i-1个电信号延迟器30(i-1)的信号输出端相连，i＝2，3，…，N-1；第N个相位调制器31N的输入光纤与第N-1个相位调制器31(N-1))的输出光纤相连，输出光纤与全光纤放大组件5的输入光纤相连，电信号接收端与第N-1个电信号延迟器30(N-1)的信号输出端相连。
第一电信号延迟器301的信号接收端与信号发生组件4的暗脉冲信号相连，信号输出端同时与第二相位调制器312和第二电信号延迟器302的电信号接收端相连；第j个电信号延迟器30j的信号接收端与信电信号延迟器30(j-1)信号输出端相连，信号输出端同时与相位调制器31(j+1)和第j+1个电信号延迟器30(j+1)的电信号接收端相连，j＝2，3，…，N-2；第N-1个电信号延迟器30(N-1)的信号接收端与第N-2个电信号延迟器30(N-2)信号输出端相连，信号输出端与第N个相位调制器31N的电信号接收端相连。第k个电信号延迟器30k的延迟时间等于脉冲激光从第k-1个相位调制器31k传输到第k+1个相位调制器31(k+1))所需的时间，k＝1，2，…，N-1。
参见图3，在另外一个应用实例中，相位调制组件3也可以包括2个光纤耦合器(即第一光纤耦合器3002和第二光纤耦合器3003)、相位调制器3004和被动光纤3005。其中，第一光纤耦合器3002具有A和B两个输入端口和一个输出端口，第二光纤耦合器3003具有C和D两个输出端口和1个输入端口。
第一光纤耦合器3002的输入端口A与强度调制组件2的输出光纤相连，输入端口B与被动光纤3005的一端相连，输出端口与相位调制器3004的输入光纤相连；相位调制器3004的输入光纤与第一光纤耦合器3002的输出端口相连，输出光纤与第二光纤耦合器3003的输入端口相连，电信号接收端与信号发生组件4的暗脉冲信号相连；第二光纤耦合器3003的输入端口与相位调制器3004的输出光纤相连，输出端口C与全光纤放大组件5的输入光纤相连，输出端口D与被动光纤3005的另一端相连；被动光纤3005的一端与第一光纤耦合器3002的输入端口B，另一端与第二光纤耦合器3003输出端口D相连。
具体应用时，根据实际需要选择一定长度的被动光纤3005，并调节信号发生组件4输出信号的脉冲周期T，使L＝c*T，其中，L为第一光纤耦合器3002的输入端口B、第二光纤耦合器3003的输出端口D、相位调制器3004和被动光纤3005构成的环形光路的光程，c为真空中的光速。
工作原理：单频连续激光种子源1发出的种子光依次经过强度调制组件2、相位调制组件3和全光纤放大组件5。强度调制组件2产生t时刻的归一化强度为I0(t)的脉冲激光，该脉冲激光在全光纤放大组件5中存在自相位调制效应，将引入一个随时间t变化的非线性相移φ(t)＝I0(t)γPpeakLeff(γ为非线性参量，Ppeak为脉冲激光的峰值功率，Leff为光纤的有效长度)，从而导致输出激光的光谱发生展宽。相位调制组件3对脉冲激光施加一个与φ(t)共轭的相位调制，即t时刻的调制相位θ(t)＝-φ(t)。信号发生组件4为强度调制组件2和相位调制组件3提供电驱动信号。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高功率单频脉冲全光纤激光器，其特征在于，包括单频连续激光种子源(1)、强度调制组件(2)、相位调制组件(3)、信号发生组件(4)和全光纤放大组件(5)，所述单频连续激光种子源(1)发出的种子光依次经过强度调制组件(2)、相位调制组件(3)和全光纤放大组件(5)；所述强度调制组件(2)产生脉冲激光，所述脉冲激光在全光纤放大组件(5)中存在自相位调制效应，所述相位调制组件(3)对脉冲激光施加一个与φ(t)共轭的相位调制；
所述信号发生组件(4)用来产生一对共轭的脉冲信号和暗脉冲信号，所述脉冲信号与所述强度调制组件(2)的电信号接收端相连，所述暗脉冲信号与所述相位调制组件(3)的电信号接收端相连；
所述脉冲信号和暗脉冲信号之间有一个延迟时间τ，τ等于脉冲激光从强度调制组件(2)传输到相位调制组件(3)所需的时间；
所述相位调制组件(3)包括N-1个电信号延迟器和N个相位调制器，N为整数，且N≥1；所述N-1个电信号延迟器包括第一电信号延迟器(301)、第二电信号延迟器(302)，…，第N-1电信号延迟器(30(N-1))；N个相位调制器包括第一相位调制器(311)、第二相位调制器(312)，…，第N相位调制器(31N)；
当N＝1时，所述第一相位调制器(311)的输入光纤与强度调制组件(2)的输出光纤相连，输出光纤与全光纤放大组件(5)的输入光纤相连，电信号接收端与信号发生组件(4)相连；
当N>1时，所述第一相位调制器(311)的输入光纤与强度调制组件(2)的输出光纤相连，输出光纤与第二相位调制器(312)的输入光纤相连，电信号接收端与信号发生组件(4)相连。
2.根据权利要求1所述的高功率单频脉冲全光纤激光器，其特征在于，所述全光纤放大组件(5)为多级级联放大器。
3.根据权利要求1所述的高功率单频脉冲全光纤激光器，其特征在于，所述单频连续激光种子源(1)为单频光纤激光器，或带尾纤的单频半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的高功率单频脉冲全光纤激光器，其特征在于，所述强度调制组件(2)为电光强度调制器、或声光强度调制器，或采用电光强度调制器和声光强度调制器级联构成的强度调制器。
5.一种高功率单频脉冲全光纤激光器，其特征在于，包括单频连续激光种子源(1)、强度调制组件(2)、相位调制组件(3)、信号发生组件(4)和全光纤放大组件(5)，所述单频连续激光种子源(1)发出的种子光依次经过强度调制组件(2)、相位调制组件(3)和全光纤放大组件(5)；所述强度调制组件(2)产生脉冲激光，所述脉冲激光在全光纤放大组件(5)中存在自相位调制效应；
所述相位调制组件(3)对脉冲激光施加一个与φ(t)共轭的相位调制；
所述信号发生组件(4)用来产生一对共轭的脉冲信号和暗脉冲信号，所述脉冲信号与所述强度调制组件(2)的电信号接收端相连，所述暗脉冲信号与所述相位调制组件(3)的电信号接收端相连；
所述脉冲信号和暗脉冲信号之间有一个延迟时间τ，τ等于脉冲激光从强度调制组件(2)传输到相位调制组件(3)所需的时间；
所述相位调制组件(3)包括第一光纤耦合器(3002)、第二光纤耦合器(3003)、相位调制器(3004)和被动光纤(3005)；所述第一光纤耦合器(3002)具有A和B两个输入端口和一个输出端口，所述第二光纤耦合器(3003)具有C和D两个输出端口和一个输入端口；
所述第一光纤耦合器(3002)的输入端口A与强度调制组件(2)的输出光纤相连，输入端口B与被动光纤(3005)的一端相连，输出端口与相位调制器(3004)的输入光纤相连；所述相位调制器(3004)的输入光纤与第一光纤耦合器(3002)的输出端口相连，输出光纤与第二光纤耦合器(3003)的输入端口相连，电信号接收端与信号发生组件(4)相连；所述第二光纤耦合器(3003)的输入端口与相位调制器(3004)的输出光纤相连，输出端口C与全光纤放大组件(5)的输入光纤相连，输出端口D与被动光纤(3005)的另一端相连；所述被动光纤(3005)的一端与第一光纤耦合器(3002)的输入端口B，另一端与所述第二光纤耦合器(3003)输出端口D相连。
6.根据权利要求5所述的高功率单频脉冲全光纤激光器，其特征在于，所述全光纤放大组件(5)为多级级联放大器。
7.根据权利要求5所述的高功率单频脉冲全光纤激光器，其特征在于，所述单频连续激光种子源(1)为单频光纤激光器，或带尾纤的单频半导体激光器。
8.根据权利要求5所述的高功率单频脉冲全光纤激光器，其特征在于，所述强度调制组件(2)为电光强度调制器、或声光强度调制器，或采用电光强度调制器和声光强度调制器级联构成的强度调制器。
9.根据权利要求5所述的高功率单频脉冲全光纤激光器，其特征在于，选择被动光纤(3005)，并调节信号发生组件(4)输出信号的脉冲周期T，使L＝c*T，其中，L为第一光纤耦合器(3002)的输入端口B、第二光纤耦合器(3003)的输出端口D、相位调制器(3004)和被动光纤(3005)构成的环形光路的光程，c为真空中的光速。
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