CN106602392A - 一种用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，包括：主振荡级光纤种子源系统和光纤放大器系统，所述主振荡级光纤种子源系统，用于输出特定脉宽和重频的纳秒级脉冲信号，所述纳秒级脉冲信号光的脉宽为1ns—10ns，所述纳秒级脉冲信号光的重频为100KHZ—1MHZ；光纤放大器系统器包括第一级光纤预放大器、第二级主放大器，用于通过二级放大方式将所述纳秒级脉冲信号放大后输出。本发明设计简单、结构紧凑，不需要多级光纤放大器对种子光进行功率放大才能达到光源参数要求，同时有效降低光源的生产成本。
Description
技术领域
本发明属于激光技术和光学领域，尤其涉及一种用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器。
背景技术
激光雷达系统结合了光探测技术和距离测量技术，能够同时获得方位、俯仰、距离、强度等信息，在森林结构估计、城市建设、智能制造、无人驾驶、农业、航空航天等领域有广泛的应用。作为激光雷达的重要组成部分，激光器系统的参数在很大程度上决定了激光雷达系统的整体性能。目前，普遍采用的光源有脉冲半导体激光器，它具有重量轻、低成本、高重复频率、高效率等特点,但它需要脉冲发生器对脉冲进行调制，使脉宽尽量窄，上升沿尽量陡来满足较高的探测精度要求。另外半导体激光器的峰值功率一般在百瓦量级以下，只能进行近程探测。固体激光器可以产生高峰值功率和短脉冲激光输出，但固体激光器很难获得较高的重复频率，且输出激光的光束质量也不是很理想，一般在高峰值功率下较难获得单模激光输出。
全光纤脉冲激光器具有如下优点：(1)光束质量高。光纤的纤芯直径在几个微米的量级，能大大地提高激光器的光束质量，极大地提升了激光雷达系统的测量范围、测距精度和分辨率等性能。(2)散热好。光纤激光器的体积很小，高功率运转时也只需要风冷。(3)体积小。光纤具有良好的柔性，使得激光器可以设计得相当小巧、结构紧凑、易于集成，并且在高冲击、强震动、高温度、大灰尘等相对恶劣的环境中也能工作。(4)良好的光谱特性。通过改变不同掺杂的增益光纤和与之相匹配的光纤元器件，可以实现不同波长的激光输出。因此，将全光纤激光器应用于激光雷达上具有很大的优势。调Q光纤激光器作为备选光源，往往需要结构较复杂的声光调制器实现光源脉宽参数要求，且重频一般为10-200KHz，脉宽为数十纳秒，难以保证较高的测量精度；以半导体激光器为种子源的MOPA结构光纤激光器作为备选光源，由于一般种子源的功率为微瓦量级，需要多级光纤放大器对种子光进行功率放大才能达到光源参数要求，成本相对较高。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种低重频高峰值功率、结构紧凑、散热效果好的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器。
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案。
一种用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，包括：主振荡级光纤种子源系统和光纤放大器系统，所述主振荡级光纤种子源系统，用于输出特定脉宽和重频的纳秒级脉冲信号，光纤放大器系统器，用于将所述纳秒级脉冲信号放大后输出。
主振荡级光纤种子源系统包括：第一泵浦源和谐振腔，其中，所述谐振腔包含：第一波分复用器、第一增益光纤、光耦合器、激光锁模装置、单模传输光纤，第一波分复用器、第一增益光纤、光耦合器、激光锁模装置、单模传输光纤依次光学连接形成闭合环形腔。
第一泵浦源连接第一波分复用器的泵浦光输入端，第一波分复用器的公共输出端连接第一增益光纤的一端，第一增益光纤的另一端连接光耦合器的输入端，光耦合器的第一输出端连接激光锁模装置的输入端，光耦合器的第二输出端连接光纤放大系统，激光锁模装置的输出端连接单模传输光纤的一端，单模传输光纤的另一端连接第一波分复用器的信号光输入端。
第一泵浦源提供的第一泵浦光经过第一波分复用器被耦合传输至第一增益光纤，经过增益放大后通过光耦合器传输至激光锁模装置，产生特定脉宽和重复频率的纳秒级脉冲信号，所述纳秒级脉冲信号依次经过单模传输光纤、第一波分复用器、第一增益光纤，经过增益放大后，一部分纳秒级脉冲信号由光耦合器的第二输出端输出腔外，一部分纳秒级脉冲信号由光耦合器的第一输出端输出在谐振腔内继续振荡。
光纤放大器系统包括：第一光隔离器、第二光隔离器、第一级光纤预放大器、第二级主放大器以及脉冲输出装置，第一级光纤预放大器包含：第二泵浦源、第二波分复用器和第二增益光纤，第二级主放大器包含：第三泵浦源、光合束器和第三增益光纤，
第二泵浦源连接第二波分复用器的泵浦光输入端，第二波分复用器的信号光输入端连接第一光隔离器的输出端，第一光隔离器的输入端连接光耦合器的第二输出端，第二波分复用器的公共输出端连接第二增益光纤的一端，第二增益光纤的另一端连接第二光隔离器的输入端，第二光隔离器的输出端连接光合束器的信号光输入端，第三泵浦源连接光合束器的泵浦光输入端，光合束器的公共输出端连接第三增益光纤的一端，第三增益光纤的另一端连接脉冲输出装置。
主振荡级光纤种子源系统中光耦合器的第二输出端输出的纳秒级脉冲信号通过第一光隔离器后传输至第一级光纤预放大器，通过第二波分复用器被耦合进入第二增益光纤，同时第二泵浦源提供的第二泵浦光通过第二波分复用器被耦合也进入第二增益光纤，所述纳秒级脉冲信号和第二泵浦光经增益放大后产生第一激光，然后第一激光经过第二光隔离器后进入第二级光纤主放大器中的光合束器，同时第三泵浦源提供的第三泵浦光也进入第二级光纤主放大器中的光合束器，第一激光和第三泵浦光被耦合产生第二激光，然后第一激光进入第三增益光纤进行增益放大，产生高功率脉冲激光，最后经过脉冲输出装置输出。
作为优选，所述第一增益光纤、第二增益光纤、第三增益光纤分别由掺杂稀土元素铒或镱的有源光纤组成。
作为优选，所述激光锁模装置为碳纳米管可饱和吸收体。
作为优选，所述激光锁模装置为石墨烯可饱和吸收体。
作为优选，所述激光锁模装置为半导体可饱和吸收镜和光纤环形器，其中，半导体可饱和吸收镜连接光纤环形器的反射端，光纤环形器的输入端连接光耦合器的第一输出端，光纤环形器的输出端连接单模传输光纤的一端。
作为优选，所述纳秒级脉冲信号光的脉宽为1ns—10ns，所述纳秒级脉冲信号光的重频为100KHZ—1MHZ。
作为优选，单模传输光纤为零色散点在1310±10nm的单模光纤。
作为优选，单模传输光纤色散补偿光纤，其中，所述色散补偿光纤在1.5μm处为正色散。
作为优选，单模传输光纤由零色散点为1310±10nm的单模光纤和色散补偿光纤组成。
本发明的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，包括：主振荡级光纤种子源系统和光纤放大器系统，所述主振荡级光纤种子源系统，用于输出特定脉宽和重频的纳秒级脉冲信号，所述纳秒级脉冲信号光的脉宽为1ns—10ns，所述纳秒级脉冲信号光的重频为100KHZ—1MHZ；光纤放大器系统器包括第一级光纤预放大器、第二级主放大器，用于通过二级放大方式将所述纳秒级脉冲信号放大后输出。本发明设计简单、结构紧凑，不需要多级光纤放大器对种子光进行功率放大才能达到光源参数要求，同时有效降低光源的生产成本。
附图说明
图1为本发明的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明主振荡级光纤种子源系统的结构示意图；
图3为本发明以半导体可饱和吸收镜和光纤环形器作为激光锁模装置的主振荡级系统的结构示意图；
图4为本发明的光纤放大器结构示意图。
其中，100.主振荡级光纤种子源系统，200.光纤放大器系统，1.第一泵浦源，2.第一波分复用器，3.第一增益光纤，4.光耦合器，41.光耦合器第二输出端，5.激光锁模装置，6.单模传输光纤，7.第一光隔离器，8.第二光隔离器，9.第二泵浦源，10.第二波分复用器，11.第二增益光纤，12.第三泵浦源，13.光合束器，14.第三增益光纤，15.光纤环形器，16.半导体可饱和吸收镜。
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，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供一种用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，包括：主振荡级光纤种子源系统和光纤放大器系统，所述主振荡级光纤种子源系统，用于输出特定脉宽和重频的纳秒级脉冲信号，光纤放大器系统器，用于将所述纳秒级脉冲信号放大后输出。
如图2所示，主振荡级光纤种子源系统包括：第一泵浦源和谐振腔，其中，所述谐振腔包含：第一波分复用器、第一增益光纤、光耦合器、激光锁模装置、单模传输光纤，第一波分复用器、第一增益光纤、光耦合器、激光锁模装置、单模传输光纤依次光学连接形成的闭合环形腔。
第一泵浦源连接第一波分复用器的泵浦光输入端，第一波分复用器的公共输出端连接第一增益光纤的一端，第一增益光纤的另一端连接光耦合器的输入端，光耦合器的第一输出端连接激光锁模装置的输入端，光耦合器的第二输出端连接光纤放大系统，激光锁模装置的输出端连接单模传输光纤的一端，单模传输光纤的另一端连接第一波分复用器的信号光输入端。
第一泵浦源提供的第一泵浦光经过第一波分复用器被耦合传输至第一增益光纤，经过增益放大后通过光耦合器传输至激光锁模装置，产生特定脉宽和重复频率的纳秒级脉冲信号，所述纳秒级脉冲信号依次经过单模传输光纤、第一波分复用器、第一增益光纤，经过增益放大后，一部分纳秒级脉冲信号由光耦合器的第二输出端输出腔外，一部分纳秒级脉冲信号由光耦合器的第一输出端输出在谐振腔内继续振荡；光耦合器具有分束作用实现激光输出，光耦合器的第一输出端口输出30％的纳秒级脉冲信号，光耦合器的第二输出端口输出70％的纳秒级脉冲信号。
如图4所示，光纤放大器系统包括：第一光隔离器、第二光隔离器、第一级光纤预放大器、第二级主放大器以及脉冲输出装置，第一级光纤预放大器包含：第二泵浦源、第二波分复用器和第二增益光纤，第二级主放大器包含：第三泵浦源、光合束器和第三增益光纤。
第二泵浦源连接第二波分复用器的泵浦光输入端，第二波分复用器的信号光输入端连接第一光隔离器的输出端，第一光隔离器的输入端连接光耦合器的第二输出端，第二波分复用器的公共输出端连接第二增益光纤的一端，第二增益光纤的另一端连接第二光隔离器的输入端，第二光隔离器的输出端连接光合束器的信号光输入端，第三泵浦源连接光合束器的泵浦光输入端，光合束器的公共输出端连接第三增益光纤的一端，第三增益光纤的另一端连接脉冲输出装置。
主振荡级光纤种子源系统中光耦合器的第二输出端输出的纳秒级脉冲信号通过第一光隔离器后传输至第一级光纤预放大器，通过第二波分复用器被耦合进入第二增益光纤，同时第二泵浦源提供的第二泵浦光通过第二波分复用器被耦合也进入第二增益光纤，所述纳秒级脉冲信号和第二泵浦光经增益放大后产生第一激光，然后第一激光经过第二光隔离器后进入第二级光纤主放大器中的光合束器，同时第三泵浦源提供的第三泵浦光也进入第二级光纤主放大器中的光合束器，第一激光和第三泵浦光被耦合产生第二激光，然后第一激光进入第三增益光纤进行增益放大，产生高功率脉冲激光，最后经过脉冲输出装置输出。
作为优选，所述第一增益光纤、第二增益光纤、第三增益光纤分别由掺杂稀土元素铒或镱的有源光纤组成。
作为优选，所述激光锁模装置为碳纳米管可饱和吸收体。
作为优选，所述激光锁模装置为石墨烯可饱和吸收体。
作为优选，所述激光锁模装置为半导体可饱和吸收镜和光纤环形器，其中，如图3所示，半导体可饱和吸收镜连接光纤环形器的反射端，光纤环形器的输入端连接光耦合器的第一输出端，光纤环形器的输出端连接单模传输光纤的一端。
作为优选，所述纳秒级脉冲信号光的脉宽为1ns—10ns，所述纳秒级脉冲信号光的重频为100KHZ—1MHZ。
作为优选，单模传输光纤为由符合ITU-T G.652.D标准且零色散点在1310±10nm的单模光纤组成
作为优选，单模传输光纤由色散补偿光纤(DCF)组成，其中，所述色散补偿光纤在1.5μm处为正色散。
作为优选，单模传输光纤由符合ITU-T G.652.D标准且零色散点为1310±10nm的单模光纤和色散补偿光纤(DCF)组成。
在环形谐振腔中，锁模脉冲激光的重复频率f由公式：f＝C/nL计算出，其中，C为光速，n为折射率，L是谐振腔的总腔长，所述总腔长包含第一增益光纤和单模传输光纤长度，所述谐振腔长度为200m—1000m，其中第一增益光纤长度为2m，通过改变单模传输光纤长度，进而改变整个谐振腔腔长来改变重复频率，当腔长为200m-1000m时，激光脉冲的重复频率为100kHZ-1MHZ。通过延长单模传输光纤的长度增大整体腔长，有效降低谐振腔内锁模脉冲的重复频率，并实现数纳秒的窄脉宽输出。环形谐振腔内传输的脉冲激光最终通过光耦合器的分束作用实现激光输出，由于腔内色散通过色散管理后为净负色散，且腔内泵浦功率已经远远高于产生传统孤子的阈值泵浦功率，产生的脉冲属于类噪声脉冲，所得到的输出功率为10mw，脉宽为1-2ns。本实例优选的符合ITU-T G.652.D标准且零色散点在1310±10nm的单模光纤为传输光纤，使色散管理后的净色散值为负。本发明还可以采用色散补偿光纤(DCF)16,其在1.5μm处为正色散，通过加入不同长度的色散补偿光纤16可以改变腔长的同时，使腔内净色散值变为正值，依靠其他机制，如耗散孤子，耗散孤子共振机制来产生纳秒级脉冲。
本发明设计简单、结构紧凑，满足全光纤化，用于激光雷达中可有效降低光源的生产成本和工艺难度，具有广泛的应用前景。
Claims (9)
1.一种用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，其特征在于，包括：主振荡级光纤种子源系统和光纤放大器系统，所述主振荡级光纤种子源系统，用于输出特定脉宽和重频的纳秒级脉冲信号，光纤放大器系统器，用于将所述纳秒级脉冲信号放大后输出；
主振荡级光纤种子源系统包括：第一泵浦源和谐振腔，其中，所述谐振腔包含：第一波分复用器、第一增益光纤、光耦合器、激光锁模装置、单模传输光纤，第一波分复用器、第一增益光纤、光耦合器、激光锁模装置、单模传输光纤依次光学连接形成闭合环形腔。
第一泵浦源连接第一波分复用器的泵浦光输入端，第一波分复用器的公共输出端连接第一增益光纤的一端，第一增益光纤的另一端连接光耦合器的输入端，光耦合器的第一输出端连接激光锁模装置的输入端，光耦合器的第二输出端连接光纤放大系统，激光锁模装置的输出端连接单模传输光纤的一端，单模传输光纤的另一端连接第一波分复用器的信号光输入端；
第一泵浦源提供的第一泵浦光经过第一波分复用器被耦合传输至第一增益光纤，经过增益放大后通过光耦合器传输至激光锁模装置，产生特定脉宽和重复频率的纳秒级脉冲信号，所述纳秒级脉冲信号依次经过单模传输光纤、第一波分复用器、第一增益光纤，经过增益放大后，一部分纳秒级脉冲信号由光耦合器的第二输出端输出腔外，一部分纳秒级脉冲信号由光耦合器的第一输出端输出在谐振腔内继续振荡；
光纤放大器系统包括：第一光隔离器、第二光隔离器、第一级光纤预放大器、第二级主放大器以及脉冲输出装置，第一级光纤预放大器包含：第二泵浦源、第二波分复用器和第二增益光纤，第二级主放大器包含：第三泵浦源、光合束器和第三增益光纤；
第二泵浦源连接第二波分复用器的泵浦光输入端，第二波分复用器的信号光输入端连接第一光隔离器的输出端，第一光隔离器的输入端连接光耦合器的第二输出端，第二波分复用器的公共输出端连接第二增益光纤的一端，第二增益光纤的另一端连接第二光隔离器的输入端，第二光隔离器的输出端连接光合束器的信号光输入端，第三泵浦源连接光合束器的泵浦光输入端，光合束器的公共输出端连接第三增益光纤的一端，第三增益光纤的另一端连接脉冲输出装置；
主振荡级光纤种子源系统中光耦合器的第二输出端输出的纳秒级脉冲信号通过第一光隔离器后传输至第一级光纤预放大器，通过第二波分复用器被耦合进入第二增益光纤，同时第二泵浦源提供的第二泵浦光通过第二波分复用器被耦合也进入第二增益光纤，所述纳秒级脉冲信号和第二泵浦光经增益放大后产生第一激光，然后第一激光经过第二光隔离器后进入第二级光纤主放大器中的光合束器，同时第三泵浦源提供的第三泵浦光也进入第二级光纤主放大器中的光合束器，第一激光和第三泵浦光被耦合产生第二激光，然后第一激光进入第三增益光纤进行增益放大，产生高功率脉冲激光，最后经过脉冲输出装置输出。
2.如权利要求1所述的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，其特征在于，所述第一增益光纤、第二增益光纤、第三增益光纤分别由掺杂稀土元素铒或镱的有源光纤组成。
3.如权利要求1所述的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，其特征在于，所述激光锁模装置为碳纳米管可饱和吸收体。
4.如权利要求1所述的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，其特征在于，所述激光锁模装置为石墨烯可饱和吸收体。
5.如权利要求1所述的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，其特征在于，所述激光锁模装置为半导体可饱和吸收镜和光纤环形器，其中，半导体可饱和吸收镜连接光纤环形器的反射端，光纤环形器的输入端连接光耦合器的第一输出端，光纤环形器的输出端连接单模传输光纤的一端。
6.如权利要求1所述的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，其特征在于，所述纳秒级脉冲信号光的脉宽为1ns—10ns，所述纳秒级脉冲信号光的重频为100KHZ—1MHZ。
7.如权利要求1所述的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，其特征在于，单模传输光纤为零色散点在1310±10nm的单模光纤。
8.如权利要求1所述的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，其特征在于，单模传输光纤为色散补偿光纤，其中，所述色散补偿光纤在1.5μm处为正色散。
9.如权利要求1所述的用于激光雷达的低重频纳秒级全光纤激光器，其特征在于，单模传输光纤由零色散点为1310±10nm的单模光纤和色散补偿光纤组成。
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