CN106816806A - 光纤激光器 - Google Patents

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朱江杰
苏鑫达
刘猛
刘健
成学平
黄治家
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Abstract

本发明涉及一种光纤激光器。一种光纤激光器包括种子激光器、第一放大模块和第二放大模块；种子激光器用于输出种子激光；第一放大模块包括一级预放大单元和二级预放大单元；一级预放大单元包括第一增益光纤、第一合束器和第一泵浦源；一级预放大单元将对种子激光进行预放大。二级预放大单元包括第二增益光纤、第二合束器和第二泵浦源；二级预放大单元将对种子激光进行再放大，进一步提高种子激光的功率。第二放大模块包括第三增益光纤、第三合束器和第三泵浦源以及第四泵浦源；第二放大模块对种子激光进行最终放大，使得输出激光拥有高峰值功率。该光纤激光器对种子激光进行了三级放大，因此提高了光纤激光器的峰值功率。

Description

光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种光纤激光器。
背景技术
主控振荡器的功率放大器(MOPA，Master Oscillator Power-Amplifier)光纤激光器具有脉冲与频率可调等优点，而备受欢迎。传统的MOPA型光纤激光器平均功率为15W，但这种MOPA型光纤激光器受非线性效应的影响，峰值功率会受到限制。因此，该MOPA型光纤激光器的峰值功率低，应用效果差。
发明内容
基于此，有必要提供一种高峰值功率的光纤激光器。
一种光纤激光器，包括种子激光器、第一放大模块和第二放大模块；所述种子激光器用于输出种子激光；所述第一放大模块包括一级预放大单元和二级预放大单元；所述一级预放大单元包括第一增益光纤、第一合束器和第一泵浦源；所述第一增益光纤的一端与所述种子激光器的输出端连接；所述第一增益光纤的另一端与所述第一合束器的合束端连接；所述第一合束器的泵浦光输入端与所述第一泵浦源的输出端连接；所述第一合束器的信号端与所述二级预放大单元的输入端连接；所述二级预放大单元包括第二增益光纤、第二合束器和第二泵浦源；所述第二增益光纤的一端与所述第一合束器的信号端连接，以接收一级预放大单元输出的激光信号；所述第二增益光纤的另一端与所述第二合束器的合束端连接；所述第二合束器的泵浦光输入端与所述第二泵浦源的输出端连接；所述第二合束器的信号端作为第一放大模块的输出端；所述第二放大模块包括第三增益光纤、第三合束器和第三泵浦源以及第四泵浦源；所述第三增益光纤的一端与所述第一放大模块的输出端连接；所述第三增益光纤的另一端与所述第三合束器的合束端连接；所述第三合束器的泵浦光输入端分别与所述第三泵浦源的输出端以及第四泵浦源的输出端连接；所述第三合束器的信号端作为激光器的输出端。
在其中一个实施例中，所述一级预放大单元、所述二级预放大单元和所述第二放大模块中至少有一个还包括耦合器；所述耦合器的输入端用于接收种子激光；所述耦合器的输出端与增益光纤中与合束器连接端相对的一端连接；所述耦合器的耦合端用于与监控电路连接，以通过所述监控电路监控从所述耦合器的输入端输入的正向激光和所述耦合器的输出端输入的反向激光，并在监测到无所述正向激光时或者所述反向激光达到预定值时，通过所述监控电路关闭所述光纤激光器。
在其中一个实施例中，所述一级预放大单元还包括第一隔离器；所述第一隔离器和所述第一增益光纤沿所述种子激光器的输出端顺次连接；
在其中一个实施例中，所述二级预放大单元还包括第二隔离器和第三隔离器；所述二级预放大单元通过所述第二隔离器与所述一级预放大单元的输出端连接；所述二级预放大单元通过所述第三隔离器与所述第二放大模块的输入端连接。
在其中一个实施例中，所述第一增益光纤与所述第二增益光纤为同种光纤，且所述第二增益光纤的纤芯比所述第一增益光纤的纤芯大。
在其中一个实施例中，所述种子激光器为分布式反馈激光器。
在其中一个实施例中，所述第一增益光纤、所述第二增益光纤和所述第三增益光纤均为掺镱光纤。
在其中一个实施例中，还包括第四隔离器；所述第四隔离器的输入端与所述第二放大模块的输出端连接；所述第四隔离器的输出端作为所述光纤激光器的输出端。
在其中一个实施例中，还包括连接光纤；所述连接光纤的两端分别与所述第一放大模块和所述第二放大模块连接。
在其中一个实施例中，所述第一放大模块与所述第二放大模块分别集成在不同的器件中。
上述光纤激光器，第一放大模块包括两个预放大单元，一级预放大单元将对种子激光进行预放大，减少了种子激光的功率与光谱中的掺杂成分。二级预放大单元将对种子激光进行再放大，进一步提高种子激光的功率，并进一步减少种子激光的功率与光谱中的掺杂成分。第二放大模块对种子激光进行最终放大，使得输出激光拥有高峰值功率。该光纤激光器对种子激光进行了三级放大，因此提高了光纤激光器的峰值功率。
附图说明
图1为一实施例中的光纤激光器的原理框图；
图2为一实施例中的宽带激光的光谱图；
图3为一实施例中的DFB激光的光谱图；
图4为一实施例中的光纤激光器的结构示意图；
图5为一实施例中的光纤激光器在1ns，300khz时输出的峰值功率图；
图6为传统光纤激光器输出的光谱图；
图7为第三放大模块的输出光纤减短2.2m输出光纤的输出光谱图；
图8为一实施例中的光纤激光器的光谱图。
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。
图1为一实施例中的光纤激光器的结构框图。如图1所示，一种光纤激光器包括种子激光器100、第一放大模块200以及第二放大模块300。
种子激光器100用于输出种子激光。在本实施例中，种子激光器100为分布式反馈激光器。种子激光器100输出DFB(分布式反馈)激光。与传统的采用宽带激光作为种子激光相比，DFB激光能够有效抑制受激拉曼散射(SRS)以及光谱展宽，如图2和图3所示。图2为一实施例中的宽带激光的光谱图。图3为一实施例中的DFB激光的光谱图。图2中宽带激光的展宽为Δλ1，激光波长为1100nm的激光功率为-70dbm。图3中宽带激光的展宽为Δλ2，激光波长为1100nm的激光功率为-75dbm。根据图2和图3对比，Δλ1大于Δλ2。也即是，DFB激光的展宽比宽带光源的展宽小。宽带激光与DFB激光相比，在输出激光波长为1100nm时，激光功率比较大，也即是DFB种子激光能有效的抑制SRS。
图4为一实施例中的光纤激光器的结构示意图。如图4所示，第一放大模块200包括一级预放大单元210和二级预放大单元230。一级预放大单元210包括第一增益光纤211、第一合束器215、第一泵浦源213、第一隔离器219和第一耦合器217。第一隔离器219的输入端与种子激光器100的输出端连接，第一隔离器219的输出端通过第一耦合器217将种子激光输入到第一增益光纤211中。第一隔离器219用于防止一级预放大单元210的反向激光输入到种子激光器100中。第一耦合器217的输入端A1与第一隔离器219的输出端连接，第一耦合器217的输出端B1与第一增益光纤211的一端连接。第一增益光纤211的另一端与第一合束器215的合束端E1连接。第一合束器215的泵浦光输入端E2与第一泵浦源213连接，以接收第一泵浦源213输入的泵浦光。第一合束器215的信号端E3用于输出激光。第一泵浦源213通过合束器215将泵浦光输入到第一增益光纤211中，以激励第一增益光纤211，从而将种子激光进行放大。第一耦合器217还包括第一耦合端C1和第二耦合端D1。第一耦合端C1用于与第一监控电路(图未示)连接，以监控种子激光的输出情况(也即是监控输入端A1输入的正向激光)。第一监控电路在检测到种子激光器100输出的激光为零时，自动关闭该光纤激光器。第一耦合端D1用于与第二监控电路(图未示)连接，以监控由输出端B1输入的反向激光的输出情况。第二监控电路在检测到输出端B1输入的反向激光达到第一预定值时，自动关闭该光纤激光器。其中，第一预定值可根据实际需要设定。
一级预放大单元210对种子激光进行预放大，减少了种子激光的功率与光谱中的掺杂成分。同时，一级预放大单元210采用反泵形式对种子激光进行预放大，对非线性效应产生了一定的抑制效果。并且，一级预放大单元210在种子激光器100和第一增益光纤211之间加入了第一耦合器217。通过第一耦合器的第一耦合端C1和第二耦合端D1对分别对种子激光器100输出的的正向激光和由第一增益光纤211输出的反向激光进行了监控，在检测到正向激光输出为零或者反向激光输出到达某个预定值时，关闭该光纤激光器。因此，实现对该光纤激光器的进一步控制。
二级预放大单元230包括第二增益光纤231、第二合束器233、第二泵浦源235、第二耦合器237和第二隔离器238以及第三隔离器239。第二隔离器238的输入端与第一合束器215的信号端E3连接。第二隔离器238的输出端通过第二耦合器237将种子激光输入到第二增益光纤211中。第二隔离器238用于防止二级预放大单元230的反向激光输入端一级预放大单元210中。第二耦合器237的输入端A2与第二隔离器238的输出端连接，第二耦合器237的输出端B2与第二增益光纤231的一端连接。第二增益光纤231的另一端与第二合束器233的合束端F1连接。第二合束器233的泵浦光输入端F2与第二泵浦源235连接，以接收第二泵浦源235输入的泵浦光。第二合束器233的信号端F3用于输出激光。第二泵浦源235通过合束器233将泵浦光输入到第二增益光纤231中，以激励第二增益光纤231，从而将种子激光进行放大。在本实施例中，第二增益光纤231的纤芯比第一增益光纤211的纤芯大，以进一步提高二级预放大单元230对种子激光的放大效果。第二耦合器237还包括第一耦合端C2和第二耦合端D2。第一耦合端C2用于与第三监控电路(图未示)连接，以监控由输入端A2输入到二级预放大单元230的激光情况。第三监控电路在检测到由输入端A2输入的激光为零时，自动关闭该光纤激光器。第二耦合端D2用于与第四监控电路(图未示)连接，以监控由输出端B2输入的反向激光的输出情况。第四监控电路在检测到由输出端B2输入的反向激光达到第二预定值时，自动关闭该光纤激光器。其中，第二预定值可根据实际需要设定。第三隔离器239的输入端与第二合束233的信号端F3连接，第三隔离器239的输出端用于与第二放大模块300的输入端连接。第三隔离器239可防止第二放大模块300的反向激光输入到二级预放大单元230中。
二级预放大单元230对一级预放大单元210输出的激光进行再放大，并且其放大效果比一级预放大单元210的效果更加明显，从而进一步减少种子激光的功率与光谱中的掺杂成分。同时，二级预放大单元230采用反泵形式对种子激光进行再放大，对非线性效应产生了一定的抑制效果。并且，二级预放大单元230在一级预放大单元210的输出端和第二增益光纤231之间加入了第二耦合器237。通过第二耦合器237的第一耦合端C2和第二耦合端D2对输入到二级放大单元230的正向激光和第二增益光纤231输出的反向激光进行了监控，在检测到正向激光输出为零或者反向激光输出到达某个预定值时，关闭该光纤激光器。因此，实现对该光纤激光器的进一步控制。
第二放大模块300包括第三增益光纤301、第三合束器303、第三泵浦源305、第四泵浦源307和第三耦合器309。第三耦合器309的输入端A3与第三隔离器239的输出端连接，第三耦合器309的输出端B3与第三增益光纤301的一端连接。第三增益光纤301的另一端与第三合束器303的合束端G1连接。第三合束器303的泵浦光输入端G2与第四泵浦源307的输出端连接，以接收第四泵浦源307输出的泵浦激光。第三合束器303的泵浦光输入端G3与第三泵浦源305的输出端连接，以接收第三泵浦源305输出的泵浦激光。第三合束器303的信号端G4用于输出激光。第四泵浦源307和第三泵浦源305分别通过第三合束器303将泵浦光输入到第三增益光纤301中，以激励第三增益光纤301，从而将种子激光进行最终的放大。第三耦合器309还包括第一耦合端C3和第二耦合端D3。第一耦合端C3用于与第五监控电路(图未示)连接，以监控输入到第二放大模块300的激光的情况。第五监控电路在检测到输入到第二放大模块300中的激光为零时，自动关闭该光纤激光器。第二耦合端D3用于与第六监控电路(图未示)连接，以监控由输出端B3输入的反向激光的输出情况。第六监控电路在检测到由输出端B3输入的反向激光达到第三预定值时，自动关闭该光纤激光器。其中，第三预定值可根据实际需要设定。
在本实施例中，该光纤激光器还包括第四隔离器400。第四隔离器400的输入端与第二放大模块300的输出端连接。也即是，如图4所示，第四隔离器400的输入端与第三合束器303的信号端G4连接。第四隔离器400的输出端用于作为该光纤激光器的输出端。第四隔离器400用于避免该光纤激光器的外部激光输入到光纤激光器的内部。
上述光纤激光器，第一放大模块200包括两个预放大单元。一级预放大单元210将对种子激光进行预放大，减少了种子激光的功率与光谱中的掺杂成分。二级预放大单元230将对种子激光进行再放大，进一步提高种子激光的功率，并进一步减少种子激光的功率与光谱中的掺杂成分。第二放大模块300对种子激光进行最终放大，使得输出激光拥有高峰值功率。该光纤激光器对种子激光进行了三级放大，因此提高了光纤激光器的峰值功率。
在本实施例中，缩短第二放大模块300的输出光纤以抑制SRS。也即是，缩短第三合束器303与第三增益光纤301之间的光纤长度，以及第三合束器303与第四隔离器400之间的光纤长度，可抑制SRS。在一实施例中，第三合束器303与第三增益光纤301之间的光纤长度、和第三合束器303与第四隔离器400之间的光纤长度的总长度可缩短到0.5米以内。
在一实施例中，当该光纤激光器的种子激光采用宽带光源输出的激光作为种子激光时，第二放大模块300采用传统光纤长度的光纤作为输出光纤的光谱图和采用缩短第三放大模块300输出光纤的光谱图分别如图5和图6所示。图5为采用传统光纤长度的输出光纤的光谱图。由光谱图可看出，波长为1100nm的激光功率约为-65dbm。图6为第三放大模块400的输出光纤减短2.2m后的输出光谱图。由光谱图可看出，波长为1100nm的激光功率约为-75dbm。将图5与图6进行对比可看出，本发明的光纤激光器缩短第二放大模块300的输出光纤能够有效抑制SRS。
在一实施例中，种子激光器100输出的DFB激光的波长为1062.5nm。在1ns，300KHz的条件下，DFB激光输出功率为115.3μW，半高宽为0.7nm。第一增益光纤为掺镱光纤YDF7/128。第一泵浦源213为输出激光波长为915nm的泵浦激光器。一级预放大单元210将种子激光进行预放大后的激光在1ns，300KHz的条件下，输出功率为75mw，并且无非线性效应，光谱没有自激峰。第二增益光纤为YDF10/128。第二泵浦源235为输出激光波长为960nm的泵浦激光器。二级预放大单元230将一级预放大单元210输出的激光进行再放大后的激光在1ns，300KHz的条件下，输出功率可以到达590mw，并且无非线性效应，光谱没有自激峰。第三增益光纤301为掺镱光纤YDF20/130。第三泵浦源305和第四泵浦源307均为输出激光波长为976nm的泵浦激光器。第三泵浦源305与第三合束器303之间连接的光纤313的长度为2米。第四泵浦源307与第三合束器303之间连接的光纤311的长度为2米。二级预放大单元230和第二放大模块300之间连接的光纤500的长度为2米。在本实施例中，如图7所示，该光纤激光器经过第二放大模块300后输出的激光在1ns，300KHz时候的平均输出功率为15.03w的情况下输出的峰值功率为57.3kw，从而克服传统激光器峰值功率低的问题。并且该光纤激光器输出的光束质量好，有效的减少非线性效应对光纤激光器的损害。同时，根据图8所示的光纤激光器输出的光谱图可知，该光纤激光器3db谱宽Δλ＝0.75nm，因此该光纤激光器的相干性好，测量精度准确。
在其他实施例中，第三泵浦源305与第三合束器303之间连接的光纤313的长度，以及第四泵浦源307与第三合束器303之间连接的光纤311的长度，和二级预放大单元230和第二放大模块300之间连接的光纤500的长度不局限于2米，还可以是其他长度值。
在本实施例中，第一放大模块200和第三放大模块300分别集成在不同的器件中，从而方便最终激光经过第四隔离器400的输出，因此提高了整个光纤激光器的灵活性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光纤激光器，其特征在于，包括种子激光器、第一放大模块和第二放大模块；
所述种子激光器用于输出种子激光；
所述第一放大模块包括一级预放大单元和二级预放大单元；
所述一级预放大单元包括第一增益光纤、第一合束器和第一泵浦源；所述第一增益光纤的一端与所述种子激光器的输出端连接；所述第一增益光纤的另一端与所述第一合束器的合束端连接；所述第一合束器的泵浦光输入端与所述第一泵浦源的输出端连接；所述第一合束器的信号端与所述二级预放大单元的输入端连接；
所述二级预放大单元包括第二增益光纤、第二合束器和第二泵浦源；所述第二增益光纤的一端与所述第一合束器的信号端连接，以接收一级预放大单元输出的激光信号；所述第二增益光纤的另一端与所述第二合束器的合束端连接；所述第二合束器的泵浦光输入端与所述第二泵浦源的输出端连接；所述第二合束器的信号端作为第一放大模块的输出端；
所述第二放大模块包括第三增益光纤、第三合束器和第三泵浦源以及第四泵浦源；所述第三增益光纤的一端与所述第一放大模块的输出端连接；所述第三增益光纤的另一端与所述第三合束器的合束端连接；所述第三合束器的泵浦光输入端分别与所述第三泵浦源的输出端以及第四泵浦源的输出端连接；所述第三合束器的信号端作为激光器的输出端。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述一级预放大单元、所述二级预放大单元和所述第二放大模块中至少有一个还包括耦合器；所述耦合器的输入端用于接收种子激光；所述耦合器的输出端与增益光纤中与合束器连接端相对的一端连接；所述耦合器的耦合端用于与监控电路连接，以通过所述监控电路监控从所述耦合器的输入端输入的正向激光和从所述耦合器的输出端输入的反向激光，并在监测到无所述正向激光时或者所述反向激光达到预定值时，通过所述监控电路关闭所述光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述一级预放大单元还包括第一隔离器；所述第一隔离器和所述第一增益光纤沿所述种子激光器的输出端顺次连接。
4.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述二级预放大单元还包括第二隔离器和第三隔离器；所述二级预放大单元通过所述第二隔离器与所述一级预放大单元的输出端连接；所述二级预放大单元通过所述第三隔离器与所述第二放大模块的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一增益光纤与所述第二增益光纤为同种光纤，且所述第二增益光纤的纤芯比所述第一增益光纤的纤芯大。
6.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述种子激光器为分布式反馈激光器。
7.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一增益光纤、所述第二增益光纤和所述第三增益光纤均为掺镱光纤。
8.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，还包括第四隔离器；所述第四隔离器的输入端与所述第二放大模块的输出端连接；所述第四隔离器的输出端作为所述光纤激光器的输出端。
9.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，还包括连接光纤；所述连接光纤的两端分别与所述第一放大模块和所述第二放大模块连接。
10.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一放大模块与所述第二放大模块分别集成在不同的器件中。
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