CN109873290A - 一种多波长脉冲光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种多波长脉冲光纤激光器。该多波长脉冲光纤激光器包括种子光源模块、至少一级光放大模块以及泵浦源，种子光源模块的输入端和所有光放大模块的泵浦输入端均与泵浦源连接，种子光源模块的输出端与第一级光放大模块的输入端连接；种子光源模块包括反射镜、第一泵浦合束器、第一增益光纤、光栅组以及调制器；光栅组包括串联的至少两个光栅；光放大模块包括光隔离器、第二增益光纤以及第二泵浦合束器。本发明实施例的技术方案，可以实现多波长脉冲输出，且具有结构简单、体积小、成本低、性能稳定的优点。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光器技术，尤其涉及一种多波长脉冲光纤激光器。
背景技术
激光器从运行上分为连续激光器和脉冲激光器。脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度小于0.25秒、每间隔一定时间才工作一次的激光器，它具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距、通信等领域。
随着激光雷达和光纤通信等领域的发展，单波长激光器由于带宽有限，已不能满足人们的需求，为了进一步提高通信带宽和容量，波分复用技术被广泛使用。波分复用系统的光源最直接的方法就是采用多个单波长激光器，但是通过单纯的增加光源数量来满足信道数增加的需要，势必会增加系统的成本和复杂性，因此，如何获得性能稳定的多波长激光脉冲，成为当前激光领域的研究热点。
发明内容
本发明实施例提供一种多波长脉冲光纤激光器，以实现多波长脉冲输出，且具有结构简单、体积小、成本低、性能稳定的优点。
第一方面，本发明实施例提供一种多波长脉冲光纤激光器，包括：
种子光源模块、至少一级光放大模块以及泵浦源，所述种子光源模块的输入端和所有所述光放大模块的泵浦输入端均与所述泵浦源连接，所述种子光源模块的输出端与第一级所述光放大模块的输入端连接；
所述种子光源模块包括反射镜、第一泵浦合束器、第一增益光纤、光栅组以及调制器；所述光栅组包括串联的至少两个光栅；所述第一泵浦合束器的第一输入端和所述反射镜连接；所述第一泵浦合束器的输出端与所述光栅组的输入端连接；所述光栅组的输出端与所述调制器的输入端连接；所述第一泵浦合束器的第二输入端与所述泵浦源连接；所述第一泵浦合束器的第一输入端通过所述第一增益光纤与所述反射镜连接，或者所述第一泵浦合束器的输出端通过该所述第一增益光纤与所述光栅组的输入端连接；
所述光放大模块包括光隔离器、第二增益光纤以及第二泵浦合束器；所述光隔离器的输入端与所述调制器的输出端连接，所述光隔离器的输出端通过所述第二增益光纤与所述第二泵浦合束器的第一输入端连接；或者所述第二泵浦合束器的输出端与所述第二增益光纤连接；所述第二泵浦合束器的第二输入端与所述泵浦源连接。
可选的，包括至少两个光放大模块；至少两个光放大模块串联设置。
可选的，所述种子光源模块还包括第一滤波器，所述第一滤波器的输入端与所述调制器的输出端连接，所述第一滤波器的输出端与所述光隔离器的输入端连接；
所述光放大模块还包括第二滤波器，所述第二滤波器的输入端与所述第二泵浦合束器的输出端或所述第二增益光纤连接。
可选的，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤为掺杂相同稀土元素的掺杂光纤。
可选的，所述掺杂光纤包括掺镱光纤、双包层铒镱共掺光纤、掺铥光纤的任意一种。
可选的，所述泵浦源包括915nm多模半导体激光器、940nm多模半导体激光器或者带体光栅的976nm多模半导体激光器的任意一种。
可选的，所述光栅的反射率为1％～20％。
可选的，所述调制器包括声光调制器或电光调制器。
可选的，还包括第一分束器，所述第一分束器的输入端与所述泵浦源连接，所述第一分束器的第一输出端与所述第一泵浦合束器的第二输入端连接，所述第一分束器的第二输出端与所述第二泵浦合束器的第二输入端连接；
所述第一分束器的第一输出端与所述第一分束器的第二输出端的功率比为1/99～10/90。
可选的，所述光放大模块包括第一光放大模块和第二光放大模块；还包括第二分束器，所述第二分束器输入端与所述泵浦源连接，所述第二分束器的第一输出端与所述第一泵浦合束器的第二输入端连接，所述第二分束器的第二输出端与所述第一光放大模块的第二泵浦合束器的第二输入端连接，所述第二分束器的第三输出端与所述第二光放大模块的第二泵浦合束器的第二输入端连接；
所述第二分束器的第二输出端与所述第二分束器的第三输出端的功率比为20/80～40/60。
可选的，还包括波分复用器，所述波分复用器的输入端与所述多波长脉冲光纤激光器的最后一级光放大模块连接，所述波分复用器的输出端用于输出所述多波长脉冲光纤激光器输出的各波长的脉冲激光。
本发明实施例提供的多波长脉冲光纤激光器，包括种子光源模块、至少一级光放大模块以及泵浦源，种子光源模块的输入端和所有光放大模块的泵浦输入端均与泵浦源连接，种子光源模块的输出端与第一级光放大模块的输入端连接；种子光源模块包括反射镜、第一泵浦合束器、第一增益光纤、光栅组以及调制器；光栅组包括串联的至少两个光栅；第一泵浦合束器的第一输入端和反射镜连接；第一泵浦合束器的输出端与光栅组的输入端连接；光栅组的输出端与调制器的输入端连接；第一泵浦合束器的第二输入端与泵浦源连接；第一泵浦合束器的第一输入端通过第一增益光纤与反射镜连接，或者第一泵浦合束器的输出端通过该第一增益光纤与光栅组的输入端连接；光放大模块包括光隔离器、第二增益光纤以及第二泵浦合束器；光隔离器的输入端与调制器的输出端连接，光隔离器的输出端通过第二增益光纤与第二泵浦合束器的第一输入端连接；或者第二泵浦合束器的输出端与第二增益光纤连接；第二泵浦合束器的第二输入端与泵浦源连接。通过种子光源模块的反射镜和光栅组中的光栅形成谐振腔，第一增益光纤产生增益，至少两个光栅使种子光源输出不同的波长，调制器调制输出种子脉冲，然后通过至少一级光放大模块实现脉冲功率放大；通过一个泵浦源同时为种子光源模块和光放大模块提供泵浦光，通过一个种子光源模块输出至少两个波长，具有结构简单、体积小、成本低、性能稳定的优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图；
图2～图4分别是本发明实施例提供的另一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的又一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的又一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的又一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的又一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的多波长脉冲光纤激光器，包括：种子光源模块、至少一级光放大模块以及泵浦源，种子光源模块的输入端和所有光放大模块的泵浦输入端均与泵浦源连接，种子光源模块的输出端与第一级光放大模块的输入端连接；种子光源模块包括反射镜、第一泵浦合束器、第一增益光纤、光栅组以及调制器；光栅组包括串联的至少两个光栅；第一泵浦合束器的第一输入端和反射镜连接；第一泵浦合束器的输出端与光栅组的输入端连接；光栅组的输出端与调制器的输入端连接；第一泵浦合束器的第二输入端与泵浦源连接；第一泵浦合束器的第一输入端通过第一增益光纤与反射镜连接，或者第一泵浦合束器的输出端通过该第一增益光纤与光栅组的输入端连接；光放大模块包括光隔离器、第二增益光纤以及第二泵浦合束器；光隔离器的输入端与调制器的输出端连接，光隔离器的输出端通过第二增益光纤与第二泵浦合束器的第一输入端连接；或者第二泵浦合束器的输出端与第二增益光纤连接；第二泵浦合束器的第二输入端与泵浦源连接。
可以理解的是，种子光源模块用于产生至少两个波长的种子激光脉冲，种子光源模块的反射镜和光栅形成谐振腔，光栅可以为光纤布拉格光栅，每个光栅的中心波长不同，经过调制器调制后，产生与每个光栅的中心波长对应的种子激光脉冲。光放大模块用于将种子激光脉冲的功率放大。根据要输出的脉冲功率，可以选择光放大模块的数量，例如输出功率为几十或者几百毫瓦时，可以选用一级放大，输出功率为瓦量级时，可以选用二级放大等。第一增益光纤和第二增益光纤可以为掺杂稀土元素的掺杂光纤，分别用作种子光源模块和光放大模块的增益物质，泵浦源可以为多模半导体激光器。
示例性的，以多波长脉冲光纤激光器包括一级光放大模块，光栅组包括三个光栅为例，图1所示为本发明实施例提供的一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图。参考图1，该多波长脉冲激光器包括种子光源模块1、光放大模块2以及泵浦源3，种子光源模块1的输入端和光放大模块2的泵浦输入端均与泵浦源3连接，种子光源模块1的输出端与光放大模块2的输入端连接；种子光源模块1包括反射镜11、第一泵浦合束器12、第一增益光纤13、光栅组14以及调制器15；光栅组14包括三个光栅141、142和143，三个光栅的中心波长分别为λ1、λ2和λ3；第一泵浦合束器12的第一输入端和反射镜11连接；第一泵浦合束器12的第二输入端与泵浦源3连接；第一泵浦合束器12的输出端通过第一增益光纤13与光栅组14的输入端连接；光栅组14的输出端与调制器15的输入端连接；光放大模块2包括光隔离器21、第二增益光纤22以及第二泵浦合束器23；光隔离器21的输入端与调制器15的输出端连接，光隔离器21的输出端通过第二增益光纤22与第二泵浦合束器23的第一输入端连接；第二泵浦合束器23的第二输入端与泵浦源3连接。
可以理解的是，图1中所示的种子光源模块采用正向泵浦方式，光放大模块采用反向泵浦方式，在其他实施例中，种子光源模块和光放大模块都可以选用正向泵浦或反向泵浦方式。示例性的，图2～图4所示分别为本发明实施例提供的另一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图。参考图2，与图1不同的是，第一泵浦合束器12的第一输入端通过第一增益光纤13与反射镜11连接，第一泵浦合束器12的输出端与光栅组14的输入端连接，即种子光源模块选用反向泵浦方式。参考图3，与图1不同的是，光隔离器21的输出端与第二泵浦合束器23的第一输入端连接；第二泵浦合束器23的输出端与第二增益光纤22连接，即光放大模块选用正向泵浦方式。参考图4，与图1不同的是，第一泵浦合束器12的第一输入端通过第一增益光纤13与反射镜11连接，第一泵浦合束器12的输出端与光栅组14的输入端连接，光隔离器21的输出端与第二泵浦合束器23的第一输入端连接；第二泵浦合束器23的输出端与第二增益光纤22连接，即种子光源模块选用反向泵浦方式，光放大模块选用正向泵浦方式。具体实施时可以根据需要灵活选择。
需要说明的是，图1～图4只是示例性的实施例，具体实施时，各个器件的位置可以根据实际情况进行调整，例如光栅组14和调制器15的位置也可以互换，本发明实施例对各个器件的连接顺序不作限定，只需要满足激光产生条件即可。
本实施例的技术方案，通过种子光源模块的反射镜和光栅组中的光栅形成谐振腔，第一增益光纤产生增益，至少两个光栅使种子光源输出不同的波长，调制器调制输出种子脉冲，然后通过至少一级光放大模块实现脉冲功率放大；通过一个泵浦源同时为种子光源模块和光放大模块提供泵浦光，通过一个种子光源模块输出至少两个波长，具有结构简单、体积小、成本低、性能稳定的优点。
在上述技术方案的基础上，可选的，本实施例提供的多波长脉冲光纤激光器包括至少两个光放大模块；至少两个光放大模块串联设置。
可以理解的是，由于增益光纤可能发生饱和，单级放大在某些应用场景中不能满足要求，可以将多级放大模块串联，提高激光脉冲的输出功率。
图5所示为本发明实施例提供的又一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图。参考图5，可选的，种子光源模块1还包括第一滤波器16，第一滤波器16的输入端与调制器15的输出端连接，第一滤波器16的输出端与光隔离器21的输入端连接；光放大模块2还包括第二滤波器24，第二滤波器24的输入端与第二泵浦合束器23的输出端连接。
可以理解的是，第一滤波器16只允许波长λ1、λ2和λ3的光(对应光栅141、光栅142和光栅143)透过，而阻止其他波长的光透过，从而把种子光源模块中大部分的噪声直接滤除，实现多个波长激光功率的稳定输出。第二滤波器24可以与第一滤波器16相同，用于滤除光放大模块中的噪声，从而提高激光输出的稳定性。
需要说明的是，图5所示的结构是在图1的基础上增加了第一滤波器和第二滤波器，当光放大模块选用反向泵浦方式时，第二滤波器的输入端与第二增益光纤连接。
可选的，第一增益光纤和第二增益光纤为掺杂相同稀土元素的掺杂光纤。
可选的，掺杂光纤包括掺镱光纤、双包层铒镱共掺光纤、掺铥光纤的任意一种。
可以理解的是，掺镱光纤可以用于产生1060nm波段的激光，双包层铒镱共掺光纤可以用于产生1550nm波段的激光，掺铥光纤可以用于产生2000nm波段的激光，具体实施时可以根据实际应用场景选择，并实用波长匹配的反射镜、光栅以及滤波器。
示例性的，1550nm波段位于第三个低损耗通信窗口，该波段激光对云雾、烟尘有很强的穿透力，而且人眼在1550nm波段的损伤阈值比在1060nm波段的损伤阈值高出四个数量级，所以该激光波段也被称为“人眼安全”激光波段。而普通掺铒1550nm脉冲光纤激光器存在功率较低的问题，本发明实施例采用铒镱共掺双包层光纤，有效提高激光器的输出功率。采用铒镱共掺光纤，通过高浓度的Yb3+掺杂可以对邻近的Er3+起到很好的隔离作用，从而显著地降低Er3+的浓度淬灭效应，同时降低Er3+之间发生上转换的概率，有效提高增益和输出功率。
可选的，泵浦源包括915nm多模半导体激光器、940nm多模半导体激光器或者带体光栅的976nm多模半导体激光器的任意一种。
示例性的，对于铒镱共掺双包层光纤，由于Yb3+的吸收谱很宽(800nm-1000nm)，在915nm和940nm波段的吸收带宽很宽，保证温度等因素引起泵浦源波长漂移不会对放大器有明显影响，带体光栅(VBG)的976nm的激光器可以保证波长锁定在976nm，几乎不随温度漂移，在-35℃到65℃的环境温度下，其波长漂移为0.1nm左右，因此可以提高放大系统对泵浦光的吸收效率，同时也降低了对泵浦激光器波长的要求，可以在-35℃到65℃的环境温度下正常工作，而且种子光源模块和光放大模块共用泵浦源，电路设计仅需一个多模半导体激光器的驱动电路即可，与普通多波长激光器相比省掉了多个不同波长种子源的驱动电路、温控电路，有效缩减了电路板的尺寸和空间，降低系统的成本和复杂度。
可选的，光栅的反射率为1％～20％。在本实施例中，选用低反射率光栅，与反射镜形成谐振腔，每个光栅输出一个波长的激光。
可选的，调制器包括声光调制器或电光调制器。示例性的，可以声光移频器(AOM)或者半导体电吸收调制器(EAM)，在具体实施时，可以通过声光调制器或者电光调制器通过调Q的方式输出脉冲。
图6所示为本发明实施例提供的又一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图。参考图6，可选的，本实施例提供的多波长脉冲光纤激光器还包括第一分束器4，第一分束器4的输入端与泵浦源3连接，第一分束器4的第一输出端与第一泵浦合束器12的第二输入端连接，第一分束器4的第二输出端与第二泵浦合束器23的第二输入端连接；第一分束器4的第一输出端与第一分束器4的第二输出端的功率比为1/99～10/90。
可以理解的是，由于种子光源模块用于产生种子激光脉冲，不需要太大的功率，在本实施例中，控制第一分束器的第一输出端与第一分束器4的第二输出端的功率比为1/99～10/90，即种子光源模块中的泵浦光占泵浦源输出功率的1％～10％。
需要说明的是，在其他实施例中，还可以设置第一分束器其他分光比例，本发明实施例对此不作限定。
图7所示为本发明实施例提供的又一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图。参考图7，可选的，光放大模块包括第一光放大模块2a和第二光放大模块2b；还包括第二分束器5，第二分束器5输入端与泵浦源3连接，第二分束器5的第一输出端与第一泵浦合束器12的第二输入端连接，第二分束器12的第二输出端与第一光放大模块2a的第二泵浦合束器23a的第二输入端连接，第二分束器5的第三输出端与第二光放大模块2b的第二泵浦合束器23b的第二输入端连接；第二分束器5的第二输出端与第二分束器5的第三输出端的功率比为20/80～40/60。
在具体实施时，第一级光放大模块2a和第二级光放大模块2b的泵浦光功率的比值主要依赖于掺杂光纤的吸收效率以及输出光功率值，例如输出光功率为1W，那么第一级和第二级的泵浦光功率的比值一般可以为2:8或者3:7。在本实施例中，两级泵浦光功率比设置在2：8～4：6之间。
图8所示为本发明实施例提供的又一种多波长脉冲光纤激光器的结构示意图可以理解的是，图7中所示的第二分束器5为单输入三输出分束器，在实施时，第二分束器可以包括两个单输入双输出分束器，如图8所示。
可选的，继续参考图7，本发明实施例提供的多波长脉冲光纤激光器还包括波分复用器6，波分复用器6的输入端与多波长脉冲光纤激光器的最后一级光放大模块2b连接，波分复用器6的输出端用于输出多波长脉冲光纤激光器输出的各波长的脉冲激光。
可以理解的是，可以设置各个光栅的中心波长为密集波分复用(DWDM)中各个信道的波长，波分复用器6可以为DWDM，输出的光用于实现光纤通信。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (11)
1.一种多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，包括：
种子光源模块、至少一级光放大模块以及泵浦源，所述种子光源模块的输入端和所有所述光放大模块的泵浦输入端均与所述泵浦源连接，所述种子光源模块的输出端与第一级所述光放大模块的输入端连接；
所述种子光源模块包括反射镜、第一泵浦合束器、第一增益光纤、光栅组以及调制器；所述光栅组包括串联的至少两个光栅；所述第一泵浦合束器的第一输入端和所述反射镜连接；所述第一泵浦合束器的输出端与所述光栅组的输入端连接；所述光栅组的输出端与所述调制器的输入端连接；所述第一泵浦合束器的第二输入端与所述泵浦源连接；所述第一泵浦合束器的第一输入端通过所述第一增益光纤与所述反射镜连接，或者所述第一泵浦合束器的输出端通过该所述第一增益光纤与所述光栅组的输入端连接；
所述光放大模块包括光隔离器、第二增益光纤以及第二泵浦合束器；所述光隔离器的输入端与所述调制器的输出端连接，所述光隔离器的输出端通过所述第二增益光纤与所述第二泵浦合束器的第一输入端连接；或者所述第二泵浦合束器的输出端与所述第二增益光纤连接；所述第二泵浦合束器的第二输入端与所述泵浦源连接。
2.根据权利要求1所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，包括至少两个光放大模块；至少两个光放大模块串联设置。
3.根据权利要求1所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述种子光源模块还包括第一滤波器，所述第一滤波器的输入端与所述调制器的输出端连接，所述第一滤波器的输出端与所述光隔离器的输入端连接；
所述光放大模块还包括第二滤波器，所述第二滤波器的输入端与所述第二泵浦合束器的输出端或所述第二增益光纤连接。
4.根据权利要求1所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一增益光纤和所述第二增益光纤为掺杂相同稀土元素的掺杂光纤。
5.根据权利要求4所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述掺杂光纤包括掺镱光纤、双包层铒镱共掺光纤、掺铥光纤的任意一种。
6.根据权利要求1所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源包括915nm多模半导体激光器、940nm多模半导体激光器或者带体光栅的976nm多模半导体激光器的任意一种。
7.根据权利要求1所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光栅的反射率为1％～20％。
8.根据权利要求1所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述调制器包括声光调制器或电光调制器。
9.根据权利要求1所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，还包括第一分束器，所述第一分束器的输入端与所述泵浦源连接，所述第一分束器的第一输出端与所述第一泵浦合束器的第二输入端连接，所述第一分束器的第二输出端与所述第二泵浦合束器的第二输入端连接；
所述第一分束器的第一输出端与所述第一分束器的第二输出端的功率比为1/99～10/90。
10.根据权利要求2所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光放大模块包括第一光放大模块和第二光放大模块；还包括第二分束器，所述第二分束器输入端与所述泵浦源连接，所述第二分束器的第一输出端与所述第一泵浦合束器的第二输入端连接，所述第二分束器的第二输出端与所述第一光放大模块的第二泵浦合束器的第二输入端连接，所述第二分束器的第三输出端与所述第二光放大模块的第二泵浦合束器的第二输入端连接；
所述第二分束器的第二输出端与所述第二分束器的第三输出端的功率比为20/80～40/60。
11.根据权利要求1所述的多波长脉冲光纤激光器，其特征在于，还包括波分复用器，所述波分复用器的输入端与所述多波长脉冲光纤激光器的最后一级光放大模块连接，所述波分复用器的输出端用于输出所述多波长脉冲光纤激光器输出的各波长的脉冲激光。
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