CN110190494A - 一种掺铒光纤脉冲激光放大系统 - Google Patents

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丁广雷
黄兴端
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Abstract

本发明公开了一种掺铒光纤脉冲激光放大系统，包括：种子光源；调制信号；掺铒光纤放大器；泵浦源；光隔离器；控制器；其中，调制信号提供所需重复频率的调制输出信号，对种子光源进行调制，使种子光源输出相应重复频率的脉冲激光信号，脉冲激光信号经过光隔离器后，进入到掺铒光纤放大器，由掺铒光纤放大器放大并输出，控制器收到调制输出信号后，生成所需的泵浦电流数值并提供给泵浦源，通过泵浦源提供泵浦光给掺铒光纤放大器,本方案在任意脉冲重复频率下，通过查表方式控制泵浦电流，使得脉冲激光放大系统都能输出最佳的脉冲能量，减小了ASE，避免了恒电流工作模式和恒功率工作模式无法兼顾低重复频率和高重复频率下输出最佳脉冲能量的问题。

Description

一种掺铒光纤脉冲激光放大系统
技术领域
本发明属于激光技术及装置领域，尤其是一种掺铒光纤脉冲激光放大系统。
背景技术
通常的掺铒光纤脉冲激光放大系统，实际上是对激光脉冲的能量的放大，其泵浦激光器一般采用恒电流工作模式或恒功率工作模式。恒电流或恒功率的工作模式，对于不同重复频率工作的种子源，在泵浦源是连续工作的方式下，放大器增益光纤中铒离子的反转粒子数是固定的，而单脉冲能量由于放大器的增益饱和效应，对于固定长度的铒光纤放大器而言，放大器的增益系数不断下降，当增益系数和损耗系数相等，激光脉冲的能量便不再增加而趋于稳定值。具体见如下所示脉冲放大的能量增益公式：
式中，GE是脉冲能量增益系数，E(0)是初始脉冲能量，Δn0为初始反转粒子数密度，a为损耗系数，1为放大器增益介质长度。
当放大后的脉冲能量达到饱和后，多余的反转粒子数就会通过ASE的方式释放出来，形成放大的ASE，放大的ASE会使反转粒子数显著下降，造成增益系数的下降。所以放大后的脉冲能量在饱和前后是非单调变化的，即饱和前脉冲能量是单调上升，而饱和后脉冲能量是单调下降的。
在高重复频率下，由于单位时间内输入的脉冲数量多，正常泵浦电流下，增益光纤中的反转粒子数不足以使得脉冲能量达到饱和，所以脉冲能量是随泵浦电流单调上升的。而在低重复频率下，由于单位时间内输入的脉冲数量少，正常泵浦电流下，放大后的脉冲能量需要较少的反转粒子数就达到了饱和状态，超过饱和所需的反转粒子数时就会导致放大器的ASE显著增加，放大的ASE会使反转粒子数显著下降，造成增益系数的显著下降。加大泵浦电流无法获得更高的脉冲能量，因为放大的ASE会消耗掉了越来越多的反转粒子数，反而会使得脉冲能量由于损耗而降低。如图1所示。
所以恒电流或恒功率工作模式下的脉冲激光放大系统无法兼顾低重复频率和高重复频率的最佳放大脉冲能量的要求。
发明内容
针对现有技术情况，本发明的目的在于提供一种能输出最佳放大脉冲能量的掺铒光纤脉冲激光放大系统。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种掺铒光纤脉冲激光放大系统，其包括：
种子光源，用于产生激光信号；
调制信号，对种子光源进行调制，使其输出相应重复频率的脉冲激光信号；
掺铒光纤放大器，用于对脉冲激光信号进行放大并输出；
泵浦源，用于给掺铒光纤放大器提供泵浦光；
光隔离器，用于隔离经放大且反向传播的脉冲激光；
控制器，根据调制信号的调制频率，预先测试并根据预设的调制频率和泵浦电流关系，采用开环的查表方式进行控制放大器所需的泵浦电流；
其中，调制信号提供所需重复频率的调制输出信号，对种子光源进行调制，使种子光源输出相应重复频率的脉冲激光信号，脉冲激光信号经过光隔离器后，进入到掺铒光纤放大器中，并由掺铒光纤放大器进行放大并输出，所述的控制器收到调制输出信号后，生成所需的泵浦电流数值并提供给泵浦源，通过泵浦源提供泵浦光给掺铒光纤放大器。
进一步，所述的控制器根据所需的输出脉冲信号的能量，提前获取相应的泵浦电流与重复频率数据，并形成关系曲线，所述的关系曲线为查询表或关系公式。
优选的，所述的泵浦电流数值通过查询表或泵浦电流与重复频率的数学公式模型计算获得。
进一步，调制信号的调制频率由所述的控制器进行实时监测，通过任意通讯接口告知所述控制器，或者由脉冲激光放大系统内部给出。
进一步，所述的掺铒光纤放大器为一级或一级以上的放大结构。
采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果在于，在任意脉冲重复频率下，通过查表方式控制泵浦电流，使得脉冲激光放大系统都能输出最佳的脉冲能量，减小了ASE。避免了恒电流工作模式和恒功率工作模式无法兼顾低重复频率和高重复频率下输出最佳脉冲能量的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：
图1为本发明掺铒光纤脉冲激光放大系统的泵浦电流和放大后脉冲能量的关系图；
图2为本发明掺铒光纤脉冲激光放大系统的结构框图；
图3为本发明掺铒光纤脉冲激光放大系统的控制流程图；
图4为本发明掺铒光纤脉冲激光放大系统的泵浦电流和重复频率的关系图。
具体实施方式
如图2所示，本发明掺铒光纤脉冲激光放大系统，其包括：
种子光源2，用于产生激光信号；
调制信号1，对种子光源2进行调制，使其输出相应重复频率的脉冲激光信号；
掺铒光纤放大器4，用于对脉冲激光信号进行放大并输出；
泵浦源5，用于给掺铒光纤放大器4提供泵浦光；
光隔离器3，用于隔离经放大且反向传播的脉冲激光；
控制器6，根据调制信号的调制频率，预先测试并根据预设的调制频率和泵浦电流关系，采用开环的查表方式进行控制放大器所需的泵浦电流。
其中，调制信号1提供所需重复频率的调制输出信号，对种子光源2进行调制，使种子光源2输出相应重复频率的脉冲激光信号，脉冲激光信号经过光隔离器3后，进入到掺铒光纤放大器4中，并由掺铒光纤放大器4进行放大并输出。
参见图3，控制器6按照图3的控制流程图，在接收到调制信号1的调制频率信号后，利用图4的泵浦电流和重复频率的关系图，采用查表方式或者关系公式计算所需的泵浦电流，并提供给泵浦源5，泵浦源5提供泵浦光给掺铒光纤放大器4。从而使得掺铒光纤放大器4放大输入的脉冲激光信号，得到最佳的放大后的脉冲能量。
图4为掺铒光纤脉冲激光放大系统的泵浦电流和重复频率的关系图。需求实际输出的单脉冲能量为3uJ，图中散点为实际测量值，虚线为测量值的拟合曲线。拟合得到的曲线方程为：
y＝0.0102x+2.138
式中x代表重复频率值，y代表泵浦电流值。拟合曲线的R平方值为0.9929，拟合程度很高。在控制器6中提前按拟合的曲线方程设定好不同重复频率下的泵浦电流值，在不同重复频率下实际测试得到的脉冲能量即为所需求的3uJ。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种掺铒光纤脉冲激光放大系统，其特征在于：其包括：
种子光源，用于产生脉冲激光信号；
调制信号，对种子光源进行调制，使其输出相应重复频率的脉冲激光信号；
掺铒光纤放大器，用于对脉冲激光信号进行放大并输出；
泵浦源，用于给掺铒光纤放大器提供泵浦光；
光隔离器，用于隔离经放大且反向传播的脉冲激光；
控制器，根据调制信号的调制频率，预先测试并根据预设的调制频率和泵浦电流关系，采用开环的查表方式进行控制放大器所需的泵浦电流；
其中，调制信号提供所需重复频率的调制输出信号，对种子光源进行调制，使种子光源输出相应重复频率的脉冲激光信号，脉冲激光信号经过光隔离器后，进入到掺铒光纤放大器中，并由掺铒光纤放大器进行放大并输出，所述的控制器收到调制输出信号后，生成所需的泵浦电流数值并提供给泵浦源，通过泵浦源提供泵浦光给掺铒光纤放大器。
2.根据权利要求1所述的一种掺铒光纤脉冲激光放大系统，其特征在于：所述的控制器根据所需的输出脉冲信号的能量，提前获取相应的泵浦电流与重复频率数据，并形成关系曲线，所述的关系曲线为查询表或关系公式。
3.根据权利要求2所述的一种掺铒光纤脉冲激光放大系统，其特征在于：所述的泵浦电流数值通过查询表或泵浦电流与重复频率的数学公式模型计算获得。
4.根据权利要求1所述的一种掺铒光纤脉冲激光放大系统，其特征在于：调制信号的调制频率由所述的控制器进行实时监测，通过任意通讯接口告知所述控制器，或者由脉冲激光放大系统内部给出。
5.根据权利要求1所述的一种掺铒光纤脉冲激光放大系统，其特征在于：所述的掺铒光纤放大器为一级或一级以上的放大结构。
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