CN110459939A - 一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调q光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器，所述的泵浦源的输出端口与泵浦光纤合束器的泵浦端口相连，泵浦光纤合束器的公共端与掺杂光纤一的一端相连，掺杂光纤一的另一端直接作为泵浦剥离器4的端口一的输入光纤，泵浦剥离器的端口二与光纤耦合器的端口一相连，光纤耦合器的端口三与调制器的端口一相连，光纤耦合器的端口四作为激光输出端口，调制器的端口二与环形器的端口一相连，环形器的端口三与掺杂光纤二的一端相连，掺杂光纤二的另一端与泵浦光纤合束器的信号端相连。本发明不仅可使调Q脉冲的脉宽变窄，还可大幅提高调Q脉冲的重复频率，最终实现高重复频率、窄线宽、窄脉宽的调Q脉冲输出。

Description

一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器
技术领域
本发明涉及大能量纳秒激光脉冲技术领域，尤其涉及一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器。
背景技术
大能量纳秒激光脉冲在精密加工、激光雷达及非线性变频等领域具有极其重要应用。通常，这类脉冲由高品质种子光源后接功率放大器所构成的MOPA系统获得，而脉冲种子源主要有直接调制半导体激光器、调Q固体激光器和光纤激光器。相比之下，调Q光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑、转换效率高、受后续功率放大器影响小等优点，是大能量纳秒激光脉冲的理想种子源。目前，基于空间声光调制器（AOM）等分立器件构成的线性腔调Q激光器已实现数ns脉宽的的调Q脉冲，但其稳定性、结构紧凑性与全光纤结构相比仍有差距；而尾纤型AOM承受功率受限，在构建全光纤线型腔调Q激光器时，无法通过增大泵浦光功率来提高腔内增益，导致这类激光器的重复频率、输出功率以及脉宽等指标依然不理想。采用环形腔结构，通过利用光纤耦合器提前抽取出腔内能量，并将尾纤型AOM放置在耦合器后端功率相对较低的位置，允许增大泵浦光功率来发挥双包层增益光纤饱和增益高的优势，同时结合减小Q开关占空比、增大增益恢复时间的方法，可获得重复频率100kHz以上、脉宽10ns、线宽1nm的调Q脉冲。但是，若要获取更窄线宽的调Q脉冲，需选用亚纳米窄带滤波器，则必然会减弱谐振腔的反馈强度，并且大量放大的自发辐射（ASE）引起的增益自饱和效应造成弱反馈信号难以在增益光纤充分放大，导致难以获得窄脉宽、高重频的调Q脉冲。因此，如何获得窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q脉冲依然有待深入研究。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器，包括有泵浦源、泵浦光纤合束器、掺杂光纤一、泵浦剥离器、光纤耦合器、调制器、环形器、光纤滤波器和掺杂光纤二，所述的泵浦源的输出端口与泵浦光纤合束器的泵浦端口相连，泵浦光纤合束器的公共端与掺杂光纤一的一端相连，掺杂光纤一的另一端直接作为泵浦剥离器端口一的输入光纤，泵浦剥离器的端口二与光纤耦合器的端口一相连，光纤耦合器的端口三与调制器的端口一相连，光纤耦合器的端口四作为激光输出端口，调制器的端口二与环形器的端口一相连，环形器的端口二与光纤滤波器相连，环形器的端口三与掺杂光纤二的一端相连，掺杂光纤二的另一端与泵浦光纤合束器的信号端相连。
所述的泵浦剥离器具有低反射、低损耗特性，其端口一的输入光纤直接为掺杂光纤一，光纤为单包层或者双包层或者光子晶体掺杂光纤，纤芯成分包含有硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、氟化物玻璃中的一种以上，纤芯稀土掺杂离子为镧系离子、过渡金属离子中的一种或两种的组合，所述的泵浦剥离器的端口二的光纤与光纤耦合器尾纤类型一致。通过采用掺杂光纤一直接作为泵浦剥离器的输入光纤以及采用与光纤耦合器尾纤类型一致的光纤作为端口二的光纤既缩短了腔长又减少了熔接点的反射与损耗。
所述的掺杂光纤二为单包层掺杂光纤，纤芯成分包含有硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、氟化物玻璃中的一种以上，纤芯稀土掺杂离子为镧系离子、过渡金属离子中的一种或两种的组合，利用掺杂光纤一产生的反向放大的自发辐射功率对掺杂光纤二进行泵浦，从而可实现对光纤滤波器提取的反馈信号进行放大。
所述的泵浦源、泵浦光纤合束器、掺杂光纤一、掺杂光纤二、泵浦剥离器、光纤耦合器、环形器、调制器、光纤滤波器均是非保偏器件或者均是保偏器件。
所述的光纤滤波器对信号波长的反射率大于50%，其3dB反射带宽为0.01nm~1nm，具备调谐功能，调谐方式为机械或者温度进行程序控制调谐，调谐范围0.1nm~100nm。
所述的调制器为声光调制器、电光调制器、热光调制器和全光调制器中的一种。
所述的泵浦光纤合束器的公共端、泵浦剥离器的端口二、光纤耦合器的端口一、调制器的两端、环形器的三个端口、光纤滤波器的两端尾纤长度均控制在50cm以内。
原有泵浦剥离器尾纤都是无源光纤，然后通过熔接连接到掺杂光纤上；本发明的泵浦剥离器是用直接用掺杂光纤一作为输入尾纤，减少了熔接点损耗、反射，以及缩短了腔长。
本发明的优点是：本发明拟解决调Q光纤激光器中的ASE引起的增益自饱和效应导致窄线宽脉冲难以实现窄脉宽和高重复频率的问题。在构建的主动调Q光纤激光器基础上，通过采用以增益光纤作为尾纤的低反射泵浦剥离器（CPS）来剥离掉正向ASE，减弱ASE增益自饱和效应；同时，通过以增益光纤产生的反向ASE泵浦一段长度优化的掺杂光纤，等效提高初始ASE窄带腔反馈强度，进一步有效抑制了ASE的增益自饱和效应，可确保调Q激光脉冲在环形腔内快速建立，不仅可使调Q脉冲的脉宽变窄，还可大幅提高调Q脉冲的重复频率，最终实现高重复频率、窄线宽、窄脉宽的调Q脉冲输出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为重复频率175kHz的脉冲波形图。
图3为重复频率175kHz时的输出脉冲光谱图。
图4为脉宽和脉冲能量与重复频率之间的关系图。
具体实施方式
如图1所示，一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器，包括有泵浦源1、泵浦光纤合束器2、掺杂光纤一3、泵浦剥离器4、光纤耦合器5、调制器6、环形器7、光纤滤波器8和掺杂光纤二9，所述的泵浦源1的输出端口与泵浦光纤合束器2的泵浦端口相连，泵浦光纤合束器2的公共端与掺杂光纤一3的一端相连，掺杂光纤一3的另一端直接作为泵浦剥离器4的端口一的输入光纤，泵浦剥离器4的端口二与光纤耦合器5的端口一相连，光纤耦合器5的端口三与调制器6的端口一相连，光纤耦合器5的端口四作为激光输出端口，调制器6的端口二与环形器7的端口一相连，环形器7的端口二与光纤滤波器8相连，环形器7的端口三与掺杂光纤二9的一端相连，掺杂光纤二9的另一端与泵浦光纤合束器2的信号端相连。
所述的泵浦剥离器4具有低反射、低损耗特性，其端口一的输入光纤直接为掺杂光纤一3，光纤为单包层或者双包层或者光子晶体掺杂光纤，纤芯成分包含有硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、氟化物玻璃中的一种以上，纤芯稀土掺杂离子为镧系离子、过渡金属离子中的一种或两种的组合，所述的泵浦剥离器的端口二的光纤与光纤耦合器尾纤类型一致，通过采用掺杂光纤一3直接作为泵浦剥离器的输入光纤以及采用与光纤耦合器尾纤类型一致的光纤作为端口二的光纤既缩短了腔长又减少了熔接点的反射与损耗。
所述的掺杂光纤二9为单包层掺杂光纤，纤芯成分包含有硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、氟化物玻璃中的一种以上，纤芯稀土掺杂离子为镧系离子、过渡金属离子中的一种或两种的组合，利用掺杂光纤一3产生的反向放大的自发辐射功率对掺杂光纤9进行泵浦，从而可实现对光纤滤波器提取的反馈信号进行放大。
所述的泵浦源1、泵浦光纤合束器2、掺杂光纤一3、掺杂光纤二9、泵浦剥离器4、光纤耦合器5、环形器7、调制器6、光纤滤波器8均是非保偏器件或者均是保偏器件。
所述的光纤滤波器8对信号波长的反射率大于50%，其3dB反射带宽为0.01nm~1nm，具备调谐功能，调谐方式为机械或者温度进行程序控制调谐，调谐范围0.1nm~100nm。
所述的调制器6为声光调制器、电光调制器、热光调制器和全光调制器中的一种。
所述的泵浦光纤合束器2的公共端、泵浦剥离器4的端口二、光纤耦合器5的端口一、调制器6的两端、环形器7的三个端口、光纤滤波器8的两端尾纤长度均控制在50cm以内。
泵浦光纤合束器2、掺杂光纤一3、泵浦剥离器4、光纤耦合器5、调制器6、环形器7、光纤滤波器8和掺杂光纤二9构成了主动调Q光纤激光器的主腔。为加快脉冲的建立时间，各器件尾纤尽量最短以减小主腔长度。泵浦源1输出的泵浦光通过合束器2去泵浦掺杂光纤一3，信号光经掺杂光纤一3放大后通过泵浦剥离器4后接入光纤耦合器5，一部分光经输出光纤耦合器5的端口四输出，另一部分经输出光纤耦合器5的端口三接入调制器6的端口一，通过提前抽取腔内能量避免了过高功率的信号光对调制器6的热损伤，从而允许增加泵浦光功率获取高增益。优化调制器6开关时间，在保证脉冲建立的前提下，减小占空比获取尽可能大的增益恢复时间。强泵浦下产生大量的由纤芯和内包层传输的正反向ASE，腔内不可完全避免的在不连续点反射，都会使得腔内正反向ASE无谓地消耗着掺杂光纤3中积累的反转粒子，造成增益自饱和，使得不能高效放大Q开关打开后腔反馈获得的窄带初始ASE，导致窄线宽调Q脉冲难以快速建立，从而不能获得窄脉宽和高重复频率调Q脉冲。为此，利用基于掺杂光纤作为尾纤的低反射泵浦剥离器4来剥离正向ASE，减弱ASE增益自饱和效应；同时，在腔内接入一段长度优化的掺杂光纤9，并由掺杂光纤3产生的反向ASE提供泵浦，提高了初始ASE窄带腔反馈强度，进一步有效抑制了ASE的增益自饱和效应，确保了调Q激光脉冲在环形腔内快速建立，最终不仅使得调Q脉冲的脉宽变窄，还有效提高调Q脉冲的重复频率。在6W泵浦功率下，激光器获得了线宽窄至0.15nm的调Q脉冲，最小脉宽达8.3 ns，而重复频率则可在10-175kHz内可调。

Claims (6)

1.一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器，其特征在于：包括有泵浦源、泵浦光纤合束器、掺杂光纤一、泵浦剥离器、光纤耦合器、调制器、环形器、光纤滤波器和掺杂光纤二，所述的泵浦源的输出端口与泵浦光纤合束器的泵浦端口相连，泵浦光纤合束器的公共端与掺杂光纤一的一端相连，掺杂光纤一的另一端作为泵浦剥离器的端口一的输入光纤，泵浦剥离器的端口二与光纤耦合器的端口一相连，光纤耦合器的端口三与调制器的端口一相连，光纤耦合器的端口四作为激光输出端口，调制器的端口二与环形器的端口一相连，环形器的端口二与光纤滤波器相连，环形器的端口三与掺杂光纤二的一端相连，掺杂光纤二的另一端与泵浦光纤合束器的信号端相连。
2.根据权利要求1所述的一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦剥离器的端口一的输入光纤为单包层或者双包层或者光子晶体掺杂光纤，纤芯成分包含有硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、氟化物玻璃中的一种以上，纤芯稀土掺杂离子为镧系离子、过渡金属离子中的一种或两种的组合，所述的泵浦剥离器的端口二的光纤与光纤耦合器尾纤类型一致。
3.根据权利要求1所述的一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦源、泵浦光纤合束器、掺杂光纤一、掺杂光纤二、泵浦剥离器、光纤耦合器、环形器、调制器、光纤滤波器均是非保偏器件或者均是保偏器件。
4.根据权利要求1所述的一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器，其特征在于：所述的光纤滤波器对信号波长的反射率大于50%，其3dB反射带宽为0.01nm~1nm，具备调谐功能，调谐方式为机械或者温度进行程序控制调谐，调谐范围0.1nm~100nm。
5.根据权利要求1所述的一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器，其特征在于：所述的调制器为声光调制器、电光调制器、热光调制器和全光调制器中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种窄线宽窄脉宽高重复频率的主动调Q光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦光纤合束器的公共端、泵浦剥离器的端口二、光纤耦合器的端口一、调制器的两端、环形器的三个端口、光纤滤波器的两端尾纤长度均控制在50cm以内。
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