CN111370984A - 一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器 - Google Patents

一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器。该激光光纤放大器包括重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源、两级单模光纤激光放大器、带通滤波器、四级多模光纤激光放大器和高功率光纤端帽。系统分别采用可低损耗熔接的标准光纤器件、高掺杂超大模场光纤及自主化高效率熔接技术来实现全纤化、高功率、可调谐的目的。最终实现了一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器。

Description

一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器。
背景技术
光纤激光器具有结构紧凑、工作稳定、热管理方便、光束质量高和光光转换效率高等特点，近年来得到广泛的发展和应用，尤其是重复频率和脉冲宽度连续大范围可调、峰值功率高、光束质量好的窄线宽纳秒光纤激光器在非线性频率转换、激光雷达、激光测距和相干合成等领域有广泛的应用前景。
窄线宽纳秒激光脉冲在光纤激光放大器放大过程中，由于光纤中光子和声子的相互作用容易产生受激布里渊散射(SBS)等非线性效应，使其输出功率受到限制。在这个难题下想要获得高功率的窄线宽纳秒激光输出，就要提高SBS的阈值。目前，大多数的研究人员采用对光纤设置温度梯度或设置应力梯度、使用光子晶体光纤或固体晶体作为主放大级的增益介质等方法来提高SBS的阈值，这虽然获得了高功率窄线宽的脉冲输出，但是也带来了一些弊端。
对光纤设置温度梯度或设置应力梯度需要占用大量的空间，增加了系统体积和产品造价，而且受工作环境影响较大，不利于系统的小型化和稳定性；使用光子晶体光纤作为主放大级增益介质存在价格昂贵、不易盘绕的问题，而且其与普通石英光纤之间的熔接技术不成熟，信号光和泵浦光大多通过空间光耦合的方式进入光子晶体光纤，难以实现小型化和全纤化；固体激光放大器散热效果差，导致热效应非常明显，因此固体激光放大器不得不配置冷却系统，这大大增加了激光器的复杂性，降低系统稳定性，使系统难以小型化。因此本发明中采用高掺杂超大模场光纤作为主放大级的增益介质以实现系统的小型化和全纤化。
鉴于可调谐的高相干性光源在科研、国防、医疗与农业生产等方面的应用不断深入，可调谐窄线宽激光器得到了快速发展，但这些激光器受其结构限制，调节范围不是很宽、调节灵活度低，或受其激发机制限制，输出功率不是很高，所以其应用范围受到制约。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明提出一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，克服传统窄线宽纳秒激光器全光纤化程度不高、输出功率低和可调谐范围小，灵活度低的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，包括沿光路依次设置的重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源(A)、两级单模光纤激光放大器(B)、带通滤波器(C)和四级多模光纤激光放大器(D)、高功率光纤端帽(E)。重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源(A) 输出重复频率1kHz～100kHz可调、脉冲宽度1ns～200ns可调、平均功率微瓦量级的窄线宽脉冲，通过两级单模光纤激光放大器(B)放大后，输出功率达到毫瓦量级，通过带通滤波器(C)后，单模光纤放大器中产生的光谱噪声得到抑制，再通过四级多模光纤激光放大器(D)对脉冲进行功率放大，最后通过一个带有包层光剥除功能的高功率光纤端帽(E)将激光输出。所述各个模块之间通过光纤熔接形成一个全光纤化的系统。
所述重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源(A)连接第一信号光隔离器输入端。
所述两级单模光纤激光放大器(B)包含第一光纤波分复用器、第一增益光纤、第一半导体激光器、第一带通滤波器、第二光纤波分复用器、第二增益光纤、第二半导体激光器。第一半导体激光器输出端连接第一光纤波分复用器泵浦纤端，第一信号光隔离器输出端连接第一光纤波分复用器信号纤端，第一光纤波分复用器公共端连接第一增益纤输入端，第一增益纤输出端连接第一带通滤波器输入端，第一带通滤波器输出端连接第二光纤波分复用器信号纤端，第二半导体激光器输出端连接第二光纤波分复用器泵浦纤端，第二光纤波分复用器公共端连接第二增益光纤输入端。
所述带通滤波器(C)包括第一光纤环形器、第一反射式光纤光栅、第一光纤跳线、第二信号光隔离器。第二增益光纤输出端连接第一光纤环形器输入端，第一光纤环形器反射端连接第一反射式光纤光栅前端，第一反射式光纤光栅后端连接第一光纤跳线，第一光纤环形器输出端连接第二信号光隔离器输入端。
所述四级多模光纤激光放大器(D)由四级光纤放大器级联组成，其中第一级光纤放大器包括第三半导体激光器、第一光纤合束器、第三增益光纤、第二带通滤波器、第三信号光隔离器；第二级光纤放大器包括第四半导体激光器、第二光纤合束器、第四增益光纤、第四信号光隔离器；第三级光纤放大器包括第五半导体激光器、第三光纤合束器、第五增益光纤、第五信号光隔离器；第四级光纤放大器包括第六半导体激光器、第四光纤合束器、第六增益光纤。
第二信号光隔离器输出端连接第一光纤合束器信号纤端，第三半导体激光器连接第一光纤合束器泵浦纤端，第一光纤合束器公共端连接第三增益光纤输入端，第三增益光纤输出端连接第二带通滤波器输入端，第二带通滤波器输出端连接第三信号光隔离器输入端。第三信号光隔离器输出端连接第二光纤合束器信号纤端，第四半导体激光器连接第二光纤合束器泵浦纤端，第二光纤合束器公共端连接第四增益光纤输入端，第四增益光纤输出端连接第四信号光隔离器输入端。第四信号光隔离器输出端连接第三光纤合束器信号纤端，第五半导体激光器连接第三光纤合束器泵浦纤端，第三光纤合束器公共端连接第五增益光纤输入端，第五增益光纤输出端连接第五信号光隔离器输入端。第五信号光隔离器输出端连接第四光纤合束器信号纤端，第六半导体激光器连接第四光纤合束器泵浦纤端，第四光纤合束器公共端连接第六增益光纤输入端。
所述高功率光纤端帽(E)，熔接在第六增益光纤输出端。
本发明具有下述有益效果：
1.本系统应用光纤熔接技术构成一个封闭的全纤化光学系统，全光纤光学系统抗干扰能力强、可靠性高，便于小型化封装。
2.第六增益光纤采用保偏或非保偏的高掺杂超大模场双包层光纤中的一种或多种，可有效减少系统中累积的非线性效应，提高系统光光转换效率，实现高功率输出。
3.种子源采用重复频率和脉冲宽度灵活可调的光纤激光器或半导体激光器中的一种，可以实现窄线宽纳秒脉冲输出，且脉冲宽度在1ns～ 200ns范围内可调，重复频率在1kHz～100kHz范围内可调。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明：
附图1是本发明一个实施例的模块示意图
附图2是本发明一个实施例的光路结构图
图中：(A)重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源、(B)两级单模光纤激光放大器、(C)带通滤波器、(D)四级多模光纤激光放大器、(E) 高功率光纤端帽；1—窄线宽纳秒种子源，2—第一信号光隔离器，3—第一半导体激光器，4—第一光纤波分复用器，5—第一增益光纤，6—第一带通滤波器，7—第二半导体激光器，8—第二光纤波分复用器，9—第二增益光纤，10 —光纤环形器，11—反射式光纤光栅，12—第一光纤跳线，13—第二信号光隔离器，14—第三半导体激光器，15—第一光纤合束器，16—第三增益光纤， 17—第二带通滤波器，18—第三信号光隔离器，19—第四半导体激光器，20 —第二光纤合束器，21—第四增益光纤，22—第四信号光隔离器，23—第五半导体激光器，24—第三光纤合束器，25—第五增益光纤，26—第五信号光隔离器，27—第六半导体激光器，28—第四光纤合束器，29—第六增益光纤， 30—泵浦剥除装置，31—端帽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰明确，以下结合附图和具体实施例作进一步说明，此处所描述的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重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，包括：重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源(A)、两级单模光纤激光放大器(B)、带通滤波器(C)、四级多模光纤激光放大器(D)和高功率光纤端帽(E)，
其特征在于所述重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源(A)，脉冲宽度在1ns～200ns范围内可调，重复频率在1kHz～100kHz范围内可调；所述两级单模光纤激光放大器(B)为高掺杂单模光纤和与之配合使用的光纤器件；所述带通滤波器(C)有光纤环形器和反射式光纤光栅组成的光谱噪声滤波装置；所述四级多模光纤激光放大器(D)为由多级光纤放大器级联组成的主振荡功率放大器，为抑制光纤中累积的非线性效应，主放大级的增益光纤采用高掺杂大模场双包层光纤；所述高功率光纤端帽(E)为包层光剥除装置和端帽输出装置。
如图2所示，重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源1与第一信号光隔离器2输入端连接，以保种子源工作稳定性不受反馈光的干扰，脉冲经第一信号光隔离器2输出后进入两级单模光纤激光放大器。
两级单模光纤激光放大器(B)包含第一光纤波分复用器4、第一增益光纤5、第一半导体激光器3、第一带通滤波器6、第二光纤波分复用器8、第二增益光纤9、第二半导体激光器7。第一半导体激光器3输出端连接第一光纤波分复用器4泵浦纤端，第一信号光隔离器2输出端连接第一光纤波分复用器4信号纤端，第一光纤波分复用器4公共端连接第一增益纤5输入端，第一增益纤5输出端连接第一带通滤波器6输入端，第一带通滤波器6输出端连接第二光纤波分复用器8信号纤端，第二半导体激光器7输出端连接第二光纤波分复用器8泵浦纤端，第二光纤波分复用器8公共端连接第二增益光纤9输入端。
带通滤波器(C)包括第一光纤环形器10、第一反射式光纤光栅11、第一光纤跳线12、第二信号光隔离器13。第二增益光纤9输出端连接第一光纤环形器10输入端，第一光纤环形器10反射端连接第一反射式光纤光栅11前端，第一反射式光纤光栅11后端连接第一光纤跳线12，第一光纤环形器10 输出端连接第二信号光隔离器13输入端。
所述四级多模光纤激光放大器(D)由四级光纤放大器级联组成，其中第一级光纤放大器包括第三半导体激光器14、第一光纤合束器15、第三增益光纤16、第二带通滤波器17、第三信号光隔离器18；第二级光纤放大器包括第四半导体激光器19、第二光纤合束器20、第四增益光纤21、第四信号光隔离器22；第三级光纤放大器包括第五半导体激光器23、第三光纤合束器24、第五增益光纤25、第五信号光隔离器26；第四级光纤放大器包括第六半导体激光器27、第四光纤合束器28、第六增益光纤29。第二信号光隔离器13输出端连接第一光纤合束器15信号纤端，第三半导体激光器14连接第一光纤合束器15泵浦纤端，第一光纤合束器15公共端连接第三增益光纤16输入端，第三增益光纤16输出端连接第二带通滤波器17输入端，第二带通滤波器17 输出端连接第三信号光隔离器18输入端。第三信号光隔离器18输出端连接第二光纤合束器20信号纤端，第四半导体激光器19连接第二光纤合束器20泵浦纤端，第二光纤合束器20公共端连接第四增益光纤21输入端，第四增益光纤21输出端连接第四信号光隔离器22输入端。第四信号光隔离器22输出端连接第三光纤合束器24信号纤端，第五半导体激光器23连接第三光纤合束器24泵浦纤端，第三光纤合束器24公共端连接第五增益光纤25输入端，第五增益光纤25输出端连接第五信号光隔离器26输入端。第五信号光隔离器26输出端连接第四光纤合束器28信号纤端，第六半导体激光器27连接第四光纤合束器28泵浦纤端，第四光纤合束器28公共端连接第六增益光纤29 输入端。
高功率光纤端帽(E)包括泵浦光剥除装置和端帽输出装置，依次熔接在第六增益光纤29输出端。通过在去除涂覆层的双包层光纤外涂覆高折射率导热介质的方法，剥除包层中剩余泵浦光及其它包层光。
可选地，所述重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源光纤激光器或半导体激光器中的一种。
可选地，所述第六增益光纤为保偏或非保偏高掺杂大模场双包层光纤中的一种，且与第四光纤合束器公共端均采用全光纤化熔接。
本发明设计简单、结构紧凑、满足全光纤化下数百瓦可调谐窄线宽纳秒脉冲输出。
最后应说明的是以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，其特征在于，包括沿光路依次设置的脉冲宽度和重复频率连续可调的窄线宽纳秒种子源(A)、两级单模光纤功率放大器(B)、带通滤波器(C)、四级多模光纤功率放大器(D)和高功率光纤端帽(E)，所述脉冲宽度和重复频率连续可调的窄线宽纳秒种子源(A)为商用窄线宽纳秒激光器；所述两级单模光纤功率放大器(B)由高掺杂单模增益光纤和与之配合使用的单模光纤器件组成；光谱噪声带通滤波器(C)由光纤环形器和反射式光纤光栅组成；四级多模光纤功率放大器(D)由多级光纤放大器级联组成的功率放大器；高功率光纤端帽(E)由包层光剥除装置和端帽输出装置组成。
2.根据权利要求1所述的一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述脉冲宽度和重复频率连续可调的窄线宽纳秒种子源(A)为商用窄线宽纳秒激光器，连接第一信号光隔离器输入端；
所述脉冲宽度和重复频率连续可调的窄线宽纳秒种子源为光纤激光器或半导体激光器中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述两级单模光纤功率放大器(B)包含第一光纤波分复用器、第一增益光纤、第一半导体激光器、第一带通滤波器、第二光纤波分复用器、第二增益光纤、第二半导体激光器；第一半导体激光器输出端连接第一光纤波分复用器泵浦纤端，第一信号光隔离器输出端连接第一光纤波分复用器信号纤端，第三光纤波分复用器公共端连接第一增益纤输入端，第一增益纤输出端连接第一带通滤波器输入端，第一带通滤波器输出端连接第二光纤波分复用器信号纤端，第二半泵浦激光器输出端连接第二光纤波分复用器泵浦纤端，第二光纤波分复用器公共端连接第二增益光纤输入端；
所述第一增益光纤、第二增益光纤为保偏掺杂单模增益光纤或非保偏掺杂单模增益光纤。
4.根据权利要求1所述的一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述光谱噪声带通滤波器(C)包括第一光纤环形器、第一反射式光纤光栅、第一光纤跳线、第二信号光隔离器；第二增益光纤输出端连接第一光纤环形器输入端，第一光纤环形器反射端连接第一反射式光纤光栅前端，第一反射式光纤光栅后端连接第一光纤跳线，第一光纤环形器输出端连接第二信号光隔离器输入端；
所述四级多模光纤激光放大器(D)由四级光纤放大器级联组成，其中第一级光纤放大器包括第三半导体激光器、第一光纤合束器、第三增益光纤、第二带通滤波器、第三信号光隔离器；第二级光纤放大器包括第四半导体泵浦激光器、第二光纤合束器、第四增益光纤、第四信号光隔离器；第三级光纤放大器包括第五半导体激光器、第三光纤合束器、第五增益光纤、第五信号光隔离器；第四级光纤放大器包括第六半导体激光器、第四光纤合束器、第六增益光纤；
第二信号光隔离器输出端连接第一光纤合束器信号纤端，第三半导体激光器连接第一光纤合束器泵浦纤端，第一光纤合束器公共端连接第三增益光纤输入端，第三增益光纤输出端连接第二带通滤波器输入端，第二带通滤波器输出端连接第三信号光隔离器输入端；第三信号光隔离器输出端连接第二光纤合束器信号纤端，第四半导体激光器连接第二光纤合束器泵浦纤端，第二光纤合束器公共端连接第四增益光纤输入端，第四增益光纤输出端连接第四信号光隔离器输入端；第四信号光隔离器输出端连接第三光纤合束器信号纤端，第五半导体激光器连接第三光纤合束器泵浦纤端，第三光纤合束器公共端连接第五增益光纤输入端，第五增益光纤输出端连接第五信号光隔离器输入端；第五信号光隔离器输出端连接第四光纤合束器信号纤端，第六半导体激光器连接第四光纤合束器泵浦纤端，第四光纤合束器公共端连接第六增益光纤输入端；
所述高功率光纤端帽(E)，熔接在第六增益光纤输出端；
所述第三增益光纤与第四增益光纤是保偏或非保偏的掺杂双包层增益光纤中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述第六增益光纤是保偏或非保偏的高掺杂超大模场双包层光纤一种或多种，且与第四光纤合束器公共端均采用全光纤化熔接。
6.根据权利要求1所述的一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述的增益光纤为掺有稀土元素的光纤，稀土元素为铒、镱、铥中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述的一种可调谐窄线宽纳秒全光纤激光放大器为全保偏光纤激光放大器或非保偏光纤激光放大器。
8.根据权利要求1所述的一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述的高掺杂超大模场双包层光纤的包层泵浦吸收系数为5.0—30.0dB/m,模场直径为48.0—52.0μm。
9.根据权利要求1所述的一种重复频率和脉宽可调谐的窄线宽纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述的重复频率为1kHz—100kHz，所述纳秒量级脉冲脉宽为1ns—200ns。
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CN101496320A (zh) * 2006-07-27 2009-07-29 伊雷克托科学工业股份有限公司 串接光放大器
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