CN111740301A - 一种光纤激光器脉冲串生成模块及光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光纤激光器脉冲串生成模块及光纤激光器，其先通过脉冲选择器将光纤激光器种子源发射的光脉冲信号的重复频率至预设的重复频率，随后，通过脉冲串生成器将光脉冲信号进行多级分裂从而生成具有多个子脉冲的脉冲串，从而使得单脉冲能量降低，从而降低光纤非线性效应，提高光纤激光光束的传输性能。另外，特别对于种子源重复频率较低，而需要的脉冲串内的子脉冲数量不多的情况下，由于需要先降低重复频率且采用子脉冲数量倍增的方式，使得脉冲串生成更加方便与有效。

Description

一种光纤激光器脉冲串生成模块及光纤激光器

技术领域

本申请涉及光纤激光器脉冲技术领域，尤其涉及一种光纤激光器脉冲串生成模块及其采用此模块的光纤激光器。

背景技术

目前，一般的光纤型激光种子源的脉冲重复频率在10至40MHz范围，而较为有效的超短激光脉冲信号串的串内频率需达到1至10GHz以上的水平。而想要得到串内频率如此高的脉冲串，这也就需要用到脉冲串生成模块把每个脉冲加以分裂或复制。

在现有技术中，脉冲串生成模块通常是采用如图1所示的脉冲串生成模块，其基本方法是均匀地把种子源信号的重复频率用脉冲分裂的原理逐步倍增上去，即如果种子源信号的重复频率是100Hz，第一步是把重复频率变为200赫芝，然后再倍增到400赫芝，依次类推。等重复频率倍增到要求的水平后，选用脉冲选择器把需要的脉冲串选出来，再进行放大。其虽然对较长的脉冲串，甚至跨越两个种子源信号脉冲时，可以有较高的效率，但是它受到的限制是脉冲串的串内频率只能是种子源信号频率的2N倍。但是，当脉冲串内包含的子脉冲数并不是很多(如几十个以内)的情况下，这种方法使得降低单脉冲能量不够灵活，而单脉冲能量越高，则会使得输出的高能量脉冲会增加光纤非线性效应，影响光纤激光光束的传输。

发明内容

本申请提供了一种光纤激光器脉冲串生成模块及其光纤激光器，用于解决现有技术中降低光纤单脉冲能量不够灵活的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种光纤激光器脉冲串生成模块，包括：依次设置的脉冲选择器与脉冲串生成器；

所述脉冲选择器用于接收光纤激光器种子源输出的光脉冲信号，并通过调节所述脉冲选择器的开关周期从而获取并输出预设的重复频率的光脉冲信号；

所述脉冲串生成器包括m级2×2分束器(m＝1、2、3···M)与n级延时光纤(n＝1、2、3···N)，其中，第一级2×2分束器的一个输入端与所述脉冲选择器的输出端连接，用于接收所述脉冲选择器所输出的光脉冲信号后进行第一次分束，所述第一级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第二级2×2分束器的一个输入端连接，所述第一级2×2分束器的另一个输出端通过第一级延时光纤与所述第二级2×2分束器的另一个输入端连接，所述第二级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第三级2×2分束器的一个输入端连接，所述第二级2×2分束器的另一个输出端通过第二级延时光纤与所述第三级2×2分束器的另一个输入端连接，以此类推，直至最后一级2×2分束器的一个输出端输出光脉冲信号，其中，第n+1级延时光纤的长度为第n级延时光纤的2倍。

优选地，所述最后一级2×2分束器的另一个输出端连接有第一闲置光纤，所述第一闲置光纤连接有功率器，用于测量所述最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号的平均功率。

优选地，所述第一级2×2分束器的另一个输入端连接有第二闲置光纤。

优选地，还包括第一前置放大器，所述第一前置放大器与所述脉冲选择器的输入端连接，所述第一前置放大器用于接收并放大光纤激光器种子源输出的光脉冲信号。

优选地，还包括第二前置放大器，所述第二前置放大器与所述最后一级2×2分束器的输出端连接，所述第二前置放大器用于接收并放大所述光脉冲信号。

优选地，所述第二前置放大器包括光纤循环器、增益光纤、光纤光栅与泵浦激光源；

所述光纤循环器设有输入端、第一输出端与第二输出端，所述光纤循环器的所述输入端与所述最后一级2×2分束器的输出端连接，用于接收所述最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号；

所述增益光纤与所述光纤循环器的第一输出端连接，用于当所述光脉冲信号经过第一次经过所述增益光纤时，对所述光脉冲信号进行增益放大；

所述泵浦激光源与所述增益光纤连接，所述泵浦激光源用于产生泵浦光并通过所述增益光纤向所述光纤循环器输出；

所述光纤光栅与所述增益光纤连接，所述光纤光栅用于对波长满足光纤布拉格光栅条件的光脉冲信号进行反射，对其余波长的光脉冲信号进行透射，同时，经所述光纤光栅反射的光脉冲信号再次经过所述增益光纤进行增益放大；

所述光纤循环器的第二输出端用于输出经所述增益光纤再次增益放大后的光脉冲信号以及所述泵浦光。

另一方面，本申请还提供了一种光纤激光器，包括上述的光纤激光器脉冲串生成模块。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例提供了一种光纤激光器脉冲串生成模块，包括依次设置的脉冲选择器与脉冲串生成器，其先通过脉冲选择器将光纤激光器种子源发射的光脉冲信号的重复频率调节至预设的重复频率，随后，通过脉冲串生成器将光脉冲信号进行多级分裂从而生成具有多个子脉冲的脉冲串，从而使得单脉冲能量降低，从而降低光纤非线性效应，提高光纤激光光束的传输性能。另外，特别对于种子源重复频率较低，而需要的脉冲串内的子脉冲数量不多的情况下，由于需要先降低重复频率且采用子脉冲数量倍增的方式，使得脉冲串生成更加方便与有效。本申请另一实施例提供的一种光纤激光器应用了上述光纤激光器脉冲串生成模块，具有相同的有益效果。

附图说明

图1为本申请现有技术中光纤激光器脉冲串生成模块的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光纤激光器脉冲串生成模块的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种光纤激光器脉冲串生成模块的脉冲串生成器的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种光纤激光器脉冲串生成模块的第二前置放大器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，请参阅图2，本申请提供的一种光纤激光器脉冲串生成模块，包括：依次设置的脉冲选择器与脉冲串生成器；

进一步地，脉冲选择器用于接收光纤激光器种子源输出的光脉冲信号，并通过调节脉冲选择器的开关周期从而获取并输出预设的重复频率的光脉冲信号；

需要说明的是，光纤激光器的平均功率等于脉冲能量与脉冲重复频率的乘积，当激光器的平均功率限定后，必须通过降低重复频率才能提高脉冲能量。而本实施例中的脉冲选择器的开关周期可调，可以通过脉冲选择器的开关周期将光脉冲信号的重复频率至预设的重复频率，而预设的重复频率是根据客户的工艺需求来设定。

进一步地，脉冲串生成器包括m级2×2分束器(m＝1、2、3···M)与n级延时光纤(n＝1、2、3···N)，其中，第一级2×2分束器的一个输入端与脉冲选择器的输出端连接，用于接收脉冲选择器所输出的光脉冲信号后进行第一次分束，第一级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第二级2×2分束器的一个输入端连接，第一级2×2分束器的另一个输出端通过第一级延时光纤与第二级2×2分束器的另一个输入端连接，第二级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第三级2×2分束器的一个输入端连接，第二级2×2分束器的另一个输出端通过第二级延时光纤与第三级2×2分束器的另一个输入端连接，以此类推，直至最后一级2×2分束器的一个输出端输出光脉冲信号，其中，第n+1级延时光纤的长度为第n级延时光纤的2倍。

需要说明的是，每级2×2分束器分别定义为第m级2×2分束器，而每级延时光纤分别定义为第n级延时光纤。通过2×2分束器可以将光脉冲信号进行分束，而一端通过普通光纤向下一级2×2分束器进行传输，而在另一端通过延时光纤向下一级2×2分束器传输，且第n+1级延时光纤的长度为第n级延时光纤的2倍，使得传输到下一级2×2分束器产生呈2n个子脉冲，直至脉冲串内的子脉冲达到预定的子脉冲数，而预定的子脉冲数与光纤本身的承载性能有关，而光纤本身的承载性能则与光纤的直径大小有关，最后达到预定的子脉冲数后，使得单脉冲的能量降低，从而降低光纤非线性效应，同时，提高光纤传输性能。

另外，本实施例中的脉冲串生成器使得可以产生任意数量子脉冲的重复频率内的脉冲串，特别是对于种子源重复频率较低，而需要的脉冲串内的子脉冲数量不多的情况下，由于需要降低重复频率且采用子脉冲数量倍增的方式，使得脉冲串生成更加方便与有效。

在另一具体实施例中，参考图3，脉冲串生成器采用5级2×2分束器11、12、13、14、15，而每级2×2分束器之间的其中一个输出端与一个输入端通过光纤3连接，另一输出端与另一个输入端通过延时光纤21、22、23、24连接，而延时光纤21、22、23、24共设置4级延时光纤，同时，延时光纤21、22、23、24按照级数的增加，延时光纤21、22、23、24的长度也呈上一级的延时光纤长度的两倍进行延长。最终，在第5级2×2分束器15的其中一个输出端进行输出脉冲，使得进入第1级2×2分束器11的母脉冲进行四次分裂，共分离出16个子脉冲，从而降低了单脉冲能量。

进一步地，最后一级2×2分束器的另一个输出端连接有第一闲置光纤41，第一闲置光纤41连接有功率器，用于测量最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号的平均功率。

进一步地，第一级2×2分束器的另一个输入端连接有第二闲置光纤40。

进一步地，光纤激光器脉冲串生成模块还包括第一前置放大器，第一前置放大器与脉冲选择器的输入端连接，第一前置放大器用于接收并放大光纤激光器种子源输出的光脉冲信号。

进一步地，光纤激光器脉冲串生成模块还包括第二前置放大器，第二前置放大器与最后一级2×2分束器的输出端连接，第二前置放大器用于接收并放大光脉冲信号。

需要说明的是，脉冲串生成器实际上是由母脉冲(初始脉冲)经过多级2×2分束器与多级延时光纤进行分裂而生成的，所以，每个子脉冲的能量会不断减小，同时，由于输入的光脉冲信号分成两路信号光，至少会有一半的功率会损失，再者，每个部件都会产生对光脉冲信号的损耗，因此，最终生成的脉冲串的信号强度降低很多，所以，在本实施例中，采用第二前置放大器对最后一级2×2分束器所输出的光脉冲信号进行放大。

进一步地，参考图4，第二前置放大器具体包括光纤循环器5、增益光纤6、光纤光栅7与泵浦激光源8；

光纤循环器5设有输入端51、第一输出端52与第二输出端53，光纤循环器5的输入端51与最后一级2×2分束器的输出端连接，用于接收最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号；

增益光纤6与光纤循环器5的第一输出端52连接，用于当光脉冲信号经过第一次经过增益光纤6时，对光脉冲信号进行增益放大；

泵浦激光源8与增益光纤6连接，泵浦激光源8用于产生泵浦光并通过增益光纤6向光纤循环器5输出；

光纤光栅7与增益光纤6与连接，光纤光栅7用于对波长满足光纤布拉格光栅条件的光脉冲信号进行反射，对其余波长的光脉冲信号进行透射，同时，经光纤光栅7反射的光脉冲信号再次经过增益光纤6进行增益放大；

光纤循环器5的第二输出端53用于输出经增益光纤6再次增益放大后的光脉冲信号以及泵浦光。

需要说明的是，光脉冲信号进入第二前置放大器进行增益放大的具体工作过程为，光脉冲信号从光纤循环器5的输入端51进入后，经过第一输出端52通过增益光纤6进行第一次放大，然后，第一次放大后的光脉冲信号进入光纤光栅7，光纤光栅7对于波长不满足光纤布拉格光栅条件的光脉冲信号进行透射，使得把其他波长区域的ASE信号过滤掉，而对于波长满足光纤布拉格光栅条件的光脉冲信号进行反射，反射后的光脉冲信号再次经过增益光纤6实现第二次增益放大，最后，由第二输出端53输出。从而能够有效地印制ASE信号，提高了光脉冲信号的信噪比。另外，泵浦激光源8所产生的泵浦光与光脉冲信号进行合成输出，实现对光脉冲信号的放大。

上述实施例提供了一种光纤激光器脉冲串生成模块，而在另一实施例中，还提供了一种光纤激光器，包括如上述的光纤激光器脉冲串生成模块。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种光纤激光器脉冲串生成模块，其特征在于，包括：依次设置的脉冲选择器与脉冲串生成器；

所述脉冲选择器用于接收光纤激光器种子源输出的光脉冲信号，并通过调节所述脉冲选择器的开关周期从而获取并输出预设的重复频率的光脉冲信号；

所述脉冲串生成器包括m级2×2分束器(m＝1、2、3···M)与n级延时光纤(n＝1、2、3···N)，其中，第一级2×2分束器的一个输入端与所述脉冲选择器的输出端连接，用于接收所述脉冲选择器所输出的光脉冲信号后进行第一次分束，所述第一级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第二级2×2分束器的一个输入端连接，所述第一级2×2分束器的另一个输出端通过第一级延时光纤与所述第二级2×2分束器的另一个输入端连接，所述第二级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第三级2×2分束器的一个输入端连接，所述第二级2×2分束器的另一个输出端通过第二级延时光纤与所述第三级2×2分束器的另一个输入端连接，以此类推，直至最后一级2×2分束器的一个输出端输出光脉冲信号，其中，第n+1级延时光纤的长度为第n级延时光纤的2倍。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器脉冲串生成模块，其特征在于，所述最后一级2×2分束器的另一个输出端连接有第一闲置光纤，所述第一闲置光纤连接有功率器，用于测量所述最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号的平均功率。

3.根据权利要求2所述的光纤激光器脉冲串生成模块，其特征在于，所述第一级2×2分束器的另一个输入端连接有第二闲置光纤。

4.根据权利要求1所述的光纤激光器脉冲串生成模块，其特征在于，还包括第一前置放大器，所述第一前置放大器与所述脉冲选择器的输入端连接，所述第一前置放大器用于接收并放大光纤激光器种子源输出的光脉冲信号。

5.根据权利要求1或4所述的光纤激光器脉冲串生成模块，其特征在于，还包括第二前置放大器，所述第二前置放大器与所述最后一级2×2分束器的输出端连接，所述第二前置放大器用于接收并放大所述所述最后一级2×2分束器所输出的所述光脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的光纤激光器脉冲串生成模块，其特征在于，所述第二前置放大器包括光纤循环器、增益光纤、光纤光栅与泵浦激光源；

所述光纤循环器设有输入端、第一输出端与第二输出端，所述光纤循环器的所述输入端与所述最后一级2×2分束器的输出端连接，用于接收所述最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号；

所述增益光纤与所述光纤循环器的第一输出端连接，用于当所述光脉冲信号第一次经过所述增益光纤时，对所述光脉冲信号进行增益放大；

所述泵浦激光源与所述增益光纤连接，所述泵浦激光源用于产生泵浦光并通过所述增益光纤向所述光纤循环器输出；

所述光纤光栅与所述增益光纤连接，所述光纤光栅用于对波长满足光纤布拉格光栅条件的光脉冲信号进行反射，对其余波长的光脉冲信号进行透射，同时，经所述光纤光栅反射的光脉冲信号再次经过所述增益光纤进行增益放大；

所述光纤循环器的第二输出端用于输出经所述增益光纤再次增益放大后的光脉冲信号以及所述泵浦光。

7.一种光纤激光器，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的光纤激光器脉冲串生成模块。

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