CN112117631A - 光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光纤激光器，包括种子光源、单级放大器结构及输出端，单级放大器结构包括隔离器、增益光纤、合束器及泵浦源。其中，增益离子掺杂浓度在脉冲信号光的传输方向上逐渐增大且增益光纤的纤芯直径和包层直径为同一尺寸，且基质材料相同，使得增益光纤在吸收泵浦光形成粒子数反转后，在脉冲信号光的传输方向上的反转粒子数呈现逐渐增大的趋势，使得能够匹配脉冲信号光逐渐放大对反转粒子数的需求，在需求匹配的基础上，反转粒子数被消耗之后，为了维持上能级粒子数分布的稳态，其他上能级的粒子将转换到反转粒子数所在的能级，使得能够通过降低其他上能级的粒子数的方式降低产生ASE噪声的粒子数的数量，达到抑制ASE噪声的目的。

Description

光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种光纤激光器。

背景技术

普通的光纤激光器在实际应用中需要有较高的信噪比和较高的输出功率，为了提高激光器输出光的功率和信噪比，需要进行多级放大。

然而，目前的光纤激光器在每级光纤放大过程中会产生放大器自发辐射（Amplifier Spontaneousemission，ASE）噪声，导致光纤激光器发出的信号的ASE噪声大的问题，且为了解决该问题，还将在每一级放大后进行ASE的滤波，需要增加相应的滤波器和隔离器，同时为了确保滤波效果还需要对光纤激光器中的种子光源进行温控或者调节滤波器的透过波长，这些都增加了光纤激光器的复杂程度及制备成本，因此，现有技术中通过设置滤波器和隔离器过滤ASE噪声的方式存在导致光纤激光器的结构复杂且成本高的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光纤激光器，可以解决现有技术中的设置滤波器件过滤ASE噪声的方式带来的光纤激光器的结构复杂且成本高的问题。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种光纤激光器，所述光纤激光器包括：

依次级联的种子光源、单级放大器结构及输出端；

所述单级放大器结构包括隔离器、增益光纤、合束器，及泵浦源；

所述种子光源用于发射脉冲信号光，所述脉冲信号光经过所述隔离器之后入射至所述增益光纤，其中，所述增益光纤的增益离子掺杂浓度在所述脉冲信号光的传输方向上是呈现逐渐增大趋势的，且所述增益光纤的纤芯直径和包层直径为同一尺寸，且所述增益光纤的基质材料相同；

所述泵浦源用于发射泵浦光，所述泵浦光入射至所述合束器；

所述合束器用于将所述泵浦光耦合至所述增益光纤；

所述增益光纤用于吸收所述泵浦光实现粒子数反转，并基于所述粒子数反转对所述脉冲信号光进行放大，放大后的脉冲信号光作为输出信号输出至所述输出端。

可选地，所述单级放大器结构为反向单级放大器结构，所述放大后的脉冲信号光从所述增益光纤输出后输入至所述合束器，且经过所述合束器之后输入至所述输出端。

可选地，所述增益光纤的增益离子掺杂浓度沿所述脉冲信号光的传输方向的分布方式为线性函数增大，或者为指数型增大，或者为对数型函数增大，或者为阶跃式增大。

可选地，所述增益光纤为单包层光纤或者双包层光纤。

可选地，所述增益光纤中的增益离子为钕离子，铒离子、锗离子、镨离子、钬离子、铕离子、镱离子、镝离子、铥离子中的任意一种或多种。

可选地，所述增益光纤由M段增益子光纤组成，且第m+1段增益子光纤的增益离子掺杂浓度的最小值大于第m段增益子光纤的增益离子掺杂浓度的最大值，其中，M大于或等于2，m属于1至M-1中的任意一个整数。

可选地，M段所述增益子光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径及包层直径相同。

可选地，所述单级放大器结构的数量为N个，且N个所述单级放大器结构级联，N大于或等于2；

所述种子光源输出的脉冲信号光输入至第1个单级放大器结构的隔离器，且第N个单级放大器结构中输出的放大后的脉冲信号光输入至所述输出端；

第n个单级放大器结构输出的放大后的脉冲信号光输入至第n+1个单级放大器结构的隔离器，n为1至N-1中的任意一个整数。

可选地，第n+1个单级放大器结构中的增益光纤的增益离子掺杂浓度的最小值，大于第n个单级放大器结构中的增益光纤的增益离子掺杂浓度的最大值。

可选地，所述第n+1个单级放大器结构的纤芯直径大于第n个单级放大器结构的纤芯直径。

采用本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明提供一种光纤激光器，该光纤激光器包括种子光源、单级放大器结构及输出端，该单级放大器结构包括增益光纤、合束器及泵浦源，其中，种子光源用于发射脉冲信号光，该脉冲信号光入射至所述增益光纤，该增益光纤的增益离子掺杂浓度在脉冲信号光的传输方向上是呈现逐渐增大趋势的，且增益光纤的纤芯直径和包层直径为同一尺寸，增益光纤的基质材料相同，其中，泵浦源用于发射泵浦光，该泵浦光入射至合束器，合束器则用于将泵浦光耦合至增益光纤，该增益光纤则用于吸收泵浦光实现粒子数反转，并基于粒子数反转对脉冲信号光进行放大，放大后的脉冲信号光作为输出信号输出至输出端。通过使用增益光纤，该增益光纤的增益离子掺杂浓度在脉冲信号光的传输方向上逐渐增大且增益光纤的纤芯直径和包层直径为同一尺寸，使得该增益光纤在吸收泵浦光形成粒子数反转之后，在脉冲信号光的传输方向上的反转粒子数也呈现逐渐增大的趋势，使得反转粒子数的逐渐增大的趋势能够匹配脉冲信号光逐渐放大对反转粒子数的需求，在需求匹配的基础上，反转粒子数被消耗之后，为了维持上能级粒子数分布的稳态，其他上能级的粒子将转换到反转粒子数所在的能级，能够降低其他上能级的粒子数，使得能够通过降低其他上能级的粒子数的方式降低产生ASE噪声的粒子数的数量，达到抑制ASE噪声的目的，且具有结构简单且成本低的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为本发明实施例中光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例中光纤激光器的另一结构示意图；

图3为本发明实施例中光纤激光器的另一结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明实施例中光纤激光器的结构示意图，该光纤激光器包括：依次级联的种子光源11、单级放大器结构12及输出端13；且单级放大器结构12包括隔离器111、增益光纤112、合束器113，及泵浦源114。

其中，种子光源11用于发射脉冲信号光，脉冲信号光经过隔离器111之后入射至增益光纤112，其中，增益光纤112的增益离子掺杂浓度在脉冲信号光的传输方向上是呈现逐渐增大趋势的，且增益光纤112的纤芯直径和包层直径为同一尺寸，且增益光纤112的基质材料相同。

其中，泵浦源114用于发射泵浦光，泵浦光入射至合束器113，该合束器113用于将泵浦光耦合至增益光纤112，增益光纤112用于吸收泵浦光实现粒子数反转，并基于粒子数反转对脉冲信号光进行放大，放大后的脉冲信号光作为输出信号输出至输出端13。

在一种可行的实现方式中，上述的单级放大器结构12为反向单级放大器结构12，放大后的脉冲信号光将从增益光纤112输出后输入至合束器113，经过合束器113之后输入至输出端13。其中，反向单级放大器结构12是指脉冲信号光在增益光纤112内的传输方向，与泵浦光在增益光纤112内的传输方向相反。

其中，隔离器111是为了隔离ASE噪声及后向传输的光，避免ASE噪声及后向传输的光传输至种子光源11，影响种子光源11的性能。

为了更好地理解本发明实施例中的光纤激光器，下面将介绍图1所述实施例中的光纤激光器抑制ASE噪声的原理，具体如下：

其中，光纤激光器内的增益光纤112放大脉冲信号光的原理为：增益光纤112内包含增益离子，泵浦光入射至增益光纤112之后，增益光纤112内的增益离子将吸收泵浦光，并使得增益光纤112内的粒子实现粒子数反转。在脉冲信号光入射至增益光纤112之后，增益光纤112内处于上能级的粒子在脉冲信号光的激励下产生强烈的受激辐射，使得脉冲信号光被放大，且处于上能级的粒子被消耗。

本申请发明人经过创造性的研究发现，在使用增益光纤112对脉冲信号光进行放大的过程中，脉冲信号光包含的光子数密度和反转粒子数密度匹配才能最好地抑制ASE噪声。其中，匹配是指脉冲信号光中的光子数进行激励产生受激辐射时所需要消耗的能量，与反转粒子数所能够提供的能量相等，或者差异在预设范围内。需要说明的是，考虑到在理想情况下，增益光纤112内处于低能级的粒子数多，处于上能级的粒子数非常少，为了便于技术方案的描述和理解，将增益光纤112内处于上能级的粒子称为反转粒子。本发明实施例中为了描述的方便，将能够激发脉冲信号光放大的粒子所在的能级称为上能级，不能激发脉冲信号光放大的粒子的能级称为其他上能级。

此外，光子数密度和反转粒子数密度匹配能够抑制ASE噪声是因为：在放大的过程中，反转粒子数（即处于上能级的粒子）被消耗之后，为了维持增益光纤112内处于上能级的粒子数分布的稳态，其他上能级的粒子将快速转成可激发脉冲信号光放大的上能级的粒子，这样能够有效减少其他上能级粒子的数量，降低其他上能级粒子的自发辐射产生的ASE噪声。

为了实现上述的匹配，发明人经过创造性的研究发现，对功率小的脉冲信号光进行放大所需要的反转粒子数少，即反转粒子数密度低，且在该种情况下，为了实现反转粒子数密度低的需求，泵浦光的功率也要低，且同时，增益光纤112内的增益离子掺杂浓度也需要低。相反的，对于功率大的脉冲信号光进行放大所需要的反转粒子数多，即反转粒子数密度高，且在该种情况下，为了实现反转粒子数密度高的需求，泵浦光的功率也要高，且增益光纤112内的增益离子掺杂浓度也需要高。在此基础上，结合种子光源11发射的初始的脉冲信号光的功率低，且该脉冲信号光在增益光纤112内是逐渐放大的，为了适配脉冲信号光的放大过程，将设置增益光纤112内增益离子的掺杂浓度在脉冲信号光的传输方向上是呈现逐渐增大的趋势，使得在脉冲信号光的传输方向上反转粒子数密度也将呈现逐渐增大的趋势，可以匹配脉冲信号光在放大的过程中对反转粒子数密度的需求。

且进一步地，为了更好的实现上述的光子数密度与反转粒子数的匹配，上述增益光纤112的纤芯直径为同一尺寸，使得能够避免纤芯直径不同导致的模式变化带来的对受激辐射过程的影响，进一步地提高抑制ASE噪声的效果。

且进一步地，为了使得上述的光纤激光器能够更好的实现，增益光纤的包层直径为同一尺寸，且增益光纤的基质材料相同，使得增益光纤能够更好的实现熔接。

且进一步地，在一种更优的技术方案中，为了使得增益光纤112中增益离子掺杂浓度大的位置能够吸收功率大的泵浦光，且增益离子掺杂浓度小的位置能够吸收功率小的泵浦光，且结合泵浦光在增益光纤112内的传输的过程中存在逐渐衰减的过程，因此，将上述的单级放大器结构12设置为反向单级放大器结构12，使得泵浦光在脉冲信号光的传输方向上能够逐渐增大，匹配增益光纤112对泵浦光的需求。

基于上述的原理，本申请发明人经过创造性的劳动得到上述图1所示实施例中的光纤激光器，且使用该光纤激光器能够有效的实现对ASE噪声点的抑制。

在本发明实施例中，增益光纤112的增益离子掺杂浓度沿脉冲信号光的传输方向的分布方式为线性函数增大，或者为指数型增大，或者为对数型函数增大，或者为阶跃式增大，在实际应用中，可以根据具体的需要设置该增益离子掺杂浓度的增大方式，此处不做限定。

进一步地，上述的增益光纤112可以为单包层光纤或者双包层光纤。其中，增益光纤112中的增益离子可以为钕离子，铒离子、锗离子、镨离子、钬离子、铕离子、镱离子、镝离子、铥离子中的任意一种或多种。可以理解的是，在实际应用中，可以根据对脉冲信号光放大的期望的放大倍数选择具有相应的增益离子的光纤，或者选择具有两种或两种以上的增益离子的光纤，此处不做限定。

其中，增益光纤112可以为单模增益光纤或者多模增益光纤，在实际应用中可以根据具体的需要选择光纤的模式，此处不做限定。

在本发明实施例中，通过设置增益光纤112内的增益离子掺杂浓度在脉冲信号光的传输方向上呈现逐渐增大的趋势，使得该增益光纤112在吸收泵浦光形成粒子数反转之后，在脉冲信号光的传输方向上的反转粒子数也呈现逐渐增大的趋势，使得反转粒子数的逐渐增大的趋势能够匹配脉冲信号光逐渐放大对反转粒子数的需求，在需求匹配的基础上，反转粒子数被消耗之后，为了维持上能级粒子数分布的稳态，其他上能级的粒子将转换到反转粒子数所在的能级，能够降低其他上能级的粒子数，使得能够通过降低其他上能级的粒子数的方式降低产生ASE噪声的粒子数的数量，达到抑制ASE噪声的目的。且能够进一步的通过设置增益光纤112的纤芯直径和包层直径为同一尺寸方式，进一步地提高抑制ASE噪声的效果，此外，还可用于通过设置反向单级放大器结构12的方式，使得泵浦光在脉冲信号光的传输方向上的功率是逐渐增大的，匹配增益离子对泵浦光的需求，进一步的提升抑制ASE噪声的效果，此外，该光纤激光器的结构简单，且不需要使用到滤波器件，还具有成本低的优点。

在图1所示实施例的基础上，请参阅图2，为本发明实施例中光纤激光器的另一结构的示意图，该光纤激光器包括依次级联的种子光源11、单级放大器结构12及输出端13，该单级放大器结构12包括隔离器111、增益光纤112、合束器113及泵浦源114，且该单级放大器结构12为反向单级放大器结构12。

其中，种子光源11用于发射脉冲信号光，脉冲信号光经过隔离器111之后入射至增益光纤112，单级放大器结构12中的泵浦源114用于发射泵浦光，泵浦光入射至合束器113，合束器113将该泵浦光耦合至增益光纤112，且脉冲信号光与泵浦光在增益光纤112内的传输方向相反。

其中，增益光纤112将吸收泵浦光实现粒子数反转，并基于粒子数反转对脉冲信号光进行放大，放大后的脉冲信号光经过合束器113之后输出至输出端13，使得能够输出放大后的脉冲信号光。

其中，上述的增益光纤112内的增益离子掺杂浓度在脉冲信号光的传输方向上是呈现逐渐增大趋势的，且增益光纤112的纤芯直径为同一直径。

进一步地，上述的增益光纤112还可以由M段具有不同增益离子掺杂浓度的增益子光纤组成，其中，M大于或等于2，如图2所示，增益光纤112具有M段。其中，M段增益子光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径及包层直径相同，且M段增益子光纤构成的整个的光纤在脉冲信号光的传输方向上增益离子掺杂浓度呈逐渐增大的趋势。

在本发明实施例中，图1及图2所示的实施例为单级的光纤激光器，还可以基于图1所示实施例构造多级的光纤激光器，请参阅图3，为本发明实施例中光纤激光器的另一结构示意图，该光纤激光器包括：依次级联的种子光源11、N个单级放大器结构12，及输出端13，其中，每一个单级放大器结构12的结构都相同，且图3所示实施例中的单级放大器结构12如图1所示实施例中的单级放大器结构12，或者如图2所示实施例中的单级放大器结构12，即包含隔离器111、增益光纤112、合束器113及泵浦源114，不同的在于单级放大器结构12中的增益光纤112内的增益离子掺杂浓度及泵浦源114发出的泵浦光的功率，且N个单级放大器结构12为级联结构，N大于或等于2，且为整数。

其中，种子光源11用于发射脉冲信号光，该脉冲信号光将入射至第1个单级放大器结构12，在该第1个单级放大器结构12内，将先入射至隔离器111，经过隔离器111入射至增益光纤112，且泵浦源114将发射泵浦光，泵浦光被合束器113耦合至增益光纤112内，且在增益光纤112内的传输方向与脉冲信号光的传输方向相反，脉冲信号光在增益光纤112内被放大后，将经过合束器113输出，并输入至第二个单级放大器结构12内，且在第二个单级放大器结构12内的传输过程与在第1个单级放大器结构12内的传输过程一致，其他的单级放大器结构12也以此类推，即第n个单级放大器结构12输出的放大后的脉冲信号光将输入至第n+1个单级放大器结构12的隔离器111，其中，n为1至N-1中的任意一个整数。

在本发明实施例中，第n+1个单级放大器结构12中的增益光纤112的增益离子掺杂浓度的最小值，大于第n个单级放大器结构12中的增益光纤112的增益离子掺杂浓度的最大值，使得N个单级放大器结构12中增益光纤112的增益离子掺杂浓度在脉冲信号光的传输方向上也形成了逐渐增大的趋势。其中，可以根据所需要的输出的脉冲信号光的功率选择N的数值，即单级放大器结构的个数。

其中，N个单级放大器结构12中的任意一个单级放大器结构12中的增益光纤112的纤芯直径为同一个尺寸，但是各个单级放大器结构12中的增益光纤112的纤芯直径可以不相同，且在一种优选的方案中，第n+1个单级放大器结构12中的纤芯直径和纤芯数值孔径可以大于第n个单级放大器结构12的纤芯直径和纤芯数值孔径，使得能够更加适应大功率的脉冲光信号的放大需求。此外，在另一种情况下，N个单级放大器结构12中的纤芯直径和纤芯数值孔径也可以相同。

进一步地，上述的N各单级放大器结构12中的各个单级放大器结构12中的增益光纤112也可以由M个级联的增益子光纤构成，且该M个增益子光纤在脉冲信号光的传输方向上其增益离子的掺杂浓度也是逐渐增大的，使得多放大级的光纤激光器中整体的增益离子的掺杂浓度的变化趋势也为逐渐增大。

在本发明实施例中，在单级的光纤激光器或者多级的光纤激光器中，通过使用增益光纤112，且使得增益光纤112在整体的光纤激光器中，其增益离子掺杂浓度在脉冲信号光的传输方向上逐渐增大，使得该增益光纤112在吸收泵浦光形成粒子数反转之后，在脉冲信号光的传输方向上的反转粒子数也呈现逐渐增大的趋势，使得反转粒子数的逐渐增大的趋势能够匹配脉冲信号光逐渐放大对反转粒子数的需求，在需求匹配的基础上，反转粒子数被消耗之后，为了维持上能级粒子数分布的稳态，其他上能级的粒子将转换到反转粒子数所在的能级，能够降低其他上能级的粒子数，使得能够通过降低其他上能级的粒子数的方式降低产生ASE噪声的粒子数的数量，达到抑制ASE噪声的目的，此外，该光纤激光器的结构简单，且不需要使用到滤波器件，还具有成本低的优点。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器包括：

依次级联的种子光源、单级放大器结构及输出端；

所述单级放大器结构包括隔离器、增益光纤、合束器，及泵浦源；

所述种子光源用于发射脉冲信号光，所述脉冲信号光经过所述隔离器之后入射至所述增益光纤，其中，所述增益光纤的增益离子掺杂浓度在所述脉冲信号光的传输方向上是呈现逐渐增大趋势的，所述增益光纤的纤芯直径和包层直径为同一尺寸，且所述增益光纤的基质材料相同；

所述泵浦源用于发射泵浦光，所述泵浦光入射至所述合束器；

所述合束器用于将所述泵浦光耦合至所述增益光纤；

所述增益光纤用于吸收所述泵浦光实现粒子数反转，并基于所述粒子数反转对所述脉冲信号光进行放大，放大后的脉冲信号光作为输出信号输出至所述输出端。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述单级放大器结构为反向单级放大器结构，所述放大后的脉冲信号光从所述增益光纤输出后输入至所述合束器，且经过所述合束器之后输入至所述输出端。

3.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤的增益离子掺杂浓度沿所述脉冲信号光的传输方向的分布方式为线性函数增大，或者为指数型增大，或者为对数型函数增大，或者为阶跃式增大。

4.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为单包层光纤或者双包层光纤。

5.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤中的增益离子为钕离子，铒离子、锗离子、镨离子、钬离子、铕离子、镱离子、镝离子、铥离子中的任意一种或多种。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤由M段增益子光纤组成，且第m+1段增益子光纤的增益离子掺杂浓度的最小值大于第m段增益子光纤的增益离子掺杂浓度的最大值，其中，M大于或等于2，m属于1至M-1中的任意一个整数。

7.根据权利要求6所述的光纤激光器，其特征在于，M段所述增益子光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径及包层直径相同。

8.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述单级放大器结构的数量为N个，且N个所述单级放大器结构级联，N大于或等于2；

所述种子光源输出的脉冲信号光输入至第1个单级放大器结构的隔离器，且第N个单级放大器结构中输出的放大后的脉冲信号光输入至所述输出端；

第n个单级放大器结构输出的放大后的脉冲信号光输入至第n+1个单级放大器结构的隔离器，n为1至N-1中的任意一个整数。

9.根据权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，第n+1个单级放大器结构中的增益光纤的增益离子掺杂浓度的最小值，大于第n个单级放大器结构中的增益光纤的增益离子掺杂浓度的最大值。

10.根据权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，所述第n+1个单级放大器结构的纤芯直径和纤芯数值孔径大于第n个单级放大器结构的纤芯直径和纤芯数值孔径。

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