CN112615236A - 一种基于三角波脉冲的单脉冲激光器线宽调谐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，所述方法包括：脉冲激光种子源输出的光信号经第一隔离器注入到功率放大器中；通过线宽测量装置对线宽进行测量；脉冲激光种子源采用连续激光外调制的方式或半导体碟形激光器直接调制的方式获得波形可调的三角形激光脉冲。本发明在相同的半高宽下，通过调整三角形脉冲上升沿和下降沿时间来达到对脉冲波形的调整，从而实现对激光线宽的调谐。

Description

一种基于三角波脉冲的单脉冲激光器线宽调谐方法
技术领域
本发明涉及单频窄线宽脉冲激光器领域，尤其涉及一种基于三角波脉冲的单脉冲激光器线宽调谐方法。
背景技术
单频窄线宽脉冲光纤激光器在激光雷达、非线性频率变换和量子通讯等领域的应用中发挥了重要的作用，在这些应用中均对激光器的线宽提出了比较高的要求，并且，在某些特定的应用中，对于激光线宽的调谐特性有着特殊的需求。
单频脉冲光纤激光器的线宽除了受脉冲宽度的制约，同时还受到脉冲波形的影响。在传统的方波脉冲激光器以及高斯波脉冲激光器中，当脉冲半高宽一定时，其线宽值是确定的，均无法做到对线宽的调谐。
发明内容
本发明提供了一种基于三角波脉冲的单脉冲激光器线宽调谐方法，本发明根据三角形脉冲本身所具有波形可调的特点，通过改变上升沿和下降沿的时间来达到对脉冲波形的调制，从而实现对激光线宽的调谐，详见下文描述：
一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，所述方法包括：
脉冲激光种子源输出的光信号经第一隔离器注入功率放大器中；
脉冲激光种子源采用连续激光经外调制的方式或单频蝶形激光器直接调制的方式，在相同的半高宽下，通过调整三角形脉冲上升沿和下降沿时间来达到对脉冲波形的调整，从而实现对激光线宽的调谐，通过线宽测量装置对线宽进行测量。
进一步地，所述线宽测量装置为F-P干涉仪。
所述脉冲激光种子源包括：
单频连续激光种子源经第二隔离器直接注入电光强度调制器中，任意波形发生器产生射频信号控制电光强度调制器和第一声光强度调制器，使得二者时域同步；经电光强度调制器调制得到的三角波脉冲序列经第一纤芯预放大级后注入第一声光强度调制器；第一纤芯预放大级用于提高脉冲序列的峰值功率，抵消电光强度调制器和第一声光强度调制器引入的差损；
第一声光强度调制器用于进一步滤除掉脉冲序列中的连续光成分和带内放大自发辐射以得到单频脉冲种子源。
所述线宽调谐具体为：
设置电光强度调制器调制信号为三角形电脉冲，从而得到三角形激光脉冲；
依次打开第一纤芯预放大级和功率放大器，设置输出功率；
用F-P干涉仪测量激光线宽；依次关闭功率放大器和第一纤芯预放大级；
同时改变上升沿时间和下降沿时间，保持脉冲信号预设半高宽不变；依次打开第一纤芯预放大级、第一泵浦源和第二泵浦源，设置输出功率；用F-P干涉仪测量激光线宽；反复调整脉冲波形，在上升沿时间为0ns调整至与下降沿时间相等过程中，激光线宽逐渐增加；
上升沿时间从与下降沿时间相等调整至下降沿时间为0，线宽逐渐下降，上升沿时间为0或下降沿时间为0时，激光线宽相等。
进一步地，所述脉冲激光种子源包括：
单频半导体蝶形激光器经第三隔离器直接注入第二纤芯预放大级中，经第二纤芯预放大级后注入第二声光强度调制器；第二纤芯预放大级用于提高脉冲序列的峰值功率，第二声光强度调制器引入的差损；第二声光强度调制器与单频半导体蝶形激光器的驱动电信号同步，用于进一步滤除掉脉冲序列中的连续光成分和带内放大自发辐射以得到单频脉冲种子源。
进一步地，所述线宽调谐具体为：
单频半导体蝶形激光器和第二声光强度调制器时域同步；设置单频半导体蝶形激光器的激光输出波形三角形激光脉冲；
依次打开第二纤芯预放大级和功率放大器，设置输出功率；用F-P干涉仪测量激光线宽；
依次关闭功率放大器和第二纤芯预放大级；增加单频半导体蝶形激光器输出激光的上升沿时间，减小下降沿时间，保持预设脉冲信号半高宽不变；
依次打开第二纤芯预放大级功率放大器，设置输出功率；用F-P干涉仪测量激光线宽；
反复调整脉冲波形，在上升沿时间为0ns调整至与下降沿时间相等过程中，激光线宽逐渐增加；
上升沿时间从与下降沿时间相等调整至下降沿时间为0，线宽逐渐下降，上升沿时间为0或下降沿时间为0时，激光线宽相等。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明拓宽了单频脉冲激光器的应用范围，根据三角波脉冲本身就有的线宽窄的特点，可进一步提升系统的整体性能；本发明适用于各个脉冲宽度，不受脉冲激光重复频率的影响；
2、本发明提出的线宽调谐方法不受到波长的限制，对于各个波段的激光器均适用；
3、本发明提出的线宽调谐方法稳定、可靠、易操作，可以保证在脉冲宽度、脉冲能量、峰值功率不变的情况下实现对激光线宽的调谐；
4、本发明提出的方法简单、可靠、易操作，并且可以精确控制所需的激光线宽，突破了单频脉冲激光器线宽无法调谐的瓶颈；
5、本发明所用到的各器件均为市面上已有的常用器件，易于获得。
附图说明
图1为一种基于三角波脉冲的单脉冲激光器线宽调谐实施装置的结构示意图；
图2为激光输出线宽随脉冲上升沿时间变化示意图；
图3为采用的连续激光器经外调制产生三角形脉冲种子源装置示意图；
图4为三角形脉冲的波形调制示意图；
图5为采用的单频半导体蝶形激光器直接调制产生三角形脉冲种子源装置示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：脉冲激光种子源； 2：第一隔离器；
3：功率放大器； 4：F-P干涉仪；
5：单频连续激光种子源； 6：第二隔离器；
7：电光强度调制器； 8：第一纤芯预放大级；
9：第一声光强度调制器； 10：任意波形发生器；
11：单频半导体蝶形激光器； 12：第三隔离器；
13：第二纤芯预放大级； 14：第二声光强度调制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
三角波脉冲波形在脉冲半高宽一定的情况下，仍有两个变量可以调制，分别为上升沿时间和下降沿时间，同时改变这两个变量，即可实现对脉冲形状的调制，在一定的脉冲半高宽下对应多个脉冲波形，为单频脉冲光纤激光器的线宽调谐提供了可能的方法。
实施例1
一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，其实施方案参见图1，该方法中若用到的单脉冲激光器线宽调谐装置包括：脉冲激光种子源1、第一隔离器2、功率放大器3、F-P干涉仪4。
其中，脉冲激光种子源1输出的光信号经第一隔离器2注入到功率放大器中。第一隔离器2的中心波长1064nm，反向隔离度50dB，最大承受功率2W，差损1dB。
其中，脉冲激光种子源1采用连续激光经外调制的方式获取，参见图3所示，包括：单频连续激光种子源5、第二隔离器6、电光强度调制器7、第一纤芯预放大级8、第一声光强度调制器9、任意波形发生器10。
单频连续激光种子源5为中心波长为1064nm、输出功率70mW、线宽1kHz的连续激光器，经第二隔离器6直接注入电光强度调制器7中，电光强度调制器7差损约4dB；任意波形发生器10产生射频信号控制电光强度调制器7和第一声光强度调制器9，并使得二者时域同步；经电光强度调制器7调制得到的三角波脉冲序列经第一纤芯预放大级8后注入第一声光强度调制器9；第一纤芯预放大级8用于提高脉冲序列的峰值功率，抵消电光强度调制器7和第一声光强度调制器9引入的差损，便于后续的功率放大；第一声光强度调制器9用于进一步滤除掉脉冲序列中的连续光成分和带内放大自发辐射以得到单频脉冲种子源，得到的单频脉冲种子源的峰值功率为1.8W。
电光强度调制器7用于将连续激光光源调制成重复频率20kHz、预设激光脉冲半高宽为6.5ns的三角波脉冲序列，并通过调节加载在电光强度调制器7上的电压信号来控制激光脉冲的波形，改变其上升沿下降沿的时间，来实现对脉冲波形的控制，参见图4。
脉冲激光种子源1输出的光信号功率放大器3后，光信号的峰值功率放大至1.86kW。
线宽调谐步骤如下：
第一步，打开单频连续激光种子源5、电光强度调制器7和第一声光强度调制器9、任意波形发生器10；
第二步，设置任意波形发生器10使得电光强度调制器7和第一声光强度调制器9时域同步；
第三步，打设置电光强度调制器7的调制信号使得激光波形为上升沿1ns、下降沿12ns的三角形信号
第四步，依次打开第一纤芯预放大级8、功率放大器3，设置输出功率；
第五步，用F-P干涉仪4测量激光线宽；
第六步，依次功率放大器3和第一纤芯预放大级8；
第七步，增加电光强度调制器7调制信号的上升沿时间，减小下降沿时间，保持脉冲信号半高宽不变；
第八步，依次打开第一纤芯预放大级8、功率放大器3，设置输出功率；
第九步，用F-P干涉仪4测量激光线宽；
第十步，以此步骤反复调整脉冲波形，直至下降沿时间达到调整极限；
第十一步，读取测量到的线宽数值，通过将上升沿的时间从1ns增加至6.5ns过程中，输出的激光线宽由从75.6MHz增加至83.3MHz；继续增加上升沿时间，由6.5ns增加至12ns过程中，激光线宽由83.3MHz减小至75.6MHz，参见图2。
其中，脉冲激光种子源1优选为单频脉冲激光种子源，其输出的脉冲波形可编辑。改变激光种子源1的输出波形的上升沿和下降沿时间，使得脉冲波形的半高宽保持不变。
进一步的，脉冲激光种子源1输出的激光注入功率放大器3，便于对其线宽的测量。
进一步的，功率放大器3在具体实施过程中可根据需要灵活考虑纤芯放大方式或包层放大方式。本发明实施例对此不做限制。
进一步的，采用F-P干涉仪4对激光线宽进行测量。第一纤芯预放大级8和功率放大器3应与激光波长对应，其中的稀土掺杂离子包括Yb3+、Er3+、Nd3+、Tm3+、Ho3+、Dy3+等。本发明实施例对此不做限制。
综上所述，本发明实施例提供了一个针对单频脉冲激光器线宽调谐的装置。通过合理控制脉冲波形的改变，即可实现对输出激光线宽的调谐操作。
实施例2
一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，其实施方案参见图1，该方法中若用到的单脉冲激光器线宽调谐装置包括：脉冲激光种子源1、第一隔离器2、功率放大器3、F-P干涉仪4。
上述器件的信号走向、连接关系参见实施例1中的描述，本发明实施例对此不做赘述。
其中，脉冲激光种子源2采用单频半导体蝶形激光器直接调制的方式，参见图5所示，包括：单频半导体蝶形激光器11、第三隔离器12、第二纤芯预放大级13、第二声光强度调制器14。单频半导体蝶形激光器11的中心波长1064nm，在直接调制下输出峰值功率50mW、重复频率20kHz、激光脉冲半高宽为6.5ns的三角波脉冲序列，经第三隔离器12直接注入第二纤芯预放大级13中，经第二纤芯预放大级13后注入第二声光强度调制器14；第二纤芯预放大级13用于提高脉冲序列的峰值功率，抵消第二声光强度调制器14引入的差损，便于后续的功率放大；第二声光强度调制器14与单频半导体蝶形激光器11的驱动电信号同步，用于进一步滤除掉脉冲序列中的连续光成分和带内放大自发辐射以得到单频脉冲种子源，因此相比于实施例1，该实施例中得到的脉冲激光种子源峰值功率较高。
进一步的，单频半导体蝶形激光器11直接调制输出重复频率20kHz、预设激光脉冲半高宽为6.5ns的三角波脉冲序列，并通过调节加载在其上的电流信号来控制激光脉冲的波形，改变其上升沿下降沿的时间，来实现对脉冲波形的控制，调制效果参见图4。脉冲激光种子源2输出的光信号经第一包层放大级和第二包层放大级后，光信号的峰值功率放大至1.86kW。
线宽调谐步骤如下：
第一步，打开单频半导体蝶形激光器11和第二声光强度调制器14；
第二步，单频半导体蝶形激光器11和第二声光强度调制器14时域同步；
第三步，设置单频半导体蝶形激光器11的激光输出波形为上升沿1ns、下降沿12ns的三角形信号；
第四步，依次打开第二纤芯预放大级13、功率放大器3，设置输出功率；
第五步，用F-P干涉仪4测量激光线宽；
第六步，依次关闭功率放大器3和第二纤芯预放大级13；
第七步，增加单频半导体蝶形激光器11输出激光的上升沿时间，减小下降沿时间，保持脉冲信号半高宽不变；
第八步，依次打开第二纤芯预放大级13和功率放大器3，设置输出功率；
第九步，用F-P干涉仪4测量激光线宽；
第十步，以此步骤反复调整脉冲波形，直至下降沿时间达到调整极限；
第十一步，读取测量到的线宽数值，通过将上升沿的时间从1ns增加至6.5ns过程中，输出的激光线宽由从78.13MHz增加至84.52MHz；继续增加上升沿时间，由6.5ns增加至12ns过程中，激光线宽由84.52MHz减小至78.13MHz，参见图2。
本发明实施例中受限于调制信号以及器件性能，激光脉冲的上升沿和下降沿最小只有1ns，理论上脉冲上升沿和下降沿为0ns时可获得最小线宽。
综上所述，本发明实施例提供了一个针对单频脉冲激光器线宽调谐的有效装置。通过合理控制脉冲波形的改变，即可实现对输出激光线宽的调谐操作。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，其特征在于，所述方法包括：
脉冲激光种子源输出的光信号经隔离器注入功率放大器中；
脉冲激光种子源采用连续激光经外调制或单频蝶形激光器直接调制的方式，在相同的半高宽下，通过调整三角形脉冲上升沿和下降沿时间来达到对脉冲波形的调整，从而实现对激光线宽的调谐，通过线宽测量装置对线宽进行测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，其特征在于，所述线宽测量装置为F-P干涉仪。
3.根据权利要求1所述的一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，其特征在于，所述脉冲激光种子源包括：
单频连续激光种子源经第四隔离器直接注入电光强度调制器中，任意波形发生器产生射频信号控制电光强度调制器和第一声光强度调制器，使得二者时域同步；经电光强度调制器调制得到的三角波脉冲序列经第一纤芯预放大级后注入第一声光强度调制器；第一纤芯预放大级用于提高脉冲序列的峰值功率，抵消电光强度调制器和第一声光强度调制器引入的差损；
第一声光强度调制器用于进一步滤除掉脉冲序列中的连续光成分和带内放大自发辐射以得到单频脉冲种子源。
4.根据权利要求3所述的一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，其特征在于，所述线宽调谐具体为：
设置电光强度调制器调制信号为三角形电脉冲，从而得到三角形激光脉冲；
依次打开第一纤芯预放大级、功率放大器；
用F-P干涉仪测量激光线宽；依次关闭功率放大器和第一纤芯预放大级；
同时改变上升沿时间和下降沿时间，保持脉冲信号预设半高宽不变；依次打开第一纤芯预放大级和功率放大器，设置输出功率；用F-P干涉仪测量激光线宽；反复调整脉冲波形，在上升沿时间为0ns调整至与下降沿时间相等过程中，激光线宽逐渐增加；
上升沿时间从与下降沿时间相等调整至下降沿时间为0，线宽逐渐下降，上升沿时间为0或下降沿时间为0时，激光线宽相等。
5.根据权利要求1所述的一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，其特征在于，所述脉冲激光种子源包括：
单频半导体蝶形激光器经第三隔离器直接注入第二纤芯预放大级中，经第二纤芯预放大级后注入第二声光强度调制器；第二纤芯预放大级用于提高脉冲序列的峰值功率，第二声光强度调制器引入的差损；第二声光强度调制器与单频半导体蝶形激光器的驱动电信号同步，用于进一步滤除掉脉冲序列中的连续光成分和带内放大自发辐射以得到单频脉冲种子源。
6.根据权利要求5所述的一种基于三角波的单频脉冲光纤激光器线宽调谐方法，其特征在于，所述线宽调谐具体为：
单频半导体蝶形激光器和第二声光强度调制器时域同步；设置单频半导体蝶形激光器的激光输出波形三角形激光脉冲；
依次打开第二纤芯预放大级和功率放大器，设置输出功率；用F-P干涉仪测量激光线宽；
依次关闭功率放大器和第二纤芯预放大级；增加单频半导体蝶形激光器输出激光的上升沿时间，减小下降沿时间，保持预设脉冲信号半高宽不变；
依次打开第二纤芯预放大级和功率放大器，设置输出功率；用F-P干涉仪测量激光线宽；反复调整脉冲波形，在上升沿时间为0ns调整至与下降沿时间相等过程中，激光线宽逐渐增加；
上升沿时间从与下降沿时间相等调整至下降沿时间为0，线宽逐渐下降，上升沿时间为0或下降沿时间为0时，激光线宽相等。
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