CN112615242A - 用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，包括依次连接的环形腔单频全保偏光纤激光器种子源、声光调制器、多级掺铒光纤放大器；多级掺铒光纤放大器包括第一级掺铒光纤放大器、第二级掺铒放大器。所述环形腔单频全保偏光纤激光器种子源，用于产生单频线偏种子光；所述声光调制器，用于产生脉冲激光；所述第一级掺铒光纤放大器，用于将脉冲激光放大；所述第二级掺铒光纤放大器，用于将所述第一级掺铒光纤放大器输出的激光放大至更高功率。本发明采用了三种线宽窄化技术相结合，实现了超窄线宽的线偏种子光输出，并通过声光调制器和两级掺铒放大器实现了高脉冲能量的激光输出，可应用于测风雷达等领域。

Description

用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，特别是涉及一种用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器。
背景技术
测风激光雷达作为一种非接触式遥感探测技术，采用相干性和准直性出色的激光作为载波信号，通过被大气中的分子和气溶胶颗粒等散射的回波信号，来实现全天候高精度的风场探测。相比于传统的多普勒声光雷达和微波雷达，激光雷达具有测量精度高、测量距离远、测量速度快等优势，并且可以通过多束激光同时探测获得风场的三维风速及风向分布。
目前测风激光雷达的工作波长主要在1.5μm波段，这是因为1.5μm处于人眼安全波段，具有较高的安全系数。激光雷达的线宽宽度决定了其相干程度和相干距离，因此测风激光雷达一般采用窄线宽激光器作为光源。
目前在光纤激光器中产生窄线宽激光主要有两种方式：1.采用法布里-珀罗腔通过减少腔长来实现单纵模输出，但是直腔结构由于存在空间烧孔效应，容易导致多纵模振荡，不利于产生稳定的单纵模输出，并且腔长较短，制作工艺较为复杂；2.采用具有复合腔结构的环腔来实现单纵模输出，通过在环形腔中加入可饱和吸收体及布拉格光栅等，来降低线宽。环腔由于是行波腔，因此不存在空间烧孔效应，同时环腔的长度越长，激光器的整体噪声强度越低。
而产生脉冲光主要有三种技术：调Q技术、锁模技术和腔外脉冲调制技术。1.调Q技术是通过在激光腔内插入Q开关器件，通过改变腔内损耗来实现脉冲激光输出，其重复频率和脉宽与泵浦功率有关，对于重频频率和脉宽的调节具有一定的局限性；2.锁模技术是利用可饱和吸收体效应将腔内的纵模相位锁定，实现超短脉冲激光输出，但其单脉冲能量一般较低，且重复频率和脉宽难以调节；3.腔外脉冲调制计数是采用声光调制器等器件将连续激光调制为脉冲光，其重复频率和脉宽可以灵活调节，更能满足实际应用的需求。而获得高峰值功率的脉冲光一般采用MOPA结构，通过多级放大器级联的方式将种子脉冲光放大至高峰值功率的脉冲光。
因而亟需提供一种能够输出线宽低、噪声低、功率高的单频脉冲光的光纤激光器来提高测风雷达系统的测量精度和范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，能够实现800Hz以下线宽的单频脉冲激光输出，且具有极低的噪声强度，通过两级掺铒光纤放大器实现高峰值功率的脉冲激光输出。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，包括依次连接的环形腔单频全保偏光纤激光器种子源、声光调制器、多级掺铒光纤放大器；
所述环形腔单频全保偏光纤激光器种子源，用于产生单频线偏种子光；
所述声光调制器，用于产生脉冲激光；
多级掺铒光纤放大器包括第一级掺铒光纤放大器、第二级掺铒放大器；
所述第一级掺铒光纤放大器，用于将脉冲激光放大；
所述第二级掺铒光纤放大器，用于将所述第一级掺铒光纤放大器输出的激光放大至更高功率。
在本发明一个较佳实施例中，所述环形腔单频全保偏光纤激光器种子源包括单模泵浦源、波分复用器、被泵浦的掺铒光纤、环形器、未被泵浦的环形光纤、窄带布拉格光栅、法布里-珀罗腔布拉格光栅、耦合器；
所述单模泵浦源通过波分复用器耦合进被泵浦的掺铒光纤，所述窄带布拉格光栅通过未被泵浦的环形光纤与环形器的第一端连接，环形器的第二端与被泵浦的掺铒光纤连接，环形器的第三端与法布里-珀罗腔布拉格光栅连接，法布里-珀罗腔布拉格光栅的另一端与耦合器连接；所述耦合器的一端与波分复用器连接，形成环腔，耦合器的另一端与声光调制器连接，用于输出单频线偏种子光。
进一步的，所述法布里-珀罗腔布拉格光栅为两个级联的窄带布拉格光栅。
进一步的，所述窄带布拉格光栅和法布里-珀罗腔布拉格光栅采用温控隔振封装。
在本发明一个较佳实施例中，所述第一级掺铒光纤放大器包括第一多模泵浦源、依次连接的第一隔离器、第一模场适配器、第一(2+1)×1多模泵浦合束器、第一掺铒光纤、第一包层功率剥离器，所述第一多模泵浦源的输出端与第一(2+1)×1多模泵浦合束器的输入端连接。
进一步的，所述第一多模泵浦源的最高输出功率为10W。
进一步的，所述第一模场适配器输入端光纤为PM-1550，第一模场适配器、第一(2+1)×1多模泵浦合束器、第一掺铒光纤、第一包层功率剥离器之间的连接光纤均为PM-12/130。
在本发明一个较佳实施例中，所述第二级掺铒光纤放大器包括第二多模泵浦源、依次连接的第二隔离器、第二模场适配器、第二(2+1)×1多模泵浦合束器、第二掺铒光纤、第二包层功率剥离器，所述第二多模泵浦源的输出端与第二(2+1)×1多模泵浦合束器的输入端连接。
进一步的，所述第二多模泵浦源的最高输出功率为20W。
进一步的，所述第二模场适配器输入端光纤为PM-12/130，第二模场适配器、第二(2+1)×1多模泵浦合束器、第二掺铒光纤、第二包层功率剥离器之间的连接光纤均为PM-25/250。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述环形腔单频全保偏光纤激光器种子源采用三种线宽窄化技术相结合，分别为窄带布拉格光纤光栅滤波技术、法布里-珀罗腔布拉格光纤光栅滤波技术、未泵浦掺铒光纤吸收滤波技术，能够实现800Hz以下线宽的单频脉冲激光输出，且具有极低的噪声强度，再通过声光调制器和两级掺铒光纤放大器实现高峰值功率的脉冲激光输出，可应用于测风雷达等领域；
(2)本发明输出的脉冲激光的峰值功率可达10kW，且具有良好的频率稳定性。
附图说明
图1是本发明用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器一较佳实施例的结构框图；
图2是所述环形腔单频全保偏光纤激光器种子源激光线宽测试图；
图3是所述用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器的光谱测试图。
附图中各部件的标记如下：101、单模泵浦源，2、波分复用器，301、被泵浦的掺铒光纤，4、环形器，302、未被泵浦的环形光纤，5、窄带布拉格光栅，6、法布里-珀罗腔布拉格光栅，7、耦合器，8、声光调制器，901、第一隔离器，102、第一多模泵浦源，10、第一模场适配器，111、第一(2+1)×1多模泵浦合束器，303、第一掺铒光纤，121、第一包层功率剥离器，902、第二隔离器，103、第二多模泵浦源，13、第二模场适配器，112、第二(2+1)×1多模泵浦合束器，301、第二掺铒光纤，122、第二包层功率剥离器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，包括依次连接的环形腔单频全保偏光纤激光器种子源、声光调制器、多级掺铒光纤放大器。本示例中，所述多级掺铒光纤放大器由第一级掺铒光纤放大器和第二级掺铒光纤放大器组成。所述环形腔单频全保偏光纤激光器种子源，用于产生单频线偏种子光；所述声光调制器，用于产生脉冲激光；所述第一级掺铒光纤放大器，用于将脉冲激光放大；所述第二级掺铒光纤放大器，用于将所述第一级掺铒光纤放大器输出的激光放大至更高功率。
如图1所示，所述环形腔单频全保偏光纤激光器种子源包括单模泵浦源101、波分复用器2、被泵浦的掺铒光纤301、环形器4、未被泵浦的环形光纤302、窄带布拉格光栅5、法布里-珀罗腔布拉格光栅6、耦合器7。所述单模泵浦源101通过波分复用器2耦合进被泵浦的掺铒光纤301，所述窄带布拉格光栅5通过未被泵浦的环形光纤302与环形器4的第一端连接，环形器4的第二端与被泵浦的掺铒光纤301连接，环形器4的第三端与法布里-珀罗腔布拉格光栅6连接，法布里-珀罗腔布拉格光栅6的另一端与耦合器7连接；所述环形器4为慢轴工作，快轴截止。所述法布里-珀罗腔布拉格光栅6为两个级联的窄带布拉格光栅，用于进一步压缩线宽。所述耦合器7的一端与波分复用器2连接，形成环腔，另一端与声光调制器8连接，用于输出种子光，进一步的，耦合器7的耦合比为8:2，20％输出。优选的，所述单模泵浦源101的波长范围为974—980nm。
具体地，当光进入未被泵浦的掺铒光纤302时，入射光及被窄带布拉格光栅5反射回来的光会在未被泵浦的掺铒光纤302中产生驻波效应，形成折射率调制，等效为一个带宽极窄的光栅，将被窄带布拉格光栅5反射的光的带宽进一步压缩至更小值，随后被法布里-珀罗腔布拉格光栅6将线宽最终压缩至800Hz以下。其中，窄带布拉格光栅5和法布里-珀罗腔布拉格光栅6均为保温隔振封装，隔绝环境对光栅的影响，从而得到稳定的单纵模输出。环形腔单频全保偏光纤激光器种子源输出激光的线宽小于800Hz，其频谱图如图2所示。
如图1所示，所述第一级掺铒光纤放大器包括第一多模泵浦源102、依次连接的第一隔离器901、第一模场适配器10、第一(2+1)×1多模泵浦合束器111、第一掺铒光纤303、第一包层功率剥离器121，所述第一多模泵浦源102的输出端与第一(2+1)×1多模泵浦合束器111的输入端连接。优选的，所述第一多模泵浦源102最高输出功率为10W，通过与第一(2+1)×1多模泵浦合束器111泵浦端熔接耦合进第一掺铒光纤303；第一包层功率剥离器121用于剥离包层残余泵浦光；所述第一模场适配器10输入端光纤为PM-1550，第一模场适配器10、第一(2+1)×1多模泵浦合束器111、第一掺铒光纤303、第一包层功率剥离器121之间的连接光纤均为PM-12/130；第一多模泵浦源102与第一(2+1)×1多模泵浦合束器111之间的连接光纤为MM-105/125。第一掺铒光纤303型号为PM-EYDF-12/130。
如图1所示，第二级掺铒光纤放大器包括第二多模泵浦源103、依次连接的第二隔离器902、第二模场适配器13、第二(2+1)×1多模泵浦合束器112、第二掺铒光纤301、第二包层功率剥离器122，所述第二多模泵浦源103的输出端与第二(2+1)×1多模泵浦合束器112的输入端连接。优选的，所述第二多模泵浦源103最高输出功率为20W，通过与第二(2+1)×1多模泵浦合束器112泵浦端熔接耦合进第二掺铒光纤304，第二包层功率剥离器122用于剥离包层残余泵浦光；所述第二模场适配器13输入端光纤为PM-GDF-12/130，第二模场适配器、第二(2+1)×1多模泵浦合束器、第二掺铒光纤、第二包层功率剥离器之间的连接光纤均为PM-25/250；第二多模泵浦源103与第二(2+1)×1多模泵浦合束器112之间的连接光纤为MM-105/125。所述第二掺铒光纤型号为IXF-2CF-PAS-25-250。当第二多模泵浦源103泵浦功率超过15W时，输出激光的功率超过2W，且具有较高的信噪比，光谱边模抑制比大于50dB，其光谱如图3所示。
上述PM-12/130、PM-25/250光纤具有更大的模场面积，可以支持更高功率的激光输出。
本发明的优势在于采用未被泵浦的掺铒光纤(吸收滤波技术)、窄带布拉格光栅(滤波技术)和法布里-珀罗腔布拉格光栅(滤波技术)结合同时窄化激光线宽，即采用三种线宽窄化技术相结合，使得激光线宽小于800Hz，并通过两级掺铒光纤放大器实现了高峰值功率的脉冲激光输出，输出的脉冲激光具有良好的信噪比、高稳定性和高线偏度。
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 (10)

1.一种用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，包括依次连接的环形腔单频全保偏光纤激光器种子源、声光调制器、多级掺铒光纤放大器；
所述环形腔单频全保偏光纤激光器种子源，用于产生单频线偏种子光；
所述声光调制器，用于产生脉冲激光；
多级掺铒光纤放大器包括第一级掺铒光纤放大器、第二级掺铒放大器；
所述第一级掺铒光纤放大器，用于将脉冲激光放大；
所述第二级掺铒光纤放大器，用于将所述第一级掺铒光纤放大器输出的激光放大至更高功率。
2.根据权利要求1所述的用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述环形腔单频全保偏光纤激光器种子源包括单模泵浦源、波分复用器、被泵浦的掺铒光纤、环形器、未被泵浦的环形光纤、窄带布拉格光栅、法布里-珀罗腔布拉格光栅、耦合器；
所述单模泵浦源通过波分复用器耦合进被泵浦的掺铒光纤，所述窄带布拉格光栅通过未被泵浦的环形光纤与环形器的第一端连接，环形器的第二端与被泵浦的掺铒光纤连接，环形器的第三端与法布里-珀罗腔布拉格光栅连接，法布里-珀罗腔布拉格光栅的另一端与耦合器连接；所述耦合器的一端与波分复用器连接，形成环腔，耦合器的另一端与声光调制器连接，用于输出单频线偏种子光。
3.根据权利要求2所述的用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述法布里-珀罗腔布拉格光栅为两个级联的窄带布拉格光栅。
4.根据权利要求2所述的用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述窄带布拉格光栅和法布里-珀罗腔布拉格光栅采用温控隔振封装。
5.根据权利要求1所述的用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一级掺铒光纤放大器包括第一多模泵浦源、依次连接的第一隔离器、第一模场适配器、第一(2+1)×1多模泵浦合束器、第一掺铒光纤、第一包层功率剥离器，所述第一多模泵浦源的输出端与第一(2+1)×1多模泵浦合束器的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一多模泵浦源的最高输出功率为10W。
7.根据权利要求5所述的用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一模场适配器输入端光纤为PM-1550，第一模场适配器、第一(2+1)×1多模泵浦合束器、第一掺铒光纤、第一包层功率剥离器之间的连接光纤均为PM-12/130。
8.根据权利要求1所述的用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第二级掺铒光纤放大器包括第二多模泵浦源、依次连接的第二隔离器、第二模场适配器、第二(2+1)×1多模泵浦合束器、第二掺铒光纤、第二包层功率剥离器，所述第二多模泵浦源的输出端与第二(2+1)×1多模泵浦合束器的输入端连接。
9.根据权利要求8所述的用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第二多模泵浦源的最高输出功率为20W。
10.根据权利要求8所述的用于测风雷达系统的单频脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第二模场适配器输入端光纤为PM-12/130，第二模场适配器、第二(2+1)×1多模泵浦合束器、第二掺铒光纤、第二包层功率剥离器之间的连接光纤均为PM-25/250。
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