CN113437627A - 高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统 - Google Patents

高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统 Download PDF

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Abstract

一种高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，包括窄线宽种子源、波分复用模块、光谱调制模块、第一预放大器、波长分离模块、第二预放大器、主放大器和端帽。光谱调制模块注入电学信号采用可调谐滤波器和可变衰减器可实现光谱线宽的可调谐，在许多不同的领域具有重要的应用价值。本发明提出多波长共同光谱调制展宽和分离的系统，能在1.0μm或2.0μm波段范围实现多波长的合束与高精度高信噪比分离，同时对多波长激光高功率光纤放大中的受激布里渊散射具有相同的抑制效果，在激光输出功率提升上呈现一致性，具有集度高、结构简单、控制方便、特别是制造成本低的优点，十分有利于大规模激光阵列合成的小型化集成、阵列扩展和应用。

Description

高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离 系统
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，特别是一种高功率光纤激光放大可调谐多波长复用的光谱调制与分离系统。
背景技术
高功率窄线宽光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、输出光束质量好等优点，广泛应用于激光频率转换、激光通信、工业加工等领域。受限于光纤本身的热效应、非线性效应等限制因素，单根光纤的输出功率仍然十分有限，高功率窄线宽光纤激光器的大规模阵列组束和合成技术被提出，来获得更高亮度的激光光源，比如光谱合成、功率合成等非相干合成。对于能应用于非相干合成的多波长高功率窄线宽光纤放大器来说，受激布里渊散射效应(SBS)是限制其功率提升的主要因素之一。目前激光光谱调制与展宽技术是抑制kW级光纤激光器中SBS的关键和首选技术方案。
光谱调制和展宽技术通常对电光相位或频率调制器加载不同的驱动信号获得，该系统包含电光相位调制器(EOM)或声光调制器(AOM)、大功率射频驱动器和信号源。信号源根据应用需求和抑制SBS能力来选择，通常有白噪声源、伪随机序列发生器、正向信号源等。整个光谱调制和展宽系统及其控制电路单元较为复杂，且价格昂贵。对于大规模阵列激光合成来说，其需求众多高功率窄线宽光纤激光器，且每台激光器具有不同的波长，这类光谱调制和展宽系统在电路控制上显得尤为复杂，制造成本呈比例增长。
在大规模阵列的激光合成系统中减小激光器的复杂性，降低其制造成本，已经成为高亮度激光合成系统推广应用的重点关注因素。同时对需求不同光谱线宽的其他应用途径，实现多波长激光光谱线宽的自动可调谐功能十分有必要，这将大幅度提升其应用价值。
发明内容
为了克服现有技术存在缺点和不足，本发明提出一种高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统。该系统具有光纤光路结构简单，可扩展空间大，可对多个不同波长的高功率激光器中的受激布里渊散射进行统一抑制，可用于其他类似的大规模激光合成系统。
本发明的目的是这样实现的：
在现有技术的基础上，首先将多波长激光利用波分复用模块合束后注入到光谱调制模块，实现多波长激光的光谱线宽和线形的调控和优化，以最大化SBS阈值。然后在利用波长分离模块将多波长逐一分离后，注入到光纤预放大器和主放大器，提升窄线宽激光的输出功率。本发明提出的波分复用模块和波长分离模块能在1.0μm或2.0μm波段实现多个波长的合束和分离，且分离精度高，光学波长串扰小，能实现对不同波长的高信噪比光纤放大。本发明通过调节电光调制器的驱动信号的强度和带宽来对多个波长激光的光谱线宽和线形进行调控，确保不同波长的高功率光纤放大具有相同的SBS抑制能力，确保整个光纤放大器系统具有高度的可重复性。
本发明的技术解决方案如下：
一种高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，包括窄线宽种子源、波分复用模块、光谱调制模块、第一预放大器、波长分离模块、第二预放大器、主放大器和端帽，窄线宽种子源是具有n个不同输出波长的激光器，分别与波分复用模块的n个输入端进行光纤连接，波分复用模块对这些激光进行合束输出；再依次连接光谱调制模块的光纤端口、第一预放大器和波长分离模块输入端；波长分离模块按照波长将激光分离成n路，分别经过n路第二预放大器、主放大器和端帽后输出高功率激光。
所述的窄线宽种子源为输出波长分别为λ1、λ2、…、λn的光纤激光器、经光纤耦合输出的半导体激光LD或者其它固态激光器类型，光谱呈现单频单纵模，工作波段可以是1.0μm或2.0μm范围，具体波长可根据激光合成需求制定。窄线宽种子源输出的光纤激光既可以是连续波激光，也可以是脉冲激光。
所述的波分复用模块为n×1密集波分复用器或者n-1路光纤耦合器串联组合，将n路输入激光合束成一路输出。
所述的光谱调制模块为电光交互部分，光学部分由多路电光调制器级联；电学部分包括信号源模块、射频控制器、射频驱动器和电光调制器电学输入端。信号源模块、射频控制器和射频驱动器依次连接，用于获得电光调制器的驱动信号。该驱动信号连接到电光调制器电学输入端，用于对激光的相位或频率进行调制，实现光谱展宽和控制。电光调制器可以为电光相位调制器、声光调制器、电动光纤延时线或者其他电光频率和相位调制器件。信号源模块为正弦信号发生器、白噪声源和伪随机序列发生器的组合。射频控制器为多路输入和输出的射频控制器，用于控制注入信号的幅度和带宽，可以为可调谐低通滤波器、可变衰减器或者两者的组合控制器件。射频驱动器为宽带的射频放大器，用于对处理后的信号进行放大，驱动电光调制器。通过射频控制器调节信号源模块的幅度和带宽，可以实现激光线宽的调谐和光谱线形的控制。
所述的第一预放大器为光纤放大器，可以为纤芯泵浦方式或者包层泵浦方式，实现对多个波长激光功率的再生放大。
所述的波长分离模块为1×n波分复用器或者1×n光纤耦合器串联环形器和光纤光栅的光纤光学结构进行波长选择输出，将一路输入激光按波长进行分离输出n路激光。
所述的第二预放大器包括光纤放大器和高功率隔离器，对n路激光进行光纤放大，光纤放大器输出端与高功率隔离器输入端连接，用于隔离主放大器返回的激光。第二预放大器中的光纤放大器采用包层泵浦方式，输出激光功率为几十瓦，输出激光信噪比大于45dB。
所述的主放大器为高功率光纤放大器，分别对n路激光进行高功率光纤放大。高功率光纤放大器采用大模场双包层掺杂稀土元素的的光纤作为增益光纤。增益光纤纤芯直径采用10～30μm，并以一定的弯曲半径盘绕于冷却盘上，用来有效控制模式。泵浦源采用高亮度半导体LD，经过信号泵浦合束器合束后注入到增益光纤。
所述的端帽为平头或曲面端帽，输出端面镀增透膜，用于对n路输出激光进行扩束和准直。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)多波长激光合束共同进行光谱调制，然后波长分离后进行独立的高功率光纤放大，获得kW级输出功率，在结构上具有集成度高、构造简单、控制方便、制造成本低的优点，十分有利于大规模激光阵列合成的小型化集成、阵列扩展和应用；
(2)提出的波分复用模块和波长分离模块能在1.0μm或2.0μm波段实现多个波长的合束和分离，且分离精度高，光学波长串扰小，能实现对不同波长的高信噪比光纤放大，同时对不同波长激光高功率光纤放大器中的SBS具有相同的抑制能力。
(3)采用多个电光调制器进行级联光谱调制，增加调制深度；联合正弦信号、白噪声和伪随机序列信号，有利于抑制SBS，提升光纤放大器的输出功率。
(4)光谱调制模块注入电学信号采用可调谐滤波器和可变衰减器可实现光谱线宽的可调谐，具有不同的应用价值。
附图说明
图1为本发明高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统的结构示意图。
图2为波分复用模块的结构图。
图3为波长分离模块的结构图。
图中：
1为窄线宽种子源；
2为波分复用模块；201为2×1光纤耦合器；
3为光谱调制模块；301为电光调制器；302为射频驱动器；303为射频控制器；304为信号源模块；
4为第一预放大器；
5为波长分离模块；501为1×n光纤分束器；502为环形器；503为光纤光栅
6为第二预放大器；601为光纤放大器；602为高功率隔离器；
7为主放大器；
8为端帽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，实施例仅用于解释本发明，不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统的结构示意图。由图可见，本发明高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，包括窄线宽种子源1、波分复用模块2、光谱调制模块3、第一预放大器4、波长分离模块5、第二预放大器6、主放大器7和端帽8。
上述元部件的位置关系如下：所述的窄线宽种子源1是具有n个不同输出波长的激光器，分别与波分复用模块2的n个输入端通过光纤连接；波分复用模块2的输出光纤、光谱调制模块3的光纤端口、第一预放大器4和波长分离模块5输入端依次连接；波长分离模块5按照波长将激光分离成n路，分别依次连接n路第二预放大器6、主放大器7和端帽8。
所述的波分复用模块2为n-1个级联的2×1光纤耦合器201。如图2所示，图2为n-1个级联的2×1光纤耦合器201，其连接关系是：前一个2×1光纤耦合器201的输出光纤与后一个2×1光纤耦合器201的一个输入光纤进行连接，依次类推，逐个串联n-1个2×1光纤耦合器201，形成n×1波分复用模块2。其功能是实现多个波长激光的合束，用于共同光谱调控抑制SBS。
所述的光谱调制模块3包括多个级联的电光调制器301、射频驱动器302、射频控制器303和信号源模块304。所述的信号源模块304、射频控制器303和射频驱动器302依次连接，再连接到电光调制器301电学输入端，用于对激光的相位或频率进行调制，实现光谱展宽和控制。所述的电光调制器301可以为电光相位调制器、声光调制器、电动光纤延时线或者其他电光频率和相位调制器件。所述的信号源模块304为正弦信号发生器、白噪声源和伪随机序列发生器的组合。所述的射频控制器303为多路输入和输出的射频控制器，用于控制注入信号的幅度和带宽，可以为可调谐低通滤波器、可变衰减器或者两者的组合控制器件。所述的射频驱动器302为宽带的射频放大器，用于对处理后的信号进行放大，驱动电光调制器。通过射频控制器303调节信号源模块302的幅度和带宽，可以实现激光线宽的调谐和光谱线形的控制。
所述的波长分离模块5为1×n光纤分束器501与环形器502和光纤光栅503串联结构。如图3所示，图3为1×n光纤分束器501与环形器502和光纤光栅503串联结构，其连接关系是：1×n光纤分束器501其中一个输出光纤与环形器502输入光纤连接，环形器502输出光纤与光纤光栅503连接，依次类推，形成1×n波长分离模块5。其功能是实现对多个波长激光的分离，具有分离波长间隔小，光学串扰低，分离出单个波长的信噪比高的特点。
所述的第二预放大器6包括光纤放大器601和高功率隔离器602，其连接关系是：光纤放大器601的输出光纤连接高功率隔离器602的输入光纤，实现对多个波长激光的高信噪比预放大。
所述的主放大器7为高功率光纤放大器，其泵浦功率最高可达到数kW，能实现对不同波长激光的高功率光纤放大，输出kW级高功率激光。
所述的端帽8为低回返的高透过率端帽，能对kW级激光进行准直输出。

Claims (12)

1.一种高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于，包括窄线宽种子源(1)、波分复用模块(2)、光谱调制模块(3)、第一预放大器(4)、波长分离模块(5)、第二预放大器(6)、主放大器(7)和端帽(8)；所述的窄线宽种子源(1)是具有n个不同输出波长的激光器，分别与所述的波分复用模块(2)的n个输入端进行光纤连接，所述的波分复用模块(2)对这些激光进行合束输出，再依次连接所述的光谱调制模块(3)的光纤端口、第一预放大器(4)和波长分离模块(5)的输入端；所述的波长分离模块(5)按照波长将激光分离成n路，分别经过n路第二预放大器(6)、主放大器(7)和端帽(8)后输出高功率激光。
2.根据权利要求1所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于所述的窄线宽种子源(1)为输出波长分别为λ1、λ2、…、λn的光纤激光器、经光纤耦合输出的半导体激光LD，光谱呈现单频单纵模，工作波段是1.0μm或2.0μm范围。
3.根据权利要求1或2所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于，所述的窄线宽种子源(1)输出的光纤激光是连续波激光或脉冲激光。
4.根据权利要求1所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于所述的光谱调制模块(3)包括N个串联的电光调制器(301)、N个射频驱动器(302)、射频控制器(303)和信号源模块(304)；
所述的信号源模块(304)，用于产生特定的电信号，并传输至射频控制器(303)；
所述的射频控制器(303)，用于控制注入信号的幅度和带宽，并分别传输至N个射频驱动器(302)；
所述的射频驱动器(302)，用于对处理后的信号进行放大，并驱动电光调制器(301)；
所述的电光调制器(301)，用于对激光的相位或频率进行调制，实现光谱展宽和控制。
5.根据权利要求4所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于所述的电光调制器(301)为电光相位调制器、声光调制器、电动光纤延时线；所述的信号源模块(304)为正弦信号发生器、白噪声源和伪随机序列发生器的组合；所述的射频控制器(303)为多路输入和输出的射频控制器，为可调谐低通滤波器、可变衰减器或者两者的组合控制器件；所述的射频驱动器(302)为宽带的射频放大器。
6.根据权利要求1所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于，所述的波分复用模块(2)为n-1路光纤耦合器(201)串联组合，将n路输入激光合束成一路输出。
7.根据权利要求1所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于，所述的波长分离模块(5)包括1×n光纤分束器(501)、n个环形器(502)和n个光纤光栅(503)；所述的光纤分束器(501)的n输出端分别与n个环形器(502)的第一端口相连，该环形器(502)的第二端口与光纤光栅(503)的输入端相连，该环形器(502)的第三端口与光纤放大器(601)的n个输入端相连。
8.根据权利要求1所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于所述的第一预放大器(4)为光纤放大器，为纤芯泵浦方式或者包层泵浦方式。
9.根据权利要求1所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于所述的第二预放大器(6)包括光纤放大器(601)和高功率隔离器(602)，对n路激光进行光纤放大，光纤放大器(601)输出端与高功率隔离器(602)输入端连接，用于隔离主放大器返回的激光；所述的第二预放大器(6)中的光纤放大器(601)采用包层泵浦方式，输出激光功率为几十瓦，输出激光信噪比大于45dB。
10.根据权利要求1所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于所述的主放大器(7)为高功率光纤放大器，分别对n路激光进行高功率光纤放大。
11.根据权利要求10所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于所述的高功率光纤放大器采用大模场双包层掺杂稀土元素的的光纤作为增益光纤，直径为10～30μm，并以一定的弯曲半径盘绕于冷却盘上，用来有效控制模式，泵浦源采用高亮度半导体LD，经过信号泵浦合束器合束后注入到增益光纤。
12.根据权利要求1所述的高功率光纤激光放大的可调谐多波长复用光谱调制与分离系统，其特征在于所述的端帽(8)为平头或曲面端帽，输出端面镀增透膜，用于对n路输出激光进行扩束和准直。
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