CN113659413A - 高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，其特征在于：包括窄线宽单频连续光纤激光器、第一功率预放大级、第二功率预放大级、第三功率预放大级、主功率放大级、编形调制机构及环形器，所述主功率放大级的后端设有输出准直器；所述第一功率预放大级将所述窄线宽单频连续光纤激光器种子源射出的光功率增加，形成一级预放大信号光；所述编形调制机构将所述一级预放大信号进行脉冲编形，形成指数形光脉冲或三角形光脉冲的编形光信号；编形光信号经过第二、第三功率预放大级放大之后，经过主功率放大级放大，最终经过准直输出镜输出，将输出激光的峰值功率放大输出。本发明激光器可以得到高峰值功率且稳定的激光器。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光器，尤其涉及一种高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器。
背景技术
单频激光器，即单纵模激光器，其工作时谐振腔腔内只有一种纵模振荡，其输出激光单色性极好、噪声低、相干性高。依据单频激光的线宽极窄、工作频率单一的特点，在光纤传感技术中得到广泛应用，尤其在军事通讯领域的光传输、电力系统中对温度和压力的传感方面；同时在激光雷达、激光探测技术中，利用单频激光具有的线宽窄、传输性能好的特点，可进百里距离内的探测，两束单色性极好的激光干涉后，可探测到极小的信号、分辨率极高、灵敏度极高、探测距离很远。目前，在激光雷达、远距离探测、水雷探测、医疗保健、实时监测、军事国防等多领域中均依赖于单频光纤激光器的这些优良性能。
在上述领域中，高峰值功率的窄线宽激光光源能够极大提高系统的整体性能，特别是提高长远距离的测量能力，而限制纳秒脉冲光纤激光器峰值功率的其中一个重要原因是非线性效应，在脉冲放大过程，传统的矩形光脉冲前端会被优先放大，也就形成了脉冲前沿陡化现象，导致脉冲最终与所需形状不符，更为严重的是使得光纤中的非线性因素迅速积累，激光器变得不稳定，无法得到理想的高峰值功率激光器。
发明内容
本发明目的是提供一种高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，通过使用该结构，脉冲形状可编辑，可以消除脉冲陡化现象，并且在放大过程中脉冲波形不会产生较大的畸变，使得激光线宽在放大过程中保持稳定，避免了光纤中的非线性因素迅速积累，保证了激光器的稳定工作，得到理想的高峰值功率激光器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，包括窄线宽单频连续光纤激光器、第一功率预放大级、第二功率预放大级、第三功率预放大级、主功率放大级、编形调制机构及环形器，所述主功率放大级的后端设有输出准直器；
所述第一功率预放大级将所述窄线宽单频连续光纤激光器种子源射出的光功率增加，形成一级预放大信号光；
所述编形调制机构将所述一级预放大信号进行脉冲编形，形成指数形光脉冲或三角形光脉冲的编形光信号；
所述环形器将所述编形调制机构、第二功率预放大级及第三功率预放大级连接，所述环形器的第二端口将编形光信号送入所述第二功率预放大级进行双程放大，形成二级预放大信号光，并经所述环形器的第三端口输出到所述第三功率预放大级内；
第三功率预放大级二级预放大信号光再次放大，形成三级预放大信号光，并注入主功率放大级；
所述主功率放大级将经过三程放大的三级预放大信号光再次放大，并经过准直输出镜输出，将输出激光的峰值功率稳定放大输出。
上述技术方案中，所述第一功率预放大级包括依次设置于所述窄线宽单频连续光纤激光器与所述编形调制机构之间的第一波分复用器、第一单包层有源光纤、第一带通滤波器及第一隔离器，所述第一波分复用器上连接有第一泵浦源。
上述技术方案中，所述调制机构包括上位机编形信号发生器、射频驱动及脉冲调制器，所述脉冲调制器将所述第一功率预放大级与所述环形器相连，所述上位机编形信号发生器经所述射频驱动与所述脉冲调制器相连，所述上位机编形信号发生器产生指数形电信号或三角形电信号，加载于所述射频驱动上，使所述射频驱动产生调制后的载波信号，所述载波信号控制脉冲调制器，用于控制第一功率放大级所输送的光信号关断，产生目标设置的编形光信号。
上述技术方案中，所述脉冲调制器为电光晶体调制器或声光晶体调制器。
上述技术方案中，所述第二功率预放大级包括依次与所述环形器连接的第二波分复器、第二单包层有源光纤、第二带通滤波器及第一光纤反射镜，所述第二波分复用器上连接有第二泵浦源，所述第一光纤反射镜将光信号双程放大。
上述技术方案中，所述第三功率预放大级包括依次与所述环形器连接的第一泵浦合束器、第一双包层有源光纤、第三带通滤波器及第二隔离器，所述第二隔离器的后端与所述主功率放大级连接，所述第一泵浦合束器上连接有第三泵浦源。
上述技术方案中，所述主功率放大级包括依次与所述第三功率预放大级连接的第二泵浦合束器、第二双包层有源光纤、残余泵浦剥除器及包层剥离器，所述包层剥离器的后端与所述输出准直器连接，所述第二泵浦合束器上连接有两组第四泵浦源。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明中通过优化激光器种子源的脉冲形状，避免了传统激光器种子源脉冲形状而导致的脉冲前沿放大过快的情况，脉冲形状不会产生较严重的畸形，避免了非线性的过度累积，保证了激光器的输出特性及稳定性；
2.本发明中采用了三组功率预放大级和一组主功率放大级，在实际运用中可根据功率需求自由配置，可适应不同功率的种子源，放大得到高峰值功率脉冲激光器，放大级的级数没有限制。
附图说明
图1是本发明实施例一中的结构示意图；
图2是本发明实施例一中编形的指数形脉冲形状结构示意图；
图3是本发明实施例一中编形的三角形脉冲形状结构示意图。
其中：1、窄线宽单频连续光纤激光器；2、第一功率预放大级；3、第二功率预放大级；4、第三功率预放大级；5、主功率放大级；6、编形调制机构及环形器；7、输出准直器；8、第一波分复用器；9、第一单包层有源光纤；10、第一带通滤波器；11、第一隔离器；12、第一泵浦源；13、上位机编形信号发生器；14、射频驱动；15、脉冲调制器；16、第二波分复器；17、第二单包层有源光纤；18、第二带通滤波器；19、第一光纤反射镜；20、第二泵浦源；21、第一泵浦合束器；22、第一双包层有源光纤；23、第三带通滤波器；24、第二隔离器；第三泵浦源25、26、第二泵浦合束器；27、第二双包层有源光纤；28、包层剥离器；29、第四泵浦源；30、编形调制机构；31、残余泵浦剥除器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1～3所示，一种高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，包括窄线宽单频连续光纤激光器1、第一功率预放大级2、第二功率预放大级3、第三功率预放大级4、主功率放大级5、编形调制机构30及环形器6，所述主功率放大级的后端设有输出准直器7；
所述第一功率预放大级将所述窄线宽单频连续光纤激光器种子源射出的光功率增加，形成一级预放大信号光；
所述编形调制机构将所述一级预放大信号进行脉冲编形，形成指数形光脉冲或三角形光脉冲的编形光信号；
所述环形器将所述编形调制机构、第二功率预放大级及第三功率预放大级连接，所述环形器的第二端口将编形光信号送入所述第二功率预放大级进行双程放大，形成二级预放大信号光，并经所述环形器的第三端口输出到所述第三功率预放大级内；
第三功率预放大级二级预放大信号光再次放大，形成三级预放大信号光，并注入主功率放大级；
所述主功率放大级将经过三程放大的三级预放大信号光再次放大，并经过准直输出镜输出，将输出激光的峰值功率稳定放大输出。
在本实施例中，窄线宽单频连续光纤激光器种子源输出的脉冲激光经过第一功率预放大级，增加种子源的功率，这样能够防止经过编形调制机构后信号光功率过低，能够保证后级的正常放大。在经过编形调制机构的时候，将连续的激光光源调制成预设频率、上升沿、下降沿、激光脉冲半高宽的三角波脉冲序列或指数形脉冲，其中，脉冲序列经过第一功率预放大级后进入到编形调制机构，用于提高脉冲序列的峰值功率，抵消编形调制机构带来的差损，防止后级放大的输出信号功率过低，保证后端的正常放大。
所述第一功率预放大级包括依次设置于所述窄线宽单频连续光纤激光器与所述编形调制机构之间的第一波分复用器8、第一单包层有源光纤9、第一带通滤波器10及第一隔离器11，所述第一波分复用器上连接有第一泵浦源12。
所述调制机构包括上位机编形信号发生器13、射频驱动14及脉冲调制器15，所述脉冲调制器将所述第一功率预放大级与所述环形器相连，所述上位机编形信号发生器经所述射频驱动与所述脉冲调制器相连，所述上位机编形信号发生器产生指数形电信号或三角形电信号，加载于所述射频驱动上，使所述射频驱动产生调制后的载波信号，所述载波信号控制脉冲调制器，用于控制第一功率放大级所输送的光信号关断，产生目标设置的编形光信号。
所述脉冲调制器为电光晶体调制器或声光晶体调制器。
其中，上位机编形信号发生器产生指数形电信号或三角形电信号，加载到射频驱动上，使所述射频驱动产生调制后的载波信号，该信号能够控制电光或者声光晶体调制器，进而控制光信号的关断，从而产生目标设置的编形光信号。
其中，如果说加载的是指数形电信号(参见图2所示)，则产生的编形光信号为指数形脉冲光信号，如果加载的是三角形电信号(参见图3所示)，则产生的编形光信号为三角波脉冲序列光信号。
在本实施例中，窄线宽单频连续光纤激光器种子源中心波长1550nm，在连续输出时的功率为5mw，经过第一功率预放大级之后的功率提升至200mw，经过脉冲调制器之后，重复频率20kHz，上升沿为指数形上升，下降沿25ns，相应激光脉冲半高宽为100ns的三角波脉冲序列，然后再进入到环形器内，经过环形器进入到第二功率预放大级内。
第一泵浦源采用976nm半导体单模泵浦源，第一单包层有源光纤采用2米6/125掺铒单包层光纤。
参见图1所示，所述第二功率预放大级包括依次与所述环形器连接的第二波分复器16、第二单包层有源光纤17、第二带通滤波器18及第一光纤反射镜19，所述第二波分复用器上连接有第二泵浦源20，所述第一光纤反射镜将光信号双程放大。
第二泵浦源采用976nm半导体单模泵浦源，第二单包层有源光纤采用2米6/125掺铒单包层光纤。采用第一泵浦源及第二泵浦源，用于对光信号进行放大。
参见图1所示，所述第三功率预放大级包括依次与所述环形器连接的第一泵浦合束器21、第一双包层有源光纤22、第三带通滤波器23及第二隔离器24，所述第二隔离器的后端与所述主功率放大级连接，所述第一泵浦合束器上连接有第三泵浦源25。
第三泵浦源为976nm多模半导体激光器，第一双包层有源光纤为3米20/125铒镱共掺双包层光纤，第一合束器规格为(1+1)×1，输入、输出光纤尺寸分别为6/125和20/125。第三泵浦源也是用于对光信号进行放大。
参见图1所示，所述主功率放大级包括依次与所述第三功率预放大级连接的第二泵浦合束器26、第二双包层有源光纤27、残余泵浦剥除器31及包层剥离器28，所述包层剥离器的后端与所述输出准直器连接，所述第二泵浦合束器上连接有两组第四泵浦源29。残余泵浦剥除器能够将光纤中残余的泵浦光给剥除掉，防止影响正常放大脉冲光信号的输出。
其中，第四泵浦源为976nm多模半导体激光器；第二双包层有源光纤为2米25/250铒镱共掺双包层光纤；输出准直器的尾纤尺寸为25/250，第二合束器规格为(2+1)×1，输入、输出光纤尺寸分别为20/125和25/250。第四泵浦源也是用于对光信号进行放大。
在本实施例中，各个泵浦源的功率10W时，脉冲激光的峰值功率放大至5kW，脉冲形状为预设的矩形脉冲，脉宽100ns，线宽由种子源输出的10kHz展宽至最终信号输出20kHz。
在本实施例中，利用调制机构将连续激光进行关断选出光脉冲，经过多级振荡功率放大结构对其峰值功率进行放大。而且，脉冲编形后使得光信号变成指数形或三角形，其在放大过程中没有脉冲前沿陡化的现象，前高后底，经过多级放大之后，脉冲的形状恢复为预期宽度的矩形，避免了放大过程中脉冲前沿陡化，导致信号光在光纤中传输的非线性效应阈值降低。
Claims (7)
1.一种高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，其特征在于：包括窄线宽单频连续光纤激光器、第一功率预放大级、第二功率预放大级、第三功率预放大级、主功率放大级、编形调制机构及环形器，所述主功率放大级的后端设有输出准直器；
所述第一功率预放大级将所述窄线宽单频连续光纤激光器种子源射出的光功率增加，形成一级预放大信号光；
所述编形调制机构将所述一级预放大信号进行脉冲编形，形成指数形光脉冲或三角形光脉冲的编形光信号；
所述环形器将所述编形调制机构、第二功率预放大级及第三功率预放大级连接，所述环形器的第二端口将编形光信号送入所述第二功率预放大级进行双程放大，形成二级预放大信号光，并经所述环形器的第三端口输出到所述第三功率预放大级内；
第三功率预放大级二级预放大信号光再次放大，形成三级预放大信号光，并注入主功率放大级；
所述主功率放大级将经过三程放大的三级预放大信号光再次放大，并经过准直输出镜输出，将输出激光的峰值功率稳定放大输出。
2.根据权利要求1所述的高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，其特征在于：所述第一功率预放大级包括依次设置于所述窄线宽单频连续光纤激光器与所述编形调制机构之间的第一波分复用器、第一单包层有源光纤、第一带通滤波器及第一隔离器，所述第一波分复用器上连接有第一泵浦源。
3.根据权利要求1所述的高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，其特征在于：所述调制机构包括上位机编形信号发生器、射频驱动及脉冲调制器，所述脉冲调制器将所述第一功率预放大级与所述环形器相连，所述上位机编形信号发生器经所述射频驱动与所述脉冲调制器相连，所述上位机编形信号发生器产生指数形电信号或三角形电信号，加载于所述射频驱动上，使所述射频驱动产生调制后的载波信号，所述载波信号控制脉冲调制器，用于控制第一功率放大级所输送的光信号关断，产生目标设置的编形光信号。
4.根据权利要求3所述的高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，其特征在于：所述脉冲调制器为电光晶体调制器或声光晶体调制器。
5.根据权利要求1所述的高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，其特征在于：所述第二功率预放大级包括依次与所述环形器连接的第二波分复器、第二单包层有源光纤、第二带通滤波器及第一光纤反射镜，所述第二波分复用器上连接有第二泵浦源，所述第一光纤反射镜将光信号双程放大。
6.根据权利要求1所述的高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，其特征在于：所述第三功率预放大级包括依次与所述环形器连接的第一泵浦合束器、第一双包层有源光纤、第三带通滤波器及第二隔离器，所述第二隔离器的后端与所述主功率放大级连接，所述第一泵浦合束器上连接有第三泵浦源。
7.根据权利要求1所述的高峰值功率单频窄线宽纳秒级脉冲可编形光纤激光器，其特征在于：所述主功率放大级包括依次与所述第三功率预放大级连接的第二泵浦合束器、第二双包层有源光纤、残余泵浦剥除器及包层剥离器，所述包层剥离器的后端与所述输出准直器连接，所述第二泵浦合束器上连接有两组第四泵浦源。
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2021
- 2021-08-06 CN CN202110902296.6A patent/CN113659413A/zh active Pending
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