CN113991400A - 针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，其中，所述的光纤激光器包括：种子光源，用于为光纤激光器提供信号光；第一隔离器，用于阻隔后向传输的反射信号光以及ASE光；第一铒镱共掺光纤以及第二铒镱共掺光纤，均用于为放大种子光源提供增益介质；光纤光栅，用于滤除第一铒镱共掺光纤中产生的信号光；多模泵浦激光器，用于产生泵浦激光为激光器供能；合束器，用于将多模泵浦激光器产生的泵浦激光与信号光耦合在一根光纤中；第二隔离器，用于防止外部散射光进入光纤激光器内部，以影响光纤激光器的性能。采用了本发明的该光纤激光器，通过极简的光学设计即可实现双级铒镱共掺光纤的放大功能，能够有效的提高激光器的使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术和光学领域，尤其涉及光纤激光器技术领域，具体是指一种针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器。
背景技术
随着自动驾驶技术的推进，激光雷达在汽车领域发挥着越来越重要的作用。光纤激光器作为激光雷达的关键元器件其需求不断增加。随着激光雷达技术的发展，探测距离由数十米到数百米甚至数公里增加，为达到该超长的探测距离，高峰值功率，高信噪比的光纤激光器显得尤为重要。1550nm光纤激光器因具备人眼安全，峰值功率高，光束质量好等优点而被广泛应用。为获得高功率输出，光纤激光技术中常采用高掺杂的铒镱双包层光纤(EYDCF)作为增益介质，其可获得高功率输出，但受其材料属性影响，放大过程中同时产生大量自发辐射噪声，严重影响激光器的信噪比(OSNR)。通常人们通过增加预放来降低系统噪声，该方案可在获得高输出功率的同时得到高的OSNR，即采用EDFA对种子光进行放大后，再采用EYDFA进行高功率放大。但其光路复杂、电光转化率低、成本高、不易于集成等缺点并不能满足激光雷达要求超低功耗，超紧凑结构等需求。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种具备高功率、低噪声、高信噪比输出的针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器。
为了实现上述目的，本发明的针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器如下：
该针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，其主要特点是，所述的光纤激光器包括：
种子光源，用于为所述的光纤激光器提供信号光；
第一隔离器，与所述的种子光源相连接，用于阻隔所述的光纤激光器中后向传输的反射信号光以及ASE光，以防止回光击穿所述的种子光源；
第一铒镱共掺光纤，与所述的第一隔离器相连接，用于为放大所述的种子光源提供增益介质，以吸收泵浦光能量，并将泵浦光转移至信号光，实现光放大；
光纤光栅，与所述的第一铒镱共掺光纤相连接，用于滤除所述的第一铒镱共掺光纤中产生的信号光，并吸收泵浦光能量，将所述的泵浦光转移至信号光，实现光放大；
第二铒镱共掺光纤，与所述的光纤光栅相连接，用于为放大所述的种子光源提供增益介质；
多模泵浦激光器，用于产生泵浦激光为所述的激光器供能；
合束器，与所述的第二铒镱共掺光纤以及多模泵浦激光器相连接，用于将所述的多模泵浦激光器产生的泵浦激光与所述的信号光耦合在一根光纤中，并一起注入到所述的第二铒镱共掺光纤中；以及
第二隔离器，与所述的合束器相连接，用于防止外部散射光进入所述的光纤激光器内部，以影响所述的光纤激光器的性能。
较佳地，所述的第一铒镱共掺光纤具体为纤芯为6um，包层为128um的细芯光纤。
较佳地，所述的光纤光栅具体为纤芯为10um，包层为128um的无源双包层光纤。
较佳地，所述的第二铒镱共掺光纤具体为纤芯为10um，包层为128um的有源双包层光纤。
采用了本发明的该针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，其采用双级有源光纤直连及光栅滤波去噪方案，在获得激光器的高功率的同时，又满足高的信噪比及泵浦转化效率。其主要具备如下优点：①高输出功率；②高泵浦转化效率；③高信噪比；④低非线性效应；⑤极简的光路，避免传统双级方案；⑥高可靠性，低成本；⑦易于生产及后期维护；⑧易于集成入紧凑结构。
附图说明
图1为本发明的该针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
在详细说明根据本发明的实施例前，应该注意到的是，在下文中，第一和第二之类的关系术语仅仅用来区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示这种实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，由此使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包含这些要素，而且还包含没有明确列出的其他要素，或者为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
请参阅图1所示，该针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，其中，所述的光纤激光器包括：
种子光源，用于为所述的光纤激光器提供信号光；
第一隔离器，与所述的种子光源相连接，用于阻隔所述的光纤激光器中后向传输的反射信号光以及ASE光，以防止回光击穿所述的种子光源；
第一铒镱共掺光纤，与所述的第一隔离器相连接，用于为放大所述的种子光源提供增益介质，以吸收泵浦光能量，并将泵浦光转移至信号光，实现光放大；
光纤光栅，与所述的第一铒镱共掺光纤相连接，用于滤除所述的第一铒镱共掺光纤中产生的信号光，并吸收泵浦光能量，将所述的泵浦光转移至信号光，实现光放大；
第二铒镱共掺光纤，与所述的光纤光栅相连接，用于为放大所述的种子光源提供增益介质；
多模泵浦激光器，用于产生泵浦激光为所述的激光器供能；
合束器，与所述的第二铒镱共掺光纤以及多模泵浦激光器相连接，用于将所述的多模泵浦激光器产生的泵浦激光与所述的信号光耦合在一根光纤中，并一起注入到所述的第二铒镱共掺光纤中；以及
第二隔离器，与所述的合束器相连接，用于防止外部散射光进入所述的光纤激光器内部，以影响所述的光纤激光器的性能。
较佳地，所述的第一铒镱共掺光纤具体为纤芯为6um，包层为128um的细芯光纤。
较佳地，所述的光纤光栅具体为纤芯为10um，包层为128um的无源双包层光纤。
较佳地，所述的第二铒镱共掺光纤具体为纤芯为10um，包层为128um的有源双包层光纤。
在实际应用当中，本发明的该针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器的各个光学器件的作用分别如下：
种子光源：为光纤激光器提供信号光。
第一隔离器：阻隔激光器中后向传输的反射信号光及ASE光，防止回光击穿种子光源。
第一铒镱共掺光纤：EYDCF1,有源光纤，为种子光源放大提供增益介质，吸收泵浦光能量，并将其转移至信号光，实现光放大。
光纤光栅：透射型光纤光栅滤波器，滤除EYDCF1中产生的信号光，吸收泵浦光能量，并将其转移至信号光，实现光放大。
第二铒镱共掺光纤：EYDCF2,有源光纤，为种子光源放大提供增益介质。
多模泵浦激光器:产生泵浦激光为激光器供能。
合束器：将多模泵浦激光器产生的泵浦激光与信号光耦合在一根光纤中，并一起注入到铒镱共掺光纤中。
第二隔离器：防止外部散射光进入激光器内部，影响激光器性能。
在本发明的一具体实施例中，本发明的该针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器其具体工作方式如下：
种子激光输出信号光后，经EYDCF进行放大，EYDCF1放大过程中产生的ASE光(放大自发辐射光)由光纤光栅滤除，信号无损经过光栅后进入EYDCF2进行高功率放大后输出。放大过程中由同一泵浦光提供能量。
在实际应用当中，本发明的该针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器的各个光学元器件的连接方式具体如下：
种子光源输出光纤与第一隔离器输入光纤熔接，第一隔离器输出光纤与EYDCF1熔接，EYDF1与光纤光栅及EYDF2串接，EYDF2与合束器熔接，合束器输出端与第二隔离器输入端熔接，隔离器输出端与输出跳线熔接；另多模泵浦激光器输出光纤与合束器熔接。
采用了上述结构的该针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，相较于现有技术而言，具备如下多项创新点：
1、设计采用双有源光纤直连方案，即：EYDCF1与EYDCF2通过光栅进行直接熔接，同一多模泵浦激光器对其实现同时供能。其具备如下优点：
a.EYDF1采用细芯光纤，EYDF2采用粗芯光纤，信号光及泵浦光传输过程中均为小模场进入大模场，无模场匹配问题引入的损耗。
设计中EYDF1为6/128，即纤芯6um，包层128um；光纤光栅采用10/128um无源双包层光纤，即纤芯10um，包层128um；EYDCF2采用10/128um的有源双包层光纤，即纤芯10um，包层128um；双有源光纤直连方案的实现方式为：信号光在光纤纤芯中传输，当其从EYDF1进入EYDF2时从6um的纤芯进入光纤栅10um的光纤，即由细纤芯进入粗纤芯，故无模场匹配的引入的损耗。泵浦光在EYDCF2的包层中传输，其与光纤光栅包层一致，故可直接传输。泵浦光由光栅光纤光栅传入EYDCF1时由内径10um,外径128um的圆环传入内径6um,外径128um的圆环，故仍为细环导入粗环，模场仍无匹配损耗引入。
b.无需对信号及泵浦光进行分离后再耦合即可完成近双级放大功能，极大的简化了传统双级放大方案的光路，同时无需采用大量的光器件形成复杂的光路方案一方面有效避免光器件引入的插入损耗，有效提高设备的电光转化效率及光束质量，另一方面有效降低设备成本，提高设备的可靠性。
c.极简的光学设计方案即可实现近双级EYDCF放大功能，使得该激光器不仅可以获得高峰值功率及信噪比，而且使其可集成在超紧凑的结构内，即可满足激光雷达用光源需具备超紧凑结构，超低功耗，超高输出功率及OSNR的要求。
2、采用该不同掺杂浓度的有源光纤直连的方式实现光纤MOPA(功率放大器)光纤激光器的集成化设计，该设计一方面可获得高峰值功率及高OSNR(光信噪比)输出，有效提高激光器的斜率效率，另一方面可避免传统设计方案采用双套光器件进行分立式预放+功放的设计方案有效简化光路设计及降低设计成本。
3、采用低掺杂细芯有源光纤作第一级放大其可有效避免高吸收系数对微弱信号放大的缺陷，有效提升激光器的OSNR及光光转化效率。采用高掺杂粗芯有源光纤作为第二级放大，其可将光纤激光放大到数千瓦峰值功率，且由于其具备更高的非线性阈值，故其可有效避免受激拉曼效应、自相位匹配等非线性效应。
4、光纤光栅器件采用长周期光纤光栅技术，通过控制光栅周期，使得ASE光在传输中逐渐被消耗，而信号光可以无损传过，起到滤波作用，有效提升激光器输出信噪比。光栅型滤波器的参数为：中心波长：1550nm，通带波长：5nm.
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
采用了本发明的该针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，其采用双级有源光纤直连及光栅滤波去噪方案，在获得激光器的高功率的同时，又满足高的信噪比及泵浦转化效率。其主要具备如下优点：①、高输出功率；②、高泵浦转化效率；③、高信噪比；④、低非线性效应；⑤、极简的光路，避免传统双级方案；⑥、高可靠性，低成本；⑦、易于生产及后期维护；⑧、易于集成入紧凑结构。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (4)
1.一种针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，其特征在于，所述的光纤激光器包括：
种子光源，用于为所述的光纤激光器提供信号光；
第一隔离器，与所述的种子光源相连接，用于阻隔所述的光纤激光器中后向传输的反射信号光以及ASE光，以防止回光击穿所述的种子光源；
第一铒镱共掺光纤，与所述的第一隔离器相连接，用于为放大所述的种子光源提供增益介质，以吸收泵浦光能量，并将泵浦光转移至信号光，实现光放大；
光纤光栅，与所述的第一铒镱共掺光纤相连接，用于滤除所述的第一铒镱共掺光纤中产生的信号光，并吸收泵浦光能量，将所述的泵浦光转移至信号光，实现光放大；
第二铒镱共掺光纤，与所述的光纤光栅相连接，用于为放大所述的种子光源提供增益介质；
多模泵浦激光器，用于产生泵浦激光为所述的激光器供能；
合束器，与所述的第二铒镱共掺光纤以及多模泵浦激光器相连接，用于将所述的多模泵浦激光器产生的泵浦激光与所述的信号光耦合在一根光纤中，并一起注入到所述的第二铒镱共掺光纤中；以及
第二隔离器，与所述的合束器相连接，用于防止外部散射光进入所述的光纤激光器内部，以影响所述的光纤激光器的性能。
2.根据权利要求1所述的针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，其特征在于，所述的第一铒镱共掺光纤具体为纤芯为6um，包层为128um的细芯光纤。
3.根据权利要求1所述的针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，其特征在于，所述的光纤光栅具体为纤芯为10um，包层为128um的无源双包层光纤。
4.根据权利要求1所述的针对激光雷达实现高功率高输出的光纤激光器，其特征在于，所述的第二铒镱共掺光纤具体为纤芯为10um，包层为128um的有源双包层光纤。
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