CN114268005A - 一种低重频种子源激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低重频种子源激光器，该激光器包括三级放大结构，分别为第一预放大级、第二预放大级和主放大级；第一预放大级和第二预放大级对种子源脉冲激光器输出的高重频信号进行放大，后由电光调制器进行选频，最后经主放大级放大，实现低重频高单脉冲能量输出。本发明的预放大级使用高频输出，通过纤芯泵浦和正向泵浦方式，很好的抑制了ASE的产生，避免了其对能量稳定性的干扰；并通过电光调制器进行选频，通过第三级主放大，实现低重频高单脉冲能量输出。

Description

一种低重频种子源激光器

技术领域

本发明属于主震荡-放大(MOPA)光纤激光器技术领域，具体涉及一种低重频种子源激光器。

背景技术

固体激光器具有体积小，峰值功率高的优点，在远距离测距系统中被广泛应用，但是由于其结构固定，导致其前期放大难度较大，脉宽不可调，由此加大了其能量提升难度，限制了其激光测距能力；光纤激光器稳定性强，光-光转换效率高，M²小，输出功率高，特别是MOPA(主震荡放大)类激光器，其脉宽可调，通过高能种子源注入，为后续放大降低了难度，已经广泛应用于激光测距系统。

现有种子源通过三级泵浦，前两级通过高频放大，得到较高能量脉冲信号，后通过声光调制器选频，实现低重频高单脉冲能量输出，整机结构较复杂。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种低重频种子源激光器，通过多级放大结构和选频方式，实现种子源低频高单脉冲能量输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种低重频种子源激光器，包括三级放大结构，分别为第一预放大级、第二预放大级和主放大级；第一预放大级和第二预放大级通过高重频输出，后由电光调制器进行选频，最后经主放大级放大，实现低重频高单脉冲能量输出；

其中，第一预放大级包括依次相连的种子源半导体激光器、双极隔离器、波分复用器、第一预放大级有源光纤、第二隔离器和第一滤波器；波分复用器的泵浦端连有第一泵浦；

第二预放大级包括依次相连的第一(1+1)*1耦合器、第二预放大级有源光纤、第三隔离器和第二滤波器；第一(1+1)*1耦合器信号输入端与第一滤波器相连，第一(1+1)*1耦合器的泵浦端连有第二泵浦；

第二滤波器与电光调制器相连；电光调制器输出频率为两预放大级输出频率整数倍，且单脉冲时间与两预放大级时间重合；

主放大级包括依次相连的主放大级有源光纤、第二(1+1)*1耦合器、第四隔离器和扩束器；第二(1+1)*1耦合器的泵浦端与第三泵浦相连。

接上述技术方案，第一泵浦和第二泵浦为正向泵浦，第三泵浦为反向泵浦。

接上述技术方案，第一泵浦和第二泵浦为单模976nm泵浦，第三泵浦为多模940nm泵浦或915nm泵浦。进一步，976nm泵浦的吸收系数为100dB/m～300dB/m，915nm泵浦的吸收系数为1.5dB/m～6dB/m。

接上述技术方案，第一预放大级有源光纤和第二预放大级有源光纤为高掺杂增益光纤，主放大级有源光纤为双包层增益光纤。进一步，第一预放大级有源光纤和第二预放大级有源光纤为掺镱光纤。

接上述技术方案，第一预放大级有源光纤和第二预放大级有源光纤的尾纤为Hi1060光纤或保偏光纤，纤芯直径为6um～12um。

接上述技术方案，主放大级有源光纤尾纤为Hi1060光纤或保偏光纤，纤芯直径为25um～30um。

接上述技术方案，种子源半导体激光器脉冲宽带在纳秒量级，频率可调，连续状态下输出毫瓦量级激光，尾纤带光纤布拉格光栅，实现中心波长1064nm输出。

接上述技术方案，波分复用器为低损耗波分复用器。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明的预放大级使用高频输出，通过纤芯泵浦和正向泵浦方式，很好的抑制了ASE的产生，避免了其对能量稳定性的干扰；并通过电光调制器进行选频，通过第三级主放大，实现低重频高单脉冲能量输出。

附图说明

图1为本发明的低重频种子源激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例的EOM选频原理图。

图中：1-种子源半导体激光器，2-双极隔离器，3-第一泵浦，4-波分复用器，5-第一预放大级有源光纤，6-第二隔离器，7-第一滤波器，8-第二泵浦，9-第一(1+1)*1耦合器，10-第二预放大级有源光纤，11-第三隔离器，12-第二滤波器，13-电光调制器，14-主放大级有源光纤，15-第二(1+1)*1耦合器，16-第三泵浦，17-第四隔离器，18-扩束器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的低重频种子源激光器，整机分为三级放大结构，前两级为预放大级，通过高重频输出，对种子源脉冲激光器输出的高重频信号进行放大，后通过电光调制器EOM进行选频，再经过第三级主放大级放大，最终实现整机输出。本发明通过三级放大结构，在实现10Hz～50Hz可变时，满足整机平均功率高于5mW输出。

如图1所示，在第一预放大级系统中，种子源半导体激光器1依次与双极隔离器2，波分复用器4，第一预放大级有源光纤5，第二隔离器6和第一滤波器7相接；波分复用器4泵浦端与第一泵浦3相接，第一泵浦3优选为976nm泵浦。

波分复用器4输出端与第二预放大级系统中的第一(1+1)*1耦合器9的信号输入端相接，第一(1+1)*1耦合器9的输出端依次与第二预放大级有源光纤10，第三隔离器11，第二滤波器12相接；第一(1+1)*1耦合器9的泵浦端与第二泵浦8相接，第二泵浦8优选为976nm泵浦。

电光调制器13与第二滤波器12的尾纤相接，在主放大级中，电光调制器13输出端依次与主放大级有源光纤14，第二(1+1)*1耦合器15，第四隔离器17以及扩束器18相连；第二(1+1)*1耦合器15泵浦端与第三泵浦16相接，第三泵浦16优选为940nm泵浦。

为了合理选频，电光调制器EOM输出频率应该为预放大级输出频率整数倍，且单脉冲时间与预放大级时间重合。

作为优选的，在激光放大过程中，由于DFB输出功率较低，对于μW量级小信号放大，改变信号光功率和泵浦光光率均无法有效抑制放大自发辐射效应(AmplifiedSpontaneous Emission，ASE)，仅能通过增加放大级数来控制载噪比。在对μW级小信号种子源进行初级放大时，采用单模增益光纤进行放大不会出现因多个模式间相互耦合导致的输出功率不稳定和光束质量下降，单模增益光纤的放大倍数一般在13dB左右，放大后光脉冲峰值功率不高，不易出现非线性效应。大信号放大(mW级)与小信号放大的情况完全不同。在泵浦功率不变的条件下，输出光功率会随着信号光功率的增大而增大，但其增益系数随信号光输入功率的增大而减小，出现增益饱和效应。ASE激射光功率随着信号光功率的增加而减弱，这是因为虽然ASE激射光增益高于信号光增益，但随着光纤中信号光功率不断增加，在与ASE效应激射波长的纵模竞争中，信号光的优势不断扩大，受激辐射效应越来越强，抑制了放大自发辐射效应。因此前两级预放大结构选用正向泵浦，主放大结构选用反向泵浦。

进一步的，预放大级分别选用单模976nm泵浦，主放大级选用多模940nm泵浦或915nm。第一预放大级有源光纤5和第二预放大级有源光纤10的尾纤为Hi1060光纤或保偏光纤，针对放大特性，纤芯直径可选6um～12um，976nm泵浦吸收系数可选100dB/m～300dB/m；主放大级有源光纤11尾纤为Hi1060光纤或保偏光纤，针对放大特性，纤芯直径可选25um～30um，915nm泵浦吸收系数可选1.5dB/m～6dB/m。

作为优选的，在小信号放大过程中，由于DFB输出信号光功率仅为微瓦量级，致使上能及粒子数无法被有效吸收，自发辐射的光子通过增益光纤形成ASE，ASE通过端面反射后，在增益光纤中放大引起自激振荡，造成激光输出不稳定，有烧毁增益光纤，反向击穿光隔、WDM和DFB风险；因此在光路系统中加入与各级放大能量相匹配的光隔，可以起到保护光学器件，保证光路单项传播目的。而DFB价格昂贵，且输出功率偏低，放大过程中有ASE反馈烧毁器件风险，为了避免此种风险，在DFB后端加入双极隔离器。

作为优选的，由于前期信号光较弱，过大的插入损耗会严重影响激光放大效率，因此在第一级预放大级中选用低损耗WDM，有助于提高信号光放大效率。

作为优选的，由于前期信号光较弱，在μW量级小信号放大过程中，光纤的重吸收会明显增大ASE，第一级、二级预放通过高掺杂增益光纤进行纤芯泵浦，保证信号光利用率，而在掺镱光纤中，常规的泵浦吸收峰是976nm和915nm，而使用976nm泵浦源泵浦效率是915nm泵浦源的三倍，从而可以降低YDF长度，提高信号光放大效率，对ASE进行抑制。而在主放大级中，过高的放大效率会带来无辐射跃迁的增加，导致增益光纤熔接点过热，会产生热致折射率光栅效应，导致输出激光模式不稳定，更严重时会导致熔接点烧毁，因此选用低掺杂包层泵浦的双包层增益光纤，泵浦效率较低的940nm泵浦。

作为优选的，在光路系统中，各级放大结构加入合适滤波器可以有效的过滤光谱杂光，避免在后续放大中消耗增益光纤能量，有效的抑制了ASE，提高了激光放大效率。

作为优选的，为了改善非线性效应，在第三级主放中，将AOM置于YDF前端，减小光纤承受的峰值功率；在小信号光放大过程中，选用高吸收系数的纤芯泵浦光纤，高泵浦效率的泵浦光，有效的降低了光纤长度。

以下给出一个具体的实施例。如图1所示，包括种子源半导体激光器DFB，双极隔离器，976nm泵浦，波分复用器WDM，预放大级掺镱光纤YDF，第二隔离器，第一滤波器，976nm泵浦，第一(1+1)*1耦合器，第二预放大级掺镱光纤YDF，第三隔离器，第二滤波器，电光调制器EOM，主放大级掺镱光纤YDF，第二(1+1)*1耦合器，940nm泵浦，第四隔离器和扩束器。

在第一级放大系统中，种子源半导体激光器DFB依次与双极隔离器，波分复用器WDM，预放大级有源光纤，第二隔离器，第一滤波器相接，波分复用器WDM泵浦端与976nm泵浦相接。WDM输出端与第二级放大系统中的(1+1)*1耦合器信号输入端相接，输出端依次与第二预放大级有源光纤，第三隔离器，第二滤波器相接；第一(1+1)*1耦合器泵浦端与976nm泵浦相接，EOM与第二滤波器尾纤相接。在主放级中，EOM输出端依次与主放大级有源光纤，第二(1+1)*1耦合器，第四隔离器，扩束器相连，第二(1+1)*1耦合器泵浦端与940nm泵浦相接。

种子源半导体激光器DFB选用波长中心为1064nm，脉冲宽带在纳秒量级，频率可调，连续状态下可以输出毫瓦(mW)量级激光，尾纤带光纤布拉格光栅。为了便于放大，选用DFB输出输出频率为1kH，通过前两级放大后经过电光调制器EOM选频，得到频率为数十赫兹脉冲激光，经过主放大级放大输出。

为了方便放大，选用DFB输出频率为kHz量级，对应输出能量为微瓦量级，通过第一级预放大后，输出能量为100μW；二级放大控制在20dB左右，输出功率达到10mW；在通过EOM进行频率选择时激光输出频率低于50Hz，此时进入三级放大信号光功率低于500μW，为了控制载噪比和抑制非线性效应，控制第三级放大倍率低于50倍，最终输出功率低于25mW，对应输出频率为10Hz～50Hz可变时，满足整机平均功率高于5mW。

在通过EOM选频过程中，为了满足对预放大级有效选频，上电信号如图2所示，上电信号开启后，DFB与一级、二级泵浦同时出光，且DFB出光信号在泵浦信号后沿，以确保泵浦光能充分被信号光利用，其中DFB与泵浦源频率固定，t₁为脉冲泵浦时间，为了获得良好的载噪比，需要合理控制t₁时间，t₂为信号光脉宽，t₃为EOM、第三级泵浦开关周期，t₄为EOM开关时间，t₅为第三级泵浦时间，通过合理控制开关周期以达到选频目的。

综上，本发明的甚宽波段透射式望远光学系统，通过合理的材料搭配，以及使用易于加工的全球面，使得像差得到良好的校正。系统物镜组六片透镜和目镜组三片透镜，共九片透镜，结构简单，并且在从可见光、短波红外到中波红外波段都具有良好的成像质量。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低重频种子源激光器，其特征在于，包括三级放大结构，分别为第一预放大级、第二预放大级和主放大级；第一预放大级和第二预放大级对种子源脉冲激光器输出的高重频信号进行放大，后由电光调制器进行选频，最后经主放大级放大，实现低重频高单脉冲能量输出；

其中，第一预放大级包括依次相连的种子源半导体激光器、双极隔离器、波分复用器、第一预放大级有源光纤、第二隔离器和第一滤波器；波分复用器的泵浦端连有第一泵浦；

第二预放大级包括依次相连的第一(1+1)*1耦合器、第二预放大级有源光纤、第三隔离器和第二滤波器；第一(1+1)*1耦合器信号输入端与第一滤波器相连，第一(1+1)*1耦合器的泵浦端连有第二泵浦；

第二滤波器与电光调制器相连；电光调制器输出频率为两预放大级输出频率整数倍，且单脉冲时间与两预放大级时间重合；

主放大级包括依次相连的主放大级有源光纤、第二(1+1)*1耦合器、第四隔离器和扩束器；第二(1+1)*1耦合器的泵浦端与第三泵浦相连。

2.根据权利要求1所述的低重频种子源激光器，其特征在于，第一泵浦和第二泵浦为正向泵浦，第三泵浦为反向泵浦。

3.根据权利要求1所述的低重频种子源激光器，其特征在于，第一泵浦和第二泵浦为单模976nm泵浦，第三泵浦为多模940nm泵浦或915nm泵浦。

4.根据权利要求3所述的低重频种子源激光器，其特征在于，976nm泵浦的吸收系数为100dB/m～300dB/m，915nm泵浦的吸收系数为1.5dB/m～6dB/m。

5.根据权利要求1所述的低重频种子源激光器，其特征在于，第一预放大级有源光纤和第二预放大级有源光纤为高掺杂增益光纤，主放大级有源光纤为双包层增益光纤。

6.根据权利要求5所述的低重频种子源激光器，其特征在于，第一预放大级有源光纤和第二预放大级有源光纤为掺镱光纤。

7.根据权利要求1所述的低重频种子源激光器，其特征在于，第一预放大级有源光纤和第二预放大级有源光纤的尾纤为Hi1060光纤或保偏光纤，纤芯直径为6um～12um。

8.根据权利要求1所述的低重频种子源激光器，其特征在于，主放大级有源光纤尾纤为Hi1060光纤或保偏光纤，纤芯直径为25um～30um。

9.根据权利要求1所述的低重频种子源激光器，其特征在于，种子源半导体激光器脉冲宽带在纳秒量级，频率可调，连续状态下输出毫瓦量级激光，尾纤带光纤布拉格光栅，实现中心波长1064nm输出。

10.根据权利要求1所述的低重频种子源激光器，其特征在于，波分复用器为低损耗波分复用器。

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