CN115579725A - 一种mopa激光器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种MOPA激光器系统,包括种子光源、泵浦源、隔离器、环形器、合束器、增益光纤、波分复用器以及第一反射器和第二反射器,种子光源用于提供信号光,泵浦源用于提供泵浦光,隔离器的输入端与种子光源连接,环形器为三端口器件,且其第一端口与隔离器的输出端连接,合束器的输入端与泵浦源、环形器的第二端口均连接,增益光纤与合束器的输出端连接,波分复用器的一端与增益光纤连接,用于波分信号光与泵浦光,第一反射器、第二反射器均与波分复用器的另一端连接,第一反射器可将信号光反射回波分复用器,第二反射器可将泵浦光反射回波分复用器。该系统通过去程和回程的光路设计有效抑制MOPA激光器系统中的ASE噪声,而且不会增加电路复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域,尤其涉及一种MOPA激光器系统。
背景技术
高功率饵镱共掺光纤激光器和放大器具有结构紧凑、效率高、人眼安全等优点,在工业、医疗、通信、军事、空间通信以及科研等领域有着很好的应用前景。为了得到高光束质量的高功率激光输出,高功率光纤激光系统通常采用主振功率放大器(MasterOscillatorpower Amplifier,MOPA)的结构,由主振荡器产生高质量的种子光,然后通过一级或多级光纤放大器来提高输出功率或脉冲能量。
ASE噪声,即放大器自发辐射噪声(Amplifier SpontaneousemissionNoise)。在脉冲光纤放大器中,放大的自发辐射(AmplifiedspontaneousEmission,ASE)是影响放大器输出脉冲能量的一个重要因素。在高功率抽运情况下,两个脉冲之间放大器的增益会迅速提高,ASE会迅速积累以至达到饱和。ASE自饱和以及由此导致的寄生振荡会消耗上能级的粒子数,从而限制了以激活粒子的形式储存在增益光纤中的能量。虽然采用大模场面积的增益光纤可以增加光纤中储能,但光纤芯径的增大会导致输出光束质量的降低,并且只要抽运功率足够高,ASE自饱和仍不可避免。
随着激活粒子从激发态返回基态并放大光信号的同时,也会产生受激粒子的随机非相干自发辐射,这是ASE噪声的来源。在MOPA激光放大器中,在一定条件下被激发的粒子数是确定的,被用于产生ASE的粒子数愈多,可用于提供信号增益的粒子数目也就愈少。所以抑制ASE噪声是MOPA激光器系统的难点。
现在抑制ASE噪声技术有如下几种:增益光纤掺杂浓度周期变化、增加脉冲信号光消耗泵浦源、脉冲泵浦源等。这几种技术能够有效抑制ASE噪声,不过也存在一些条件限制:增益光纤掺杂浓度周期变化使得增益光纤制作工艺复杂,成本高;增加脉冲信号需要增加信号源同时电路设计复杂,成本高;脉冲泵浦源需要同步信号光,电路设计复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状,提供一种MOPA激光器系统,通过去程和回程的光路设计有效抑制MOPA激光器系统中的ASE噪声,而且不会增加电路复杂性。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种MOPA激光器系统,包括种子光源、泵浦源、隔离器、环形器、合束器、增益光纤、波分复用器以及第一反射器和第二反射器;
所述种子光源用于为MOPA激光器系统提供信号光;
所述泵浦源用于为MOPA激光器系统提供泵浦光;
所述隔离器的输入端与种子光源连接;
所述环形器为三端口器件,且其第一端口与隔离器的输出端连接;
所述合束器的输入端与泵浦源、环形器的第二端口均连接;
所述增益光纤与合束器的输出端连接;
所述波分复用器的一端与增益光纤连接,用于波分信号光与泵浦光;
所述第一反射器、第二反射器均与波分复用器的另一端连接,第一反射器可将信号光反射回波分复用器,第二反射器可将泵浦光反射回波分复用器,反射回波分复用器的信号光和泵浦光依次经过增益光纤、合束器,再从环形器的第二端口传输至其第三端口,最后输出MOPA激光器系统。
进一步的,所述第一反射器为FBG光栅,FBG光栅的一端与波分复用器连接,另一端连接监测器,FBG光栅的反射光射回波分复用器,FBG光栅的透射光射入监测器,作为参考光监控MOPA激光器系统。
进一步的,所述监测器为PD探测器或光谱仪。
进一步的,所述FBG光栅的反射率为99%,带宽为2nm。
进一步的,所述第二反射器为反射镜。
进一步的,所述环形器的第三端口连接设有滤波器,用于滤除输出MOPA激光器系统的泵浦光。
进一步的,所述增益光纤为双包层铒镱共掺光纤。
进一步的,所述波分复用器为WDM耦合器。
进一步的,MOPA激光器系统的链路中,不同光器件之间采用熔接进行连接。
本发明的有益效果为:
本发明一方面通过去程和回程的光路设计有效抑制MOPA激光器系统中的ASE噪声,而且不会增加电路复杂性,另一方面通过FBG光栅透射出部分信号光,作为参考光监控MOPA激光器系统,保证MOPA系统稳定性,同时起到窄带滤波器效果,进一步降低ASE噪声。
附图说明
图1为本发明MOPA激光器系统的结构示意图;
图2为增益光纤长度与其中反转粒子浓度的关系。
标注说明:1、种子光源,2、泵浦源,3、隔离器,4、环形器,5、合束器,6、增益光纤,7、波分复用器,8、第一反射器,9、第二反射器,10、监测器,11、滤波器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1所示,一种MOPA激光器系统,包括种子光源1、泵浦源2、隔离器3、环形器4、合束器5、增益光纤6、波分复用器7以及第一反射器8和第二反射器9。其中:
种子光源1为信号光源,用于为MOPA激光器系统提供信号光。具体的,种子光源1为1550nm光源,即种子光源1可以输出波长为1550nm的信号光;
泵浦源2为多模泵浦激光器,用于为MOPA激光器系统提供形成粒子反转的泵浦光;
隔离器3的输入端与种子光源1连接,用于隔离MOPA激光器系统中的反射光以及ASE光,保护种子光源1稳定工作。具体的,隔离器3的隔离度要求≥30dB;
环形器4为三端口器件,且其第一端口与隔离器3的输出端连接。具体的,环形器4的隔离度要求≥40dB,插入损耗≤0.8dB;
合束器5的输入端与泵浦源2、环形器4的第二端口均连接。具体的,合束器5的信号光插损≤0.2dB,泵浦通过率>90%;
增益光纤6与合束器5的输出端连接,作为MOPA激光器系统中的增益介质,将信号光功率放大。具体的,增益光纤6为双包层铒镱共掺光纤;
波分复用器7的一端与增益光纤6连接,用于波分信号光与泵浦光。具体的,波分复用器7为WDM耦合器或AWG耦合器,优选前者,成本更低;
第一反射器8、第二反射器9均与波分复用器7的另一端连接,第一反射器8可将信号光反射回波分复用器7,第二反射器9可将泵浦光反射回波分复用器7,反射回波分复用器7的信号光和泵浦光依次经过增益光纤6、合束器5,再从环形器4的第二端口传输至其第三端口,最后输出MOPA激光器系统。
作为其中一种实施方式,第一反射器8为FBG光栅(布拉格光栅),FBG光栅的一端与波分复用器7连接,另一端连接监测器10,FBG光栅的反射光射回波分复用器7,FBG光栅的透射光射入监测器10,作为参考光监控MOPA激光器系统。具体的,FBG光栅的反射率为99%,带宽为2nm。
可选的是,监测器10为PD探测器(光电探测器)或光谱仪。
作为其中一种实施方式,第二反射器9为反射镜。
上述技术方案,优选的是,环形器4的第三端口连接设有滤波器11,用于滤除输出MOPA激光器系统的泵浦光。
按照上述光路设计,信号光和泵浦光的行进路线如下:
信号光行进路线:种子光源1→隔离器3→环形器4(第一端口→第二端口)→合束器5→增益光纤6→波分复用器7→FBG光栅(部分反射进入回路,部分透射进入监测器10)→波分复用器7→增益光纤6→合束器5→环形器4(第二端口→第三端口)→滤波器11→出光;
泵浦光行进路线:泵浦源2→合束器5→增益光纤6→波分复用器7→反射镜(全部反射进入回路)→波分复用器7→增益光纤6→合束器5→隔离器3(被隔离)/滤波器11(被滤波)。
下面对本发明MOPA激光器系统的工作过程和设计原理进行说明:
种子光源1发出的信号光经过隔离器3后进入环形器4,并从环形器4的第一端口输入,然后从环形器4的第二端口输出。信号光经过环形器4后,与泵浦光通过合束器5一起进入增益光纤6。泵浦光在增益光纤6中被吸收形成粒子反转,信号光在增益光纤6中被放大,放大的信号光与剩余泵浦光通过波分复用器7分光。信号光通过99%反射率的FBG光栅,1%信号光出射作为参考光进入监测器10,用于监测MOPA激光器系统,99%信号光反射重新进入增益光纤6再次放大,且FBG光栅滤掉了部分ASE噪声,而剩余泵浦光通过反射镜再次进入增益光纤6。最终,信号光和剩余泵浦光经过合束器5后通过环形器4进入滤波器11,滤波器11滤掉泵浦光,信号光输出。
FBG光栅的反射率为99%,带宽为2nm,信号光在2nm带宽滤波反射进入系统,抑制了去程ASE噪声,避免ASE噪声回到MOPA激光器系统中进一步的放大。剩余的信号光透射进入PD探测器,通过检测到的光功率监控MOPA系统的稳定性。同时,也可以将PD探测器换成光谱仪,测试参考光的光谱特性以及ASE噪声情况,进一步了解MOPA激光器系统工作指标,便于数据分析。
请参阅图1-2所示,在本发明的光路系统中,泵浦光去程进入增益光纤6,泵浦光被增益光纤6中的掺杂粒子吸收,形成粒子反转,泵浦光功率随增益光纤6长度逐步变小,反转粒子浓度也随着泵浦光变小而变小,信号光功率随着增益光纤6长度逐步变大,在经过反射回程中,剩余泵浦光功率在增益光纤6末端最大,从增益光纤6末端到前端过程中,回程中的反转粒子浓度在增益光纤6末端最大,逐步向前端变小,信号光功率从逐步变大。在整个MOPA激光器系统中,泵浦光在去程和回程达到了粒子反转浓度平衡,信号光在光路中逐步放大,极大的抑制了粒子反转过程中自发辐射粒子形成ASE噪声。此外,双程泵浦信号放大结构,减少了增益光纤6的长度,从而在高功率下增大的非线性阈值,提高了信噪比。
从另一方面,信号光在去程放大后,ASE噪声也同时被放大,通过FBG光栅时,由于其起到窄带滤波作用,可以将有用信号光反射到光路,滤掉部分ASE噪声,从而避免该部分ASE噪声回到MOPA激光器系统中持续放大。同时,透过FBG光栅的信号光进入监测器10,作为参考光监控MOPA激光器系统。
需要说明的是,MOPA激光器系统的链路中,不同光器件之间采用熔接进行连接,进而减少MOPA激光器系统链接部分的光损耗。
总的来说,本发明一方面通过去程和回程的光路设计有效抑制MOPA激光器系统中的ASE噪声,而且不会增加电路复杂性,另一方面通过FBG光栅透射出部分信号光,作为参考光监控MOPA激光器系统,保证MOPA激光器系统稳定性,同时起到窄带滤波效果,进一步降低ASE噪声。
当然,以上仅为本发明较佳实施方式,并非以此限定本发明的使用范围,故,凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种MOPA激光器系统,其特征在于:包括种子光源、泵浦源、隔离器、环形器、合束器、增益光纤、波分复用器以及第一反射器和第二反射器;
所述种子光源用于为MOPA激光器系统提供信号光;
所述泵浦源用于为MOPA激光器系统提供泵浦光;
所述隔离器的输入端与种子光源连接;
所述环形器为三端口器件,且其第一端口与隔离器的输出端连接;
所述合束器的输入端与泵浦源、环形器的第二端口均连接;
所述增益光纤与合束器的输出端连接;
所述波分复用器的一端与增益光纤连接,用于波分信号光与泵浦光;
所述第一反射器、第二反射器均与波分复用器的另一端连接,第一反射器可将信号光反射回波分复用器,第二反射器可将泵浦光反射回波分复用器,反射回波分复用器的信号光和泵浦光依次经过增益光纤、合束器,再从环形器的第二端口传输至其第三端口,最后输出MOPA激光器系统。
2.根据权利要求1所述的一种MOPA激光器系统,其特征在于:所述第一反射器为FBG光栅,FBG光栅的一端与波分复用器连接,另一端连接监测器,FBG光栅的反射光射回波分复用器,FBG光栅的透射光射入监测器,作为参考光监控MOPA激光器系统。
3.根据权利要求2所述的一种MOPA激光器系统,其特征在于:所述监测器为PD探测器或光谱仪。
4.根据权利要求2所述的一种MOPA激光器系统,其特征在于:所述FBG光栅的反射率为99%,带宽为2nm。
5.根据权利要求1所述的一种MOPA激光器系统,其特征在于:所述第二反射器为反射镜。
6.根据权利要求1所述的一种MOPA激光器系统,其特征在于:所述环形器的第三端口连接设有滤波器,用于滤除输出MOPA激光器系统的泵浦光。
7.根据权利要求1所述的一种MOPA激光器系统,其特征在于:所述增益光纤为双包层铒镱共掺光纤。
8.根据权利要求1所述的一种MOPA激光器系统,其特征在于:所述波分复用器为WDM耦合器。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种MOPA激光器系统,其特征在于:MOPA激光器系统的链路中,不同光器件之间采用熔接进行连接。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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