CN116826493A - 单频光纤激光器及应用其的相干激光雷达探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种单频光纤激光器及应用其的相干激光雷达探测系统，根据本发明实施例的单频光纤激光器，单频光纤激光器应用于相干激光雷达探测系统，单频光纤激光器具有连续工作模式和脉冲工作模式，单频光纤激光器设有分束器、光电反馈控制电路及驱动控制电路；其中，光电反馈控制电路与分束器的第一输出端以及声光调制器连接，用于根据第一输出端的信号光对声光调制器进行调节，以进行噪声抑制，并用于产生周期性电压信号，以控制声光调制器产生脉冲激光；驱动控制电路与功率放大级的多模半导体泵浦激光器连接，用于控制多模半导体泵浦激光器连续或脉冲工作。本发明的单频光纤激光器可以满足相干激光雷达探测系统的性能需求。

Description

单频光纤激光器及应用其的相干激光雷达探测系统
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种单频光纤激光器及应用其的相干激光雷达探测系统。
背景技术
相干激光雷达探测目标微动特性技术是一种以单频激光为光源，用外差探测的方式实现对低速、低频多个运动物体进行微多普勒信息提取和识别的技术。目标的微多普勒特性反映了目标的电磁散射特性、几何结构和运动特征，为雷达目标特征提取和目标识别提供了新的途径。例如从表面振动的微多普勒特征可以将燃气涡轮发动机驱动的坦克与柴油发动机驱动的汽车分辨出来。多普勒现象对工作频率敏感，而相干激光雷达工作频率高，相对于微波雷达探测微多普勒信息具有明显的优势。
单频光纤激光器具有体积小、线宽窄、低噪音和高相干性等显著的激光特性，可极大提高相干激光雷达探测系统的探测距离和精度。
如图1所示，专利CN211320562U“一种单频光纤激光器”，泵浦源提供产生激光所需的泵浦光，通过在第一有源光纤上设置π相移光栅，采用相移光栅作为谐振腔，从而产生单频种子激光，通过偏振控制器将单频种子激光调制为单频偏振激光，剩余的泵浦光和单频偏振激光进入第二有源光纤，实现单频偏振激光的放大输出。该激光器由于相移光栅刻写工艺难度高，谐振腔内光子寿命短，噪声等因素影响，使得输出激光线宽高于理想线宽。
如图2所示，专利CN110350388A“一种1.0μm超低噪声单频光纤激光器”，该专利采用高反射率光纤布拉格光栅、高增益光纤以及低反射率光纤布拉格光栅构成激光谐振腔，在泵浦光注入的情况下获得单频窄线宽激光输出。该激光器为了获得极窄线宽激光输出，采用了半导体光放大器(SOA)以及基于掺镱光纤放大器的强度噪声抑制模块实现噪声抑制，但是结构复杂，成本高。
相干激光雷达探测系统对光源的相干长度有着很高的要求，而激光的相干长度与激光线宽成反比，因此需要单频激光器作为其光源。单频激光器的线宽、输出(峰值)功率等指标决定了激光相干探测系统的分辨率、距离等核心探测能力。因此，对相干探测系统影响较大的单频光纤激光器性能参数主要包括线宽、输出功率、噪声等，针对相干激光雷达探测的应用，单频光纤激光器需要实现极窄线宽，高输出功率，低噪声等性能要求。此外，针对相干激光雷达探测系统对光源的要求，该单频光纤激光器还需具备连续、脉冲两种工作模式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何使单频光纤激光器满足相干激光雷达探测系统的性能需求，提供一种单频光纤激光器及应用其的相干激光雷达探测系统。
根据本发明实施例的单频光纤激光器，所述单频光纤激光器应用于相干激光雷达探测系统，所述单频光纤激光器具有连续工作模式和脉冲工作模式，所述单频光纤激光器包括：泵浦激光器、第一波分复用器、光纤谐振腔、第一隔离滤波器、声光调制器、预放大级、分束器、光电反馈控制电路、功率放大级及驱动控制电路；
其中，所述分束器的输入端与所述预放大级的输出端连接，所述分束器的第一输出端与所述光电反馈控制电路连接，所述分束器的第二输出端所述功率放大级的输入端连接；
所述光电反馈控制电路与所述分束器的第一输出端以及所述声光调制器连接，用于根据所述第一输出端的信号光对所述声光调制器进行调节，以进行噪声抑制，并用于产生周期性电压信号，以控制所述声光调制器产生脉冲激光；
所述驱动控制电路与所述功率放大级的多模半导体泵浦激光器连接，用于控制所述多模半导体泵浦激光器连续或脉冲工作。
根据本发明的一些实施例，所述功率放大级包括串联设置的二级放大级和三级放大级。
在本发明的一些实施例中，所述光纤谐振腔采用分布式布拉格反射型谐振腔或分布式反馈型谐振腔。
根据本发明的一些实施例，所述泵浦激光器为980nm半导体激光器。
在本发明的一些实施例中，所述预放大级包括：半导体泵浦激光器、第二波分复用器、稀土掺杂光纤及第二隔离滤波器。
根据本发明的一些实施例，所述功率放大级包括：多模半导体泵浦激光器、合束器、大模场稀土掺杂光纤、包层光滤除器。
在本发明的一些实施例中，所述大模场稀土掺杂光纤为大模场双包层光纤、光子晶体光纤、晶体光纤、纺锤形增益光纤或锥型光纤。
根据本发明的一些实施例，所述单频光纤激光器在脉冲工作时，满足：脉宽≤800μs，重复频率≥50Hz。
根据本发明实施例的相干激光雷达探测系统，所述相干激光雷达探测系统的光源采用如上所述的单频光纤激光器。
本发明具有如下有益效果：
针对相干探测系统的应用需求，本发明提出的单频光纤激光器具有线宽窄、功率高、波长稳定等优点，并且通过对多模半导体泵浦激光器及声光调制器进行调制控制，具有连续、脉冲工作两种工作模式。本发明采用超短线形腔谐振腔结构，线宽窄，波长稳定性高，不会发生跳模；光纤预放大级采用声光调制器和光电反馈控制电路抑制激光器噪声，从而控制激光在放大过程中引起的线宽展宽，同时还能够和后面的驱动控制电路相互配合，共同调节和控制激光的脉冲输出；功率放大级采用大模场稀土掺杂光纤及高功率半导体激光器泵浦，可实现数百瓦信号激光输出。
附图说明
图1为相关技术中单频光纤激光器的原理示意图；
图2为相关技术中1.0μm超低噪声单频光纤激光器原理示意图；
图3为根据本发明实施例的单频光纤激光器的原理示意图；
图4为根据本发明实施例的多级单频光纤激光器原理示意图。
附图标记：
泵浦激光器1，第一波分复用器2，光纤谐振腔3，隔离滤波器4，声光调制器5，预放大级6，分束器7，光电反馈控制电路8，功率放大级9，二级放大级91，三级放大级92，驱动控制电路10。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
本发明中说明书中对方法流程的描述及本发明说明书附图中流程图的步骤并非必须按步骤标号严格执行，方法步骤是可以改变执行顺序的。而且，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
根据本发明实施例的单频光纤激光器，可以应用于相干激光雷达探测系统，单频光纤激光器具有连续工作模式和脉冲工作模式，如图3所示，单频光纤激光器包括：泵浦激光器1、第一波分复用器2、光纤谐振腔3、第一隔离滤波器4、声光调制器5、预放大级6、分束器7、光电反馈控制电路8、功率放大级9及驱动控制电路10。
其中，分束器7的输入端与预放大级6的输出端连接，分束器7的第一输出端与光电反馈控制电路8连接，分束器7的第二输出端功率放大级9的输入端连接。
光电反馈控制电路8与分束器7的第一输出端以及声光调制器5连接，用于根据第一输出端的信号光对声光调制器5进行调节，以进行噪声抑制，并用于产生周期性电压信号，以控制声光调制器5产生脉冲激光。
驱动控制电路10与功率放大级9的多模半导体泵浦激光器1连接，用于控制多模半导体泵浦激光器连续或脉冲工作。
需要说明的是，为了满足相干激光雷达探测系统的性能需求，本发明的单频光纤激光器可以实现连续工作和脉冲工作模式的切换。相关技术中的单频光纤激光器往往仅能实现连续工作模式，虽然有可以实现连续和脉冲的相关技术，但是相关技术中的该类激光器需要同时进行连续激光和脉冲激光的输出，无法满足相干激光雷达探测系统的性能需求。
根据本发明实施例的单频光纤激光器，针对相干探测系统的应用需求，具有线宽窄、功率高、波长稳定等优点，并且通过对泵浦激光器1及声光调制器5进行调制控制，具有连续、脉冲工作两种工作模式。光纤预放大级6采用声光调制器5和光电反馈控制电路8抑制激光器噪声，从而控制激光在放大过程中引起的线宽展宽，同时还能够和后面的驱动控制电路10相互配合，共同调节和控制激光的脉冲输出，经功率放大级9可实现数百瓦信号激光输出。
根据本发明的一些实施例，如图4所示，功率放大级9可以包括串联设置的二级放大级91和三级放大级92。
在本发明的一些实施例中，光纤谐振腔3采用分布式布拉格反射型谐振腔或分布式反馈型谐振腔。本发明采用上述超短线形腔谐振腔结构，线宽窄，波长稳定性高，不会发生跳模。
根据本发明的一些实施例，泵浦激光器1为980nm半导体激光器。由此，可以满足相干激光雷达探测系统的性能需求。
在本发明的一些实施例中，如图3所示，预放大级6包括：半导体泵浦激光器、第二波分复用器、稀土掺杂光纤及第二隔离滤波器。
根据本发明的一些实施例，如图3和图4所示，功率放大级9包括：多模半导体泵浦激光器、合束器、大模场稀土掺杂光纤、包层光滤除器。
在本发明的一些实施例中，大模场稀土掺杂光纤为大模场双包层光纤、光子晶体光纤、晶体光纤、纺锤形增益光纤或锥型光纤。
根据本发明的一些实施例，单频光纤激光器在脉冲工作时，满足：脉宽≤800μs，重复频率≥50Hz。
根据本发明实施例的相干激光雷达探测系统，相干激光雷达探测系统的光源采用如上的单频光纤激光器。
根据本发明实施例的相干激光雷达探测系统，针对相干探测系统的应用需求，提出的单频光纤激光器具有线宽窄、功率高、波长稳定等优点，并且通过对多模半导体泵浦激光器及声光调制器5进行调制控制，具有连续、脉冲工作两种工作模式。本发明采用超短线形腔谐振腔结构，线宽窄，波长稳定性高，不会发生跳模；光纤预放大级6采用声光调制器5和光电反馈控制电路8抑制激光器噪声，从而控制激光在放大过程中引起的线宽展宽，同时还能够和后面的驱动控制电路10相互配合，共同调节和控制激光的脉冲输出；功率放大级9采用大模场稀土掺杂光纤及高功率半导体激光器泵浦，可实现数百瓦信号激光输出。
下面参照附图对本发明的单频光纤激光器进行详细描述。需要说明的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。
实施例一：
图3所示为本实施例的单频光纤激光器原理示意图，该单频激光器包括：半导体泵浦激光器1、第一波分复用器2、光纤谐振腔3、隔离滤波器4、声光调制器5、预放大级6、分束器7、光电反馈控制电路8、功率放大级9及驱动控制电路10。
激光器采用前向泵浦的方式，半导体泵浦激光器1发射的激光通过第一波分复用器2进入光纤谐振腔3后获得单频信号光输出，信号光3dB线宽≤10kHz。光纤谐振腔3为超短线形腔结构，具体结构为分布式布拉格反射(DBR,Distributed Bragg Reflector)型谐振腔或分布式反馈(DFB,Distributed Feedback)型谐振腔结构。这种结构的谐振腔有结构简单、模式稳定、低噪声和抗环境干扰能力强等优点。
其中，半导体泵浦激光器1为980nm半导体激光器。隔离滤波器4具有隔离反向光及滤除自发辐射光的作用，是具备隔离器和滤波器功能的集成器件。
信号光通过声光调制器5进入预放大级6后输出放大的信号光，信号光大部分经分束器7输出到功率放大级9，小部分信号光进入光电反馈控制电路8后。光电反馈控制电路8一方面对信号光的噪声信号进行提取处理后再反馈到声光调制器5，可以达到噪声抑制的效果；另一方面可以产生周期性电压信号，从而通过控制声光调制器5可以产生脉冲激光。
预放大级6主要包括半导体泵浦激光器、第二波分复用器、稀土掺杂光纤及第二隔离滤波器。
功率放大级9主要包括多模半导体泵浦激光器、合束器、大模场稀土掺杂光纤、包层光滤除器。驱动控制电路10可以控制多模半导体泵浦激光器1连续或脉冲工作，从而实现单频光纤激光器输出激光的连续、脉冲工作模式的切换，脉冲工作时：脉宽≤800μs，重复频率≥50Hz；例如，当脉冲宽度为100μs,重复频率300Hz时，峰值功率约300W。大模场稀土掺杂光纤为大模场双包层光纤、光子晶体光纤、晶体光纤、纺锤形增益光纤或锥型光纤等。
实施例二：
如图4所示，与实施例一不同的是，该实施例中的功率放大级9包括二级放大级91和三级放大级92。
半导体泵浦激光器1发射的激光通过第一波分复用器2进入光纤谐振腔3后获得单频信号光输出。光纤谐振腔3为超短线形腔结构，具体结构为分布式布拉格反射(DBR,Distributed Bragg Reflector)型谐振腔或分布式反馈(DFB,Distributed Feedback)型谐振腔结构。这种结构的谐振腔有结构简单、模式稳定、低噪声和抗环境干扰能力强等优点。
信号光通过声光调制器5进入一级放大级(即预放大级6)后输出放大的信号光，信号光大部分经分束器7输出到二级放大级91，小部分信号光进入光电反馈控制电路8后。光电反馈控制电路8一方面对信号光的噪声信号进行提取处理后再反馈到声光调制器5，可以达到噪声抑制的效果；另一方面还可以产生周期性电信号，从而通过控制声光调制器5产生脉冲激光。
一级放大级主要包括半导体泵浦激光器、第二波分复用器、稀土掺杂光纤及第二隔离滤波器。
二级放大级91主要包括半导体泵浦激光器、合束器、稀土掺杂光纤及隔离滤波器。
三级放大级92主要包括多模半导体泵浦激光器、合束器、稀土掺杂大模场光纤及包层光滤除器。其中驱动控制电路10可以控制多模半导体泵浦激光器连续或脉冲工作，从而实现单频光纤激光器输出激光的连续、脉冲工作模式的切换，脉冲工作时：脉宽≤800μs，重复频率≥50Hz；大模场稀土掺杂光纤为大模场双包层光纤、光子晶体光纤、晶体光纤、纺锤形增益光纤或锥型光纤等。
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (9)

1.一种单频光纤激光器，其特征在于，所述单频光纤激光器应用于相干激光雷达探测系统，所述单频光纤激光器具有连续工作模式和脉冲工作模式，所述单频光纤激光器包括：泵浦激光器、第一波分复用器、光纤谐振腔、第一隔离滤波器、声光调制器、预放大级、分束器、光电反馈控制电路、功率放大级及驱动控制电路；
其中，所述分束器的输入端与所述预放大级的输出端连接，所述分束器的第一输出端与所述光电反馈控制电路连接，所述分束器的第二输出端所述功率放大级的输入端连接；
所述光电反馈控制电路与所述分束器的第一输出端以及所述声光调制器连接，用于根据所述第一输出端的信号光对所述声光调制器进行调节，以进行噪声抑制，并用于产生周期性电压信号，以控制所述声光调制器产生脉冲激光；
所述驱动控制电路与所述功率放大级的多模半导体泵浦激光器连接，用于控制所述多模半导体泵浦激光器连续或脉冲工作。
2.根据权利要求1所述的单频光纤激光器，其特征在于，所述功率放大级包括串联设置的二级放大级和三级放大级。
3.根据权利要求1所述的单频光纤激光器，其特征在于，所述光纤谐振腔采用分布式布拉格反射型谐振腔或分布式反馈型谐振腔。
4.根据权利要求1所述的单频光纤激光器，其特征在于，所述泵浦激光器为980nm半导体激光器。
5.根据权利要求1所述的单频光纤激光器，其特征在于，所述预放大级包括：半导体泵浦激光器、第二波分复用器、稀土掺杂光纤及第二隔离滤波器。
6.根据权利要求1所述的单频光纤激光器，其特征在于，所述功率放大级包括：多模半导体泵浦激光器、合束器、大模场稀土掺杂光纤、包层光滤除器。
7.根据权利要求6所述的单频光纤激光器，其特征在于，所述大模场稀土掺杂光纤为大模场双包层光纤、光子晶体光纤、晶体光纤、纺锤形增益光纤或锥型光纤。
8.根据权利要求1所述的单频光纤激光器，其特征在于，所述单频光纤激光器在脉冲工作时，满足：脉宽≤800μs，重复频率≥50Hz。
9.一种相干激光雷达探测系统，其特征在于，所述相干激光雷达探测系统的光源采用如权利要求1-8中任一项所述的单频光纤激光器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117712817A (zh) * 2023-12-14 2024-03-15 上海频准激光科技有限公司 单频激光系统及包含其的激光干涉仪
CN117712817B (zh) * 2023-12-14 2024-05-31 上海频准激光科技有限公司 单频激光系统及包含其的激光干涉仪

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CN117712817A (zh) * 2023-12-14 2024-03-15 上海频准激光科技有限公司 单频激光系统及包含其的激光干涉仪
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