CN118073948A - 基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器及应用，包括泵浦光源、模式选择系统、光纤布拉格光栅对、波分复用器、增益介质、稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体、环形器、光纤布拉格光栅和光耦合器。基于稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体的基态重吸收效应及高损伤阈值特性，所述的稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体放置在光纤布拉格光栅对之间构成的激光子腔，用于缩短可饱和吸收体的恢复时间，以支持高功率脉冲激光输出。所述的模式选择系统用于限制激光器工作在单纵模激光状态。本发明提出的基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器具有紧凑的全光纤结构，易于集成，成本低廉等优点，可用作普勒测风系统的激光光源。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器及应用。
背景技术
多普勒效应是一种物理现象，指的是运动的物体发出的波在观察者处的频率与其在静止状态下的频率不同，造成了频率的变化。在测风速中，多普勒效应可以通过测量远离或靠近传感器的空气中尘埃或气泡的运动来测量风速，利用激光束与空气中的颗粒发生散射，通过散射光频率移动来计算风速。当激光束与静止的颗粒相互作用时，散射光的频率不变；当激光束与运动的颗粒相互作用时，散射光的频率会发生移动，通过测量散射光的频率移动，可以计算出风速的大小。市面上主流的激光测风雷达均采用多普勒相干探测技术，即用激光雷达发射激光束到空气中，运动的气溶胶颗粒会使反射波发生多普勒频移现象，再通过激光雷达对反射波进行处理，就可以解析出其中所含的风速与风向信息。激光相干多普勒测风技术是精细风场测量的较佳技术途径。目前应用相干探测原理的多普勒测风激光雷达主要分为两种探测模式：连续波相干探测和脉冲相干探测。连续波相干测风激光雷达发出的连续激光瞬时强度远不及脉冲光，且需要聚焦在测量点处，探测距离短，因此多适用于近场风场探测；而脉冲雷达发射的波形按一定的或交错的重复周期工作，是目前应用最广泛的雷达信号形式，常规脉冲雷达发射周期性的高频脉冲，通过间歇式发射脉冲周期信号，并且在发射的间隙接收反射的回波信号。由于反射回波信号的平均功率与激光器的脉冲能量、光学系统效率、后向散射系数成正比，因此与大气透过率、发射接收口径、探测距离密切相关，故而要获得更大的探测距离，或者在同样测量距离下希望获得更大的散射回波信号，就要求减小光学传输系统损耗，选择大气传输损耗小的激光波长，增大脉冲激光器的脉冲能量，以及扩大望远镜口径。另一方面，多普勒测风激光雷达结合了多普勒频移原理和相干检测激光雷达技术，相干多普勒测风激光雷达应当具有高精度、高相干性、高分辨率、高灵敏度等特点，在激光雷达中，激光器的线宽和相干长度决定了激光器的测距精度和测距范围，当激光器的线宽越窄时，相干长度也就越长，激光器的传输距离和传输速率就越高，故而激光器的测距精度和测距范围就越高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器及应用，结构紧凑、易于集成、成本低廉，可作为激光多普勒测风速应用的光源。本发明基于全光纤结构，结合稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体与模式选择系统，获得高功率窄线宽脉冲激光，可用作满足当前市场需求的多普勒测风系统的脉冲激光光源。
本发明技术方案如下：
一种基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器，包括泵浦光源、模式选择系统、光纤布拉格光栅对、波分复用器、增益介质、稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体、环形器、光纤布拉格光栅和光耦合器；其中，泵浦光源、波分复用器、增益介质、光纤布拉格光栅对、稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体、环形器、光纤布拉格光栅和光耦合器通过光纤熔接依次相连；基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器包括激光谐振腔、激光子腔、模式选择系统，其中由泵浦光源、波分复用器、增益介质、环形器、光纤布拉格光栅和光耦合器通过光纤依次熔接相连组成激光谐振腔；稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体放置在光纤布拉格光栅对中间，通过光纤熔接相连，构成激光子腔；环形器、光纤布拉格光栅和两个光耦合器构成的级联子腔通过光纤熔接依次相连组成模式选择系统。
所述的稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体对信号光具有重吸收作用，并且利用其有限的上能级寿命对激光谐振腔的Q值进行周期性调制，实现高功率脉冲激光输出，对于不同波段的激光，采用不同稀土离子掺杂的光纤作为可饱和吸收体；对于1 μm波段的激光，使用掺镱（Yb3+）光纤或掺钐（Sm3+）光纤作为可饱和吸收体；对于1.5 μm至1.9 μm波段的激光，使用掺铥（Tm3+）光纤作为可饱和吸收体；对于1.9 μm至2 μm以上波段的激光，使用掺钬（Ho3+）光纤作为可饱和吸收体。
所述的稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体放置在光纤布拉格光栅对中间，并通过光纤熔接相连构成激光子腔；激光谐振腔内受稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体调制的脉冲信号光在经过激光子腔时，作为该激光子腔的泵浦光源，使稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体在激光子腔内发生激光振荡，振荡的激光波长对应稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体的发射光谱；通过激光子腔内受激辐射加速稀土离子上能级粒子跃迁回基态，从而缩短稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体的恢复时间，避免在高泵浦功率下导致可饱和吸收体被过度漂白，激光器实现高泵浦功率下的高功率脉冲输出。
所述的模式选择系统由两个级联的环形子腔，环形器和光纤布拉格光栅组成，用于限制激光腔内的多纵模振荡，使激光器工作在单纵模激光状态。
所述的两个级联的环形子腔由两个2x2光耦合器首尾相连构成，所述的环形器设有a、b、c三个端口，光纤布拉格光栅对与环形器的a端口相连，信号光由环形器的a端口进入，从环形器的b端口输出，环形器的b端口与光纤布拉格光栅相连，经光纤布拉格光栅反射后的信号光再次进入环形器的b端口，并从环形器的c端口输出，环形器的c端口与级联环形子腔相连。
一种多普勒测风系统，激光光源采用任一项所述的基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器。
本发明的有益效果：
本发明为实现高峰值功率的窄线宽脉冲激光输出，利用稀土离子掺杂光纤对信号光的重吸收效应以及有限的上能级寿命对激光腔Q值进行周期性调制，无需使用任何主动调制器件即可实现脉冲激光输出，结构紧凑且易于集成。由于稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体损伤阈值高，激光器可以承载较强的激光功率，形成稳定的高功率脉冲激光光束，并且通过在激光谐振腔内加入激光子腔结构，有效缩短了稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体的恢复时间，使得稀土离子上能级粒子通过受激辐射加速跃迁回基态，避免在高泵浦功率下导致可饱和吸收体被过度漂白，故能支持高泵浦功率下的高功率脉冲激光输出。另一方面，为保证一定的窄线宽，本发明的模式选择系统由两个级联的环形子腔，环形器和光纤布拉格光栅组成，用于控制激光腔内单纵模振荡的数目，抑制通频带宽之外的其他纵模，激光器通过模式选择系统获得窄线宽脉冲激光输出。本发明的基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器具有结构紧凑、易于集成、成本低廉的优点，可用于多普勒测风系统的激光光源。
附图说明
图1为本申请实例1中基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器的结构示意图。
图2为本申请实例1中掺铥光纤的能级结构图。
图3为本申请实例1中的窄线宽脉冲激光在时域上的脉冲序列图。
图4为本申请实例1中的窄线宽脉冲激光单个脉冲的时间轮廓图。
图5为本申请实例1中的窄线宽脉冲激光的频谱图。
图6为本申请实例1中的窄线宽脉冲激光利用延迟自外差干涉测量技术测试并拟合的高斯外差线形状图。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步的描述。本领域普通技术人员基于本申请实施例得到的其他实施例都属于本申请保护的范围。
实施例1
如图1所示，基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器由泵浦光源1；波分复用器2；用作增益介质的铒镱共掺光纤3；波分复用器4；第一光纤布拉格光栅5；用作光纤型可饱和吸收体的掺铥光纤6；第二光纤布拉格光栅7；环形器8；光纤布拉格光栅9；第一3dB耦合器10；第二3dB耦合器11；20：80耦合器12组成。其中，激光谐振腔由泵浦光源1、波分复用器2、铒镱共掺光纤3、波分复用器4、环形器8、光纤布拉格光栅9和20：80耦合器12组成；第一光纤布拉格光栅5、第二光纤布拉格光栅7、掺铥光纤6组成激光子腔14；环形器8、光纤布拉格光栅9、第一3dB耦合器10和第二3dB耦合器11组成模式选择系统15；其中泵浦光源1为915nm半导体激光器；波分复用器2用于将915 nm泵浦激光耦合进激光谐振腔；波分复用器4用于滤去多余的915 nm泵浦激光，以保证掺铥光纤6处于未泵浦状态；
激光子腔14加速稀土离子上能级粒子跃迁回基态，缩短可饱和吸收体恢复时间的原理如图2所示：当无激光子腔14时，即系统中无第一光纤布拉格光栅5和第二光纤布拉格光栅7，而仅有用作光纤型可饱和吸收体的掺铥光纤6时，根据掺铥光纤6对泵浦光的重吸收效应实现对激光谐振腔Q值的周期性调制，获得1.5 μm脉冲激光，处于3H6基态能级上的粒子吸收1.5 μm激光，跃迁到3H4能级上，随后会通过无辐射跃迁，弛豫到3F4能级，由于3H4能级平均寿命较长，粒子会在该能级上停留较长时间，等一个周期内的寿命结束后才通过自发辐射跃迁回3H6基态能级，如图2中虚线部分所示。因此在高泵浦强度下，用作光纤型可饱和吸收体的掺铥光纤6容易被过度漂白，使得光纤型可饱和吸收体无法在下一个脉冲之前完全恢复，导致Q开关消失。
当加入激光子腔14后，由第一光纤布拉格光栅5，掺铥光纤6和第二光纤布拉格光栅7组成激光子腔14，其中第一光纤布拉格光栅5，掺铥光纤6和第二光纤布拉格光栅7通过光纤依次熔接，激光谐振腔内受掺铥光纤6调制产生的1.5 μm脉冲光在经过激光子腔14时，会被3H6基态能级上的粒子吸收，使得粒子跃迁到3H4能级上，随后会通过无辐射跃迁，弛豫到3F4能级，随着交叉弛豫过程的进行，当储存在3F4能级上的粒子数足够多时，会产生受激辐射跃迁，加速3F4能级上的粒子回到3H6基态能级，如图2中实线部分所示，从而缩短光纤型可饱和吸收体的恢复时间，避免在高泵浦功率下导致可饱和吸收体被过度漂白，故能实现高泵浦功率下的高功率的脉冲输出；
模式选择系统15由第一3dB耦合器10，第二3dB耦合器11，环形器8和光纤布拉格光栅9组成；环形器8用于将腔内激光引入光纤布拉格光栅9，光纤布拉格光栅9用于反射1.5 μm波段特定波长的激光；其中，第一3dB耦合器10，第二3dB耦合器11分别为两个2x2光耦合器，分别有1、2、3、4个端口。其中，第一3dB耦合器10的1端口与环形器8的c端口相连，第一3dB耦合器10的4端口与第二3dB耦合器11的1端口相连，第一3dB耦合器10的2端口与其自身的3端口相连，第二3dB耦合器11的2端口与其自身的3端口相连，构成两个环形子腔，第二3dB耦合器11的4端口与20：80耦合器12相连。模式选择系统15扩大了级联子腔的自由光谱范围，使得只有一个传输窗口位于光纤布拉格光栅的反射带内，由于第一3dB耦合器10与第二3dB耦合器11构成的级联子腔的通过带宽小于激光腔的纵模间隔，使得激光腔内只有一个纵模振荡，级联子腔通频带宽之外的其他纵模将被抑制，保证了窄线宽脉冲激光输出；
20：80耦合器12用于分光获得窄线宽脉冲激光输出，其中20%的激光输出至腔外光谱仪13用于探测，80%的激光输入至波分复用器2用于腔内循环放大。所有的光纤器件均通过光纤熔接相连，泵浦光源1、波分复用器2、铒镱共掺光纤3、波分复用器4、第一光纤布拉格光栅5、掺铥光纤6、第二光纤布拉格光栅7、环形器8、第一3dB耦合器10、第二3dB耦合器11、20：80耦合器12依次连接，其中环形器8的b端口与光纤布拉格光栅9相连。
所述的泵浦光源1为915 nm半导体激光器。所述的波分复用器2为915/1550 nm波分复用器。所述的波分复用器4为915/1550 nm波分复用器。所述的铒镱共掺光纤3长度为3m。所述的掺铥光纤6长度为0.5 m。所述第一光纤布拉格光栅5的中心波长为1.9 μm。所述第二光纤布拉格光栅7的中心波长为1.9 μm。所述的光纤布拉格光栅9的中心波长为1560 nm，带宽约为0.42 nm。
图3是窄线宽脉冲激光在时域上的脉冲序列图。当泵浦光源1的功率为1.27 W时，脉冲序列的周期为14.433 μs，强度接近均匀分布。
图4是窄线宽脉冲激光单个脉冲的时间轮廓图。脉冲时间曲线为高斯形状，脉冲宽度约为1.766 μs，由于采用了级联子腔进行模式选择，控制窄线宽输出，脉冲具有平滑的轮廓，没有脉冲尖峰。
图5是窄线宽脉冲激光的频谱图。基频具有高达约50 dB的高信噪比，除了基频及其相应的谐波频率之外，在0 ~ 800 kHz的扫描范围内没有观察到其他频率成分。
图6是窄线宽脉冲激光拟合的高斯外差线形状图。为了确定窄线宽脉冲激光的真实线宽，在零频率上使用延迟自外差干涉测量技术，测试并拟合的高斯外差线形状的3dB带宽约为504 kHz，由此可以推断激光线宽为252 kHz。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同技术方案给出。
Claims (7)
1.一种基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器，其特征在于：包括泵浦光源、模式选择系统、光纤布拉格光栅对、波分复用器、增益介质、稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体、环形器、光纤布拉格光栅和光耦合器；其中，泵浦光源、波分复用器、增益介质、光纤布拉格光栅对、稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体、环形器、光纤布拉格光栅和光耦合器通过光纤熔接依次相连；基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器包括激光谐振腔、激光子腔、模式选择系统，其中由泵浦光源、波分复用器、增益介质、环形器、光纤布拉格光栅和光耦合器通过光纤依次熔接相连组成激光谐振腔；稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体放置在光纤布拉格光栅对中间，通过光纤熔接相连，构成激光子腔；环形器、光纤布拉格光栅和两个光耦合器构成的级联子腔通过光纤熔接依次相连组成模式选择系统。
2.根据权利要求1所述的基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器，其特征是：所述的稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体对信号光具有重吸收作用，并且利用其有限的上能级寿命对激光谐振腔的Q值进行周期性调制，实现高功率脉冲激光输出，对于不同波段的激光，采用不同稀土离子掺杂的光纤作为可饱和吸收体。
3. 根据权利要求2所述的基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器，其特征是：对于1 μm波段的激光，使用掺镱（Yb3+）光纤或掺钐（Sm3+）光纤作为可饱和吸收体；对于1.5μm至1.9 μm波段的激光，使用掺铥（Tm3+）光纤作为可饱和吸收体；对于1.9 μm至2 μm以上波段的激光，使用掺钬（Ho3+）光纤作为可饱和吸收体。
4.根据权利要求1所述的基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器，其特征是：所述的稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体放置在光纤布拉格光栅对中间，并通过光纤熔接相连构成激光子腔；激光谐振腔内受稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体调制的脉冲信号光在经过激光子腔时，作为该激光子腔的泵浦光源，使稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体在激光子腔内发生激光振荡，振荡的激光波长对应稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体的发射光谱；通过激光子腔内受激辐射加速稀土离子上能级粒子跃迁回基态，从而缩短稀土离子掺杂的光纤型可饱和吸收体的恢复时间，避免在高泵浦功率下导致可饱和吸收体被过度漂白，激光器实现高泵浦功率下的高功率脉冲输出。
5.根据权利要求1所述的基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器，其特征是：所述的模式选择系统由两个级联的环形子腔，环形器和光纤布拉格光栅组成，用于限制激光腔内的多纵模振荡，使激光器工作在单纵模激光状态。
6.根据权利要求5所述的基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器，其特征是：其中，所述的两个级联的环形子腔由两个2x2光耦合器首尾相连构成，所述的环形器设有a、b、c三个端口，光纤布拉格光栅对与环形器的a端口相连，信号光由环形器的a端口进入，从环形器的b端口输出，环形器的b端口与光纤布拉格光栅相连，经光纤布拉格光栅反射后的信号光再次进入环形器的b端口，并从环形器的c端口输出，环形器的c端口与级联环形子腔相连。
7.一种多普勒测风系统，其特征是：激光光源采用根据权利要求1-6任一项所述的基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器。
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| CN202410049381.6A Pending CN118073948A (zh) | 2024-01-12 | 2024-01-12 | 基于光纤型可饱和吸收体的窄线宽脉冲激光器及应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118073948A (zh) |
-
2024
- 2024-01-12 CN CN202410049381.6A patent/CN118073948A/zh active Pending
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