CN203014155U - 一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：包括有半导体纳秒种子源（2）和泵浦源（A），所述半导体纳秒种子源（2）输入端电连接有驱动其产生波形任意、脉宽和重复频率宽带可调谐纳秒种子脉冲的种子调制电路（1），所述泵浦源（A）输入端电连接有仅在有种子脉冲输入的情况下实现同步泵浦的放大器同步调制电路（3），所述半导体纳秒种子源（2）输出的主脉冲和泵浦源（A）输出的脉冲分别输入到激光放大模块（B），所述激光放大模块（B）输出的光脉冲依次通过光纤滤波器（4）和空间整形模块（5）输出。本实用新型装置具有输出脉冲形状任意、脉宽和重复频率宽带可调谐，高功率放大后光束质量好、频谱成分纯净等优点，稳定可靠，适用于工业加工的多种应用场合。
Description
[技术领域]
本实用新型涉及纳秒脉冲全光纤激光器，提出一种任意波形纳秒脉冲的产生和高保真放大装置。
[背景技术]
高功率任意波形的纳秒脉冲在工业加工、医疗处理、激光测距、生物化学和高能物理领域具有广泛的应用。目前常用的产生纳秒脉冲的方法是在连续激光器内加入声光或者电光调Q晶体实现，声光调Q激光器输出的激光脉冲宽度大约在100-300ns，电光调Q激光器输出的激光脉冲宽度在10ns左右，脉冲宽度可调谐范围小，且声光调Q对高能量激光器的开关能力差，电光调Q需要几千伏的高压脉冲，易对其他电子线路造成干扰。采用调Q技术产生纳秒脉冲，其时域波形下降沿时间长，脉冲不对称，受调Q晶体开关时间的限制，无法获得上升沿陡峭、波形任意的纳秒脉冲。
目前常用的半导体纳秒种子源，其响应速度较低，脉冲的上升沿和下降沿拖尾时间长；连续光模式输出时，平均功率在200-300mW，以重复频率数千赫兹的脉冲模式输出时，受限于占空比，平均功率急剧减少，仅数百微瓦，增加后续放大级的难度；输出波长随器件工作温度漂移，不适用于对波长有严格要求的应用场合；输出脉冲的光谱宽度仅0.2-0.4nm，造成后续放大过程中与谱宽相关的非线性效应，尤其是受激布里渊散射（SBS，stimulated Brillouin scattering）效应在较低输出功率下就出现，产生的背向散射光引起光谱畸变，甚至烧毁器件。
在工业加工领域，常用纳秒脉冲的单脉冲能量在毫焦量级，脉冲重复频率最大在千赫兹量级，对应脉冲的占空比很小，泵浦激光长时间作用于增益介质，容易产生放大的自发辐射（ASE,amplified spontaneousemission），造成脉冲频域畸变，出现新的光谱成分，与种子激光争夺泵浦能量；泵浦激光作用于增益介质，还可能使激光增益超过腔内损耗，导致寄生脉冲的产生，造成脉冲时域变形。在高功率全光纤放大器中，增益光纤纤芯的光功率密度随激光峰值功率的提高而不断增加，当光纤中的峰值功率超过受激布里渊散射或者受激拉曼散射（SRS，stimulated Ramanscattering）等非线性效应的阈值，会造成光纤激光器输出功率降低，光束质量劣化等不利影响，尤其在脉冲宽度超过10ns，光谱宽度小于1nm的应用场合下，受激布里渊散射效应更加明显，由此产生的背向散射光强度增大，很容易烧毁增益光纤。
现有技术的缺点主要有以下几点：
（1）脉冲宽度和重复频率可调谐范围小，脉冲形状单一。
（2）纳秒脉冲在放大过程中出现时频域畸变。
（3）系统能耗高。
（4）输出的光束质量低、不稳定。
[实用新型内容]
本实用新型克服了上述技术的不足，提供了一任意波形纳秒脉冲高保真放大装置。
为实现上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：
一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：包括有半导体纳秒种子源（2）和泵浦源（A），所述半导体纳秒种子源（2）输入端电连接有驱动其产生波形任意、脉宽和重复频率宽带可调谐纳秒种子脉冲的种子调制电路（1），所述泵浦源（A）输入端电连接有仅在有种子脉冲输入的情况下实现同步泵浦的放大器同步调制电路（3），所述半导体纳秒种子源（2）输出的主脉冲和泵浦源（A）输出的脉冲分别输入到激光放大模块（B），所述激光放大模块（B）输出的光脉冲依次通过光纤滤波器（4）和空间整形模块（5）输出。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述泵浦源（A）为多个，多个泵浦源（A）都连接到激光放大模块（B）上。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述半导体种子源（2）和激光放大模块（B）之间依次设有透镜、光纤跳线头和光纤隔离器。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述激光放大模块（B）设有激光合束器（C）（激光领域，通俗的叫法，如果是低功率的，小于800mW，2进1出的，一般叫“波分复用器”，如果是高功率的，2进1出，7进1出，一般叫“合束器”）和增益光纤（D），所述半导体种子源（2）输出的种子脉冲与激光合束器（C）一输入端连接，所述泵浦源(A)输出的正向脉冲与激光合束器（C）另一输入端正向连接，所述激光合束器（C）连接着增益光纤（D）。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述半导体种子源（2）输出的种子脉冲通过增益光纤（D）与激光合束器（C）一输入端连接，所述泵浦源（A）输出的反向脉冲与激光合束器（C）另一输入端反向连接。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述光纤滤波器（4）与空间整形模块（5）之间设有激光放大模块（B）。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述半导体纳秒种子源（2）与激光放大模块（B）之间设有光纤隔离器。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述光纤滤波器（4）与空间整形模块（5）之间激光放大模块（B）为多个，多个激光放大模块（B）级联连接起来。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：相邻激光放大器模块（B）之间设有光纤隔离器。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述激光合束器（C）为波分复用器或高功率合束器。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述增益光纤（D）为掺稀土元素离子的单模或者双包层增益光纤。
所述方法采用的步骤如下：
高速半导体纳秒种子源（2）在种子源调制电路（1）的驱动下，产生波形任意、脉宽和重复频率宽带可调谐的纳秒脉冲，输入到激光放大器（B）；根据种子源的重复频率和脉冲宽度，合理设计放大器同步调制电路（3），驱动泵浦源（A），保证泵浦源（A）仅在有种子脉冲输入的情况下工作，实现同步泵浦，抑制ASE的产生；激光放大器（B）输出的纳秒脉冲再经过光纤滤波器（4）和空间整形模块（5），滤除光谱中不纯净的噪声成分，同时对光束质量进行空间整形，获得任意波形、脉冲宽度和重复频率宽带可调谐的高功率纳秒脉冲。
本实用新型的有益效果是：
（1）采用高速响应的半导体种子源，能产生波形任意的纳秒脉冲；
（2）纳秒脉冲的重复频率和脉冲宽度都由半导体种子源决定，能获得更宽的调谐范围；
（3）采用上升沿陡峭、在脉冲工作模式驱动电流为连续光2-3倍的种子源驱动电路，能成倍增加种子源输出功率，还能展宽种子源输出脉冲的光谱宽度，更利于实现高功率的放大；
（4）采用同步调制泵浦源的方式，保证仅在有种子脉冲的时候泵浦激光器工作，抑制放大过程中ASE的产生，降低功耗；
（5）采用频率滤波与输出整形结合的方式，输出激光光谱更纯净、光束质量更好。
[附图说明]
图1为本实用新型原理结构图；
图2为本实用新型实施例一同向泵浦脉冲高保真单极放大示意图；
图3为本实用新型实施例二反向泵浦脉冲高保真单极放大示意图；
图4为本实用新型实施例三脉冲高保真级联放大示意图；
图5为本实用新型实施例四高功率脉冲高保真多级放大示意图；
图6为本实用新型实施例五高功率脉冲高保真多级同步放大示意图；
[具体实施方式]
下面结合附图与本实用新型的实施方式作进一步详细的描述：
一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：包括有半导体纳秒种子源（2）和泵浦源（A），所述半导体纳秒种子源（2）输入端电连接有驱动其产生波形任意、脉宽和重复频率宽带可调谐纳秒种子脉冲的种子调制电路（1），所述泵浦源（A）输入端电连接有仅在有种子脉冲输入的情况下实现同步泵浦的放大器同步调制电路（3），所述半导体纳秒种子源（2）输出的主脉冲和泵浦源（A）输出的脉冲分别输入到激光放大模块（B），所述激光放大模块（B）输出的光脉冲依次通过光纤滤波器（4）和空间整形模块（5）输出。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述泵浦源（A）为多个，多个泵浦源（A）都连接到激光放大模块（B）上。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述半导体种子源（2）和激光放大模块（B）之间依次设有透镜、光纤跳线头和光纤隔离器。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述激光放大模块（B）设有激光合束器（C）（激光领域，通俗的叫法，如果是低功率的，小于800mW，2进1出的，一般叫“波分复用器”，如果是高功率的，2进1出，7进1出，一般叫“合束器”）和增益光纤（D），所述半导体种子源（2）输出的种子脉冲与激光合束器（C）一输入端连接，所述泵浦源(A)输出的正向脉冲与激光合束器（C）另一输入端正向连接，所述激光合束器（C）连接着增益光纤（D）。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述半导体种子源（2）输出的种子脉冲通过增益光纤（D）与激光合束器（C）一输入端连接，所述泵浦源（A）输出的反向脉冲与激光合束器（C）另一输入端反向连接。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述光纤滤波器（4）与空间整形模块（5）之间设有激光放大模块（B）。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述半导体纳秒种子源（2）与激光放大模块（B）之间设有光纤隔离器。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述光纤滤波器（4）与空间整形模块（5）之间激光放大模块（B）为多个，多个激光放大模块（B）级联连接起来。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：相邻激光放大器模块（B）之间设有光纤隔离器。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述激光合束器（C）为波分复用器或高功率合束器。
所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述增益光纤（D）为掺稀土元素离子的单模或者双包层增益光纤。
如图1所示，半导体纳秒种子源（2）可以采用同轴型、双列直插型或者蝶型封装的半导体种子源，种子源的响应速度在200ps或更快，种子源可以带有温度控制芯片，使输出波长更稳定，可带有光纤光栅，使输出光谱宽度更宽。
种子源调制电路（1）为任意波形电学脉冲产生电路，为半导体纳秒种子源提供驱动及调制，在脉冲输出状态下，调制电路提供的最大驱动电流是连续光工作模式下的2-3倍，电学脉冲信号的上升沿小于5纳秒，能成倍增大半导体纳秒种子源的输出功率，又能展宽种子源输出光谱宽度，降低后续放大级的增益倍数，抑制受激布里渊散射效应。
放大器同步调制电路（3）为放大级泵浦源提供驱动电流，其与种子源调制电路具有同一套时钟体系，实现同步泵浦，保证仅在有种子光时放大器的泵浦源工作。
光隔离器为防止后续放大器回返光损坏种子源，泵浦源（A）为带尾纤的半导体连续激光器，输出波长根据增益介质的吸收波段选择，输出功率根据增益介质的长度和掺杂浓度选择。
激光放大模块（B）设有激光合束器（C）和增益光纤（D），其中增益光纤为全光纤结构的脉冲放大器，泵浦方式可以采用前向泵浦、后向泵浦或者双向泵浦的方式，增益介质采用稀土离子掺杂的光纤等。根据实际需要，可采用单极或者多级放大器级联的方式，构成脉冲功率放大模块。
光纤滤波器（4）可采用光纤型带通滤波器、窄带滤波器、光纤光栅等，对输出激光的光谱宽度进行展宽或者压缩以及噪声抑制等；输出整形模块（5）可采用透镜组，对空间光斑大小、光束质量进行灵活控制，也可采用带有回返光保护功能的全光纤结构的输出头。
半导体纳秒种子源输出纳秒量级的脉冲，脉冲的宽度、重复频率、脉冲形状根据实际需要，由种子源调制电路驱动实现，为后续的波分复用功率放大模块提供种子激光。波分复用功率放大模块由单极或多级功率放大器构成，所有泵浦源的驱动电路与种子源驱动电路具有相同的时钟，实现同步驱动，仅在有种子脉冲输入时，泵浦激光器才工作，同步泵浦的方式能抑制放大的自发辐射产生，降低系统的功耗。光纤滤波其和空间整形模块采用滤波器、组合透镜等，对放大后的纳秒脉冲进行精密的时频域控制，优化光束质量，抑制频域噪声。
实施例一：
如图2所示，为采用1064nm波段同轴封装的种子源，实现同向泵浦高保真放大示意图，实施细节：
种子源调制电路（1）为半导体纳秒种子源（2）提供驱动电流，根据需要，调制电路输出的电信号波形可以是平顶型、高斯型、三角型，其重复频率在10-1000kHz可调，脉冲宽度可调。调制电路在脉冲输出状态下，所能提供的最大驱动电流是连续光工作模式下的2-3倍，电学脉冲信号的上升沿小于5纳秒，提高种子源的输出功率，展宽输出光谱宽度。
高速响应的半导体纳秒种子源（2）在驱动电流的作用下，输出任意波形、重复频率和脉冲宽度可调的空间纳秒激光脉冲，其光谱中心波长在1064nm附近。
种子源输出的空间光经短焦距的透镜聚焦到光纤跳线头，实现种子激光脉冲从空间到光纤的耦合，为防止后续放大器回返光损坏种子源，在光纤跳线头之后加入1064nm波段的偏振无关光纤隔离器A1，隔离器的透过率在80%以上。
放大器同步调制电路（3）为泵浦源（A）提供驱动，并根据种子源的脉冲宽度及光纤链路长度，设计合理的延迟，保证仅在有种子源输入到放大器时，泵浦激光器才工作，实现纳秒脉冲放大过程中的时域精密控制。
放大器的泵浦源（A）输出的中心波长976nm的泵浦光与透过隔离器的种子激光经980/1064nm的波分复用器（C）耦合到增益光纤（D）中，增益光纤为掺镱单模光纤，采用同向泵浦的方式，噪声指数更小，脉冲信噪比更高。
增益光纤输出放大后的纳秒脉冲，其光谱成分中可能有ASE等噪声，再经过窄带光纤滤波器（4），滤除噪声，实现纳秒放大过程中的频域精密控制。
为适应不同应用场合下光斑尺寸的要求，获得更优异的光束质量，将光谱纯净的纳秒脉冲输入到透镜组构成的空间整形模块（5），实现纳秒脉冲从光纤传输到空间输出，还可以在空间整形模块中加入法拉第晶体，防止环境中的回返光损坏放大级的泵浦激光器。
实施例二：
如图3所示，为采用1550nm波段蝶型封装的种子源，实现反向泵浦高保真放大示意图，实施细节：
种子源调制电路（1）为半导体纳秒种子源（2）提供驱动电流，根据需要，调制电路输出的电信号波形可以是平顶型、高斯型、三角型，其重复频率在10-1000kHz可调，脉冲宽度可调。调制电路在脉冲输出状态下，所能提供的最大驱动电流是连续光工作模式下的2-3倍，电学脉冲信号的上升沿小于5纳秒，提高种子源的输出功率，展宽输出光谱宽度。
带尾纤、高速响应的半导体纳秒种子源在驱动电流的作用下，输出任意波形、重复频率和脉冲宽度可调的纳秒激光脉冲，其中心波长在1550nm。蝶型封装的半导体种子源自身可以带有温度控制芯片，保证输出波长的稳定，也可以带有光纤光栅，对输出光谱宽度进行灵活调节，抑制后续放大中非线性效应尤其是受激布里渊散射效应。
为防止后续放大器回返光损坏种子源，在半导体纳秒种子源的尾纤之后熔接1550nm波段的偏振无关光隔离器，隔离器的透过率在80%以上。
种子脉冲经隔离器后输入到增益光纤（D），增益光纤为掺铒或者铒镱共掺单模光纤，增益光纤的长度和吸收系数根据需要灵活选择。
放大器同步调制电路（3）为泵浦源（A）提供驱动，并根据种子源的脉冲宽度及光纤链路长度，设计合理的延迟，保证仅在有种子源输入到放大器时，泵浦激光器才工作，实现纳秒脉冲放大过程中的时域精密控制。
泵浦源（A）输出的中心波长976nm的泵浦光经980/1550nm的波分复用器（C）耦合到增益光纤（D）中，采用后向泵浦的方式，能最大程度的利用泵浦能量，获得更高的输出功率。
放大器输出的纳秒脉冲，其光谱成分中可能有ASE等噪声，再经过窄带光纤滤波器（4），滤除噪声，实现纳秒放大过程中的频域精密控制。
为适应不同应用场合下光斑尺寸的要求，获得更优异的光束质量，将光谱纯净的纳秒脉冲输入到透镜组构成的空间整形模块（5），实现纳秒脉冲从光纤传输到空间输出，还可以在空间整形模块中加入法拉第晶体，防止环境中的回返光损坏放大级的泵浦激光器。
实施例三：
如图4所示，利用蝶型封装种子源，同向泵浦方式的脉冲高保真级联放大示意图。实施细节：
种子源调制电路（1）为半导体纳秒种子源（2）提供驱动电流，根据需要，调制电路输出的电信号波形可以是平顶型、高斯型、三角型，其重复频率在10-1000kHz可调，脉冲宽度可调。调制电路在脉冲输出状态下，所能提供的最大驱动电流是连续光工作模式下的2-3倍，提高种子源的输出功率。
带尾纤、高速响应的半导体纳秒种子源在驱动电流的作用下，输出任意波形、重复频率和脉冲宽度可调的纳秒激光脉冲，其中心波长在1064nm。蝶型封装的半导体种子源自身可以带有温度控制芯片，保证输出波长的稳定，也可以带有光纤光栅，对输出光谱宽度进行灵活调节，抑制后续放大中非线性效应尤其是受激布里渊散射效应。
为防止后续放大器回返光损坏种子源，在半导体种子源的尾纤之后熔接1064nm波段的偏振无关光隔离器，隔离器的透过率在80%以上。
放大器同步调制电路（3）为低功率泵浦源（A）提供驱动，并根据种子源的脉冲宽度及光纤链路长度，设计合理的延迟，保证仅在有种子源输入到放大器时，泵浦激光器才工作，实现纳秒脉冲放大过程中的时域精密控制。
泵浦源（A）输出的中心波长976nm，最大功率500mW的泵浦光与透过隔离器的种子激光经980/1064nm的波分复用器（C）耦合到增益光纤（D）中，增益光纤为掺镱单模光纤，采用同向泵浦的方式，噪声指数比较小，脉冲信噪比更高。
增益光纤输出放大后的纳秒脉冲，其光谱成分中可能有ASE等噪声，再经过窄带光纤滤波器（4），滤除噪声，实现纳秒放大过程中的频域精密控制。
为获得更高功率的纳秒脉冲输出，放大器采用两级级联的方式。经过第一级单模光纤放大器输出的激光脉冲经过高功率光隔离器，输入到第二级放大器，所述的高功率光纤隔离器具有最大隔离2W连续回返光的抗损伤能力。
第二级放大器的泵浦源中心波长915nm或者976nm，最大输出功率10W的半导体激光器。设计合理的延迟，在同步调制电路2的驱动下，仅在第一级放大器输出激光时，第二级放大器的泵浦源才工作，实现同步泵浦。
第二级放大器输出的泵浦光与透过高功率的光隔离器的种子激光经过2+1×1的高功率合束器（C）耦合到双包层增益光纤（D）中，增益光纤为掺镱大模场面积光纤，光纤具有915nm波段3-8dB/m的吸收系数，高的吸收系数能减少增益介质的长度，降低放大过程与长度相关的非线性效应，如受激拉曼和受激布里渊散射。
为适应不同应用场合下光斑尺寸的要求，获得更优异的光束质量，将高功率纳秒脉冲输入到透镜组构成的空间整形模块（5），实现纳秒脉冲从光纤传输到空间输出，还可以在空间整形模块中加入法拉第晶体，防止环境中的回返光损坏放大器的泵浦激光器。
实施例四：
如图5所示，利用蝶型封装种子源，实现高功率脉冲高保真多级放大示意图。实施细节：
种子源调制电路（1）为半导体纳秒种子源（2）提供驱动电流，根据需要，调制电路输出的电信号波形可以是平顶型、高斯型、三角型，其重复频率在10-1000kHz可调，脉冲宽度可调。调制电路在脉冲输出状态下，所能提供的最大驱动电流是连续光工作模式下的2-3倍，提高种子源的输出功率。
带尾纤、高速响应的半导体纳秒种子源在驱动电流的作用下，输出任意波形、重复频率和脉冲宽度可调的纳秒激光脉冲，其中心波长在1064nm。蝶型封装的半导体种子源自身可以带有温度控制芯片，保证输出波长的稳定，也可以带有光纤光栅，对输出光谱宽度进行灵活调节，抑制后续放大中非线性效应尤其是受激布里渊散射效应。
为防止后续放大器回返光损坏种子源，在半导体种子源的尾纤之后熔接1064nm波段的偏振无关光隔离器，隔离器的透过率在80%以上。
放大器同步调制电路(3)为第一级泵浦源和第二级泵浦源提供驱动，并根据种子源的脉冲宽度及光纤链路长度，设计合理的延迟，保证仅在有种子源输入到放大器时，泵浦激光器才工作，实现纳秒脉冲放大过程中的时域精密控制。
泵浦源(A)输出的中心波长976nm，最大功率500mW的泵浦光与透过光隔离器的种子激光经980/1064nm的波分复用器（C）耦合到增益光纤（D）中，增益光纤为掺镱单模光纤，采用同向泵浦的方式，噪声指数比较小，脉冲信噪比更高。
增益光纤输出放大后的纳秒脉冲，其光谱成分中可能有ASE等噪声，再经过窄带光纤滤波器（4），滤除噪声，实现纳秒放大过程中的频域精密控制。
经过第一级单模光纤放大器输出的激光脉冲经过高功率光隔离器，输入到第二级放大器，所述的高功率隔离器具有最大隔离2W连续回返光的抗损伤能力。
第二级放大器的泵浦源（A）为中心波长915nm或者976nm，最大输出功率10W的半导体激光器。设计合理的延迟，在放大器同步调制电路（3）的驱动下，仅在第一级放大器输出激光时，第二级放大器的泵浦源才工作，实现同步泵浦。
第二级放大器的泵浦光（A）与透过高功率的光隔离器的种子激光经2+1×1的高功率合束器（C）耦合到双包层增益光纤（D）中，增益光纤为掺镱双包层光纤，光纤具有915nm波段2-3dB/m的吸收系数，第二级放大器输出的脉冲平均功率为200-300mW。
为获得更高平均功率的纳秒脉冲，加入第三级功率放大器。经过第二级双包层多模光纤放大器输出的激光脉冲经过高功率的光隔离器，输入到第三级放大器，所述的高功率隔离器具有最大隔离2W连续回返光的抗损伤能力。
第三级放大器的泵浦源为中心波长915nm或者976nm，最大输出功率25W的半导体激光器，其输出的泵浦光与透过高功率隔离器15的种子激光经2+1×1的高功率合束器（C）耦合到增益光纤（D）中，增益光纤为大模场面积掺镱双包层光纤，光纤具有915nm波段3-8dB/m的吸收系数，第三级放大器输出的脉冲平均功率为20W。
为适应不同应用场合下光斑尺寸的要求，获得更优异的光束质量，将高功率纳秒脉冲输入到透镜组构成的空间整形模块（5），实现纳秒脉冲从光纤传输到空间输出，还可以在空间整形模块中加入法拉第晶体，防止环境中的回返光损坏放大器的泵浦激光器。
实施例五：
如图6所示，利用蝶型封装种子源，实现高功率脉冲高保真多级同步放大示意图。实施细节：
种子源调制电路（1）为半导体纳秒种子源（2）提供驱动电流，根据需要，调制电路输出的电信号波形可以是平顶型、高斯型、三角型，其重复频率在10-1000kHz可调，脉冲宽度可调。调制电路在脉冲输出状态下，所能提供的最大驱动电流是连续光工作模式下的2-3倍，提高种子源的输出功率。
带尾纤、高速响应的半导体纳秒种子源在驱动电流的作用下，输出任意波形、重复频率和脉冲宽度可调的纳秒激光脉冲，其中心波长在1064nm。蝶型封装的半导体种子源自身可以带有温度控制芯片，保证输出波长的稳定，也可以带有光纤光栅，对输出光谱宽度进行灵活调节，抑制后续放大中非线性效应尤其是受激布里渊散射效应。
为防止后续放大器回返光损坏种子源，在半导体种子源的尾纤之后熔接1064nm波段的偏振无关光隔离，隔离器的透过率在80%以上。
放大器同步调制电路（3）为第一级放大器的泵浦源，第二级放大器的泵浦源和第三级放大器的泵浦源提供驱动，并根据种子源的脉冲宽度及光纤链路长度，设计合理的延迟，保证仅在有种子源输入到放大器时，泵浦激光器才工作，实现纳秒脉冲放大过程中的时域精密控制。
泵浦源（A）输出的中心波长976nm，最大功率500mW的泵浦光与透过光隔离器的种子激光经980/1064nm的波分复用器（C）耦合到增益光纤（D）中，增益光纤为掺镱单模光纤，采用同向泵浦的方式，噪声指数比较小，脉冲信噪比更高。
增益光纤输出放大后的纳秒脉冲，其光谱成分中可能有ASE等噪声，再经过窄带光纤滤波器（4），滤除噪声，实现纳秒放大过程中的频域精密控制。
经过第一级单模光纤放大器输出的激光脉冲经过高功率隔离器，输入到第二级放大器，所述的高功率隔离器具有最大隔离2W连续回返光的抗损伤能力。
第二级放大器的泵浦源（A）为中心波长915nm或者976nm，最大输出功率10W的半导体激光器。设计合理的延迟，在放大器同步调制电路（3）的驱动下，仅在第一级放大器输出激光时，第二级放大器的泵浦源才工作，实现同步泵浦。
第二级放大器的泵浦光与透过高功率的光隔离器的种子激光经2+1-1的高功率合束器（C）耦合到双包层增益光纤（D）中，增益光纤为掺镱双包层光纤，光纤具有915nm波段2-3dB/m的吸收系数，第二级放大器输出的脉冲平均功率为200-300mW。
为获得更高平均功率的纳秒脉冲，加入第三级功率放大器。经过第二级双包层多模光纤放大器输出的激光脉冲经过高功率的光隔离器，输入到第三级放大器，所述的高功率隔离器具有最大隔离2W连续回返光的抗损伤能力。
第三级放大器的泵浦源为中心波长915nm或者976nm，最大输出功率10-30W的半导体激光器，其输出的泵浦光与透过高功率的光隔离器的种子激光经6+1×1的高功率合束器（C）耦合到增益光纤（D）中，增益光纤为大模场面积掺镱双包层光纤，光纤具有915nm波段3-8dB/m的吸收系数，第三级放大器输出的脉冲平均功率为30-100W。
为适应不同应用场合下光斑尺寸的要求，获得更优异的光束质量，将高功率纳秒脉冲输入到透镜组构成的空间整形模块（5），实现纳秒脉冲从光纤传输到空间输出，还可以在空间整形模块中加入法拉第晶体，防止环境中的回返光损坏放大器的泵浦激光器。
Claims (11)
1.一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：包括有半导体纳秒种子源（2）和泵浦源（A），所述半导体纳秒种子源（2）输入端电连接有驱动其产生波形任意、脉宽和重复频率宽带可调谐纳秒种子脉冲的种子调制电路（1），所述泵浦源（A）输入端电连接有仅在有种子脉冲输入的情况下实现同步泵浦的放大器同步调制电路（3），所述半导体纳秒种子源（2）输出的主脉冲和泵浦源（A）输出的脉冲分别输入到激光放大模块（B），所述激光放大模块（B）输出的光脉冲依次通过光纤滤波器（4）和空间整形模块（5）输出。
2.根据权利要求1所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述泵浦源（A）为多个，多个泵浦源（A）都连接到激光放大模块（B）上。
3.根据权利要求1所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述半导体种子源（2）和激光放大模块（B）之间依次设有透镜、光纤跳线头和光纤隔离器。
4.根据权利要求1或3所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述激光放大模块（B）设有激光合束器（C）和增益光纤（D），所述半导体种子源（2）输出的种子脉冲与激光合束器（C）一输入端连接，所述泵浦源(A)输出的正向脉冲与激光合束器（C）另一输入端正向连接，所述激光合束器（C）连接着增益光纤（D）。
5.根据权利要求1所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述半导体种子源（2）输出的种子脉冲通过增益光纤（D）与激光合束器（C）一输入端连接，所述泵浦源（A）输出的反向脉冲与激光 合束器（C）另一输入端反向连接。
6.根据权利要求1所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述光纤滤波器（4）与空间整形模块（5）之间设有激光放大模块（B）。
7.根据权利要求6所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述半导体纳秒种子源（2）与激光放大模块（B）之间设有光纤隔离器。
8.根据权利要求6所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述光纤滤波器（4）与空间整形模块（5）之间激光放大模块（B）为多个，多个激光放大模块（B）级联连接起来。
9.根据权利要求8所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：相邻激光放大器模块（B）之间设有光纤隔离器。
10.根据权利要求1所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述激光合束器（C）为波分复用器或高功率合束器。
11.根据权利要求1所述的一种任意波形纳秒脉冲高保真放大装置，其特征在于：所述增益光纤（D）为掺稀土元素离子的单模或者双包层增益光纤。
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