CN204835193U - 1550nm高功率脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光纤激光器技术领域，提供了一种1550nm高功率脉冲光纤激光器，包括电路模组和光路模组，所述光路模组包括单模半导体激光器、三端口环形器、第一光纤放大器、第二光纤放大器；所述第一光纤放大器和所述第二光纤放大器共用同一多模半导体激光器；所述第一光纤放大器包括依次连接的所述多模半导体激光器、多模分束器和第一合束器、第一增益光纤和窄带反射镜，泵浦光由所述多模半导体激光器发出，经过所述多模分束器分别接入所述预放大级和所述主功率放大级；所述第一增益光纤是铒镱共掺双包层光纤；所述三端口环形器内部三个端口设置的准直器都为准直扩束的准直器。借此，本实用新型解决1550nm光纤激光器输出功率低、体积大、信噪比低的问题。

Description

1550nm高功率脉冲光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种1550nm高功率脉冲光纤激光器。

背景技术

1550nm波段位于第三个低损耗通信窗口，该波段激光对云雾、烟尘有很强的穿透力，而且人眼在1550nm波段的损伤阈值比在1060nm波段的损伤阈值高出四个数量级，所以该激光波段也被称为“人眼安全”激光波段。凭借其以上特点该波段激光被广泛应用于光纤通信、激光雷达、激光测距、3D扫描、生物医学等领域。而1550nm光纤激光器由于其泵浦阈值功率低、转换效率高、结构紧凑、散热好、和现有光纤通信和光纤传感系统完全兼容等特点，成为当前激光领域的研究热点。目前常见的是掺铒1550nm脉冲光纤激光器，会利用MOPA(MasterOscillatorPower-Amplifier，主振荡功率放大)结构的光纤激光器，其中的铒离子容易出现团簇现象，最大量子转换效率低，难以实现高功率输出，而且当铒离子掺杂浓度较高时很容易产生浓度淬灭从而出现能量上转换引发自脉动等问题。掺铒1550nm脉冲光纤激光器的功率很难提高，但不是所有功率水平的1550nm激光都能满足实际应用，所以怎样提高1550nm脉冲光纤激光器的功率水平是目前其进一步推广应用的一大限制因素，此外怎样进一步缩小1550nm脉冲光纤激光器的体积来提高其集成度和提高输出激光的信噪比也是急需解决的问题。普通1550nm铒镱共掺激光器一般都是采用两级放大，第一级采用掺铒单模光纤和980nm单模半导体激光器进行一级预放大，二级主功率放大级采用铒镱共掺双包层光纤和975nm多模半导体激光器，这种结构两级放大都需要独立的电路驱动，980nm单模半导体激光器需要独立的温控，在电路方面就无法达到足够的小型化。也有1550nm信号光直接经过一级而已共掺放大器进行放大的方案，但这种方案的信噪比较低，输出功率也明显低于前一种混合放大方式。

综上可知，现有的激光器，在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

实用新型内容

针对上述的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于铒镱共掺双包层光纤结构的脉冲光纤激光器，解决了目前普通1550nm脉冲光纤激光器的输出功率低、体积大、信噪比低等问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种1550nm高功率脉冲光纤激光器，包括电路模组和光路模组，所述光路模组包括单模半导体激光器、三端口环形器、第一光纤放大器、第二光纤放大器；所述第一光纤放大器和所述第二光纤放大器共用同一多模半导体激光器；

所述第一光纤放大器包括依次连接的所述多模半导体激光器、多模分束器和第一合束器、第一增益光纤和窄带反射镜，所述信号光经所述第一增益光纤和所述多模半导体激光器经过所述多模分束器分别接入预放大级和主功率放大级；所述信号光经过所述第一增益光纤，所述窄带反射镜反射所述信号光，所述信号光返回再经过所述第一增益光纤实现预放大；所述第一增益光纤是铒镱共掺双包层光纤；

所述三端口环形器内部三个端口设置的准直器都为准直扩束的准直器。

根据本实用新型所述1550nm高功率脉冲光纤激光器，所述光路模组还包括第一光在线隔离器、窄带滤波器、第二光在线隔离器和输出跳线；

所述第二光纤放大器包括所述多模半导体激光器、所述多模分束器、第二合束器和第二增益光纤；所述第一增益光纤和所述多模半导体激光器进行预放大，所述第二增益光纤和所述多模半导体激光器对所述信号光进行主功率放大；

所述三端口环形器控制光路传输方向，第一端口输入的所述信号光只从第二端口输出，所述第二端口输入的所述信号光只从第三端口输出。

根据本实用新型所述1550nm高功率脉冲光纤激光器，所述第二光纤放大器设置有反向泵浦或正向泵浦。

根据本实用新型所述1550nm高功率脉冲光纤激光器，所述多模分束器的分光比为20:80。

根据本实用新型所述1550nm高功率脉冲光纤激光器，所述1550nm高功率脉冲光纤激光器是主振荡功率放大结构。

本实用新型通过采用铒镱共掺双包层光纤和同一915nm多模半导体激光器经过多模分束器一分二构成与放大级和主功率放大级，预放大级采用1550nm环形器和1550nm窄带反射镜等构成的特殊往返结构等独特设计，解决了目前普通1550nm脉冲光纤激光器的输出功率低、体积大、信噪比低等问题，实现了一种高输出功率、小体积、高信噪比的1550nm脉冲光纤激光器，极具应用价值。

附图说明

图1是本实用新型的1550nm高功率脉冲光纤激光器结构示意图；

图2A是本实用新型的1550nm脉冲光纤激光器第一优选实施例结构示意图；

图2B是本实用新型的1550nm脉冲光纤激光器第二优选实施例结构示意图；

图3是本实用新型的1550nm高功率脉冲光纤激光器第一优选实施例效果示意图之一；

图4是本实用新型的1550nm高功率脉冲光纤激光器第一优选实施例效果示意图之二；

图5是本实用新型的1550nm高功率脉冲光纤激光器第二优选实施例效果示意图之一

图6是本实用新型的1550nm高功率脉冲光纤激光器第二优选实施例效果示意图之二。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

结合图示说明，参见图1，本实用新型的1550nm高功率脉冲光纤激光器包括电路模组30和光路模组，所述光路模组包括单模半导体激光器3、三端口环形器4、第一光纤放大器10、第二光纤放大器20；所述第一光纤放大器10和所述第二光纤放大器20共用同一多模半导体激光器17；

所述第一光纤放大器10包括依次连接的所述多模半导体激光器17、多模分束器16和第一合束器11、第一增益光纤12和窄带反射镜13，信号光经所述第一增益光纤12和所述多模半导体激光器17经过所述多模分束器16分别接入预放大级和主功率放大级；所述信号光经过所述第一增益光纤12，所述窄带反射镜13反射所述信号光，所述信号光返回再经过所述第一增益光纤12实现预放大；由于所述信号光往返两次经过所述第一增益光纤12进行预放大，所述窄带反射镜13将噪声滤除；所述第一增益光纤12是铒镱共掺双包层光纤。更好的是，所述三端口环形器4内部三个端口设置的准直器都为准直扩束的准直器。

更好的是，所述1550nm高功率脉冲光纤激光器100是主振荡功率放大结构。本实用新型才用独特的设计有效地缩小了激光器的体积，与现有技术不同之处是两级放大的泵浦源是同一个多模半导体激光器17，采用多模分束器16分为两束分别接入所述预放大级和所述主功率放大级。这种设计省去了一级多模半导体激光器及其驱动电路，有效缩减了电路板的尺寸和空间，光路同步缩小盘绕面积，实现了激光器的小型化，体积尺寸都小于同功率水平的普通1550nm窄脉宽光纤激光器。

本实用新型所述1550nm高功率脉冲光纤激光器100一个具体实施例子，如图2A所示，所述光路模组还包括第一光在线隔离器6、窄带滤波器8、第二光在线隔离器9和输出跳线5；

所述第二光纤放大器20包括所述多模半导体激光器17、所述多模分束器16、第二合束器24和第二增益光纤12；所述第一增益光纤25和所述多模半导体激光器17进行预放大，所述第二增益光纤12和所述多模半导体激光器17对信号光进行主功率放大；

所述三端口环形器4控制光路传输方向，第一端口①输入的所述信号光只从第二端口②输出，所述第二端口②输入的信号光只从第三端口③输出。更好的是所述第二增益光纤是掺镱双包层光纤，以及所述三端口环形器4是1550nm三端口环形器，所述多模半导体激光器17是915nm多模半导体激光器，所述窄带反射镜13是1550nm窄带反射镜，所述信号光为1550nm信号光。

本实用新型的实施例中，所述电路模组30包括种子源脉冲驱动电路38、种子源温控电路39、泵浦连续驱动电路33、控制电路31以及保护电路32，电路部分非本实用新型核心部分在此不再赘述，针对窄脉宽种子源功率较小放大后信噪比较低的问题，利用二次往返第一增益光纤13来改善掺镱双包层光纤和多模泵浦源的预放大级的增益特性和噪声特性，1550nm信号光往返回两次经过掺镱双包层光纤被放大，在作用上相当于同时增加了泵浦光的强度和增益光纤的长度，而且窄带反射镜13可以把大部分的噪声直接滤除，有效增加了与放大级的信噪比，所以此结构使预放大级的增益得到有效提高而且保持了很好的信噪比。

所述信号光经过所述第二光纤放大器20进行主功率放大，经过所述窄带滤波器8对噪声光滤除，再经所述第二光在线隔离器9后通过所述输出跳线5输出。

本实用新型采用的是预放大级和主功率放大级都是铒镱共掺双包层光纤，不同之处是两级放大的泵浦源是同一个915nm多模半导体激光器，采用多模光纤分束器分为两束分别接入预放大级和主功率放大级。这种设计省去了一级980nm单模半导体激光器的驱动电路和温控电路，有效缩减了电路板的尺寸和空间，实现了激光器的小型化，激光器外观仅为直径90mm的圆柱体，高为20mm，体积尺寸远小于同功率水平的普通激光器。

所述第二光纤放大器20设置有正向泵浦或反向泵浦，在本实施例中介绍反向泵浦，正向泵浦的设置在接下来提到。二级主功率放大为常规的正向放大和反向放大两种结构，正向放大的优点在于放大器输出端的信噪比高于反向放大，受激拉曼散射(SRS，StimulatedRamanscattering)弱于反向放大；反向放大第二光纤放大器的优点在于放大器的增益能力高于正向放大。正向泵浦方式和反向泵浦方式在信号功率较小，放大器未饱和时性能几乎相同，在饱和工作区，反向泵浦方式的功率转换效率更高一些，因为此时放大自发辐射更低。

如图2A所示，所述第二光纤放大器20结构中设置的是反向泵浦，所述第二增益光纤25一端与所述模式匹配器7连接，另一端与所述第二合束器24的信号输出端连接，所述第二合束器24的信号输入端与所述窄带滤波器8输入端连接。

种子源脉冲驱动脉宽可调范围为1ns-100ns重复频率可调范围为10Hz-1MHz，1550nm单模半导体光纤激光器3脉宽为3ns重复频率为50KHz时输出功率为9uw，经过三端口环形器4的第一端口①后进入第一合束器11的信号端，同时10w的915nm多模半导体激光器17输出泵浦光经过分光比20:80的多模分束器16一分为二，20％端口的多模分束器16输出端与第一合束器11的泵浦端连接，第一合束器11与第一增益光纤12连接，1550nm信号光通过掺镱双包层光纤后被放大，传输到1550nm窄带反射镜13后反向再次通过第一增益光纤12再次进行放大，窄带反射镜13把1550nm信号光和少量带宽范围内的ASE信号反射回光路，其它大部分ASE光通过窄带反射镜13后输出到光路之外。反向传输的1550nm信号光经过1550nm三端口环形器4后沿第三端口③传输至第一光在线隔离器6,此时1550nm信号光的功率为58mw，光谱如图3所示，信噪比可达60db以上。经过预放大之后的信号光继续传输，主功率放大级采用反向泵浦结构，进入到第二增益光纤25，在此掺镱双包层光纤内进行主功率放大，放大后的信号光中夹杂着部分ASE噪声光，经过第二合束器14后再经过1550nm窄带滤波器8对ASE噪声光进行进一步滤除，余下的信号光和少量噪声光经过第二光在线隔离器9后通过输出跳线5输出，输出端测得激光平均功率为910mW，脉冲宽度3ns，重复频率50KHz，峰值功率6.07KW，光谱如图4所示，信噪比可达50db左右实现了高输出功率、小体积和高信噪比的特点。

在另一实施例中，如图2B所示，所述第二光纤放大器20结构中设置的是正向泵浦，所述第二合束器26的信号输入端与模式匹配器7连接，所述第二合束器24的信号输出端与所述第二增益光纤25连接，所述第二增益光纤25与窄带滤波器8输入端连接。其与前一实施例的不同之处为，将所述第二增益光纤25移至第二合束器24与窄带滤波器8之间。

种子源脉冲驱动脉宽可调范围为1ns-100ns重复频率可调范围为10Hz-1MHz，单模半导体激光器3脉宽为10ns重复频率为50KHz时输出功率为20uw，经过三端口环形器4的①端口后进入第一合束器11的信号端，同时10w的915nm多模半导体激光器17输出泵浦光经过20:80的多模分束器16一分为二，20％端口的多模分束器16输出端与第一合束器11的泵浦端连接，第一合束器11与第一增益光纤12连接，1550nm信号光通过掺镱双包层光纤后被放大，传输到窄带反射镜13后反向再次通过第一增益光纤12再次进行放大，窄带反射镜13把1550nm信号光和少量带宽范围内的ASE(amplifiedspontaneousemission，放大的自发辐射)信号反射回光路，其它大部分ASE光通过反射镜14后输出到光路之外。反向传输的1550nm信号光经过三端口环形器4后沿第三端口③传输至第一光在线隔离器6，此时1550nm信号光的功率为78mw。经过预放大之后的信号光继续传输，主功率放大级采用正向泵浦结构，经过第二合束器24之后进入到第二增益光纤25，在此掺镱双包层光纤内进行主功率放大，放大后的信号光中夹杂着部分ASE噪声光，再经过1550nm的窄带滤波器8对ASE噪声光进行进一步滤除，余下的信号光和少量噪声光经过第二光在线隔离器10后通过输出跳线5输出，输出端测得激光平均功率为1.02W，脉冲宽度10ns，重复频率50KHz，峰值功率2.04KW，光谱如图6所示，信噪比可达50db左右。实现了高输出功率、小体积和高信噪比的特点。

综上所述，本实用新型通过采用铒镱共掺双包层光纤和同一多模半导体激光器经过多模分束器一分二构成与放大级和主功率放大级，预放大级采用1550nm环形器和1550nm窄带反射镜等构成的特殊往返结构等独特设计，解决了目前普通1550nm脉冲光纤激光器的输出功率低、体积大、信噪比低等问题，实现了一种高输出功率、小体积、高信噪比的1550nm脉冲光纤激光器，极具应用价值。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种1550nm高功率脉冲光纤激光器，包括电路模组和光路模组，其特征在于，所述光路模组包括单模半导体激光器、三端口环形器、第一光纤放大器、第二光纤放大器；所述第一光纤放大器和所述第二光纤放大器共用同一多模半导体激光器；

所述第一光纤放大器包括依次连接的所述多模半导体激光器、多模分束器和第一合束器、第一增益光纤和窄带反射镜，泵浦光由所述多模半导体激光器发出,再经过所述多模分束器分别接入预放大级和主功率放大级；所述信号光经过所述第一增益光纤，所述窄带反射镜反射所述信号光，所述信号光返回再经过所述第一增益光纤实现预放大；所述第一增益光纤是铒镱共掺双包层光纤；

所述三端口环形器内部三个端口设置的准直器都为准直扩束的准直器。

2.根据权利要求1所述1550nm高功率脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光路模组还包括第一光在线隔离器、窄带滤波器、第二光在线隔离器和输出跳线；

所述第二光纤放大器包括所述多模半导体激光器、所述多模分束器、第二合束器和第二增益光纤；所述第一增益光纤和所述多模半导体激光器进行预放大，所述第二增益光纤和所述多模半导体激光器对所述信号光进行主功率放大；

所述三端口环形器控制光路传输方向，第一端口输入的所述信号光只从第二端口输出，所述第二端口输入的信号光只从第三端口输出。

3.根据权利要求2所述1550nm高功率脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤放大器设置有反向泵浦或正向泵浦。

4.根据权利要求2所述1550nm高功率脉冲光纤激光器，其特征在于，所述多模分束器的分光比为20:80。

5.根据权利要求2所述1550nm高功率脉冲光纤激光器，其特征在于，1550nm高功率脉冲光纤激光器是主振荡功率放大结构。