CN209088259U - 一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，包括脉冲种子光源、输入隔离器、波分复用器、泵浦激光器、若干掺杂光纤和输出隔离器；所述若干掺杂光纤包括用于对脉冲种子光进行放大的掺杂光纤和用作饱和吸收体来吸收ASE噪声的掺杂光纤；所述脉冲种子光源、输入隔离器、波分复用器、掺杂光纤、输出隔离器依次连接，所述波分复用器还与泵浦激光器连接。本实用新型在光放大器的掺杂光纤中间引入很短长度的掺杂光纤作为饱和吸收体，可减小在两脉冲间隙期间ASE功率的增长对激光器增益的影响，从而提高输出脉冲光峰值功率和信噪比。

Description

一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器

技术领域

本实用新型属于光纤激光器技术领域，具体是一种能有效提升脉冲的输出功率，降低激光器输出放大自发辐射噪声(ASE噪声)，提高泵浦转换效率的基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器。

背景技术

高功率脉冲光纤激光器在激光加工、材料处理、激光雷达和遥感等领域都有广泛的应用。声光调Q光纤激光器通过Q开关技术产生激光脉冲，但其输出脉冲宽度以及重复频率等参数调整范围有限；而基于主振荡功率放大器(MOPA)结构的光纤激光器，由半导体激光器等作为种子光源产生脉冲信号光，然后在光纤放大器中对种子光进行功率放大。由于半导体激光器种子源可直接进行电调制，非常容易产生纳秒级的脉冲，并获得良好的脉冲形状，因此MOPA结构的脉冲激光器具有参数灵活、调节范围大的优势。在要求窄脉宽、高重复频率的激光加工以及需要纳秒量级窄脉冲的激光雷达中，广泛采用了MOPA结构的脉冲光纤激光器。

在MOPA结构的脉冲光纤激光器中，光脉冲的占空比是非常低的，例如：应用于车载激光雷达中的脉冲光源，其典型脉宽为2ns，重复脉冲频率为500kHz左右，占空比仅为1/1000。这样在MOPA结构的光放大器中，由于泵浦光的抽运作用，掺杂光纤的粒子反转程度在相邻两个脉冲之间有足够的时间恢复到较高水平，因此，在一个脉冲经过之后，上能级粒子反转度在下一个脉冲来临前可得到充分的恢复。在相邻两个脉冲之间沿着掺杂光纤正、反两个方向传播的放大自发辐射(ASE)功率也将快速增长，它们将大量消耗掺杂光纤的上能级粒子数，尤其在掺杂光纤两端，由此降低光脉冲可获得的增益。对采用多级放大的MOPA结构，不仅本级产生的ASE导致脉冲增益的降低，上一级放大器中产生的ASE也被逐级放大，ASE的影响更为严重。

因此在MOPA结构的光纤脉冲激光器中，ASE的抑制对脉冲输出功率的提升有至关重要的影响。目前抑制ASE的方法主要有光滤波器法、快速光开关法和饱和吸收方法三类。(1)光滤波法是在掺杂光纤中间或者两级光放大器之间引入窄带光滤波器，滤除宽带ASE，降低ASE的影响。常用的滤波器包括滤波片和光纤光栅等。通常为取得良好的ASE抑制效果，要求光滤波器带宽尽可能窄，但这对种子光源的波长稳定性和谱宽提出了较高的要求；(2)快速光开关法采用声光、电光开关、电吸收调制器或者半导体光放大器等器件，在脉冲间隙时间内关断光路或引入很大的损耗，抑制脉冲间隙期间ASE的产生。但因需要与光纤进行耦合，分立器件的快速光开关通常具有较大的插入损耗，加之要求进行同步脉冲驱动，增加了脉冲光纤激光器的复杂程度，所以实际很少采用；(3)饱和吸收体在高峰值功率的光脉冲到来时，处于饱和吸收状态，大部分光脉冲能量得以通过，而在脉冲间隙期间，小功率的ASE处于饱和吸收功率之下，被饱和吸收体吸收，从而抑制了ASE功率的增长。很多材料可作为饱和吸收体，例如：石墨烯、碳纳米管、黑磷烯、半导体量子点和半导体可饱和吸收镜(SESAM)等。目前在光纤激光器中，这几种饱和吸收体主要用于实现激光器的锁模和调Q，但由于它们的饱和吸收功率较高，如果用于在光放大器中抑制ASE，对脉冲功率的损耗较大，而且除半导体可饱和吸收镜外，其余几种材料目前还没有成熟稳定的商用器件。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能有效提升脉冲的输出功率，降低激光器输出放大自发辐射噪声(ASE噪声)，提高泵浦转换效率的基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，包括脉冲种子光源、输入隔离器、波分复用器、泵浦激光器、若干掺杂光纤和输出隔离器；所述若干掺杂光纤包括用于对脉冲种子光进行放大的掺杂光纤和用作饱和吸收体来吸收ASE噪声的掺杂光纤；所述脉冲种子光源的输出端连接输入隔离器输入端，所述输入隔离器输出端连接波分复用器信号端，所述波分复用器泵浦端连接泵浦激光器输出端，所述波分复用器公共端连接掺杂光纤输入端，所述掺杂光纤输出端连接输出隔离器输入端，所述输出隔离器输出端即为脉冲光纤激光器的输出端。

优选地，所述泵浦激光器为单模泵浦激光器；所述输入隔离器为第一隔离器，所述输出隔离器为第二隔离器；所述波分复用器包括第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器；所述掺杂光纤包括第一掺杂光纤、第二掺杂光纤和第三掺杂光纤；所述脉冲种子光源、第一隔离器、第一波分复用器、第一掺杂光纤、第二波分复用器、第二掺杂光纤、第三波分复用器、第三掺杂光纤、第二隔离器依次连接；所述第一波分复用器还与单模泵浦激光器连接，所述第二波分复用器还与第三波分复用器连接。

进一步地，所述第一掺杂光纤、第二掺杂光纤和第三掺杂光纤为掺铒光纤；所述第一掺杂光纤、第三掺杂光纤用于对脉冲种子光进行放大；所述第二掺杂光纤用作饱和吸收体来吸收ASE噪声。

优选地，所述泵浦激光器为多模泵浦激光器；所述波分复用器包括第四波分复用器和第五波分复用器，所述第四波分复用器包括第一多模泵浦合波器和第一泵浦剥离器；所述第五波分复用器包括第二多模泵浦合波器和第二泵浦剥离器；所述输入隔离器为第一隔离器，所述输出隔离器为第二多模隔离器，所述第一泵浦剥离器与第五掺杂光纤之间设有第一多模隔离器；所述若干掺杂光纤包括第四掺杂光纤、第五掺杂光纤和第六掺杂光纤；所述脉冲光纤激光器还包括多模泵浦分光器；所述脉冲种子光源、第一隔离器、第一多模泵浦合波器、第四掺杂光纤、第一泵浦剥离器、第一多模隔离器、第五掺杂光纤、第二多模泵浦合波器、第六掺杂光纤、第二泵浦剥离器、第二多模隔离器依次连接；所述多模泵浦激光器与第一多模泵浦合波器通过多模泵浦分光器连接，所述多模泵浦分光器还与第二多模泵浦合波器连接。

进一步地，所述第四掺杂光纤、第五掺杂光纤和第六掺杂光纤为双包层掺镱光纤或者铒镱共掺光纤；所述第四掺杂光纤和第六掺杂光纤用于对脉冲种子光进行放大；所述第五掺杂光纤用作饱和吸收体来吸收ASE噪声。

具体地，所述用作饱和吸收体来吸收ASE噪声的掺杂光纤为长度较短的掺杂光纤，其长度为30～100cm；其吸收ASE噪声的原理为：在高峰值功率的光脉冲通过掺杂光纤时，掺杂光纤处于饱和吸收状态，大部分光脉冲能量得以通过；而在脉冲间隙期间，小功率的ASE处于饱和吸收功率之下，被饱和吸收体吸收，从而抑制了ASE功率的增长。

进一步地，饱和吸收体的饱和吸收效应为：经过饱和吸收体的光强越强，饱和吸收体中的工作物质对光的吸收越弱，当光强足够强时，饱和吸收体被“漂白”，对强光不再吸收，处于饱和吸收体吸收功率之下的ASE噪声则会被饱和吸收体吸收。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：(1)本实用新型在光放大器的掺杂光纤中间引入很短长度的掺杂光纤作为饱和吸收体，可减小在两脉冲间隙期间ASE功率的增长对激光器增益的影响，从而提高输出脉冲光峰值功率和信噪比；(2)对于多级光放大器结构，两光放大级中间的掺杂光纤还可以有效减小脉冲间隙间上一级掺杂光纤产生的ASE进入下一级掺杂光纤，同样可提高输出脉冲光峰值功率和信噪比；(3)使用和光放大器中相同的掺杂光纤作为饱和吸收体具有易于和光路中其他器件集成耦合、插损小、结构简单等优点；与常使用的光滤波器法相比，具有对种子激光器波长稳定性和谱线宽度不敏感的优势；与石墨烯、碳纳米管、黑磷烯、半导体量子点和量子阱等新型的饱和吸收体相比，具有饱和吸收功率低，容易调整，结构紧凑的优点。

附图说明

图1为实施例1一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器的结构示意框图；

图2为实施例2一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器的结构示意框图；

图中：1、脉冲种子光源；2、第一隔离器；3、第一波分复用器；4、第一掺杂光纤；5、第二波分复用器；6、第二掺杂光纤；7、第三波分复用器；8、第三掺杂光纤；9、第二隔离器；10、单模泵浦激光器；11、第一多模泵浦合波器；12、第四掺杂光纤；13、第一泵浦剥离器；14、第一多模隔离器；15、第五掺杂光纤；16、第二多模泵浦合波器；17、第六掺杂光纤；18、第二泵浦剥离器；19、第二多模隔离器；20、多模泵浦分光器；21、多模泵浦激光器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，包括脉冲种子光源1、第一隔离器2、第一波分复用器3、第一掺杂光纤4、第二波分复用器5、第二掺杂光纤6、第三波分复用器7、第三掺杂光纤8、第二隔离器9和单模泵浦激光器10；

具体地，所述脉冲种子光源1的输出端连接第一隔离器2的输入端，所述第一隔离器2的输出端连接第一波分复用器3的信号端，所述第一波分复用器3的泵浦端连接单模泵浦激光器10的输出端，所述第一波分复用器3的公共端连接第一掺杂光纤4的输入端，所述第一掺杂光纤4的输出端连接第二波分复用器5的信号端，所述第二波分复用器5的公共端连接第二掺杂光纤6的输入端，所述第二掺杂光纤6的输出端连接第三波分复用器7的信号端，所述第二波分复用器5的泵浦端连接第三波分复用器7的泵浦端，所述第三波分复用器7的公共端连接第三掺杂光纤8的输入端，所述第三掺杂光纤8的输出端连接第二隔离器9的输入端，所述第二隔离器9的输出端即为脉冲激光器的输出端。

具体地，所述脉冲种子光源1需要选取能产生高品质脉冲信号的脉冲激光器，从源头选取低噪声脉冲信号光源。

具体地，所述第一隔离器2、第二隔离器9用于阻止后向ASE或者输出脉冲光反馈，避免形成ASE寄生振荡，避免后续ASE进入前一级掺杂光纤降低上能级粒子反转度、降低泵浦转换效率。

具体地，所述第一掺杂光纤4、第二掺杂光纤6和第三掺杂光纤8为掺铒光纤；所述第一掺杂光纤4、第三掺杂光纤8用于对脉冲种子光进行放大；所述第二掺杂光纤6用作饱和吸收体来吸收ASE噪声。

进一步地，所述用作饱和吸收体来吸收ASE噪声的掺杂光纤为长度较短的掺杂光纤，其长度为30～100cm，其长度可根据掺杂光纤的掺杂浓度来调整，掺杂浓度越大，长度越短，掺杂浓度越小，长度越长；其吸收ASE噪声的原理为：在高峰值功率的光脉冲通过掺杂光纤时，掺杂光纤处于饱和吸收状态，大部分光脉冲能量得以通过；而在脉冲间隙期间，小功率的ASE处于饱和吸收功率之下，被饱和吸收体吸收，从而抑制了ASE功率的增长。

本实施例脉冲光纤激光器的工作原理为：脉冲种子光源1产生的脉冲光依次经过第一隔离器2、第一波分复用器3后进入第一掺杂光纤4，第一掺杂光纤4掺杂粒子经过单模泵浦激光器10泵浦光抽运后跃迁到上能级，脉冲种子光在第一掺杂光纤4传输过程中发生受激辐射放大，实现脉冲种子光的预放大；在第一掺杂光纤4中放大脉冲种子光的同时伴随着前向ASE和后向ASE的产生，第一隔离器2用来隔离此后向ASE，避免其进入脉冲种子光源1内部；放大后的脉冲光和前向ASE一起经过第二波分复用器5进入第二掺杂光纤6，第二掺杂光纤6起到饱和吸收体的作用，由于脉冲信号比较大，饱和吸收体被“漂白”，对脉冲光吸收很小，而对前向ASE吸收比较大，经第二掺杂光纤6减小的第一掺杂光纤4产生的前向ASE进入第三掺杂光纤8，经过第一掺杂光纤4放大后的脉冲信号也经过第二波分复用器5、第二掺杂光纤6和第三波分复用器7进入第三掺杂光纤8，脉冲光在第三掺杂光纤8再经过一次受激辐射放大后经过第二隔离器9输出。

其中，将第二波分复用器5的公共端与第三波分复用器7的公共端连接起来的目的是防止第一掺杂光纤4中剩余的泵浦光进入第二掺杂光纤6，第二掺杂光纤6是作为饱和吸收体用的；将第二波分复用器5的公共端与第三波分复用器7的公共端连接后，第一掺杂光纤4中剩余的泵浦光将通过第二波分复用器5的公共端直接进入第三波分复用器7的公共端。

本实施例采用掺铒光纤的脉冲激光器可实现脉冲峰值功率达几十瓦，可应用于光纤传感和近距离激光雷达。

实施例2

如图2所示，本实施例提供了一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，与上述实施例1的区别点主要在于，本实施例中的泵浦激光器为多模泵浦激光器21；

具体地，本实施例的脉冲光纤激光器包括脉冲种子光源1、第一隔离器2、第一多模泵浦合波器11、第四掺杂光纤12、第一泵浦剥离器13、第一多模隔离器14、第五掺杂光纤15、第二多模泵浦合波器16、第六掺杂光纤17、第二泵浦剥离器18、第二多模隔离器19、多模泵浦分光器20和多模泵浦激光器21；

具体地，所述脉冲种子光源1的输出端连接第一隔离器2的输入端，所述第一隔离器2的输出端连接第一多模泵浦合波器11信号端，所述第一多模泵浦合波器11的泵浦端连接多模泵浦分光器20小端，所述第一多模泵浦合波器11的公共端连接第四掺杂光纤12的输入端，所述第四掺杂光纤12的输出端连接第一泵浦剥离器13的输入端，所述第一泵浦剥离器13的输出端连接第一多模隔离器14的输入端，所述第一多模隔离器14输出端连接第五掺杂光纤15的输入端，所述第五掺杂光纤15的输出端连接第二多模泵浦合波器16的信号端，所述第二多模泵浦合波器16的泵浦端连接多模泵浦分光器20的大端，所述多模泵浦分光器20的输入端连接多模泵浦激光器21的输出端，所述第二多模泵浦合波器16的公共端连接第六掺杂光纤17的输入端，所述第六掺杂光纤17的输出端连接第二泵浦剥离器18的输入端，所述第二泵浦剥离器18的输出端连接第二多模隔离器19的输入端，所述第二多模隔离器19的输出端即为脉冲激光器的输出端。

具体地，所述脉冲种子光源1需要选取能产生高品质脉冲信号的脉冲激光器，从源头选取低噪声脉冲信号光源。

具体地，所述第一隔离器2、第一多模隔离器14、第二多模隔离器19用于阻止后向ASE或者输出脉冲光反馈，避免形成ASE寄生振荡，避免后续ASE进入前一级掺杂光纤降低上能级粒子反转度、降低泵浦转换效率。

具体地，所述第四掺杂光纤12、第五掺杂光纤15和第六掺杂光纤17可采用双包层掺镱光纤或者铒镱共掺光纤；所述第四掺杂光纤12、第六掺杂光纤17用于对脉冲种子光进行放大；所述第五掺杂光纤15用作饱和吸收体来吸收ASE噪声。

本实施例脉冲光纤激光器的工作原理为：脉冲种子光源1产生的脉冲光依次经过第一隔离器2、第一多模泵浦合波器11后进入第四掺杂光纤12，多模泵浦激光器21产生的多模泵浦光经多模泵浦分光器20分为两束，其中一束进入第一多模泵浦合波器11信号端与脉冲种子光耦合，另一束进入第二多模泵浦合波器16信号端与滤除ASE噪声后的脉冲光耦合；第四掺杂光纤12掺杂粒子经过多模泵浦激光器21泵浦光抽运后跃迁到上能级，脉冲光在第四掺杂光纤12传输过程中发生受激辐射放大，实现脉冲种子光的预放大；在第四掺杂光纤12中放大脉冲种子光的同时，伴随有前向ASE和后向ASE的产生，第一隔离器2用来隔离其中的后向ASE，避免其进入种子光内部，在第四掺杂光纤12中未吸收完的多模泵浦光经过第一泵浦剥离器13后，剥离经双包层光纤包层传输的泵浦光，双包层光纤纤芯中传输的剩余泵浦光经过第一多模隔离器14隔离滤除，避免进入第五掺杂光纤15，第五掺杂光纤15起到饱和吸收体的作用，由于脉冲信号比较大，饱和吸收体被“漂白”，对脉冲信号光吸收很小，而对前向ASE吸收比较大，经第五掺杂光纤15减小的第四掺杂光纤12产生的前向ASE进入第六掺杂光纤17，脉冲光在第六掺杂光纤17传输过程中发生受激辐射放大，在第六掺杂光纤17中未吸收完的多模泵浦光经过第二泵浦剥离器18后剥离经双包层光纤包层传输的泵浦光，双包层光纤纤芯中传输的剩余泵浦光经过第二多模隔离器19滤除，放大后的脉冲光经过第二泵浦剥离器18和第二多模隔离器19后输出。

本实施例采用双包层掺镱光纤或者铒镱共掺光纤的脉冲激光器可实现脉冲峰值功率达千瓦级别，可应用于车载、测风等远距离激光雷达。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，其特征在于，包括脉冲种子光源、输入隔离器、波分复用器、泵浦激光器、若干掺杂光纤和输出隔离器；所述若干掺杂光纤包括用于对脉冲种子光进行放大的掺杂光纤和用作饱和吸收体来吸收ASE噪声的掺杂光纤；所述脉冲种子光源的输出端连接输入隔离器输入端，所述输入隔离器输出端连接波分复用器信号端，所述波分复用器泵浦端连接泵浦激光器输出端，所述波分复用器公共端连接掺杂光纤输入端，所述掺杂光纤输出端连接输出隔离器输入端，所述输出隔离器输出端即为脉冲光纤激光器的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述泵浦激光器为单模泵浦激光器；所述输入隔离器为第一隔离器，所述输出隔离器为第二隔离器；所述波分复用器包括第一波分复用器、第二波分复用器和第三波分复用器；所述掺杂光纤包括第一掺杂光纤、第二掺杂光纤和第三掺杂光纤；所述脉冲种子光源、第一隔离器、第一波分复用器、第一掺杂光纤、第二波分复用器、第二掺杂光纤、第三波分复用器、第三掺杂光纤、第二隔离器依次连接；所述第一波分复用器还与单模泵浦激光器连接，所述第二波分复用器还与第三波分复用器连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第一掺杂光纤、第二掺杂光纤和第三掺杂光纤为掺铒光纤；所述第一掺杂光纤、第三掺杂光纤用于对脉冲种子光进行放大；所述第二掺杂光纤用作饱和吸收体来吸收ASE噪声。

4.根据权利要求1所述的一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述泵浦激光器为多模泵浦激光器；所述波分复用器包括第四波分复用器和第五波分复用器，所述第四波分复用器包括第一多模泵浦合波器和第一泵浦剥离器；所述第五波分复用器包括第二多模泵浦合波器和第二泵浦剥离器；所述输入隔离器为第一隔离器，所述输出隔离器为第二多模隔离器，所述第一泵浦剥离器与第五掺杂光纤之间设有第一多模隔离器；所述若干掺杂光纤包括第四掺杂光纤、第五掺杂光纤和第六掺杂光纤；所述脉冲光纤激光器还包括多模泵浦分光器；所述脉冲种子光源、第一隔离器、第一多模泵浦合波器、第四掺杂光纤、第一泵浦剥离器、第一多模隔离器、第五掺杂光纤、第二多模泵浦合波器、第六掺杂光纤、第二泵浦剥离器、第二多模隔离器依次连接；所述多模泵浦激光器与第一多模泵浦合波器通过多模泵浦分光器连接，所述多模泵浦分光器还与第二多模泵浦合波器连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述第四掺杂光纤、第五掺杂光纤和第六掺杂光纤为双包层掺镱光纤或者铒镱共掺光纤；所述第四掺杂光纤和第六掺杂光纤用于对脉冲种子光进行放大；所述第五掺杂光纤用作饱和吸收体来吸收ASE噪声。

6.根据权利要求1所述的一种基于主振荡功率放大器结构的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述用作饱和吸收体来吸收ASE噪声的掺杂光纤为长度较短的掺杂光纤，其长度为30～100cm。