CN214411749U - 一种高稳定性低噪声的单频脉冲光纤放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高稳定性低噪声的单频脉冲光纤放大器，可以包括预放大级和功率放大级。预放大级包括第一纤芯放大单元和第二纤芯放大单元，用于对单频脉冲进行第一级和第二级纤芯放大。功率放大级利用多模泵浦光源对预放大级输出的单频脉冲进行第三级放大。在预放大级和功率放大级之间还设置有强度调制单元，用于隔离单频脉冲中的连续光成分；以及，预放大级还包括设于第一和第二纤芯放大单元之间的隔离及滤波单元。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种高稳定性低噪声的单频脉冲光纤放大器。
背景技术
光纤激光器采用光纤作为增益介质，具有很大的表面体积比，使其具备良好的散热性能，因此，中小功率光纤激光器在常温环境下或者简单风冷条件下就可长时间稳定工作。此外，光纤激光器具有体积小、易维护、输出光斑质量好等优势，已广泛应用于科研、工业、医学等领域。特别是单频脉冲光纤激光器，其线宽较窄(由于傅里叶极限，纳秒脉冲激光谱线宽度在MHz量级)，在激光传感、远距离探测、相干雷达等方向应用较为普遍。
在纳秒级脉冲激光功率放大过程中，常伴有非线性光学现象的产生，如受激布里渊散射(SBS)。随着泵浦功率增加，当达到一定的阈值条件，反向散射光即斯托克斯(Strokes)光强度呈指数增长趋势，这会抑制信号光的增长速度并最终导致信号光呈下降趋势，进而损坏放大光路。为提高SBS阈值进而提高脉冲输出功率和峰值功率，通常采用缩短光纤长度、增加纤芯直径、施加温度或应变梯度等有效手段。但实际可商用增益光纤纤芯直径最大也仅30μm，方可维持准单模输出(M2＜1.8)；施加温度或应变梯度因增加系统的不稳定性和复杂性而不利于商用，所以光纤放大器提高SBS阈值通常采用的方法是选用较大芯径光纤的同时，尽可能缩短增益光纤长度。
低功率光纤放大器一般采用纤芯放大和包层放大，常用的泵浦方式有正向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。在201710504886.7号中国专利申请中公开了一种光纤放大器，如图1所示，该光纤放大器含有一级放大，为正向泵浦和反向泵浦，理论上可有效提高放大效率，但由于结构的复杂性以及器件本身的损耗特性，放大器实际放大效率没有明显提高。该方案对含有两级或多级放大的放大器来说不仅没有明显的改进效果，反而增加了结构的复杂性和不稳定性。图2示出了一种窄线宽MOPA光纤放大器(参见201820060343.0号中国专利申请)，其中各级放大器之间通过环形器实现单向导通，并增加了滤波结构，但未考虑到前级放大时由于输入的信号功率太弱，放大过程中会产生明显的自发辐射光(ASE)，影响系统信噪比。该结构比较适用于连续光或者多纵模脉冲光的放大，对于单频脉冲光来说，采用该结构虽能起到放大脉冲功率或能量的作用，但随着功率或能量的增加脉冲光中连续的成分也会增加，从而降低输出脉冲光的信噪比。此外，现有技术尤其受限于无法实现将100μW以下单频脉冲激光放大以提供高峰值功率输出。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提出了一种单频脉冲光纤放大器，其中通过正向泵浦的级联放大增加输出峰值功率，放大过程中噪声系数小，更能满足单频脉冲光纤放大器低噪声要求；通过在功率放大级和预放大级之间设置例如声光调制器等强度调制单元，可以隔离单频脉冲中的连续光成分，提高输出脉冲光的信噪比；并且，功率放大级通过采用例如976nm的稳波长半导体激光器作为泵浦来增加放大效率，通过对泵浦采用温度控制实现不同环境温度下波长和功率的稳定输出。
具体而言，本实用新型的高稳定性低噪声的单频脉冲光纤放大器可以包括预放大级和功率放大级，其中：
所述预放大级包括用于对单频脉冲进行第一级纤芯放大的第一纤芯放大单元，以及用于对所述单频脉冲进行第二级纤芯放大的第二纤芯放大单元；
所述功率放大级被设置成利用多模泵浦光源对所述预放大级输出的所述单频脉冲进行第三级放大；
其特征在于：
在所述预放大级和所述功率放大级之间还设置有强度调制单元，用于隔离所述单频脉冲中的连续光成分；以及，
所述预放大级还包括设于所述第一纤芯放大单元和所述第二纤芯放大单元之间的隔离及滤波单元。
进一步地，该单频脉冲光纤放大器还包括设于所述预放大器之前的第一隔离器。
进一步地，所述单频脉冲具有小于100μW的平均功率。
进一步地，该单频脉冲光纤放大器的峰值输出功率Ppeak小于SBS阈值PSBS。
进一步地，所述强度调制单元包括声光调制器。
进一步地，该单频脉冲光纤放大器还包括设于所述预放大级和所述强度调制单元之间的环形器。所述环形器优选为光纤环形器。
进一步地，所述第一纤芯放大单元包括第一单模泵浦光源、第一波分复用器和第一增益光纤；所述第二纤芯放大单元包括第二单模泵浦光源、第二波分复用器和第二增益光纤；所述隔离及滤波单元包括第二隔离器和窄带滤波器；所述功率放大级包括所述多模泵浦光源、泵浦耦合器和第三增益光纤。
更进一步地，所述第一单模泵浦光源和所述第二单模泵浦光源为单模半导体激光器；以及/或者，所述多模泵浦光源为稳波长半导体激光器；以及/或者，所述第一增益光纤、所述第二增益光纤及第三增益光纤中的一个或两个或三个为双包层铒镱共掺光纤；以及/或者，所述窄带滤波器具有小于0.3nm的滤波带宽。
更进一步地，所述第一单模泵浦光源和所述第二单模泵浦光源由同一激光器实现；以及/或者，所述第一单模泵浦光源、所述第二单模泵浦光源及所述多模泵浦光源的工作波长为976nm。
优选地，所述双包层铒镱共掺光纤的有效长度Leff被设置成满足以下公式：
其中，Aeff为光纤有效面积，gB为布里渊增益系数，ΔθB和ΔθP分别为布里渊线宽和信号光线宽，K为系数，PSBS为SBS阈值。
更进一步地，该单频脉冲光纤放大器还包括与所述第三增益光纤连接且形成模场匹配的无源光纤。
更进一步地，该单频脉冲光纤放大器还包括用于与所述无源光纤连接的光纤准直器或者FC/APC光纤接头。
优选地，所述无源光纤的有效长度Leff被设置成满足以下公式：
其中，Aeff为光纤有效面积，gB为布里渊增益系数，ΔθB和ΔθP分别为布里渊线宽和信号光线宽，PSBS为SBS阈值。
进一步地，该单频脉冲光纤放大器还包括用于为所述多模泵浦光源提供温度控制的装置。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
图1示出了现有技术中的一种光纤放大器的示意图；
图2示出了现有技术中的一种窄线宽MOPA光纤放大器的示意图；
图3示出了根据本实用新型的高稳定性低噪声的单频脉冲光纤放大器的结构示意图；
图4示出了根据本实用新型的高稳定性低噪声的单频脉冲光纤放大器中预放大级的结构示意图；
图5示出了声光调制器开关时间与输入激光脉冲的时域关系图。
具体实施方式
在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。
图3示出了根据本实用新型的高稳定性低噪声的单频脉冲光纤放大器。
如图3所示，单频脉冲光纤放大器可以包括预放大级、环形器、强度调制单元和功率放大级。
在单频脉冲光纤放大器的输入端，单频脉冲光可以通过第一隔离器进入预放大级。在本实用新型中，尤其适合对平均功率小于100μW的单频脉冲进行放大。例如，待放大的单频脉冲可以具有小于100μW的平均功率和约10mW的峰值功率。
预放大级用于对单频脉冲进行两级预放大，其可以包括第一纤芯放大单元、隔离及滤波单元和第二纤芯放大单元，如图4所示
第一纤芯放大单元可以包括第一单模泵浦光源、第一波分复用器和第一增益光纤。
第一单模泵浦光源为单模激光器，例如单模半导体激光器。在优选示例中，第一单模泵浦光源可以输出976nm的第一泵浦光。
第一泵浦光和单频脉冲经第一波分复用器耦合进入第一增益光纤的纤芯，从而获得第一级纤芯放大。其中，第一增益光纤可以为单模增益光纤，例如双包层铒镱共掺光纤(EYDF)。
由于泵浦仅通过增益光纤的纤芯，因此此放大被称为第一级纤芯放大。
经第一级放大的单频脉冲经隔离及滤波单元后进入第二纤芯放大单元。
隔离及滤波单元用于提供隔离及窄带滤波功能。在优选示例中，隔离及滤波单元可以包括第二隔离器和窄带滤波器。窄带滤波器优选具有小于0.3nm的滤波带宽。
第二纤芯放大单元可以包括第二单模泵浦光源、第二波分复用器和第二增益光纤。
第二单模泵浦光源为单模激光器，例如单模半导体激光器。在优选示例中，第二单模泵浦光源可以输出976nm的第二泵浦光。
第二泵浦光和单频脉冲经第二波分复用器耦合进入第二增益光纤的纤芯，从而获得第二级纤芯放大。其中，第二增益光纤同样可以为单模增益光纤，例如双包层铒镱共掺光纤(EYDF)。
同样由于泵浦仅通过增益光纤的纤芯，因此此放大被称为第二级纤芯放大。
在优选示例中，可以由同一个单模泵浦光源(例如蝶形泵浦源)经分束实现第一和第二单模泵浦光源。
在本实用新型的预放大级中，通过对单频脉冲进行上述两级纤芯放大后输出的单频脉冲将具有较少的噪声光，无需再进行任何的滤波处理。
环形器具有第一端口、第二端口和第三端口，其中，由第一端口输入的脉冲将经由第二端口输出，由第二端口输入的脉冲将经由第三端口输出。在优选示例中，环形器可以为光纤环形器。
在本实用新型中，预放大级的输出端和强度调制单元的输入端分别连接环形器的第一端口和第二端口，以确保单频脉冲的单向传输，例如由功率放大级放大产生的反向光(SBS和ASE)可以经由环形器的第二端口输入并由第三端口输出。
在放大过程中，随着峰值功率增加，单频脉冲中的连续光成分同时被放大，因此，本实用新型的单频脉冲光纤放大器还在功率放大级之前设有强度调制单元，用于隔离单频脉冲中的连续光成分，由此减少连续噪声，使得功率放大级的输入光尽可能为脉冲光，从而实现更高的峰值功率输出。
在优选示例中，强度调制单元可以包括声光调制器(AOM)。图5示意性地示出了声光调制器开关时间与输入脉冲在时域上的对应关系。
功率放大级可以包括多模泵浦光源、泵浦耦合器和第三增益光纤。
多模泵浦光源用于提供第三泵浦光，其例如可以采用稳波长半导体激光器。在优选示例中，多模泵浦光源的工作波长可以为976nm。
经预放大的单频脉冲经泵浦耦合器耦合进入第三增益光纤的纤芯，第三泵浦光经泵浦耦合器耦合进入第三增益光纤的包层，以进行包层放大，从而使单频脉冲获得第三级放大。其中，第三增益光纤同样可以为单模增益光纤，例如双包层铒镱共掺光纤(EYDF)。
单频脉冲光纤放大器还可以包括与第三增益光纤连接(例如熔接)的无源光纤，其被设置成与第三增益光纤模场匹配。
进一步地，单频脉冲光纤放大器还可以包括光纤准直器或者FC/APC光纤接头，以用于将经三级放大的单频脉冲向外输出。
进一步地，单频脉冲光纤放大器还可以包括温度控制装置，用于提供温度控制以保证稳定的工作波长和功率输出。
在本实用新型的优选示例中，单频脉冲光纤放大器输出的峰值功率Ppeak小于SBS阈值PSBS，由此保证其长期稳定性。
在本实用新型中，在满足最大放大功率的同时，纤芯直径一定的EYDF光纤的有效长度Leff可以被选择成满足以下公式，即：
无源光纤的有效长度Leff可以被选择成满足以下公式，即：
其中，Aeff为光纤有效面积，gB为布里渊增益系数，ΔθB和ΔθP分别为布里渊线宽和信号光线宽，K为系数。
在本实用新型的单频脉冲光纤放大器，通过正向泵浦的级联放大增加输出峰值功率，放大过程中噪声系数小，更能满足单频脉冲光纤放大器低噪声要求；通过在功率放大级和预放大级之间设置例如声光调制器等强度调制单元，可以隔离单频脉冲中的连续光成分，提高输出脉冲光的信噪比；并且，功率放大级通过采用例如976nm的稳波长半导体激光器作为泵浦来增加放大效率，通过对泵浦采用温度控制实现不同环境温度下波长和功率的稳定输出。
借助该单频脉冲光纤放大器，可以实现将峰值功率几个毫瓦的单频脉冲激光放大到几十瓦级别；同时采用稳波长半导体激光器实现功率放大级，可以在不同环境温度下实现波长和功率的稳定输出；输入功率放大级的单频脉冲具有高的信噪比，无需滤波，因此可以减少系统复杂程度。
本实用新型的单频脉冲光纤放大器系统不仅适用于C波段单频脉冲放大器，同时也适用于1μm波段单频脉冲放大器。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。
Claims (15)
1.一种高稳定性低噪声的单频脉冲光纤放大器，其包括预放大级和功率放大级，其中：
所述预放大级包括用于对单频脉冲进行第一级纤芯放大的第一纤芯放大单元，以及用于对所述单频脉冲进行第二级纤芯放大的第二纤芯放大单元；
所述功率放大级被设置成利用多模泵浦光源对所述预放大级输出的所述单频脉冲进行第三级放大；
其特征在于：
在所述预放大级和所述功率放大级之间还设置有强度调制单元，用于隔离所述单频脉冲中的连续光成分；以及，
所述预放大级还包括设于所述第一纤芯放大单元和所述第二纤芯放大单元之间的隔离及滤波单元。
2.根据权利要求1所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于还包括设于所述预放大级之前的第一隔离器。
3.根据权利要求1所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于，所述单频脉冲具有小于100μW的平均功率。
4.根据权利要求1所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于峰值输出功率Ppeak小于受激布里渊散射阈值PSBS。
5.根据权利要求1所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于，所述强度调制单元包括声光调制器。
6.根据权利要求1所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于还包括设于所述预放大级和所述强度调制单元之间的环形器。
7.根据权利要求6所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于，所述环形器为光纤环形器。
8.根据权利要求1所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于：
所述第一纤芯放大单元包括第一单模泵浦光源、第一波分复用器和第一增益光纤；
所述第二纤芯放大单元包括第二单模泵浦光源、第二波分复用器和第二增益光纤；
所述隔离及滤波单元包括第二隔离器和窄带滤波器；
所述功率放大级包括所述多模泵浦光源、泵浦耦合器和第三增益光纤。
9.根据权利要求8所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于：
所述第一单模泵浦光源和所述第二单模泵浦光源为单模半导体激光器；以及/或者，
所述多模泵浦光源为稳波长半导体激光器；以及/或者，
所述第一增益光纤、所述第二增益光纤及第三增益光纤中的一个或两个或三个为双包层铒镱共掺光纤；以及/或者，
所述窄带滤波器具有小于0.3nm的滤波带宽。
10.根据权利要求8所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于：
所述第一单模泵浦光源和所述第二单模泵浦光源由同一激光器实现；以及/或者，
所述第一单模泵浦光源、所述第二单模泵浦光源及所述多模泵浦光源的工作波长为976nm。
11.根据权利要求9所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于，所述双包层铒镱共掺光纤的有效长度Leff被设置成满足以下公式：
其中，Aeff为光纤有效面积，gB为布里渊增益系数，ΔθB和ΔθP分别为布里渊线宽和信号光线宽，K为系数,PSBS为SBS阈值。
12.根据权利要求8所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于还包括与所述第三增益光纤连接且形成模场匹配的无源光纤。
13.根据权利要求12所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于还包括用于与所述无源光纤连接的光纤准直器或者FC/APC光纤接头。
14.根据权利要求12所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于，所述无源光纤的有效长度Leff被设置成满足以下公式：
其中，Aeff为光纤有效面积，gB为布里渊增益系数，ΔθB和ΔθP分别为布里渊线宽和信号光线宽,PSBS为SBS阈值。
15.根据权利要求9所述的单频脉冲光纤放大器，其特征在于还包括用于为所述多模泵浦光源提供温度控制的装置。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115966991A (zh) * | 2023-03-16 | 2023-04-14 | 中国电子科技集团公司第十一研究所 | 一种低时频域ase噪声的脉冲光纤激光器 |
| CN118040442A (zh) * | 2024-04-07 | 2024-05-14 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种提高脉冲能量的光纤激光放大系统和方法 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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