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CN107086428B - 一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器及其使用方法 - Google Patents

一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器及其使用方法 Download PDF

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CN107086428B CN201710428556.4A CN201710428556A CN107086428B CN 107086428 B CN107086428 B CN 107086428B CN 201710428556 A CN201710428556 A CN 201710428556A CN 107086428 B CN107086428 B CN 107086428B
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Abstract

本发明为一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器及其使用方法，本激光器种子源输出激光在第一光纤分路器分出主路经第一相位调制器、光纤移相器、级联光纤放大器、第二相位调制器和第二光纤分路器输出。两个分路器分出小束激光接入光纤干涉仪，拍频信号经光电探测器接入控制电路，其控制光纤移相器和射频放大器。本方法频率源驱动二相位调制器；窄线宽脉冲激光经光谱展宽相位调节级联放大压缩光谱后输出；控制电路连续调节光纤移相器相位，取拍频强度最小的移相器状态；渐增第二射频放大器功率，锁定于拍频强度最小功率点；控制电路持续监控拍频强度实时调节光纤移相器。本发明提高窄线宽光纤脉冲激光器的最大输出峰值功率，保证窄线宽特性不变。

Description

一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种光纤激光器，具体涉及一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器及其使用方法。
背景技术
窄线宽光纤脉冲激光器是激光雷达、遥感、3D成像等应用的主要光源之一。光纤激光器具有体积小、重量轻、单模特性好、工作效率高、散热简单、寿命长、可靠性高等优点；然而，由于光纤孔径限制，窄线宽光纤脉冲激光器的输出最大峰值功率受到非线性效应的限制，主要是受激布里渊散射(SBS)阈值的限制；一旦激光器输出功率达到SBS阈值，就会产生很强的后向激光脉冲，可能对激光器产生永久性破坏。目前提高窄线宽光纤脉冲激光器SBS阈值的主要方法有增加光纤纤芯直径、提高有源介质的掺杂浓度以缩短有源光纤使用长度等，但达到的激光脉冲最大峰值功率与固体激光器最大输出峰值功率仍有很大差距；使用相位调制器对激光光谱展宽，可以提高激光器的SBS阈值，但同时也失去了激光器的窄线宽特性。
发明内容
为了克服SBS对窄线宽光纤脉冲激光器最大输出峰值功率的限制，本发明提供一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器及其使用方法，窄线宽脉冲激光源输出的激光首先经过光纤分路器分出部分光信号作为本地参考激光，光纤分路器输出的主激光信号则经光纤相位调制器进行光谱展宽，再经光纤移相器、级联光纤放大器放大，激光光谱展宽提高了SBS阈值，使放大器输出最大峰值功率提高；放大后的激光经过第二个相位调制器进行光谱压缩，输出窄线宽的高功率激光脉冲。通过激光光谱展宽—放大—激光光谱压缩，提高峰值功率、同时保持激光器窄线宽特性。
本发明一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器包括窄线宽脉冲激光种子源和光纤放大器，还包括两个光纤分路器、两个相位调制器、光纤移相器、光纤干涉仪、光电探测器和控制电路，窄线宽脉冲激光种子源输出的连续激光接入第一光纤分路器，分为两路，主路接入第一相位调制器，另一路接入光纤干涉仪的一个输入臂。主路激光在第一相位调制器展宽激光光谱、以提高SBS阈值，之后接入光纤移相器、调节激光相位，其输出连接级联光纤放大器，提高峰值功率，再接入第二相位调制器，压缩光谱，最后进入第二光纤分路器，大部分作为输出，小部分接入上述光纤干涉仪的另一输入臂。窄线宽脉冲激光种子源发出的激光和本激光器输出信号在光纤干涉仪进行相干检测，产生的拍频信号经光电探测器光电转换，电信号接入控制电路，控制电路的控制信号连接光纤移相器和射频放大器，控制电路控制光纤移相器和射频放大器共同实现激光光谱压缩。
频率源为两个相位调制器的驱动频率源，频率源输出的信号分成相同的两束分别经第一射频放大器和第二射频放大器，分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器，实现两个相位调制器的驱动频率一致。
所述窄线宽脉冲激光种子源为窄线宽半导体激光器连接电光调制器或声光调制器、或者为窄线宽光纤激光器连接电光调制器或声光调制器，激光器发出连续激光，调制器进行幅度调制。
所述第一光纤分路器分光比为99:1至50:50，较佳方案分光比为90:10至95:5，其中大部分光输出到主路，小部分光比输出端连接光纤干涉仪的一个输入臂。
所述两个相位调制器为驱动频率完全相同的铌酸锂电光相位调制器，调制频率为100MHz～10GHz，以达到较好的光谱展宽效果，且信号处理便捷；两个相位调制器的驱动功率有一定比例，在该比例下第二相位调制器的相位调制深度与第一相位调制器的相位调制深度相等。
其中第一相位调制器为带光纤尾纤的调制器，用于激光光谱展宽，以提高激光器的SBS阈值；第二相位调制器为空间光的体相位调制器，以提高调制器端面的激光破坏阈值，用于激光光谱压缩，恢复为窄线宽激光。
所述光纤移相器为光波导调制器，即Y波导，或者为缠绕在压电陶瓷(PZT)上的光纤器件，相位调节量大于π。确保进入两个相位调制器的激光相位差为π的奇数倍。
所述级联光纤放大器为级联的两级或三级光纤放大器，其中的末级放大器为低数值孔径大模场双包层光纤放大器。
所述第二光分路器分光比为99:1至90:10，其中比例较大的功率激光接入本激光器的输出端，比例较小的功率激光连接光纤干涉仪的另一个输入臂。
本发明一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器的使用方法主要步骤如下：
步骤Ⅰ、开机
窄线宽脉冲激光种子源、相位调制器、级联放大器和射频放大器接通电源；
步骤Ⅱ、频率源驱动相位调制器
频率源输出的电信号分成两路分别进入第一射频放大器和第二射频放大器，两个射频放大器放大输出相同功率，分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器；
步骤Ⅲ、光谱展宽的脉冲激光输出
打开窄线宽脉冲激光种子源和级联光纤放大器，窄线宽脉冲激光种子源输出的连续激光接入第一光纤分路器，分入主路的激光脉冲经第一相位调制器，实现光谱展宽，之后进入光纤移相器、调节激光相位，再进入级联光纤放大器，提高峰值功率，其输出再接入第二相位调制器，送入第二光纤分路器，在第二光纤分路器分出大部分作为输出的脉冲激光；
步骤Ⅳ、调节光纤移相器相位，进行光谱压缩
第一光纤分路器分出的另一部分窄线宽脉冲激光种子源发出的脉冲激光和第二光纤分路器分出的另一部分本激光器输出信号功率相同，同时进入光纤干涉仪，以便于进行相干检测，光纤干涉仪输出两束脉冲激光相干所得的拍频信号，经光电探测器光电转换，电信号接入控制电路，控制电路检测拍频信号的差拍频率和拍频强度，该拍频信号的差拍频率为频率源的工作频率；控制电路连续调节光纤移相器相位变化至π或±π/2，监控拍频强度的变化，当拍频强度最小时，就是两个相位调制器的相位差为π的奇数倍，第二相位调制器对进入的脉冲激光进行光谱压缩；
步骤Ⅴ、调节第二射频放大器放大功率，进一步光谱压缩
保持拍频强度最小时，即两个相位调制器的相位差为π的奇数倍时的光纤移相器的状态，控制电路调节第二射频放大器，逐渐增加其放大功率，驱动第二相位调制器，监控拍频强度的变化，当拍频强度最小时，即为第二射频放大器的最佳输出功率；将第二射频放大器输出功率锁定于该功率点，第二相位调制器对进入的脉冲激光进一步光谱压缩，输出高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光；
步骤Ⅵ、监控拍频强度，实时调节光纤移相器
控制电路持续监控拍频强度的变化，当激光器温度变化或外界振动，均可能造成激光器工作相位漂移，拍频强度变化，控制电路实时调节光纤移相器，将拍频强度锁定于最小状态，输出的脉冲激光光谱压缩到最小，持续输出高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光。
与现有技术相比，本发明一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器及其使用方法有益效果是：1、克服了窄线宽激光脉冲在光纤放大过程中最大输出功率受到SBS阈值限制的缺点，提高了窄线宽光纤脉冲激光器的最大输出峰值功率，同时保证脉冲激光窄线宽特性不变，可实现将脉冲激光输出峰值功率200W左右的脉宽100ns级别脉冲激光的峰值功率提高到千瓦级，最高可达10kW左右的受激拉曼阈值，线宽则可控制在1MHz以下，保证激光器的高相干性能；2、实时监控激光器温度变化和外界振动造成激光器工作相位漂移，及时调节光纤移相器，保持激光脉冲光谱压缩效果处于最佳状态。
附图说明
图1为本高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器实施例结构示意图。
图2为本高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器的使用方法实施例工作流程图。
具体实施方式
本高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器实施例如图1所示，图中虚线箭头为光信号传输，实线箭头为电信号传输。窄线宽脉冲激光种子源输出的连续激光接入第一光纤分路器，分为两路，95％的光进入主路接入第一相位调制器，另一路5％的光接入光纤干涉仪的一个输入臂。主路激光在第一相位调制器展宽激光光谱，之后接入光纤移相器、调节激光相位，其输出连接级联光纤放大器，再接入第二相位调制器，压缩光谱，最后进入第二光纤分路器，99％的光作为输出，1％接入上述光纤干涉仪的另一输入臂。窄线宽脉冲激光种子源发出的激光和本激光器输出信号在光纤干涉仪进行相干检测，产生的拍频信号经光电探测器光电转换，电信号接入控制电路，控制电路的控制信号连接光纤移相器和射频放大器，控制电路控制光纤移相器和射频放大器共同实现激光光谱压缩。
频率源为两个相位调制器的驱动频率源，频率源输出的信号分成相同的两束分别经第一射频放大器和第二射频放大器，分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器，实现两个相位调制器的驱动频率一致。
本例窄线宽脉冲激光种子源为窄线宽半导体激光器连接电光调制器。
本例两个相位调制器为驱动频率完全相同的铌酸锂电光相位调制器，调制频率为1GHz，两个相位调制器的驱动功率的比例为：在该比例下第二相位调制器的相位调制深度与第一相位调制器的相位调制深度相等。
其中第一相位调制器为带光纤尾纤的调制器，第二相位调制器为空间光的体相位调制器。
本例光纤移相器为光波导调制器，相位调节量大于π。
本例级联光纤放大器为级联的三级光纤放大器，其中的末级放大器为低数值孔径大模场双包层光纤放大器。
高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器的使用方法实施例
本高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器的使用方法实施例为上述高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器实施例的使用方法，本例方法流程如图2所示，主要步骤如下：
步骤Ⅰ、开机
窄线宽脉冲激光种子源、相位调制器、级联放大器和射频放大器接通电源；
步骤Ⅱ、频率源驱动相位调制器
频率源输出的电信号分成两路分别进入第一射频放大器和第二射频放大器，两个射频放大器放大输出相同功率，分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器；
步骤Ⅲ、光谱展宽的脉冲激光输出
打开窄线宽脉冲激光种子源和级联光纤放大器，窄线宽脉冲激光种子源输出的连续激光接入第一光纤分路器，分入主路的激光脉冲经第一相位调制器，实现光谱展宽，之后进入光纤移相器、调节激光相位，再进入级联光纤放大器，提高峰值功率，其输出再接入第二相位调制器，送入第二光纤分路器，在第二光纤分路器分出大部分作为输出的脉冲激光；
步骤Ⅳ、调节光纤移相器相位，进行光谱压缩
第一光纤分路器分出的另一部分窄线宽脉冲激光种子源发出的脉冲激光和第二光纤分路器分出的另一部分本激光器输出信号功率相同，同时进入光纤干涉仪，以便于进行相干检测，光纤干涉仪输出两束脉冲激光相干所得的拍频信号，经光电探测器光电转换，电信号接入控制电路，控制电路检测拍频信号的差拍频率和拍频强度，该拍频信号的差拍频率为频率源的工作频率；控制电路连续调节光纤移相器相位变化至π或±π/2，监控拍频强度的变化，当拍频强度最小时，就是两个相位调制器的相位差为π的奇数倍，第二相位调制器对进入的脉冲激光进行光谱压缩；
步骤Ⅴ、调节第二射频放大器放大功率，进一步光谱压缩
保持拍频强度最小时，即两个相位调制器的相位差为π的奇数倍时的光纤移相器的状态，控制电路调节第二射频放大器，逐渐增加其放大功率，驱动第二相位调制器，监控拍频强度的变化，当拍频强度最小时，即为第二射频放大器的最佳输出功率；将第二射频放大器输出功率锁定于该功率点，第二相位调制器对进入的脉冲激光进一步光谱压缩，输出高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光；
步骤Ⅵ、持续监控拍频强度，实时调节光纤移相器
控制电路持续监控拍频强度的变化，当激光器温度变化或外界振动，均可能造成激光器工作相位漂移，拍频强度变化，控制电路实时调节光纤移相器，将拍频强度锁定于最小状态，输出的脉冲激光光谱压缩到最小，持续输出高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光。本例输出的脉冲激光功率峰值达2kW。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器，包括窄线宽脉冲激光种子源和光纤放大器，其特征在于：
还包括两个光纤分路器、两个相位调制器、光纤移相器、光纤干涉仪、光电探测器和控制电路；所述窄线宽脉冲激光种子源输出的连续激光接入第一光纤分路器，分为两路，主路接入第一相位调制器，另一路接入光纤干涉仪的一个输入臂；主路激光在第一相位调制器展宽激光光谱，之后接入光纤移相器，其输出连接级联光纤放大器，再接入第二相位调制器，压缩光谱，最后进入第二光纤分路器，大部分作为输出，小部分接入上述光纤干涉仪的另一输入臂，窄线宽脉冲激光种子源发出的激光和本激光器输出信号在光纤干涉仪进行相干检测，产生的拍频信号经光电探测器光电转换，电信号接入控制电路，控制电路的控制信号连接光纤移相器和射频放大器；
频率源为两个相位调制器的驱动频率源，频率源输出的信号分成相同的两束分别经第一射频放大器和第二射频放大器，分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器。
2.根据权利要求1所述的高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器，其特征在于：
所述窄线宽脉冲激光种子源为窄线宽半导体激光器连接电光调制器或声光调制器，或者为窄线宽光纤激光器连接电光调制器或声光调制器。
3.根据权利要求1所述的高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器，其特征在于：
所述第一光纤分路器分光比为99:1至50:50，其中大部分光输出到主路，小部分光比输出端连接光纤干涉仪的一个输入臂。
4.根据权利要求3所述的高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器，其特征在于：
所述第一光纤分路器分光比为90:10至95:5。
5.根据权利要求1所述的高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器，其特征在于：
所述两个相位调制器为调制频率完全相同的铌酸锂电光相位调制器，调制频率为100MHz～10GHz，并且两个相位调制器的驱动功率有一定比例，在该比例下第二相位调制器的相位调制深度与第一相位调制器的相位调制深度相等。
6.根据权利要求5所述的高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器，其特征在于：
所述第一相位调制器为带光纤尾纤的调制器；第二相位调制器为空间光的体相位调制器。
7.根据权利要求1所述的高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器，其特征在于：
所述光纤移相器为光波导调制器，或者为缠绕在压电陶瓷上的光纤器件，相位调节量大于π。
8.根据权利要求1所述的高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器，其特征在于：
所述级联光纤放大器为级联的两级或三级光纤放大器，其中的末级放大器为低数值孔径大模场双包层光纤放大器。
9.根据权利要求1所述的高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器，其特征在于：
所述第二光纤分路器分光比为99:1至90:10，其中比例较大的功率激光接入本激光器的输出端，比例较小的功率激光连接光纤干涉仪的另一个输入臂。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光器的使用方法，其特征在于主要步骤如下：
步骤Ⅰ、开机
窄线宽脉冲激光种子源、相位调制器、级联放大器和射频放大器接通电源；
步骤Ⅱ、频率源驱动相位调制器
频率源输出的电信号分成两路分别进入第一射频放大器和第二射频放大器，两个射频放大器放大输出相同功率，分别驱动第一相位调制器和第二相位调制器；
步骤Ⅲ、光谱展宽的脉冲激光输出
打开窄线宽脉冲激光种子源和级联光纤放大器，窄线宽脉冲激光种子源输出的连续激光接入第一光纤分路器，分入主路的激光脉冲经第一相位调制器，实现光谱展宽，之后进入光纤移相器、调节激光相位，再进入级联光纤放大器，提高峰值功率，其输出再接入第二相位调制器，送入第二光纤分路器，在第二光纤分路器分出大部分作为输出的脉冲激光；
步骤Ⅳ、调节光纤移相器相位，进行光谱压缩
第一光纤分路器分出的另一部分窄线宽脉冲激光种子源发出的脉冲激光和第二光纤分路器分出的另一部分本激光器输出信号功率相同，同时进入光纤干涉仪，以便于进行相干检测，光纤干涉仪输出两束脉冲激光相干所得的拍频信号，经光电探测器光电转换，电信号接入控制电路，控制电路检测拍频信号的差拍频率和拍频强度，该拍频信号的差拍频率为频率源的工作频率；控制电路连续调节光纤移相器相位变化至π或±π/2，监控拍频强度的变化，当拍频强度最小时，就是两个相位调制器的相位差为π的奇数倍，第二相位调制器对进入的脉冲激光进行光谱压缩；
步骤Ⅴ、调节第二射频放大器放大功率，进一步光谱压缩
保持拍频强度最小时，即两个相位调制器的相位差为π的奇数倍时的光纤移相器的状态，控制电路调节第二射频放大器，逐渐增加其放大功率，驱动第二相位调制器，监控拍频强度的变化，当拍频强度最小时，即为第二射频放大器的最佳输出功率；将第二射频放大器输出功率锁定于该功率点，第二相位调制器对进入的脉冲激光进一步光谱压缩，输出高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光；
步骤Ⅵ、持续监控拍频强度，实时调节光纤移相器
控制电路持续监控拍频强度的变化，当激光器温度变化或外界振动，均可能造成激光器工作相位漂移，拍频强度变化，控制电路实时调节光纤移相器，将拍频强度锁定于最小状态，输出的脉冲激光光谱压缩到最小，持续输出高峰值功率的窄线宽光纤脉冲激光。
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