CN103001118A - 一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，包括全光纤皮秒种子源，在全光纤皮秒种子源输出端连接有光纤功率放大器，光纤功率放大器输出端连接有输出模块；所述全光纤皮秒种子源为全光纤环形腔结构的锁模激光器，全光纤皮秒种子源包括泵浦激光器，波分复用器，增益光纤，输出耦合器，第一偏振控制器，偏振分束器，第二偏振控制器，偏振无关隔离器；所述的偏振分束器的保偏输出端作为全光纤皮秒种子源的输出端，偏振分束器的非保偏端与偏振无关隔离器的输入端相连，第二偏振控制器固定在偏振分束器与偏振无关隔离器之间的光纤上，所述的偏振无关隔离器的输出端与波分复用器的另一个输入端相连，构成全光纤环形结构。本发明易于获得长期稳定的高功率皮秒脉冲激光，也可降低高功率光纤激光系统的制作成本。

Description

一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器

技术领域

本发明涉及一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器。

背景技术

高功率的皮秒脉冲具有脉冲宽度窄、峰值功率高、单色性好、与材料作用时间大于热效应扩散时间等优点，在微纳加工、医疗处理、精密测距、高速通信和国防领域应用广泛，是激光器领域的前沿研究方向之一。尤其在非线性光学频率转换等应用场合，高功率激光脉冲能获得更高的转换效率。目前常用的产生皮秒脉冲的方法主要有三种：直接调制快速响应的半导体激光器、采用具有饱和吸收性质的材料作为光开关以及通过非线性偏振旋转锁模效应实现皮秒脉冲输出。

通过产生电学上小于1纳秒的电脉冲，驱动快速响应的半导体激光器产生皮秒脉冲，其脉冲宽度一般在数百皮秒，输出功率仅数百微瓦，受限于半导体激光器的响应速度，采用该方法无法产生脉宽更窄、平均功率更高的脉冲。采用可饱和吸收镜产生超短脉冲的方法应用较为广泛，选择合适的可饱和吸收材料，可以产生脉冲宽度从几皮秒到数百皮秒的超短脉冲，但采用这种方法，激光长时间作用与可饱和吸收体，器件寿命较短，同时还需要精确控制腔内泵浦光的功率，否则很容易超过可饱和吸收材料的抗损伤阈值，烧毁器件，尤其在被动锁模的大功率激光器中，吸收体的损坏是制约大功率激光输出和高寿命锁模激光器的瓶颈问题。

为获得高功率的皮秒脉冲，目前常用的方法是在腔内或腔外加入窄带滤波器件，如光纤光栅，窄带滤波器等。但这些器件原理上都是从很宽的光谱中截取一小部分能量出来，滤波后种子激光的平均功率低，相应的光纤激光的锁模难以稳定控制；而且，后续放大时需要数量更多的放大器，这种方法一方面增加了系统的复杂程度，也大幅提高了产品成本。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，该放大器采用全光纤结构，易于获得长期稳定的高功率皮秒脉冲激光，也可降低高功率光纤激光系统的制作成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，包括全光纤皮秒种子源，在全光纤皮秒种子源输出端连接有光纤功率放大器，光纤功率放大器输出端连接有输出模块；所述全光纤皮秒种子源为全光纤环形腔结构的锁模激光器，全光纤皮秒种子源包括泵浦激光器，波分复用器，增益光纤，输出耦合器，第一偏振控制器，偏振分束器，第二偏振控制器，偏振无关隔离器；泵浦激光器输出的连续泵浦光经波分复用器进入全光纤环形腔，波分复用器输出端与增益光纤的一端相连，增益光纤的另一端与输出耦合器的一端相连，所述的输出耦合器耦合比较高的一端与偏振分束器的一端相连，耦合比较低的一端作为非保偏输出端；第一偏振控制器固定在输出耦合器与偏振分束器之间的光纤上，所述的偏振分束器的保偏输出端作为全光纤皮秒种子源的输出端，偏振分束器的非保偏端与偏振无关隔离器的输入端相连，第二偏振控制器固定在偏振分束器与偏振无关隔离器之间的光纤上，所述的偏振无关隔离器的输出端与波分复用器的另一个输入端相连，构成全光纤环形结构。

所述第一偏振控制器、第二偏振控制器均为手动偏振控制器。

所述全光纤皮秒种子源还包括全光纤探头，所述第一偏振控制器为电动偏振控制器，所述输出耦合器的输出端输入到全光纤探头，在全光纤探头还连接有根据全光纤探头反馈的信息对锁模进行实时监控的控制电路上，控制电路的输出端与电动偏振控制器连接；所述第二偏振控制器为手动偏振控制器

所述光纤功率放大器的一种方案是，包括隔离器，放大器泵浦源，合束器或波分复用器，放大器增益光纤；全光纤皮秒种子源输出的种子脉冲输入到隔离器上，放大器泵浦源输出泵浦光与透过隔离器的种子激光经波分复用器或者合束器耦合到放大器增益光纤，所述输出模块采用输出耦合器，放大器增益光纤输出放大的皮秒脉冲经过输出耦合器，所述输出耦合器的强光端作为最终输出，弱光端作为监测端。

所述光纤功率放大器包括隔离器另一种方案是，包括隔离器，放大器泵浦源，合束器或波分复用器，放大器增益光纤；全光纤皮秒种子源输出的种子脉冲输入到隔离器上，经过隔离器后的脉冲输入到放大器增益光纤，放大器泵浦源输出的泵浦光经波分复用器或者合束器耦合到放大器增益光纤中，所述输出模块采用输出耦合器，波分复用器或者合束器输出的放大的皮秒脉冲经过输出耦合器，所述输出耦合器的强光端作为最终输出，弱光端作为监测端。

所述光纤功率放大器还包括滤波器，滤波器接在全光纤皮秒种子源的输出端上。

所述输出模块采用输出耦合器，光纤功率放大器输出端输出放大的皮秒脉冲经过输出耦合器，所述输出耦合器的分束比为1：99，强光端作为最终输出端，弱光端作为监测端。

所述的放大器泵浦源为单模或者多模、输出功率在0.5-10W之间的半导体连续激光器。放大器增益光纤为掺镱磷酸盐单模或者双包层光纤。

采用以上技术方案，本发明与目前具有窄谱宽输出特性的高功率皮秒激光器相比，具有以下优点：

1）有效利用放大过程增益窄化效应，不需要加入窄带宽滤波器件，结构简单；

2）注入宽频谱皮秒脉冲在级联放大过程中初步产生增益窄化，易于有效地抑制光纤放大过程中受激布里渊散射、受激拉曼放大的不利影响，改善放大脉冲的脉冲对比；

3）皮秒脉冲放大过程中自动实现频谱滤波，随脉冲放大能量的提升，脉冲频谱逐步不窄化，可方便地降低放大过程中脉冲的时间波形畸变，抑制脉冲放大过程中可能的时域分裂以及调制不稳定性的影响；

4）能最大程度地利用种子激光能量，避免窄带滤波后输出功率大幅降低，需要再放大的问题；

5）注入种子光纤皮秒脉冲频谱选择在放大器光纤的增益中心波长附近，有利于提高放大器的光-光转换效率；

6）级联放大脉冲频谱增益窄化，易于控制放大过程中脉冲频谱不产生分裂，也易于优化控制获得接近傅立叶衍射极限的窄频谱皮秒脉冲；

7）采用高掺杂浓度的增益光纤，光纤长度短，引入的模式色散少，放大脉冲不产生时域波形畸变；

8）采用磷酸盐材料的增益光纤，在较宽的光谱范围内具有平坦的吸收系数，输出功率更稳定，对泵浦半导体激光器的波长要求低，节省成本；

9）整个装置采用全光纤结构，简单紧凑，性能稳定，易于集成在不同应用场合的大型仪器上。

附图说明

附图1为本发明原理结构图；

附图2为本发明的全光纤皮秒种子源的结构示意图之一；

附图3为本发明的全光纤皮秒种子源的结构示意图之二；

附图4本发明的正向泵浦窄带皮秒脉冲产生示意图；

附图5本发明的反向泵浦窄带皮秒脉冲产生示意图；

附图6本发明的高功率窄带皮秒脉冲产生示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明，以便于更好地理解本发明：

如图1，本发明介绍一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，包括全光纤皮秒种子源1，在全光纤皮秒种子源1输出端连接有1个光纤功率放大器2或多个级联的光纤功率放大器，光纤功率放大器2输出端连接有输出模块3。

所述全光纤皮秒种子源1为全光纤环形腔结构的锁模激光器，腔内有泵浦激光器，波分复用器，增益光纤，输出耦合器，偏振控制器，偏振无关隔离器，偏振分束器。调节偏振控制器，改变腔内脉冲的偏振状态，在非线性偏振旋转效应的作用下，实现锁模皮秒脉冲输出。脉冲宽度为10-20ps，重复频率为5-80MHz，平均功率为10-50mW。

调节全光纤皮秒种子源1腔内的偏振控制器，使皮秒脉冲输出光谱的中心波长与后续的一级或多级光纤功率放大器2所选用增益光纤的发射谱线峰值相对应，在放大过程中，增益窄化效应使脉冲的两边缘处的频谱成分不能有效放大，而中心频率成分被放大，增益窄化效应的作用相当于激光放大过程中引入了一个带宽不断变窄的窄带滤波器；脉冲经过多级放大器，光谱不断被窄化，最终获得接近傅立叶衍射极限的窄带高功率皮秒脉冲，放大过程中，脉冲的时间-频谱波形不会产生分裂级联，放大器的数量越多，光谱窄化效应越明显，输出皮秒脉冲的光谱越窄。实际应用中，可根据输出功率和光谱线宽的要求灵活选择放大器的数量。

经过光纤功率放大器2获得的高功率脉冲经过输出模块3，滤除泵浦激光成分，同时对光斑大小做调整，方便各种应用场合使用。输出模块还可以加入磁光晶体，防止环境中的回返光损坏器件。

如图2所示，为被动型全光纤皮秒种子源，包括泵浦激光器11，波分复用器12，增益光纤13，输出耦合器14，第一偏振控制器15，偏振分束器16，第二偏振控制器17，偏振无关隔离器18。所述泵浦激光器11为半导体单模泵浦激光器，半导体单模泵浦激光器最大输出功率为480mW，中心波长为976nm，半导体单模泵浦激光器的输出尾纤为105/125的传能光纤。波分复用器12采用980/1030nm波分复用器。泵浦激光器11输出的980nm的连续泵浦光经波分复用器12进入全光纤环形腔，波分复用器12的输出端与增益光纤13的一端相连，所述的增益光纤13采用OFS公司的YbDF350单模掺镱光纤，该光纤在976nm具有350dB/m的吸收系数。增益光纤13的另一端与输出耦合器14的一端相连，所述的输出耦合器14为HI1060光纤做成的拉锥型低功率光纤耦合器，最大能承受的连续光功率为300mW，具有2：8或3：7或4：6的输出耦合比，耦合比较高的一端与1030nm的偏振分束器16的一端相连，耦合比较低的一端作为非保偏输出端9。第一偏振控制器15采用手动偏振控制器，其固定在输出耦合器14与偏振分束器16之间的光纤上，所述的偏振分束器16的保偏输出端10为PM980光纤，该保偏输出端10也可作为全光纤皮秒振荡器的监测端。偏振分束器16的非保偏端与1030nm的偏振无关隔离器18的输入端相连，第二偏振控制器17采用手动偏振控制器，其固定在偏振分束器16与偏振无关隔离器18之间的光纤上。所述的偏振无关隔离器18具有最大承受300mW连续光的抗损伤阈值。偏振无关隔离器18的输出端与波分复用器的1030nm输入端相连，构成全光纤环形结构。熔接好环形腔，打开泵浦激光器11，调节两个偏振控制器，输出耦合器14的非保偏输出端9能获得平均功率20-50mW，脉冲宽度10-20ps，重复频率5-50MHz，光谱半高宽5-6nm的种子脉冲。偏振分束器16的保偏输出端10能获得平均功率10-20mW，脉冲宽度10-20ps，重复频率5-50MHz，光谱半高宽5-6nm的种子脉冲。

如图3所示，为主动控制型全光纤皮秒种子源，包括泵浦激光器11，波分复用器12，增益光纤13，输出耦合器14，第一偏振控制器15，偏振分束器16，第二偏振控制器17，偏振无关隔离器18，全光纤探头101，控制电路102。与图2的被动型全光纤皮秒种子源相比，不同在于第一偏振控制器15采用电控偏振控制器。熔接好环形腔，打开泵浦激光器11，调节两个偏振控制器，实现锁模之后，将非保偏输出端9的信号衰减后输入到全光纤探头101，全光纤探头101接到控制电路102上，控制电路102根据全光纤探头101反馈的信息，对锁模进行实时监控，如果模式失锁或者不稳，控制电控偏振控制器，调节腔内偏振状态，重新锁模。

输出耦合器14的非保偏输出端9能获得平均功率20-50mW，脉冲宽度10-20ps，重复频率5-50MHz，光谱半高宽5-6nm的种子脉冲。偏振分束器16的保偏输出端10能获得平均功率10-20mW，脉冲宽度10-20ps，重复频率5-50MHz，光谱半高宽5-6nm的种子脉冲。

如图4所示，为正向泵浦窄带皮秒脉冲产生结构。

所述全光纤皮秒种子源的结构为被动型全光纤皮秒种子源。

所述光纤功率放大器2的个数为一个，光纤功率放大器2包括隔离器21，放大器泵浦源22，合束器23或波分复用器，放大器增益光纤24。全光纤皮秒种子源1输出的种子脉冲输入到隔离器21上，隔离器21作用是防止后续放大器回返光损坏种子源，隔离器的透过率在80%以上。放大器泵浦源22输出的中心波长915-976nm的泵浦光与透过隔离器21的种子激光经980/1030nm的波分复用器或者合束器23耦合到放大器增益光纤24中。所述的放大器泵浦源22为单模或者多模、输出功率在0.5-10W之间的半导体连续激光器。放大器增益光纤24为掺镱磷酸盐单模或者双包层光纤，采用同向泵浦的方式，噪声指数更小，脉冲信噪比更高。放大器增益光纤24输出放大的皮秒脉冲，其光谱宽度比输入的种子光更窄，根据应用需要，调节泵浦激光器的能量与增益光纤的长度，能调节增益窄化的程度，获得线宽在0.5-1.0nm，平均功率0.2-5W的皮秒脉冲。

为了对脉冲光谱进行初步窄化，光纤功率放大器2还包括滤波器20，滤波器20接在非保偏输出端9上，所述的滤波器的中心波长为1036nm，带宽为2-4nm。全光纤皮秒种子源1的种子脉冲经过滤波器20后，光谱成分中偏离中心波长较远的成分被滤除，由于全光纤皮秒种子源1与滤波器具有相同的中心波长，种子光的绝大部分能量都能透过滤波器，透过滤波器后，脉冲光谱半高宽2-4nm。

所述输出模块3采用输出耦合器31，放大器增益光纤24输出放大的皮秒脉冲经过输出耦合器31，所述输出耦合器的分束比为1：99，强光端作为最终输出端，弱光端作为监测端，实时监测输出脉冲宽度，重复频率，光谱线宽等性能参数。

如图5所示，为反向泵浦窄带皮秒脉冲产生结构。

所述全光纤皮秒种子源的结构为被动型全光纤皮秒种子源。

所述光纤功率放大器2的数量为一个，光纤功率放大器2包括隔离器21，放大器泵浦源22，合束器23或波分复用器，放大器增益光纤24。全光纤皮秒种子源1输出的种子脉冲输入到隔离器21上，隔离器21作用是防止后续放大器回返光损坏种子源，隔离器的透过率在80%以上。经过隔离器21后的脉冲输入到放大器增益光纤24，所述的放大器增益光纤24为掺镱磷酸盐单模或者双包层光纤。放大器泵浦源22输出的中心波长915-976nm的泵浦光经980/1030nm的波分复用器或者合束器23耦合到放大器增益光纤24中，所述的放大器泵浦源22为单模或者多模、输出功率在0.5-10W之间的半导体连续激光器，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。经过放大器增益光纤24的皮秒脉冲经合束器23输出，其光谱宽度比输入的种子光更窄，根据应用需要，调节泵浦激光器的能量与增益光纤的长度，能调节增益窄化的程度，获得线宽在0.5-1nm，平均功率0.2-5W的皮秒脉冲。

为了对脉冲光谱进行初步窄化，光纤功率放大器2还包括滤波器20，滤波器20接在全光纤皮秒种子源1的非保偏输出端9上，所述的滤波器的中心波长为1036nm，带宽为2-4nm。全光纤皮秒种子源1的种子脉冲经过滤波器20后，光谱成分中偏离中心波长较远的成分被滤除，由于全光纤皮秒种子源1与滤波器具有相同的中心波长，种子光的绝大部分能量都能透过滤波器，透过滤波器后，脉冲光谱半高宽2-4nm。

所述输出模块3采用输出耦合器31，合束器23输出放大的皮秒脉冲经过输出耦合器31，所述输出耦合器的分束比为1：99，强光端作为最终输出端，弱光端作为监测端，实时监测输出脉冲宽度，重复频率，光谱线宽等性能参数。

如图6，为采用被动型全光纤环形腔皮秒种子源，通过两级放大实现高功率窄带皮秒脉冲的示意图。

所述全光纤皮秒种子源的结构为被动型全光纤皮秒种子源。

所述光纤功率放大器2为两个，两个光纤功率放大器2级联在一起后连接在全光纤皮秒种子源与输出模块之间。

所述光纤功率放大器2包括隔离器21，放大器泵浦源22，合束器23或波分复用器，放大器增益光纤24。隔离器21作用是防止后续放大器回返光损坏种子源，隔离器的透过率在80%以上。放大器泵浦源22输出的中心波长915-976nm的泵浦光与透过隔离器12的种子激光经980/1030nm的波分复用器或者合束器23耦合到放大器增益光纤24中。所述的放大器泵浦源22为单模或者多模、输出功率在0.5-10W之间的半导体连续激光器。放大器增益光纤24为掺镱磷酸盐单模或者双包层光纤，采用同向泵浦的方式，噪声指数更小，脉冲信噪比更高。放大器增益光纤24输出放大的皮秒脉冲，其光谱宽度比输入的种子光更窄，根据应用需要，调节泵浦激光器的能量与增益光纤的长度，能调节增益窄化的程度，使得第一级纤功率放大器输出线宽在0.5-1.0nm，平均功率0.2-5W的皮秒脉冲。

为避免两级放大器之间的串扰，防止回返光损坏器件，在放大器之间加入高功率的隔离器21，其具有最大隔离2W连续光的抗损伤能力。所述的第二级全光纤放大器具有最大隔离2W连续回返光的抗损伤能力。第二级放大器的泵浦激光器为中心波长915-976nm，最大输出功率25W的半导体激光器。放大后的皮秒脉冲经过输出耦合器31输出。

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，将高功率的皮秒脉冲输入到透镜组构成的空间整形模块4，实现皮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 (9)

1.一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，其特征在于包括全光纤皮秒种子源（1），在全光纤皮秒种子源（1）输出端连接有光纤功率放大器（2），光纤功率放大器（2）输出端连接有输出模块（3）；所述全光纤皮秒种子源（1）为全光纤环形腔结构的锁模激光器，全光纤皮秒种子源（1）包括泵浦激光器（11），波分复用器（12），增益光纤（13），输出耦合器（14），第一偏振控制器（15），偏振分束器（16），第二偏振控制器（17），偏振无关隔离器（18）；泵浦激光器（11）输出的连续泵浦光经波分复用器（12）进入全光纤环形腔，波分复用器（12）输出端与增益光纤（13）的一端相连，增益光纤（13）的另一端与输出耦合器（14）的一端相连，所述的输出耦合器（14）耦合比较高的一端与偏振分束器（16）的一端相连，耦合比较低的一端作为非保偏输出端（9）；第一偏振控制器（15）固定在输出耦合器（14）与偏振分束器（16）之间的光纤上，所述的偏振分束器（16）的保偏输出端（10）作为全光纤皮秒种子源（1）的输出端，偏振分束器（16）的非保偏端与偏振无关隔离器（18）的输入端相连，第二偏振控制器（17）固定在偏振分束器（16）与偏振无关隔离器（18）之间的光纤上，所述的偏振无关隔离器（18）的输出端与波分复用器的另一个输入端相连，构成全光纤环形结构。

2.根据权利要求1所述的一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，其特征在于所述第一偏振控制器（15）、第二偏振控制器（17）均为手动偏振控制器。

3.根据权利要求1所述的一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，其特征在于所述全光纤皮秒种子源（1）还包括全光纤探头（101），所述第一偏振控制器（15）为电动偏振控制器，所述输出耦合器（14）的输出端（9）输入到全光纤探头（101），在全光纤探头（101）还连接有根据全光纤探头（101）反馈的信息对锁模进行实时监控的控制电路（102）上，控制电路（102）的输出端与电动偏振控制器连接；所述第二偏振控制器（17）为手动偏振控制器。

4.根据权利要求2或3所述的一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，其特征在于所述光纤功率放大器（2）包括隔离器（21），放大器泵浦源（22），合束器（23）或波分复用器，放大器增益光纤（24）；全光纤皮秒种子源（1）输出的种子脉冲输入到隔离器（21）上，放大器泵浦源（22）输出泵浦光与透过隔离器（21）的种子激光经波分复用器或者合束器（23）耦合到放大器增益光纤（24），所述输出模块（3）采用输出耦合器（31），放大器增益光纤（24）输出放大的皮秒脉冲经过输出耦合器（31），所述输出耦合器的强光端作为最终输出端，弱光端作为监测端。

5.根据权利要求2或3所述的一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，其特征在于所述光纤功率放大器（2）包括隔离器（21），放大器泵浦源（22），合束器（23）或波分复用器，放大器增益光纤（24）；全光纤皮秒种子源（1）输出的种子脉冲输入到隔离器（21）上，经过隔离器（21）后的脉冲输入到放大器增益光纤（24），放大器泵浦源（22）输出的泵浦光经波分复用器或者合束器（23）耦合到放大器增益光纤（24）中，所述输出模块（3）采用输出耦合器（31），波分复用器或者合束器（23）输出的放大的皮秒脉冲经过输出耦合器（31），所述输出耦合器的强光端作为最终输出端，弱光端作为监测端。

6.根据权利要求4所述的一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，其特征在于所述光纤功率放大器（2）还包括滤波器（20），滤波器（20）接在全光纤皮秒种子源（1）的非保偏输出端（9）上。

7.根据权利要求1所述的一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，其特征在于所述输出模块（3）采用输出耦合器（31），光纤功率放大器（2）输出端输出放大的皮秒脉冲经过输出耦合器（31），所述输出耦合器的分束比为1：99，强光端作为最终输出，弱光端作为监测端。

8.根据权利要求4所述的一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，其特征在于所述的放大器泵浦源（22）为单模或者多模、输出功率在0.5-10W之间的半导体连续激光器。

9.根据权利要求4所述的一种增益窄化控制的全光纤高功率皮秒脉冲激光放大器，其特征在于放大器增益光纤（24）为掺镱磷酸盐单模或者双包层光纤。

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