一种窄脉冲光纤放大器.pdf

一种窄脉冲光纤放大器，属于激光技术领域。该光纤放大器含有种子源激光器、种子光耦合系统、增益光纤、泵浦源激光器和泵浦耦合系统，其特征在于在种子源激光器和增益光纤之间加入对种子源激光器发出的脉冲进行选择的脉冲选择器。选择出的脉冲序列具有可任意变化的重复频率、持续时间，经过光纤放大器的高增益放大，得到高功率、窄脉宽的激光脉冲输出。本发明的优点是，充分利用了种子源激光器脉宽窄和光纤放大器宽增益谱、高增益的优点，脉冲选择器的加入使得脉冲的重复频率和持续时间可以自由地改变。本发明可以得到较低重复频率的窄脉宽脉冲序列，其单脉冲能量、峰值功率能显著提高，同时还避免了受激布里渊散射效应。

1.  一种窄脉冲光纤放大器，含有种子源激光器(1)、种子光耦合系统(4)、增益光纤(5)、泵浦源激光器(8)和泵浦耦合系统，种子源激光器发出的种子光经种子光耦合系统进入增益光纤，泵浦源激光器发出的泵浦光经泵浦耦合系统也进入增益光纤，种子光通过增益光纤后得到放大的激光输出，其特征在于：在种子源激光器(1)和增益光纤(5)之间加入对种子源激光器(1)发出的脉冲进行选择的脉冲选择器(2)。

2.  按照权利要求1所述的窄脉冲光纤放大器，其特征在于：所述的脉冲选择器(2)采用声光脉冲选择器或电光脉冲选择器。

3.  按照权利要求1所述的窄脉冲光纤放大器，其特征在于：在所述的增益光纤(5)的两侧分别设有脉冲展宽器(15)和脉冲压缩器(17)。

4.  按照权利要求1、2或3所述的窄脉冲光纤放大器，其特征在于：在光纤放大器输出的光路上设有非线性频率转换器(19)。

5.  按照权利要求1所述的窄脉冲光纤放大器，其特征在于：所述的种子源激光器(1)采用锁模固体激光器、调Q固体激光器、腔倒空固体激光器、锁模光纤激光器、调Q光纤激光器、腔倒空光纤激光器或半导体激光器。

6.  按照权利要求1所述的窄脉冲光纤放大器，其特征在于：所述的种子源激光器(1)的脉宽为飞秒至纳秒量级，脉冲重复频率为kHz至GHz量级。

7.  按照权利要求1所述的窄脉冲光纤放大器，其特征在于：所述的增益光纤(5)为单包层、双包层、多包层或光子晶体光纤结构。

8.  按照权利要求1所述的窄脉冲光纤放大器，其特征在于：所述的泵浦源激光器(8)采用准直输出的半导体激光器或光纤耦合输出的半导体激光器。

9.  按照权利要求1所述的窄脉冲光纤放大器，其特征在于：所述的泵浦耦合系统采用泵浦光耦合透镜(6)、光纤耦合器(12)或树权状光纤耦合器(14)。

一种窄脉冲光纤放大器
技术领域
本发明涉及一种光纤放大器，特别涉及一种脉冲光纤放大器，属于激光技术领域。
背景技术
脉冲光纤放大器具有高效率、高功率、高增益、热控管理简单、光束质量好等诸多优点，可以产生窄脉宽、高峰值功率的脉冲，在工业加工、材料处理、军事、科研等领域有着广阔的应用前景。
脉冲光纤放大器需要低功率的脉冲激光器作为种子源被用来放大，常用的种子源激光器有锁模激光器、调Q激光器等。锁模激光器可以产生很窄脉宽的脉冲，在工业、科研等领域有着广泛的应用，然而，由于锁模的原理，其脉冲的重复频率反比于激光器的腔长，由于腔长不易做得很长，因此锁模激光器的重复频率非常高，一般在100MHz量级。应用中一般希望脉冲的单脉冲能量和峰值功率尽可能高，过高的重复频率会给光纤放大器单脉冲能量和峰值功率的提高带来很大的困难。很多应用需要更低的重复频率，如100kHz量级，这对于锁模激光器是难以实现的。而调Q激光器的腔长、脉宽、功率和重复频率是相互关联的，难于在不同功率水平、不同重复频率下保持相同的脉宽，也就是说，脉冲脉宽和重复频率不能自由地变化。
发明内容
本发明的目的是解决上述的脉冲重复频率过高或重复频率不能自由变化的问题，提供一种窄脉冲光纤放大器，能够得到脉冲重复频率和持续时间可以自由改变的高功率、窄脉宽的激光脉冲输出。
本发明的技术方案如下：
一种窄脉冲光纤放大器，含有种子源激光器、种子光耦合系统、增益光纤、泵浦源激光器和泵浦耦合系统，种子源激光器发出的种子光经种子光耦合系统进入增益光纤，泵浦源激光器发出的泵浦光经泵浦耦合系统也进入增益光纤，种子光通过增益光纤后得到放大的激光输出，其特征在于：在种子源激光器和增益光纤之间加入对种子源激光器发出的脉冲进行选择的脉冲选择器。
本发明所述的脉冲选择器采用声光脉冲选择器或电光脉冲选择器。
本发明的技术特征还在于：在所述的增益光纤的两侧分别设有脉冲展宽器和脉冲压缩器。
本文拟发明的另一技术特征为：在光纤放大器输出的光路上设有非线性频率转换器。
本发明所述的种子源激光器采用锁模固体激光器、调Q固体激光器、腔倒空固体激光器、锁模光纤激光器、调Q光纤激光器、腔倒空光纤激光器或半导体激光器；种子源激光器的脉宽为飞秒至纳秒量级，脉冲重复频率为kHz至GHz量级；增益光纤为单包层、双包层、多包层或光子晶体光纤结构；泵浦源激光器采用准直输出的半导体激光器或光纤耦合输出的半导体激光器；泵浦耦合系统采用光学透镜、光纤耦合器或树杈状光纤耦合器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明可以得到较低重复频率的窄脉冲序列，在此条件下输出的单脉冲能量、峰值功率均可显著提高。脉冲重复频率、脉冲持续时间均可以自由地改变，大大增加了对应用的适应性。同时，本发明还很好地避免了长脉宽脉冲光纤放大器中的受激布里渊散射效应，可以达到更高的峰值功率水平。
附图说明
图1为本发明提供的窄脉冲光纤放大器一种实施方式的结构示意图。
图2为本发明提供的脉冲放大过程的示意图。
图3为本发明提供的窄脉冲光纤放大器第二种实施方式的结构示意图。
图4为本发明提供的窄脉冲光纤放大器第三种实施方式的结构示意图。
图5为本发明提供的窄脉冲光纤放大器第四种实施方式的结构示意图。
图6为本发明提供的窄脉冲光纤放大器第五种实施方式的结构示意图。
图中：1-种子源激光器；2-脉冲选择器；3-吸收盒；4-种子光耦合系统；5-增益光纤；6-泵浦光耦合透镜；7-双色镜；8-泵浦源激光器；9-种子脉冲；10-选择出的脉冲序列；11-放大输出的脉冲序列；12-光纤耦合器；13-输出耦合器；14-树杈状光纤耦合器；15-脉冲展宽器；16-展宽后的脉冲；17-脉冲压缩器；18-压缩后的脉冲；19-非线性频率转换器；20-其他波长的激光输出。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的工作原理、具体结构和实施方式作进一步的说明。
图1、图2示出了本发明所提供的窄脉冲光纤放大器的基本工作原理和一种实施方式的结构示意图。该窄脉冲光纤放大器，含有种子源激光器1、脉冲选择器2、种子光耦合系统4、增益光纤5、泵浦源激光器8和泵浦耦合系统，种子源激光器1产生高重复频率、窄脉宽的种子脉冲9，脉冲选择器2将不需要的脉冲在光路上偏转，被吸收盒3吸收，选择出的脉冲序列10可以具有任意需要的重复频率、持续时间，通过种子光耦合系统4耦合入增益光纤5的纤芯中。本实施方式中，泵浦耦合系统采用端面泵浦方式，即泵浦源激光器8通过对泵浦光波长高透过率的双色镜7由泵浦光耦合透镜6耦合入增益光纤5的纤芯或内包层。在增益光纤5中传播的选择出的脉冲序列10得到高增益的放大，形成高功率、窄脉宽的激光，由对信号光波长高反射率的双色镜7反射，形成放大输出的脉冲序列11。
本装置中，脉冲选择器2可采用声光脉冲选择器、电光脉冲选择器，可以选出任意重复频率、持续时间的脉冲序列。种子源激光器1可以是采用各种晶体材料作为增益介质的锁模固体激光器、调Q固体激光器、腔倒空固体激光器或者其他类型的窄脉冲固体激光器，也可以采用以光纤作为增益介质的锁模光纤激光器、调Q光纤激光器、腔倒空光纤激光器或者其他类型的窄脉冲光纤激光器，还可以采用窄脉冲半导体激光器或其他类型的窄脉冲激光器，其脉宽为飞秒至纳秒量级，脉冲重复频率为kHz至GHz量级。种子光耦合系统4可以采用光学透镜、光学透镜组或光纤耦合器。增益光纤5可以采用各种元素或者元素组合的掺杂，如掺镱、掺钕、掺铒、铒镱共掺等。增益光纤5可以是单包层、双包层、多包层或光子晶体光纤结构。泵浦源激光器8可以采用准直输出的半导体激光器或光纤耦合输出的半导体激光器。
图3为本发明提供的窄脉冲光纤放大器第二种实施方式的结构示意图。与第一种实施方式的区别是泵浦耦合系统采用侧面泵浦方式，即采用光纤耦合器12将尾纤输出的泵浦源激光器8的泵浦光耦合入增益光纤5，放大输出的脉冲序列11通过输出耦合器13输出。
图4为本发明提供的窄脉冲光纤放大器第三种实施方式的结构示意图。与第一种实施方式的区别是泵浦耦合系统采用树杈状光纤泵浦方式，即采用树杈状光纤耦合器14将多个尾纤输出的泵浦源激光器8的泵浦光耦合入增益光纤5，放大输出的脉冲序列11通过输出耦合器13输出。
图5为本发明提供的窄脉冲光纤放大器第四种实施方式的结构示意图。与前述实施方式的区别在于采用了啁啾脉冲放大方式，即在所述的增益光纤5的两侧分别设有脉冲展宽器15和脉冲压缩器17，选择出的脉冲序列10通过脉冲展宽器15将脉冲展宽，展宽后的脉冲16在增益光纤5中传输，并得到高增益的放大，而后再通过脉冲压缩器17压缩输出脉冲的脉宽，最终得到压缩后的脉冲18输出。本图中给出的泵浦耦合系统为侧面泵浦方式，还可以采用前述的端面泵浦方式或树杈状光纤泵浦方式。
图6为本发明提供的窄脉冲光纤放大器第五种实施方式的结构示意图。与前述实施方式的区别在于在光纤放大器输出的光路上设有非线性频率转换器19，放大输出的脉冲序列11通过非线性频率转换器19进行非线性频率转换，得到其他波长的激光输出20。根据非线性频率转换器19的不同，通过倍频、和频、光参量振荡等方式，可以得到覆盖紫外、可见、红外、中红外等波段的激光输出。本图中给出的泵浦耦合系统为端面泵浦方式，还可以采用前述的侧面泵浦方式或树杈状光纤泵浦方式。本实施方式也可以采用前述的啁啾脉冲放大方式，加入脉冲展宽器15和脉冲压缩器17，将经过展宽、放大、压缩得到的压缩后的脉冲18通过非线性频率转换器19进行非线性频率转换，得到其他波长的激光输出20。
具体实施例：
如图1所示的系统结构，其中种子源激光器1采用1W平均功率输出的半导体泵浦锁模Nd:YVO₄固体激光器，波长为1064nm，种子脉冲9的脉宽为100ps，重复频率为100MHz。脉冲选择器2采用声光调制器和配套的射频电源，使不需要的脉冲在光路上偏转，被吸收盒3吸收。脉冲选择器2具有500kHz的重复频率，脉冲选择器2打开状态的持续时间为100ns，在此持续时间内包含10个锁模脉冲。选择出的脉冲序列10通过种子光耦合系统4耦合入增益光纤5的纤芯中。其中增益光纤5采用20μm芯径、400μm内包层直径的掺Yb双包层保偏光纤，976nm的泵浦吸收系数为3dB/m，光纤长6m。光纤两端熔接有端帽以避免端面损伤，并处理为8°角以减小端面反射。最大功率40W的二维准直输出的泵浦源激光器8发出的中心波长976nm的泵浦光通过对泵浦光波长高透过率的双色镜7由泵浦光耦合透镜6耦合入增益光纤5的内包层，并有效地吸收。在增益光纤5中传播的择出的脉冲序列10得到高增益的放大，形成高功率、窄脉宽的激光，由对信号光波长高反射率的双色镜7反射，形成放大输出的脉冲序列11。由于种子源为线偏振输出，光纤为保偏光纤，因此输出的激光也为线偏振。
在耦合入光纤的泵浦光功率为30W时，输出的平均功率为20W，脉冲的重复频率为500kHz，在每个周期内，锁模脉冲序列持续100ns，包含10个脉宽为100ps、间隔为10ns的锁模脉冲。输出的脉冲能量(脉宽100ns的波包)为40μJ，峰值功率为40KW。
若系统中不带有脉冲选择器2，在相同的条件下，输出的平均功率为20W，脉冲的重复频率为100MHz，脉宽为100ps，输出的脉冲能量仅为0.2μJ，峰值功率仅为2KW。
对比上述结果，显然，本专利提出的带有脉冲选择器2的窄脉冲光纤放大器可以得到更高的脉冲能量和峰值功率。
上述实施例得到了线偏振输出、高峰值功率、窄脉宽的激光脉冲，这样的输出非常适合进行非线性频率转换。可以利用图6所示的方案，进行高效率的非线性频率转换。例如，上述的放大输出的脉冲序列11通过由非临界相位匹配的LBO晶体构成的非线性频率转换器19进行倍频，可以得到波长为532nm的绿光输出。LBO晶体尺寸为5×5×25mm，通过温控炉控制在149℃，设计合理的聚焦系统，使入射激光的焦点直径约为200μm，调节入射角度和入射偏振方向，可以使倍频的转换效率大于50％，得到平均功率大于10W的波长532nm的绿光输出。
利用其他类型的非线性频率转换器19，可以得到覆盖紫外、可见、红外、中红外等波段的激光输出。