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1、(10)申请公布号 CN 103762486 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103762486 A (21)申请号 201410038170.9 (22)申请日 2014.01.26 H01S 3/067(2006.01) H01S 3/10(2006.01) G02F 1/33(2006.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 徐剑秋 颜硕 王世伟 (74)专利代理机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 31225 代理人 赵志远 (54) 发明名称 一种输出非相干光束的光纤激光器 (57) 摘要 本发明涉。
2、及一种输出非相干光束的光纤激光 器， 包括连续激光信号源 (1)、 隔离器 (2)、 振幅调 制器 (3)、 相位调制器 (4)、 第一光纤合束器 (5)、 泵浦光源 (6)、 第二光纤合束器 (7)、 掺杂光纤放 大器(8)、 延迟光纤(9)、 声光开关(10)、 同步信号 发生器 (11) 和检测器 (12)。与现有技术相比， 本 发明具有结构简单、 稳定性好、 光束质量高、 同时 具有脉冲时间波形任意整形的能力、 且整机成本 较低等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 。
3、说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103762486 A CN 103762486 A 1/1 页 2 1. 一种输出非相干光束的光纤激光器， 其特征在于， 包括连续激光信号源 (1)、 隔离器 (2)、 振幅调制器 (3)、 相位调制器 (4)、 第一光纤合束器 (5)、 泵浦光源 (6)、 第二光纤合束 器 (7)、 掺杂光纤放大器 (8)、 延迟光纤 (9)、 声光开关 (10)、 同步信号发生器 (11) 和检测器 (12) ； 所述的连续激光信号源(1)、 隔离器(2)、 振幅调制器(3)、 相位调制器(4)、 第一光纤合 束器 (5) 的输入端依次连接， 所述的第一光。
4、纤合束器 (5) 的输出端、 泵浦光源 (6) 分别与第 二光纤合束器(7)的泵浦端连接， 所述的第二光纤合束器(7)输出端、 掺杂光纤放大器(8)、 延迟光纤(9)、 声光开关(10)和检测器(12)依次连接， 所述的检测器(12)与第一光纤合束 器 (5) 的输入端连接， 所述的同步信号发生器 (11) 分别与振幅调制器 (3)、 相位调制器 (4) 和声光开关 (10) 连接。 2. 根据权利要求 1 所述的一种输出非相干光束的光纤激光器， 其特征在于， 所述的第 一光纤合束器(5)、 第二光纤合束器(7)、 掺杂光纤放大器(8)、 延迟光纤(9)、 声光开关(10) 检测器(12)和第。
5、一光纤合束器(5)依次连接后构成光纤环形系统， 该光纤环形系统通过在 时间上把通过振幅调制器发出来的脉冲信号重新合束， 脉冲信号经过光纤环形系统后消除 掉了相干性， 合束后实现非相干激光束的输出。 3. 根据权利要求 1 所述的一种输出非相干光束的光纤激光器， 其特征在于， 所述的延 迟光纤 (9) 为长度超过输出激光相干长度的延迟光纤。 4. 根据权利要求 1 所述的一种输出非相干光束的光纤激光器， 其特征在于， 所述的振 幅调制器 (3) 将连续激光信号源 (1) 发出的连续信号进行振幅调制， 实现任意波形的激光 脉冲输出。 5. 根据权利要求 2 所述的一种输出非相干光束的光纤激光器， 。
6、其特征在于， 所述的第 二光纤合束器 (7) 为泵浦合束器， 将第一光纤合束器 (5) 输出的信号光和由泵浦光源 (6) 发出的泵浦光共同耦合到掺杂光纤放大器 (8) 中， 掺杂光纤放大器 (8) 将放大后的激光输 入到延迟光纤 (9) 中。 6. 根据权利要求 5 所述的一种输出非相干光束的光纤激光器， 其特征在于， 所述的声 光开关 (10) 判断延迟光纤 (9) 中的激光脉冲叠加数目是否达到设定值， 若为是， 打开声光 开关 (10)， 将非相干激光输出。 7. 根据权利要求 6 所述的一种输出非相干光束的光纤激光器， 其特征在于， 所述的声 光开关 (10) 可调整开关闭合时间， 控制。
7、脉冲的光纤环形系统的循环圈数和脉冲重叠数。 8. 根据权利要求 2 所述的一种输出非相干光束的光纤激光器， 其特征在于， 所述的掺 杂光纤放大器 (8) 用来弥补光纤环形系统中的损耗， 使得脉冲光经过一圈回到第一光纤合 束器 (5) 时的能量与原信号光能量值相同， 让最后合束中每份信号光的能量值相同， 每份 信号光所占的比例相同， 以便实现非相干激光束的输出。 9. 根据权利要求 2 所述的一种输出非相干光束的光纤激光器， 其特征在于， 所述的同 步信号发生器 (11) 控制振幅调制器 (3)、 相位调制器 (4) 和声光开关 (10) 的开关时序。 权 利 要 求 书 CN 10376248。
8、6 A 2 1/4 页 3 一种输出非相干光束的光纤激光器 技术领域 0001 本发明涉及一种光纤激光器， 尤其是涉及一种输出非相干光束的光纤激光器。 背景技术 0002 激光的相干长度很长， 相干光的特征是其所有的光波的相位都是同步的， 整束光 就好像一个 “波列” 。但是在光电探测技术等方面， 使用相干的激光雷达对窄线宽脉冲激光 技术和光学对准要求相当苛刻。使用非相干 ( 直接探测 ) 式的激光雷达却比相干激光有更 多优势。而现在产生非相干激光的方式是使用多个激光束组合成， 国内外研究人员在光纤 激光非相干束组方面做了大量的研究工作， 先后提出了多种组束方案， 归纳起来主要分为 外腔束组、。
9、 PTR 布拉格光栅组束和自适应光学元件组束三大类。而这三种组束都有一个缺 点， 就是需要多个激光器， 在产生多种非相干激光的情况下， 就需要多个激光器合束， 其成 本非常之高。 而且每个激光器都不能做到完全相同， 越多的激光器所产生的误差就越大， 导 致组束阵元数目受到限制。 发明内容 0003 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、 稳定 性好、 光束质量高、 同时具有脉冲时间波形任意整形的能力、 且整机成本较低的输出非相干 光束的光纤激光器。 0004 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现 ： 0005 一种输出非相干光束的光纤激光器， 其特征在于， 包括连。
10、续激光信号源、 隔离器、 振幅调制器、 相位调制器、 第一光纤合束器、 泵浦光源、 第二光纤合束器、 掺杂光纤放大器、 延迟光纤、 声光开关、 同步信号发生器和检测器 ； 0006 所述的连续激光信号源、 隔离器、 振幅调制器、 相位调制器、 第一光纤合束器的输 入端依次连接， 所述的第一光纤合束器的输出端、 泵浦光源分别与第二光纤合束器的泵浦 端连接， 所述的第二光纤合束器输出端、 掺杂光纤放大器、 延迟光纤、 声光开关和检测器依 次连接， 所述的检测器与第一光纤合束器的输入端连接， 所述的同步信号发生器分别与振 幅调制器、 相位调制器和声光开关连接。 0007 所述的第一光纤合束器、 第二。
11、光纤合束器、 掺杂光纤放大器、 延迟光纤、 声光开关 检测器和第一光纤合束器依次连接后构成光纤环形系统， 该光纤环形系统通过在时间上把 通过振幅调制器发出来的脉冲信号重新合束， 脉冲信号经过光纤环形系统后消除掉了相干 性， 合束后实现非相干激光束的输出。 0008 所述的延迟光纤为长度超过输出激光相干长度的延迟光纤 ( 此处相干长度的定 义为 l 2/)。 0009 所述的振幅调制器将连续激光信号源发出的连续信号进行振幅调制， 实现任意波 形的激光脉冲输出。 0010 所述的第二光纤合束器为泵浦合束器， 将第一光纤合束器输出的信号光和由泵浦 说 明 书 CN 103762486 A 3 2/4。
12、 页 4 光源发出的泵浦光共同耦合到掺杂光纤放大器中， 掺杂光纤放大器将放大后的激光输入到 延迟光纤中。 0011 所述的声光开关判断延迟光纤中的激光脉冲叠加数目是否达到设定值， 若为是， 打开声光开关， 将非相干激光输出。 0012 所述的声光开关可调整开关闭合时间， 控制脉冲的光纤环形系统的循环圈数和脉 冲重叠数。 0013 所述的掺杂光纤放大器用来弥补光纤环形系统中的损耗， 使得脉冲光经过一圈回 到第一光纤合束器时的能量与原信号光能量值相同， 让最后合束中每份信号光的能量值相 同， 每份信号光所占的比例相同， 以便实现非相干激光束的输出。 0014 所述的同步信号发生器控制振幅调制器、 。
13、相位调制器和声光开关的开关时序。 0015 与现有技术相比， 本发明具有将一台脉冲激光器重复多次利用， 大大降低了成本， 简化了结构， 有利于提高激光输出的光束质量和稳定性， 只应用一个脉冲信号， 减弱的个体 误差对仪器的影响。 附图说明 0016 图 1 为本发明的结构示意图 ： 0017 图 2 为本发明同步信号控制的三个装置的开关时序。 0018 其中 1 为连续激光信号源、 2 为隔离器、 3 为振幅调制器、 4 为相位调制器、 5 为第一 光纤合束器、 6 为泵浦光源、 7 为第二光纤合束器、 8 为掺杂光纤放大器、 9 为延迟光纤、 10 为 声光开关、 11 为同步信号发生器和 。
14、12 为检测器 具体实施方式 0019 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 0020 下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明， 本实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。 0021 如图 1 所示， 一种输出非相干光束的光纤激光器， 包括连续激光信号源 1、 隔离器 2、 振幅调制器3、 相位调制器4、 第一光纤合束器5、 泵浦光源6、 第二光纤合束器7、 掺杂光纤 放大器 8、 延迟光纤 9、 声光开关 10、 同步信号发生器 11 和检测器 12 ； 0022 所述的连续激光信号源1、 隔离。
15、器2、 振幅调制器3、 相位调制器4、 第一光纤合束器 5 的输入端依次连接， 所述的第一光纤合束器 5 的输出端、 泵浦光源 6 分别与第二光纤合束 器 7 的泵浦端连接， 所述的第二光纤合束器 7 输出端、 掺杂光纤放大器 8、 延迟光纤 9、 声光 开关 10 和检测器 12 依次连接， 所述的检测器 12 与第一光纤合束器 5 的输入端连接， 所述 的同步信号发生器 11 分别与振幅调制器 3、 相位调制器 4 和声光开关 10 连接。 0023 所述的第一光纤合束器5、 第二光纤合束器7、 掺杂光纤放大器8、 延迟光纤9、 声光 开关 10 检测器 12 和第一光纤合束器 5 依次连。
16、接后构成光纤环形系统， 该光纤环形系统通 过在时间上把通过振幅调制器发出来的脉冲信号重新合束， 脉冲信号经过光纤环形系统后 消除掉了相干性， 合束后实现非相干激光束的输出。光纤环形系统起到一个光纤放大器和 光纤延迟的作用， 一方面弥补激光在长距离传输中以及经过各种光学器件中的损耗， 另一 说 明 书 CN 103762486 A 4 3/4 页 5 方面使得脉冲的传输超过器相干长度， 在叠加时为非相干叠加。 0024 所述的延迟光纤 9 为长度超过输出激光相干长度的延迟光纤。所述的振幅调制器 3将连续激光信号源1发出的连续信号进行振幅调制， 实现任意波形的激光脉冲输出。 所述 的第二光纤合束器。
17、 7 为泵浦合束器， 将第一光纤合束器 5 输出的信号光和由泵浦光源 6 发 出的泵浦光共同耦合到掺杂光纤放大器 8 中， 掺杂光纤放大器 8 将放大后的激光输入到延 迟光纤 9 中。 0025 所述的声光开关10判断延迟光纤9中的激光脉冲叠加数目是否达到设定值， 若为 是， 打开声光开关10， 将非相干激光输出。 所述的声光开关10可调整开关闭合时间， 控制脉 冲的光纤环形系统的循环圈数和脉冲重叠数。 0026 所述的掺杂光纤放大器 8 用来弥补光纤环形系统中的损耗， 使得脉冲光经过一圈 回到第一光纤合束器 5 时的能量与原信号光能量值相同， 让最后合束中每份信号光的能量 值相同， 每份信号。
18、光所占的比例相同， 以便实现非相干激光束的输出。 0027 所述的同步信号发生器11控制振幅调制器3、 相位调制器4和声光开关10的开关 时序。 0028 连续激光信号源 1 输出连续波信号， 经过隔离器 2， 隔离器对连续激光信号源 1 进 行保护， 防止由后续光纤环的反射光对连续激光信号源 1 的干扰和损坏。由隔离器输出的 激光经过振幅调制器 3 和相位调制器 4， 振幅调制器 3 和相位调制器 4 由任意波发生器经 过驱动电路驱动， 可以将激光束经过斩波、 整形和相位调制。经过相位调制器 4 后， 原来的 连续激光变为脉冲激光， 且具有任意可调的脉冲波形、 强度和随机的相位分布。然后， 。
19、经过 第一光纤合束器 5 注入到光纤环中。在光纤环中， 第二光纤合束器 7 将信号光和由泵浦源 6 提供的泵浦光共同耦合到掺杂光纤放大器 8 中。放大后的激光经过延迟光纤 9， 延迟光纤 9 的长度超过激光脉冲的相干长度。声光开关 10， 可以控制开关的时间， 当光纤环中的脉冲 叠加数目达到设定值时， 打开光纤环， 使光纤环中的非相干激光从光纤环的尾端输出。 检测 器 12 用于检测光纤环中的功率等参数， 并经过反馈系统与泵浦源相连， 反馈控制光纤放大 器的增益， 对整个光纤环的功率维持在设定的水平。振幅调制器 3、 相位调制器 4 和声光开 关10由同步信号发生器11触发， 使振幅调制器、 。
20、相位调制器和声光开关可以保持正确的时 序。 0029 本发明的工作原理如下 ： 连续激光信号源 1 或任何传统的激光器发出的激光通常 具有非常好相干性， 相干长度非常长， 有时可达数公里。即使叠加随机的相位调制后， 也不 能保其相干性被破坏掉， 无法输出可靠的非相关光束。为了实现可靠的非相干激光的光束 的输出， 本发明将激光脉冲通过长距离的光纤延迟线的传播后， 使激光脉冲之间完全不相 干， 再经过合束器进行叠加， 当叠加的脉冲数目足够多时(如100个)， 产生的激光束将是 完全不相干的， 从而确保非相干激光光束的输出。 为了使脉冲叠加的效果最佳， 需要保证叠 加的激光脉冲之间的能量相等， 所占。
21、比例相同。 在本发明中， 通过控制振幅调制器的注入能 量和在光纤环中通过控制光纤放大器的增益， 可以实现叠加激光脉冲间的能量平衡。光纤 环的总净增益(增益减损耗)和注入激光脉冲的能量Iin满足如下关系 ：其 中 m1是光纤环中已经叠加脉冲数， I1为第一个注入的脉冲能量。这样就可以保证叠加的激 光脉冲间能量所占比例相等， 且在光纤以及各种器件所能承受的范围内。 说 明 书 CN 103762486 A 5 4/4 页 6 0030 对于各个器件的同步信号由同步信号发生器控制， 其时序如图 2 所示， 首先振幅 调制器 3 开始工作， 将连续激光器发出的连续波调制成脉冲信号， 脉冲宽度 t。激光。
22、脉冲 到达相位调制器 4， 存在时间延迟c 为光速， l1为振幅调制器与相位调制器间的有 效光纤长度， n 是光纤折射率。3 端口声光开关 10 通常处于常闭状态， 维持光纤环成闭环状 态。当激光脉冲在光纤环中循环一次， 光纤环中激光脉冲与新注入的激光脉冲完成一次非 相干叠加， 当叠加的脉冲数达到设计要求时， 同步信号发生器触发声光开关 10 使其打开， 时间延迟为l2为光纤环的有效长度， m 为叠加的激光脉冲数。 0031 实施例 1 ： 0032 本发明的实施例 1， 所述连续激光信号的中心波长为 10542nm， 线宽 1nm， 功率 为 100mW， 输出光纤为规格 6/125 的石英。
23、光纤。所述光纤隔离器的中心波长为 1054nm， 工作 带宽为 10nm， 插入损耗为 0.73dB， 损伤阈值功率为 1W， 反向隔离度为 31dB。所述振幅调 制器和相位调制器的工作波长为 1054nm。第一合束器采用 2x1 单包层光纤合束器， 工作中 心波长 1054nm， 合束器第一端口到第二端口的插入损耗为 0.74dB， 第二端口到第三端口的 插入损耗为 0.77dB。反向传输时的损耗为 25dB， 交叉损耗为 51dB， 损伤阈值功率为 3W。光 纤环中泵浦源为 970nm 的激光二极管， 输出最大功率 10W。泵浦合束器为波分复用合束器， 将泵浦源 ( 输出泵浦光波长 970。
24、nm) 的输出耦合进入光纤环， 用于泵浦增益光纤。增益光纤 为掺镱光纤， 所述的掺镱光纤为单包层掺镱光纤， 纤芯的直径为6微米， 包层直径125微米， 掺镱光纤泵浦的吸收效率为 0.60.2dB/m， 掺镱光纤的长度为 5m。 0033 传输延迟光纤采用 SMF28 石英光纤， 长度 2kM， 损耗为 0.2dB/km。 0034 同步信号发生器的内部时钟频率 20GHz， 由同步信号发生器装置触发控制振幅 调制器和相位调制器的脉冲频率为 5MHz， 输出脉宽为 10ns。根据振幅调制器和相位调制 器之间相距 50cm， 相位调制的工作延迟 2ns， 因此相位调制器的时序相对振幅调制器延迟 5。
25、.3ns。 设计的重叠脉冲数为100个， 则同步信号触发声光开关打开的延迟约为1.3mS， 具体 延迟根据温度、 应力等因素可以精密调整， 输出的非相干光束的脉冲重复率约为 0.75kHz。 ， 0035 实施例 2 ： 0036 实施例 2 主要用于产生偏振的非相干光束， 而实施例 1 主要用于产生非偏振的非 相干光束， 而且非相干光束的中心波长也根据所选光纤， 移到 1064nm。 0037 实施例 2 与实施例 1 的不同主要体现在所选器件方面， 以及为保证偏振激光的偏 振传输和减少快慢轴之间的干扰， 在光纤环中间将保偏光纤的快慢轴进行互换并交错熔 接。另外， 增益光纤采用双包层掺镱双包层保偏光纤， 纤芯和内外包层直径为 6/105/125 微 米， 以增加光纤放大器的净增益， 增益光纤的长度也增加到 20m。泵浦合束器也改为双包层 光纤泵浦合束器。延迟光纤和传输光纤采用 PM1060 的保偏光纤。 0038 其他所选的器件包括连续激光器、 隔离器、 合束器、 声光开关等中心波长为 1064nm， 且都为偏振相关的器件， 其它参数与实施例 1 相同。 说 明 书 CN 103762486 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103762486 A 7 。