專利名稱：環(huán)形腔調(diào)q光纖激光再生放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的方法是關(guān)于一種可產(chǎn)生高能量激光脈沖的新型光纖激光放大器，環(huán)形腔調(diào)Q光纖激光再生放大器，簡稱QSFRA。
背景技術(shù)：
高能量激光脈沖已在激光加工，傳感及科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。光纖激光器，具有優(yōu)質(zhì)的激光輸出光斑，結(jié)構(gòu)簡單便于集成，體積小巧，使用靈活方便，因光纖激光器以半導(dǎo)體激光二極管作泵浦源，以光纖作波導(dǎo)和增益介質(zhì)，并包含光纖耦合器等光纖器件，光路調(diào)節(jié)簡單。高能量光纖脈沖激光器，不但在光纖通信領(lǐng)域，在激光手術(shù)，激光雷達，激光加工等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。目前許多實驗室正致力于提高放大由鎖模光纖激光器及半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的種子脈沖的能量，其采用的方法包括用單次通過行波光纖放大器，多級串聯(lián)單次通過行波光纖放大器，比如單級或多級單次通過行波摻Er光纖放大器(簡稱EDFA)([1]D.Taverner，D.J.Richardson，L.Dong，and J.E.Caplen，K.Williams，and R.V.Penty，“158-μJ pulses from a single-transverse-mode，large-mode-areaerbium-doped fiber amplifier”，Optics Letters，Vol.22，1997，378.)。但是，利用此種單次通過行波光纖放大器，由于不可避免的自發(fā)輻射的產(chǎn)生和放大(簡稱ASE)，ASE與輸入信號競爭激活介質(zhì)中的上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，導(dǎo)致了放大器的增益飽和，以及放大自發(fā)輻射噪音的產(chǎn)生。為了放大小信號并消除自發(fā)輻射噪音，英國科研人員用三級串聯(lián)的EDFA，并將兩個聲光調(diào)制開關(guān)分別插入三級串聯(lián)的EDFA之間，聲光調(diào)制開關(guān)與信號光同步，打開開關(guān)使信號光通過，然后關(guān)閉光開關(guān)遮擋自發(fā)輻射噪音進入下一級放大器(見參考文獻[1])。此種多級放大器，遮擋了部分自發(fā)輻射噪音，但對小輸入信號仍然需要多級串聯(lián)的放大器，放大效率低。關(guān)于討論光纖激光放大器的相關(guān)專利和文獻還有[2]Sucbei Moon and Dug Y.Kim“Generation of octave-spanning supercontinuum with 1550-nm amplifieddiode-laser pulses and a dispersion-shifted fiber”，Optical Express vol.14，No.1 2005，270。
美國專利申請，申請?zhí)?0050226278日期2005年10月13日，申請人Gu，Xianhua等“High powershort pulse fiber laser”。
美國專利申請，申請?zhí)?0050041702日期2005年2月24日，申請人Fermann，Martin，Hartl，Ingmar，Imeshev，Gennady，Patel，Rajesh，S.“High energy optical fiber amplifier for picosecond-nanosecond pulsesfor advanced material processing applications”。
至今為止，采用光纖環(huán)形腔腔內(nèi)調(diào)Q，可單次或多次通過稀土離子摻雜增益光纖放大輸入脈沖信號，并可利用光開關(guān)控制輸出放大脈沖的激光放大器還沒有被考慮過。
本發(fā)明描述了一種環(huán)形腔腔內(nèi)主動調(diào)Q光纖激光再生放大器。本發(fā)明的目的是消除自發(fā)輻射放大噪音，提高放大器放大效率，放大產(chǎn)生高能量激光脈沖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可由以下器件及步驟來實現(xiàn)的。
環(huán)形腔腔內(nèi)調(diào)Q單次或多次通過激活增益光纖再生放大器中，包含提供信號光的激光振蕩器，可包含控制調(diào)制信號光的光開關(guān)，包含用于放大信號光的放大器環(huán)形激光腔，還包括放大皮秒或飛秒短脈沖信號時所需要的脈沖寬度展寬及壓縮的器件，包括一多通道同步脈沖/延遲發(fā)生器。其中，放大器環(huán)形激光腔中包含至少一段激光激活增益介質(zhì)光纖，包含一個或多個泵浦光源，包含一個或多個光開關(guān)，可包含至少一個光隔離器和至少一個雙色性的耦合器，可包含一個或多個光纖耦合器，包括無源光波導(dǎo)光纖，可包含一調(diào)節(jié)放大器環(huán)形腔工作波長的器件。
泵浦源可通過雙色性的耦合器，比如WDM耦合器，將泵浦光耦合注入激光腔泵浦激活增益介質(zhì)光纖，環(huán)形腔所用的激活增益介質(zhì)光纖可以是稀土元素摻雜光纖?？捎霉飧綦x器使激光在腔內(nèi)單方向運轉(zhuǎn)，也可以用WDM混合隔離器。可用一波長可調(diào)濾波器，調(diào)諧激光器工作運轉(zhuǎn)波長與輸入信號波長匹配。利用一快速光開關(guān)實現(xiàn)放大器環(huán)形腔調(diào)Q激光運轉(zhuǎn)?？捎靡还忾_光控制輸出放大的光脈沖?？梢杂霉饫w耦合器將種子信號注入放大腔，也可以用光開關(guān)的一個輸入端輸入種子信號，輸入信號脈沖可以是飛秒，皮秒或納秒光脈沖。脈沖/延遲發(fā)生器用于產(chǎn)生同步電信號脈沖，控制腔內(nèi)調(diào)Q光開關(guān)及控制輸入信號脈沖與調(diào)Q激光運轉(zhuǎn)同步。通過脈沖/延遲發(fā)生器調(diào)節(jié)電脈沖脈寬和相對遲延，當(dāng)激光腔處于低損耗高Q值狀態(tài)時，使輸入信號在腔內(nèi)一次或多次循環(huán)通過增益介質(zhì)光纖得到放大，當(dāng)信號脈沖被放大到所需能量值后，控制光開關(guān)將放大信號自放大腔內(nèi)輸出。
本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點是利用此種放大器，通過由光開關(guān)調(diào)制激光腔內(nèi)損耗(激光腔的Q值)，當(dāng)激光腔處于高損耗低Q值狀態(tài)時，不產(chǎn)生激光振蕩，以使能量在激光腔內(nèi)儲存。當(dāng)儲存到一定能量后，使光開關(guān)打向激光腔低損耗高Q值狀態(tài)，被注入到腔內(nèi)的信號光，經(jīng)一次或多次循環(huán)通過激光增益介質(zhì)后，信號脈沖充分吸取增益介質(zhì)中上能級反轉(zhuǎn)粒子而得到充分放大。光開關(guān)打向激光腔高Q值狀態(tài)的時刻及持續(xù)時間和信號光注入腔內(nèi)的時刻由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電脈沖控制，可通過調(diào)節(jié)脈沖信號發(fā)生器的重復(fù)頻率及控制光開關(guān)電脈沖的脈寬和電脈沖之間的相對遲延，使信號脈沖達到一定能量值后將光開關(guān)打向輸出端，從激光腔內(nèi)輸出光脈沖。調(diào)Q激光放大器所產(chǎn)生的能量可以被脈沖能量為皮焦耳量級的弱輸入脈沖信號或強輸入信號脈沖充分地吸取。通過優(yōu)化激光腔，擬制由強脈沖可能引起的各種散射及非線性效應(yīng)，其輸入信號脈沖能量可以被放大到接近器件損傷閾值。由于此種放大器消除了自發(fā)輻射放大噪音，充分地利用了增益介質(zhì)中上能級反轉(zhuǎn)粒子，在激光腔處于高Q值狀態(tài)下充分放大輸入信號脈沖。在小信號輸入時使用同樣的增益介質(zhì)光纖在輸入信號和泵浦功率相同的情況下，其放大效率可以比現(xiàn)有單次通過行波放大器的放大效率高幾十倍以上。


及
具體實施例方式
圖1舉例給出了一種環(huán)形腔調(diào)Q光纖激光再生放大器。
圖1中(1)是稀土摻雜激活增益介質(zhì)光纖。根據(jù)所需輸出脈沖的波長，環(huán)形腔所用的激活增益介質(zhì)光纖，可以是摻鉺，摻釹，摻鐿，摻銩，或多摻雜鉺/釹及多摻雜釹/鐿等光纖或其它激活增益介質(zhì)光纖，分別用于放大不同波段的輸入信號?？梢杂秒p包層光纖或其他種類的光纖。
圖1中(2)是無源光波導(dǎo)光纖。根據(jù)所需要的輸出脈沖能量及脈沖寬度，諧振腔所采用的增益介質(zhì)光纖和無源光波導(dǎo)光纖，見圖1中(1)和(2)，可以是單模光纖，可以是多模光纖，可以是大纖芯光纖，及其他種類的光纖。
環(huán)形腔調(diào)Q光纖激光放大器所包含的器件和光纖可以是偏振保持型的器件和光纖，使放大器放大產(chǎn)生偏振光脈沖。
圖1中(3)是泵浦光源。根據(jù)所用激活介質(zhì)光纖，所用泵浦光源可以是0.9微米波段或1.48微米波段或其他波段的連續(xù)半導(dǎo)體激光器或其它泵浦光源。泵浦方式可以是同向泵浦，反向泵浦或雙向泵浦或其他泵浦方式， 可以用多個半導(dǎo)體激光器作泵浦光源，泵浦光源及尾纖應(yīng)與所用的激活增益介質(zhì)光纖匹配，提高泵浦效率。
圖1中(4)是雙色性的耦合器，可用波分復(fù)用WDM耦合器。圖1中(5)是光隔離器。也可以用WDM混合隔離器，雙色性的耦合器用于將泵浦光耦合輸入到增益介質(zhì)光纖。圖1中舉例說明給出了用一個半導(dǎo)體激光器作泵浦光源時采用反向泵浦環(huán)形腔的示意圖。雙向泵浦時需要在增益介質(zhì)的另一端添加WDM耦合器和泵浦光源。
圖1中(6)是一用于調(diào)節(jié)激光腔工作波長的光器件，可以是波長可調(diào)濾波器或其他波長可調(diào)光器件，用于調(diào)節(jié)激光腔工作運轉(zhuǎn)波長與輸入信號波長匹配。
圖1中(7)為光纖耦合器用于輸入種子信號。輸入的種子信號脈沖可以是飛秒，皮秒或納秒激光脈沖，可以是偏振光或非偏振光，可以通過一個光纖耦合器輸入腔內(nèi)(見圖1)。當(dāng)放大超短飛秒和皮秒脈沖時，為避免由被放大短脈沖的高峰值功率引起的散射和非線性效應(yīng)，在輸入短脈沖信號進入放大腔之前，應(yīng)使用脈沖展寬器件，將短信號脈沖展寬，經(jīng)放大器放大輸出后，可利用脈沖壓縮器件，壓縮放大信號脈沖寬度(見圖3)?？捎霉饫w，棱鏡，光柵或其它器件對短脈沖進行壓縮和展寬。
圖1中(8)是光開關(guān)。光開關(guān)可采用低損耗高速聲光開關(guān)或電光開關(guān)或其他光開關(guān)。可采用有一個輸入端有兩個輸出端的光開關(guān)(見圖1(8))，光開關(guān)用于實現(xiàn)調(diào)Q運轉(zhuǎn)和控制輸出放大光脈沖。這兩個輸出端，一個用于與腔體連接組成環(huán)形腔，一個用于輸出光脈沖。腔內(nèi)光開關(guān)也可以是多端口輸入多端口輸出的光開關(guān)。
圖1中(9)是光纖耦合器抽頭用來監(jiān)測腔內(nèi)光強。
圖1中(10)是多通道同步脈沖/延遲發(fā)生器，輸出的電脈沖寬度可調(diào)，頻率可調(diào)，電脈沖相對遲延可調(diào)。多通道同步脈沖/延遲發(fā)生器產(chǎn)生的電脈沖用于控制調(diào)Q開關(guān)及控制輸入輸出信號，使輸入信號脈沖與放大腔調(diào)Q運轉(zhuǎn)同步，并且它們之間的相對遲延可調(diào)節(jié)。
圖1中(11)為一個光開關(guān)，用于控制輸入信號脈沖與放大腔調(diào)Q運轉(zhuǎn)同步。也可將此光開關(guān)組合到環(huán)形腔中，用于控制信號輸入或輸出。
圖1中(12)是產(chǎn)生信號光的激光振蕩器。對CW激光振蕩器，種子信號脈沖可以由光開關(guān)調(diào)制產(chǎn)生，如果提供信號光的CW激光振蕩器有外接調(diào)制端口，可直接用電脈沖調(diào)制CW激光振蕩器產(chǎn)生與放大器調(diào)Q運轉(zhuǎn)同步的種子信號脈沖。
圖1中(13)為同軸電纜。
圖1中(14)為放大信號輸出端口。
圖1中(15)為輸入信號端口。
圖2舉例說明了圖1所示系統(tǒng)中環(huán)形激光腔內(nèi)Q值及輸入和輸出光脈沖的時間波形圖。圖2中(1)是輸入信號，圖2中(2)是環(huán)形激光腔內(nèi)Q值的時間波形圖，低電平表示激光腔處于高Q值狀態(tài)，高電平表示激光腔處于低Q值狀態(tài)。圖2中(3)是由光開關(guān)控制的放大輸出脈沖信號。圖2中T表示重復(fù)周期，t為激光腔處于高Q值狀態(tài)的時間寬度。
圖3是包含脈沖壓縮器和展寬器的系統(tǒng)總體方塊圖。圖3(1)是信號產(chǎn)生部分，包括信號光源，可包括控制輸入信號脈沖的光開關(guān)等(參閱圖1)。圖3(2)是放大飛秒和皮秒短脈沖信號用的光脈沖展寬器件。圖3(3)是調(diào)Q環(huán)形光纖激光放大腔(參閱圖1)。圖3(4)是用于放大飛秒和皮秒短脈沖信號時的光脈沖壓縮器件。圖3(5)是多通道同步脈沖/延遲發(fā)生器，用于控制調(diào)Q光開關(guān)和控制輸入輸出信號。箭頭線代表光傳播的路線。無箭頭線代表電纜線。
圖4是不包含脈沖壓縮器和展寬器的系統(tǒng)總體方塊圖。圖4(1)是信號產(chǎn)生部分，包括信號光源，可包括控制輸入信號脈沖的光開關(guān)等(參閱圖1)。圖3(2)是調(diào)Q環(huán)形光纖激光放大腔(參閱圖1)。圖4(3)是多通道同步脈沖/延遲發(fā)生器，用于控制調(diào)Q光開關(guān)和控制輸入輸出信號。圖4(4)箭頭線代表光傳播的路線。圖4(5)是電纜線。
表1舉例說明了一種1×2光開關(guān)工作原理。圖5為一個1×2光開關(guān)，圖5(1)為輸入端口，圖5(2)和(3)為輸出端口。
表1.1×2光開關(guān)工作原理(參閱圖5)

權(quán)利要求
1.一種可產(chǎn)生高能量激光脈沖的環(huán)形腔調(diào)Q光纖激光再生放大器，其特征是激光放大器包含一環(huán)形激光腔，放大器的環(huán)形激光腔在低損耗高Q值狀態(tài)時，被輸入的信號脈沖在放大器的環(huán)形激光腔內(nèi)單次或多次循環(huán)通過光纖激活增益介質(zhì)得到放大，并由光開關(guān)控制輸出放大的信號脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是包含至少一個半導(dǎo)體激光器泵浦源泵浦光纖激光放大器中的激活增益介質(zhì)光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是激光放大器環(huán)形腔至少包含一段增益介質(zhì)光纖，增益介質(zhì)光纖可以是摻鉺，摻釹，摻鐿，摻銩，摻鈥，多摻雜鉺/鐿，多摻雜釹/鐿稀土離子摻雜光纖，可以是單模光纖，可以是多模光纖，可以是大纖芯光纖，可以用雙包層光纖，可以用其他種類的光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是可由光纖連接各器件組成激光放大器環(huán)形腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是可用光開關(guān)實現(xiàn)激光放大器環(huán)形腔調(diào)Q激光運轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是包含一光開關(guān)用于控制輸出放大的光脈沖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是包含一光開關(guān)用于控制輸入光脈沖。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是激光放大器環(huán)形腔可包含一個調(diào)節(jié)放大器環(huán)形激光腔激光振蕩波長的器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是激光放大器環(huán)形腔可包含一個用來監(jiān)測腔內(nèi)光脈沖的光纖抽頭。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是可包含一個提供種子信號光的激光振蕩器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是能使用同步脈沖/延遲發(fā)生器控制輸入信號和光開關(guān)，使輸入信號脈沖和激光放大腔調(diào)Q激光運轉(zhuǎn)同步，控制電脈沖之間的相對遲延可調(diào)節(jié)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是可包含對皮秒和飛秒短脈沖進行展寬和壓縮的光器件，所采用的器件及方法可以是使用光學(xué)光柵對短脈沖進行展寬和壓縮，使用光纖對短脈沖進行展寬和壓縮，使用光學(xué)棱鏡對短脈沖進行展寬和壓縮方法中的一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是激光放大器環(huán)形腔可包含至少一個光隔離器和至少一個光耦合器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是激光放大器中所使用的光纖和器件可以是偏振保持的光纖和器件，使放大器輸出偏振光。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，所使用的光開關(guān)可以是多輸入端和多輸出端的光開關(guān)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖激光放大器，其特征是所用無源光纖可以是單模光纖，可以是多模光纖，可以是大纖芯光纖，可以是其他種類的光纖。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種可放大產(chǎn)生高能量激光脈沖的激光光源，環(huán)形腔調(diào)Q光纖激光再生放大器，簡稱為QSFRA。放大器環(huán)形激光腔可實現(xiàn)腔內(nèi)調(diào)Q激光運轉(zhuǎn)，在激光腔處于低損耗高Q值狀態(tài)下，被注入到腔內(nèi)的信號脈沖經(jīng)一次或多次循環(huán)通過激活增益光纖而得到充分放大。當(dāng)信號脈沖被放大到所需能量值后，由光開關(guān)控制將放大信號脈沖自放大腔內(nèi)輸出。這種放大器可提高放大器放大效率，消除自發(fā)輻射放大噪音。放大產(chǎn)生的高能量激光脈沖可以應(yīng)用于激光加工，激光手術(shù)，激光雷達，光學(xué)傳感器和光譜研究等領(lǐng)域。
文檔編號H01S3/06GK101051164SQ200610025498
公開日2007年10月10日 申請日期2006年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月6日
發(fā)明者楊愛萍 申請人:楊愛萍