專利名稱：一種mopa結(jié)構(gòu)的高能量低重頻全光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎖模光纖激光器和光纖放大器領(lǐng)域，具體涉及的是通過(guò)將低重復(fù)頻率的主振蕩級(jí)種子源光纖激光器通過(guò)全光纖結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)進(jìn)行功率放大，最終實(shí)現(xiàn)高功率全光纖激光器高能量低重頻脈沖激光輸出的方法。
背景技術(shù)：
在鎖模光纖激光器中，鎖模脈沖的重復(fù)頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拿}沖個(gè)數(shù)就越多，這也就意味著可攜帶的信息量越大，因此，高重復(fù)頻率超短光脈沖在密集波分復(fù)用(DffDM)和光時(shí)分復(fù)用(OTDM)等新型光纖通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，因而得到了人們密切的關(guān)注和飛速的發(fā)展。相對(duì)于高重復(fù)頻率超短光脈沖，低重復(fù)頻率的超短脈沖光源的重復(fù)頻率要低的多，在平均功率一定的情況下，提高了單個(gè)脈沖峰值功率，并且降低脈沖重復(fù)頻率還可以降低熱寄生現(xiàn)象、減小樣本損壞，這種高能量脈沖低重復(fù)頻率激光器在微細(xì) 加工，生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)，光探測(cè)以及激光雷達(dá)等領(lǐng)域中正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。—般而言，在光纖激光器中，利用鎖模技術(shù)產(chǎn)生的光脈沖，其重復(fù)頻率較高(IO-IOOMHz)而脈沖能量較低。為了滿足微細(xì)加工，生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)，光探測(cè)以及激光雷達(dá)等領(lǐng)域中對(duì)高脈沖能量的要求，通常將鎖模光纖激光器產(chǎn)生的超短脈沖通過(guò)脈沖選擇器(電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器)獲得低重復(fù)頻率的脈沖激光，然后再將這種低重復(fù)頻率的脈沖激光耦合入放大器中進(jìn)行放大從而獲得高能量脈沖輸出。傳統(tǒng)的電光調(diào)制器和聲光調(diào)制器作為脈沖選擇方式，一方面調(diào)制對(duì)比度較低，所選單脈沖中通常會(huì)帶有原始脈沖信號(hào)，并會(huì)隨著放大而對(duì)選擇結(jié)果造成大的干擾；另一方面，其價(jià)格昂貴，能量利用效率低，散熱性能差，不能利用空氣冷卻，造成能量浪費(fèi)嚴(yán)重，且體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從而使光纖激光器失去了簡(jiǎn)潔輕便的優(yōu)點(diǎn)。與此相比，根據(jù)鎖模光纖激光器的脈沖重復(fù)頻率和激光器腔長(zhǎng)成反比的關(guān)系，通過(guò)延長(zhǎng)腔長(zhǎng)來(lái)降低鎖模脈沖的重復(fù)頻率從而提高脈沖能量則是一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法。要實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)的鎖模光纖激光器，目前最有效的方法是被動(dòng)鎖模技術(shù)，被動(dòng)鎖模技術(shù)是一種全光纖非線性技術(shù)，它不需要任何的有源器件，而是將光纖的非線性效應(yīng)作為鎖模機(jī)制，產(chǎn)生PS甚至fs量級(jí)的脈沖。目前最常用的被動(dòng)鎖模技術(shù)主要是基于可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)被動(dòng)鎖模，常用的可飽和吸收體是半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)和碳納米管(SffNT)，它們利用了可飽和吸收體對(duì)激光的吸收隨光場(chǎng)強(qiáng)度而變化的原理，在激光諧振腔中，當(dāng)光場(chǎng)較弱時(shí)吸收較強(qiáng)，光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)吸收較弱，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到特定值時(shí)，使最強(qiáng)激光經(jīng)受最小損耗，從而得實(shí)現(xiàn)激光鎖模。最近，人們發(fā)現(xiàn)原子層級(jí)石墨烯薄膜可以作為一種新型的可飽和吸收體用于光纖激光器被動(dòng)鎖模及調(diào)Q，相比于SESAM和SWNT，石墨烯可飽和吸收體具有飽和吸收帶范圍寬，損傷閾值高，比表面積大，易于與光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)際上已有多個(gè)課題組將石墨烯作為飽和吸收體展開(kāi)了研究。近年來(lái)，由于包層泵浦技術(shù)的出現(xiàn)，極大促進(jìn)了高功率光纖激光器和高功率光纖放大器的發(fā)展，包層泵浦技術(shù)利用的雙包層摻雜光纖，其纖芯與相應(yīng)激光波長(zhǎng)的單模稀土摻雜光纖相同，內(nèi)包層的形狀和直徑能夠與高功率激光二極管有效耦合外包層采用低折射率材料。當(dāng)多模泵浦激光耦合到雙包層光纖的內(nèi)包層中時(shí)，多模泵浦光在內(nèi)包層中傳播時(shí)會(huì)反復(fù)穿過(guò)光纖纖芯，使光纖纖芯對(duì)泵浦光的達(dá)到有效吸收并輻射出單模激光，從而實(shí)現(xiàn)高功率、低亮度激光二極管泵浦激光轉(zhuǎn)換成接近衍射極限的強(qiáng)激光輸出?；谥髡袷幑β史糯螅?jiǎn)稱Μ0ΡΑ，它是通過(guò)用泵浦光對(duì)種子信號(hào)光進(jìn)行泵浦，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)種子光源的功率放大。其主要優(yōu)點(diǎn)是主振蕩器主要作用是產(chǎn)生高質(zhì)量的種子光，由于可以對(duì)種子源的輸出特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而輸出光較易做到所需的時(shí)域、頻域特性和保持良好的光束質(zhì)量；功率放大部分主要作用則是對(duì)種子光進(jìn)行放大，在保證了輸出光的高光束質(zhì)量的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了高功率、高能量輸出，又保證了低功率種子源的良好脈沖特性和雙包層放大器的高功率放大特性的優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的主要是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種產(chǎn)生高能量低重頻脈沖激光的方法，該方法通過(guò)延長(zhǎng)腔長(zhǎng)的辦法實(shí)現(xiàn)了鎖模光纖激光器的高能量低重頻脈沖輸出，并將它作為主振蕩級(jí)種子源系統(tǒng)通過(guò)級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)進(jìn)行功率放大，從而現(xiàn)實(shí)了 高能量低重頻脈沖激光的高功率輸出。本發(fā)明目的將由以下技術(shù)方案完成一種MOPA結(jié)構(gòu)的高能量低重頻全光纖激光器，其特征在于所述全光纖激光器包括主振蕩級(jí)種子源系統(tǒng)和用于對(duì)種子源進(jìn)行功率放大的級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)，具體包括用于為激光產(chǎn)生提供泵浦能量的泵浦源，用于提供增益的雙包層增益光纖，用于對(duì)產(chǎn)生的激光進(jìn)行相位調(diào)制從而產(chǎn)生超短脈沖的鎖模裝置，以及用于激光傳輸?shù)膯文鬏敼饫w；其中，主振蕩級(jí)種子源系統(tǒng)作為高能量低重頻全光纖激光器的種子源，種子源采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，泵浦光經(jīng)波分復(fù)用器被耦合進(jìn)雙包層增益光纖進(jìn)行增益放大，產(chǎn)生的激光被傳輸至鎖模裝置后產(chǎn)生脈沖激光，脈沖激光被傳輸至分束器后部分激光經(jīng)過(guò)分束作用后輸出，其余激光再次被傳輸至波分復(fù)用器耦合進(jìn)諧振腔中進(jìn)行振蕩，種子源的諧振腔由摻雜稀土元素的雙包層增益光纖、單模傳輸光纖和鎖模裝置構(gòu)成，其特征在于所述的諧振腔中單模傳輸光纖的長(zhǎng)度為200m-4Km ;脈沖激光從種子源輸出后被輸入到全光纖結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)中進(jìn)行功率放大。所述的主振蕩級(jí)種子源系統(tǒng)所用的鎖模裝置為可飽和吸收體，包括半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，碳納米管可飽和吸收體和石墨烯可飽和吸收體；摻雜稀土元素鉺，鐿，欽或銩的雙包層光纖作為增益光纖；種子源的諧振腔中置有控制腔內(nèi)激光偏振方向的光纖式偏振控制器，用于優(yōu)化鎖模脈沖序列；諧振腔中還置有光纖式環(huán)形器，用于控制激光諧振腔內(nèi)激光的傳輸方向，便于鎖模裝置的連接。所述的級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)可以為單級(jí)或多級(jí)全光纖放大器系統(tǒng)；在光纖放大器系統(tǒng)后連接有光纖式光柵壓縮裝置，用于對(duì)輸出的脈沖激光進(jìn)行脈寬壓縮；所述的激光器主振蕩級(jí)系統(tǒng)與放大器系統(tǒng)之間及放大器系統(tǒng)每一級(jí)輸出端都置有光纖隔離器，用來(lái)防止下一級(jí)系統(tǒng)的反饋光對(duì)上一級(jí)系統(tǒng)的干擾。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，由于作為種子源的主振蕩級(jí)系統(tǒng)采用的是環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，根據(jù)環(huán)形腔腔長(zhǎng)與重復(fù)頻率的計(jì)算公式L = C/nf，諧振腔腔長(zhǎng)與鎖模脈沖重復(fù)頻率成反比(C為真空光速，η為單模傳輸光纖的折射率)，通過(guò)增加諧振腔中單模光纖長(zhǎng)度來(lái)延長(zhǎng)腔長(zhǎng)，有效降低了諧振腔內(nèi)脈沖的重復(fù)頻率，顯著地提高了單脈沖能量；激光器可以用石墨烯可飽和吸收體作為鎖模裝置，由于石墨烯可飽和吸收體具有飽和吸收帶范圍寬，損傷閾值高，比表面積大，易于與光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的鎖模特性和低廉的制備成本有望使鎖模光纖激光器結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，性能更穩(wěn)定，并有望使其成本得到降低；諧振腔中的增益光纖為雙包層增益光纖，包層泵浦實(shí)現(xiàn)了泵浦源與增益光纖的高效耦合，使得輸出功率得到極大地提高；由于無(wú)需使用電光或聲光調(diào)制其選擇脈沖，因此極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得激光器的全光纖化得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)又降低了成本；通過(guò)進(jìn)一步將主振蕩級(jí)系統(tǒng)的輸出脈沖通過(guò)光纖放大器系統(tǒng)進(jìn)行功率放大，可以實(shí)現(xiàn)平均功率達(dá)百瓦級(jí)高能量低重頻的脈沖激光輸出。

附圖I為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖附圖2為本發(fā)明實(shí)施例主振蕩級(jí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖附圖3為本發(fā)明實(shí)施例主振蕩級(jí)系統(tǒng)得到的鎖模脈沖序列附圖4分別為本發(fā)明實(shí)施例主振蕩級(jí)系統(tǒng)經(jīng)兩級(jí)光纖放大器系統(tǒng)進(jìn)行功率放大的結(jié)構(gòu)示意圖圖2、4中1、泵浦源；2、波分復(fù)用器(WDM) ;3、雙包層摻鐿光纖；4、分束器；5、主振蕩級(jí)激光脈沖輸出端；6、光纖式環(huán)形器；7、石墨烯可飽和吸收鏡；8、光纖式偏振控制器；
9、單模傳輸光纖；10、光纖式隔離器；11合束器；12、經(jīng)放大器系統(tǒng)放大后的激光脈沖輸出端;
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的MOPA結(jié)構(gòu)的高能量低重頻全光纖激光器的相關(guān)特征做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。泵浦源產(chǎn)生的泵浦光注入到主振蕩級(jí)系統(tǒng)的諧振腔，經(jīng)過(guò)增益光纖后泵浦光轉(zhuǎn)換為激光，所產(chǎn)生的激光開(kāi)始在諧振腔內(nèi)進(jìn)行傳輸，激光經(jīng)鎖模裝置作用后產(chǎn)生穩(wěn)定的鎖模脈沖激光輸出。在環(huán)形腔中，所產(chǎn)生的鎖模脈沖激光的重復(fù)頻率可根據(jù)公式f = C/nL得出。其中，L為諧振腔的總長(zhǎng)，即摻雜光纖和單模傳輸光纖的總長(zhǎng)。由此看出，只要通過(guò)增加單模傳輸光纖的長(zhǎng)度就可以降低重復(fù)頻率，當(dāng)單模傳輸光纖的長(zhǎng)度為200m-4km時(shí),激光脈沖的重復(fù)頻率降低至1ΜΗζ-50ΚΗζ。本實(shí)施例優(yōu)選的利用自行制備的石墨烯可飽和吸收鏡(GSAM)做鎖模器件，它是通過(guò)將混合均勻的石墨烯-聚乙烯醇(石墨烯-PVA)懸濁液沉積在寬帶全反射鏡上，再將其進(jìn)行干燥，最終將在寬帶全反射鏡上形成一層石墨烯薄膜，這層石墨烯薄膜與寬帶全反射鏡共同構(gòu)成了石墨烯可飽和吸收鏡，本發(fā)明還可選用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡、碳納米管可飽和吸收體作鎖模裝置。本實(shí)施例優(yōu)選的利用摻鐿雙包層光纖作增益光纖，其工作在全正色散域，除摻鐿雙包層光纖外，本發(fā)明還可選用摻鉺、欽、銩的雙包層光纖作增益光纖。圖I所示為本發(fā)明高能量低重頻的光纖激光器的實(shí)施方式流程示意圖。圖2、4所示為本發(fā)明優(yōu)選的一種實(shí)施方式，在圖2所示的主振蕩級(jí)系統(tǒng)中，泵浦源I產(chǎn)生的泵浦光通過(guò)波分復(fù)用器2耦合進(jìn)主振蕩級(jí)系統(tǒng)的諧振腔，諧振腔由雙包層摻鐿光纖3，石墨烯可飽和吸收鏡7和單模傳輸光纖9構(gòu)成；泵浦光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器2進(jìn)入雙包層摻鐿光纖3，經(jīng)過(guò)增益放大后產(chǎn)生的激光被傳輸至光纖式環(huán)形器6 ;光纖式環(huán)形器的反射端與石墨烯可飽和吸收鏡7連接，由于飽和吸收體對(duì)諧振腔內(nèi)的弱脈沖吸收較多，而對(duì)強(qiáng)脈沖吸收較少，激光經(jīng)過(guò)石墨烯可飽和吸收鏡7的飽和吸收作用實(shí)現(xiàn)鎖模，產(chǎn)生超短脈沖；同時(shí)由于光纖式環(huán)形器具有一定的隔離度，從而使激光在諧振腔內(nèi)單向傳輸；在本實(shí)施例中通過(guò)將單模傳輸光纖9的長(zhǎng)度延長(zhǎng)至2km，增加了諧振腔的長(zhǎng)度，將鎖模脈沖的重復(fù)頻率降低至ΙΟΟΚΗζ，所得鎖模脈沖激光如圖3所示；在諧振腔內(nèi)傳播的脈沖激光最終通過(guò)分束器4的分束作用實(shí)現(xiàn)脈沖激光的輸出，所得到的輸出功率為40mW，單脈沖能量達(dá)到了 400nJ ;本實(shí)施例采用光纖式偏振控制器8來(lái)調(diào)整激光脈沖的偏振方向，優(yōu)化鎖模脈沖序列。圖4所示的是本發(fā)明實(shí)施例主振蕩級(jí)系統(tǒng)經(jīng)兩級(jí)光纖放大器系統(tǒng)進(jìn)行功率放大的結(jié)構(gòu)示意圖，將主振蕩級(jí)系統(tǒng)作為種子源，從激光脈沖輸出端5輸出的脈沖激光通過(guò)光纖式隔離器10后傳輸至第一級(jí)光纖放大器，泵浦源I提供的泵浦光通過(guò)合束器11耦合進(jìn)雙包層摻鐿光纖3對(duì)脈沖激光進(jìn)行增益放大，然后再次經(jīng)過(guò)光纖式隔離器10后進(jìn)入第二級(jí)光纖放大器，在第二級(jí)光纖放大器中經(jīng)同樣的放大作用后再次經(jīng)過(guò)光纖式隔離器10后由輸出端12實(shí)現(xiàn)高功率的脈沖激光輸出，主振蕩級(jí)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩級(jí)光纖放大器系統(tǒng)放大作用 后最終可以得到功率達(dá)百瓦級(jí)的高能量低重頻脈沖激光輸出。本實(shí)施例中的壓縮部分采用的是光柵對(duì)壓縮技術(shù)。這種壓縮技術(shù)有兩個(gè)性能相同的光柵平行放置組成，其對(duì)波長(zhǎng)1064nm的光脈沖具有負(fù)色散作用，所以可以補(bǔ)償光纖的光脈沖的正色散作用，可將脈沖寬度壓縮至皮秒量級(jí)。本發(fā)明的關(guān)鍵之處在于通過(guò)采用延長(zhǎng)單模傳輸光纖來(lái)增加諧振腔長(zhǎng)度的辦法實(shí)現(xiàn)了主振蕩級(jí)系統(tǒng)的高能量低重頻脈沖激光輸出，其中采用雙包層摻雜光纖做增益光纖，保證了較高的功率輸出，選用石墨烯可飽和吸收鏡等可飽和吸收體作為鎖模裝置具有鎖模特性優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；將主振蕩級(jí)系統(tǒng)作為種子源通過(guò)級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)對(duì)得到的高能量低重頻脈沖激光做進(jìn)一步的功率放大，從而實(shí)現(xiàn)了高能量低重頻脈沖激光的高功率輸出。整個(gè)激光器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全光纖化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能高效穩(wěn)定，能夠廣泛的應(yīng)用于微細(xì)加工，生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)，光探測(cè)以及激光雷達(dá)等眾多領(lǐng)域。
權(quán)利要求1.一種MOPA結(jié)構(gòu)的高能量低重頻全光纖激光器，其特征在于所述全光纖激光器包括主振蕩級(jí)種子源系統(tǒng)和用于對(duì)種子源進(jìn)行功率放大的級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)；具體包括用于為激光產(chǎn)生提供泵浦能量的泵浦源，用于提供增益的雙包層增益光纖，用于對(duì)產(chǎn)生的激光進(jìn)行相位調(diào)制從而產(chǎn)生超短脈沖的鎖模裝置，以及用于激光傳輸?shù)膯文鬏敼饫w；其中，主振蕩級(jí)種子源系統(tǒng)作為高能量低重頻全光纖激光器的種子源，種子源采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，泵浦光經(jīng)波分復(fù)用器被耦合進(jìn) 雙包層增益光纖進(jìn)行增益放大，產(chǎn)生的激光被傳輸至鎖模裝置后產(chǎn)生脈沖激光，脈沖激光被傳輸至分束器后部分激光經(jīng)過(guò)分束作用后輸出，其余激光再次被傳輸至波分復(fù)用器耦合進(jìn)諧振腔中進(jìn)行振蕩，種子源的諧振腔由雙包層增益光纖、單模傳輸光纖和鎖模裝置構(gòu)成，其特征在于所述的諧振腔中單模傳輸光纖的長(zhǎng)度為200m-4Km ;脈沖激光從種子源輸出后被輸入到全光纖結(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)中進(jìn)行功率放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種MOPA結(jié)構(gòu)的高能量低重頻全光纖激光器，其特征在于所述的主振蕩級(jí)種子源系統(tǒng)所用的鎖模裝置為可飽和吸收體，包括半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，碳納米管可飽和吸收體和石墨烯可飽和吸收體；雙包層光纖作為增益光纖；種子源的諧振腔中置有控制腔內(nèi)激光偏振方向的光纖式偏振控制器，用于優(yōu)化鎖模脈沖序列；諧振腔中還置有光纖式環(huán)形器，用于控制激光諧振腔內(nèi)激光的傳輸方向，便于鎖模裝置的連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種MOPA結(jié)構(gòu)的高能量低重頻全光纖激光器，其特征在于所述的級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)可以為單級(jí)或多級(jí)全光纖放大器系統(tǒng)；在光纖放大器系統(tǒng)后連接有光纖式光柵壓縮裝置，用于對(duì)輸出的脈沖激光進(jìn)行脈寬壓縮；所述的激光器主振蕩級(jí)系統(tǒng)與放大器系統(tǒng)之間及放大器系統(tǒng)每一級(jí)輸出端都置有光纖隔離器，用來(lái)防止下一級(jí)系統(tǒng)的反饋光對(duì)上一級(jí)系統(tǒng)的干擾。
專利摘要一種MOPA結(jié)構(gòu)的高能量低重頻全光纖激光器，涉及鎖模光纖激光器和光纖放大器領(lǐng)域。所述全光纖激光器包括主振蕩級(jí)種子源系統(tǒng)和用于對(duì)種子源進(jìn)行功率放大的級(jí)聯(lián)光纖放大器系統(tǒng)，具體包括用于為激光產(chǎn)生提供泵浦能量的泵浦源，用于提供增益的雙包層增益光纖，用于對(duì)產(chǎn)生的激光進(jìn)行相位調(diào)制從而產(chǎn)生超短脈沖的鎖模裝置，以及用于激光傳輸?shù)膯文鬏敼饫w；所述的單模傳輸光纖的長(zhǎng)度為200m-4Km；本實(shí)用新型通過(guò)增加諧振腔中單模光纖長(zhǎng)度來(lái)延長(zhǎng)腔長(zhǎng)，有效降低了諧振腔內(nèi)脈沖的重復(fù)頻率，顯著地提高了單脈沖能量。
文檔編號(hào)H01S3/067GK202513435SQ20122001207
公開(kāi)日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者王璞, 王科 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)