專利名稱：一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)的制作方法
一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)本發(fā)明涉及一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)。近兩年，空天技術(shù)與空間科學(xué)的發(fā)展對(duì)激光技術(shù)提出了越來越高的要求，一個(gè)亟待解決的問題就是修正大氣湍流效應(yīng)以提高對(duì)外太空行星和恒星定位的精確度，如太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡上的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。但是，并非總能在待測(cè)量目標(biāo)附近的天區(qū)找到足夠亮的參考定位星，如果參考定位星距離待測(cè)量目標(biāo)太遠(yuǎn)，兩個(gè)方向上波前扭曲并不相同，會(huì)令成像質(zhì)量嚴(yán)重變差。一種有效的解決辦法是使用激光技術(shù)人工制造出一顆參考定位星，稱為激光導(dǎo)星。由于在地球大氣層的中間層，高度約為80-90km，有一層稀薄的鈉原子。這些鈉原子受到激發(fā)，能夠發(fā)射出波長(zhǎng)為589nm的鈉黃光，即可以用作導(dǎo)星。但這需要大功率、高性能的激光光源。589nm鈉黃光激光除了在激光鈉導(dǎo)星方面的有重要應(yīng)用，同時(shí)在激光雷達(dá)、激光醫(yī)療、舞臺(tái)表演、城市觀景、國(guó)防軍事和科學(xué)研究等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。一般的，獲得589nm光源的方式主要有染料激光技術(shù)、拉曼光纖激光技術(shù)與全固態(tài)和頻激光技術(shù)三種方案。①染料激光技術(shù)，染料激光器由于功率低、染料退化、能耗高等一系列問題，已經(jīng)很少被采用。②1178nm拉曼光纖激光器及放大器，結(jié)合非線性晶體的腔外倍頻技術(shù)，該方案需要1178nm的窄線寬光源和為拉曼放大器特殊設(shè)計(jì)的泵浦源，以及外腔腔長(zhǎng)、激光偏振穩(wěn)定、和溫度控制技術(shù)。特別是光纖激光的偏振態(tài)難以穩(wěn)定控制，1178nm拉曼激光的非線性倍頻難以穩(wěn)定且倍頻效率一般非常低，另外為獲得高功率，整個(gè)方案復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來困難。③全固態(tài)方案，如和頻1064nm和1319nm的雙波長(zhǎng)Nd:YAG激光器，即1064nm+1319nm — 2X589nm，該方案對(duì)鍍膜要求極其嚴(yán)格，而且很難實(shí)現(xiàn)對(duì)基頻光功率的控制及不同波長(zhǎng)脈沖的時(shí)域匹配，極難使黃光激光的平均功率達(dá)到IW以上。因此，上述三種技術(shù)方案所涉及的裝置復(fù)雜、很難獲得高功率或大脈沖能量、成本昂貴、穩(wěn)定性差，很難進(jìn)入實(shí)質(zhì)應(yīng)用階段。本發(fā)明克服了上述技術(shù)的不足，提供了一種可見波段窄線寬可調(diào)諧全光纖脈沖激光系統(tǒng)，通過采用非線性光纖光學(xué)頻率變換技術(shù)，即六波混頻技術(shù)(或稱為級(jí)聯(lián)四波混頻技術(shù))來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)皮秒脈沖激光的波長(zhǎng)可調(diào)、窄線寬、高峰值和高平均功率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案:一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，包括有用于輸出鎖模脈沖激光的脈沖振蕩器100，所述脈沖振蕩器100的輸出端連接有用于提高鎖模脈沖激光平均功率的光纖預(yù)放大器200，所述光纖預(yù)放大器200的輸出端連接有用于對(duì)鎖模脈沖激光實(shí)現(xiàn)高平均功率放大和產(chǎn)生非線性混頻的六波混頻放大器300，六波混頻放大器300輸出端連接有用于對(duì)所需波段的鎖模脈沖激光進(jìn)行帶通濾波并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直輸出的輸出濾波器400，所述輸出濾波器400的輸出端作為該系統(tǒng)的輸出端。
所述的脈沖振蕩器100包括第一波分復(fù)用器102，所述第一波分復(fù)用器102輸入端連接有第一半導(dǎo)體激光注入端101，所述第一波分復(fù)用器102復(fù)合輸出端通過第一增益光纖103與分束器104的輸入端連接，所述分束器104反饋輸出端順次通過可飽和吸收體105、第一光隔離器106與第一波分復(fù)用器102的反饋輸入端連接，所述分束器104輸出端作為脈沖振蕩器100的輸出端。所述的光纖預(yù)放大器200包括第二波分復(fù)用器202，所述第二波分復(fù)用器202 —輸入端通過第二光隔離器201與脈沖振蕩器100的輸出端連接，所述第二波分復(fù)用器202另一輸入端連接有第二半導(dǎo)體激光注入端204，所述第二波分復(fù)用器202輸出端連接有第二增益光纖203，所述第二增益光纖203的另一端作為光纖預(yù)放大器200的輸出端。所述的六波混頻放大器300包括泵浦合束器302，所述泵浦合束器302種子光輸入端通過第三光隔離器301與光纖預(yù)放大器200的輸出端連接，所述泵浦合束器302的泵浦輸入端連接有泵浦源304，所述泵浦合束器302輸出端連接有第三增益光纖303，所述第三增益光纖303另一端作為六波混頻放大器300的輸出端。所述的輸出濾波器400包括帶通濾波器401，所述帶通濾波器401的輸入端與六波混頻放大器300的輸出端連接，所述帶通濾波器401的輸出端連接有準(zhǔn)直輸出器402，所述準(zhǔn)直輸出器402輸出端作為輸出濾波器的400的輸出端。所述泵浦源304至少為六個(gè)，所述所有泵浦源304與泵浦合束器302的泵浦輸入
端連接。所述第三增益光纖303為保偏雙包層增益光纖、非保偏雙包層增益光纖、螺旋手性結(jié)構(gòu)增益光纖或光子晶體增益光纖。本發(fā)明的有益效果是:1、本發(fā)明皮秒脈沖激光波長(zhǎng)具有可調(diào)諧的、窄線寬等優(yōu)點(diǎn)；2、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)脈沖激光高平均功率放大和非線性混頻的產(chǎn)生，穩(wěn)定性高；3、本發(fā)明可發(fā)射波長(zhǎng)為589nm附近的黃色激光，其譜線寬度小于Inm ；4、本發(fā)明可用于空間光學(xué)自適應(yīng)校準(zhǔn)、激光雷達(dá)、空間遙感、天文觀測(cè)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1為本發(fā)明的可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例一結(jié)構(gòu)示意圖。下面結(jié)合附圖與本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述:如圖1所示，一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，包括有用于輸出鎖模脈沖激光的脈沖振蕩器100，所述脈沖振蕩器100的輸出端連接有用于提高鎖模脈沖激光平均功率的光纖預(yù)放大器200，所述光纖預(yù)放大器200的輸出端連接有用于對(duì)鎖模脈沖激光實(shí)現(xiàn)高平均功率放大和產(chǎn)生非線性混頻的六波混頻放大器300，六波混頻放大器300輸出端連接有用于對(duì)所需波段的鎖模脈沖激光進(jìn)行帶通濾波并現(xiàn)實(shí)準(zhǔn)直輸出的輸出濾波器400，所述輸出濾波器400的輸出端作為該系統(tǒng)的輸出端。
實(shí)施例一:如圖2所示，所述的脈沖振蕩器100包括第一波分復(fù)用器102，所述第一波分復(fù)用器102輸入端連接有第一半導(dǎo)體激光注入端101，所述第一波分復(fù)用器102復(fù)合輸出端通過第一增益光纖103與分束器104的輸入端連接，所述分束器104反饋輸出端順次通過可飽和吸收體105、第一光隔離器106與第一波分復(fù)用器102的反饋輸入端連接，所述分束器104輸出端為脈沖振蕩器100的輸出端。所述的脈沖振蕩器100是摻鐿光纖激光振蕩器，該振蕩器可采用可飽和吸收體、非線性偏振旋轉(zhuǎn)或非線性環(huán)形鏡鎖模等多種鎖模方式來實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖光纖激光的輸出；且可采用駐波腔或者環(huán)形腔，通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)鎖模狀態(tài)對(duì)輸出中心波長(zhǎng)和脈沖寬度實(shí)施調(diào)諧。所述的光纖預(yù)放大器200包括第二波分復(fù)用器202，所述第二波分復(fù)用器202 —輸入端通過第二光隔離器201與脈沖振蕩器100的輸出端連接，所述第二波分復(fù)用器202另一輸入端連接有第二半導(dǎo)體激光注入端204，所述第二波分復(fù)用器202輸出端連接有第二增益光纖203,所述第二增益光纖203的另一端為光纖預(yù)放大器200的輸出端。光纖預(yù)放大器200可以是單模光纖放大器或者雙包層放大器，目的在于將脈沖振蕩器的平均功率從數(shù)個(gè)毫瓦提升百毫瓦，滿足后續(xù)六波混頻放大器對(duì)注入種子光能量的需求。

所述的六波混頻放大器300包括泵浦合束器302，所述泵浦合束器302種子光輸入端通過第三光隔離器301與光纖預(yù)放大器200的輸出端連接，所述泵浦合束器302的泵浦輸入端連接有泵浦源304，所述泵浦合束器302輸出端連接有第三增益光纖303，所述第三增益光纖303的另一端為六波混頻放大器300的輸出端。所述泵浦源304至少為六個(gè)，所述所有第三泵浦源304與泵浦合束器302的泵浦輸入端連接。所述的六波混頻放大器300為多模雙包層光纖放大器，可見光波段激光產(chǎn)生于六波混頻放大器300中，所述六波混頻放大器300既可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖預(yù)放大器200輸出的種子光Stl的高平均功率放大，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)非線性六波混頻信號(hào)ω2、《3及ω4產(chǎn)生。其中，在泵浦合束器302輸入端上連接多個(gè)泵浦源來實(shí)現(xiàn)高平均功率種子光S1的輸出，高平均功率種子光S1的放大依靠第三增益光纖中摻雜粒子(如摻雜的稀土粒子、Yb3+或Er3+)來實(shí)現(xiàn)，可將高平均功率種子光S1的平均功率超過10瓦或更高?？梢姴ǘ蔚募す廨敵鲆揽康谌鲆婀饫w303的非線性參量增益得以實(shí)現(xiàn)，高平均功率種子光S1可在第三增益光纖303中產(chǎn)生級(jí)聯(lián)四波混頻效應(yīng)。所述級(jí)聯(lián)四波混頻的級(jí)數(shù)隨著高平均功率種子光S1的功率升高而變多，即在高平均功率種子光S1中的光子O1強(qiáng)度被放大到某一閾值后，O1在第三增益光纖303中產(chǎn)生光纖介質(zhì)三階非線性極化，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)四波混頻過程，2Χ (O1 — ω2+ω3，其中(^、(^和ω 3分別為高平均功率種子光、第一級(jí)四波混頻產(chǎn)生的信號(hào)光、第一級(jí)四波混頻產(chǎn)生的閑頻光；當(dāng)高功率種子光子O1繼續(xù)增大，第一級(jí)四波混頻產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的信號(hào)光(參量光)ω2后，ω2即可作為泵浦光產(chǎn)生第二級(jí)四波混頻，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)四波混頻過程:2Χ ω2 — ω4+ω3，其中(02、(04和ω3分別為泵浦光、第二級(jí)四波混頻產(chǎn)生的信號(hào)光、第二級(jí)四波混頻產(chǎn)生的閑頻光。此處，ω4>ω2>ωι>ω3，第一級(jí)四波混頻產(chǎn)生的閑頻光和第二級(jí)四波混頻產(chǎn)生的閑頻光為四波混頻共享閑頻光，即ω3。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可將該兩次四波混頻過程中的閑頻光ω 3消去，即2 X ω 4 — ω 2+2 ( ω 2- ω J，該過程中共有六個(gè)光子參與作用，因此稱之為六波混頻。該過程中ω3可以以任何方式損耗，并不影響混頻過程，通過控制ω” ω2、ω4的傳播模式，《2和ω4可從O1中獲得較強(qiáng)增益。該六波混頻過程起源于多模雙包層光纖的非線性噪聲，通過光纖的模式色散補(bǔ)償光纖的材料色散，使得不同頻率在不同模式中保持相同的群速度，以滿足混頻過程所需的相位匹配條件。所述的六波混頻放大器300，可以進(jìn)一步包含更多級(jí)的級(jí)聯(lián)放大裝置，以獲得更高輸出功率；也可以包含相應(yīng)的脈沖壓縮器件，得到更短時(shí)間寬度的脈沖輸出；也可啁啾脈沖再生或多通放大器相連，獲得更高脈沖能量。所述的輸出濾波器400包括帶通濾波器401，所述帶通濾波器401的輸入端與六波混頻放大器300的輸出·端連接，所述帶通濾波器401的輸出端連接有準(zhǔn)直輸出器402，所述準(zhǔn)直輸出器402的輸出端作為輸出濾波器400的輸出端,在輸出準(zhǔn)直的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)所需目標(biāo)波段的帶通濾波。所述第三增益光纖303為保偏雙包層增益光纖、非保偏雙包層增益光纖、螺旋手性結(jié)構(gòu)增益光纖或光子晶體增益光纖。所述的可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，其內(nèi)部光路均為光纖與光纖或者與光纖耦合的器件相連接，確保了光源裝置的全光纖結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過上述提出的一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以產(chǎn)生589nm波段附近的皮秒或者飛秒脈沖激光的輸出。通過在大模場(chǎng)摻鐿雙包層光纖中進(jìn)行高平均功率的基頻激光1064nm (Q1)功率放大的同時(shí)，獲得參量激光838nm ( ω2)和589nm ( ω4)的輸出。本實(shí)施例采用可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)鎖模脈沖的輸出。其中，第一半導(dǎo)體激光注入端101為中心波長(zhǎng)977nm單模光纖耦合的半導(dǎo)體激光的注入端，通過980/1064nm的第一波分復(fù)用器102稱合入環(huán)形激光器；第一增益光纖103為摻鐿單模光纖；分束器104為1064nm波段的分束器，分束比為30:70，其中30%端口為脈沖振蕩器100輸出端，70%端口耦合入環(huán)形器內(nèi)；飽和吸收體105為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡或者石墨烯吸收體；第一光隔離器106為1064nm波段的偏振無關(guān)的光隔離器；所有器件首尾熔接，熔接損耗小于0.ldB。第二光隔離器201為1064nm波段的偏振無關(guān)的光隔離器；第二半導(dǎo)體激光注入端204為中心波長(zhǎng)977nm單模光纖耦合的半導(dǎo)體激光的注入端，通過980/1064nm的第二波分復(fù)用器202稱合入光纖預(yù)放大器200 ;第二增益光纖203為摻鐿單?；蛘唠p包層光纖,該光纖預(yù)放大器200可將脈沖振蕩器100輸出的平均功率為數(shù)個(gè)毫瓦的激光提升到數(shù)百毫瓦。第三光隔離器301為1064nm波段的偏振無關(guān)的高功率光隔離器；泵浦合束器302將六個(gè)泵浦源304等多路泵浦光與注入的種子光共同耦合入多模摻鐿雙包層光纖第三增益光纖303中，實(shí)現(xiàn)高平均功率放大；高功率放大的1064nm的脈沖激光可在多模摻鐿雙包層光纖第三增益光纖303中發(fā)生顯著的六波混頻效應(yīng)，S卩ω4— ω2+2Χ (ω2-ωι)，ω4 589nm, co2 838nm, co^lOMnm。帶通濾波器401用于濾除剩余的1064nm( Q1)和參量激光838nm( ω2)，僅讓589nm(ω4)的通過；準(zhǔn)直輸出器402用于將589nm ( ω4)光纖激光準(zhǔn)直輸出。
權(quán)利要求
1.一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于:包括有用于輸出鎖模脈沖激光的脈沖振蕩器(100)，所述脈沖振蕩器(100)的輸出端連接有用于提高鎖模脈沖激光平均功率的光纖預(yù)放大器(200)，所述光纖預(yù)放大器(200)的輸出端連接有用于對(duì)鎖模脈沖激光實(shí)現(xiàn)高平均功率放大和產(chǎn)生非線性混頻的六波混頻放大器(300)，六波混頻放大器(300)輸出端連接有用于對(duì)所需波段的鎖模脈沖激光進(jìn)行帶通濾波并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直輸出的輸出濾波器(400)，所述輸出濾波器(400)的輸出端作為該系統(tǒng)的輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于所述的脈沖振蕩器(100)包括第一波分復(fù)用器(102)，所述第一波分復(fù)用器(102)輸入端連接有第一半導(dǎo)體激光注入端(101),所述第一波分復(fù)用器(102)復(fù)合輸出端通過第一增益光纖(103)與分束器(104)的輸入端連接，所述分束器(104)反饋輸出端順次通過可飽和吸收體(105)、第一光隔離器(106)與第一波分復(fù)用器(102)的反饋輸入端連接，所述分束器(104)輸出端作為脈沖振蕩器(100)的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖預(yù)放大器(200 )包括第二波分復(fù)用器(202 )，所述第二波分復(fù)用器(202 ) 一輸入端通過第二光隔離器(201)與脈沖振蕩器(100)的輸出端連接，所述第二波分復(fù)用器(202)另一輸入端連接有第二半導(dǎo)體激光注入端(204)，所述第二波分復(fù)用器(202)輸出端連接有第二增益光纖(203),所述第二增益光纖(203)的另一端作為光纖預(yù)放大器(200)的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于所述的六波混頻放大器(300 )包括泵浦合束器(302 )，所述泵浦合束器(302 )種子光輸入端通過第三光隔離器(301)與光纖預(yù)放大器(200)的輸出端連接，所述泵浦合束器(302)的泵浦輸入端連接有泵浦源(304)，所述泵浦合束器(302)輸出端連接有第三增益光纖(303)，所述第三增益光纖的(303)另一端作為六波混頻放大器(300)的輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于所述的輸出濾波器(400 )包括帶通濾波器(401)，所述帶通濾波器(401)的輸入端與六波混頻放大器(300)的輸出端連接，所述帶通濾波器(401)的輸出端連接有準(zhǔn)直輸出器(402)，所述準(zhǔn)直輸出器(402)的輸出端作為輸出濾波器(400)的輸出端。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于所述泵浦源(304)至少為六個(gè)，所述所有泵浦源(304)與泵浦合束器(302)的泵浦輸入端連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于所述第三增益光纖(303)為保偏雙包層增益光纖、非保偏雙包層增益光纖、螺旋手性結(jié)構(gòu)增益光纖或光子晶體增益光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可見波段的全光纖脈沖激光系統(tǒng)，包括有用于輸出鎖模脈沖激光的脈沖振蕩器100，所述脈沖振蕩器100的輸出端連接有用于提高鎖模脈沖激光平均功率的光纖預(yù)放大器200，所述光纖預(yù)放大器200的輸出端連接有用于對(duì)鎖模脈沖激光實(shí)現(xiàn)高平均功率放大和產(chǎn)生非線性混頻的六波混頻放大器300，六波混頻放大器300輸出端連接有用于對(duì)所需波段的鎖模脈沖激光進(jìn)行帶通濾波并實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直輸出的輸出濾波器400，所述輸出濾波器400的輸出端作為該系統(tǒng)的輸出端。本發(fā)明具有通過采用非線性光纖光學(xué)頻率變換技術(shù)，即六波混頻技術(shù)(或稱為級(jí)聯(lián)四波混頻技術(shù))來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)皮秒脈沖激光的波長(zhǎng)可調(diào)、窄線寬、高峰值和高平均功率。
文檔編號(hào)H01S3/067GK103166095SQ20131006064
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者曾和平, 茹啟田 申請(qǐng)人:廣東漢唐量子光電科技有限公司