一種高增益全光纖激光放大器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種高增益全光纖激光放大器用于對(duì)輸入的信號(hào)光進(jìn)行放大，包括泵浦源和激光介質(zhì)；泵浦源用于輸出與信號(hào)光同步且脈寬低于激光粒子的上能態(tài)壽命的泵浦激光脈沖，并用于在上一泵浦激光脈沖激勵(lì)的激光粒子消耗完畢后輸出下一泵浦激光脈沖。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型抑制了ASE的增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了更高放大倍數(shù)并保持了較高的放大效率，從而降低了放大器的級(jí)數(shù)，進(jìn)而降低了非線性的積累、系統(tǒng)的復(fù)雜性以及激光器的成本。
【專利說(shuō)明】一種高增益全光纖激光放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種可抑制ASE的增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)更高放大倍數(shù)并保持較高的放大效率的高增益全光纖激光放大器。

【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)上光纖激光放大器屬于高增益放大器，早期許多文獻(xiàn)均報(bào)道了光纖激光器可實(shí)現(xiàn)極高增益，可與固體激光器中的再生放大器或前級(jí)的指數(shù)放大(單級(jí)實(shí)現(xiàn)60dB甚至更高)相比。然而，在實(shí)際的光纖激光放大器中，特別是在脈沖光纖激光放大器中，設(shè)計(jì)人員非常小心地設(shè)計(jì)單級(jí)放大器的增益(通常為13-20dB)，為了實(shí)現(xiàn)高增益往往需要采用多級(jí)放大器的放大鏈方案。
[0003]這一普遍做法有其特定的理由，脈沖全光纖激光放大器中ASE和背景噪聲是最大的限制之一。信號(hào)光和自發(fā)輻射在放大器中的競(jìng)爭(zhēng)是個(gè)普遍問(wèn)題，而這個(gè)問(wèn)題在光纖放大器中特別突出；更高的放大倍數(shù)意味著ASE的增長(zhǎng)更快，更容易出現(xiàn)；因此要求控制單級(jí)放大倍數(shù)，并在級(jí)間使用濾波器濾掉ASE成分。其次，對(duì)于放大器效率的考慮?；镜募す夥糯罄碚撝?放大倍數(shù)越高,可實(shí)現(xiàn)的光轉(zhuǎn)換效率就越低。有意識(shí)地控制單級(jí)放大器的放大倍數(shù)也是為了實(shí)現(xiàn)每級(jí)放大器較高的放大效率。
[0004]但多級(jí)的全光纖放大鏈會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題。除了增加系統(tǒng)的復(fù)雜性、增加激光器的成本、降低光纖激光器的穩(wěn)定性和可靠性之外，還會(huì)因?yàn)楣饫w元器件的增加而累積更多的非線性，引起光譜變形、脈沖畸變，降低有效輸出甚至破壞器件，破壞激光器系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種高增益全光纖激光放大器，以抑制了ASE的增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)更高放大倍數(shù)并保持較高的放大效率，減少放大器的級(jí)數(shù)，進(jìn)而降低非線性的積累系統(tǒng)的復(fù)雜性以及激光器的成本。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種高增益全光纖激光放大器，用于對(duì)輸入的信號(hào)光進(jìn)行放大，所述高增益全光纖激光放大器包括泵浦源和激光介質(zhì)；所述泵浦源用于輸出與所述信號(hào)光同步且脈寬低于激勵(lì)所述激光介質(zhì)得到的激光粒子的上能態(tài)壽命的泵浦激光脈沖，并用于在上一泵浦激光脈沖激勵(lì)的激光粒子消耗完畢后輸出下一泵浦激光脈沖。
[0007]優(yōu)選的，所述泵浦功率極高從而大大縮短了激光粒子的上能態(tài)壽命7
其中τ 21為自發(fā)輻射上能態(tài)壽命，所述Pp是以閾值泵浦功率Pth為單位歸一化的泵浦功率，所述Pth是增益為零時(shí)的泵浦功率。這使得激光粒子可通過(guò)受激發(fā)射的形式被更快消耗，提供更高增益；而且對(duì)上能態(tài)的補(bǔ)充更加充分迅捷。
[0008]優(yōu)選的，所述信號(hào)光由種子激光器生成，所述泵浦源和所述種子激光器采用同步的脈沖電流源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0009]優(yōu)選的，所述的高增益全光纖激光放大器為單模全光纖激光放大器。
[0010]優(yōu)選的，所述的高增益全光纖激光放大器包括預(yù)放大器和主放大器兩級(jí)放大器；
[0011]所述預(yù)放大器的泵浦源為單模二極管激光器，所述主放大器的為多模單管半導(dǎo)體激光器，且所述主放大器包括雙包層大模場(chǎng)光纖。
[0012]優(yōu)選的，所述的高增益全光纖激光放大器也包括一級(jí)放大器。
[0013]優(yōu)選的，所述泵浦源為大功率半導(dǎo)體激光器。
[0014]有益效果:
[0015]本實(shí)用新型使用了與信號(hào)光同步，脈寬低于激光粒子上能態(tài)壽命的泵浦激光脈沖，且泵浦頻率較低，在上能態(tài)已經(jīng)消耗完畢之后泵浦脈沖才重新出現(xiàn)。不僅信號(hào)光只接觸新鮮的上能態(tài)粒子，而且這些粒子由新鮮的泵浦激光獲得，這保證了信號(hào)光獲得的增益最大。另外，脈沖泵浦的情況下，其峰值功率可以大大超越連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的平均功率，進(jìn)一步增大了對(duì)激光介質(zhì)的泵浦強(qiáng)度。而且因?yàn)樾盘?hào)光與泵浦同步，無(wú)信號(hào)則無(wú)泵浦，上能態(tài)粒子看到的是信號(hào)光的峰值功率而不是平均功率，不會(huì)因?yàn)槠骄β侍投糯笞园l(fā)輻射，可以抑制ASE增長(zhǎng)；脈沖泵浦只用于放大信號(hào)，能在實(shí)現(xiàn)更高放大倍數(shù)同時(shí)保持較高的放大效率；由于峰值功率更高，增大了對(duì)激光介質(zhì)的泵浦強(qiáng)度，因而單級(jí)放大器可實(shí)現(xiàn)更高放大倍數(shù)，使用更少的放大器，可大大降低非線性的積累；除此之外，還可以更好地保持信號(hào)光的脈沖特性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖1為本實(shí)用新型中不同激光介質(zhì)的激光粒子的上能態(tài)壽命與泵浦率的關(guān)系圖；
[0018]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中具有兩級(jí)放大器時(shí)的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例中具有一級(jí)放大器時(shí)的結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0021]本實(shí)用新型的思想在于利用泵浦激光脈沖在脈沖全光纖激光放大器中引起的瞬態(tài)放大實(shí)現(xiàn)高增益的全光纖激光放大器。該全光纖激光放大器具體的為單模全光纖激光放大器
[0022]本實(shí)用新型實(shí)施例1提供了一種高增益全光纖激光放大器的具體結(jié)構(gòu)，其包括泵浦源和激光介質(zhì)；其中，泵浦源用于輸出與要放大的信號(hào)光同步且脈寬低于激勵(lì)激光介質(zhì)得到的激光粒子的上能態(tài)壽命的泵浦激光脈沖，并用于在上一泵浦激光脈沖激勵(lì)的激光粒子消耗完畢后輸出下一泵浦激光脈沖。
[0023]上述激光介質(zhì)一般是在光纖芯層沉積中摻入的一定濃度的稀土兀素,如鉺、鐿、銩、欽、鐠或銣等離子。光纖中摻雜離子在受到泵浦光激勵(lì)后躍遷到亞穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)，在信號(hào)光誘導(dǎo)下，產(chǎn)生受激輻射，形成對(duì)信號(hào)光的相干放大。
[0024]光纖激光器的泵浦源是大功率半導(dǎo)體激光器。相對(duì)特定的光纖激光，采用上述脈寬低于激光粒子上能態(tài)壽命且頻率較低，在上能態(tài)已經(jīng)消耗完畢之后才重新出現(xiàn)的泵浦激光脈沖，使得不僅信號(hào)光只接觸新鮮的上能態(tài)粒子，而且這些粒子由新鮮的泵浦激光脈沖獲得。這可以保證信號(hào)光獲得的增益最大。而且，對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器而言，脈沖泵浦的情況下，其峰值功率可以大大超越連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的平均功率，進(jìn)一步增大了對(duì)激光介質(zhì)的泵浦強(qiáng)度。
[0025]如前所述，本實(shí)用新型是利用了瞬態(tài)放大的思想，這一思想與大多數(shù)的光纖激光器思想相反。普通的光纖激光器設(shè)計(jì)思想中，瞬態(tài)放大是使得系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素，是希望避免和抑制的。但本實(shí)用新型中， 申請(qǐng)人:利用了瞬態(tài)放大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樾盘?hào)光與泵浦激光脈沖同步，無(wú)信號(hào)則無(wú)泵浦，上能態(tài)粒子看到的是信號(hào)光的峰值功率而不是平均功率，不會(huì)因?yàn)槠骄β侍投糯笞园l(fā)輻射，可以實(shí)現(xiàn)抑制ASE增長(zhǎng)的目的；泵浦激光脈沖只用于放大信號(hào)光，能在實(shí)現(xiàn)更高放大倍數(shù)的同時(shí)保持較高的放大效率。而且由于可使用更高峰值功率，增大對(duì)激光介質(zhì)的泵浦強(qiáng)度，因而單級(jí)放大器可實(shí)現(xiàn)更高放大倍數(shù)，平均起來(lái)在光纖中的非線性較低。對(duì)應(yīng)相同的增益要求，本實(shí)用新型減少了放大器的級(jí)數(shù)，因而可大大降低非線性的積累；除此之外，還可以更好地保持信號(hào)光的脈沖特性。
[0026]上述方案可用于任何摻雜粒子、任意激光波長(zhǎng)的光纖激光器中，包括但不僅限于摻Er、Yb、Ho、Th、Nd和Pr等等的光纖激光，依據(jù)不同的激光粒子上能態(tài)壽命，選擇合適的泵浦脈寬和頻率；還可以用于任何激光器功率水平，包括平均功率和峰值功率水平，包括但不僅限于pW、nW、uW、mW、W、Kff,麗、GW，等等，依據(jù)不同的激光放大器功率水平，可對(duì)應(yīng)選擇合適的泵浦電流和強(qiáng)度。
[0027]需要明確的是，在脈沖泵浦的條件下，真實(shí)的激光粒子上能態(tài)壽命不再是自發(fā)輻射上能態(tài)壽命，而是由泵浦率Pp決定的。泵浦率Pp是歸一化的泵浦功率，以閾值泵浦功率Pth為單位；而閾值泵浦功率Pth則是增益為零時(shí)的泵浦功率，此時(shí)小信號(hào)增益g(1剛好等于傳輸損失α。
[0028]以下為激光粒子真實(shí)的上能態(tài)壽命τ的計(jì)算公式:


? ^ 1
剛 r =
[0030]其中τ 21為激光粒子自發(fā)輻射的上能態(tài)壽命，Pp是以閾值泵浦功率Pth為單位歸一化的泵浦功率，所述Pth是增益為零時(shí)的泵浦功率。
[0031]例如，在摻Y(jié)b的光纖中，自發(fā)輻射上能態(tài)壽命為0.84ms，但在很高泵浦率的條件下，特別在脈沖泵浦的情況下，泵浦率可達(dá)數(shù)百，激光粒子真實(shí)的上能態(tài)壽命變成1-10μ S，而激光介質(zhì)的增益恢復(fù)時(shí)間也在這個(gè)量級(jí)；由此可以選擇具體的泵浦脈寬和頻率，設(shè)計(jì)泵浦的平均功率與峰值電流。圖1示出了不摻雜的激光光纖的粒子上能態(tài)壽命泵浦率的變化曲線。據(jù)此，我們可以確定針對(duì)不同摻雜的激光光纖的泵浦激光脈沖。
[0032]本實(shí)用新型中為實(shí)現(xiàn)輸出泵浦激光脈沖，可對(duì)泵浦源的驅(qū)動(dòng)電路脈沖化，同時(shí)對(duì)生成信號(hào)光的種子激光器的種子驅(qū)動(dòng)電路脈沖化，兩者使用同步脈沖電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0033]有關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的脈沖化的技術(shù)，可具體參見(jiàn) 申請(qǐng)人:專利申請(qǐng)?zhí)枮?014103172175的專利。
[0034]基于本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)更高的單級(jí)增益，本實(shí)用新型中的高增益全光纖激光放大器可根據(jù)需要設(shè)計(jì)預(yù)放大器和主放大器兩級(jí)放大器，或者設(shè)計(jì)成只包括一級(jí)放大器。
[0035]通常的種子的二極管激光器功率很低，平均功率約lmW、峰值功率約1W，如要獲得平均功率20-100W，峰值功率20-50KW的光脈沖，需要有45_50dB的放大?；诂F(xiàn)有的技術(shù)，光纖放大器將由三級(jí)或更多級(jí)組成。但基于本實(shí)用新型的方案，可以在一級(jí)或兩級(jí)放大器中實(shí)現(xiàn):
[0036]泵浦源的驅(qū)動(dòng)電流源與種子激光器的驅(qū)動(dòng)電流源同步。通常種子的二極管激光器使用恒流源驅(qū)動(dòng)，脈沖驅(qū)動(dòng)的條件下，峰值電流可比連續(xù)的穩(wěn)定電流高很多，具體的倍數(shù)與占空比有關(guān)，例如10Hz的情況下，1us驅(qū)動(dòng)脈沖，占空比0.1%，峰值電流可比連續(xù)的穩(wěn)定電流高5-10倍。單模二極管激光器輸出約600mW-lW，驅(qū)動(dòng)電流1-2A，峰值電流可達(dá)5-10A ；在這個(gè)電流的驅(qū)動(dòng)下，預(yù)放大器的增益可達(dá)35-40dB，峰值功率達(dá)到5-10KW。由于增益很大，只有在放大器的末端峰值功率才較高，在放大光纖中累積的非線性并不高，甚至單模光纖也可以接受。為獲得更高峰值功率，主放大器使用多模單管半導(dǎo)體激光器和雙包層大模場(chǎng)光纖，多模單管半導(dǎo)體激光器輸出約10W，恒定電流約10A，峰值電流可達(dá)50-100A。此時(shí)控制峰值電流，保持放大器的增益5-10dB，峰值功率可達(dá)到20-50KW，甚至100KW。
[0037]如圖2即為具有兩級(jí)放大器時(shí)的結(jié)構(gòu)圖，其中激光控制系統(tǒng)I分別控制種子驅(qū)動(dòng)電路21、第一泵浦源驅(qū)動(dòng)電路31和第二泵浦源驅(qū)動(dòng)電路41對(duì)各自對(duì)應(yīng)的種子激光器2、預(yù)放大器3、主放大器4進(jìn)行脈沖驅(qū)動(dòng)。
[0038]進(jìn)一步的，如果使用更高峰值電流，一級(jí)放大器可以實(shí)現(xiàn)更高的單級(jí)增益。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，45-50dB的單級(jí)增益是可行的。
[0039]如圖3即為具有一級(jí)放大器時(shí)的結(jié)構(gòu)圖，其中激光控制系統(tǒng)5分別控制種子驅(qū)動(dòng)電路61、第三泵浦源驅(qū)動(dòng)電路71對(duì)各自對(duì)應(yīng)的種子激光器6、放大器7進(jìn)行脈沖驅(qū)動(dòng)。
[0040]本實(shí)用新型實(shí)施例還提供了一種高增益激光放大方法，該方法利用與信號(hào)光同步的泵浦激光脈沖對(duì)信號(hào)光進(jìn)行放大，泵浦激光脈沖的脈寬低于激勵(lì)激光介質(zhì)得到的激光粒子的上能態(tài)壽命且在上一泵浦激光脈沖激勵(lì)的激光粒子消耗完畢后輸出下一泵浦激光脈沖。
[0041]具體的，在泵浦激光脈沖下，激光粒子的上能態(tài)壽命大大縮短，二其中
τ 21為自發(fā)輻射上能態(tài)壽命，Pp是以閾值泵浦功率Pth為單位歸一化的泵浦功率，Pth是增益為零時(shí)的泵浦功率。這使得激光粒子可通過(guò)受激發(fā)射的形式被更快消耗，提供更高增益；而且對(duì)上能態(tài)的補(bǔ)充更加充分迅捷。從而可以實(shí)現(xiàn)高增益的激光放大。
[0042]上述方法可以給予各種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，本實(shí)用新型中上述方法可應(yīng)用于上述的高增益全光纖激光放大器中。
[0043]以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高增益全光纖激光放大器，用于對(duì)輸入的信號(hào)光進(jìn)行放大，其特征在于，所述高增益全光纖激光放大器包括泵浦源和激光介質(zhì)；所述泵浦源用于輸出與所述信號(hào)光同步且脈寬低于激勵(lì)所述激光介質(zhì)得到的激光粒子的上能態(tài)壽命的泵浦激光脈沖，并用于在上一泵浦激光脈沖激勵(lì)的激光粒子消耗完畢后輸出下一泵浦激光脈沖。
2.如權(quán)利要求1所述的高增益全光纖激光放大器，其特征在于，所述激光粒子的上能態(tài)壽命7 = -ψ-,其中τ 21為自發(fā)輻射上能態(tài)壽命，所述Pp是以閾值泵浦功率Pth為單位歸一化的泵浦功率，所述Pth是增益為零時(shí)的泵浦功率。
3.如權(quán)利要求1所述的高增益全光纖激光放大器，其特征在于，所述信號(hào)光由種子激光器生成，所述泵浦源和所述種子激光器采用同步的脈沖電流源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的高增益全光纖激光放大器，其特征在于，所述的高增益全光纖激光放大器為單模全光纖激光放大器。
5.如權(quán)利要求3所述的高增益全光纖激光放大器，其特征在于，所述的高增益全光纖激光放大器包括預(yù)放大器和主放大器兩級(jí)放大器； 所述預(yù)放大器的泵浦源為單模二極管激光器，所述主放大器的為多模單管半導(dǎo)體激光器，且所述主放大器包括雙包層大模場(chǎng)光纖。
6.如權(quán)利要求3所述的高增益全光纖激光放大器，其特征在于，所述的高增益全光纖激光放大器包括一級(jí)放大器。
7.如權(quán)利要求3所述的高增益全光纖激光放大器，其特征在于，所述泵浦源為大功率半導(dǎo)體激光器。
【文檔編號(hào)】H01S3/0933GK204030261SQ201420472314
【公開(kāi)日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】夏江帆, 陳慶榮, 趙青春 申請(qǐng)人:廣東高聚激光有限公司, 蘇州華必大激光有限公司, 南京華爾達(dá)激光有限公司