本實用新型屬于激光技術(shù)和光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于激光雷達的低重頻納秒級全光纖激光器。

背景技術(shù)：

激光雷達系統(tǒng)結(jié)合了光探測技術(shù)和距離測量技術(shù)，能夠同時獲得方位、俯仰、距離、強度等信息，在森林結(jié)構(gòu)估計、城市建設(shè)、智能制造、無人駕駛、農(nóng)業(yè)、航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。作為激光雷達的重要組成部分，激光器系統(tǒng)的參數(shù)在很大程度上決定了激光雷達系統(tǒng)的整體性能。目前，普遍采用的光源有脈沖半導(dǎo)體激光器，它具有重量輕、低成本、高重復(fù)頻率、高效率等特點,但它需要脈沖發(fā)生器對脈沖進行調(diào)制，使脈寬盡量窄，上升沿盡量陡來滿足較高的探測精度要求。另外半導(dǎo)體激光器的峰值功率一般在百瓦量級以下，只能進行近程探測。固體激光器可以產(chǎn)生高峰值功率和短脈沖激光輸出，但固體激光器很難獲得較高的重復(fù)頻率，且輸出激光的光束質(zhì)量也不是很理想，一般在高峰值功率下較難獲得單模激光輸出。

全光纖脈沖激光器具有如下優(yōu)點：(1)光束質(zhì)量高。光纖的纖芯直徑在幾個微米的量級，能大大地提高激光器的光束質(zhì)量，極大地提升了激光雷達系統(tǒng)的測量范圍、測距精度和分辨率等性能。(2)散熱好。光纖激光器的體積很小，高功率運轉(zhuǎn)時也只需要風(fēng)冷。(3)體積小。光纖具有良好的柔性，使得激光器可以設(shè)計得相當(dāng)小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成，并且在高沖擊、強震動、高溫度、大灰塵等相對惡劣的環(huán)境中也能工作。(4)良好的光譜特性。通過改變不同摻雜的增益光纖和與之相匹配的光纖元器件，可以實現(xiàn)不同波長的激光輸出。因此，將全光纖激光器應(yīng)用于激光雷達上具有很大的優(yōu)勢。調(diào)Q光纖激光器作為備選光源，往往需要結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的聲光調(diào)制器實現(xiàn)光源脈寬參數(shù)要求，且重頻一般為10-200KHz，脈寬為數(shù)十納秒，難以保證較高的測量精度；以半導(dǎo)體激光器為種子源的MOPA結(jié)構(gòu)光纖激光器作為備選光源，由于一般種子源的功率為微瓦量級，需要多級光纖放大器對種子光進行功率放大才能達到光源參數(shù)要求，成本相對較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種低重頻高峰值功率、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱效果好的用于激光雷達的低重頻納秒級全光纖激光器。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采取了如下技術(shù)方案。

一種用于激光雷達的低重頻納秒級全光纖激光器，包括：主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)和光纖放大器系統(tǒng)，所述主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)，用于輸出特定脈寬和重頻的納秒級脈沖信號，光纖放大器系統(tǒng)器，用于將所述納秒級脈沖信號放大后輸出。

主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)包括：第一泵浦源和諧振腔，其中，所述諧振腔包含：第一波分復(fù)用器、第一增益光纖、光耦合器、激光鎖模裝置、單模傳輸光纖，第一波分復(fù)用器、第一增益光纖、光耦合器、激光鎖模裝置、單模傳輸光纖依次光學(xué)連接形成閉合環(huán)形腔。

第一泵浦源連接第一波分復(fù)用器的泵浦光輸入端，第一波分復(fù)用器的公共輸出端連接第一增益光纖的一端，第一增益光纖的另一端連接光耦合器的輸入端，光耦合器的第一輸出端連接激光鎖模裝置的輸入端，光耦合器的第二輸出端連接光纖放大系統(tǒng)，激光鎖模裝置的輸出端連接單模傳輸光纖的一端，單模傳輸光纖的另一端連接第一波分復(fù)用器的信號光輸入端。

第一泵浦源提供的第一泵浦光經(jīng)過第一波分復(fù)用器被耦合傳輸至第一增益光纖，經(jīng)過增益放大后通過光耦合器傳輸至激光鎖模裝置，產(chǎn)生特定脈寬和重復(fù)頻率的納秒級脈沖信號，所述納秒級脈沖信號依次經(jīng)過單模傳輸光纖、第一波分復(fù)用器、第一增益光纖，經(jīng)過增益放大后，一部分納秒級脈沖信號由光耦合器的第二輸出端輸出腔外，一部分納秒級脈沖信號由光耦合器的第一輸出端輸出在諧振腔內(nèi)繼續(xù)振蕩。

光纖放大器系統(tǒng)包括：第一光隔離器、第二光隔離器、第一級光纖預(yù)放大器、第二級主放大器以及脈沖輸出裝置，第一級光纖預(yù)放大器包含：第二泵浦源、第二波分復(fù)用器和第二增益光纖，第二級主放大器包含：第三泵浦源、光合束器和第三增益光纖，

第二泵浦源連接第二波分復(fù)用器的泵浦光輸入端，第二波分復(fù)用器的信號光輸入端連接第一光隔離器的輸出端，第一光隔離器的輸入端連接光耦合器的第二輸出端，第二波分復(fù)用器的公共輸出端連接第二增益光纖的一端，第二增益光纖的另一端連接第二光隔離器的輸入端，第二光隔離器的輸出端連接光合束器的信號光輸入端，第三泵浦源連接光合束器的泵浦光輸入端，光合束器的公共輸出端連接第三增益光纖的一端，第三增益光纖的另一端連接脈沖輸出裝置。

主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)中光耦合器的第二輸出端輸出的納秒級脈沖信號通過第一光隔離器后傳輸至第一級光纖預(yù)放大器，通過第二波分復(fù)用器被耦合進入第二增益光纖，同時第二泵浦源提供的第二泵浦光通過第二波分復(fù)用器被耦合也進入第二增益光纖，所述納秒級脈沖信號和第二泵浦光經(jīng)增益放大后產(chǎn)生第一激光，然后第一激光經(jīng)過第二光隔離器后進入第二級光纖主放大器中的光合束器，同時第三泵浦源提供的第三泵浦光也進入第二級光纖主放大器中的光合束器，第一激光和第三泵浦光被耦合產(chǎn)生第二激光，然后第一激光進入第三增益光纖進行增益放大，產(chǎn)生高功率脈沖激光，最后經(jīng)過脈沖輸出裝置輸出。

作為優(yōu)選，所述第一增益光纖、第二增益光纖、第三增益光纖分別由摻雜稀土元素鉺或鐿的有源光纖組成。

作為優(yōu)選，所述激光鎖模裝置為碳納米管可飽和吸收體。

作為優(yōu)選，所述激光鎖模裝置為石墨烯可飽和吸收體。

作為優(yōu)選，所述激光鎖模裝置為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和光纖環(huán)形器，其中，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡連接光纖環(huán)形器的反射端，光纖環(huán)形器的輸入端連接光耦合器的第一輸出端，光纖環(huán)形器的輸出端連接單模傳輸光纖的一端。

作為優(yōu)選，所述納秒級脈沖信號光的脈寬為1ns—10ns，所述納秒級脈沖信號光的重頻為100KHZ—1MHZ。

作為優(yōu)選，單模傳輸光纖為零色散點在1310±10nm的單模光纖。

作為優(yōu)選，單模傳輸光纖為色散補償光纖，其中，所述色散補償光纖在1.5μm處為正色散。

作為優(yōu)選，單模傳輸光纖由零色散點為1310±10nm的單模光纖和色散補償光纖組成。

本實用新型的用于激光雷達的低重頻納秒級全光纖激光器，包括：主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)和光纖放大器系統(tǒng)，所述主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)，用于輸出特定脈寬和重頻的納秒級脈沖信號，所述納秒級脈沖信號光的脈寬為1ns—10ns，所述納秒級脈沖信號光的重頻為100KHZ—1MHZ；光纖放大器系統(tǒng)器包括第一級光纖預(yù)放大器、第二級主放大器，用于通過二級放大方式將所述納秒級脈沖信號放大后輸出。本實用新型設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，不需要多級光纖放大器對種子光進行功率放大才能達到光源參數(shù)要求，同時有效降低光源的生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為本實用新型的用于激光雷達的低重頻納秒級全光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實用新型以半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和光纖環(huán)形器作為激光鎖模裝置的主振蕩級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型的光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，100.主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)，200.光纖放大器系統(tǒng)，1.第一泵浦源，2.第一波分復(fù)用器，3.第一增益光纖，4.光耦合器，41.光耦合器第二輸出端，5.激光鎖模裝置，6.單模傳輸光纖，7.第一光隔離器，8.第二光隔離器，9.第二泵浦源，10.第二波分復(fù)用器，11.第二增益光纖，12.第三泵浦源，13.光合束器，14.第三增益光纖，15.光纖環(huán)形器，16.半導(dǎo)體可飽和吸收鏡。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型做進一步說明，此處所描述的具體實施例僅用于解釋本實用新型，但不限定本實用新型。

如圖1所示，本實用新型實施例提供一種用于激光雷達的低重頻納秒級全光纖激光器，包括：主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)和光纖放大器系統(tǒng)，所述主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)，用于輸出特定脈寬和重頻的納秒級脈沖信號，光纖放大器系統(tǒng)器，用于將所述納秒級脈沖信號放大后輸出。

如圖2所示，主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)包括：第一泵浦源和諧振腔，其中，所述諧振腔包含：第一波分復(fù)用器、第一增益光纖、光耦合器、激光鎖模裝置、單模傳輸光纖，第一波分復(fù)用器、第一增益光纖、光耦合器、激光鎖模裝置、單模傳輸光纖依次光學(xué)連接形成的閉合環(huán)形腔。

第一泵浦源連接第一波分復(fù)用器的泵浦光輸入端，第一波分復(fù)用器的公共輸出端連接第一增益光纖的一端，第一增益光纖的另一端連接光耦合器的輸入端，光耦合器的第一輸出端連接激光鎖模裝置的輸入端，光耦合器的第二輸出端連接光纖放大系統(tǒng)，激光鎖模裝置的輸出端連接單模傳輸光纖的一端，單模傳輸光纖的另一端連接第一波分復(fù)用器的信號光輸入端。

第一泵浦源提供的第一泵浦光經(jīng)過第一波分復(fù)用器被耦合傳輸至第一增益光纖，經(jīng)過增益放大后通過光耦合器傳輸至激光鎖模裝置，產(chǎn)生特定脈寬和重復(fù)頻率的納秒級脈沖信號，所述納秒級脈沖信號依次經(jīng)過單模傳輸光纖、第一波分復(fù)用器、第一增益光纖，經(jīng)過增益放大后，一部分納秒級脈沖信號由光耦合器的第二輸出端輸出腔外，一部分納秒級脈沖信號由光耦合器的第一輸出端輸出在諧振腔內(nèi)繼續(xù)振蕩；光耦合器具有分束作用實現(xiàn)激光輸出，光耦合器的第一輸出端口輸出30％的納秒級脈沖信號，光耦合器的第二輸出端口輸出70％的納秒級脈沖信號。

如圖4所示，光纖放大器系統(tǒng)包括：第一光隔離器、第二光隔離器、第一級光纖預(yù)放大器、第二級主放大器以及脈沖輸出裝置，第一級光纖預(yù)放大器包含：第二泵浦源、第二波分復(fù)用器和第二增益光纖，第二級主放大器包含：第三泵浦源、光合束器和第三增益光纖。

第二泵浦源連接第二波分復(fù)用器的泵浦光輸入端，第二波分復(fù)用器的信號光輸入端連接第一光隔離器的輸出端，第一光隔離器的輸入端連接光耦合器的第二輸出端，第二波分復(fù)用器的公共輸出端連接第二增益光纖的一端，第二增益光纖的另一端連接第二光隔離器的輸入端，第二光隔離器的輸出端連接光合束器的信號光輸入端，第三泵浦源連接光合束器的泵浦光輸入端，光合束器的公共輸出端連接第三增益光纖的一端，第三增益光纖的另一端連接脈沖輸出裝置。

主振蕩級光纖種子源系統(tǒng)中光耦合器的第二輸出端輸出的納秒級脈沖信號通過第一光隔離器后傳輸至第一級光纖預(yù)放大器，通過第二波分復(fù)用器被耦合進入第二增益光纖，同時第二泵浦源提供的第二泵浦光通過第二波分復(fù)用器被耦合也進入第二增益光纖，所述納秒級脈沖信號和第二泵浦光經(jīng)增益放大后產(chǎn)生第一激光，然后第一激光經(jīng)過第二光隔離器后進入第二級光纖主放大器中的光合束器，同時第三泵浦源提供的第三泵浦光也進入第二級光纖主放大器中的光合束器，第一激光和第三泵浦光被耦合產(chǎn)生第二激光，然后第一激光進入第三增益光纖進行增益放大，產(chǎn)生高功率脈沖激光，最后經(jīng)過脈沖輸出裝置輸出。

作為優(yōu)選，所述第一增益光纖、第二增益光纖、第三增益光纖分別由摻雜稀土元素鉺或鐿的有源光纖組成。

作為優(yōu)選，所述激光鎖模裝置為碳納米管可飽和吸收體。

作為優(yōu)選，所述激光鎖模裝置為石墨烯可飽和吸收體。

作為優(yōu)選，所述激光鎖模裝置為半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和光纖環(huán)形器，其中，如圖3所示，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡連接光纖環(huán)形器的反射端，光纖環(huán)形器的輸入端連接光耦合器的第一輸出端，光纖環(huán)形器的輸出端連接單模傳輸光纖的一端。

作為優(yōu)選，所述納秒級脈沖信號光的脈寬為1ns—10ns，所述納秒級脈沖信號光的重頻為100KHZ—1MHZ。

作為優(yōu)選，單模傳輸光纖為由符合ITU-T G.652.D標(biāo)準(zhǔn)且零色散點在1310±10nm的單模光纖組成

作為優(yōu)選，單模傳輸光纖由色散補償光纖(DCF)組成，其中，所述色散補償光纖在1.5μm處為正色散。

作為優(yōu)選，單模傳輸光纖由符合ITU-T G.652.D標(biāo)準(zhǔn)且零色散點為1310±10nm的單模光纖和色散補償光纖(DCF)組成。

在環(huán)形諧振腔中，鎖模脈沖激光的重復(fù)頻率f由公式：f＝C/nL計算出，其中，C為光速，n為折射率，L是諧振腔的總腔長，所述總腔長包含第一增益光纖和單模傳輸光纖長度，所述諧振腔長度為200m—1000m，其中第一增益光纖長度為2m，通過改變單模傳輸光纖長度，進而改變整個諧振腔腔長來通過改變腔長可以改變重復(fù)頻率，當(dāng)腔長為200m-1000m時，激光脈沖的重復(fù)頻率為100kHZ-1MHZ。通過延長單模傳輸光纖的長度增大整體腔長，有效降低諧振腔內(nèi)鎖模脈沖的重復(fù)頻率，并實現(xiàn)數(shù)納秒的窄脈寬輸出。環(huán)形諧振腔內(nèi)傳輸?shù)拿}沖激光最終通過光耦合器的分束作用實現(xiàn)激光輸出，由于腔內(nèi)色散通過色散管理后為凈負色散，且腔內(nèi)泵浦功率已經(jīng)遠遠高于產(chǎn)生傳統(tǒng)孤子的閾值泵浦功率，產(chǎn)生的脈沖屬于類噪聲脈沖，所得到的輸出功率為10mw，脈寬為1-2ns。本實例優(yōu)選的符合ITU-T G.652.D標(biāo)準(zhǔn)且零色散點在1310±10nm的單模光纖為傳輸光纖，使色散管理后的凈色散值為負。本發(fā)明還可以采用色散補償光纖(DCF)16,其在1.5μm處為正色散，通過加入不同長度的色散補償光纖16可以改變腔長的同時，使腔內(nèi)凈色散值變?yōu)檎?，依靠其他機制，如耗散孤子，耗散孤子共振機制來產(chǎn)生納秒級脈沖。

本實用新型設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，滿足全光纖化，用于激光雷達中可有效降低光源的生產(chǎn)成本和工藝難度，具有廣泛的應(yīng)用前景。