一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器制造技术

本发明专利技术公开了一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器，包括单模光纤种子源、光纤展宽器、光纤功率放大器和信号光输出系统，单模光纤种子源为基于半导体可饱和吸收体实现被动锁模的高重频皮秒脉冲激光器；光纤展宽器由色散器件和与之配合使用的光纤通信器件组成，用来将前级皮秒脉冲展宽至数纳秒量级；光纤功率放大器为由多级光纤放大器级联组成的主振荡功率放大器。本发明专利技术通过优化谐振腔各参数，将得到的数十兆赫兹高重频锁模皮秒脉冲注入光纤展宽器，实现稳定的数纳秒量级的高重频脉冲输出，然后采用增益光纤对脉冲进行多级放大，最终实现高重频高功率纳秒脉冲输出，且系统实现了全光纤化，工作稳定，可靠性高。

A tens of MHz high repetition frequency nanosecond all-fiber laser amplifier

The invention discloses a tens of megahertz high repetition frequency nanosecond all-fiber laser amplifier, which includes a single-mode fiber seed source, an optical fiber broadener, an optical fiber power amplifier and a signal optical output system. The single-mode fiber seed source is a high repetition frequency picosecond pulse laser based on a semiconductor saturable absorber, and the optical fiber broadener is composed of a dispersion device and a fiber used in conjunction with it. The communication device is composed of a main oscillating power amplifier consisting of a cascade of multi-stage fiber amplifiers, which is used to extend the front-stage picosecond pulse to several nanoseconds. By optimizing the parameters of the resonator, the obtained tens of megahertz high repetition frequency mode-locked picosecond pulse is injected into the optical fiber broadener to achieve a stable output of high repetition frequency pulse in the order of several nanoseconds, and then the gain optical fiber is used to amplify the pulse at multiple stages to achieve high repetition frequency and high power nanosecond pulse output, and the system achieves all-optical fibrization, stable operation and high reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器
本专利技术涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器。
技术介绍
脉冲光纤激光器具有结构紧凑、工作稳定、便于热管理、光束质量高和光光转换效率高等特点，正得到广泛的发展和应用，其中纳秒光纤激光器作为本领域重要分支，尤其是数十兆赫兹高重复频率、高平均功率、脉宽为纳秒量级的光纤激光器在激光测距、激光雷达系统以及特殊材料加工等领域应用价值日渐突出。当前纳秒光纤激光器的信号光产生装置通常为：调Q固体激光器、调Q光纤激光器和脉冲调制的半导体激光器，受限于Q开关调制频率或控制电路的延迟等原因，导致激光器调制后输出的纳秒脉冲重频很难达到兆赫兹量级，并且传统的调Q技术对脉冲仅有能量幅度上的调制，各振荡模式间无相位锁定，又将导致输出的调Q纳秒脉冲在时域上并不稳定且伴有抖动。低重频纳秒脉冲进行主振荡功率放大时单脉冲能量高，放大后脉冲的高峰值功率极易超过光纤中多种非线性效应的阈值，增强的非线性效应降低了系统的光光转换效率，使低重频纳秒脉冲很难获得高功率输出。与调Q技术相比利用半导体可饱和吸收体实现被动锁模的光纤激光器输出的脉冲序列重频在数十兆赫兹且稳定整齐，然后利用色散器件将其展宽为纳秒量级的脉冲，在后级放大时峰值功率显著降低，因此将更适合作为纳秒光纤激光器的信号光产生装置。通过被动锁模使谐振腔中各自独立的振荡模的相位相互联系并锁定起来，各振荡模发生功率耦合而不再独立，从而输出一个整齐稳定的连续锁模脉冲序列且脉冲形状之间差异很小。但是当前利用半导体可饱和吸收体实现被动锁模的光纤激光器输出的脉冲重频在十到二十兆赫兹左右，要实现更高重频的稳定的锁模脉冲仍需要合理优化谐振腔中各参数。更为重要的是在对纳秒脉冲进行功率放大时，随着功率尤其是峰值功率的提高，脉冲与光纤的相互作用随着光纤长度的增加而变得明显，尤其是各种非线性效应的产生将抑制输出功率的提高。因此传统的双包层光纤将不在适用，取而代之的是高掺杂大模场双包层光纤和大模场双包层掺杂光子晶体光纤，它们通过增大纤芯有效模场面积、减小光纤长度以及特殊空间结构来提高非线性效应阈值，继而实现脉冲高功率输出。但是这种特殊结构的大芯径光纤与系统其它光纤实现高质量全光纤化的熔接时，需要特种光纤熔接机，优化熔接过程，自主编辑熔接程序等必要流程，否则很难实现整个系统的全光纤化，直接影响系统的输出效率和工作稳定性。
技术实现思路
针对
技术介绍
的不足，本专利技术提出一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器，克服传统纳秒光纤激光器脉冲重频与全光纤化程度均不高的技术问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器，包括沿光路依次设置的单模光纤种子源(1)、光纤展宽器(2)、光纤功率放大器(3)和信号光输出系统(4)。单模光纤种子源(1)输出稳定的数十兆赫兹高重频皮秒或飞秒量级的锁模脉冲，通过单模预放大器注入光纤展宽器(2)后，脉冲被展宽至数个纳秒，再对脉冲进行三级光纤放大器级联的功率放大，为抑制光纤中累积的非线性效应，主放大级的增益光纤采用高掺杂大模场双包层光纤或大模场双包层掺杂光子晶体光纤，最后进行包层光剥除和端帽输出。所述各个模块之间通过光纤熔接形成一个全光纤化的封闭系统。所述单模光纤种子源(1)包括锁模振荡器和单模预放大器。所述锁模振荡器为利用半导体可饱和吸收体实现被动锁模的短腔锁模振荡器或谐波锁模振荡器，通过优化锁模振荡器各参数均可实现高重频锁模脉冲输出。所述短腔锁模振荡器包含光纤光栅、第一光纤波分复用器、第一增益光纤、第一光耦合器、第一半导体可饱和吸收体、第一半导体泵浦激光器。上述各光学器件依次连接形成线型谐振腔，第一半导体泵浦激光器输出端连接第一光纤波分复用器泵浦纤输入端，第一光耦合器的输出端将锁模脉冲输出谐振腔外。通过控制增益光纤掺杂浓度、宽带反射的反光纤光栅及控制振荡器中各器件尾纤长度等措施缩短谐振腔长度，使短腔锁模振荡器实现数十兆赫兹高重频的稳定锁模脉冲序列输出。所述谐波锁模振荡器包含第二光纤波分复用器、第二增益光纤、嵌入式偏振控制器、无源单模光纤、第一光纤环形器、第二半导体可饱和吸收体、第一信号光隔离器、第二光耦合器、第二半导体泵浦激光器。上述各光学器件依次连接形成闭合环型谐振腔，第二半导体泵浦激光器输出端连接第二光纤波分复用器泵浦纤输入端，第二光耦合器的输出端将锁模脉冲输出谐振腔外。通过控制无源单模光纤长度和调节嵌入式偏振控制器的压力和旋转角度可实现稳定锁模脉冲输出，再适当增加泵浦注入功率可以得到多脉冲稳定锁模输出，且脉冲重频在十兆赫兹到百兆赫兹之间可调。所述单模预放大器包含第二信号光隔离器、第三光纤波分复用器、第三增益光纤、第三半导体泵浦激光器。所述第一光耦合器或第二光耦合器的输出端连接第二信号光隔离器输入端，第二信号光隔离器输出端连接第三光纤波分复用器信号端，第三半导体泵浦激光器输出端连接第三光纤波分复用器泵浦纤输入端，第三光纤波分复用器公共端连接第三增益光纤输入端。所述光纤展宽器(2)包括色散器件、第二光纤环形器、信号光反射装置。第三增益光纤输出端连接第二光纤环形器输入端，第二光纤环形器反射端连接色散器件输入端，所述色散器件输出端连接信号光反射装置输入端。可选地，所述色散器件可以是高色散单模光纤和啁啾光纤光栅中的一种或多种。所述高色散单模光纤为保偏高色散单模光纤或非保偏高色散单模光纤。可选地，所述信号光反射装置为光纤光栅、半导体可饱和吸收体、全反镜中的一种。所述光纤功率放大器(3)由三级光纤放大器级联组成，其中第一级光纤放大器包括第四半导体泵浦激光器、第四光纤波分复用器、第四增益光纤、带通滤波器、第三信号光隔离器；第二级光纤放大器包括第五半导体泵浦激光器、第一光纤合束器、第五增益光纤、第四信号光隔离器；第三级光纤放大器包括第六半导体泵浦激光器、第二光纤合束器、第六增益光纤。第二光纤环形器输出端连接第四光纤波分复用器信号端，第四半导体泵浦激光器连接第四光纤波分复用器泵浦端，第四光纤波分复用器公共端连接第四增益光纤输入端，第四增益光纤输出端连接带通滤波器输入端，带通滤波器输出端连接第三信号光隔离器输入端。第三信号光隔离器输出端连接第一光纤合束器输入端，第五半导体泵浦激光器连接第一光纤合束器泵浦端，第一光纤合束器输出端连接第五增益光纤输入端，第五增益光纤输出端连接第四信号光隔离器输入端。第四信号光隔离器输出端连接第二光纤合束器输入端，第六半导体泵浦激光器连接第二光纤合束器泵浦端，第二光纤合束器输出端连接第六增益光纤输入端。可选地，所述第六增益光纤是高掺杂大模场双包层光纤和大模场双包层掺杂光子晶体光纤中的一种或多种，且与第二光纤合束器输出端均采用全光纤化熔接。所述信号光输出系统(4)包括包层光剥除装置和端帽输出装置，依次熔接在光纤功率放大器的输出端。通过在去除涂覆层的双包层光纤外涂覆高折射率导热介质，剥除包层中剩余泵浦光及其它包层光。本专利技术具有下述有益效果：1.短腔锁模振荡器或谐波锁模振荡器输出的数十兆赫兹高重频锁模皮秒脉冲经展宽至数纳秒量级并放大后，可得到数十兆赫兹高重频高功率纳秒脉冲，较一般调Q纳秒脉冲更稳定整齐，占空比更高；2.第六增益光纤采用保偏或非保偏的高掺杂大模场双包层光纤和大模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器，其特征在于，包括沿光路依次设置的单模光纤种子源(1)、光纤展宽器(2)、光纤功率放大器(3)和信号光输出系统(4)，所述单模光纤种子源(1)为利用半导体可饱和吸收体实现被动锁模的短腔锁模振荡器或谐波锁模振荡器，通过优化锁模振荡器参数实现数十兆赫兹高重频锁模脉冲输出；所述光纤展宽器(2)由色散器件和与之配合使用的光纤通信器件组成，光纤功率放大器(3)为由多级光纤放大器级联组成的主振荡功率放大器。

【技术特征摘要】
1.一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器，其特征在于，包括沿光路依次设置的单模光纤种子源(1)、光纤展宽器(2)、光纤功率放大器(3)和信号光输出系统(4)，所述单模光纤种子源(1)为利用半导体可饱和吸收体实现被动锁模的短腔锁模振荡器或谐波锁模振荡器，通过优化锁模振荡器参数实现数十兆赫兹高重频锁模脉冲输出；所述光纤展宽器(2)由色散器件和与之配合使用的光纤通信器件组成，光纤功率放大器(3)为由多级光纤放大器级联组成的主振荡功率放大器。2.根据权利要求1所述的一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述单模光纤种子源(1)包括锁模振荡器和单模预放大器；所述锁模振荡器为利用半导体可饱和吸收体实现被动锁模的短腔锁模振荡器或谐波锁模振荡器；所述短腔锁模振荡器包含光纤光栅、第一光纤波分复用器、第一增益光纤、第一光耦合器、第一半导体可饱和吸收体、第一半导体泵浦激光器；上述各光学器件依次连接形成线型谐振腔，半导体泵浦激光器输出端连接光纤波分复用器泵浦纤输入端，光耦合器的输出端将锁模脉冲输出谐振腔外；所述短腔锁模振荡器通过控制增益光纤掺杂浓度、使用宽带反射的光纤光栅及控制振荡器中各器件尾纤长度以缩短谐振腔长度，使短腔锁模振荡器实现重频为15MHz—50MHz量级的稳定脉冲序列输出；所述谐波锁模振荡器包含第二光纤波分复用器、第二增益光纤、嵌入式偏振控制器、无源单模光纤、第一光纤环形器、第二半导体可饱和吸收体、第一信号光隔离器、第二光耦合器、第二半导体泵浦激光器；上述各光学器件依次连接形成闭合环型谐振腔，半导体泵浦激光器输出端连接光纤波分复用器泵浦纤输入端，光耦合器的输出端将锁模脉冲输出谐振腔外；所述谐波锁模振荡器通过控制无源单模光纤长度和调节嵌入式偏振控制器的压力和旋转角度实现稳定锁模脉冲输出，增加泵浦注入功率实现多脉冲稳定锁模输出，且脉冲重频在10MHz—100MHz间可调；单模预放大器包含第二信号光隔离器、第三光纤波分复用器、第三增益光纤、第三半导体泵浦激光器；所述第一光耦合器或第二光耦合器的输出端连接第二信号光隔离器输入端，第二信号光连接器输出端连接第三光纤波分复用器信号端，第三半导体泵浦激光器输出端连接第三光纤波分复用器泵浦纤输入端，第三光纤波分复用器公共端连接第三增益光纤输入端；所述第一增益光纤、第二增益光纤、第三增益光纤为保偏掺杂单模增益光纤或非保偏掺杂单模增益光纤。3.根据权利要求1所述的一种数十兆赫兹高重频纳秒全光纤激光放大器，其特征在于：所述光纤展宽器(2)由色散器件、第二光纤环形器、信号光反射装置组成；所述色散器件为高色散单模光纤和啁啾光纤光栅中的一种或多种；所述高色散单模光纤为保偏高色散单模光纤或非保偏高色散单模光纤；所述高色散单模光纤色散系数D为-114.7ps/nm/km﹤D﹤-39ps/nm/km；所述信号光反射装置为光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平雪，熊文豪，杨敏，李舜，董雪岩，苏宁，高健，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11