CN100492148C - 全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号系统 - Google Patents
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Abstract
一种全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号系统，构成包括依次连接的分布反馈光纤激光器、声光斩波器、掺镱单模光纤前置放大器、光纤分束器，在该光纤分束器的90%输出端与多模泵浦合束器的信号端相熔接，该多模泵浦合束器的输出尾纤与掺镱双包层光纤放大器的光纤相熔接，该多模合束器的泵浦端接多模半导体激光器，所述的掺镱双包层光纤放大器的尾纤的输出端面具有8°的斜面，所述的光纤分束器的后向输出监控端接光纤隔离器。本发明的放大脉冲信号具有窄线宽、基横模、单纵模、稳定性好和在高功率脉冲形状无畸变的优点，易封装且受环境影响较小。
Description
技术领域
本发明涉及激光，特别是一种全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号系统，它是一种利用掺镱双包层光纤实现的百纳秒脉冲激光信号源，其优点是光束质量好，窄线宽、基横模、单纵模，且在实现高功率的情况下，200ns方波几乎无畸变，该系统可应用于同时对线宽、功率和脉冲形状要求严格的场合。
背景技术
利用光纤实现的信号源模块具有光束质量好，效率高，高稳定性、结构紧凑等优点，已广泛应用在通信、工业和医学等领域。掺镱(Yb3+)石英光纤属于简单的二能级结构，具有宽的吸收谱、增益带宽和调谐范围，量子效率高，无激发态吸收、无浓度淬灭等特点；且由于双包层光纤的特殊结构，泵浦光可在大截面、大数值孔径的包层中传播并实现泵浦光的高功率耦合和吸收，提高放大器中的存储能量，实现信号光的有效放大。这些优点使掺镱双包层光纤越来越引起人们的广泛关注。
尽管目前广泛利用的大模场面积光纤(LMF)可有效的降低光纤纤芯内的功率密度，提高非线性阈值，实现长脉冲信号高功率，无畸变放大，但由于纤芯直径在10μm以上，并不能保证放大过程中光束的基横模传输特性；而普通的单模光纤放大器虽然可保证光束的单横模特性，但由于光纤内可存储的能量有限，百纳秒脉冲放大时，随着信号功率的增加很容易使放大器增益饱和，引起脉冲形状畸变，不能满足需要线宽窄、高功率、基横模、单纵模和脉冲形状无畸变的情况，例如，在惯性约束核聚变(ICF)装置前端驱动系统向集成化方向发展的过程中，在进入分束器阵列之前不仅要求功率高，脉冲形状无畸变，而且要求光束质量好，基横模单纵模。同时很多高功率的放大器采用透镜耦合信号光和泵浦光的结构，耦合调节较难，且耦合效率低，结构不稳定，受环境影响较大，这些缺点限制了其在很多场合下的应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号系统，该系统应可实现窄线宽、高功率、基横模、单纵模和稳定性好的激光脉冲放大信号输出。
本发明的技术解决方案如下：
一种全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号系统，构成包括依次连接的分布反馈光纤激光器、声光斩波器、掺镱单模光纤前置放大器、光纤分束器，在该光纤分束器的90％输出端与多模泵浦合束器的信号端相熔接，该多模泵浦合束器的输出尾纤与掺镱双包层光纤放大器的光纤相熔接，该多模合束器的泵浦端接多模半导体激光器，所述的掺镱双包层光纤放大器的尾纤的输出端面具有8°的斜面，所述的光纤分束器的后向输出监控端接光纤隔离器。
所述的掺镱单模光纤前置放大器具有带宽1nm光纤滤波器。
所述的多模泵浦合束器输出尾纤为双包层非掺杂光纤，内包层直径为125μm，数值孔径0.45，纤芯直径4μm，数值孔径0.12，所述的掺镱双包层光纤放大器的内包层直径为130μm，数值孔径0.46，纤芯模场直径6.5μm，数值孔径0.12。
所述的掺镱双包层光纤放大器的输出端接高功率光纤隔离器。
实验表明，本发明的放大脉冲信号具有窄线宽、基横模、单纵模、稳定性好和在高功率脉冲形状无畸变的优点，易封装且受环境影响较小。
附图说明
图1是本发明全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号源系统的结构示意图。
图中：
1—分布反馈光纤激光器；2—声光斩波器；3—掺镱单模光纤前置放大器，包含一个中心波长1μm，带宽1nm的光纤滤波器；4—波长1μm的10∶90光纤分束器；5—12m掺镱双包层光纤；6—光纤隔离器；7—多模泵浦合束器；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号源系统的结构示意图。也是本发明实施例1的结构示意图，由图可见，本发明全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号源系统的构成包括依次连接的分布反馈光纤激光器1、声光斩波器2、掺镱单模光纤前置放大器3、光纤分束器4，在该光纤分束器4的90％输出端与多模泵浦合束器7的信号端相熔接，该多模泵浦合束器7的输出尾纤与掺镱双包层光纤放大器5的光纤相熔接，该多模合束器7的泵浦端接多模半导体激光器LD2，所述的掺镱双包层光纤放大器5的尾纤的输出端面具有8°斜面，所述的光纤分束器4的后向输出监控端接光纤隔离器6。
本实施例中，所述的分布反馈光纤激光器1是采用输出线宽很窄(<100KHz)的中心波长1μm的分布反馈光纤激光器作信号种子光，经过声光斩波器2后得到脉冲信号，为重复频率1Hz的脉宽为200ns方波脉冲；所述的掺镱单模光纤前置放大器3具有带宽1nm光纤滤波器，半导体激光器LD1作为泵浦源，该掺镱单模光纤前置放大器3放大弱脉冲信号，输出端采用带宽1nm光纤滤波器，滤除自发辐射噪声，提高信噪比。
作为掺镱双包层光纤放大器5的泵浦源是波长970nm，最大输出功率2W的多模半导体激光器LD2。多模泵浦合束器7可实现泵浦和信号光的高耦合效率，泵浦光耦合效率是95％，信号光耦合效率为86％；所述的掺镱双包层光纤放大器5是由12m双包层掺Yb光纤构成，可对中心波长1μm脉宽200ns的脉冲光实现功率放大。多模泵浦合束器7输出尾纤为双包层非掺杂光纤，内包层直径为125μm，数值孔径0.45，纤芯直径4μm，数值孔径0.12。所述的掺镱双包层光纤放大器5的双包层光纤的内包层直径为130μm，数值孔径0.46，纤芯模场直径6.5μm，数值孔径0.12。光纤参数基本匹配，掺Yb双包层光纤可与多模泵浦合束器7的输出尾纤直接熔接，其熔接损耗小于1dB；采用8°斜面输出，防止放大的自发辐射光(ASE)在放大器中形成自激振荡，打坏系统器件。所述的光纤分束器4采用了波长1μm的90∶10分束器，该分束器4具有两个正向输出端和一个反向输出端，因而可同时实现输入信号监控和反向输出功率和脉冲波形监控，两个正向输出端的分束比为90：10。由于反向监控输出端光纤端面和前向放大信号输出光纤端面容易形成腔振荡，故在反向输出监控端接光纤隔离器6，有效的避免了输出脉冲的光振荡现象，可进一步提高脉冲功率，且方波脉冲形状无畸变。同时，由于系统中采用的光纤纤芯模场直径均在6μm左右，有效的保证了输出脉冲基横模单纵模的很好光束质量。
在操作步骤上，种子源分布反馈光纤激光器1输出连续信号光线宽<100KHz，功率8mW，经声光斩波器2得到重复频率1Hz，脉冲200ns的脉冲信号，再经掺镱单模光纤前置放大器3放大和1nm带宽滤波，通过分束器4和多模泵浦合束器7进入双包层光纤放大器5中，打开泵浦源，中心波长970nm，逐步增大泵浦功率，输入信号监控端监控输入脉冲波形，反向监控端观察反向输出脉冲波形，可实时检测放大器中非线性现象SBS的发生，8度斜面输出端经光纤耦合观察输出脉冲波形，经12m双包层光纤放大，得到峰值功率3W，稳定性2.1％rms，脉冲无畸变的200ns方波输出。
本实施例中，脉冲信号输出为8度斜面输出，观察脉冲稳定性需采用空间光透镜耦合进光纤，耦合系统的不稳定，使总输出脉冲的不稳定性偏大，本实施例还不够理想，限制了其应用场合。
实施例2，与实施例1相比的不同点在于所述的掺镱双包层光纤放大器5的输出端接高功率光纤隔离器，例如>3W的光纤隔离器，则可极大的提高整个系统的稳定性，光纤隔离器输出结构更容易封装，可满足要求窄线宽，功率高和输出脉冲波形无畸变的更多场合的应用。
Claims (3)
1、一种全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号系统，特征在于其构成包括依次连接的分布反馈光纤激光器(1)、声光斩波器(2)、掺镱单模光纤前置放大器(3)、光纤分束器(4)，在该光纤分束器(4)的90％输出端与多模泵浦合束器(7)的信号端相熔接，该多模泵浦合束器(7)的输出尾纤与掺镱双包层光纤放大器(5)的光纤相熔接，该多模泵浦合束器(7)的泵浦端接多模半导体激光器，所述的掺镱双包层光纤放大器(5)的尾纤的输出端面具有8度斜面，所述的光纤分束器(4)的后向输出监控端接光纤隔离器(6)，所述的掺镱双包层光纤放大器(5)的输出端接高功率的光纤隔离器。
2、根据权利要求1所述的全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号系统，其特征在于所述的掺镱单模光纤前置放大器(3)具有带宽1nm的光纤滤波器。
3、根据权利要求1所述的全光纤窄线宽百纳秒脉冲信号系统，其特征在于所述的多模泵浦合束器(7)输出尾纤为双包层非掺杂光纤，内包层直径为125μm，数值孔径0.45，纤芯直径4μm，数值孔径0.12，所述的掺镱双包层光纤放大器(5)的光纤内包层直径为130μm，数值孔径0.46，纤芯模场直径6.5μm，数值孔径0.12。
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