CN104733988B - 基于脉冲驱动超辐射发光二极管的mopa脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，包括光路模组(1)和电路模组(2)；所述光路模组(1)包括同轴依次连接的超宽带光源(3)、第一延时光纤(4)、第一光纤放大装置(5)、1个以上的第二光纤放大装置(7)、光电探测器(21)和输出隔离器(8)；所述电路模组(2)包括泵浦驱动电路(9)、超辐射发光二极管驱动电路(10)、输出控制电路(11)和保护电路(12)。本发明可有效保护脉冲驱动超辐射发光二极管免受反向激光的损坏，提高了激光器的寿命。

Description

基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，特别是一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，属于激光设备领域。

背景技术

超辐射发光二极管(superluminescentdiode，SLD或superluminescentlightemittingdiodes，SLED)，是一种宽光谱、弱时间相干性、大功率、高效率的半导体光发射器件，其光学性质介于半导体激光器(LaserDiode，LD)和半导体发光二极管(Light-EmittingDiode，LED)之间，具有比LD更宽的发光光谱和更短的光纤长度，具有比LED更高的输出功率，集宽光谱和大功率的优点于一身，具有广泛的应用。

现有的脉冲光纤激光器，特点是谐振腔内加入了调制器件，所以其输出的激光以高能量脉冲的方式输出，现有的光纤激光器的超辐射发光二极管会受到两种反向激光损伤，其中，一种实正向传输激光在第二增益光纤内发生受激布里渊散射SBS时产生的反向传输的激光，另一种为激光器处理材料时作用到材料表面后有小部分激光回射到激光器，反向传输到SLD种子源。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，它可有效保护脉冲驱动超辐射发光二极管免受反向激光的损坏，提高了激光器的寿命。

本发明的技术方案：一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管SLD的MOPA脉冲光纤激光器，包括光路模组和电路模组；其中，所述光路模组包括同轴依次连接的超辐射发光二极管、第一延时光纤、宽带滤波器、1个以上的第一光纤放大装置、1个以上的第二光纤放大装置、光电探测器和输出隔离器，第一延时光纤用于增加反向激光传输到超辐射发光二极管的时间以保证反向激光传输到超辐射发光二极管时超辐射发光二极管处于关闭状态，所述时间大小与第一延时光纤的长度成正比；电路模组包括泵浦驱动电路、超辐射发光二极管驱动电路、输出控制电路和保护电路，泵浦驱动电路用于驱动第一光纤放大装置和第二光纤放大装置产生连续泵浦激光，超辐射发光二极管驱动电路用于驱动超辐射发光二极管产生调制脉冲激光或连续激光，并且根据电信号脉宽的不同实现激光脉冲脉宽的可调，输出控制电路用于通过人机界面设置输出激光的脉宽，重复频率和功率，实现对激光器输出的控制；保护电路用于对光路监测和保护。

优选的，所述反向激光包括作用在材料表面的回射激光和受激布里渊散射产生的反向传输激光。

优选的，所述第一延时光纤的长度L1具体由以下公式获得，

$L_1\≥\frac{\mathrm{cD}}{n}-L$

其中，在脉冲周期T中出光时间为D，空气中激光速度为c，光纤折射率为n，不算第一延时光纤长度时驱动超辐射发光二极管到主功率放大级的光纤长度为L。

优选的，第一光纤放大装置包括第一在线光隔离器和第一光纤放大器，第一光纤放大器包括依次连接第一泵浦激光器、第一合束器和第一增益光纤；所述第一合束器的泵浦端连接于所述的第一泵浦激光器，第一泵浦激光器与泵浦驱动电路电连接；

其中一种情况是，所述第一光纤放大器具体为第一增益光纤一端连接于第一合束器的信号输出端，另一端与后一级第一光纤放大装置或者第二光纤放大装置连接，第一合束器信号输入端与第一在线光隔离器连接；

其中另一种情况是，第一增益光纤一端连接于第一合束器的信号输出端，另一端与同级第一光纤放大装置中的第一在线光隔离器连接，第一合束器信号输入端与后一级第一光纤放大装置或者第二光纤放大装置连接。

优选的，所述第二光纤放大装置包括第二在线光隔离器和第二光纤放大器，第二光纤放大器包括依次连接的第二泵浦激光器、第二合束器和第二增益光纤；所述第二合束器的泵浦端连接于所述的第二泵浦激光器，第二泵浦激光器与泵浦驱动电路电连接；第二增益光纤与输出隔离器连接。

优选的，所述输出隔离器包括第二延时光纤和准直光隔离器，第二延时光纤用于将功率放大后的脉冲激光传输到材料，并增加部分回射激光到超辐射发光二极管的传输距离。

优选的，所述第二延时光纤的长度L₃具体由以下公式获得，

$L_2\≈\frac{\mathrm{cd}}{2n}-L_3$

其中，脉冲半宽为d，空气中激光速度为c，光纤折射率为n，准直光隔离器的光纤长度为L₃。

其中一种情况是，第二光纤放大器具体为第二增益光纤一端连接于第二合束器的信号输出端，另一端与后一级第二光纤放大装置或者输出隔离器连接，第二合束器信号输入端与第二在线光隔离器连接；

其中另一种情况是，第二增益光纤一端连接于第二合束器的信号输出端，另一端与同级第二光纤放大装置中的第二在线光隔离器连接，第二合束器信号输入端与后一级第二光纤放大装置或输出隔离器连接。

优选的，超辐射发光二极管驱动电路还用于根据需要调制出不同脉宽不同频率的脉冲信号，并控制超辐射发光二极管的输出波形。

本发明实施例利用脉冲驱动超辐射发光二极管实现光纤激光器的脉冲输出，根据超辐射发光二极管的电信号脉冲宽度和脉冲波形的不同实现不同脉冲宽度和脉冲波形激光脉冲的输出，并通过延时光纤来保护超辐射发光二极管免受反向激光的损坏，本发明，可有效保护脉冲驱动超辐射发光二极管免受反向激光的损坏，提高了激光器的寿命。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器的结构框示意图；

图2是本发明实施例一提供的脉冲周期和出光时间的示意图；

图3是本发明实施例一提供的放大后脉冲形状的示意图；

图4是本发明实施例二提供的基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器的结构框示意图；

图5是本发明实施例三提供的基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器的结构框示意图；

图6是本发明实施例四提供的基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器的结构框示意图。

附图中的标记为：1-光路模组，2-电路模组，3-超辐射发光二极管，4-第一延时光纤，5-宽带滤波器，6-第一光纤放大装置，7-第二光纤放大装置，8-输出隔离器，9-泵浦驱动电路，10-超辐射发光二极管驱动电路，11-输出控制电路，12-保护电路，13-第一在线光隔离器，14-第一光纤放大器，15-第一泵浦激光器，16-第一合束器，17-第一增益光纤，18-第二在线光隔离器，19-第二泵浦激光器，20-第二合束器，21-第二增益光纤，22-第二光纤放大器，23-光电探测器，24-第二延时光纤，25-准直光隔离器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。

本发明的实施例一：如图1所示，一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，包括光路模组1和电路模组2；所述光路模组1包括同轴依次连接的超辐射发光二极管3、第一延时光纤4、宽带滤波器5、第一光纤放大装置6、第二光纤放大装置7、光电探测器23和输出隔离器8；所述第二光纤放大装置7为2个。光电探测器23设置于第二增益光纤21与输出隔离器8的熔接点处，用于检测光路是否受损，一旦光纤烧断立即断电。

所述电路模组2包括泵浦驱动电路9、超辐射发光二极管驱动电路10、输出控制电路11和保护电路12；

泵浦驱动电路9用于驱动第一光纤放大装置6和第二光纤放大装置7产生连续泵浦激光，超辐射发光二极管驱动电路10用于驱动超辐射发光二极管3产生调制脉冲激光或连续激光，并且根据电信号脉宽的不同实现激光脉冲脉宽的可调，输出控制电路11用于通过人机界面设置输出激光的脉宽，重复频率和功率，实现对激光器输出的控制；保护电路12用于对光路监测和保护。

其中，所述反向激光包括作用在材料表面的回射激光和受激布里渊散射产生的反向传输激光，为了保护超辐射发光二极管3要在其后添加第一延时光纤，保证反向激光传输到SLD时处于关闭状态。明显受激布里渊散射产生的回射激光会更快地回射到超辐射发光二极管3，所以只要保证受激布里渊散射产生的回射激光传输到超辐射发光二极管3时其处于关闭状态即可。所述第一延时光纤4的长度L₁具体由以下公式获得，

$L_1\≥\frac{\mathrm{cD}}{n}-L$

其中，在脉冲周期T中出光时间为D，见图2所示，空气中激光速度为c，光纤折射率为n，不算第一延时光纤长度时驱动超辐射发光二极管(3)到主功率放大级的光纤长度为L。

第一光纤放大装置6包括第一在线光隔离器13和第一光纤放大器14，第一光纤放大器14包括依次连接第一泵浦激光器15、第一合束器16和第一增益光纤17；所述第一合束器16的泵浦端连接于所述的第一泵浦激光器15，第一泵浦激光器15与泵浦驱动电路9电连接；

其中，第一光纤放大器14为正向泵浦方式，具体的第一增益光纤17一端连接于第一合束器16的信号输出端，另一端与后一级第一光纤放大装置6或者第二光纤放大装置7连接，第一合束器16信号输入端与第一在线光隔离器13连接，优点在于放大器输出端的信噪比高于反向泵浦。

所述第二光纤放大器22为正向泵浦结构，正向泵浦第二光纤放大器中第二增益光纤21一端连接于第二合束器20的信号输出端，另一端与后一级第二光纤放大装置7或者输出隔离器8连接，第二合束器20信号输入端与第二在线光隔离器18连接。正向泵浦第二光纤放大器的优点在于放大器输出端的信噪比高于反向泵浦，受激拉曼散射SRS弱于反向泵浦。

所述第二光纤放大装置7包括第二在线光隔离器18和第二光纤放大器22，第二光纤放大器22包括依次连接的第二泵浦激光器19、第二合束器20和第二增益光纤21；所述第二合束器20的泵浦端连接于所述的第二泵浦激光器19，第二泵浦激光器19与泵浦驱动电路9电连接；第二增益光纤21与输出隔离器8连接。所述第一增益光纤17和第二增益光纤21为掺镱双包层光纤。

优选的，所述输出隔离器8包括第二延时光纤24和准直光隔离器25，第二延时光纤24用于将功率放大后的脉冲激光传输到材料，并增加部分回射激光到超辐射发光二极管3的传输距离，可以使激光器每个脉冲作用到材料表面后反射回激光器时已与此脉冲前沿峰值功率较高处错开，避免反射回光对激光器造成损伤。

其中，由于MOPA激光器放大后脉冲形状如上图所示，为了防止主功率放大后的脉冲前沿尖端部分作用到材料表面回射到增益光纤后被反向放大造成峰值过高损伤光纤，我们再第二增益光纤和准直光隔离器之间添加了第二延时光纤，主要是为了防止脉冲前沿尖端的部分回射激光传输到第二增益光纤时正向传输的脉冲已经处于峰值功率较低的状态。同时考虑到传能光纤过长也会造成受激拉曼散射的阈值下降，所以第二延时光纤24也不宜过长。第二延时光纤24的长度L₃具体由以下公式获得，

$L_2\≈\frac{\mathrm{cd}}{2n}-L_3$

其中，脉冲半宽为d，见图3所示，空气中激光速度为c，光纤折射率为n，准直光隔离器的光纤长度为L₃。

优选的，超辐射发光二极管驱动电路(10)还用于根据需要调制出不同脉宽不同频率的脉冲信号，并控制超辐射发光二极管(3)的输出波形。例如为了抑制放大级脉冲前沿增益过高，超辐射发光二极管会调制为脉冲前沿低后沿高的三角形或梯形的脉冲信号。

本发明的实施例二：如图4所示，一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，所述第一光纤放大器14为反向泵浦方式，反向泵浦第一光纤放大器中第一增益光纤17一端连接于第一合束器16的信号输出端，另一端与同级第一光纤放大装置6中的第一在线光隔离器第一在线光隔离器13连接，第一合束器16信号输入端与后一级第一光纤放大装置6或者第二光纤放大装置7连接。反向泵浦第一光纤放大器的优点在于放大器的增益能力高于正向泵浦。

所述第二光纤放大器22采用正向泵浦结构，正向泵浦第二光纤放大器中第二增益光纤21一端连接于第二合束器20的信号输出端，另一端与后一级第二光纤放大装置7或者输出隔离器8连接，第二合束器20信号输入端与第二在线光隔离器18连接。正向泵浦第二光纤放大器的优点在于放大器输出端的信噪比高于反向泵浦，受激拉曼散射弱于反向泵浦。

本发明的实施例三：如图5所示，一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，第一光纤放大器14为正向泵浦方式，正向泵浦第一光纤放大器中第一增益光纤17一端连接于第一合束器16的信号输出端，另一端与后一级第一光纤放大装置6或者第二光纤放大装置7连接，第一合束器16信号输入端与第一隔离器13连接正向泵浦第一光纤放大器的优点在于放大器输出端的信噪比高于反向泵浦。

第二光纤放大器22采用反向泵浦结构，反向泵浦第二光纤放大器中第二增益光纤21一端连接于第二合束器20的信号输出端，另一端与同级第二光纤放大装置7中的第二在线光隔离器18连接，第二合束器20信号输入端与后一级第二光纤放大装置7或输出隔离器8连接。反向泵浦第二光纤放大器的优点在于放大器的增益能力高于正向泵浦，输出激光反射回激光器的放大程度弱于正向泵浦。

本发明的实施例四：如图6所示，一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管SLD的MOPA脉冲光纤激光器，第一光纤放大器14为反向泵浦方式，反向泵浦第一光纤放大器中第一增益光纤17一端连接于第一合束器16的信号输出端，另一端与同级第一光纤放大装置6中的第一在线光隔离器第一在线光隔离器13连接，第一合束器16信号输入端与后一级第一光纤放大装置6或者第二光纤放大装置7连接。反向泵浦第一光纤放大器的优点在于放大器的增益能力高于正向泵浦。

所述第二光纤放大器22采用反向泵浦结构，反向泵浦第二光纤放大器中第二增益光纤21一端连接于第二合束器20的信号输出端，另一端与同级第二光纤放大装置7中的第二在线光隔离器18连接，第二合束器20信号输入端与后一级第二光纤放大装置7或输出隔离器8连接。反向泵浦第二光纤放大器的优点在于放大器的增益能力高于正向泵浦，输出激光反射回激光器的放大程度弱于正向泵浦。

Claims (10)

1.一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：包括光路模组(1)和电路模组(2)；其中，所述光路模组(1)包括同轴依次连接的超辐射发光二极管(3)、第一延时光纤(4)、宽带滤波器(5)、1个以上的第一光纤放大装置(6)、1个以上的第二光纤放大装置(7)、光电探测器(23)和输出隔离器(8)，第一延时光纤(4)用于增加反向激光传输到超辐射发光二极管(3)的时间以保证反向激光传输到超辐射发光二极管(3)时超辐射发光二极管(3)处于关闭状态，所述时间大小与第一延时光纤(4)的长度成正比；电路模组(2)包括泵浦驱动电路(9)、超辐射发光二极管驱动电路(10)、输出控制电路(11)和保护电路(12)，泵浦驱动电路(9)用于驱动第一光纤放大装置(6)和第二光纤放大装置(7)产生连续泵浦激光，超辐射发光二极管驱动电路(10)用于驱动超辐射发光二极管(3)产生调制脉冲激光或连续激光，并且根据电信号脉宽的不同实现激光脉冲脉宽的可调，输出控制电路(11)用于通过人机界面设置输出激光的脉宽，重复频率和功率，实现对激光器输出的控制；保护电路(12)用于对光路监测和保护。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：所述反向激光包括作用在材料表面的回射激光和受激布里渊散射产生的反向传输激光。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一延时光纤(4)的长度L₁具体由以下公式获得，

其中，在脉冲周期T中出光时间为D，空气中激光速度为c，光纤折射率为n，不算第一延时光纤长度时驱动超辐射发光二极管(3)到主功率放大级的光纤长度为L。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：第一光纤放大装置(6)包括第一在线光隔离器(13)和第一光纤放大器(14)，第一光纤放大器(14)包括依次连接第一泵浦激光器(15)、第一合束器(16)和第一增益光纤(17)；所述第一合束器(16)的泵浦端连接于所述的第一泵浦激光器(15)，第一泵浦激光器(15)与泵浦驱动电路(9)电连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第一光纤放大器(14)具体为第一增益光纤(17)一端连接于第一合束器(16)的信号输出端，另一端与后一级第一光纤放大装置(6)或者第二光纤放大装置(7)连接，第一合束器(16)信号输入端与第一在线光隔离器(13)连接；

或第一增益光纤(17)一端连接于第一合束器(16)的信号输出端，另一端与同级第一光纤放大装置(6)中的第一在线光隔离器(13)连接，第一合束器(16)信号输入端与后一级第一光纤放大装置(6)或者第二光纤放大装置(7)连接。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第二光纤放大装置(7)包括第二在线光隔离器(18)和第二光纤放大器(22)，第二光纤放大器(22)包括依次连接的第二泵浦激光器(19)、第二合束器(20)和第二增益光纤(21)；所述第二合束器(20)的泵浦端连接于所述的第二泵浦激光器(19)，第二泵浦激光器(19)与泵浦驱动电路(9)电连接；第二增益光纤(21)与输出隔离器(8)连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：第二光纤放大器(22)具体为第二增益光纤(21)一端连接于第二合束器(20)的信号输出端，另一端与后一级第二光纤放大装置(7)或者输出隔离器(8)连接，第二合束器(20)信号输入端与第二在线光隔离器(18)连接；

或第二增益光纤(21)一端连接于第二合束器(20)的信号输出端，另一端与同级第二光纤放大装置(7)中的第二在线光隔离器(18)连接，第二合束器(20)信号输入端与后一级第二光纤放大装置(7)或输出隔离器(8)连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：所述输出隔离器(8)包括第二延时光纤(24)和准直光隔离器(25)，第二延时光纤(24)用于将功率放大后的脉冲激光传输到材料，并增加部分回射激光到超辐射发光二极管(3)的传输距离。

9.根据权利要求8所述的一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：所述第二延时光纤(24)的长度L₃具体由以下公式获得，

其中，脉冲半宽为d，空气中激光速度为c，光纤折射率为n，准直光隔离器的光纤长度为L₃。

10.根据权利要求1所述的一种基于脉冲驱动超辐射发光二极管的MOPA脉冲光纤激光器，其特征在于：超辐射发光二极管驱动电路(10)还用于根据需要调制出不同脉宽不同频率的脉冲信号，并控制超辐射发光二极管(3)的输出波形。