一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块与光纤激光器的制作方法

本申请涉及光纤激光脉冲信号技术领域，尤其涉及一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块以及采用此模块的光纤激光器。

背景技术：

目前，一般的光纤型激光种子源的脉冲重复频率在10至40mhz范围，而较为有效的超短激光脉冲信号串的串内频率需达到1至10ghz以上的水平。而想要得到串内频率如此高的脉冲串，这也就需要用到脉冲串生成模块把每个脉冲加以分裂或复制。

在现有技术中，脉冲串生成模块通常是采用如图1所示的脉冲串生成模块，其基本方法是均匀地把种子源信号的重复频率用脉冲分裂的原理逐步倍增上去，即如果种子源信号的重复频率是100hz，第一步是把重复频率变为200赫芝，然后再倍增到400赫芝，依次类推。等重复频率倍增到要求的水平后，选用脉冲选择器把需要的脉冲串选出来，再进行放大。其虽然对较长的脉冲串，甚至跨越两个种子源信号脉冲时，可以有较高的效率，但是它受到的限制是脉冲串的串内频率只能是种子源信号频率的2n倍。但是，当脉冲串内包含的子脉冲数并不是很多(如几十个以内)的情况下，这种方法使得降低单脉冲能量不够灵活，而单脉冲能量越高，则会使得输出的高能量脉冲会增加光纤非线性效应，影响光纤激光光束的传输。

另外，光纤激光器在输出光纤前，需要对光脉冲信号的功率进行放大，而用模场直径一定的lma光纤，把脉冲宽度扩展到纳米量级后的脉冲能量放大的能力仍然是很有限的。目前，解决这一困难的主要方法是继续增加光纤的纤芯模场直径。

如果用传统的阶梯式折射率分布的lma光纤，当纤芯直径超过15微米时，就会有一个或数个高阶模式可以在光纤中传播和放大，随着纤芯直径越增越大，允许的高阶模式就会越来越多，产生的激光的光束质量就会不断下降。按目前的技术现状，这类光纤实际上能达到的最大纤芯直径约为25至30微米。因此，超短脉冲能取得的最大脉冲能量约在50微焦以下。要取得更大的脉冲能量，需要使用芯径更大的lma光纤。用常规的光纤设计方法很难得到这样的光纤，所以现在都是用光纤晶体光纤的技术来制作芯径达到40微米以上的lma增益光纤。这使得制造成本大大提高。同时，还会出现重大的潜在问题，则是由于这类光纤结构特殊，到目前为止不无法用传统的方式把这种光纤与传统光纤直接连接，连接较为困难，这给产品的制造带来了困难及成本上的压力。

技术实现要素：

本申请提供了一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块与光纤激光器，用于解决现有技术中降低光纤单脉冲能量不够灵活、光纤纤芯直径较大以及光纤连接难度大的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块，包括：依次设置的脉冲选择器、脉冲串生成器与功率放大器；

所述脉冲选择器用于接收光纤激光器种子源输出的光脉冲信号，并通过调节所述脉冲选择器的开关周期从而获取并输出预设的重复频率的光脉冲信号；

所述脉冲串生成器，用于接收所述脉冲选择器输出的光脉冲信号，并对所述光脉冲信号进行分裂从而生成具有预设的子脉冲个数的脉冲串，进而输出具有相应的所述脉冲串的光脉冲信号；

所述功率放大器包括泵浦激光器、信号/泵浦合成器、双层光纤与双包层增益光纤；

其中，所述泵浦激光器，用于产生泵浦光；

所述双层光纤与所述信号/泵浦合成器的输出端连接，所述双层光纤包括纤芯以及包裹于所述纤芯外侧的内包层；

所述信号/泵浦合成器用于接收所述泵浦光与所述脉冲串生成器所输出的光脉冲信号，并将所述泵浦光与所述光脉冲信号分别耦合进所述双层光纤的所述内包层与所述纤芯；

所述双包层增益光纤为掺镱的单模lma双包层光纤，所述双包层增益光纤与所述双层光纤的输出端通过焊接连接，所述双包层增益光纤的内包层与所述双层光纤的所述纤芯对应连通，所述双包层增益光纤的外包层与所述双层光纤的所述内包层对应连通，从而所述泵浦光与所述光脉冲信号通过所述双层光纤分别进入所述双包层增益光纤的所述外包层与所述内包层。

优选地，所述脉冲串生成器包括m级2×2分束器(m＝1、2、3···m)与n级延时光纤(n＝1、2、3···n)，其中，第一级2×2分束器的一个输入端与所述脉冲选择器的输出端连接，用于接收所述脉冲选择器所输出的光脉冲信号后进行第一次分束，所述第一级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第二级2×2分束器的一个输入端连接，所述第一级2×2分束器的另一个输出端通过第一级延时光纤与所述第二级2×2分束器的另一个输入端连接，所述第二级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第三级2×2分束器的一个输入端连接，所述第二级2×2分束器的另一个输出端通过第二级延时光纤与所述第三级2×2分束器的另一个输入端连接，以此类推，直至最后一级2×2分束器的一个输出端与所述功率放大器的输入端连接，其中，第n+1级延时光纤的长度为第n级延时光纤的2倍。

优选地，所述最后一级2×2分束器的另一个输出端连接有第一闲置光纤，所述第一闲置光纤连接有功率器，用于测量所述最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号的平均功率。

优选地，所述第一级2×2分束器的另一个输入端连接有第二闲置光纤。

优选地，还包括第一前置放大器，所述第一前置放大器与所述脉冲选择器的输入端连接，所述第一前置放大器用于接收并放大光纤激光器种子源输出的光脉冲信号。

优选地，所述脉冲串生成器与所述功率放大器之间连接有第二前置放大器，所述第二前置放大器用于接收并放大所述最后一级2×2分束器输出的所述光脉冲信号。

优选地，所述第二前置放大器包括光纤循环器、增益光纤、光纤光栅与泵浦激光源；

所述光纤循环器设有输入端、第一输出端与第二输出端，所述光纤循环器的所述输入端与所述最后一级2×2分束器的输出端连接，用于接收所述最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号；

所述增益光纤与所述光纤循环器的第一输出端连接，用于当所述光脉冲信号经过第一次经过所述增益光纤时，对所述光脉冲信号进行增益放大；

所述泵浦激光源与所述增益光纤连接，所述泵浦激光源用于产生泵浦光并通过所述增益光纤向所述光纤循环器输出；

所述光纤光栅与所述增益光纤连接，所述光纤光栅用于对波长满足光纤布拉格光栅条件的光脉冲信号进行反射，对其余波长的光脉冲信号进行透射，同时，经所述光纤光栅反射的光脉冲信号再次经过所述增益光纤进行增益放大；

所述光纤循环器的第二输出端与所述信号/泵浦合成器的输入端连接。

优选地，所述泵浦激光器为两个。

优选地，所述功率放大器还包括准直器与双色镜；

所述准直器与所述双包层增益光纤的输出端连接，用于对经所述双包层增益光纤增益放大后的光脉冲信号与泵浦光进行准直处理；

所述双色镜沿所述准直器的轴线方向设置于所述准直器的出光口的外侧，用于接收所述准直器输出的光脉冲信号与泵浦光，并对所述光脉冲信号进行反射，对所述泵浦光进行透射。

另一方面，本申请还提供了一种光纤激光器，包括上述的光纤激光器脉冲串生成及放大模块。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例提供了一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块与光纤激光器，其包括依次设置的依次设置的脉冲选择器、脉冲串生成器与功率放大器，其先通过脉冲选择器将光纤激光器种子源发射的光脉冲信号的重复频率调节至预设的重复频率，随后，通过脉冲串生成器将光脉冲信号进行多级分裂从而生成具有多个子脉冲的脉冲串，从而使得单脉冲能量降低，从而降低光纤非线性效应，提高光纤激光光束的传输性能，使得降低单脉冲能量更加灵活且方便。同时，单脉冲能量降低使得对光纤纤芯直径的要求降低，其光纤选择范围更广，光纤纤芯直径可以更小，从而减少制造成本。

另外，双包层增益光纤为掺镱的单模lma双包层光纤，其纤芯直径较小，可以与普通光纤直接焊接，无需专门处理两种光纤的匹配问题，使得结构简单以及降低了制造工艺与成本。

附图说明

图1为本申请现有技术中光纤激光器脉冲串生成及放大模块的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块的脉冲串生成器的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块的第二前置放大器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块的功率放大器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，请参阅图2，本申请提供的一种光纤激光器脉冲串生成及放大模块，其特征在于，包括：依次设置的脉冲选择器、脉冲串生成器与功率放大器；

进一步地，脉冲选择器用于接收光纤激光器种子源输出的光脉冲信号，并通过调节脉冲选择器的开关周期从而获取并输出预设的重复频率的光脉冲信号；

需要说明的是，光纤激光器的平均功率等于脉冲能量与脉冲重复频率的乘积，当激光器的平均功率限定后，必须通过降低重复频率才能提高脉冲能量。而本实施例中的脉冲选择器的开关周期可调，可以通过脉冲选择器的开关周期将光脉冲信号的重复频率至预设的重复频率，而预设的重复频率是根据客户的工艺需求来设定。

脉冲串生成器，用于接收脉冲选择器输出的光脉冲信号，并对光脉冲信号进行分裂从而生成具有预设的子脉冲个数的脉冲串，进而输出具有相应的脉冲串的光脉冲信号；

需要说明的是，脉冲串生成器对光脉冲信号进行分束的次数根据预设的子脉冲数来确定，而预定的子脉冲数与光纤本身的承载性能有关，而光纤本身的承载性能则与光纤的直径大小有关，最后达到预定的子脉冲数后，使得单脉冲的能量降低，从而降低光纤非线性效应，同时，提高光纤传输性能。另外，单脉冲的能量降低也使得光纤直径的要求也降低，可以使得光纤的可选择范围更加宽松，光纤的纤芯直径也可以更小。

进一步地，参考图5，功率放大器包括泵浦激光器90、信号/泵浦合成器91、双层光纤92与双包层增益光纤93；

其中，泵浦激光器90，用于产生泵浦光；

双层光纤92与信号/泵浦合成器91的输出端连接，双层光纤92包括纤芯以及包裹于纤芯外侧的内包层；

信号/泵浦合成器91用于接收泵浦光与脉冲串生成器所输出的光脉冲信号，并将泵浦光与光脉冲信号分别耦合进双层光纤92的内包层与纤芯；

需要说明的是，信号/泵浦合成器91的输入端可以设置多个光纤端口，在本实施例中，信号/泵浦合成器91的输入端分别设置用于接收泵浦光的输入光纤端口与设置用于接收光脉冲信号的输入光纤端口；同时，在信号/泵浦合成器91与双层光纤92连接过程中，接收泵浦光的输入光纤端口与双层光纤92的内包层连通，接收光脉冲信号的输入光纤端口与双层光纤92的纤芯连通。

进一步地，双包层增益光纤93为掺镱的单模lma双包层光纤，双包层增益光纤93与双层光纤92的输出端通过焊接连接，双包层增益光纤93的内包层与双层光纤92的纤芯对应连通，双包层增益光纤93的外包层与双层光纤92的内包层对应连通，从而泵浦光与光脉冲信号通过双层光纤92分别进入双包层增益光纤93的外包层与内包层。

可以理解的是，泵浦光与光脉冲信号通过双包层增益光纤93进行增益放大，双包层增益光纤93为掺镱的单模lma双包层光纤，纤芯直径较小，可以与普通光纤直接焊接连接，无需专门处理两种光纤的匹配问题，使得结构简单以及降低了制造工艺与成本，而在用于瓦量级的功率放大器情况下，双包层增益光纤93为采用掺镱的单模lma双包层光纤可以满足增益介质对功率放大的需求，使得该放大器的输出平均功率能够达到瓦级水平。另外，单模光纤的纤芯直径一般为9或10μm，使得纤芯大大降低，从而减少成本。

进一步地，脉冲串生成器包括m级2×2分束器(m＝1、2、3···m)与n级延时光纤(n＝1、2、3···n)，其中，第一级2×2分束器的一个输入端与脉冲选择器的输出端连接，用于接收脉冲选择器所输出的光脉冲信号后进行第一次分束，第一级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第二级2×2分束器的一个输入端连接，第一级2×2分束器的另一个输出端通过第一级延时光纤与第二级2×2分束器的另一个输入端连接，第二级2×2分束器的一个输出端通过光纤与第三级2×2分束器的一个输入端连接，第二级2×2分束器的另一个输出端通过第二级延时光纤与第三级2×2分束器的另一个输入端连接，以此类推，直至最后一级2×2分束器的一个输出端与功率放大器的输入端连接，其中，第n+1级延时光纤的长度为第n级延时光纤的2倍。

需要说明的是，每级2×2分束器分别定义为第m级2×2分束器，而每级延时光纤分别定义为第n级延时光纤。通过2×2分束器可以将光脉冲信号进行分束，而一端通过普通光纤向下一级2×2分束器进行传输，而在另一端通过延时光纤向下一级2×2分束器传输，且第n+1级延时光纤的长度为第n级延时光纤的2倍，使得传输到下一级2×2分束器产生呈2n个子脉冲，直至脉冲串内的子脉冲达到预定的子脉冲数。

另外，本实施例中的脉冲串生成器使得可以产生任意数量子脉冲的重复频率内的脉冲串，特别是对于种子源重复频率较低，而需要的脉冲串内的子脉冲数量不多的情况下，由于需要降低重复频率且采用子脉冲数量倍增的方式，使得脉冲串生成更加方便与有效。

在另一具体实施例中，参考图3，脉冲串生成器采用5级2×2分束器11、12、13、14、15，而每级2×2分束器之间的其中一个输出端与一个输入端通过光纤3连接，另一输出端与另一个输入端通过延时光纤21、22、23、24连接，而延时光纤21、22、23、24共设置4级延时光纤，同时，延时光纤21、22、23、24按照级数的增加，延时光纤21、22、23、24的长度也呈上一级的延时光纤长度的两倍进行延长。最终，在第5级2×2分束器15的其中一个输出端进行输出脉冲，使得进入第1级2×2分束器11的母脉冲进行四次分裂，共分离出16个子脉冲，从而降低了单脉冲能量。

进一步地，最后一级2×2分束器的另一个输出端连接有第一闲置光纤41，第一闲置光纤41连接有功率器，用于测量最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号的平均功率。

进一步地，第一级2×2分束器的另一个输入端连接有第二闲置光纤40。

进一步地，光纤激光器脉冲串生成模块还包括第一前置放大器，第一前置放大器与脉冲选择器的输入端连接，第一前置放大器用于接收并放大光纤激光器种子源输出的光脉冲信号。

进一步地，脉冲串生成器与功率放大器之间连接有第二前置放大器，第二前置放大器用于接收并放大最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号。

需要说明的是，脉冲串生成器实际上是由母脉冲(初始脉冲)经过多级2×2分束器与多级延时光纤进行分裂而生成的，所以，每个子脉冲的能量会不断减小，同时，由于输入的光脉冲信号分成两路信号光，至少会有一半的功率会损失，再者，每个部件都会产生对光脉冲信号的损耗，因此，最终生成的脉冲串的信号强度降低很多，所以，在本实施例中，采用第二前置放大器对最后一级2×2分束器所输出的光脉冲信号进行放大。

进一步地，参考图4，第二前置放大器具体包括光纤循环器5、增益光纤6、光纤光栅7与泵浦激光源8；

光纤循环器5设有输入端51、第一输出端52与第二输出端53，光纤循环器5的输入端51与最后一级2×2分束器的输出端连接，用于接收最后一级2×2分束器输出的光脉冲信号；

增益光纤6与光纤循环器5的第一输出端52连接，用于当光脉冲信号经过第一次经过增益光纤6时，对光脉冲信号进行增益放大；

泵浦激光源8与增益光纤6连接，泵浦激光源8用于产生泵浦光并通过增益光纤6向光纤循环器5输出；

光纤光栅7与增益光纤6与连接，光纤光栅7用于对波长满足光纤布拉格光栅条件的光脉冲信号进行反射，对其余波长的光脉冲信号进行透射，同时，经光纤光栅7反射的光脉冲信号再次经过增益光纤6进行增益放大；

光纤循环器5的第二输出端53用于输出经增益光纤6再次增益放大后的光脉冲信号以及泵浦光。

需要说明的是，光脉冲信号进入第二前置放大器进行增益放大的具体工作过程为，光脉冲信号从光纤循环器5的输入端51进入后，经过第一输出端52通过增益光纤6进行第一次放大，然后，第一次放大后的光脉冲信号进入光纤光栅7，光纤光栅7对于波长不满足光纤布拉格光栅条件的光脉冲信号进行透射，使得把其他波长区域的ase信号过滤掉，而对于波长满足光纤布拉格光栅条件的光脉冲信号进行反射，反射后的光脉冲信号再次经过增益光纤6实现第二次增益放大，最后，由第二输出端53输出。从而能够有效地印制ase信号，提高了光脉冲信号的信噪比。另外，泵浦激光源8所产生的泵浦光与光脉冲信号进行合成输出，实现对光脉冲信号的放大8、根据权利要求1的光纤激光器脉冲串生成及放大模块，其特征在于，泵浦激光器90为两个。

进一步地，参考图5，功率放大器还包括准直器94与双色镜95；

准直器94与双包层增益光纤93的输出端连接，用于对经双包层增益光纤93增益放大后的光脉冲信号与泵浦光进行准直处理；

双色镜95沿准直器94的轴线方向设置于准直器94的出光口的外侧，用于接收准直器94输出的光脉冲信号与泵浦光，并对光脉冲信号进行反射，对泵浦光进行透射。

需要说明的是，双色镜95倾斜设置，其倾斜角度根据实际情况确定，光脉冲信号经过准直器94后，成为准直的光束以自由空间光束的方式输出，然后用双色镜95泵浦光滤掉。

上述实施例提供了光纤激光器脉冲串生成及放大模块，在另一实施例中还提供了一种光纤激光器，包括上述的光纤激光器脉冲串生成及放大模块。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。