专利名称：一种可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及脉冲激光多通道放大技术领域，具体涉及一种可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器。
背景技术：
高功率脉冲激光在工业加工、生物医疗、光通信等领域具有广泛的应用价值。我国正大力扶持高功率脉冲激光的研究。但若激光器工作在脉冲方式下，引入的调制器件会带来较大的插入损耗，使得脉冲激光器的光-光转换效率大幅度降低。通常从单个脉冲激光器输出的平均功率只在毫瓦量级。为了得到更高能量和功率的脉冲输出，基于主振荡功率放大系统(master oscillator power amplifier MOPA)的多级脉冲光放大器成为研究的重点并已取得很大成果[I] Sheng-Ping Chen et al. , 100 W all fiber picosecond MOPA laser, Opt. Express 17(26): 24008, 2009。在已报道的单通道级联多级脉冲放大技术中，毫瓦量级的脉冲种子光经过单通道预放大，输入脉冲信号仅一次通过有源区，有源区的非饱和增益状态引起了大量的自发福射(amplified spontaneous emission:ASE), ASE不仅消耗了泵浦能量，且被后面的多级放大系统继续放大，加剧了 ASE噪声。如果使用滤波器件无疑可以得到干净的脉冲输出，但放大器的转换效率受到了很大影响。除此之外，预放大器内光纤熔接处都会存在弱反馈，引起寄生激射及部分信号光反复穿越有源区(由此而形成的脉冲称为次脉冲，输出的脉冲称为主脉冲)等物理现象，因此单通道放大系统的输出变得复杂；2003年YongWang等对单通道脉冲掺镱光纤放大器的动态特性进行了详细深入的研究，文中首次研究了弱反馈对主脉冲输出能量的影响[2] Yong Wang and Hong Po,Dynamic Characteristics of Double-Clad Fiber Amplifiers for High-Power PulseAmplification, Journal of Lightwave Technology 21 (10) :2262, 2003。基于单通道脉冲放大过程的诸多问题逐渐显露，多通道放大结构已经提出并开展了广泛研究。目的基于两点提高脉冲放大的转换效率，抑制自发辐射及自激振荡噪声。已有多通道激光放大技术是基于偏振控制理论、环形腔行波放大以及耦合模理论等而产生的一种激光放大技术。其技术难点在于采用特殊措施对放大器的输入信号和输出信号进行有效隔离，使信号光两次(或更多次)通过有源区放大。[3].M. Siebold, M. Loeser, U. Schramm, J. Koerner,M. Wolf, M. Hellwing, J. Hein and K. Erte High-efficiency, room—temperaturenanosecond Yb:YAG laser, OPTICS EXPRESS 17(22) :19887-19893, 2009.而本申请书提出的不依赖于偏振控制放大传输通道，通过环形腔循环使脉冲光多次经过增益介质，并达到自动改变重复频率的目的。对于小信号输入，该放大器自动达到增益饱和，并提高脉冲放大器的转换效率，抑制自发辐射噪声；结构简单，具有较高的推广价值。有关该方面的专利有[4]中国专利申请申请号=200610025498. 2，日期:2006. 04. 06，申请人杨爱萍，环形腔调Q光纤激光再生放大器。该专利重点是在环形激光放大腔实现腔内调Q激光运转，当信号脉冲被放大到所需能量值后，由光开关控制将放大信号脉冲自放大腔内输出。因此基于环形腔多通道脉冲光纤放大器，实现自动重复频率变换，至今未见全面报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种结构简单的可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器，利用激光脉冲在放大腔内传输时间与脉冲周期的差异，在时域上出现自动改变重复频率的结果，同时影响脉冲放大输出的其他特征，为多通道脉冲放大提供了一种新的光路设计和分析方法。本发明采用的技术方案是这种可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器，包括至少一个泵浦激光器、一段增益光纤和由光纤无源器件组成的激光放大环形腔，所述的光纤无源器件包括一个对泵浦光和信号光耦合的波分复用器，一个相应波长的合束器、一个一定比例的分束器和一个相应波长的隔离器，合束器、波分复用器、增益光纤、隔离器、分束器通过无源光波导光纤连接构成激光放大环形腔，脉冲激光和泵浦激光连接激光放大环形腔，激光放大环形腔输出通过分束器按比例分别连接放大器输出端和激光放大环形腔的合束器输入端。上述技术方案中，脉冲激光和泵浦激光连接激光放大环形腔，其具体结构为脉冲 激光振荡器输出的种子信号通过无源光波导光纤和隔离器后连接至合束器的输入端，合束器的输出和泵浦激光器的输出都连接波分复用器的输入端。上述技术方案中，环形腔多通道脉冲光纤放大器，由一个任意重复频率和脉冲宽度的种子脉冲激光振荡器提供种子信号。本发明的放大技术基于环形腔，脉冲激光每次经过环形腔内增益介质放大后，都要通过一分束器，按一定比例将脉冲能量再次耦合进环形腔内，达到自动改变重复频率的目的。该环形腔多通道脉冲光纤放大器自动改变重复频率的工作原理如下从调Q或锁模激光振荡器输出的纳秒、皮秒或飞秒脉冲经隔离器输入与信号波长匹配的合束器，由耦合泵浦光和信号光的波分复用器耦合进增益光纤，增益光纤选择可根据信号波长的不同而不同，如掺镱、掺铒、掺铥等。经过增益介质放大的脉冲，由环形腔内相应波长的隔离器保证其单向运转，经特定耦合比的耦合器(分束器)将小部分(一般〈10%)的脉冲能量耦合进放大器输入端，构成环形腔运转；大部分的脉冲能量从输出端耦合输出。经过多次运转，耦合进输入端的脉冲能量逐渐增大，放大器趋近增益饱和。这种环形腔多通道放大过程自动改变重复频率是通过脉冲激光在环形腔内运行的时间与脉冲的周期的关系不同而达到目的，分析如下
Ca)如果脉冲激光在环形腔内运行的时间(设为t)与脉冲的周期(设为T)相等，或是脉冲周期的整数倍，即t=nT (n为自然数)，则放大输出的脉冲重复频率与种子脉冲的重复
频率相等。(b)如果脉冲激光在环形腔内运行的时间是脉冲周期的几分之一，即脉冲周期是脉冲激光在环形腔内运行时间的整数倍，即T=nt (n为自然数)，则输出脉冲的重复频率是种子脉冲的重复频率的整数倍。(c)如果脉冲激光在环形腔内运行的时间在nT〈t〈(n+l)T范围(n为任意整数)，因输入端存在脉冲信号的多次反馈，则输出的脉冲在经历周期不稳定后达到连续输出状态。重复频率为无穷大。
将环形腔内放大的脉冲能量分束的耦合器具有特定耦合比，耦合比可以是5:95，2:98 等。
图I为ー种可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器示意图。图2为输出脉冲重复频率与种子信号光重复频 率相等的原理分析。图3是输出脉冲重复频率为种子信号光重复频率八倍的原理分析。图4是输出脉冲激光变为连续激光的原理分析。附图标注说明
I 一掺稀土増益光纤，2 —无源光波导光纤，3 —泵浦激光器，4 一双波长波分复用器，
5 一合束器，6 —隔尚器，7 —分束器，8 —放大器输出端，9 一脉冲激光振荡器。
具体实施例方式 參见图1，本发明的这种可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器，包括至少ー个泵浦激光器、一段増益光纤和由光纤无源器件组成的激光放大环形腔，所述的光纤无源器件包括一个对泵浦光和信号光耦合的波分复用器，一个相应波长的合束器、ー个一定比例的分束器和ー个相应波长的隔离器，合束器、波分复用器、増益光纤、隔离器、分束器通过无源光波导光纤连接构成激光放大环形腔，脉冲激光和泵浦激光连接激光放大环形腔，激光放大环形腔输出通过分束器按比例分别连接放大器输出端和激光放大环形腔的合束器输入端，脉冲激光和泵浦激光连接激光放大环形腔，其具体结构为脉冲激光振荡器输出的种子信号通过无源光波导光纤和隔离器后连接至合束器的输入端，合束器的输出和泵浦激光器的输出都连接波分复用器的输入端，环形腔多通道脉冲光纤放大器，由ー个任意重复频率和脉冲宽度的种子脉冲激光振荡器提供种子信号。图I中I是掺稀土増益光纤，根据信号光波长不同，可以是掺镱、掺铒、掺铥及掺钕等光纤，或者是多种类稀土掺杂光纤，如铒镱共掺或钕镱共掺。光纤结构上可以选择双包层光纤，或其他种类的光纤，如具有特定色散特性的光纤。图I中2是无源光波导光纤，根据需要改变的重复频率倍数，确定无源光波导光纤的长度；根据对输出脉冲的模场要求，可以选择单模或多模光纤；根据对输出脉冲的频域要求，可以选择不同色散特性的无源光波导光纤。总之，图中的I和2根据信号光波长互相匹配以及对输出脉冲的特性要求选择相应匹配类型的特殊光纤。图I中3是泵浦激光器。根据所用増益光纤，所用泵浦光源可以是0.9um波段或是I. 48um波段或其他波段的连续半导体激光器或其他泵浦激光源。根据增益光纤的增益水平可选择不同方式泵浦同向、反向或双向。泵浦激光器的尾纤选择应与图I中的I和2的纤芯匹配。图I中4是双波长波分复用器。分别根据信号波长和泵浦波长及图I中1、2纤芯參数选择波分复用器的类型。图I所示的是同向泵浦方式，如果采用反向泵浦，则在增益光纤I右端接入波分复用器和泵浦激光源。图I中5是工作在信号光波长处的合束器，可以对输入的种子脉冲光信号和反馈回的放大脉冲信号耦合进放大腔内。见图I。合束器纤芯參数可根据信号波长选择，尽量减小插入损耗。为避免短脉冲或超短脉冲放大时高峰值功率产生非线性效应和散射，可在输入端接入脉冲展宽器件对短脉冲或超短脉冲进行展宽。放大输出时，可以采用脉冲压缩器件对输出脉冲进行压缩。图I中6是工作在信号波长处的隔离器，其中种子脉冲输入端的隔离器防止放大脉冲光反馈回种子脉冲激光振荡器。环形腔内隔离器保证放大脉冲在腔内单向运转。隔离器的纤芯參数可根据信号波长选择，井根据放大脉冲的峰值功率选取能够承受该功率的隔离器。图I中7是特定耦合比的耦合器，也可以称之为分束器。根据需要，选择不同的耦合比。如5 95,2 98等等。其中分束比例较大的一部分为输出端，如图I中8所示。图I中9是提供信号光的脉冲激光振荡器，该信号脉冲可以是调Q产生，也可以是锁模运转产生。脉宽可以是纳秒、皮秒或飞秒。參见图2，是在t=nT (n为自然数)情形下的输出脉冲重复频率与种子信号光重复 频率相等的分析图。将脉冲在环形腔内运行光程拉直进行分析。首先考虑输入脉冲序列中某个脉冲i，它在增益介质中传输时间可以写为
t=neffL/c①
式中IWf为环形放大器腔内所有光纤的有效折射率，L为环形放大器腔的实际长度，c为真空中的光速。其次考虑输入脉冲的周期T，可以写为
T=l/f②
式中f为种子脉冲的重复频率。若t=nT (n为自然数)，则按一定比例(5%或2%等)反馈回输入端的脉冲与种子脉冲同一时间注入放大器，图2中红色曲线表示由种子脉冲振荡器提供的输入信号脉冲，黒色曲线表示在环形放大器运行一周的反馈脉沖。相邻间隔的距离表示脉冲周期。图中所示假定脉冲在环形放大器内运行时间是种子脉冲周期的7倍。因此输出脉冲重复频率与种子信号光重复频率相等。如果n为其他的整数，分析结果同上。图2中，10为输入端放大反馈脉冲，11为种子脉冲，12为放大反馈脉冲，13为输入端起始时刻，14为运行一周时刻。參见图3，是在T=nt (n为自然数)情形下的输出脉冲重复频率为种子信号光重复频率n倍的分析图。图3中红色曲线表示种子激光振荡器提供的脉冲信号，黒色曲线表示经过环形腔多通道放大的脉冲信号，从右至左依次是经过一次放大、二次放大直至第八次放大时反馈放大信号与种子激光振荡器提供信号重合，此时假定ri=8，因此输出脉冲重复频率将是种子激光脉冲的8倍。如果n为其他的整数，分析结果同上。图3中，10为输入端放大反馈脉冲，11为种子脉冲，12为放大反馈脉冲，14为运行一周时刻，15为输入端起始时刻与运行第八周时刻重复，16为运行第七周时刻，17为运行第三周时刻，18为运行第二周时刻。參见图4，是在nT〈t〈(n+l)T (n为自然数)情形下输出激光变为连续激光的分析图。假定第i个脉冲运行6周后与第i+7个脉冲并未在时间上重合，而是有一定时间差异，因此随着多次循环造成时间差异逐渐縮小，最后变为连续输出。图4中，10为输入端放大反馈脉冲，11为种子脉冲，12为放大反馈脉冲，19为输入端起始时刻，与运行一周时刻重合，14为运行一周时刻。
权利要求
1.一种可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器，其特征在于包括至少一个泵浦激光器、一段增益光纤和由光纤无源器件组成的激光放大环形腔，所述的光纤无源器件包括一个对泵浦光和信号光耦合的波分复用器，一个相应波长的合束器、一个一定比例的分束器和一个相应波长的隔离器，合束器、波分复用器、增益光纤、隔离器、分束器通过无源光波导光纤连接构成激光放大环形腔，脉冲激光和泵浦激光连接激光放大环形腔，激光放大环形腔输出通过分束器按比例分别连接放大器输出端和激光放大环形腔的合束器输入端。
2.根据权利要求I所述的可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器，其特征在于脉冲激光和泵浦激光连接激光放大环形腔，其具体结构为脉冲激光振荡器输出的种子信号通过无源光波导光纤和隔离器后连接至合束器的输入端，合束器的输出和泵浦激光器的输出都连接波分复用器的输入端。
3.根据权利要求I所述的可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器，其特征在于环形腔多通道脉冲光纤放大器，由一个任意重复频率和脉冲宽度的种子脉冲激光振荡器提供种子信号。
全文摘要
一种可自动改变重复频率的环形腔多通道脉冲光纤放大器，包括至少一个泵浦激光器、一段增益光纤和由光纤无源器件组成的激光放大环形腔，所述的光纤无无源器件包括一个对泵浦光和信号光耦合的波分复用器，一个相应波长的合束器、一个一定比例的分束器和一个相应波长的隔离器，合束器、波分复用器、增益光纤、隔离器、分束器通过无源光波导光纤连接构成激光放大环形腔，脉冲激光和泵浦激光连接激光放大环形腔，激光放大环形腔输出通过分束器按比例分别连接放大器输出端和激光放大环形腔的合束器输入端。本发明利用激光脉冲在放大腔内传输时间与脉冲周期的差异，在时域上出现自动改变重复频率的结果，同时影响脉冲放大输出的其他特征，为多通道激光脉冲放大提供了一种新的光路设计和分析方法。
文档编号H01S3/067GK102769242SQ201110242848
公开日2012年11月7日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者侯静, 刘丰年, 陈胜平 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学